Мы продолжаем знакомство с внутренним миром логических микросхем и импульсных устройств. Классические ключи на современных биполярных транзисторах, в том числе, в составе микросхем, обладают не плохим быстродействием. Их можно еще больше ускорить если исключить глубокое насыщение транзистора, как мы видели в предыдущей статье. Однако, сократить таким способом время открывания и закрывания транзистора не получается.
Решением могло бы быть использованием активного режима работы транзисторов, но это ухудшает помехоустойчивость и повышает падение напряжения на ключе, а это сказывается на КПД. Тупик? Нет. Если речь идет не о силовом ключе, а о ключевом каскаде в логической схеме.
В этом случае нам уже не так важно повышенное падение напряжения на транзисторе в активном режиме. Главное, договориться о пороговых уровнях напряжения, которые соответствуют логическим "0" и "1". Но остаются вопросы помехоустойчивости и разброса параметров транзисторов, в частности, h21э.
Надо как то сохранить активный режим работы транзистора, но не в ущерб помехоустойчивости и стабильности работы (повторяемости). И сделать это позволяет "переключатель тока Йорка" предложенный в 1956 году. Вот об этом и пойдет сегодня речь в статье. А поскольку такие переключатели тока лежат в основе работы ЭСЛ логики, то и о ней.
Статья рассчитана в основном на начинающих любителей электроники. Но не совсем начинающих, а имеющих небольшой опыт. Основное внимание уделяется объяснению работы переключателя тока, который лежит в основе элементов ЭСЛ.
Ссылки на предыдущие статьи:
Типы цифровой логики. Не только ТТЛ и КМОП
Логика КМОП (CMOS) бывает разная. Буферизованная, небуферизованная, совместимая с ТТЛ
Ненасыщенные ключи на биполярных транзисторах
Переключатель тока и дифференциальный усилитель
Переключатель тока, современный вариант, выглядит так
Многие могут воскликнуть "позвольте, но ведь это дифференциальный усилитель". И будут очень недалеки от истины. Действительно, основой переключателя тока является дифференциальный каскад. Но ведь и транзисторный ключ является усилительным каскадом с ОЭ, по большому счету.
Схожесть схем не означает идентичность работы, я уже не раз это говорил. В усилительных каскадах для нас важна линейность, выходное напряжение должно в точности равняться входному умноженному на коэффициент усиления. А в ключевых, логических, каскадах нам наоборот линейность вредна. Нам нужно работать за пределами линейных участков передаточных характеристик.
Итак, наш переключатель тока является моделью, с которой мы будем работать в программе моделирования MPLAB Mindi, как и в статье о ненасыщенных транзисторных ключах. Давайте посмотрим на модель подробнее.
Как и ранее, у нас есть два источника напряжения. V1 обеспечивает питание схемы напряжением 5 В. V2 является источником входного сигнала. В данном случае входной сигнал у нас плавно, линейно, нарастает от 0 В до напряжения питания схемы за время 3.5 мкс.
Однако, у нас есть еще два источника, которых не было в статье о ненасыщенных ключах. Источник напряжения V3 задает опорное напряжение, в данном случае, 2 В. Источник тока I1 задает ток эмиттеров дифференциального каскада. Именно ток этого источника и будет переключать наш переключатель, он же дифференциальный каскад.
В модели у нас установлены 5 зондов. Q1-collector и Q2-collector измеряют напряжения на коллекторах транзисторов. Q1-emitter измеряет напряжение на эмиттерах транзисторов. Input измеряет напряжение входного сигнала. Q1-base измеряет тока базы транзистора Q1, то есть, входной ток переключателя тока.
Я специально выбрал сопротивления коллекторных резисторов такими же, как у ненасыщенных ключей. А теперь давайте посмотрим на результат моделирования
Градуировка вертикальных осей выбрана и проставлена программой моделирования автоматически и не совсем удачна для зонда Q2-collector.
