Транзисторные схемы: Некоторые типичные транзисторные схемы

Распознавание цифровых схем. Асинхронный счётный триггер / Хабр

Борис Цирлин и Александр Кушнеров
30.10.2019

Для опытного разработчика схем не составляет большого труда узнать знакомую схему, в каком бы виде она не была нарисована. В этой статье мы покажем, что две транзисторные схемы из патентов являются вариантом асинхронного счётного триггера (АСТ). По сравнению со стандартной схемой, в схемах из патентов отсутствуют некоторые транзисторы. Это может рассматриваться как неисправность. Мы покажем, что, если такая же неисправность возникает в стандартной схеме, она продолжает работать правильно. АСТ, реализованный только на элементах ИЛИ-НЕ [1] или только на элементах И-НЕ известен как гарвардский триггер. Оба варианта схем показаны на Рис. 1, где g7 – это индикатор завершения переходных процессов. В дальнейшем мы его рассматривать не будем. На Рис. 1 показаны также графы сигнальных переходов (STG) [2] построенные в Workcraft [3].

Рис. 1. Асинхронный счётный триггер (АСТ) и его STG.

Обратим внимание, что в обоих вариантах АСТ есть три пары элементов (g1, g2), (g4, g5) и (g3, g6), которые имеют общий вход. Транзисторные схемы элементов 2И-НЕ и 2ИЛИ-НЕ показаны на Рис. 2. Трёхвходовые элементы устроены аналогично и содержат 6 транзисторов.

Рис. 2. Транзисторные схемы элементов 2И-НЕ и 2ИЛИ-НЕ.

Возьмём два элемента 2ИЛИ-НЕ и выберем у каждого вход, где p-MOS транзистор подключён к Uпит. Соединим эти входы вместе и подключим к земле (лог. 0). Оба транзистора откроются и напряжение на их стоках будет равным Uпит. Достаточно ли этого чтобы безопасно соединить стоки и заменить два транзистора на один, как показано на Рис. 3? Нет. Нужно проверить что произойдёт если на общий вход подать лог. 1. Выходы обоих элементов соединятся с землёй, и мы будем иметь мостиковую схему из четырёх p-MOS транзисторов. Для оставшихся двух входов имеем четыре комбинации 0 и 1. Легко показать, что ни в одной из них не возникает короткого замыкания между Uпит и землёй.

Рис. 3. Два элемента 2ИЛИ-НЕ, имеющие общий вход.

Рассмотрим теперь схему распределителя импульсов [4] на Рис. 4. Пользуясь Рис. 3, мы можем перерисовать эту схему как показано на Рис. 5. В ней уже можно узнать АСТ на Рис. 1, однако, там элементы g3 и g6 имеют 3 входа.

Рис. 4. Схема распределителя импульсов из [4].

Рис. 5. Вариант схемы на Рис. 4.

Затворы транзисторов 11 и 12 можно рассматривать как входы элементов 3ИЛИ-НЕ, в которых третий p-MOS транзистор закорочен. Влияет ли это на правильную работу схемы? Рассмотрим порядок появления сигналов in, g2 и g6 на входе элемента g3. Для этого удалим все остальные сигналы в соответствующем STG на Рис. 1 как показано на Рис. 6.

Рис. 6. STG для ИЛИ-НЕ. Сигналы in, g2, g6 и g3.

Поскольку третий p-MOS транзистор закорочен, переключение g3+ может произойти после переключений in- и g6- (в любом порядке) без разрешающего переключения g2-. Однако, как видно из Рис.

6, на участке от g2+ до g2- есть только in- и g6+, поэтому запрещённого переключения g3+ не происходит. Перед переключением g2+ элемент g3 уже находится в 0, а на его входе g6 всё ещё 0, т.е. первый p-MOS транзистор открыт. Переключение g2+ открывает транзистор 11 и должно выключить закороченный p-MOS транзистор. Этого не происходит, более того, переключение in- открывает второй p-MOS транзистор. Таким образом, через два открытых p-MOS транзистора и открытый транзистор 11 начинает течь ток от Uпит к земле. Это продолжается короткое время, пока следующее переключение g6+ не закроет первый p-MOS транзистор. В течении этого времени транзистор 11 обеспечивает 0 на выходе g3. Как именно? Допустим сопротивления открытых p-MOS и n-MOS транзисторов одинаковы и равны R, тогда после переключения in- напряжение на g3 подскакивает с 0 до (1/3)Uпит, но это в идеальном случае. На практике, между g3 и землёй есть какая-то паразитная ёмкость, напряжение на которой возрастает плавно и может не достигнуть (1/3)Uпит. Так или иначе, это напряжение будет меньше, чем (1/2)Uпит и означает лог. 0. Для транзистора 12 всё аналогично, он короткое время обеспечивает 0 на выходе g6. Таким образом, задержки элементов g6 и g3 определяют два отрезка времени, когда триггер потребляет большой ток примерно равный Uпит/(3R).
Рассмотрим теперь схему счётного триггера [5] на Рис. 7. Здесь транзисторы 11, 12, 24, 23 образуют элемент 2И-НЕ, который по видимому, является индикатором АСТ на Рис. 1. Другой элемент 2И-НЕ образован транзисторами 7, 13, 25 и 18. Обратим внимание на то, что транзистор 18 подключён к земле и аналогично примеру на Рис. 3, является общим для трёх элементов И-НЕ. Второй элемент 2И-НЕ, куда входит транзистор 18, образован транзисторами 5, 9, 21, а третий – это 3И-НЕ на транзисторах 2, 4, 16, 20. В параллель с транзисторами 2 и 4 должен стоять третий p-MOS транзистор, но он отсутствует. Схема на Рис. 7 симметрична, для лучшего понимания перерисуем её как показано на Рис. 8.

Рис. 7. Схема счётного триггера из [5].

Рис. 8. Вариант схемы на Рис. 7.

Будут ли выходы g3 и g6 на Рис. 8 переключаться правильно, если третий p-MOS транзистор в параллель отсутствует? Это будет понятно после анализа STG на Рис. 9, который, как и в предыдущем случае, получен из соответствующего STG на Рис. 1 удалением всех сигналов, кроме in, g2, g6 и g3.

Рис. 9. STG для И-НЕ. Сигналы in, g2, g6 и g3.

Элемент g3 – это 3И-НЕ, поэтому после переключений in+, g6+ и g2+ (в любом порядке) произойдёт переключение g3-. Любое из обратных переключений in-, g6- или g2- должно вызвать переключение g3+. Однако, g2- не может открыть отсутствующий p-MOS транзистор, поэтому g3 останется в 0 и будет ждать переключения in- или g6-. Как видно из Рис. 9, на участке от g3- до g3+ переключения g2- нет и p-MOS транзистор здесь не нужен. С другой стороны, этот транзистор должен обеспечивать лог. 1 на g3, когда in и g6 переключаются произвольно. Рассмотрим на Рис.

9 участок от g3+ до g2+. Переключение g2- закрывает транзистор 19. Далее, переключение in+ закрывает транзистор 1 и открывает транзистор 15. Элемент g6 остаётся в 1, т.е. транзистор 17 открыт, а транзистор 3 закрыт. Таким образом, in+ отключает g3 и от земли, и от Uпит. Тем не менее, на g3 удерживается лог. 1, поскольку на практике между g3 и землёй есть паразитная ёмкость, которая заряжена до Uпит. Переключение g6- открывает транзистор 3 и подключает эту ёмкость к Uпит. Для второй половины схемы всё аналогично. Таким образом, задержки элементов g6 и g3 определяют время, в течении которого состояние запоминается на ёмкости. На практике важно чтобы ток утечки транзисторов 19 и 20 был маленьким, иначе за отведённое время ёмкость может разрядится ниже (1/2)Uпит.

По сравнению со стандартным АСТ на Рис. 1, в схемах на Рис. 5 и на Рис. 8 функция установки в 1 элемента 3ИЛИ-НЕ и функция сброса в 0 элемента 3И-НЕ повреждена. Это означает, что стандартный АСТ продолжит работать правильно, даже если в элементах g6 и g3 возникнет соответствующая неисправность. Для стандартной схемы (без g7) нужно 28 транзисторов. Для схем на Рис. 4 и на Рис. 7 (без транзисторов 11, 12, 24, 23) нужно соответственно 23 и 22 транзистора. Если вернуть недостающие p-MOS транзисторы, эти схемы будут работать надёжнее. Минимальное количество транзисторов в схеме на Рис. 7 не обязательно говорит о том, что она лучше схемы на Рис. 4 и лучше схемы на Рис. 1. Помимо количества транзисторов и потребляемого тока есть другие важные параметры, например,

1. сложность дополнительной схемы для установки начальных состояний
2. нагрузочная способность (скорость перезарядки ёмкости нагрузки)
3. скорость выхода из метастабильного состояния
4. количество и значения паразитных ёмкостей
5. количество и значения токов утечки
   Сравнительный анализ этих параметров, как и обсуждение схем АСТ реализованных на других элементах, выходит за рамки этой статьи.

Литература
[1] G. T. Osborne, «Asynchronous binary counter register stage with flip-flop and gate utilizing plurality of interconnected NOR circuits».

Patent US3139540, 30 Jun. 1964.
[2] Л. Я. Розенблюм и А. В. Яковлев, «О новой графической форме иллюстрации сущности изобретения,» Вопросы изобретательства, № 11, pp. 36-40, 1988.
[3] https://workcraft.org
[4] В. И. Горячев, Б. М. Мансуров, Я. Д. Мартыненко и Р. Г. Талибов, «Четырехфазовый распределитель импульсов». Авторское свидетельство SU342299, 14.06.1972.
[5] В. И. Варшавский, Н. М. Кравченко, В. Б. Мараховский и Б. С. Цирлин, «Счетный триггер на КМОП-транзисторах». Авторское свидетельство SU1398069, 23.05.1988.

Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем

Учебное пособие. — 2-е издание, переработанное и дополненное. — Москва: Лаборатория базовых знаний, 2001. — 488 с.: ил.Рассмотрены основные аспекты микроэлектроники: физические, технологические и схемотехнические. Дается представление об уровне современной микроэлектроники, ее методах, средствах, проблемах и перспективах. Обсуждаются виды интегральных схем и схемотехника цифровых и аналоговых ИС.

Во 2-ом издании отражены новые фундаментальные достижения в области микроэлектроники, используемые в настоящее время на практике.
Предназначена для студентов радиотехнических и радиофизических специальностей вузов. Может быть полезна широкому кругу специалистов, связанных с созданием и эксплуатацией радиоэлектронной аппаратуры на ИС.Предисловие ко второму изданию.
Предисловие к первому изданию.Предмет микроэлектроники.
Введение.
Интегральные схемы.
Особенности интегральных схем как нового типа электронных приборов.
Краткий исторический обзор.
Заключение.
Контрольные вопросы.Полупроводники.
Введение.
Структура полупроводников.
Носители заряда.
Энергетические уровни и зоны.
Распределение носителей в зонах проводимости.
Эффект поля.
Рекомбинация носителей.
Законы движения носителей в полупроводниках.
Контрольные вопросы.Полупроводниковые переходы и контакты.
Введение.
Электронно-дырочные переходы.
Контакты полупроводник-металл.
Граница полупроводник-диэлектрик.
Контрольные вопросы.Униполярные транзисторы.
Введение.
МДП-транзисторы.
Полевые транзисторы.
Контрольные вопросы.Физические принципы работы биполярного транзистора и тиристора.
Введение.
Принцип действия.
Распределения носителей.
Коэффициенты усиления тока.
Статические характеристики.
Малосигнальные эквивалентные схемы и параметры.
Переходные и частотные характеристики.
Тиристор.
Контрольные вопросы.Технологические основы микроэлектроники.
Введение.
Подготовительные операции.
Эпитаксия.
Термическое окисление.
Легирование.
Травление.
Техника масок.
Нанесение тонких пленок.
Металлизация.
Сборочные операции.
Технология тонкопленочных гибридных ИС.
Технология толстопленочных гибридных ИС.
Контрольные вопросы.Элементы интегральных схем.
Введение.
Изоляция элементов.
Транзисторы n-p-n.
Разновидности n-p-n-транзисторов.
Транзисторы p-n-p.
Интегральные диоды.
Полевой транзистор.
МДП-транзисторы.
Полупроводниковые резисторы.
Полупроводниковые конденсаторы.
Элементы ИС на полупроводниках группы А III 1 V .
Элементы пленочных ИС.
Контрольные вопросы.Основы цифровой схемотехники.
Введение.
Статический режим простейшего биполярного ключа.
Переходные процессы в простейшем биполярном ключе.
Ключ с барьером Шоттки.
Переключатель тока.
МДП-транзисторные ключи.
Помехоустойчивость ключей.
Бистабильные ячейки и триггеры.
Триггер Шмитта.
Контрольные вопросы.Основы аналоговой схемотехники.
Введение.
Составные транзисторы.
Статический режим простейшего усилителя.
Переходные процессы в простейшем усилителе.
Простейшие усилители на МДП-транзисторах.
Дифференциальные усилители.
Эмиттерные повторители.
Каскод.
Выходные каскады.
Стабилизаторы напряжения.
Стабилизаторы тока.
Контрольные вопросы.Интегральные схемы.
Введение.
Логические элементы на биполярных транзисторах.
Логические элементы на МДП-транзисторах.
Логические элементы на совмещенных биполярных и МОП-транзисторах (БиКМОП).
Логические элементы на полевых транзисторах с управляющим переходом металл-полупроводник (МЕП).
Параметры логических элементов.
Интегральные триггеры.
Запоминающие устройства.
Большие и сверхбольшие интегральные схемы.
Операционные усилители.
Надежность интегральных схем.
Заключение.
Контрольные вопросы.Заключение. Перспективы развития микроэлектроники.
Литература.

1. Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники / И. П. Степаненко. – М.: Лаборатория базовых знаний, 2000. – 488 с.

2. Россадо, Л. Физическая электроника и микроэлектроника / Л. Россадо. – М.: Высшая школа, 1991. – 351 с.

3. Новиков, В. В. Теоретические основы микроэлектроники / В. В. Новиков. – М.: Высшая школа, 1972. – 352 с.

4. Павлов, П. В. Физика твердого тела / П. В. Павлов, А. Ф. Хохлов. – М.: Высшая школа, 2000. – 494 с.

5. Пихтин, А. Н. Оптическая и квантовая электроника / А. Н. Пихтин. – М.: Высшая школа, 2001. – 573 с.

6. Блохинцев, Д. И. Основы квантовой механики / Д. И. Блохинцев. – М.: Высшая школа, 1961. – 512 с.

7. Бондарев, Б. В. Курс общей физики. В 3 кн. Кн. 2. Электромагнетизм. Волновая оптика. Квантовая физика / Б. В. Бондарев, Н. Л. Калашников, Г. Г. Спиркин. – М.: Высшая школа, 2003. – 438 с.

8. Бондарев, Б. В. Курс общей физики. В 3 кн. Кн. 3. Термодинамика. Статическая физика. Строение вещества / Б. В. Бондарев, Н. Л. Калашников, Г. Г. Спиркин. – М.: Высшая школа, 2003. – 366 с.

9. Епифанов, Г.И. Физические основы микроэлектроники / Г. И. Епифанов. – М.: Современное радио, 1971. – 376 с.

10. Интегральные схемы и микроэлектронные устройства на сверхпроводниках / В. Н. Алфеев, А. А. Васенков, П. В. Бахтин и др. – М.: Радио и связь, 1985. – 232 с.

11. Игумнов, В. Н. Физические основы микроэлектроники: практикум / В. Н. Игумнов. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2008. – 188 с.

12. Игумнов, В. Н. Основы высокотемпературной криоэлектроники / В. Н. Игумнов. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. – 188 с.

13. Фистуль, В. И. Введение в физику полупроводников / В. И. Фистуль. – М.: Высшая школа, 1975. – 296 с.

14. Киреев, П. С. Физика полупроводников / П. С. Киреев. – М.: Высшая школа, 1975. – 584 с.

15. Епифанов, Г. И. Физика твердого тела / Г. И. Епифанов. – М.: Высшая школа, 1975. – 288 с.

16. Щука, А. А. Функциональная электроника / А. А. Щука. – М.: МИРЕЭ, 1998. – 260 с.

17. Гуртов, В. А. Твердотельная электроника / В. А. Гуртов. – М.: Техносфера, 2005. – 408 с.

18. Пека, Г. П. Физика поверхности полупроводников / Г. П. Пека. – Киев: Изд-во Киевского университета, 1967. – 320 с.

19. Технология тонких пленок. Т.1 / под ред. Л Майссела, Р. Гленга. – М.: Современное радио, 1977. – 664 с.

20. Технология тонких пленок. Т.2 / под ред. Л Майссела, Р. Гленга. – М.: Современное радио, 1977. – 768 с.

21. Технология толстых и тонких пленок / под ред. А. Ресмана, К. Роуза. – М.: Мир, 1972. – 174 с.

22. Драгунов, В. П. Основы наноэлектроники / В. П. Драгунов, И. Г. Неизвестный, В. А. Гридчин. – Новосибирск: Изд-во НГУ, 2000. – 332 с.

23. Кравченко, А. Ф. Физические основы функциональной электроники / А. Ф. Кравченко. – Новосибирск: Изд-во НГУ, 2000. – 444 с.

24. Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам: сб. статей. – М.: Техносфера, 2005. – 592 с.

25. Миронов, В. Л. Основы сканирующей электронной микроскопии / В. Л. Миронов. – М.: Техносфера, 2004. –144 с.

ИЗДАНИЕ ЧЕТВЕРТОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ

МОСКВА «ЭНЕРГИЯ» 1977

В книге проводятся анализ и расчет основных типов транзисторных усилителей, импульсных схем и источников питания. Анализу схем предшествует рассмотрение физических процессов в полупроводниковых диодах и транзисторах и характеристик диодов и транзисторов в качестве схемных элементов. Существенно переработана по сравнению с третьим изданием, вышедшим в 1973 г., первая часть книги, во вторую и третью части введены новые главы.

Книга предназначена для инженеров, аспирантов и студентов вузов, специализирующихся по микроэлектронике и прикладной электронике, вычислительной технике, автоматике и приборостроению.

Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Изд. 4-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1977.

