.
Импульсные и цифровые устройства. Логические элементы Дешифраторы и шифраторы Мультивибраторы Проектные параметры резисторов Элементы инжекционной логики Конструкции МДП-транзисторов Проектирование топологии ИС

Физика решение задач

Импульсные и цифровые устройства. Общая характеристика импульсных устройств. 

Параметры импульсных сигналов

 В современной информационной электронике импульсный принцип построения системы занимает доминирующее положение по сравнению с аналоговым. На базе импульсной техники выполняются системы управления и регулирования, устройства изменения и отображения информации. На ней основана вычислительная техника.

 В отличие от аналоговых систем, в которых сигналы изменяются непрерывно во времени, в импульсных системах используются сигналы (напряжение, ток) импульсной формы.

 Преобладающее применение импульсных систем обусловлено их существенно меньшим потреблением тока (большим к.п.д.), более высокой точностью, меньшей критичностью к изменению температуры, большей помехоустойчивостью.

  В импульсной технике применяются импульсы различной формы. Распространены импульсы, близкие по форме к прямоугольной (рис.17.1а), трапецеидальной (рис.17.1б), экспоненциальной (рис.17.1в), колоколообразной (рис. 17.1г), ступеньчатой (рис. 17.1д), пилообразной (рис. 17.1е), а также импульсы положительной, отрицательной и чередующейся полярности.

 


Рис. 17.1

 Импульсный сигнал характеризуется рядом параметров. Рассмотрим их на примере реального импульса напряжения с формой кривой, близкой к прямоугольной (рис. 17.2а) а также параметры характеризующие их (рис. 17.2б).

Такой сигнал вначале быстро нарастает до максимального значения. Затем напряжение может сравнительно медленно изменяться в течение некоторого промежутка времени, после чего происходит быстрое спадение импульса. Характерными участками импульса являются фронт (передний фронт), вершина (плоская часть) и срез (задний фронт).

Параметрами импульса являются: 

амплитуда импульса;

длительность импульса, обычно определяемой на уровне ;

  длительность фронта импульса, лежит в интервале от   до ;

  длительность среза импульса, определяемый временем убывания импульса от до ;

частота повторения импульса, период импульса;

  пауза импульса;

коэффициент заполнения;

8) скважность импульса.

 


 

 Рис. 17.2

На рис. 17.2 в показан амплитудный спектр периодических прямоугольных импульсов. Отдельные составляющие спектра отстоят одна от другой по оси частот на величину частоты повторения .

17.2. Электронные ключи и простейшие формирователи импульсных сигналов

17.2.1. Общие характеристики электронных ключи

  В состав многих импульсных устройств входят электронные ключи. Основу любого электронного ключа составляет активный элемент (полупроводниковый диод, транзистор, тиристор, электронная лампа), работающий в ключевом режиме. Ключевой режим характеризуется двумя состояниями ключа: «Включено» «Выключено».

При разомкнутом ключе , uвых = , при замкнутом ключе , uвых = 0 (рис. 17.3а,б). При этом предлагается, что сопротивление разомкнутого ключа безконечно велико, а сопротивление замкнутого ключа равно нулю.

 


Рис. 17.3

Качество электронного ключа определяется следующими основными параметрами:

Uэ падение напряжения на ключе в замкнутом состоянии;

iр ток через ключ в разомкнутом состоянии;

tпер время перехода ключа из одного состояния в другое (время переключения).

 Чем меньше значения величин uэ , iр , tпер , тем выше качество ключа. В качестве активных элементов в них используют полупроводниковые или электровакуумные диоды.

Диоды ИС

Общие замечания

В качестве диодов в ИМС применяются разнообразные структуры, исполненные преимущественно на основе слоев транзисторной структуры [1, 3, 4, 7, 8]. В зависимости от предъявленных схемотехнических требований исполняются диоды с одним, двумя, тремя p-n-переходами. Одним из электродов интегрального диода с одним p-n-переходом является пластина (основание), которая обычно электрически соединена с общим проводом электронного узла. Такой диод не может быть включен в схемы, где соединение любого из электродов диода с общим проводом электронного узла не предусмотрено. Конструкцию диода с одним p-n-переходом, исполненную без применения диэлектрической изоляции, принято именовать «неизолированной», и ее схемотехническое применение ограничено. Конструкции интегральных диодов на основе двух и более p-n-переходов относятся к «изолированным» исполнениям независимо от применения диэлектрической изоляции в конструкции. В интегральных структурах диодов с числом p-n-переходов более одного образуются транзисторные и тиристорные структуры, которые искажают статические и динамические характеристики проектируемых диодов. Создание диодных структур на основе структуры БПТ коммутацией электродных областей открывает определенные возможности управления свойствами «изолированных» диодов.

Наряду с исполнением диодных структур на основе p-n-переходов транзисторных структур в современных конструкциях микросхем применяются выпрямляющие контакты со структурой металл-полупроводник, известные как переходы Шоттки. Конструкции и совместимость диодов Шоттки со структурами БПТ микросхем обсуждаются в п. 2.14.7.

 

 

Структуры интегральных диодов

Структура «неизолированного» диода на одном p-n-переходе изображена на рисунке 2.28. Для основных изолированных БПТ со структурой n-p-n-типа исходная пластина имеет р-тип проводимости и соответственно является анодом интегрального диода. Исполненный в таком техническом решении диод не только соединен электрически с основанием, но для подключения в электрических схемах доступен только по катоду. Рабочее обратное напряжение диода обеспечивается переходом между n-областью, которая может соответствовать эмиттерному или коллекторному слою, и слабо легированным основанием (исходной пластиной) и в основном определяется легированием основания, составляя десятки вольт. Диод такой структуры применяется в качестве защитного от отрицательных выбросов на входах логических элементов и дублирующего защитного элемента под окисной изоляцией контактных площадок внешних подключений кристаллов.

Иные структуры диодов ИМС относятся к «изолированным» и исполняются на основе коллекторного, базового и эмиттерного слоев структур БПТ (см. рис. 2.11 — 2.13, 2.15) с обратным включением перехода коллектор — основание. Структуры с диэлектрической изоляцией коллекторных карманов (см. рис. 2.14, 2.16) в основном исполняются на основе одного перехода между базовым и коллекторным слоями транзисторной структуры.

 Обобщенная структура «изолированного» переходом диода на основе структуры БПТ изображена на рисунке 2.29. Там же схематично представлена композиция взаимодополняющих транзисторов основной структуры n-p-n и дополняющей структуры p-n-p и барьерных емкостей переходов эмиттер-база (Сэб), коллектор-база (Скб), коллектор-основание (Скп). По рисунку несложно заключить, что при прямом включении перехода коллектор-база основной n-p-n структуры имеет место инжекция в коллекторный слой из базового и вынос преобладающей доли инжектированного потока в основание через переход коллектор-основание. Кроме этого, названные транзисторы образуют секцию с тиристорной статической характеристикой. Вариации соединений электродов приведенной структуры выбираются таким образом, чтобы названные явления не нарушали условия функционирования электронных узлов при использовании структуры в диодном включении. Число возможных вариантов схем соединения электродов основной структуры БПТ для исполнения диодов равно пяти. Эти сочетания отображены на рисунке 2.30 (на схемах рисунка не показан паразитный p-n-p-транзистор, дополняющий основной БПТ).


В схемах соединений, изображенных на рисунках 2.30, а, в, рабочим является эмиттерный p-n-переход транзисторной структуры как для прямого, так и для обратного включения. В схеме соединения (рис. 2.30, б) характеристика прямого включения определяется в основном коллекторно-базовым переходом с повышенным электродным сопротивлением базовой области, а обратного включения — эмиттерно-базовым переходом. В схемах, изображенных на рисунках 2.30, г, д, рабочим переходом является коллекторно-базовый переход как в прямом, так и обратном включениях и поэтому может применяться при повышенных обратных напряжениях. Из приведенных схем соединений только во включении по схеме (рис. 2.30, а) переход коллектор-база структуры БПТ не подключается под прямое смещение, благодаря чему исключается гальваническая фильтрация тока из диодной цепи в основание. Эта схема соединения является наиболее удачной для применения в цепях, где такая фильтрация нежелательна или недопустима. Позитивными свойствами структуры с этой схемой соединений являются и минимальное диффузионное накопление носителей при прямом включении перехода эмиттер-база, и минимальное сопротивление между анодом и катодом диода, равное сопротивлению между коллектором и эмиттером. К недостаткам рассматриваемого соединения следует отнести низкую электрическую прочность эмиттерно-базового перехода и повышенную емкость диода на основание, определяемую повышенной площадью перехода коллектор-основание.