Итак, в начальный момент времени у нас транзистор Q1 закрыт, а Q2 открыт. Ток эмиттера Q2 полностью определяется током источника I1. А ток коллектора равен
Iк = Iэ - Iб ≈ Iэ
Коэффициент передачи тока базы h21э высокий (для BC847A от 110 до 220), поэтому ток базы много меньше тока коллектора и его можно не учитывать. Потенциал базы Q2 жестко задан источником опорного напряжения V3. Поскольку транзистор Q2 открыт, потенциал его эмиттера ниже потенциала базы примерно на 0.7 В. То есть, на эмиттерах примерно 1.3 В.
Потенциал коллектора Q2 определяется током источника I1, как мы уже видели, и сопротивление резистора R1. Падение напряжения на R1 равно 2 В, поэтому потенциал коллектора равен 3 В.
При повышении входного напряжения начинает открываться транзистор Q1. Однако, происходит это не при 2 В, а при несколько меньшем напряжении. В нашем случае при 1.9 В, примерно. Почему не 2 В?
Вспомним, что дифференциальный усилитель усиливает разность между напряжениями на входах. При этом его выходным сигналом является разность напряжений между коллекторами транзисторов. То есть, при равенстве входного напряжения опорному мы получим одинаковые напряжения на коллекторах. Но изменяться они начнут раньше. А вот насколько раньше зависит от коэффициента усиления усилителя и диапазона изменения выходного напряжения.
В нашем случае, выходное напряжение (разность между напряжениями на коллекторах) будет изменяться от -2В до +2В. При этом коэффициент усиления для нас неважен. Наша схема работает не в линейном режиме.
Если бы нам был нужен именно дифференциальный усилитель, мы бы ограничились именно этим "усилительным" участком. Но у нас не усилитель. Поэтому опорное напряжение будет являться пороговым. Входное напряжение 1.9 В будет соответствовать максимальному напряжению "0", а 2.1 В минимальному напряжению "1".
То есть, нас интересует работа именно вне "усилительного" участка. Этот участок будет для нас "запрещенным". На практике, разность между уровнем "0" и "1" выбирают с некоторым запасом. Достаточно типовым случаем является разница примерно в 0.5 В. То есть, максимальное напряжение "0", для нашего случая, будет 1.75 В, а минимальное напряжение "1" 2.25 В.
Когда Q2 закроется, а Q1 полностью откроется, процесс "переключения тока" завершится. Фактически, мы можем рассматривать Q1 и Q2 как "переключающий контакт" с нулевой (ну, почти нулевой) инерционностью. И этот контакт переключает ток источника тока между резисторами в цепях коллекторов. Поэтому и появилось название "переключатель тока".
Однако, давайте посмотрим, что будет происходить при дальнейшем росте входного напряжения. Прежде всего, обратите внимание, что при превышении входным напряжением опорного у нас начинает увеличиваться напряжение на эмиттерах. Это совершенно естественно, поскольку напряжение база-эмиттер определяется напряжением на прямосмещенном переходе. Можно считать его равным 0.7 В. То есть, напряжение на эмиттерах будет меньше входного напряжения на 0.7 В. Транзистор Q2 на это никак не влияет, поскольку его переход база-коллектор уже закрыт.
Однако, нужно учитывать, что у нас напряжение на коллекторе Q1 однозначно определяется током источника I1 и сопротивлением резистора R2 и равно 3 В. Таким образом, начиная с входного напряжения порядка 3.6 В у нас начинает расти ток базы. Открывается переход база-коллектор. И мы действительно видим это на результатах моделирования.
Наш Q1 входит в состояние насыщения. И теперь это состояние для нас является вредным. Начинает расти напряжение на коллекторе Q1. Таким образом, мы получаем верхнюю границу допустимого входного напряжения. С некоторым запасом она составляет 3 В.
Ну а мы получили "статические" параметры нашего логического элемента, переключателя тока.
