.
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

Триггеры

Общие характеристики триггеров

 Триггером называют устройство, обладающее двумя состояниями устойчивого равновесия и способное скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего управляющего сигнала.

Состояния устойчивого равновесия характеризуется тем, что после слабого внешнего воздействия устройство возвращается в исходное состояние, т.е. токи и напряжения принимают исходные значения в отличие от состояния неустойчивого равновесия, при котором любое слабое внешнее воздействие нарушает это состояние. Для перехода триггера из одного устойчивого состояния в другое необходимо, чтобы входной сигнал превысил пороговое значение.

Указанное свойство триггера обусловлено тем, что факторами, воздействующими на его состояния, являются не только внешние управляющие сигналы, но и сигналы самого триггера (сигналы обратной связи).

В современной электронике триггеры выполняются, как правило на основе логических интегральных элементов, либо как завершенный функциональный элемент в виде микросхемы.

Интегральные триггеры характеризуются большим разнообразием. Их отличают функциональный признак, определяющий поведение триггера при воздействии сигнала управления, а также используемый способ управления. По функциональному признаку различают триггеры типов: S, R, D, Q, J и др.

В зависимости от функциональных возможностей триггеры делятся на несколько видов:

RSтриггер;

  2) Dтриггер;

 Ттриггер;

 JKтриггер.

По способу управления триггеры подразделяют на асинхронные и тактируемые. В асинхронных триггерах переключение из одного состояния в другое осуществляется непосредственно с поступлением сигнала на информационный вход. В тактируемых триггерах помимо информационных входов имеется вход тактовых импульсов. Их переключение производится только при наличии разрешающего, тактирующего импульса.

RSтриггер относится к асинхронным, так как переход его из одного состояния в другое происходит в темпе поступления сигналов на информационные входы и не связан с таковыми сигналами. В синхронных триггерах помимо информационных имеется вход таковых (синхронизирующих) сигналов и переключения триггера происходят только при наличии такового сигнала.

Для приема информации по одному входу используются D триггеры, которые задерживают поступившую информацию на время, равное периоду синхронизирующих сигналов.

Ттриггеры выполняют на основе двух последовательно соединенных RSтриггеров, первый из которых называют ведущим, а другой ведомым.

Универсальный триггер, или JKтриггер, имеет информационные входы J и K и синхронизирующий вход С.

Рассмотренные триггеры относятся к статическим триггерам, реагирующим на уровни входных сигналов. Существуют также динамические триггеры, которые реагируют на перепады уровней сигналов.

Асинхронные RS триггеры

Как уже отмечалось выше, в зависимости от способа различают асинхронные и трактируемые RS триггеры.

Асинхронные RS триггеры являются простейшими, однако они получили широкое распространение в импульсной и цифровой технике.

 


Рис. 19.1

На рисунке 19.1а,в приведены схемы триггеров на логических элементах ИЛИНЕ, ИНЕ, а на рисунке 19.1б,г, показаны их условные обозначения. Допустим, что на входах R и S сигналы равны «0» (, ), а на прямом выходе  сигнал равен «1» (). Тога на инверсном выходе  сигнал равен «0», так как на одном из входов (соединенном с ) логического элемента ИЛИНЕ сигнал равен «1». На обоих входах элемента сигнал «0», поэтому . Очевидно, при ,  возможно и второе устойчивое состояние, при котором , . Нетрудно видеть, что при ,  тригер оказывается в первом устойчивом состоянии (, ), а при ,  во втором устойчивом состоянии (, ). Комбинация ,  недопустима.

 Рассмотренный триггер называют  RS триггером. Вход  называется установочным, а вход  входом сброса. При  триггер устанавливается в состояние «1» (, ), при сбрасывается в состояние «0» (, ). Аналогично работает RS триггер на элементах ИНЕ (рис. 19.1 в) с той разницей, что он должен иметь инверсные входы, т.е. устанавливаться в состояние «1» при  и сбрасываться в состояние «0» при . Запрещенная комбинация входных сигналов для этой схемы , .

19.3. Синхронные RS триггеры

На рисунке 19.2а,б приведены схема и условное обозначение синхронного RS триггера на элементах ИНЕ. Схема 19.2а отличается от схемы асинхронного триггера (рис. 19.1в) наличием двух дополнительных элементов  ИНЕ, благодаря которым управляющие сигналы проходят на входы  и  только при воздействии на синхронизирующий вход сигнала «1» () .

 Рис. 19.2

 


 Рис. 19.3

Для приема информации по одному входу используются  триггеры. На рисунке 19.3а,б приведены схема и условное обозначение   триггера на элементах И НЕ.

  триггер переходит в состояние «1» (), если в момент прихода синхронизирующего сигнала () на его информационном входе сигнал «1» (). В этом состоянии триггер остается и после окончания сигнала на входе  до прихода очередного синхронизирующего сигнала, возвращающего триггер в состояние «0». Таким образом,  триггер «задерживает» поступившую на его вход информацию на время, равное периоду синхронизирующих сигналов.

19.4. Т триггеры

 Т триггер или счетный триггер, имеет один информационный вход и переходит в противоположное состояние в результате воздействия на его вход каждого очередного сигнала. Название «счетный» связано с широким применением Т триггеров в счетчиках импульсов. На рисунке 19.4а,б приведены условное обозначение и временне диаграммы Т триггера.

