Инвертор сигнала на транзисторе. Инвертор на транзисторе: принцип работы и схема подключения

alexxlabРазное
Как работает инвертор на транзисторе. Какая схема подключения инвертора на транзисторе. Каковы преимущества и недостатки инвертора на одном транзисторе. Какие альтернативные схемы инверторов существуют. Где применяются инверторы в электронике.

Содержание

Принцип работы инвертора на транзисторе

Инвертор — это электронная схема, которая преобразует входной логический сигнал в противоположный выходной сигнал. То есть при подаче на вход логической «1» на выходе формируется логический «0», и наоборот.

Простейший инвертор можно реализовать на одном транзисторе и двух резисторах. Рассмотрим принцип работы такой схемы:

  • Когда на вход подается высокий уровень напряжения (логическая «1»), транзистор открывается и соединяет выход с «землей». На выходе формируется низкий уровень (логический «0»).
  • При подаче на вход низкого уровня (логический «0») транзистор закрывается. Через резистор на выход поступает высокое напряжение питания (логическая «1»).

Таким образом, входной сигнал инвертируется на выходе схемы. Это и есть базовый принцип работы инвертора на одном транзисторе.


Схема подключения инвертора на транзисторе

Типовая схема простейшего инвертора на биполярном транзисторе включает следующие элементы:

  • Транзистор NPN-типа (например, КТ315)
  • Резистор в базовой цепи (1-10 кОм)
  • Резистор в коллекторной цепи (1-10 кОм)
  • Источник питания +5В

Схема подключения выглядит следующим образом:

  1. Эмиттер транзистора подключается к общему проводу («земле»).
  2. Коллектор через резистор соединяется с положительным полюсом источника питания.
  3. База через резистор подключается ко входу схемы.
  4. Выходной сигнал снимается с коллектора транзистора.

При таком подключении схема будет работать как инвертор — инвертировать входной логический сигнал на выходе.

Преимущества и недостатки инвертора на одном транзисторе

Простейший инвертор на одном транзисторе имеет ряд достоинств и недостатков:

Преимущества:

  • Простота схемы
  • Низкая стоимость
  • Малое количество компонентов
  • Небольшие размеры
  • Высокое быстродействие

Недостатки:

  • Низкая нагрузочная способность
  • Зависимость от температуры
  • Нестабильность порогов переключения
  • Асимметрия фронтов выходного сигнала
  • Небольшой коэффициент усиления

Из-за этих недостатков простые инверторы на одном транзисторе редко применяются в современной электронике. Чаще используются более совершенные схемы.


Альтернативные схемы инверторов

Существует множество альтернативных схем инверторов с улучшенными характеристиками:

  • Инвертор на комплементарной паре транзисторов
  • Инвертор на полевом транзисторе
  • Инвертор на логических элементах (например, ТТЛ)
  • Инвертор на операционном усилителе
  • Инвертор на микросхеме-компараторе

Эти схемы обеспечивают лучшую нагрузочную способность, стабильность, помехозащищенность и другие параметры по сравнению с простейшим инвертором на одном биполярном транзисторе.

Применение инверторов в электронике

Инверторы широко применяются в различных электронных устройствах и системах:

  • В цифровых логических схемах
  • В генераторах импульсов
  • В схемах задержки сигналов
  • В преобразователях уровней сигналов
  • В схемах формирования фронтов импульсов
  • В схемах защиты от помех
  • В системах автоматики и управления

Инверторы являются базовыми элементами цифровой электроники и входят в состав более сложных логических схем и устройств.

Особенности работы инвертора на транзисторе

При проектировании и использовании инвертора на транзисторе следует учитывать некоторые особенности его работы:


  • Порог переключения зависит от напряжения питания и параметров транзистора
  • Выходной сигнал имеет конечное время нарастания и спада
  • При переключении возникают кратковременные выбросы напряжения
  • Схема чувствительна к помехам во входном сигнале
  • Возможен нагрев транзистора при длительной работе

Эти факторы необходимо учитывать при разработке устройств с применением транзисторных инверторов. Для улучшения характеристик часто используют дополнительные элементы в схеме.

Расчет элементов схемы инвертора

При проектировании инвертора на транзисторе важно правильно рассчитать номиналы резисторов. От этого зависят основные параметры схемы:

  • Резистор в базовой цепи определяет входной ток и чувствительность схемы
  • Резистор в коллекторной цепи влияет на выходное напряжение и быстродействие

Для расчета можно использовать следующие формулы:

  1. Резистор базы: Rб = (Uвх — Uбэ) / Iб
  2. Резистор коллектора: Rк = (Uпит — Uкэ нас) / Iк

где Uвх — входное напряжение, Uбэ — падение на переходе база-эмиттер, Iб — ток базы, Uпит — напряжение питания, Uкэ нас — напряжение насыщения коллектор-эмиттер, Iк — ток коллектора.


Правильный расчет элементов позволит оптимизировать работу схемы для конкретного применения.


Как инвертировать цифровой сигнал

Да, это можно сделать с помощью одного транзистора и резистора, но существуют микросхемы, специально предназначенные для инвертирования цифровых сигналов. Как ни странно, их называют

инверторами . Проверьте 74HC04, например. Это дает вам шесть отдельных инверторов в одном 14-контактном корпусе. Есть также одиночные инверторы (и другие маленькие логические вентили), доступные в небольших пакетах SOT-23, то есть в том же пакете, в который входят отдельные транзисторы.

Существует мало причин, чтобы попытаться сделать свой собственный инвертор, но да, это возможно.

Добавлено в ответ на комментарий:

Как я уже сказал, один биполярный транзистор может быть использован в качестве основы для простого инвертора. Как минимум, вам нужен транзистор и базовый резистор. Для полноты картины я также добавлю выходной нагрузочный резистор, который, как вы должны полагать, необходим, если только вы не знаете, что то, что будет подключено к выходу, обеспечит необходимую нагрузку. В частности, в PNP-транзисторе нет ничего волшебного. NPN также может быть использован. Вот как каждый из них будет использоваться:

Обратите внимание, что у каждого есть 4 соединения: питание, земля, вход и выход. Разница между ними заключается в том, в каком направлении он загружает вход, и в каком направлении выход активно приводится в движение, а не пассивно притягивается нагрузкой. Если вас не волнуют эти проблемы, то эти две схемы функционально эквивалентны.

Однако это проще:

Он также быстрее, потребляет меньше энергии в устойчивом состоянии, имеет более высокое импедансное сопротивление и меньше. Он имеет те же четыре соединения, что и вышеупомянутые инверторы. Одиночные вентили, подобные этому, доступны в корпусах SOT-23, то есть в том же пакете, в который входят одиночные транзисторы. Для этого требуется только одна внешняя часть, крышка байпаса. Он не нуждается в нагрузочном резисторе, так как его выход активно работает в обоих направлениях.

Действительно, для общего инвертирования цифровых сигналов создание собственного инвертора глупо для обычных применений.

Не по теме в сторону схематического рисунка:

Сценарий на самом деле всего три строчки. Вот весь файл:

@ эхо выключено
рем
rem MAKE_SCHEM_GIF
рем
rem Создает хорошо отфильтрованный GIF-файл схемы из необработанного вывода Eagle
rem /temp/a.tif. Полученный файл GIF будет /temp/b.gif и будет
Рем серая шкала.
рем
image_filter /temp/a.tif /temp/b.img -shrink 5
image_copy /temp/b.img /temp/b.gif -form -gray
image_disp /temp/b.gif -zoom 1 -dev medium

Это очень специфический одноразовый скрипт, но он достаточно хорош для этой цели. В Eagle я экспортирую схему в файл изображения \ temp \ a.tif, запускаю скрипт, который делает \ temp \ b.gif. Параметр Eagle для экспорта изображений: 600 DPI и монохромный. На самом деле, это все, что нужно сделать. Наверное, звучит сложнее, чем есть.