- Максимальное входное напряжение низкого уровня 1.75 В
- Минимальное входное напряжение высокого уровня 2.25 В
- Максимальное входное напряжение высокого уровня 3 В
- Выходное напряжение высокого уровня 5 В
- Выходное напряжение низкого уровня 3 В
Осталось несколько слов сказать о небольшом выбросе тока базы в момент переключения. Это ток заряда входной (совокупной) емкости транзистора. Если снизить скорость нарастания входного напряжения, то этот выброс исчезнет. Я специально выбрал быстрое изменение входного напряжения, что бы показать влияние параметров транзистора, о которых часто забывают новички.
Зачем нужен Q2?
А действительно, зачем? Может достаточно просто включить в цепь эмиттера транзистора источник тока и мы получим тот же самый результат? Нет, не получим. Достаточно вспомнить, что идеальный источник тока обеспечивает при разомкнутой цепи бесконечно большое напряжение. А закрытый транзистор это и есть разомкнутая цепь. То есть, на эмиттере будет бесконечно большое напряжение.
Но что бы открыть транзистор нам нужно подать на базу напряжение выше напряжения на эмиттере. А это становится невозможным. Наш ключ никогда не будет открыт.
А если источник реальный, ведь и схема у нас будет реальная? Да, это безусловно так. Но в большинстве случаев это даст напряжение на эмиттере близкое к напряжению питания источника тока. А источник питания источника тока и схемы обычно один и тот же. Так что ничего хорошего все равно не выйдет.
Так что Q2 действительно очень важен, хотя и кажется на первый взгляд совершенно излишним (если нам не нужен парафазный выход). Он создает путь протекания тока от источника I1 когда транзистор Q1 закрыт. Ток действительно переключается между Q1 и Q2!
Почему работа переключателя тока стабильнее работы ключа с ОЭ?
Это очень хороший вопрос! И вполне закономерный. Что бы на него ответить, нам потребуется посмотреть на схему переключателя тока с несколько другой точки зрения.
А с этой точки зрения у нас наши транзисторы включены по схеме с общей базой! Действительно, ведь обе базы у нас соединены с общим проводом по переменному току! База Q1 через очень малое сопротивление источника напряжения V2. А база Q2 через очень малое сопротивление источника напряжения V3. И можно считать, что входным сигналом является ток источника I1, который подается в цепь эмиттеров.
А раз так, то нам надо оперировать не коэффициентом передачи тока базы h21э (примерный эквивалент использовавшегося ранее коэффициента усиления β (бэта)), а коэффициентом передачи тока эмиттера α (альфа). При этом
α = β / (β + 1)
Давайте посмотрим, β для BC847A лежит в диапазоне от 110 до 220 (по документации). Если ток базы равен 10 мкА, ток коллектора будет в диапазоне от 1.1 мА до 2.2 мА. А если учесть, что тока базы экспоненциально зависит от напряжения база-эмиттер, получим ту самую очень большую чувствительность к разбросу параметров транзисторов, о которой все знают. И с которой приходится усиленно бороться.
При этом α будет лежать в пределах от 0.99099 до 0.9955. И при токе эмиттера 2 мА ток коллектора будет лежать в диапазоне от 1.982 мА до 1.991 мА. Очень хорошо видно, насколько выше стабильность переключателя тока.
Динамические параметры переключателя тока
Статические параметры нам теперь известны, давайте посмотрим, насколько быстро переключается наш логический элемент. Для этого подадим на вход импульс напряжения
Входной импульс имеет "напряжение низкого уровня" равное 0, а "напряжение высокого уровня" равное 3 В. То есть, соответствует нашим граничным статическим параметрам. И мы видим, что переключение действительно происходит гораздо быстрее, чем в случае даже ненасышенного ключа.
Ненасыщенный ключ у нас включался примерно за 100 нс, а выключался за 250 нс. Время же переключения нашего переключателя тока даже нельзя оценить, настолько оно мало. Увеличим моменты переключения
Не правда ли, впечатляет? Длительности фронтов входного импульса у нас 0.1 нс. Время переключения по нарастающему фронту порядка 15 нс, по спадающему порядка 20 с. Значительно быстрее, чем наш прежний подопытный ненасыщенный ключ!