Предисловие к четвертому изданию

ТРАНЗИСТОРЫ
Глава первая. Полупроводники
1-1. Введение
1-2. Структура полупроводников и типы проводимости
1-3. Энергетические зоны твердого тела
1-4. Зонная структура полупроводников
1-5. Законы распределения носителей в зонах полупроводника
1-6. Уровень Ферми
1-7. Концентрация носителей
1-8. Подвижность носителей
1-9. Удельная проводимость и удельное сопротивление
1-10. Рекомбинация носителей
Общие сведения (44). Равновесное состояние (47). Неравновесное состояние (50). Рекомбинация на ловушках (51). Время жизни (54). Поверхностная рекомбинация (57).
1-11. Законы движения носителей заряда в полупроводниках
1-12. Объемные заряды и поля в полупроводниках
Диэлектрическая релаксация (631. Эффект поля (66). Неоднородные полупроводники (71). Квазинейтральность (74).
1-13. Кинетика носителей заряда в полупроводниках
Биполярная диффузия (75). Дрейф (78). Монополярная диф¬фузия (79). Комбинированное движение (85).

Глава вторая. Полупроводниковые диоды
2-1. Введение
2-2. Электронно-дырочный переход
Классификация р-п переходов (88). Структура р-п перехода (90). Анализ перехода в равновесном состоянии (93). Анализ перехода в неравновесном состоянии (97). Плавные р-п переходы (102). Односторонние р-п переходы (104).
2-3. Специальные типы переходов
Переходы между примесными и собственными полупроводниками (105). Переходы между однотипными полупроводниками (106).
2-4. Контакты металл-полупроводник
Выпрямляющие контакты (108). Невыпрямляющие (омические) . контакты (110).
2-5. Анализ идеализированного диода
Исходные предпосылки (113). Решение диффузионного уравнения (115). Вольтамперная характеристика (117). Характеристические сопротивления (119). Температура перехода (121).
2-6. Обратная характеристика реального диода
Тепловой ток (123). Ток термогенерации (124). Поверхностные каналы (126). Ток утечки (128). Эквивалентная схема диода.при обратном смещении (128).
2-7. Пробой перехода
Туннельный пробой (129). Лавинный пробой (131). Тепловой пробой (133).
2-8. Прямая характеристика реального диода
Ток рекомбинации (134). Сопротивление базы (135). Зависимость прямого напряжения от температуры (137). Работа диода при высоком уровне инжекции (138). Дрейфовая составляющая тока инжектированных носителей (140). Коэффициент инжекции (141). Модуляция сопротивления базы (141). Распределение токов в базе (144). Эквивалентная схема диода при прямом смещении (146).
2-9. Переходные характеристики диода
Барьерная емкость (емкость перехода) (147). Диффузионная емкость (148). Режим переключения (150). Установление прямого напряжения (151). Рассасывание избыточных носителей (154). Восстановление обратного тока (сопротивления) (157).

Глава третья. Разновидности полупроводниковых диодов
3-1. Точечные диоды
3-2. Полупроводниковые стабилитроны
3-3. Туннельные диоды
3-4. Диоды Шоттки

Глава четвертая. Транзисторы
4-1. Введение
4-2. Основные процессы в транзисторе
Инжекция и собирание неосновных носителей (176). Распределение носителей в базе (179). Модуляция толщины базы (180).
4-3. Статические характеристики транзистора
Формулы Молла — Эберса (181). Идеализированные статические характеристики (183). Реальные статические характеристики (184)
4-4. Статические параметры транзистора
Коэффициент передачи эмиттерного тока (188). Сопротивление эмштерного перехода (192). Сопротивление коллекторного перехода (192). Коэффициент обратной связи по напряжению (193). Объемное сопротивление базы (194). Тепловой ток коллектора (195)
4-5. Динамические параметры транзистора
Барьерные емкости (196). Коэффициент инжекции (196). Коэффициент переноса (197). Коэффициент передачи тока (200). Диффузионные емкости (204). Постоянная времени базы (205). Инверсные параметры (206).
4-6. Зависимость параметров от режима и температуры
Зависимость от режима (207). Зависимость от температуры (210)
4-7. Характеристики и параметры транзистора при включении с общим эмиттером
Статические характеристики и параметры (212). Динамические параметры (216). Схема с общим коллектором (221)
4-8. Разновидности эквивалентных схем
П-образные эквивалентные схемы (221). Параметры транзистора как четырехполюсника (223). Сравнительная оценка (225)
4-9. Собственные шумы транзистора
Источники шумов (226). Коэффициент шума (228). Анализ коэффициента шума (230). Мощность и напряжение шума (232)
4-10. Составные транзисторы
4-11. Допустимая мощность и особенности мощных транзисторов
4-12. Дрейфовые транзисторы
Особенности дрейфовых транзисторов (238). Распределение носителей в базе (242). Коэффициент переноса (248). Динамические параметры (249).
4-13. Элементы технологии транзисторов
Получение и очистка полупроводников (252). Механическая, и химическая обработка (254). Эпитаксия (255). Диффузия (257). Основные технологические циклы (261). Сплавная технология (262). Мезатехнология (262). Планерная технология (265). Фото-, литография (266)

Глава пятая. Разновидности транзисторов
5-1. Точечный транзистор
5-2. Лавинный транзистор
5-3. Тиристоры
Динистор (275). Тринистор (280)
5-4. Униполярные (полевые) транзисторы
Унитрон (283). Разновидности унитронов (288). Особенности реальных приборов (290). Эквивалентная схема (292)
5-5. Полевые транзисторы с изолированным затвором
Структура и классификация (293). Физические процессы (294). Общий анализ (300). Характеристики и параметры в 1-м приближении (304). Характеристики и параметры во 2-м приближении (308). Влияние потенциала подложки (310). Эквивалентная схема (312). Схемы включения (315)

УСИЛИТЕЛИ
Глава шестая. Статический режим усилительного каскада
6-1. Выбор рабочей точки
6-2. Стабильность рабочей точки
Общий анализ (320). Стабильность типовых схем (323)
6-3. Расчет каскадов по постоянному току
Каскад с общей базой (325). Каскад с общим эмиттером (326). Каскад с общим коллектором (327)