Сложный инвертор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Сложный инвертор

Cтраница 3

Отсутствие собственного потребления тока в выходной цепи сложного инвертора делает его весьма экономичным.  [31]

Схемы усилителей построены по аналогии со схемами сложных инверторов, которые рассматривались в предыдущем параграфе. Схема на рис. 8 — 29, а выполняет функцию инвертора. При низком уровне входного сигнала ( х 0) транзисторы 77 и Т4 закрыты, а ТЗ открыт.  [33]

Выходное сопротивление элемента 2И — НЕ со сложным инвертором ( рис. 5.2) зависит от того, какие напряжения поданы на входы.  [34]

На рис. 1.31 приведена модификация элемента ТТЛ со сложным инвертором. Данная схема предназначена для увеличения помехоустойчивости, коэффициента разветвле-ления и быстродействия при работе на большую емкостную нагрузку. Инвертор состоит из фа-зорасщепляющего каскада на транзисторе 7 и резисторах Я2, Кз и выходного каскада на транзисторах Г Т3, резисторе Ra и диоде Дг. Особенность работы схемы заключается в следующем. Если транзистор 7 закрыт, то на его эмиттере потенциал равен нулю и транзистор Т2 закрыт. Через Т3 на выход схемы подается высокий уровень напряжения l / v Выход схемы в этом ( единичном) состоянии является низкоомным и обладает высокой нагрузочной способностью. Если транзистор 7 открыт, то транзистор Тг открывается и начинает работать в режиме насыщения. Чтобы предотвратить открытие транзистора Т3 при напряжении на выходе, равном U0, в схему вводят диод Дг. Для ограничения насыщения выходного транзистора шунтируют его коллекторный переход диодом Шотки. Этот схемотехнический прием был впервые использован в ТТЛ.  [36]

С целью увеличения коэффициента разветвления т применяют схемы со сложным инвертором.  [38]

На рис. 7.25 показана переключательная характеристика микросхемы ТТЛ со сложным инвертором.  [39]

Фазоразделительный каскад служит для разделения сигнала и управления выходным каскадом сложного инвертора. Сигнал в точке К противоположен по фазе сигналу, поступающему со входного каскада, а сигнал в точке Э совпадает по фазе с сигналом на входе.  [41]

На рис. 8.22 представлена схема логического элемента транзисторно-транзисторной логики со сложным инвертором. Все элементы имеют графические буквенно-цифровые обозначения в соответствии с ГОСТами ЕСКД — Транзисторы изображены без корпуса. Выходы, входы и контакты питания в схеме располагают в ряд, в данном случае — вертикально.  [43]

На рис. 8.22 представлена схема логического элемента транзисторно-транзисторной логики со сложным инвертором. Все элементы имеют графические буквенно-цифровые обозначения в соответствии с ГОСТами ЕСКД. Транзисторы изображены без корпуса. Выходы, входы и контакты питания в схеме располагают в ряд, в данном случае — вертикально.  [45]

Страницы:      1    2    3    4    5

Логическая схема НЕ

В реальных инверторах присутствует несколько транзисторов, благодаря которым коэффициент усиления по напряжению может быть увеличен в максимальной степени. Это необходимо для обеспечения достаточного напряжения на выходном транзисторе, чтобы он гарантированно находится либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения.

Кроме того в реальных инверторах присутствуют дополнительные элементы, предотвращающие возможный выход схемы из строя. Показанный в этой статье инвертор на одном транзисторе слишком примитивен, чтобы его можно было использовать в практических целях. Ниже показана принципиальная схема инвертора со всеми компонентами, необходимыми для обеспечения его стабильной и надёжной работы:

 

Схема состоит из резисторов и биполярных транзисторов. Следует отметить, что выполнять функцию логической схемы НЕ могут и другие схемы, включая и такие, в которых вместо биполярных транзисторов используются полевые транзисторы.
 

Давайте проанализируем работу этой схемы при сигнале высокого логического уровня на её входе. Мы можем смоделировать эту ситуацию, если изобразим на входе схемы переключатель, через который схема соединена с линией питания Vcc:

 

В этом случае диод D1 будет прямосмещён, а следовательно не будет проводить ток. В действительности, единственная причина, по которой в схеме используется D1 — это необходимость защиты транзистора в том случае, если на вход будет подано отрицательное напряжение (по отношению к земле). При отсутствии напряжения между базой и эмиттером транзистора Q1, ток на нём будет также отсутствовать. Однако в приведённой схеме транзистор Q1 используется в необычной функции. В действительности, транзистор Q1  используется в качестве пары встречно-включённых диодов. На следующей схеме показана реальная функция транзистора Q1:

 

Назначение этих диодов заключается в том, чтобы подавать ток на базу транзистора Q2 или же отводить его от базы этого транзистора в зависимости от логического уровня на входе. На первый взгляд совершенно непонятно, каким образом эти диоды могут направлять ток в ту или сторону, поэтому необходимо привести дополнительный пример.

Допустим, что у нас имеется следующая диодно-резисторная схема, представляющая переходы база-эмиттер транзисторов Q2 и Q4 в виде отдельных диодов (все остальные элементы схемы можно опустить и сконцентрировать внимание на способе «направления» тока двумя встречно-включёнными диодами):

Когда переключатель переведён в «верхнее» положение (соединён с линией Vcc), должно быть очевидно, что на левом диоде транзистора Q1 ток будет отсутствовать, поскольку отсутствует напряжение в цепи переключатель-диод-R1-переключатель. Однако, ток будет на правом диоде транзистора Q1, а также на переходе база-эмиттер Q2 и переходе база-эмиттер Q4:

 

Таким образом, мы можем сделать вывод, что в реальной логической схеме, на транзисторах Q2 и Q4будет ток базы, в связи с чем на них будет также присутствовать ток коллектора. Общее падение напряжения между базой Q1  (узлом, соединяющим два встречно-включённых диода) и землёй будет примерно равно 2,1 В, что соответствует падению напряжения трёх pn-переходов: правый диод, диод база-эмиттер Q2 и диод база-эмиттер Q4.

Теперь давайте посмотрим, что произойдёт, если перевести переключатель в «нижнее» положение:

 

Если бы мы измерили ток этой схемы, то мы бы обнаружили, что весь ток проходит через левый диод Q1, а на правом диоде ток отсутствует. Почему же в этой цепи будет отсутствовать ток, несмотря на то, что все ещё существует полный путь для тока через диод Q4, диод Q2, правый диод пары и R1?

Вы конечно помните, что pn-переходы плоскостных диодов не проявляют линейных характеристик: они не проводят до тех пор, пока приложенное прямое напряжение не достигнет определённого минимального уровня, примерно 0,7 В для кремниевых и 0,3 В для германиевых диодов. А затем, когда они начинают проводить, падение напряжения на них не превышает 0,7 В. Когда переключатель нашей схемы переведён в «нижнее» положение, левый диод проводит и падение напряжения на нём составляет 0,7 В.

 

Вспомним, что при переключателе в «верхнем» положении (транзисторы Q2 и Q4 проводят), падение напряжения между двумя этими точками (база Q1 и земля) составляет 2,1 В, что является минимальным напряжением, необходимым для прямого смещения трёх последовательно включённых кремниевых pn-переходов. Напряжение 0,7 В, обеспечиваемое прямым падением напряжения на левом диоде, просто недостаточно для того, чтобы ток протекал по последовательной цепи правого диода, диода Q2, и параллельной части схемы R3//Q4, поэтому в этой части схемы ток будет отсутствовать. При отсутствии тока на базах транзисторов Q2 или Q4, на них также будет отсутствовать ток коллектора: транзисторы Q2 и Q4 будут находиться в состоянии отсечки.
 

Таким образом, приведённая конфигурация позволяет на 100 процентов переключать ток базы транзистора Q2 (а следовательно и управлять всей схемой, включая напряжение на выходе) посредством управления направлением движения тока на левом диоде.

Если вернуться к нашей изначальной схеме, то мы увидим, что высокий логический уровень на входе поддерживается переключателем (соединённым с линией Vcc), при этом левый диод не проводит (падение напряжения 0 В.) Тем не менее, правый диод проводит ток на базу Q2 через резистор R1:

 

При наличии тока базы, транзистор Q2 будет включён. Более того, он будет находиться в режиме насыщения, поскольку резистор R1 будет обеспечивать более чем достаточный ток на его базе. Если транзистор Q2 находится в режиме насыщения, падение напряжения на резисторе R3 будет достаточным, чтобы обеспечить прямое смещение перехода база-эмиттер транзистора Q4, что также приведёт к его насыщению:

 

Если транзистор Q4 находится в состоянии насыщения, то его выход будет практически напрямую соединён с землёй, то есть напряжение на его выходе будет (по отношению к земле) равно почти 0 вольт, что соответствует уровню логического нуля. Благодаря диоду D2, между базой и эмиттером Q3 будет недостаточное напряжение для того, чтобы он был открыт, а следовательно он будет находиться в режиме отсечки.
 