Однако, за все приходится платить. Обратите внимание, насколько большие у нас выбросы входного тока, порядка 17 мА (втекающий и вытекающий). Влияние входной емкости транзисторов никуда не делось, ее нужно перезаряжать. При этом у нас броски тока все таки меньше, чем в варианте классического ключа с форсирующей емкостью (порядка 100 мА).
Кроме того, у нас появились и выбросы напряжения выходных сигналов. Причем выброс на коллекторе Q1 больше, чем на коллекторе Q2. Почему так? Для входного сигнала у нас Q1 включен с ОЭ (для тока источника I1 с общей базой!). А Q2 с общей базой. Схема с ОБ обладает лучшими частотными свойствами, по сравнению со схемой с ОЭ. И мы видим наглядное подтверждение этому факту.
Таким образом, наш логический элемент действительно очень быстрый. Самый быстрый из всех рассмотренных ранее вариантов. При этом он создает и больше всего помех. А транзисторы действительно работают в активном режиме.
А что насчет помехоустойчивости?
Вопрос не праздный. Помехоустойчивость такого элемента действительно ниже, но проблему можно частично решить изменив точку нулевого потенциала, общий провод
Казалось бы, какая разница? Но сопротивление выходов относительно положительной шины источника питания значительно ниже, чем относительно отрицательной, и во многом определяется сопротивлениями резисторов в цепях коллекторов. А в элементах ЭСЛ эти резисторы имеют гораздо меньшее сопротивление, чем в нашем примере.
Кстати, именно этим и определяются большие токи потребления ЭСЛ, она не зря считается горячей. Кроме того, для микросхем ЭСЛ обязательно необходимо устанавливать блокировочные конденсаторы в цепях питания. Причем конденсаторы качественные. И на каждый элемент.
Еще о быстродействии. Параметры нашего элемента ЭСЛ
Уменьшение сопротивления резисторов дополнительно повышает быстродействие. В результате получается примерно так
Я убрал второстепенные для нас графики. Ну и все параметры нашего элемента ЭСЛ
- Входное напряжение низкого уровня -5 В
- Входное напряжение высокого уровня -2 В
- Выходное напряжение высокого уровня 0 В
- Выходное напряжение низкого уровня -2 В
- Время переключения 10 нс (по любому фронту).
Весьма не плохо, по сравнению с ранее рассмотренными вариантами. Да, для сегодняшнего дня результаты не самые выдающиеся. Но мы использовали транзисторы общего применения, далеко не самые высокочастотные, с большими емкостями. Да и разница между входными уровнями большая. Только уменьшив разницу уровней изменив напряжение низкого уровня с -5 до -3.5 В мы сократим время переключения до 3 нс. А это уже соответствует быстродействию 500 серии микросхем ЭСЛ. А если еще и транзисторы взять более высокочастотные.
Разница входных и выходных логических уровней
Да, в нашем примере переключателя тока входные и выходные уровни напряжения разные, как и оригинальном варианте Йорка. Для их выравнивания нужно правильно выбрать напряжение источника опорного напряжения. И добавить эмиттерные повторители между коллекторами транзисторов переключателя тока и выходами элемента. Именно так и делается в большинстве элементов ЭСЛ. Я не буду уделять внимание этому вопросу, так как он не относится напрямую к работе собственно переключателя тока.
Заключение
Переключатели тока были предложены для повышения быстродействия логических элементов во второй половине 50-х годов прошлого века. Тогда транзисторы не отличались высоким быстродействием и использование дифференциального усилителя в импульсном режиме работы было настоящим прорывом для уменьшения времени переключения.
Переключатель тока лег в основу элементов ЭСЛ. Не смотря на присущие ему недостатки (высокий потребляемый ток, пониженная помехоустойчивость) элементы ЭСЛ долгое время были самыми быстрыми, что и обеспечило их популярность, хоть и не повсеместную. Выпускается ЭСЛ и сегодня, хотя ее основательно потеснили быстродействующие элементы КМОП.
До новых встреч!