Главая седьмая. Усилители с емкостной связью
7-1. Введение
7-2. Каскад в области средних частот
Упрощенный анализ (329). Внутренняя обратная связь (332). Полный анализ (334)
7-3. Каскад в области больших времен и низших частот
Влияние переходных емкостей (337). Влияние блокирующей емкости в цепи эмитера (338). Совместное влияние емкостей (340). Коррекция искажений вершины (341)
7-4. Каскад в области малых времен и высших частот
Переходные характеристики (342). Частотные, характеристики (346). Добротность каскада (347). Коррекция фронта (350)
7-5. Многокаскадные усилители
Область средних частот (352). Область малых времен (353)

Глава восьмая. Обратная связь в усилителя
8-1. Введение
8-2. Общие вопросы однонаправленной обратной связи
Основные соотношения (356). Классификация (361).
8-3. Внутренняя обратная связь
Источник сигнала — генератор тока (365). Источник сигнала — генератор э. д. с. (366). Сравнительная оценка (368)
8-4. Обратная связь по переменному току
Местная обратная связь по току (369). Местная обратная связь по напряжению (371). Общая обратная связь (374)
8-5. Обратная связь по постоянному току

Глава девятая. Эмиттерные повторители
9-1. Введение
9-2. Простой повторитель
Входное сопротивление (382). Выходное сопротивление (385) Коэффициент передачи (386). Динамический диапазон (390)
9-3. Сложные повторители
Повторитель на составном транзисторе (392). Составной повторитель с внутренней обратной связью (393). Повторитель с динамической нагрузкой (394)

Глава десятая. Каскад с эмиттерным входом
10-1. Область средних частот
10-2. Передача фронта импульса
10-3. Каскад с эмиттерной связью
10-4. Каскад

Глава одиннадцатая. Усилители с трансформаторной связью
11-1. Введение
11-2. Коэффициент трансформации
11-3. Область средних частот
Параметры каскада (406). Максимальный коэффициент усиления мощности (407)
11-4. Область низших частот
Граничная частота и выбор индуктивности обмоток трансформатора (409). Искажения вершины импульса (410)
11-5. Максимальная частота генерации транзистора

Глава двенадцатая. Мощные выходные каскады
12-1. Введение
12-2. Однотактные каскады класса А
Энергетические соотношения (413). Нелинейные искажения (417). Особенности каскада ОЭ (418)
12-3. Двухтактные каскады класса В
Энергетические соотношения (420). Нелинейные искажения (424). Каскад с дополнительной симметрией (426)

Глава тринадцатая. Усилители постоянного тока 13-1. Введение
13-2. Температурный дрейф
13-3. Однотактные усилители
13-4. Термокомпенсация усилителей
13-5. Усилители с модуляцией сигнала

Глава четырнадцатая. Дифференциальный каскад
14-1. Введение
14-2. Общие свойства
14-3. Усилительные параметры
14-4. Точностные параметры
14-5. Эволюция схемы и параметров
14-6. Операционные усилители
14-7. Каскад на МДП транзисторах

ИМПУЛЬСНЫЕ СХЕМЫ
Глава пятнадцатая. Транзисторные ключи
15-1. Введение
15-2. Статические характеристики ключа ОЭ
Режим отсечки (461). Режим насыщения (463)
15-3. Транзисторные прерыватели
15-4. Метод заряда
15-5. Переходные характеристики ключа ОЭ
Задержка фронта (478). Положительный фронт (479). Накопление носителей (480). Рассасывание носителей. (483). Отрицательный фронт (488). Ключ с форсирующей емкостью (493)
15-6. Разновидности насыщенных ключей
15-7. Ненасыщенные ключи
Ключи с нелинейной обратной связью (498). Токовые ключи (501)
15-8. Мощность, рассеиваемая транзистором в ключевом режиме

Глава шестнадцатая. Симметричный триггер
16-1. Введение
16-2. Статический режим
Условие запирания транзистора (509). Условие насыщения транзистора (510). Выходное напряжение и выходной ток (511). Статическая нагрузка (513)
16-3. Схемные варианты симметричного триггера
Триггер с автоматическим смещением (514). Триггер без смещения (515). Триггер с непосредственными связями (516).
16-4. Переходные процессы в режиме раздельных входов
Общее описание (517). Анализ фронтов (520). Максимальная рабочая частота (524)
16-5. Переходные процессы в режиме общего входа
Общее описание (526). Анализ фронтов (530). Максимальная рабочая частота (532). Коллекторный запуск (533). Особенности применения дрейфовых транзисторов (535)

Глава семнадцатая. Триггер с эмиттериой связью
17-1. Введение
17-2. Статический режим
Рабочий цикл (537). Входная характеристика (538). Анализ входной характеристики (540). Статический расчет (512)
17-3. Стабильность порогов срабатывания и отпускания
Методика анализа (543). Анализ температурного дрейфа (544). Компенсация температурного дрейфа (548). Временной дрейф (549)

Глава восемнадцатая. Мультивибраторы
18-1. Симметричные мультивибраторы
Рабочий цикл (549). Рабочая частота и ее стабильность (552). Регулирование частоты (555). Скважность импульсов и отрицательный фронт (556)
18-2. Мультивибратор с разрядным триггером
Введение (559). Рабочий цикл (560). Рабочая частота и скважность (561)

Глава девятнадцатая. Одновибраторы
19-1. Одновибратор с змиттерной связью
Рабочий цикл (562). Статический расчет (563). Время выдержки и его стабильность (564). Время восстановления (565). Роль спускового импульса (567)
19-2. Одновибратор с разрядным триггером

Глава двадцатая. Блокинг-генератор
20-1. Общее описание
20-2. Интервал между импульсами
20-3. Фронты импульсов
20-4. Вершина импульса
20-5. Выброс напряжения

Глава двадцать первая. Генераторы пилообразного напряжения
21-1. Введение
21-2. Общая характеристика и классификация
Параметры генераторов (588). Скелетная схема и режимы работы (589). Разновидности генераторов (590). Обратный ход (595). Особенности генераторов спадающего напряжения (596)
21-3. Простейшие генераторы с интегрирующей цепочкой
21-4. Генераторы с параметрическим стабилизатором тока
21-5. Генераторы со следящей связью
Генераторы с повторительной связью (602). Генераторы с усилительной связью (606). Фантастроны (609)

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
Глава двадцать вторая. Преобразователи постоянного напряжения
22-1. Принцип действия и классификация
22-2. Анализ преобразователя с трансформаторной обратной связью
22-3. Особенности практической схемы