Давайте теперь посмотрим, что произойдёт, если мы поменяем логический уровень на ноль, путём перевода переключателя в другое положение:

 

Теперь будет ток на левом диоде транзистора Q1 и отсутствовать ток на правом диоде: Это устраняет ток базы Q2, вследствие чего этот транзистор будет отключён. Когда отключён транзистор Q2, отсутствует путь для тока базы транзистора Q4, и следовательно транзистор Q4 также перейдёт в состояние отсечки. Транзистор Q3, с другой стороны, будет иметь достаточное напряжение между базой и землёй для прямого смещения перехода база-эмиттер и перехода в состояние насыщения, следовательно на его выходе будет напряжение, соответствующее высокому логическому уровню. В действительности, выходное напряжение будет лежать приблизительно на уровне 4 В в зависимости от степени насыщения и тока нагрузки, однако этого достаточно для обеспечения высокого логического уровня.
 

Теперь работа схемы рассмотрена полностью: логическая единица даёт на выходе ноль и наоборот.

Проницательный наблюдатель обратит внимание на то, что состояние с плавающим входом (когда он не соединён ни с Vcc, ни с землёй), будет восприниматься схемой как высокий логический уровень на входе. Когда вход не соединён ни с линией питания, ни с общей линией, на левом диоде Q1 ток будет отсутствовать, при этом весь ток R1 будет поступать на базу Q2, что приведёт к насыщению транзистора Q2, а следовательно на выходе будет напряжение низкого логического уровня:

Такая ситуация свойственна для всех логических схем подобного типа, называемых Транзисторно Транзисторными Логическими, схемами  или ТТЛ-схемами. Вместе с тем, из этой ситуации можно извлечь выгоду и упростить выход схемы, поскольку очень часто сигналы с выходов логических схем обычно подаются на другие схемы. Если плавающий вход воспринимается ТТЛ-схемой как состояние высокого логического уровень, то выход любой логической схемы, сигнал с которого поступает на вход ТТЛ-схемы, должен лишь обеспечивать путь к земле для низкого логического уровня и быть плавающим для получения высокого логического уровня. Эту концепцию стоит объяснить подробнее.
 

Логическая схема, как мы уже проанализировали, может пропускать ток в двух направлениях. Технически, это называется вытекающим и втекающим током. Когда на выходе схемы высокий логический уровень, ток протекает с выхода на Vcc через верхний выходной транзистор (Q3), что позволяет току протекать от земли через нагрузку к выходу схемы, через эмиттер Q3, и наконец, наверх к Vcc (плюс источника питания):

Чтобы упростить эту концепцию, мы можем изобразить выход схемы в виде переключателя на два направления, который может соединять выход либо с линией Vcc, либо с землёй, в зависимости от своего состояния. Если на выходе схемы высокий логический уровень, то комбинация транзисторов Q3 в насыщении и Q4 в режиме отсечки аналогична переключателю на два направления в положении «Vcc», что открывает току путь через заземлённую нагрузку:

 

Имейте ввиду, что переключатель на два направления, показанный внутри условного обозначения схемы представлен транзисторами Q3 и Q4, попеременно соединяющими выход схемы с линией Vcc или землёй, а не показанным ранее переключателем, подающим входной сигнал.
 

И наоборот, когда на выходе схемы низкий логический уровень, подаваемый на нагрузку, схема подобна переключателю на два направления установленному в положение «земля». Когда нагрузка соединена с Vcc , ток будет течь в другом направлении: с земли, через эмиттер транзистора Q4, через выход схемы, нагрузку и обратно на линию Vcc. В этом состоянии ток будет втекающим:  

 

Комбинация из транзисторов Q3 и Q4, работающих по двутактной схеме (так называемый выходной двухтранзисторный каскад) может либо проводить ток к линии Vcc, либо проводить его с общей линии к нагрузке. Тем не менее, на вход стандартной ТТЛ-схемы поступает только втекающий ток. То есть, мы знаем, что при плавающем входе, ТТЛ-схема воспринимает это состояние как высокий логический уровень, а следовательно любой сигнал должен лишь обеспечивать логический ноль (втекающий ток):

 

Следовательно мы можем упростить выходной каскад логической схемы и полностью устранить транзистор Q3. В результате мы получим выход с открытым коллектором:

 

Для обозначения выхода с открытым коллектором используется оособый знак внутри стандартного условного обозначения. Здесь показано условное обозначение инвертора с выходом с открытым коллектором:

 

Следует помнить, что высокий логический уровень по умолчанию при плавающем входе верен только в случае ТТЛ-схем, и не обязателен для схем других типов, особенно для логических схем на полевых транзисторах.
 

·         РЕЗЮМЕ:

·         Инвертор, или логическая схема НЕ инвертирует логический уровень входного сигнала. То есть, сигнал логического нуля на входе инвертируется в сигнал логической единицы на выходе, и наоборот.

·         Схемы, подобные приведённой в этой статье, и состоящие из резисторов и биполярных транзисторов называются ТТЛ-схемами. ТТЛ — сокращение от транзисторно-транзисторная логика. Существуют также логические схемы на полевых транзисторах.

·         Ток логической схемы называется вытекающим, когда он течёт между выходом схемы и положительной линией питания (Vcc). Другими словами, в таком варианте выход схемы соединён с источником питания (+V).

·         Ток логической схемы называется втекающим, когда он течёт между выходом схемы и общей линией питания. Другими словами, выход схемы соединён с землёй.

·         Если в логической схеме используется каскадный выход, то она может включаться как в разрыв положительной, так и общей линии питания. Логические схемы с выходом с открытым коллектором могут быть включены только в разрыв общей линии питания. Схемы с открытым коллектором применяются в тех случаях, когда выходной сигнал подаётся на вход другой ТТЛ-схемы, поскольку ТТЛ-схемам не требуется вытекающий ток.

 

 

реверс-инжиниринг регистра команд в Intel 8086 / Хабр

Микропроцессор Intel 8086 – один из самых влиятельных чипов. Порождённая им архитектура х86 и по сей день доминирует среди настольных и серверных компьютеров. И всё же этот чип ещё достаточно прост для того, чтобы его цепи можно было изучать под микроскопом и разбираться в них. В этой статье я объясню реализацию динамической защёлки [

одноступенчатый триггер

] – схемы, удерживающей один бит. В 8086 есть более 80 защёлок, разбросанных по всему чипу, и удерживающих различные важные биты статуса процессора, но я сконцентрируюсь на восьми из них, реализующих регистр команд и хранящих выполняющуюся команду.

У 8086-го есть более 80 защёлок. Некоторые из них хранят значения контактов AD (address/data) или управляющих контактов. Другие хранят текущий адрес микрокода и микрокоманды, а также адрес возврата из подпрограммы микрокода. В третьих хранятся биты исходного и выходного регистра команд, и АЛУ-операция команды. Во многих хранятся статусы внутреннего состояния, в которых я пока ещё разбираюсь.


Кристалл 86, где показан 8-битный регистр команд

На фото выше показан кремниевый кристалл процессора 8086 под микроскопом. Я удалил металлический и поликремниевый слои, чтобы было видно транзисторы – всего их порядка 29 000 штук. На выделенном участке располагается 8-битный буфер команд, состоящий из восьми защёлок. Этот процессор 1978 года был ещё достаточно простым для того, чтобы единственный 8-битный регистр занимал на нём относительно большую площадь. На увеличении показаны кремний и транзисторы, из которых состоит единственная защёлка.

