Полупроводниковые приборы Электропроводность полупроводников (стр. 11 )

       При разомкнутом ключе ток равен нулю i = 0,

uвых = Е; при замкнутом  -  , ивых=0. При условии, что R разомкнутого состояния бесконечно велико, а сопротивление замкнутого ключа равно нулю.

  В реальных ключах все параметры (токи, напряжения) зависят от параметров активных элементов. Переходы из одного состояния в другое происходит значительно медленнее, чем в идеальном, т. е. за определенный промежуток времени, обусловленный инерционностью активного элемента.

Качество электронного ключа определяется следующими основными параметрами:

падением напряжения на ключе в разомкнутом состоянии – из, током через ключ в разомкнутом состоянии iр, временем перехода ключа из одного состояния в другое (время переключения) tпер.

Примечание: чем меньше значения данных величин, тем выше качество ключа.

Простейшие электронные ключи – диодные ключи. Здесь в качестве активных элементов используются п/п или электровакуумные диоды.

Последовательные ключи

Передаточная характеристика последовательного диодного ключа с нулевым уровнем включения

При положительном входном напряжении диод открыт  и ток через него  ,

где Rпр – прямое сопротивление диода.

Тогда выходное напряжение ивых

Обычно в таких схемах Rпр R, поэтому ивх≈ ивых

При отрицательном входном напряжении обратный ток через диод , где Rобр – обратное сопротивление диода.

Тогда  .

Здесь применимо условие Rобр>> R  ивх

Данная схема соответствует нулевому уровню включения (уровень входного напряжения, определяющий отпирание или запирание диода).

Для изменения уровня включения в цепь ключа вводят источник напряжения смещения Е0. Тогда при ивх> Е0 диод открыт и ивх= ивых, при ивх Е0 диод закрыт и  ивых= Е0.

Если изменить полярность источника Е0, то график функции выходного напряжения приобретает вид (пунктирная линия).

Схема параллельного диодного ключа

  А) с нулевым уровнем включения  б) С ненулевым уровнем включения

       Здесь при положительном входном напряжении диод открыт (ключ замкнут), выходное напряжение ивых≈0. При отрицательном  - закрыт (ключ разомкнут), ивых≈ивх. Для изменения уровня включения в цепь ключа вводят источник напряжения Е0 последовательно с диодом. При изменении полярности включения диода и источника Е0 – характеристика пунктирной линией.

Двойной диодный ключ

       Состоит из комбинации двух диодных ключей. Он передает входное напряжение на выход ключа, если оно находится в пределах границ, определяемых уровнями включения первого (U1вх)  и второго (U2вх) ключей

Время переключения диодных ключей tпер, определяющее их быстродействие, зависит от паразитных емкостей диодов и емкости монтажа, а так же от времени выключения диода tвыкл. Для повышения быстродействия ключей применяются малоинерционные диоды.

Недостаток всех диодных ключей: не позволяют электрически разделить управляющую и управляемую цепи, что достаточно часто используется на практике.

В данных случаях они заменяются транзисторными ключами.

Транзисторные ключи

Входная (управляющая) цепь отделена от выходной (управляемой) цепи. Ключ мало отличается от усилителя, выполненного по схеме с общим эмиттером. Хотя транзистор работает в ключевом режиме, характеризуемом двумя состояниями: первое (точка А1) – на выходных характеристиках транзистора – режим отсечки. Здесь ток базы равен нулю, ток коллектора Ik1 – начальному коллекторному току, Uk=Uk1≈Ek, и реализуется при отрицательных потенциалах базы. Второе (точка А2) – режим насыщения реализуется при положительных потенциалах базы, тогда , коллекторный переход тоже открыт и ток коллектора   и  Uк2  ≈ 0.

Из режимов отсечки в режим насыщения транзистор переводится воздействием положительного входного напряжения. При этом повышению входного напряжения (потенциала базы) соответствует положение выходного напряжения (Потенциала коллектора) и наоборот. Такие ключи называются инвертирующими (инверторами).

Существуют также повторяющие ключи, у которых понижение напряжения входа соответствуют понижению выходного напряжения. Выполняются по схеме эмиттерного повторителя. Время включения данных ключей зависит от конструкции транзисторов. Для улучшения данных параметров можно применять полевые транзисторы.

Электронные ключи часто используются как формирователи импульсов, ограничителей одинарных и двойных.

Логические элементы

       Логические элементы вместе с запоминающими устройствами составляют основу устройств цифровой (дискретной) обработки информации (ЭВМ, цифровых КИП, устройств автоматизации). Они выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией. Построены в основном на ключевых элементах, поэтому информация перерабатывается и получается в двоичном коде («О» - логический ноль, и «1» - логическая единица) Логические преобразования двоичных символов включают три элементарных операции:

Логическое сложение (дизъюнкция), или операция ИЛИ и обозначается знаками + или V 

  F = x1 + x2 + x3 +…+ xn

0 + 0 = 0 0 + 1 = 1

1 + 0 = 1 1 + 1 = 1

Логическое умножение (конъюнкция) или операция И  (  ● ; Λ)

  F = x1 ● x2 ● x3 ● …●  xn

0 ●  0 = 0 0 ●  1 = 0

1 ●  0 = 0 1 ●  1 = 1

Логическое отрицание (инверсия), операция НЕ, обозначается чертой над  переменной  F = x 

0 = 1

1 = 0

       Самостоятельное значение имеет логическая операция «Запрет», который символически записывается в виде

F = x1*x2

       Условные обозначения на чертежах

  А)  Б)  В)  Г)

  Д)  Е) 

А) Элемент ИЛИ. Выходной сигнал F равен единице (1), если хотя бы на один из п входов подан сигнал «1».

Б) Элемент И (схемы совпадения). Выходной сигнал F равен единице, если одновременно на все п – входы подан сигнал «1».

В) Элемент НЕ – инвертор.

Г) Логический элемент запрета имеет в простейшем виде два входа: разрешающий (вход Х1) и запрещающий (вход Х2). Выходной сигнал повторяет сигнал на разрешающем входе х1, если х2 = 0. При х2 = 1 на выходе сигнал «0» независимо от значения х1.

Д) Элемент ИЛИ – НЕ выполняет операцию

F = x1*x2*…*хп

Е) Элемент И – НЕ выполняет операцию

F = x1+x2+…+хп

       Логические элементы обычно выполняются на интегральных микросхемах. В зависимости от вида используемых сигналов логические элементы подразделяют на потенциальные и импульсные. В потенциальных элементах логические 0 и 1 подразделяются двумя разными уровнями электрического потенциала, а в импульсных элементах – наличием или отсутствием перепада напряжения от низкого уровня к высокому или наоборот. Наибольшее распространение получают потенциальные логические элементы.

       Простейшие логические элементы И и ИЛИ строятся на основе диодных ключей. НЕ – на транзисторных ключах, обладающих инвертирующими свойствами. Схемы элементов ИЛИ и И, а так же кодирование их сигналов показано на следующих схемах:

  Элемент  ИЛИ  Элемент И

Для получения логического элемента И – НЕ необходимо к элементу И подключить инвертор на транзисторах.

Здесь показана диодно – транзисторная логика (ДТЛ) И – НЕ элемента с простым инвертором.

               

Более высоким быстродействием по сравнению с ДТЛ – элементами обладают ТТЛ – элементы (транзисторно – транзисторная логика). Схема ТТЛ – элемента И – НЕ с простым инвертором показана ниже. Здесь Т1 – многоэмиттерный транзистор.

Если на всех входах (эмиттерах транзистора Т1) действует сигнал «1» (высокий потенциал), то все переходы эмиттер – база Т1 закрыты. Потенциал базы Т2 близок к «0», а переход коллектор – база транзистора Т1 открыт приложенным в прямом направлении напряжением источника +Е. Ток коллекторного перехода транзистора Т1 проходит через переход эмиттер – база транзистора Т2, переводя его в режим насыщения, а на выходе появляется сигнал «0» (низкий потенциал). Если в одном из входов появится сигнал «0», то соответствующий переход эмиттер – база транзистора Т1 откроется и его базовый ток перебросится из коллекторной цепи в эмиттерную. В результате транзистор Т2 закроется и на выходе появится высокий потенциал («1»). Следовательно, сигнал «0» может быть на выходе только при сигналах «1» на всех входах, что соответствует операции И – НЕ.

       

Схема МОП (металл – окись – п/п) – элемента ИЛИ – НЕ на транзисторах с индуцированным каналом п - типа. Здесь применяются МОП - транзисторы – полевые и маломощные.

       Существуют также инверторы типа кМОП (комплиментарный).

       Наибольшее распространение получили логические ТТЛ-, ЭСЛ - (эмиттерно – связанная логика), И2Л - (интегрально – инжекторная логика используется только на БИС) и кМОП - элементы.

Триггеры