Глава двадцать третья. Стабилизаторы напряжения
23-1. Введение
23-2. Стабилизаторы параллельного типа
Общие свойства (623). Диодные стабилизаторы (628). Транзисторные стабилизаторы (630)
23-3. Стабилизаторы последовательного типа
Общие свойства (632). Однокаскадный стабилизатор (635). Многокаскадные стабилизаторы (637)
23-4. Сравнение параллельных и последовательных стабилизаторов
23-5. Особенности практических схем
Регулировка выходного напряжения (642). Температурная стабильность (645). Зависимость параметров от частоты и режима (646)
23-6. Методика расчета стабилизаторов
Приложение
Список литературы
Предметный указатель

ПРЕДИСЛОВИЕ К ЧЕТВЕРТОМУ ИЗДАНИЮ

В предисловии к 3-му изданию отмечалось, что данная книга помимо специализирующихся по дискретной транзисторной технике рассчитана также на один из новых типов специалистов, появившихся благодаря развитию микроэлектроники, — проектировщиков интегральных схем. При подготовке 4-го издания автор старался внести такие изменения, которые отвечали бы интересам и тех и других. А именно, в первой части («Транзисторы») существенно переработаны и дополнены разделы, посвященные эффекту поля, контакту «металл-полупроводник», а также § 5-4 и § 5-5 (в этих двух параграфах, в частности, учтен ряд особенностей, свойственных интегральному исполнению). Во всей первой части автор старался в максимальной степени отдавать предпочтение кремниевым приборам по сравнению с германиевыми.

Во вторую часть («Усилители») введены гл. 14 «Дифференциальный каскад», а также § 10-4 «Каскад». Эти дополнения давно назрели, так как оба каскада давно вошли в практику и дискретных, и интегральных схем. Особо хотелось бы отметить, что в книге впервые анализируются усилители постоянного тока на МДП транзисторах (§ 14-7). Глава 13 сокращена в объеме, поскольку материал о параллельно-балансных каскадах помещен в гл. 14, и по существу посвящена однотактным усилителям постоянного тока.

В третьей части («Импульсные схемы») главное дополнение состоит в том, что в § 15-7 введен раздел «Токовые ключи», характеризующий ненасыщенный режим транзисторного ключа и одновременно дающий некоторое представление о логических схемах.

Как и в предыдущих изданиях, выполнен большой объем редакционной работы, включая сокращение текста в некоторых разделах и обновление литературы.

Автор отдает себе отчет в том, что структуру книги тоже желательно было бы усовершенствовать: материал, касающийся свойств полупроводников, превышает объемные нормы главы, материал о полевым транзисторам — нормы параграфов и т. п. Логические элементы, ячейки памяти, компараторы и некоторые другие типы схем в книгу не включены сознательно: при отборе материала автор по-прежнему руководствуется тем, что книга посвящена основам транзисторной техники и не является энциклопедическим обзором всех известных вариантов приборов и схем. Кроме того, учитывается, что многие схемы перспективны лишь в интегральном исполнении, а микроэлектронике должна быть посвящена специальная книга.

В книге в целях сохранения преемственности с предыдущими изданиями оставлены прежние буквенные обозначения параметров полупроводниковых приборов (таблица соответствия обозначений, принятых в книге и по ГОСТ, приведена в приложении).

Скачать книгу Основы теории транзисторов и транзисторных схем . Москва, Издательство «Энергия», 1977

Знакомство с транзисторами

Схемы, о которых я расскажу в этой статье, более сложны, чем обсуждалось ранее. Вы узнаете о функциональности и применении транзисторов с биполярным переходом (BJT) и полевых транзисторов (FET).

В моей предыдущей статье Введение в основные электронные схемы вы познакомились с самыми простыми, самыми основными типами электронных схем. Это отличное место для начала изучения электроники, но в конечном итоге любая реальная схема будет более сложной, чем те, которые обсуждались в первой статье.

В этой статье я сосредоточился на так называемых пассивных схемах . К пассивным компонентам относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы и т. д. С другой стороны, активная схема использует более сложные компоненты, такие как транзисторы. Электронный компонент считается активным, если он позволяет устройству управлять током в других частях цепи.

Схемы, о которых я расскажу в этой статье, будут более сложными, но все они относительно простые схемы. Я не хочу вас перегружать, очень важно начать с простого и постепенно переходить к более сложным схемам.

Получите БЕСПЛАТНОЕ полное руководство по разработке нового электронного оборудования

Существует две широкие классификации транзисторов, которые мы будем анализировать: транзисторы с биполярным переходом (BJT) и полевые транзисторы (FET). Транзисторы могут работать как цифровые переключатели или использоваться в аналоговых приложениях, таких как усилители и регуляторы мощности.

В этой вводной статье я не буду вдаваться в низкоуровневую физику этих транзисторов, что, скорее всего, только вызовет путаницу, а вместо этого сосредоточусь на их функциональности и применении.

Содержание

Транзисторы с биполярным переходом (BJT)

Давайте сначала рассмотрим транзисторы с биполярным переходом, названные так потому, что они состоят из двух диодных переходов. Биполярный транзистор бывает двух видов: NPN и PNP. N и P относятся к тому, легирована ли область полупроводникового кремния отрицательно или положительно.

Рис. 1. Транзисторы с биполярным переходом (BJT) (тип n = NPN и тип p = PNP)

 

Биполярный транзистор состоит из трех выводов: коллектора, базы и эмиттера. Для биполярного транзистора NPN ток будет течь от коллектора к эмиттеру. Для транзистора PNP ток будет течь от эмиттера к коллектору.

Для включения транзистора NPN напряжение базы должно быть больше напряжения эмиттера. Противоположное верно для транзистора PNP, где базовое напряжение должно быть меньше напряжения эмиттера.

В большинстве схем эмиттер NPN будет подключен к земле (или подключен к резистору, который подключается к земле), а эмиттер PNP будет подключен к положительному источнику питания (опять же, возможно, через резистор).

Биполярный транзистор имеет три области работы:

Активная область:

При работе в активной области транзистор действует как усилитель. Напряжение между выводами базы и эмиттера (обычно называемое V _be ) управляет величиной тока, протекающего между коллектором и эмиттером.

