ЦИФРОВІ ІНТЕГРАЛЬНІ СХЕМИ

Особливості цифрових інтегральних схем

У цифрових інтегральних схемах все транзистори працюють в ключовому режимі, т. Е. Перебувають або в закритому стані (режим відсічення), або у відкритому (режим насичення). Стану відсічення і насичення імітують логічні одиницю і нуль (високий і низький логічні рівні) відповідно. У процесі перемикання транзистори швидко переходять з одного стану в інший, минаючи активний режим. З точки зору цифрової техніки схема ключа виконує функцію найпростішого логічного елемента - інвертора і в статичному режимі може знаходитися в одному із зазначених двох станів.

Специфіку і відмінності цифрових і аналогових схем можна зрозуміти на основі розгляду передавальних характеристик. На рис. 9.1 зображені дві передавальні характеристики, де в якості вхідних і вихідних величин прийняті відповідні напруги. Крива 1 на цьому малюнку відноситься до інвертуючим схемами, у яких низьким вхідним напруженням відповідають високі вихідні. Залежність 2 є характеристика не инвертирующих схем, у яких малим вхідним напруженням відповідають малі вихідні. Характеристики 1 і 2 властиві як найпростішим цифровим, так і аналоговим схемам, проте використання цих характеристик в обох випадках розрізняється принципово.

Вхідні і вихідні сигнали в транзисторному ключі (цифрова схема) приймають два значення: ключ розімкнути, чому відповідає точка А на рис. 9.1: 1 / вих = С / вихЛ , 17 вх = £ / ВХЛ ; ключ замкнутий - точка В: £ / вих = £ / вихВ , ^ вх = ^ вхв- Вхідні і вихідні напруги мають тільки два значення, відповідні розімкненим і замкнутим станом. Форма передавальної характеристики між точками А і В для цифрової схеми не має значення. Її вихідні і вхідні величини залишаються без зміни. В результаті цих особливостей цифрові схеми мало чутливі до розкиду параметрів, до їх температурної залежності, до високих електромагнітних перешкод, що ілюструється на рис. 9.1 зміною вхідного сигналу ДС / вх (шуми, наведення) близько точки В. Ці невеликі зміни не відображаються на величині вихідного сигналу.

Мал. 9.1

В аналогових підсилюючих схемах вхідні і вихідні сигнали приймають будь-які значення між точками А і В і пов'язані один з одним функціональною залежністю 1 / вих = = Кі вх ) (див. Гл. 8). У цьому випадку будь-які відхилення на даній ділянці (штрихові лінії на рис. 9.1) будуть відображатися на роботі схеми, бо будуть змінюватися як вхідні, так і вихідні значення. Наприклад, при одному і тому ж вхідному сигналі £ / вх з = і з вихідний сигнал може приймати значення £ / ви ХС і ^ вихс "> а робоча точка С переміщається в положення між С ' і С".

Елементарні (базові) цифрові схеми на біполярних транзисторах

Найпростішим схемним елементом цифрових інтегральних схем є транзисторний ключ. Основні властивості ключів на ВТ, їх перехідні і імпульсні параметри були розглянуті в гл. 4. Тепер будуть розглядатися більш складні схеми, навантажувальні параметри транзисторних ключів та інші види базових цифрових схем. Окремі ключі використовуються в основному в аналогових схемах. Для цифрових схем характерна спільна робота декількох ключів. У реальних ІС часто одне джерело (<* Б ) вхідного базового напруги £ / Б управляє декількома ключами, у яких ділянки база - емітер виявляютьсявключеними паралельно. Для схеми двох паралельно включених ключів (рис. 9.2) загальний струм / Б = / Б1 + ^ Б2 ділиться між базами навпіл, якщо / В1 = / В2 . Прі не ідентичності ключів їх базові струми можуть сильно відрізнятися.

Аналіз на основі моделі Молла-Еберса (див. Гл. 4) показує, що вхідна напруга ключа є функцією струму колектора / к , інверсного коефіцієнта передачі струму р ; , Теплового струму / до . Параметри р ; і / до в ІС мають розкид. Колекторні струми / к в складних ключових схемах можуть сильно відрізнятися. При однакових значеннях вхідного базового напруги і Б

Мал. 9.2

в транзисторі з великим струмом / к ток бази / Б буде менше, ступінь насичення цього транзистора теж менше. При великій різниці в токах / к цей транзистор, взагалі виявиться ненасиченим, що порушує роботу ключа. Вирівнювання струмів / в можна досягти за рахунок зменшення крутизни вхідний характеристики. Для цього в ланцюг бази кожного транзистора послідовно включають однакові резистори (на рис. 9.2 ці резистори зображені пунктиром). У послідовній ланцюжку кожен з ключів, з одного боку, управляється попереднім і в той же час управляє подальшим ключем (рис. 9.3). В результаті для послідовної ланцюжка характерно чергування відкритих і закритих ключів.

Варіантом ключа з хорошим швидкодією є перемикач струму, який являє собою симетричну схему (рис. 9.4), в якій заданий струм / 0 протікає через одну з гілок в залежності від потенціалу на одному з базових входів. На рис. 9.4 до першого базового входу підключений джерело сигналу (/ вх , а на другий вхід подається напруга від джерела постійної напруги # 0 , який є опорним джерелом. Джерело / () забезпечує струм, що відповідає нормальному режиму. Робота схеми зводиться до наступного. Якщо і вх = = 0, то транзистор Т г закритий, а УТ 2 - відкритий. На

виході УТ 2 напруга буде малим, відповідним насиченому транзистору (логічний нуль (0)). При подачі на вхід УТ ^ напруги, відповідного логічній одиниці (1),

Мал. 9.3

Мал. 9.4

т. е. 17 вх = 17 х , УТ, відкривається, а УТ 2 закривається, т. е. на виході другого транзистора буде велика напруга (логіче- скель 1 і і вих = і ' их ).

В інтегральних схемах зазвичай використовуються послідовні ланцюжки перемикачів струму, при цьому необхідно між окремими перемикачами включати погоджують схеми (елементи), які називаються схемами зміщення рівня. У найпростішому випадку зміщення рівня може здійснюватися за рахунок включення ЕРС між суміжними перемикачами.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >