Транзистор как элемент цифровой схемы

Величина уровней U_L и U_H целиком определяется используемой схемотехникой. Однозначная интерпретация уровня возможна только в том случае, если он не попадает в интервал между U_L и U_H. Поясним схемотехнические последствия этого условия на примере инвертора уровня (рис. 4.1). Схема должна обладать следующими свойствами:

при U_e ≤ U_L соблюдается U_a ≥ U_H

и

при U_e ≥ U_H соблюдается U_a ≤ U_L.

Эта зависимость должна действовать и в самом неблагоприятном случае, то есть при U_e = U_L значение U_a не меньше U_H, а при U_e = U_H значение U_a – не больше U_L.

Рис. 4.1. Транзистор в качестве

Инвертора.

Такое условие выполнимо только при правильном выборе U_H, U_L и сопротивлений резисторов R_C и R_B Передаточная характеристика при выбранных номиналах показана на рис. 4.2.

Рис. 4.2.

Передаточная характеристика при R_V = R_C.

S_L – запас устойчивости по уровню L;

S_H – запас

устойчивости по уровню H

При U_e = U_L = 0,4 В и полной нагрузке (R_V = R_C) выходное напряжение U_a = 2,5 В.

Таким образом, оно на 1 В выше требуемого минимального значения U_H = 1,5 В. Теперь дадим определение запасу устойчивости по уровню H: S_H = U_a – U_H при Ue = U_L.В этом примере он составляет 1 В. Аналогично определяется запас устойчивости по уровню L: S_L= U_L – U_a при U_e = U_H. На рис. 4.2 он равен разности напряжений между U_L и напряжением насыщения на промежутке коллектор–эмиттер U_{CE sat} ≈ 0,2 В, так что S_L = 0,4 – 0,2 = 0,2 В. Запас устойчивости служит мерой надежности функционирования схемы.

Для улучшения этого отношения по уровню L необходимо повышать U_L, поскольку напряжение U_a  (U_e = U_H) ≈ U_{CE sat} не поддается существенному уменьшению. С этой целью перед базой включают один или несколько диодов, а параллельно переходу эмиттер-база резистор R₂, который служит для отвода обратного тока на переходе коллектор–база и обеспечивает надежное запирание транзистора. Еще одна возможность состоит в использовании входных делителей напряжения.

Релаксационные схемы на логических элементах

Релаксационные схемы на дискретных транзисторах в настоящее время почти вышли из употребления. Теперь они реализуются на интегральных логических схемах, о которых и говорится в этом разделе.

4.2.1 Одновибратор

Нетрудно получить короткие импульсы длительностью, равной нескольким временам срабатывания логического элемента, с помощью схемы, представленной на рис. 4.3. Пока входная переменная x = 0, на выходе логического элемента И имеет место 0. При x = 1 на выходе элемента И сохраняется единица, пока сигнал проходит цепочку инверторов. При обращении сигнала в 0 условие справедливости «И» перестает выполняться.

Рис. 4.3. Одновибратор с коротким

Временем срабатывания.

Длительность включения t_e равна суммарному времени прохождения сигнала в инверторах.

Рис. 4.4 иллюстрирует прохождение сигнала. Длительность выходного импульса равна задержке в цепочке инверторов и задается соответствующим нечетным числом логических элементов. Как видно из рис. 4.4, в этом одновибраторе пусковой сигнал должен сохраняться, пока длится выходной импульс.

 Рис. 4.4. Временная диаграмма сигнала;

t1 = время прохождения сигнала для

логического элемента И.

Задерживающая цепочка становится слишком громоздкой, когда требуются большие длительности включения. В таком случае выгоднее применять интегральные одновибраторы, длительность включения которых задается внешней RC-цепочкой.

Если на рис. 4.3 элемент И заменить элементом Исключающее ИЛИ–НЕ, получим одновибратор, который выдает импульсы при прохождении фронта каждого входного сигнала. В стационарной ситуации входы элемента Исключающее ИЛИ–НЕ комплементарны и выходной сигнал равен нулю. При изменении состояния входной переменной x на этом элементе благодаря задержке за счет инверторов возникают одинаковые входные сигналы. В указанный период выходной сигнал равен единице.

4.2.2. Мультивибратор

Простой мультивибратор из двух инверторов представлен на рис. 4.5. Пусть сигнал x пребывает в состоянии 1, а y – в состоянии 0. Тогда конденсатор C будет заряжаться через резистор R, пока потенциал V не превысит уровень порога переключения V_S логического элемента G₁. Тогда x перейдет в состояние 0, а y – в состояние 1. При этом потенциал V скачком возрастет на амплитуду выходного сигнала. Наконец, конденсатор станет разряжаться через резистор R, пока вновь не достигнет порога переключения.

Рис. 4.5. Мультивибратор с двумя инверторами; период колебаний T = 2…3 RC.

Временная диаграмма напряжения приведена на рис. 4.6. Если порог переключения лежит посредине между выходными уровнями, период колебаний составляет

T = 2RC ln 3 ≈ 2,2RC.

Рис. 4.6. Временная диаграмма сигнала;

порог переключения VS

В практических схемах это условие обычно выполняется лишь приближенно. Отклонение от указанного выражения связано с тем, что вход логического элемента G₁ нагружает RC-цепочку. У маломощных ТТЛ схем с барьером Шоттки диапазон допустимых значений сопротивления R невелик: R = 1…3,9 кОм. Применение КМОП элементов позволяет использовать высокоомные резисторы R, что обеспечивает сравнительно длительные периоды колебаний. Однако в этом случае на входе логического элемента G₁ приходится включать гасящий резистор с тем, чтобы нагрузка RC-цепочки оставалась высокоомной. Проблема состоит в том, что защитная цепь на входе G₁ начинает проводить ток, как только V окажется выше напряжения питания или ниже потенциала земли. На рис. 4.7 представлена схема, свободная от указанной проблемы. Конденсатор C через сопротивление резистора R заряжается до уровня выключения триггера Шмитта, а затем вновь разряжается до уровня его включения. По диаграмме на рис. 4.7 видно, что напряжение на конденсаторе колеблется между указанными уровнями. В случае маломощных ТТЛ схем с барьером Шоттки сопротивление R должно быть достаточно малым, чтобы не препятствовать протеканию входного тока ниже уровня включения. Подходящие номиналы лежат в интервале от 220 до 680 Ом. У КМОП триггеров Шмитта данное ограничение отсутствует.

Рис. 4.7. Мультивибратор с триггером Шмита и временная диаграмма его работы; период колебаний: T = 1,4…1,8 RC (ТТЛ); T = 0,5…1 RC (КМОП с питанием 5 В).