Это экспоненциальная зависимость, поэтому малейшее изменение Vbe может оказать огромное влияние на ток коллектора. Поскольку этот переход база-эмиттер на самом деле представляет собой просто диод, напряжение (V _будет ) всегда будет близко к 0,7 В. Это соотношение регулируется следующим уравнением:

I

_C = I _S * exp (V _равно /V _T )

Где I _C = ток коллектора, I S ток насыщения (известная константа порядка от 10 ⁻¹⁵ до 10 ⁻¹² ампер), а V _T называется тепловым напряжением, которое пропорционально температуре (примерно 26 мВ при комнатной температуре).

Биполярный транзистор, работающий в активной области, также обеспечивает усиление тока. Ток, протекающий через базовый вывод, будет увеличиваться параметром транзистора, известным как β (бета) или иногда h _FE . Затем этот накопленный ток будет течь между коллектором и эмиттером. Уравнение для этого:

I

_C = β * I _B

Где I _C = ток коллектора, β — коэффициент усиления по току для транзистора, а I _B = базовый ток.

Наконец, ток эмиттера биполярного транзистора равен сумме токов базы и коллектора: области насыщения биполярный транзистор полностью открыт и действует как замкнутый переключатель между выводами коллектора и эмиттера. Принимая во внимание, что в области отсечки транзистор полностью закрыт и действует как открытый ключ.

Однако для приложений с цифровым переключением я предпочитаю использовать полевые транзисторы вместо биполярных транзисторов.

Полевые транзисторы (FET)

Другая широкая классификация транзисторов называется полевыми транзисторами. Как и в случае с BJT, полевой транзистор имеет три контакта, которые служат для аналогичных целей. Управляющий штифт называется затвором (вместо основания). Ток в полевом транзисторе протекает между стоком (аналогично коллектору биполярного транзистора) и истоком (аналогично эмиттеру биполярного транзистора).

Одно из наиболее существенных функциональных различий между биполярными транзисторами и полевыми транзисторами заключается в том, что контакт управления (затвор) электрически изолирован изолирующим оксидным слоем. Через затвор не протекает ток, как через базу биполярного транзистора. FET — это чисто управляемое напряжением устройство.

Как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы бывают двух видов: n-типа и p-типа. Доступны различные типы полевых транзисторов, но наиболее распространенный тип называется MOSFET. MOS расшифровывается как Metal-Oxide Semiconductor и просто относится к изоляционному материалу, который образует изолированный затвор.

Полевой транзистор n-типа обычно называют NFET или NMOS для полевых МОП-транзисторов n-типа. Полевой транзистор p-типа называется PFET или PMOS для полевых МОП-транзисторов p-типа.

Рис. 2. Полевые транзисторы (FET) (тип n = NFET и тип p = PFET)

 

Полевые транзисторы имеют три области работы:

Зона отсечки:

Важным параметром полевого транзистора является пороговое напряжение (В _t ). Это минимальное напряжение между выводами затвора и истока (называемое V _GS ), при котором устройство начинает включаться. Если V _GS меньше, чем V _t , то между стоком и истоком не будет протекать ток. Эта область известна как режим отсечки или подпороговый режим:

Если V

_GS < V _t , то Id=0 (зона отсечки)

В области отсечки полевой транзистор действует как открытый переключатель.

Как только V _GS превысит пороговое напряжение (V _t ), полевой транзистор войдет либо в линейную область, либо в активную область в зависимости от напряжения между выводами стока и истока.

Линейная область (также называемая омическим режимом или режимом триода):

Когда V _GS больше порогового напряжения, но напряжение на выводах сток-исток меньше разности между V _GS и V _t , то полевой транзистор работает в линейной области.

Если V

_GS > V _t и V _DS < V _GS – V _t = линейная область

В линейной области полевой транзистор действует как резистор, управляемый напряжением. В этой области, если напряжение затвора достаточно велико, полевой транзистор будет действовать как замкнутый переключатель (т.е. резистор с низким сопротивлением).

Активная область

Когда V _GS больше, чем V _t , а напряжение сток-исток (V _DS ) больше разности между V _GS и V _t , то полевой транзистор находится в активной области.

Если V

_GS > V _t и V _DS > V _GS – V _t = Активная область

В активной области полевой транзистор может выполнять такие функции, как усиление напряжения.

Биполярный транзистор известен как экспоненциальное устройство из-за экспоненциальной зависимости между выходным током и управляющим напряжением (уравнение 1) при работе в активной области.

С другой стороны, полевой транзистор представляет собой устройство с квадратичным законом, что означает, что выходной ток пропорционален квадрату управляющего напряжения (V _GS ) при работе в активной области. Уравнение для полевого транзистора выглядит следующим образом:

I

_D = k’ * (V _GS – V _t ) ²

, где I _D = ток стока, а k’ – постоянная величина. связанный с конкретным полевым транзистором.

Это лишь самое базовое введение в некоторые фундаментальные понятия, связанные с транзисторами. В зависимости от того, насколько глубоко вы хотите пойти, вам предстоит еще многому научиться. Фактически, было написано много книг, посвященных физике транзисторов и/или конструкции транзисторных схем.

Теперь, когда у вас есть общее представление о биполярных и полевых транзисторах, давайте найдем им применение, соединив их в электронную схему.

Транзисторные переключатели

Простое и распространенное применение транзистора — включение и выключение светодиодного индикатора. Схема ниже показывает, как для этой цели можно использовать биполярный NPN-транзистор и NFET-транзистор. Сигнал прямоугольной формы, показанный ниже, может быть контактом ввода-вывода, поступающим от микроконтроллера.

Многие микроконтроллеры могут подавать/принимать ток в несколько миллиампер, поэтому в некоторых случаях вы можете просто подключить светодиод напрямую к контакту ввода-вывода без использования транзистора. Но в тех случаях, когда вам нужен ток светодиода выше, чем может поддерживать ваш микроконтроллер, вы должны использовать транзисторный переключатель.

Рис. 3. Переключатели транзисторных драйверов светодиодов

 

закрытый переключатель. Это позволяет току течь через каждый светодиод. Резисторы, включенные последовательно со светодиодами, используются для установки уровня тока, который течет, когда транзисторы закрыты.