Как работает динамическая защёлка

Защёлка – один их важнейших элементов 8086, поскольку защёлки отслеживают то, чем занят процессор. Защёлки можно делать разными способами; в 8086 используется компактная цепь, известная, как динамическая защёлка. Динамическая защёлка зависит от работы двухфазного генератора тактовых импульсов, который часто использовался для управления микропроцессорами той эпохи. Двухфазный генератор тактовых импульсов выдаёт два тактовых сигнала, активных по очереди. В первой фазе основной тактовый сигнал высокий, а сопутствующий

тактовый сигнал

– низкий. Потом они меняются местами. Цикл повторяется на тактовой частоте, к примеру, 5 МГц.

Многие микропроцессоры используют логические элементы И-НЕ (NAND gates) для формирования RS-триггеров. RS-триггер обычно занимает больше места, чем динамическая защёлка, особенно если к нему добавляются дополнительные цепи для поддержки тактовой частоты. Также популярны D-триггеры (триггеры задержки), однако они получаются ещё более сложными и используют шесть затворов. Во многих случаях достаточно проходного транзистора; он может хранить значение в течение одного такта, но длительного хранения не обеспечивает.

Для процессоров всегда выбирают максимально возможную тактовую частоту. Первый 8086 работал на частоте до 5 МГц, а позже 8086-1 поддерживал уже до 10 МГц. Однако из-за использования динамической логики у 8086 есть ещё и минимальная тактовая частота: 2 МГц. Если генератор тактовых импульсов будет работать медленнее, появится риск утечки заряда с проводников до того, как схемы обратятся к нему, что приведёт к ошибкам.


Защёлка в процессоре 8086 состоит из четырёх проходных транзисторов и двух инверторов. Защёлка работает на перемежающихся тактовых сигналах.

На схеме выше показана типичная защёлка в 8086. Она состоит из двух инверторов и несколько проходных транзисторов. Для наших целей проходной транзистор можно считать выключателем: если на затвор приходит 1, транзистор передаёт сигнал далее. Если приходит 0, транзистор блокирует сигнал. Проходной транзистор управляются несколькими сигналами: загрузка (load), загружающий бит в защёлку; удержание (hold), удерживающий имеющееся значение бита; тактовый сигнал (clock) первой фазы и тактовый сигнал второй, инвертированной.

На диаграмме ниже показано, как в защёлку загружается значение (в данном случае, это 1). Для сигнала загрузки повышается напряжение, что позволяет входному сигналу (1) пройти через транзистор. Поскольку тактовый сигнал высокий, сигнал проходит через второй транзистор к инвертору, который выдаёт 0. В этот момент третий (тактовый) транзистор блокирует сигнал.


Входной сигнал загружается в защёлку при высоком уровне сигнала загрузки

В следующей тактовой фазе сигнал генератора тактовых импульсов становится высоким, благодаря чему сигнал 0 достигает второго инвертора, который выдаёт 1. Поскольку сигнал «удержание» высокий, сигнал возвращается назад, но блокируется транзистором генератора тактовых импульсов. Динамическим эту цепь делает то, что в данный момент на первый инвертор не поступает входящих сигналов. Его вход остаётся 1 (показано серым) из-за имеющейся у цепи ёмкости. Когда-нибудь этот заряд утечёт, значение потеряется, но до этого момента произойдёт новое переключение генератора тактовых импульсов.


Когда сигнал генератора тактовых импульсов становится высоким, значение проходит через второй инвертор. Вход на первый инвертор (серый) поддерживается благодаря ёмкости цепи.

После переключения состояния генератора тактовых импульсов вход на второй инвертор обеспечит ёмкость цепи (см. ниже). Сигнал возвращается назад, перезаряжая и обновляя вход на первый инвертор. При последующих переключениях тактовой частоты защёлка будет переключаться между этой и предыдущей диаграммой, сохраняя хранящееся в ней значение и поддерживая выходной сигнал в стабильном состоянии.

Ключом к работе защёлки служит наличие двух инверторов, поддерживающих выходной сигнал в стабильном состоянии. Нечётное количество инверторов вызвало бы осцилляции – эта особенность используется генератором подкачки заряда 8086. Также пары инверторов использует набор регистров 8086 для хранения битов. Однако в наборе регистров два инвертора соединены напрямую, без проходных транзисторов, управляемых генератором тактовых импульсов, что даёт более компактную, но трудную в управлении систему хранения.


Когда сигнал тактовой частоты высокий, значение проходит через первый инвертор.

Реализация в кремнии

8086 и другие процессоры той эры создавались на основе транзисторов типа

N-МОП

. Они изготавливались из кремниевой подложки, к которой в процессе

легирования

добавлялись примеси мышьяка или бора, формировавшие транзисторы. Сверху кремния находился поликремний, создававший затворы транзисторов и проводники, связывавшие все компоненты между собой. Ещё один слой, металлический, обеспечивал дополнительные токопроводящие связи. Современные процессоры, для сравнения, используют технологию

КМОП

, комбинирующую технологии N-МОП и P-МОП, а металлических проводящих слоёв у них больше одного.


Как в ИС реализуется N-МОП транзистор (МОП-структура)

На диаграмме выше показана структура транзистора. Транзистор можно считать выключателем, позволяющим току протекать от одного участка (исток) к другому (сток). Транзистор управляется затвором, сделанным из кремния особого типа – поликремния. Подача напряжения на затвор позволяет току течь между истоком и стоком, а подтягивание затвора к 0 В блокирует ток. От кремния затвор отделён изолирующим слоем оксида – из-за этого затвор работает как конденсатор, что видно на примере динамической защёлки.

Инвертор (ниже) сделан из N-МОП транзистора и резистора. При низком сигнале транзистор отключён, поэтому подтягивающий резистор подтягивает выходной сигнал наверх. При высоком сигнале транзистор включается, соединяя выход с землёй и подтягивая выход вниз. Таким образом цепь инвертирует входящий сигнал.

Подтягивающий резистор в N-МОП затворе реализуется при помощи транзистора особого типа. Транзистор с собственным каналом [depletion-mode transistor] работает как резистор, но занимает меньше места и имеет большую эффективность.


На схеме показано, как из транзистора и резистора получается инвертор. На фото видно, как схема реализована на чипе. Металлический слой удалён, чтобы было видно поликремний и кремний.

На фото справа показано, как в 8086 физически реализован инвертор. Желтоватые участки – это токопроводящий кремний с примесями, а пятнистые – это поликремний сверху. Транзистор получается там, где поликремний пересекает кремний с примесью. Поликремний формирует затвор транзистора, а участки кремния с обеих сторон дают исток и сток транзистора. Большой поликремниевый прямоугольник формирует подтягивающий вверх резистор между +5 В и выходом. Можно сопоставить строение этих физических структур со схемой.

На диаграмме ниже показана реализация защёлки на чипе. Отмечены проходной транзистор и два инвертора; первый инвертор описан выше. Поликремниевые проводники соединяют компоненты друг с другом. Дополнительные соединения обеспечивал металлический слой (удалён для фото). Сложная форма транзисторов позволяет наиболее эффективно использовать пространство.


Микроскопическое фото защёлки в процессоре 8086. Металлический слой с проводниками удалён, однако видны его следы в виде красноватых вертикальных линий. Фото повёрнуто на 180°, чтобы соответствовать схеме.

В защёлке используются выходные буферы, не отмеченные на схеме, дающие высокотоковые сигналы для выхода и инвертированного выхода. У этих буферов смешное название, «супербуферы» – потому что они выдают ток гораздо выше, чем у типичного N-МОП инвертора. Проблема N-МОП инвертора в том, что он работает медленно при управлении какой-либо цепью с высокой ёмкостью. Поскольку супербуфер даёт больший ток, он переключает сигнал гораздо быстрее. Достигает он этого, заменяя подтягивающий резистор транзистором, дающим больший ток. Минус в том, что подтягивающий транзистор требует инвертор для работы, поэтому схема супербуфера получается сложнее. Поэтому супербуфер используются только по необходимости – обычно при отправке сигнала на много затворов или при управлении длинной шиной.


Реализация супербуфера в защёлке 8086. Отметьте, что соединение с +5 В и землёй перенесены на самые правые транзисторы.

На диаграмме выше приведена схема супербуфера в защёлке 8086. В отличие от обычного супербуфера, в этом есть и инвертирующий, и не инвертирующий супербуфер. Чтобы разобраться в схеме, отметьте, что центральный резистор и транзистор формируют инвертор. Выход инвертора соединяется с верхними транзисторами, а не инвертированный вход соединяется с нижними транзисторами. Тогда, если вход 1, включаются нижние транзисторы, а если вход 0, то благодаря инвертору включаются верхние транзисторы. Тогда, если вход 1, нижние транзисторы притянут выход вверх, а соответствующий ему выход – вниз. Если вход 0, тогда верхние транзисторы притянут выход вниз, а соответствующий ему выход – вверх.

Проблема N-МОП инвертора в том, что у подтягивающего вверх резистора ток ограничен. Когда на выходе 0, транзистор в инверторе быстро и с относительно большим током подтягивает выход вниз. Однако если на выходе 1, выход подтягивается наверх гораздо более слабым подтягивающим резистором.

Супербуфер похож на КМОП-инвертор, поскольку у него есть подтягивающий вверх транзистор и подтягивающий вниз транзистор. Разница в том, что КМОП использует транзисторы типов P-МОП и N-МОП, а у P-МОП транзистора инвертированный вход затвора. И наоборот, для супербуфера N-МОП требуется отдельный инвертор. Иначе говоря, КМОП инвертор использует два транзистора, а эффективность у супербуфера гораздо меньше, поскольку ему требуется четыре транзистора.

Супербуфер использует транзистор с собственным каналом для подтягивания вверх и транзистор с индуцированным каналом [enhancement mode transistor] для подтягивания вниз. Пороговое напряжение транзистора с собственным каналом ниже нуля, что позволяет подтягивать его выход до 5 В, и не отключаться при менее высоком напряжении. Когда выход низкий, транзистор с собственным каналом всё ещё будет включён, и будет работать как обычный подтягивающий вверх в обычном инверторе, поэтому через него будет течь определённый ток. Подробнее о супербуфере можно почитать по ссылке.

Регистр команд

Как и большинства процессоров, у 8086 есть регистр команд, где хранится текущая выполняемая команда. В 8086 регистр команд хранит первый байт команды (которая может состоять из нескольких байт), поэтому он сделан из восьми защёлок. Можно было бы подумать, что они будут идентичными, однако каждая из них имеет свою форму. Схема расположения элементов процессора 8086 высоко оптимизирована, поэтому форма каждой защёлки сделана такой, чтобы наилучшим образом использовать доступное пространство из-за ограничений окружающих её проводников. В частности отметьте, что некоторые защёлки соединяются вместе, и имеют общее питание и землю. Видимо, по той же причине защёлки идут не подряд.


Все 8 защёлок несколько разной формы, оптимизированной с учётом окружающих проводников. Ранее в статье описывалась защёлка №1, повёрнутая на 180°. Красные вертикальные линии – следы удалённого слоя металла.

Команда путешествует по 8086 извилистым путём. Процессор использует увеличивающую быстродействие предварительную выборку, загружая команды из памяти перед тем, как они потребуются. Они хранятся в очереди команд, 6-байтной очереди, расположенной в середине набора регистров. У современных процессоров, для сравнения, командный кэш может достигать размера нескольких мегабайт.

При выполнении команды она сохраняется в регистре команд, примерно в центре чипа. Относительно большие расстояния и объясняют необходимость использования супербуфера. Регистр команд скармливает команду в «ПЗУ групповой расшифровки». Это ПЗУ определяет высокоуровневые характеристики команды – однобайтовая она, или многобайтовая, или это префикс команды. И это лишь небольшая часть сложной системы обработки команд 8086. Другие защёлки хранят части команд, отмечая использования регистра и операции АЛУ, а отдельная цепь управляет движком микрокода – но это я буду описывать отдельно.


Кристалл 8086, отмечены ключевые компоненты для обработки команд. По периметру распаечные провода соединяют кристалл с внешними контактами.

Заключение

8086 активно использует динамические защёлки для хранения внутренних состояний. Их видно под микроскопом, и их цепи можно отследить и понять. Кристалл 8086 интересно анализировать, поскольку, в отличие от современных процессоров, его транзисторы достаточно крупные, чтобы их было видно под микроскопом. Для своего времени это был сложный процессор с 29 000 транзисторами, однако всё же достаточно простой для того, чтобы его цепи можно было отследить и понять.

855904 — Мостовой инвертор — PatentDB.ru

Мостовой инвертор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Оп ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Соцналисткческкх

Ресттублттк (п>855904 (61) Дополнительное к авт. свнд-ву (22) Заявлено 04.06.79 (21) 2774595/24-07 (51) М. Кл. с присоединением заявки М—

Н 02 М 7/537

Йаударетвеввй каатнтет

СССР вв двяам «эавйатеаяа в атхрнтвй (23) Приоритет—

Опубликовано 15.08.81. Бюллетень,аь 30

Дата онубликовання описания 15.08.81 (53) УДК 621.3!4. .58 (088.8) Ю. А. Руденко, Б. Н. Куликов, Д. Н. Давиденко и С. В. Солецкий (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) МОСТОВОЙ ИНВЕРТОР

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания для преобразования постоянного напряжения в переменное посредством инверторов со ступенчатым регулированием выходного напряжения.

Известны мостовые инверторы со ступенчатым регулированием выходного напряжения, содержащие выходной трансформатор с первичной обмоткой, концы которой и отвод от промежуточной точки соединены с входными выводаьпт инвертора через управляемые ключи (1j

Однако в данном инверторе в процессе переключения. смежных ключей (транзисторов) возникает сквозной ток, приводящий к перегрузке транзисторов и снижению КПД.

Наиболее близким к изобретению является транзисторный инвертор с выходным траисфорМ матором, именнцим две первичные обмотки, в котором «сквозные» токи практически отсутствуют, за счет действия индуктивности рассеяния обмоток (2! .

Однако в таком инверторе к транзисторам приложено напряжение более, чем вдвое превышающее напряжение питания инвертора.

11ель изобретения — снижение напряжения на транзисторах н тем самым повышение надежности.

Цель достигается тем, что в мостовом инверторе, содержащем выходной трансформатор с двумя первичными обмотками, каждая иэ которых первым концом соединена через первый транзистор и диод с одним входным выводом инвертора и отводом через второй транзистор с тем же входным выводом инвертора, введены два дополнительных транзистора, соединяющих вторые концы обмоток с другим входным выводом иивертора и два диода, соеднняницие первые концы обмоток с другим входным выводом иивертора.

На чертеже схематически изображено устройство.

Инвертор содержит задающий генератор 1 с парафазным выходом, соединенный через блок 2 управления, подключенный к источнику управляющего напряжения U „, и преобразо3 85 ватели 3 и 4 уровня с шестью входами двухтактного усилителя 5 мощности на шести транзисторах с выходным трансформатором 6, имеющим две первичные обмотки. Начало первой обмотки 7 подключено через диод 8 к коллектору транзистора 9, через диод 10 к плюсовому входному выводу инвертора, ее отвод — к коллектору транзистора 11, а конец — к коллекЬ тору транзистора 12, который эмиттером подключен к тому же входному выводу, а базойк выходу преобразователя 3 уровня. Начало второй обмотки 13 подключено к коллектору транзистора 14, эмиттер которого соединен с плюсовым входным выводом, а база — с выхо дом преобразователя 4 уровня, отвод второй обмотки — к коллектору транзистора 15, а ее конец через диод 16 — к коллектору транзистора 17 и через диод 18 к плюсовому входному выводу. Эмиттеры транзисторов 9, I I, 15 и 17 подключены к минусовому входному выводу.

Инвертор работает следующим образом.

Сигнал с одного иэ парафаэных выходов задающего генератора 1 подключен к одному из входов блока 2 управления и ко входу преобразователя 3 уровня, а с друтого выхода генератора 1 — ко второму входу блока 2 управления и ко входу преобразователя 4 уровня. На третий вход схемы 2 управления поступает управляющее напряжение U „, величина которого изменяется, например, пропорционально изменению напряжения первичного источника питания О„или выходного напряжения инвертора. Сигналы с выходов схемы 2 управления и преобразователей 3 и 4 уровня лоступают на шесть входов усилителя 5 мощностн, выходной трансформатор 6 которого имеет две одинаковые первичные обмотки. Начало первой обмотки 7 может коммутироваться через диод 8 н открытый транзистор 9 на минусовой входной вывод, а с плюсовым входным выводом соединено через диод 10. Отвод данной обмотки через открытый транзистор 11 может соединяться с минусовым входным выводом, а конец ее через транзистор 12 — с плюсовым входным выводом, Первичная обмотка

13 может коммутироваться началом через транзистор 14 к плюсовому входному выводу, а к минусовому выводу — отводом через транзистор 15 и концом через диод 16 и транзистор 17. Диоды 18 и 10 служат для ограничения величины напряжения соответственно конца обмотки 13 и начала обмотки 7, за счет чего напряжение указанных точек относительно минусовой шины источника питания не может превышать величину питающего напряжения О„.

Блок 2 управления в зависимости от величины управляющего напряжения О может нахо5904

Зо

55 диться в одном из двух состояний: если величина напряжения О больше порога срабатывания блока 2 уйравлеиия, то данный блок закрывает транзисторы 11 í 15 и поочередно открывает транзисторы 9 и 17, коммутируя на их базы парафаэные сигналы задающего генератора 1; если величина напряжения О мень)%P. ше порога срабатывания, то блок 2 управления закрывает транзисторы 9 и 17 и поочередно открывает транзисторы 11 и 15, коммутируя на их базы парофаэные сигналы генератора 1, На базы транзисторов 12 и 14 парафазнъre сигналы генератора 1 соответственно через преобразователи 3 и 4 уровня поступают в любом режиме, независимо от состояния блока 2 управления, причем в первом состоянии транзистор 12 открывается и закрывается одновремен- . но с транзистором 9, транзистор 14 — с транзистором 17, а во втором состоянии транзистор 12 — с транзистором 11, транзистор 14— с транзистором 15, Преобразователи 3 и 4 уровня осуществляют привязку сигналов генератора 1 к потенциалу плюсовой шины источника нацряжения U, так как к этой шине подклюп чены эмиттеры транзисторов 12 и 14 р — n — ртипа проводимости, Управляющие сигналы, поступакнцие на базы транзисторов 9, 11, 15 и

17 и — р — n-типа проводимости, привязаны к потенциалу минусовой шины источника напряжения U„„подключенной к эмиттерам этих транзисторов.

Таким образом, пока выходное напряжение инвертора достаточно велико, напряжение сигнала управления U превышает порог срабаУпР. тывания блока 2 управления, транзисторы 11 и 15 закрыты, и в парно происходит переключение транзисторов 9, 12 и 17, 14, а значит к источнику напряжения О„поочередно подключаются первичные обмотки 7 и 13 трансформатора 6. Коэффициент трансформации из первичной во вторичную обмотки трансформатора

6 прн этом имеет минимальное значение. Первичные обмотки 7 и 13 трансформатора 6 имеют по две секции: основную, включенную между коллекторами транзисторов 11, 12 или 14, 15, и дополнительную, включенную соответственно между коллектором транзистора 11 и общей точкой диодов 8 и 10 или коллектором транзистора 15 и общей точкой диодов 16 и 18.

При уменьшении выходного напряжения инвертора до значения, когда величина напряжения

U становится меньше порога срабатывания

gBP ° блока 2 управления, транзисторы 9 и 17 закрываются и происходит пошрное переключение транзйсторов ll, 12 и 15, 14. Напряжение источника U в этом случае поочередно подклюП чается только на основные секции обмоток 7 и 13, что приводит к увеличению коэффициен855904 ь того транзистора 12 — величины О . „, „ = .= U + Š— U». Аналогично прй открытйх транзисторах 11 н 12 максимальные величины напряжещй между коллектором и змнттером закрытых транзисторов )7 и 14 равны соответственно где Е,), — величина ЭДС, наводимой в до. полнительной секции обмотки 13;

U» — падение напряжения на диоде 18.

При работе инвертора в режиме с минималь, ным коэффициентом трансформации выходного трансформатора 6 напряжение источника постоянного тока U> поочередно прикладывается к первичным обмоткам 7 н 13 и максимальные величины напряжений между коллектором и эмиттером закрытых транзисторов 9, 17, 12, 14, 11 и 15 равны соответственно

0 (х) о 7() «л

Величина напряжения между коллектором и эмиттером любого из закрытых транзисторов предлагаемого устройства значительно меньше, чем в известном. Указанная величина имеет максимальное значение при работе данного устройства в режиме с наибольшим коэффициентом трансформации из первичной во вторичную обмотки трансформатора 6, когда транзисторы

9 и 17 закрыты, а попарно и поочередно открываются транзисторы l l, 12 и 15, 14. Рассмотрим, например, режим работы устройства, когда закрыты транзисторы 9, ) l, 12 и )7 н открыты транзисторы 14 и 15. Напряжение источника питания постоянного. тока О„в этом случае приложено к основной секции обмотки )3, подключенной к- коллекторам транзисторов 14 и 15 (падением напряжения на открытых транзисторах здесь и в дальнейшем можно пренебречь, так как эти величины много меньше напряжения источника питания U„), причем «плюсом» к началу обмотки 13, а «минусом» вЂ” к ее отводу. В дополнительной секции обмотки 13 наводится ЭДС, приложенная

«минусом» к концу обмотки 13. Диод 16 препятствует возникновению режима короткого замыкания дополнительной секции обмотки 13 через открытые переходы транзисторов 15 н 17

В первичной обмотке 7 наводится ЭДС Е7 = 4О

«- Ее + Eg7,, где Eg7 — ЭДС дополнительной секции.

При равенстве обмоточных данных обмоток 7 н 13 обеспечивается равенство Eo = Ол Чис45 ло витков дополнительной секции, а следовател но, и величина Ез, определяются пределами требуемого изменения выходного напряжения инвертора. На практике величина Е не превышает 10 — 15% величину Ео. Наводимая s этом случае ЭДС Е приложена «плюсом» к началу обмотки 7, «минусом» вЂ” к ее концу. Напряжение начала обмотки 7 относительно минусовой шины источника напряжения О„не может . быть больше величины, равной сумме напряжения О„и падения напряжения Ою на диоде 10.

Вследствие этого напряжение между коллектором и эмиттером закрытого транзистора 9 не превышает величины Охэ, < „1 = О,, а эакрыU

) э12(маг,) =(„-) )

) э 4 (и ах) л 4й у

=U -0

Кэ И1С)х> — 7 >

К315 (ма х) и 4Р3.

Таким образом, максимальная величина напряжения между коллектором и эмиттером любого иэ закрытых транзисторов превышает величину напряжения первичного источника питания Ол на величину не более ЭДС, наводимой s дополнительной секции первичной обмотки 7 или 13. Следовательно, величина подаваемого на предлагаемое устройство напряжения первичного источника питания U, может достигать значения

0 =(08 —:09

)) тiаХ — 8 91UK9max где О), „— максимально допустимая для прйменяемого типа транзисторов величина напряжения между коллектором и эмнттером.

Формула изобреråíèÿ

Мостовой инвертор со ступенчатым регулировыи ем выходного напряжения, содержицнй выходной трансформатор с двумя первичкымн обмотками, каждая иэ которых первым концом подключена к первому входному выводу инвертора через последовательно соединенные первый диод н первый транзистор, а отводом от промежуточной точки соединена с первым та трансформщии из первичной во вторичную обмотки трансформатора 6, а значит и к увели чению выходного напряжения инвертора. Таким образом, при изменении напряжения сигнала управления О „„, зависятцего от выходного напряжения иивертора, в ту или другую сторону от величины порога срабатывания блока 2 управления происходи изменение коэффициента транс- UK311 „ох) =).))), 0 3 )4)т) ) = )л Е ) -0® формации выходного трансформатора 6, что обеспечивает стабилизацию выходного напряже- ) 0 ния вторичного источника напряжения.

ВНИИПИ Заказ 6960/81 Тираж 730 Подписное

Филиал ППП «Патент», r. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 855904 входным выводом инвертора через второй транзистор, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем снижения напряжения, приложенного к транзисторам, введены два дополнительных транзистора, каждый иэ которых включен между вторым концом укаэанной первичной обмотки и вторым входным выводом, и два диода, включенных, каждый между первым концом указанной пер8 вичной обмотки и вторым входным выводом, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

l Авторское свидетельство СССР М 280629, кл. Н 02 М 7/48, 1970.

2. Вересов Г. П. и др. Стабилизированные источники питания радиоаппаратуры. М., «Энергия», 1978. с, 174, рис, 6-32.

    

Инвертор на основе КМОП ключа


⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 7Следующая ⇒

Инвертор в цифровой технике «переворачивает» сигнал: если на входе низкий уровень сигнала, то транзистор закрыт, ток через резистор нагрузки не течет, все напряжение Vcc оказывается на выходе. А если на входе высокий уровень, то транзистор во включенном состоянии проводит ток и потенциал стока (выходной сигнал) практически равен нулю (низкий уровень) — рис.9.1 а – схема полевого транзистора с каналом n-типа. Работа транзистора с каналом р-типа показана на рис.9-2.

Инвертор с минимальным потреблением мощности можно реализовать на комплементарной (дополняющей) паре полевых транзисторов (рис. 9-1 б). В такой схеме используются два МОП-транзистора с индуцированными каналами n- и p- типов. Подложки обоих транзисторов соединены с истоками.

Рис.9-1 Инвертор на ПТ а) с каналом n-типа, б) с каналом р-типа, в) на комплементарной паре

Эквивалентная схема КМОП-ключа, соответствующая случаю, когда входное напряжение имеет низкий уровень, показана на рис. 9-3, а. Транзистор VT2 эквивалентен разомкнутому идеальному ключу. Транзистор VT1 моделируется резистором RСИ1. Выходное напряжение равно напряжению источника питания.

а)  б)

Рис. 9-3

Если входное напряжение имеет высокий уровень Uвх > U, то транзистор VT2 находится в состоянии насыщения, а VT1 – отсечки, и выходное напряжение не превышает 10 мВ. Эквивалентная схема ключа для этого случая показана на рис. 2, б. Теперь транзистор VT1 эквивалентен разомкнутому ключу, а ненулевое сопротивление VT2 моделируется резистором Rси2.

Транзисторы в схеме ключа рассчитывают так, чтобы они были согласованы, т. е. имели одинаковые (по модулю) пороговые напряжения и удельные проводимости. Этим обеспечивается одинаковая нагрузочная способность ключа как в открытом так и в закрытом состояниях. Поскольку приповерхностная подвижность дырок p в 2–4 раза меньше подвижности электронов μn, для согласования ширину канала транзистора VТ1 выбирают в 2–4 раза большей, чем у VТ2. Длина каналов обоих транзисторов одинакова, а ширину выбирают так, чтобы выполнялось равенство

.

Передаточной характеристикой КМОП инвертора называется зависимость выходного напряжения логического элемента от напряжения на его входе. На передаточной характеристике можно выделить несколько областей (рис. 9-3 a,б):

Рис.9-3. Зависимость выходного напряжения (а) и потребляемого тока (б) КМОП-инвертора от входного напряжения.

1. Входное напряжение меньше порогового напряжения Von, n-канальный транзистор закрыт. Напряжение затвор-исток р-канального транзистора больше его порогового напряжения Voр (по модулю), поэтому он полностью открыт. Напряжение на выходе равно напряжению питания, потребляемый ток равен нулю.

2. Входное напряжение больше порогового напряжения Von п-канального транзистора, но меньше половины напряжения питания. N-канальный транзистор начинает открываться, а Р-канальный транзистор начинает закрываться.

3. В области значения входного напряжения равного Е/2 передаточная характеристика идет практически вертикально. При входном напряжении равном Е/2 оба транзистора открыты в одинаковой степени, потребляемый ток максимален.

4. Входное напряжение больше Е/2 и меньше (Е-Vop). Картина аналогична (симметрична) участку 2, но теперь n- и p-канальные транзисторы меняются ролями. Напряжение на выходе уменьшается.

5. Входное напряжение больше (Е-Vop) и меньше напряжения питания. N-канальный транзистор полностью открыт, р-канальный – закрыт, его напряжение затвор-исток меньше порогового по модулю. Напряжение на выходе равно 0. При этом потребляемый ток равен нулю, т.к. р-канальный транзистор закрыт.

На первом и пятом участках схема тока не потребляет (т. к. закрыт, соответственно, n-канальный или р-канальный транзистор). В этом состоянии потребляемая схемой мощность обусловлена только токами утечки через обратно смещенные переходы сток-подложка, исток-подложка. При комнатной температуре эти токи очень малы. Максимум потребляемого тока наблюдается в точке входного напряжения, близком Е/2 (рис.9-3 б).

На рис.9-4 показан результат моделирования инвертора на комплементарной паре.


Рис.9-4. Результат моделирования КМОП инвертора.

Логические элементы КМОП подвержены разрушающему воздействию статического электричества, поэтому во всех схемах обязательно присутствуют защитные диоды. В реальной схеме инвертора (рис.9-5) диоды VD3, VD5, VD6 защищают от отрицательных импульсов. Диоды VD1, VD2, VD4 защищают вход и выход от положительных выбросов и ограничивают его на уровне Uп+0,6. Для дополнительной защиты входов, особенно при длинных входных проводах, и для устранения паразитных колебаний последовательно с входом включают резистор для ограничения тока заряда включения емкости.

 

Рис.9-5 Защитные элементы в реальной схеме инвертора КМОП

 

Основные свойства КМОП-ключа:

а) идеальный логический инвертор;

б) быстродействие значительно выше, чем у других типов ключей;

в) очень малое потребление энергии от источника питания в статическом режиме. Динамические потери, т. е. мощность, рассеиваемая КМОП-инвертором при тактовой частоте , определяются формулой . Главным путем повышения быстродействия и снижения потерь является уменьшение емкостей транзисторов и нагрузки;

г) значительно большая нагрузочная способность по сравнению с ключами на биполярных транзисторах. Входное сопротивление КМОП-ключа бесконечно велико, поэтому к его выходу можно подключить большое число аналогичных ключей. Однако каждый дополнительный ключ увеличивает емкость нагрузки, что приводит к замедлению переключения.

 

Полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление постоянному току, что является неоспоримым преимуществом при относительно редком переключении. Расход энергии на управление полевиком в этом случае минимален. Если переключаться надо часто, то в дело вступают емкости затвор — исток и затвор — сток. На их зарядку нужно тратить энергию. Так что по мере роста частоты переключений расход энергии растет.

Есть еще одно преимущество ключа на полевом транзисторе — отрицательный температурный коэффициент при большом токе нагрузки. По мере нагрева при большом токе стока сопротивление полевого транзистора нарастает. Это позволяет соединять полевые транзисторы параллельно без всяких проблем. Токи в них быстро выравниваются самостоятельно. Мощный полевой транзистор можно представить, как соединенные параллельно маломощные  образцы токопроводящего канала полевика. Сила тока в них при прогреве выравнивается, так что полевой транзистор проводит ток по всему сечению канала равномерно. Это обуславливает способность полевых транзисторов работать при больших токах.

Биполярный транзистор имеет положительный температурный коэффициент. Если в какой-то части кристалла появляется большая проводимость, чем вокруг, то это место прогревается сильнее, туда устремляется все больший ток. И так до прогорания.

 


Рекомендуемые страницы:

всё, что вам нужно знать

Время чтения: 6 минут

За последние 100 лет технология сварки претерпела значительные изменения. Классические сварочные аппараты были усовершенствованы, а в продаже появились совершенно новые устройства. Наибольший вклад в развитие домашней и любительской сварки внесло изобретение инверторного сварочного аппарата. Его электронная «начинка» позволяет внедрить функции, которые недоступны классическому трансформатору или выпрямителю.

А если в сварочном аппарате применяется электроника, значит, используются и транзисторы. В этой статье мы подробно расскажем, что такое транзистор, какие транзисторы используются в сварочных инверторах и чем отличаются транзисторы IGBT в сварочном аппарате от транзисторов MOSFET.

Содержание статьи

Общая информация

Транзисторы — что это такое? Наверняка каждый, кто хоть раз сталкивался с ремонтом или банальной разборкой радиоэлектроники, слышал этот термин. Говоря простыми словами, транзистор — это электронная деталь с выводами, изготовленная из полупроводникового материала. Основная функция транзистора — это усиление или генерирование электрических сигналов, поступающих извне. Также с помощью транзисторов выполняется коммутация.

