4.3. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ

Технические реализации цифровых схем, в которых сигналы представлены дискретно квантованными уровнями напряжения (тока), основаны на использовании электронных коммутаторов напряжения (тока), называемых электронными ключами.

В качестве нелинейных приборов с управляемым сопротивлением в электронных ключах используются полупроводниковые диоды, транзисторы, фототранзисторы, тиристоры, оптроны, электронные лампы.

Диодные электронные ключи. В диодных ключах используется зависимость сопротивления диода от величины и знака приложенного напряжения.

На рис. 4.3,а показаны типичные статические ВАХ германиевого и кремниевого диодов, а на рис. и в — эквивалентные схемы замещения диода на постоянном токе для - линеаризованных (выделенных штриховкой) областей соответственно 1 и 2. Ток -перехода диода и напряжение на нем связаны соотношением [71]:

где — тепловой ток насыщения; — температурный потенциал (при нормальной температуре ); — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; q — заряд электрона; m — коэффициент, учитывающий влияние поверхностных токов утечки германиевых и генерации - рекомбинации в -переходе кремниевых диодов (для германиевых диодов для кремниевых — ).

Рис. 4.3.

Тепловой ток насыщения практически не зависит от приложенного к диоду напряжения и определяется электрофизическими свойствами материала полупроводника и температурой его нагрева

где — константа, определяемая материалом полупроводника и концентрациями примесей; — контактная разность потенциалов . Тепловой ток насыщения 10 с ростом температуры экспоненциально нарастает. В приближенных расчетах прннято считать, что ток в случае германиевого диода удваивается с увеличением температуры на каждые , а в случае кремниевого — на каждые .

С учетом активного сопротивления и -областей, контактных сопротивлений выводов и соотношения (4.1) для реального диода [71]

где — суммарное активное сопротивление , -областей и контактов длода.

Дифференциальное активное сопротивление диода получим из выражения (4.2)

Сопротивление нелинейно и зависит от тока диода . Но при достаточно больших напряжениях прямого смещения сопротивление , т.е. сопротивление эквивалентной схемы замещения диода (рис. ) и имеет порядок единиц и десятков ом. При обратном смещении диода и имеет порядок десятков и сотен килоом.

Напряжение эквивалентного источника напряжения в схеме замещения (рис. ) получают экстраполяцией квазилинейных участков области ВАХ до пересечения с осью абсцисс, оно имеет порядок контактной разности потенциалов: . Схема простейшего диодного ключа, управляемого источником сигнала и нагруженного на сопротивление , показана на рис. 4 4,а, а на рис. , в — эквивалентные схемы

замещения соответственно для сигнала логических «1» и на входе. Определим значения выходных напряжений в каждом из состояний ключа, воспользовавшись принципом суперпозиции. При шиком уровне напряжения на входе диод VD заперт, ключ разомкнут (рис. 4.4,в) и на его выходе устанавливается низкий уровень

При высоком уровне входного сигнала диод VD открыт, ключ замкнут (рис. ) и на выходе ключа имеет место высокий уровень

Из соотношений (4.3), (4.4) видно, что перепад напряжения на выходе (меньше на величину ). Ослабление сигнала на выходе тем больше, чем больше сопротивление источника сигнала недостаток диодного ключа на рис. 4.4. Другим его недостатком является прямая зависимость уровня «1» от входного сигнала .

Второй вариант диодного ключа показан на рис. 4.5.

Рис. 4.4.

При низком уровне входного сигнала диод VD открыт и через него протекает ток источника питания , ограничиваемый сопротивлением R. Если , то практически все напряжение питания падает на сопротивлении R, поэтому на сопротивлении нагрузки ключа устанавливается низкий потенциал (рис. )

При высоком уровне входного сигнала, если выполняется условие , диод VD заперт, входная цепь отключена от нагрузки (рис. 4.5,в) и на выходе устанавливается высокий уровень напряжения

Обычно , поэтому и практически не зависит от входного сигнала. Отметим, что если в схеме ключа на рис. 4.4 низкий уровень выходного сигнала а высокий зависит от входного сигнала , то в схеме ключа на рис. 4.5, наоборот, низкий уровень пропорционален входному сигналу, а высокий от него не зависит.

Рассмотренные диодные ключи можно использовать для построения простейших комбинационных логических схем. На рис. показана схема, а на рис. — таблица истинности и условное графическое обозначение двухвходового дизъюнктора на диодных ключах. Только в случае, когда на обоих входах ннзкне уровни и , диоды заперты, выход отключен от входов, и на нем устанавливается низкий уровень. При любых других комбинациях выход подключается к тому входу, на который подан наиболее высокий уровень, т. е. . Данное выражение является аналоговым эквивалентом дизъюнкции [20].

Рис. 4.5.

Схема на рис. 4.6,в — вариант ключа на рис. 4.5 для двух входов. Если хотя бы один из диодов открыт низким уровнем входного сигнала, выход схемы оказывается подключенным ко входу наиболее низким потенциалом. И только тогда, когда все диоды заперты высокими уровнями на входах, выходная цепь отключается от входов и на нагрузке устанавливается высокий потенциал.

Рис. 4.6.

Как следует из таблицы истинности на рис. 4.6,г, такая схема реализует логическую операцию конъюнкции Ее аналоговый эквивалент определяется выражением .

На основе диодных ключей строятся двухступенчатые комбинационные логические элементы. Приведенная на рис. схема реализует логическую функцию или Для электрических сигналов .

Поскольку схема состоит из пассивных компонентов, входной сигнал ослабляется при прохождении каждой логической ступени. Для того чтобы амплитуда выходного сигнала была максимальной, необходимо выполнять условия , что неизбежно ведет к росту энергопотребления схемы.

Рис. 4.7.

Инерционность диодных ключей обусловлена процессами накопления неосновных носителей в области -перехода, емкостью -перехода, емкостью между выводами диода и индуктивностью выводов. На рис. 4.7 показана полная модель диода, в которой гд — нелинейное сопротивление диода, — активное сопротивление контактов и объема — сопротивление утечки, зависящее от состояния поверхности и дефектов в -переходе, — емкость между выводами диода, L — индуктивность выводов, — диффузионная емкость -перехода, проявляющаяся при его прямом смещении, — барьерная емкость -перехода, смещенного в обратном направлении.

Помимо инерционности диода длительность переходных процессов в диодных ключах зависит от параметров в общем случае комплексной нагрузки и монтажных емкостей элемента.