Обратите внимание на резистор (R4) в базе транзистора NPN. Базовый резистор, подобный этому, требуется на биполярном транзисторе, чтобы ограничить ток и предотвратить повреждение. Помните, что переход база-эмиттер биполярного транзистора — это просто диод.

Как вы, вероятно, уже знаете, для диода требуется токоограничивающий резистор, и это верно и для биполярных транзисторов. Напряжение на переходе база-эмиттер очень близко к 0,7 В, поэтому, если вы попытаетесь подать 5 В на этот переход (без базового резистора), это приведет к серьезным повреждениям.

Транзисторные инверторы

Инвертор — это одна из самых простых схем, которые вы можете разработать. Инвертор берет 0 и превращает его в 1 или наоборот. Мы собираемся использовать только полевые транзисторы для создания инвертора.

Схема, показанная на рисунке 4, состоит всего из двух инверторов. Первый инвертор состоит из Q1 и R1, а второй инвертор использует Q2 и Q3. Q1 и Q3 — это NFET, тогда как Q2 — это PFET.

Если на затворе NFET высокий уровень (по сравнению с выводом истока), то транзистор полностью открыт и выглядит как замкнутый переключатель. Когда затвор низкий, полевой транзистор полностью выключен и выглядит как разомкнутый переключатель.

PFET работает как раз наоборот. Если ворота низкие, то включается PFET. Если он высокий, то он выключен. Для PFET источник, скорее всего, будет привязан к положительному источнику питания.

Рисунок 4 – Цифровые инверторы FET

 

Когда V1 равен нулю, Q1 выключен и выглядит как разомкнутая цепь; это означает, что напряжение в узле V2 подтягивается до напряжения питания наверху через резистор R1, потому что теперь Q1 выключен. Если V1 высокий, теперь Q1 полностью включен, что притягивает V2 к земле.

Итак, если V1 равно нулю, V2 равно единице. Если V1 равно единице, то V2 равно нулю. Это инвертор.

Лучший способ сделать инвертор — заменить верхний резистор (R1) на PFET. Проблема с использованием резистора для функции подтяжки заключается в том, что ток подтяжки будет довольно мал. Небольшой подтягивающий ток означает, что выход инвертора будет медленно изменяться с нуля на единицу.

Реакция первого инвертора будет асимметричной. Он очень быстро потянет узел V2 вниз через Q1, но будет намного медленнее поднять V2 вверх. Эта проблема устраняется путем использования PFET вместо резистора для этой функции подтяжки.

Для инвертора NFET/PFET (Q2 и Q3), когда его входное напряжение (V2) низкое, NFET полностью отключается, а PFET полностью включается. Таким образом, выходное напряжение (V3) будет высоким.

С другой стороны, если V2 имеет высокий уровень, теперь PFET отключается, а NFET включается, поэтому V3 становится низким. Ставишь единицу, получаешь ноль. Ставишь ноль, получаешь единицу. Он выполняет ту же функцию, что и Q1 и R1, но с симметричным временем нарастания и спада на выходе.

Схема на биполярном транзисторе

Наконец, мы рассмотрим схему на биполярном транзисторе или, в частности, на NPN.

Рисунок 5 – Простая схема NPN

 

Как обсуждалось ранее в уравнении 2, бета – это коэффициент усиления по току для биполярного транзистора. Например, если бета равна 100, а ток базы равен 1 мкА, это означает, что ток коллектора будет равен 100 мкА, а ток эмиттера будет равен 101 мкА.

Для схемы, показанной на рис. 5, ток, протекающий через резистор R1 в базу, усиливается бета, а затем течет через резистор R2.

Получите БЕСПЛАТНОЕ полное руководство по разработке нового электронного оборудования

Если вы хотите рассчитать выходное напряжение этой схемы, первым шагом будет расчет базового тока. Для этого вам нужно найти падение напряжения на R1, а затем использовать закон Ома для расчета тока. Левая сторона R1 подключается к напряжению питания, а правая сторона идет к базе NPN.

Помните, что переход база-эмиттер биполярного транзистора представляет собой просто диодный переход с напряжением примерно 0,7 В. Таким образом, чтобы рассчитать базовый ток, вы должны использовать следующее уравнение:

I

_B = (VS1 – 0,7 В) / R1

Чтобы вычислить ток коллектора, вы просто умножаете ток базы на коэффициент бета транзистора, как показано ранее в уравнении 2.

Ток, протекающий через резистор R2, равен ток коллектора транзистора. Чтобы рассчитать выходное напряжение этой схемы, вам теперь нужно рассчитать падение напряжения на резисторе R2 и просто вычесть его из положительного напряжения питания:

В

_вых = VS1 – (I _C * R2)

Это очень простая схема, которая не имеет большого практического применения, но она знакомит вас с некоторыми основами биполярных транзисторов.

Заключение

Эта статья познакомила вас с самыми основными понятиями активных транзисторных схем. Типы схем, которые можно построить с использованием транзисторов, действительно захватывают дух. Транзисторы лежат в основе каждого электронного устройства.

При этом с момента изобретения интегральных схем (ИС) потребность в разработке сложных дискретных транзисторных схем сводилась в основном к инженерам, разрабатывающим микросхемы ИС.

Однако базовые знания о транзисторах все еще необходимы, и во многих конструкциях будет использоваться несколько дискретных транзисторов. Но в настоящее время в большинстве конструкций для любых сложных функций используются интегральные схемы вместо дискретных транзисторных схем.

Если вы не планируете стать разработчиком интегральных схем, вам, скорее всего, потребуется только начальное понимание транзисторных схем.

Если вам понравилась эта статья, поделитесь ею, а если у вас есть вопросы, просто оставьте комментарий ниже, и я отвечу на ваши вопросы.

Другой контент, который может вам понравиться:

3.9 7 голосов

Рейтинг статьи

Транзисторные схемы — Элементы и принципиальные схемы — Электроника — Физические эксперименты

Показать 10 20 50 на странице

1. ВП4.1.6.1

   Этот продукт содержит опасные вещества!

2. ВП4.1.6.2

   Этот продукт содержит опасные вещества!

3. ВП4. 1.6.3

   Этот продукт содержит опасные вещества!

4. ВП4.1.6.4

   Этот продукт содержит опасные вещества!

5. ВП4.