На данный момент транзисторы есть в любом электронном приборе и являются один из важнейших компонентов. В середине прошлого века сразу несколько ученых получили Нобелевскую премию за изобретение транзистора. И с тех пор это небольшое приспособление кардинально изменило мир электроники.

Транзисторы очень маленькие и компактные. Они экономичны, их производство стоит недорого. Несмотря на свой скромный размер, транзистор устойчив к механическому воздействию и долговечен. Также транзисторы способны исправно работать при низком напряжении и при высоких значениях тока. Именно благодаря этим достоинствам к концу 20-го века транзисторы стали неотъемлемой частью каждого электронного прибора. В том числе, у инверторных сварочных аппаратов.

Читайте также: Инструкция по эксплуатации сварочного инвертора для новичков 

С помощью транзисторов удалось собрать компактную схему и внедрить ее в инвертор. Таким образом, существенно снизились размеры и вес сварочного аппарата. На данный момент производители предлагают инверторы весом до 5 кг, которые можно положить в рюкзак и взять с собой на выездные работы. Также такие аппараты незаменимы при сварке на высоте или в труднодоступных местах.

В сравнении с обычным трансформатором, который использовался раньше для сварки, инверторы намного проще в освоении. А наличие дополнительных функций (например, функции горячего старта или антизалипания) помогает новичкам как можно скорее приступить к работе. И все это  заслуга транзисторов.

Транзисторы в инверторах

Транзистор — это один из главных компонентов современного сварочного инвертора. Без него инвертор в принципе не будет так называться. И, поскольку сварочные инверторы уже прочно вошли в нашу жизнь, то нелишним будет узнать немного больше об их электронной «начинке». Эта информация будет полезна не столько мастерам по ремонту сварочных аппаратов, сколько самим сварщикам. Для лучшего понимая сути используемого вами оборудования.

Итак, на данный момент чаще всего в сварочных инверторах применяются транзисторы двух типов: IGBT и MOSFET. Именно благодаря им удается добиться достойного качества работ, внедрения новых функций и уменьшению габаритов аппарата.

Подробнее про IGBT

Мы решили заострить ваше внимание на IGBT транзисторах, поскольку они считаются самыми технологичными. IGBT представляет собой стандартный биполярный транзистор с изолированным затвором. Усиливает и генерирует электрические колебания. Часто применяется в инверторе. От полевого транзистора отличается тем, что генерирует силовой канал, а не управляет им. Представляет собой 2 транзистора на подложке.

Именно благодаря IGBT транзисторам удалось развить производство современных сварочных инверторов. Поскольку именно данный тип транзисторов способен работать при высоком напряжении. Очень скоро производителям стало ясно, что применение IGBT транзисторов способно вывести производство инверторов на новый уровень. Удалось значительно уменьшить размеры аппаратов и увеличить их производительность. Порой стандартный IGBT транзистор способен заменить даже тиристор.

Иногда в IGBT инверторы внедряют специальные микросхемы, которые усиливают управляющий электрический сигнал и ускоряют зарядку затворов. Это необходимо для исправного функционирования мощных переключателей.

IGBT или MOSFET?

Выше мы уже упомянули, что помимо транзисторов типа IGBT существуют еще и транзисторы MOSFET. И многие сварщики любят спорить на форумах, какие транзисторы лучше, а какие хуже. Что мы думаем по этому поводу? Сейчас узнаете.

IGBT — это биполярные транзисторы. А MOSFET — полевые. И отличий у них больше, чем многим кажется на первый взгляд. Основное отличие — максимальная мощность, которую способен выдержать транзистор. У IGBT этот показатель выше, поэтому стоят они дороже, чем MOSFET. А это значит, что управляющая схема тоже стоит дороже.

На практике, сварщик практически не заметит разницы при работе с инверторам на IGBT или MOSFET. В характеристиках разница есть, но на практике она ощущается слабо. К тому же, на IGBt инверторы сложнее найти запчасти и вообще грамотного мастера по ремонту. И расходники стоят дороже.

Если вы используете недорогой инвертор для домашней сварки, то разницу между IGBT и MOSFET вы точно не заметите. Все преимущества IGBT раскрываются только в профессиональном оборудовании, предназначенном для высоковольтного подключения. В таком случае больший диапазон мощностей действительно играет важную роль и стоит предпочесть IGBT инвертор. В остальных же случаях не важно, какие транзисторы установлены. Вы, как любитель, разницу не почувствуете.

Словом, если вы новичок, то приобретайте инвертор на любых транзисторах. Инвертор на MOSFET будет стоить дешевле, вы сможете проще и быстрее его отремонтировать. А если вы выбираете инвертор для профессиональной сварки, то лучше выбрать аппарат на IGBT транзисторах. Они позволят использовать больше мощности. Но и их обслуживание обойдется дороже.

Вместо заключения

Не важно, какие именно силовые транзисторы для сварочных инверторов вы выберите. В любом случае, современный инвертор предоставит вам множество удобных плюсов. Вы сможете брать его с собой, поскольку вес и размеры незначительны. Вы сможете выполнять мелкий ремонт, даже если варите впервые, поскольку дополнительные функции упростят вашу работу. А благодаря технологичным транзисторам электронная схема будет работать еще стабильнее и дольше.

Да, инверторные аппараты куда сложнее по своему строению как раз за счет применения электроники. Вы не сможете починить инвертор «на коленке», как это можно сделать с трансформатором. Но преимуществ слишком много, чтобы отказываться от нововведений. А что вы думаете по этому поводу? Поделитесь своим мнением в комментариях ниже. Желаем удачи в работе!

транзисторов — альтернатива инвертора NPN, которая занимает меньше места на плате

транзисторов — альтернатива инвертора NPN, которая занимает меньше места на плате — Electrical Engineering Stack Exchange
Сеть обмена стеков

Сеть Stack Exchange состоит из 178 сообществ вопросов и ответов, включая Stack Overflow, крупнейшее и пользующееся наибольшим доверием онлайн-сообщество, где разработчики могут учиться, делиться своими знаниями и строить свою карьеру.

Посетить Stack Exchange
  2. 0
  3. +0
  6. Авторизоваться Подписаться

Electrical Engineering Stack Exchange — это сайт вопросов и ответов для профессионалов в области электроники и электротехники, студентов и энтузиастов.Регистрация займет всего минуту.

Зарегистрируйтесь, чтобы присоединиться к этому сообществу

Кто угодно может задать вопрос

Кто угодно может ответить

Лучшие ответы голосуются и поднимаются наверх

Спросил

Просмотрено 554 раза

\ $ \ begingroup \ $

Здесь у меня есть схема инвертора NPN, которая состоит из 2 отдельных транзисторов NPN и 3 резисторов.Он выполняет свою работу, но занимает слишком много места на доске. Есть ли альтернатива этой схеме, которая занимает меньше места? Могу я использовать что-то вроде этого https://eu.mouser.com/datasheet/2/348/vt6x12-1535580.pdf? Это лучшая альтернатива, которую я могу найти, или есть лучший вариант?

Пример использования: Эта схема управляется микроконтроллером через базовый вывод. Напряжение логического уровня MCU составляет 3,3 В. Вариант использования здесь — запуск режима сопряжения на микросхеме BT с его питанием (1.8 В), так как логический уровень на модуле BT не должен превышать 1,8 В

Создан 01 апр.

пользователь1258202

14311 серебряный знак1111 бронзовых знаков

\ $ \ endgroup \ $ 10 \ $ \ begingroup \ $

Если вы пытаетесь перевести сигнал с 3.От 3 или 5 В до 1,8 В есть способы получше. Например, для (до) 3,6–1,8 В, одноканальный, вы можете использовать 74AUP1T34. Примерно 1 мм x 1 мм в самой маленькой упаковке.

Похожие записи

21.11.2024 0

Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании

19.11.2024 0

Новорожденный какает слизью: причины появления слизи в кале грудничка

19.11.2024 0

Гемангиома у новорожденных: причины, виды, лечение и профилактика

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *