Часом розтікання носіїв заряду з базової області;

1.                часом розтікання носіїв заряду з базової області;

2.                часом перезарядки бар’єрної ємності p-n-переходу.

5.4 Режими комутації ключів

Швидкодія ключових елементів визначається процесами накопичення неосновних носіїв заряду в базі ключового елементу при ввімкненні прямого напрямку ключа і процесами розтіканні цих носіїв – при закриванні ключового елементу, і тому час перемикання включає як час розтікання носіїв чи їх накопичення, так і час формування заданого рівня напруги. Епюри напруг відображають вказані процеси і зміну сигналів на вході, тобто в базовому колі, і на виході.

Розгортка сигналів при прямому ввімкненні біполярних транзисторів.

При вмиканні транзистора керуюча напруга ек, що подається у базове коло, змінює полярність і амплітуду від Uк.закр до Uк.нас в момент часу t0. Це приводить до початку зростання колекторного струму Iк. Різниця потенціалів Uбе може миттєво зменшитись до нуля, оскільки визначається величиною заряду бар’єрної ємності керуючого переходу транзистора. За певний проміжок часу величина цього заряду зменшиться до нуля, а потім ємність перезаряджається, тобто переполяризовується, в результаті чого на переході база – емітер встановлюється різниця потенціалів Uбе порогове, при якому транзистор вже можна вважати відкритим. Цей процес відбувається за рахунок інжекції носіїв зараду з емітерної в базову область, він триває протягом часу tз, протягом якого Uке практично не змінюється. Починаючи з моменту часу t1, транзистор починає входити в область насичення, тобто Uке експоненційно спадає і струм колектора досягає максимального значення в момент часу t2. Інтервал t2 - t1 називається часом формування фронту вмикаючого імпульсу; tз і tф разом складають ввімкнення транзистора. Момент часу t2, в залежності від вимог до ключової схеми, приймають таким, коли максимальне значення струму колектора або мінімальне значення Uке досягають рівня 0,5 – 0,7 від свого критичного значення.

Подальший інтервал часу tустановки визначає процеси глибокого насичення транзистора. Для швидкодіючих схем стараються зменшити tнас і реалізують схеми, де електронні ключі працюють без режиму глибокого навантаження. Одним з методів реалізації такого режиму є ввімкнення діода Шоткі між базою і колектором транзистора.

Оскільки пряма напруга на діоді Шоткі складає приблизно 0,7-0,8 В для кремнієвих структур, то відповідно різниця потенціалів між базою і колектором транзистора не перевищує цього значення. При перемиканні в закритий стан транзистора, керуюча напруга ек знову інвертується (2 діаграма), але протягом певного часу tрозтікання струм в колекторному колі залишається практично постійним, оскільки опір бази буде мати мінімальне значення до моменту часу t1, поки неосновні носії заряду не перейдуть в колекторну чи емітерну область. Після цього напруга Uке між відповідними електродами транзистора починає зростати до максимального значення, що дорівнює ек. Відповідно струм колектора зменшиться до нуля. При Iк=0,1*Iк.нас, транзистор вже вважається закритим. Тривалість вимикання складається з часу розтікання і часу формування спаду імпульсу.

Застосування діода Шоткі в цьому випадку дозволяє зменшити інтервал розтікання tр, а відповідно і підвищити швидкодію ключа на біполярному транзисторі.

Для корекції величини напруги насичення ключа з бар’єром Шоткі використовують додатково джерела зміщення в колах зворотного зв’язку.

В найпростішому випадку можна використати додаткові резистивні елементи Rб , які при протіканні керуючого струму Iб задають додаткове зміщення Uзм=Iб*Rб, що додається до вальєрної різниці потенціалів на діоді Шоткі, однак в цьому випадку тривалість розтікання носіїв при комутації буде зменшуватись за рахунок зростання постійної часу резистивно – ємнісного кола розрядки, що включає бар’єрну ємність переходу і додатковий опір Rб.

Особливості ключів на польових транзисторах

При комутації польових транзисторів, особливо з вбудованим каналом слід звернути увагу на лінійність передаточної характеристики транзистора, що може працювати як в режимі збудження так і збагачення каналу провідності основними носіями заряду. В цьому випадку при малих рівнях сигналів зберігається лінійна залежність вихідного струму від керуючої напруги, яка має місце в досить широкому інтервалі напруг живлення. Відповідно час накопичення і розтікання носіїв повинен тут відігравати меншу роль порівняно з біполярним транзистором, що має сприяти підвищенню їх швидкодії. Однак, передача керуючого сигналу тут задається через вхідну ємність, а це зменшує швидкодію транзистора. Крім того, при лінійній залежності вихідного струму від керуючого сигналу, основним елементом, який задає і час комутації і амплітуду вихідного сигналу стає опір навантаження Rс.

Тому при оптимізації схеми потрібно узгоджувати два заперечуючи один одного фактори, а саме: для підвищення швидкодії ключа Rс потрібно зменшувати, а для забезпечення надійної комутації, тобто більшої різниці сигналу між ввімкненим та вимкненим станом Rс потрібно збільшувати. Для вирішення цих проблем використовують в М-Д-М ключах опір навантаження у вигляді нульового транзистора, ввімкненого в якості джерела постійного струму. Проте найкращі результати одержані при використанні комплементарної пари транзисторів, тобто транзисторів з однаковими параметрами але протилежними типами провідності. Крім того, що вхідний сигнал в даному випадку одночасно є відкриваючим для одного типу транзисторів і закриваючим – для іншого, такий транзистор досить зручно реалізувати в інтегральному виконанні, тому останнім часом найбільш широкого застосування знайшли біполярні транзистори з діодом Шоткі і комплементарна М-Д-М логіка (ТТЛШ, КМДМ).

5.5 Схемотехніка логічних елементів

В цифровій електроніці, як для логічної, так і для арифметичної обробки сигналів використовують три базові функції: І, АБО, НЕ.

x1	x2	y
0	0	0
1	0	0
0	1	0
1	1	1
x1	x2	y
0	0	0
1	0	1
0	1	1
1	1	1

На фізичному рівні ці функції реалізуються з допомогою аналогічних логічних елементів: кон’юнкції та диз’юнкції АБО та інверсії НЕ. Логіка роботи кон’юнктора полягає в наступному: сигнал на виході логічного елемента приймає значення логічної одиниці тоді і тільки тоді, коли на всіх його виходах присутні сигнали високого логічного рівня. Для диз’юнктора, тобто схеми АБО, логіку роботи можна сформулювати наступним чином: сигнал на виході диз’юнктора прийме значення логічної одиниці, якщо хоч на одному його вході буде присутній сигнал високого рівня. Логіка роботи інвертора – сигнал на виході завжди приймає значення інверсне (протилежне) до вхідного сигналу. Стани логічних елементів описуються таблчками істинності.

x	y
0	1
1	0

На фізичному рівні найпростіше реалізувати інвертор. Таку функцію виконує транзисторний ключ реалізований за схемою з загальним емітером. При високому вхідному сигналі опір транзистора є набагато меншим за опір колекторного навантаження і тому потенціал колектора наближається до нуля, що відповідає і логічному нулю. Коли транзистор закритий, тобто 0 на вході, тоді його опір значно більший за Rк і потенціал колектора наближається до напруги живлення, що відповідає логічній одиниці на виході. Для реалізації кон’юнктора можна використати два транзисторні ключі, ввімкнені за схемою з загальним колектором, зкомутовані послідовно один за одним.

Для реалізації логічного диз’юнктора ключові елементи мають бути ввімкнені паралельно один з одним, тоді вмикання хоча б одного з них приведе до протікання струму через навантаження і появи сигналу високого рівня на виході.

Більш універсальними є комбіновані елементи, функції І-НЕ (штрих Шеффера) та АБО-НЕ (стрілка Пірса).

В найпростішому випадку – це послідовно ввімкнені два базових елементи.

5.5.1 Основні характеристики логічних елементів і їх класифікація

Логічні елементи класифікуються за кількома ознаками. В першу чергу розглядають схемотехнічне виконання базових елементів. При цьому в основу класифікації покладено подвійну назву, що вказує на тип вхідного і вихідного каскадів. Елементарний транзисторний ключ став основою перших елементів, які об’єднано було в клас транзисторної логіки з безпосередніми зв’язками (БЗТЛ).

Для покращення завадостійкості такого ключа у вхідних колах було ввімкнено резистор. Така схема стала називатись резистивно-транзисторною логікою. Щоб покращити частотні характеристики, тобто зменшити тривалість фронту та спад імпульсу, паралельно до Rб включається конденсатор. Такі схеми називаються резистивно-ємнісна транзисторна логіка (РЄТЛ). Однак вони не набули широкого вжитку через низьку технологічність. Першими серійними елементами стали ключі з вхідними діодними структурами (ДТЛ).

Найбільшим досягненням стала розробка багатоемітерних транзисторів, що дозволило створити елементи транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ).

У швидкодіючих елементах ТТЛШ (транзисторно-транзисторної логіки з діодами Шоткі) всі транзисторні ключі реалізовані із зворотними зв’язками на діодах Шоткі. Це дозволило значно підвищити швидкодію схем і є зараз основою надвеликих інтегральних схем, які в свою чергу є базою всієї комп'ютерної електроніки.

Окрім цього використовуються елементи емітерно-зв’язної логіки (ЕЗЛ) (на основі диференційних каскадів струмових ключів), n-, p- МОН логіка (на польових транзисторах) та комплементарна КМДМ – логіка (КМОН).

Завдяки пошуку оптимальних рішень для зменшення енергоспоживання логічних елементів розроблено структури так званої інтегрально-інжекційної логіки ().

Основні параметри і характеристики

До характеристик відносять: вхідну, вихідну та передаточну характеристики логічних елементів, відповідно залежності: Iвх=f(Uвх) Iвих=f(Uвих) Uвих=f(Uвх)

Параметри:

1.                Коефіцієнт розгалуження з виходом – кількість елементів, які можна підключити до виходу даного логічного елемента. Для підвищення навантажувальної здатності (збільшення цього параметру N) вихідні каскади елементів виконують у вигляді схем емітерних повторювачів або потужних підсилювачів.