6 курс / Медицинская реабилитация, ЛФК, Спортивная медицина / Физиотерапия, лазерная терапия / Электронные_устройства_в_медицинских_приборах_2010

транзистора. При этом особенно удобно включение сдвигающего транзистора в режиме повторителя напряжения, так как такое включение транзистора к выходу переключателя тока одновременно будет способствовать повышению его быстродействия. Включение повторителей напряжения приводит к уменьшению выходного сопротивления элемента, что обеспечивает быструю перезарядку емкости нагрузки, а следовательно, способствует повышению быстродействия.

Правда, сдвиг потенциальных уровней на входе повторителя

сравнительно небольшой величины: Uвых (0,5÷0,8) В. Однако в большинстве практических случаев он оказывается достаточным, так как переключатели тока обычно работают с малыми перепадами выходного напряжения:

Uлог =Uвых1 −Uвых0 ~− I0Rк

(ограничением перепада Uлог обеспечивается быстрый перезаряд паразитных емкостей, шунтирующих выход). Именно перепадом выходного напряжения Uлог определяется требуемый сдвиг потенциальных уровней, поскольку для предотвращения насыщения последующих входных транзисторов необходимо выполнение условия

Uлог = I0Rк ≤Uбэ.сд ,

где Uбэ.сд – перепад напряжения на входе повторителей напряжения на транзисторах Т4 и Т5.

Представленная на рис. 2.15 схема элемента на многовходовом переключателе тока с повторителями напряжения на транзисторах

Т4 и Т5 относится к микросхемам эмиттерно-связанной логики

(ЭСЛ).

Рассмотрим работу элемента ЭСЛ в установившемся режиме. При входных напряжениях Uвх0 , меньших напряжения отпирания

Uвх.от , входные транзисторы остаются закрытыми, и на инвер-

тирующем выходе ЭСЛ-элемента устанавливается высокий потенциал

Uвых.ин =Uвых1 ~− Ек −Uбэ.сд .

61

При этом ток I0 полностью отбирается опорным транзистором Т, и на неинвертирующем выходе устанавливается низкий потенциал

Uвых.ни =Uвых0 = Ек − I0Rк −Uбэ.сд

(Rк1 = Rк2 = Rк).

Когда напряжение Uвх достигает потенциала отпирания входных транзисторов, они начинают проводить, и ток I0 частично ответвляется в эмиттеры проводящих транзисторов. Если одновременно проводят lпр входных транзисторов (из общего числа lэс), то потенциал коллектора этих транзисторов уменьшается на величину lпрαNIэ1Rк и, соответственно, понижается напряжение на инвертирующем выходе до уровня

Uвых.ин ~− Ек −lпрαN Iэ Rк −1Uбэ.сд .

Из-за перераспределения тока I0 изменяется и напряжение на неинвертирующем выходе

Uвых.ни ~− Ек − αN IэRк −Uбэ.сд

(здесь Iэ1 и Iэ – токи эмиттеров соответственно входного и опорного транзисторов).

Когда транзистор Т перестает проводить, ток I0 полностью отбирается проводящими входными транзисторами. После этого с увеличением входного напряжения наблюдается уменьшение напряжения на инвертирующем выходе Uвых.ин. Так как после полного переключения элемента проводящие входные транзисторы работают с глубокой отрицательной обратной связью по току, протекающему через резистор R, то уменьшение Uвых.ин незначительное. При напряжении Uвх.нас входные транзисторы насыщаются, их базовый ток ответвляется в коллекторную цепь, уменьшая перепад напряжения на Rк1, поэтому Uвых.ин нарастает. Насыщение входных транзисторов нарушает нормальный режим работы переключателя, поэтому соответствующим подбором параметров схемы и напряжений источников питания такой режим работы исключается.

Дальнейшее усовершенствование логических элементов на переключателе тока привело к разработке ИМС эмиттерно-

связанной логики с эмиттерными повторителями на входе

(ЭЭСЛ).

62

В микросхеме ЭСЛ на рис. 2.15 эмиттерные повторители подключаются к выходам переключателя тока для съема информации. В элементе ЭЭСЛ (рис. 2.16) переключатель тока состоит из двух транзисторов, первый из которых (Т1) используется для обработки информации, а второй (Т2 с опорным напряжением) – для переключения элемента. Для ввода информации применяются входные повторители напряжения на транзисторах Т3–Т5. Выход берется с переключателей тока без выходных повторителей. Нетрудно заметить, что в микросхемах ЭЭСЛ эмиттерные повторители переставлены местами: в отличие от микросхемы ЭСЛ они перенесены с выхода переключателя тока на вход.

Рис. 2.16. Микросхема ЭЭСЛ

Разработаны сверхбыстродействующие ИМС на переключателях тока, способные работать с частотой переключения до 550 МГц. Повышение быстродействия непременно связано с увеличением потребляемой мощности, поэтому применение ИМС на переключателях тока оправдано только в таких приборах, в которых быстродействие является решающим фактором.

63

2.7. Логические микросхемы на МДП-транзисторах

Логические микросхемы на транзисторах с каналами одно-

именной проводимости. В настоящее время логические элементы, выпускаемые промышленностью, строятся в основном на МДПтранзисторах с индуцированным п-каналом, поскольку они обладают большим быстродействием, чем р-канальные.

Рассмотрим логические элементы на транзисторах с индуцированным п-каналом. Представляемые соотношения можно использовать также для элементов с р-каналом (с учетом различия полярности потенциалов источников питания и электродов микроузлов).

На рис. 2.17 приведены схемы простейших логических элементов. В них последовательно с источником питания Ес включен нагрузочный транзистор Тн, используемый как квазилинейный резистор (см. с. 52). Для выполнения логических операций применяется транзисторная матрица Т1, Т2… При последовательном соединении Т1, Т2… (рис. 2.17, а) схема способна реализовать логическую операцию И-НЕ, а при их параллельном включении – операцию ИЛИ-НЕ (рис. 2.17,б).

Рис. 2.17. Микросхемы на МДПтранзисторах с индуцированным п-каналом: трехвходовые элементы И-НЕ (а)

и ИЛИ-НЕ (б)

64

Если потенциал на входе хотя бы одного из транзисторов Т1, Т2… меньше порогового напряжения (Uпор), то в элементе И-НЕ этот транзистор остается закрытым, поэтому не проводят тока и все остальные. При этом на выходе микросхемы устанавливается высокий потенциал Uвых1 = Ес , соответствующий логической 1.

Только когда на всех затворах всех транзисторов одновременно устанавливается высокий потенциал Uвх1 =Uвых1 , превышающий пороговый уровень Uпор, все транзисторы отпираются, и на выходе микросхемы устанавливается низкий потенциал Uвых0 , соответст-

вующий логическому 0.

В элементе ИЛИ-НЕ на выходе устанавливается высокий потен-

циал U1		= Е			только тогда, когда на затворы всех транзисторов
	вых		с
Т1,	Т2…			одновременно поступает низкий потенциал:
Uвх0	=Uвых0		<Uпор , и все транзисторы не проводят тока. Когда же

входной потенциал на затворе хотя бы одного из транзисторов превышает его пороговое напряжение Uпор, этот транзистор отпирается

и выходной потенциал понижается до уровня Uвых0 =Uси.ост (Uси.ост

– остаточное напряжение на стоке проводящего транзистора при работе в крутой области ВАХ).

Основные параметры представленных логических элементов можно определить, заменив транзисторную матрицу Т1, Т2… одним эквивалентным транзистором с соответствующими параметрами. Так, в схеме И-НЕ последовательно включенные однотипные транзисторы Т1, Т2… в проводящем состоянии можно заменить одним эквивалентным транзистором с удельной крутизной kп.экв, определяемой по формуле

1	=	1	+	1	+... +	1	=	т	,
kп.экв						kпт
		kп1		kп2				kп

где kп1 = kп2 =… = kпт = kп – удельная крутизна транзисторов Т1, Т2…, т – число последовательно включенных транзисторов в логической матрице.

65

В элементе ИЛИ-НЕ параллельно включенные транзисторы в проводящем состоянии можно заменить эквивалентным транзисто-

ром с удельной крутизной

q

kп.экв = ∑kпk = qkп , k =1

где q – число проводящих транзисторов.

Переключательная характеристика элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ (рис. 2.18) описывается соотношениями, которые были получены для электронного ключа с квазилинейной нагрузкой (см. с. 50).

Рис. 2.18. Переключательная характеристика микросхемы с индуцированным п-каналом

При низком входном потенциале на выходе элементов устанавливается высокий потенциал Uвых1 . Выбрав напряжение источника смещения Ез исходя из условия

Ез > Ес(1 + ηн) +Uпор.н ,

можно получить выходной потенциал Uвых1 , соответствующий ло-

гической 1, равный напряжению источника питания Ес. Переключение элементов происходит при входных напряжени-

ях, удовлетворяющих неравенству

Uвх ≥Uвх.от =Uпор .

По мере увеличения входных напряжений выходной потенциал постепенно уменьшается, и когда он становится равным Uвых0 .гр , проводящие транзисторы переходят в крутую область ВАХ. По-

66

этому последующее изменение выходного потенциала становится несущественным и фиксируется на уровне остаточного напряжения

Uвых0 =Uси.ост .

Помехоустойчивость определяется разностью потенциалов: для уровня логического 0

Uпом0 =Uвх.от −Uвых0 =Uпор −Uси.пор ;

для уровня логической 1

Uпом1 =Uвых1 −Uвх = Ес −[(1+.грη)Uвых0 .гр +Uпор].

Отметим, что в элементе ИЛИ-НЕ с увеличением числа проводящих транзисторов граничные значения выходного Uвых0 .гр и

входного Uвх.гр потенциалов уменьшаются, что способствует уве-

личению помехоустойчивости как по логическому 0, так и по логической 1. Поэтому в микросхеме И-ИЛИ-НЕ (рис. 2.19), обеспечивающей функциональную полноту, число входов ИЛИ не ограничивают (часто их бывает до 10–12), тогда как число входов И ограничивают до трех–четырех.

Рис. 2.19. Микросхема И-ИЛИ-НЕ

Нагрузочная способность логических ИМС на МДПтранзисторах лимитируется их быстродействием, так как с увели-

67

чением числа элементов, нагружающих данную микросхему, увеличивается паразитная емкость нагрузки Сн, что и требует большего времени для перезаряда Сн. Для повышения быстродействия ИМС применяют двухтактные усилители мощности, которые подключают к выходу группы логических элементов.

Логические микросхемы на комплементарных МДП-

транзисторах. Логические микросхемы на КМДП-транзисторах являются наиболее перспективными элементами цифровых устройств. Мощность, потребляемая в статическом режиме такими элементами, не превышает нановатт; быстродействие достигает десятков и сотен мегагерц; Uпом превышает 40 % напряжения источника питания. Среди известных логических ИМС они обладают наибольшей помехоустойчивостью.

Кроме того, элементы на КМДП-транзисторах отличаются высокой эффективностью использования источника питания: размах

логического перепада Uлог =Uвых1 −Uвых0

почти равен напряже-

нию источника питания. Эти микросхемы нечувствительны к изменениям напряжения питания.

а

Рис. 2.20. Интегральные микросхемы двухвходовых логических элементов И-НЕ (а) и ИЛИ-НЕ (б) на КМДП-транзисторах

В микросхемах на КМДП-транзисторах (как и в ИМС на однотипных транзисторах) логическая операция И-НЕ реализуется пу-

68

тем последовательного включения входных транзисторов, а ИЛИНЕ – параллельным включением. При этом на каждый вход требуется два транзистора, образующих ключевой элемент. В микросхеме И-НЕ транзисторы с р-каналом включаются параллельно друг другу (рис. 2.20, а), тогда как в микросхеме ИЛИ-НЕ они образуют последовательную цепочку (рис. 2.20, б).

Транзисторы же с п-каналом образуют последовательную и параллельную цепочки соответственно в элементах И-НЕ и ИЛИ-НЕ. По такому же принципу строятся не только двухвходовые элементы, схемы которых показаны на рис. 2.20, но также элементы с большим числом входов.

При определении статических и динамических характеристик логических элементов на комплементарных парах можно воспользоваться результатами анализа ключевого элемента, которые приведены в п. 2.3. При этом следует заменить группу транзисторов в проводящем состоянии одним эквивалентным транзистором с

удельной крутизной kп.экв = kmп.т для последовательно включен-

ных транзисторов и kп.экв = qkп.т для параллельно включенных

транзисторов. При этом переключательная характеристика логического элемента совпадает с переключательной характеристикой КМДП-ключа, приведенной на рис. 2.11, б.

В закрытом состоянии транзисторов с п-каналом на выходе элемента устанавливается высокий потенциал Uвых1 = Еип . При этом в элементе И-НЕ для формирования потенциала Uвых1 доста-

точно, чтобы хотя бы один из п-канальных транзисторов был закрыт. Это возможно при установлении на входе этого транзистора низкого входного напряжения Uвх0 =Uвых0 ~− 0 . Тогда связанная с п-

канальным транзистором р-канальная пара окажется открытой, поэтому входной потенциал элемента Uвых1 будет фиксироваться на

уровне Еип. В элементе ИЛИ-НЕ выходной потенциал Uвых1 достигает уровня Еип только тогда, когда на входах всех п-канальных транзисторов устанавливается напряжение Uвх0 =Uвых0 ~− 0 , запи-

69

рающее эти транзисторы и отпирающее последовательно включенные р-канальные пары.

Переход из состояния логической 1 в состояние логического 0 начинается при достижении входными напряжениями уровня Uвх.от = Uпорп. Тогда отпираются п-канальные транзисторы и начинается сравнительно медленный спад выходного потенциала до тех пор, пока соответствующие п-канальные транзисторы остаются в крутой области ВАХ. Когда выходной потенциал Uвых уменьшается настолько, что разность потенциалов между стоком и истоком р- канальных транзисторов становится равной стоковому напряжению перекрытия Uс.перр, т.е.

Uсир = Uвых – Eип = Uс.перр,

эти транзисторы тоже оказываются в пологой области ВАХ, поэтому начинается стремительный спад выходного потенциала. Наконец, при

Uвх = Uвх.зап = Eип – Uпорр

р-канальные транзисторы запираются, и на выходе элемента устанавливается низкий потенциал Uвых0 = 0 , соответствующий состоя-

нию логического 0.

Помехоустойчивоть микросхемы определяется пороговыми напряжениями транзисторов:

Uпом0 =Uвх.от −Uвых0 =Uпорп ;

Uпом1 =Uвых1 −Uвх.зап =Uпорр .

Включевых элементах на комплементарных парах заряд паразитных емкостей, шунтирующих выход микросхемы, производится мощными импульсами тока р-канальных транзисторов, а разряд – такими же импульсами тока п-канальных транзисторов. Поэтому КМДП-микросхемы обладают высоким быстродействием.

Контрольные вопросы

1.Какими параметрами характеризуется работа транзистора в ключевом режиме? Перечислите области работы биполярного транзистора в ключевом режиме.

70