Структура со схемой соединений по рисунку 2.30, б не представляет интереса для диодных приложений, уступая по всем показателям структуре со схемой соединений по рис. 2.30, а.

Структура со схемой соединений по рисунку 2.30, в уступает структуре со схемой соединений по рис. 2.30, а в части гальванической развязки от основания, в части диффузионного накопления неосновных носителей в процессе переключения, однако характеризуется меньшей емкостью электродов диода на основание (последовательное соединение емкостей Скб и Скп структуры рисунка 2.29).

В структурах со схемами соединений по рисункам 2.30, г, д наличие эмиттерных областей обуславливает лишь увеличение площади и емкости структуры, снижая скорость переключения диода, и потому эти области не следует исполнять. Имея достоинством высокое допустимое обратное напряжение (соответствующее коллекторно-базовому переходу), пониженную емкость на основание (благодаря низкой удельной емкости и пониженной площади), структуры со со схемами соединений по рисункам 2.30, г, д имеют недостатком гальваническую фильтрацию тока из диодной цепи в размере, превышающем рабочий ток диода в Вп раз (Вп — коэффициент передачи тока базы паразитного транзистора структуры р-n-p на рисунке 2.29) и в Вп раз большее диффузионное накопление неосновных носителей в сравнении со структурой, коммутируемой по схеме рисунка 2.30, а. Рассматриваемая структура и схема соединений приемлемы в высоковольтных входных цепях ТТЛ и ДТЛ схем, где фильтрация на основание тока из электродных областей открытого диода нежелательна. Таким образом, рациональное применение могут иметь три из пяти схем соединения электродов БПТ для диодных приложений.


Кроме обычных диодов, в ИМС используются интегральные стабилитроны. В качестве стабилитронов с напряжением стабилизации (4—7) В применяется переход эмиттер-база в обратном включении. Если необходимы напряжения стабилизации (3—5) В, то в качестве стабилитрона применяют обратное включение диодной структуры на основе перехода эмиттер — закороченные электроды коллектор-база БПТ с тонкой базой. Напряжением стабилизации при этом является напряжение смыкания базы. Стабилитроны могут быть также исполнены в нескольких вариантах структур, изображенных на рисунках 2.31, а, б.

Вариант структуры стабилитрона, изображенный на рисунке 2.31, а, исполняется в разделительном слое на этапе эмиттерной диффузии. Так как поверхность разделительного слоя сильно легирована, то переход имеет структуру р+-n+ и ему свойствен туннельный низковольтный пробой. Другой вариант структуры стабилитрона, изображенный на рисунке 2.31, б, исполнен на двух р-n-переходах, один из которых работает в режиме лавинного пробоя, а второй — в режиме прямого смещения. Такой вариант привлекателен высокой температурной стабильностью напряжения стабилизации, так как температурные коэффициенты напряжений лавинного пробоя и напряжения спрямления имеют разные знаки. Следует обратить внимание на электрические связи электродов структур, изображенных на рисунке 2.31, с несущим основанием. В структуре на рисунке 2.31, а несущее основание является электродом стабилитрона, а в структуре на рисунке 2.31, б электроды стабилитрона статически отделены от несущего основания.

Для низких напряжений стабилизации, равных или кратных напряжению спрямления (около 0,7 В), применяются последовательные прямые включения диодов структуры БПТ с закороченными электродами коллектора и базы.


На главную