 


 Рис. 19.4 Рис. 19.5

 Т триггеры выполняют на основе двух последовательно соединенных RS триггеров (MSсхема), первый из которых называют ведущим, а другой ведомым. На рисунке 19.5 а, б приведены схемы и условное обозначение MS триггера (двухступенчатого триггера), в котором триггер   ведущий, а триггер ведомый. При поступлении сигналов на информационные входы R и S триггера он принимает соответствующее состояние «0» или «1» в момент, когда (). Сигналы с выходов ,  ведущего триггера не проходят в ведомый, поскольку . Информация пройдет в ведомый триггер только по окончании синхронизирующего сигнала (,) и будет отображена на выходах , .

 Для получения двухступенчатого Т триггера достаточно ввести обратные связи (на рисунке 19.5 а показаны пунктиром) и использовать вход  как информационный . Тогда при  триггер  устанавливается в состояние, противоположное состоянию триггера  (например, при ,  в состояние , ), а при  триггер переходит в состояние, совпадающее с состоянием триггера (, ). Таким образом, на выходах , сигнал изменяется на противоположный по окончании каждого очередного импульса , что соответствует диаграмме 18.4б.

Универсальный триггер JK

 Универсальный триггер, или JK триггер, имеет информационные входы J и K и синхронизирующий вход (рисунок 18.6а). JK триггер получают из двухступенчатого  Ттриггера путем использования трехвходовых элементов ИНЕ во входных цепах ведущего триггера подобно тому, как используют двухвходовые элементы ИНЕ. Использование третьих входов элементов ИНЕ позволяет реализовать два дополнительных информационных входа: J и K (рис. 19.6а). 

 


Рис. 19.6

 При  триггер изменяет свое состояние на противоположное в момент окончания каждого синхронизирующего сигнала. Таким образом, соединяя входы JK триггера по схеме (рис. 19.6б), получают Ттриггер. Используя вход как вход S, а  как R, реализуют синхронный RS триггер, особенность котрого состоит в том, что при комбинации , запрещенной для обычного RS триггера, он переключается на каждый синхронизирующий сигнал. Добавлением инвертора на входе триггера получают триггер (рисунок 19.6 в).

Все типы триггеров, реализуемые на основе триггера, дают задержку в появлении выходных сигналов, равную длительности синхронизирующего сигнала.

Рассмотренные триггеры относятся к статическим триггерам реагирующим на уровни входных сигналов. Существуют также динамические триггеры, которые реагируют на перепады уровней сигналов. Наибольшее распространение получили статические и триггеры, выполняемые в виде интегральных микросхем, например К155ТМ5 (4триггера), К176ТВ1 (2триггера).

Контрольные вопросы

1. Триггеры. Общие характеристики триггеров.

2. Нарисуйте схему асинхронного RS триггера, а также объясните принцип работы.

3. Нарисуйте схему синхронного RS триггера, а также объясните принцип работы.

4. Нарисуйте схему Т триггера, а также объясните принцип работы.

 5. Нарисуйте схему универсального JK триггера, а также объясните принцип работы.

Проектирование БПТ

Проектирование БПТ для ИМС предполагает выбор форм и размеров топологической конфигурации по заданным параметрам функционального назначения прибора и технологическим ограничениям на параметры структуры, на повторяемость размеров и совмещение топологических конфигураций. Результатом проектирования является топологическая конфигурация БПТ, соответствующая технологическим ограничениям и заданным параметрам прибора, либо каталог унифицированных топологических конфигураций для применения при проектировании ИМС в качестве базовых элементов.

Функциональные параметры БПТ

Из множества функциональных параметров БПТ цифровых ИМС выделяются по очередности удовлетворения следующие интегральные параметры:

номинальная электрическая прочность переходов, Upi, (B);

номинальный рабочий ток БПТ, Ip, (mA);

номинальный коэффициент передачи тока эмиттера, α;

номинальное сопротивление БПТ как открытого ключа, Rкл, (Ом);

номинальное время переключения, Tпер, (сек).

Названные функциональные параметры обеспечиваются выбором или оценкой соответствия технологической структуры, учетом технологических ограничений по формированию топологии и выбором форм и размеров топологии. Так как проектирование БПТ, с одной стороны, процесс многовариантный, а с другой стороны — может не иметь полного положительного решения (вследствие несовершенства структуры и (или) топологии, противоположного влияния форм, размеров, параметров структуры на функциональные параметры БПТ), то формирование исходных данных и решение задач производятся раздельно по названным интегральным параметрам. Синтез частных решений на основе компромиссных альтернативных переходов и заключений позволит сформулировать вариант алгоритма (или методики) проектирования конструкции прибора.

 

Расчетные соотношения оценки параметров БПТ

Номинальная электрическая прочность БПТ характеризуется номинальными рабочими обратными напряжениями на переходах БПТ (эмиттер-база (Upeb), коллектор-база (Upcb)) и изоляции коллекторного кармана от несущего основания-пластины (Ucp). По отношению к номинальному рабочему напряжению БПТ должен сохранять работоспособность при кратковременном превышении напряжения до максимально допустимой величины

 Umdi = Кз×Upi, (2.28)

где Кз =(1,5–1,6) есть коэффициент запаса для всех переходов, кроме перехода коллектор-база (для перехода коллектор-база коэффициент Кз следует увеличить в Кв раз с учетом влияния умножения носителей заряда на усиление БПТ). При напряжении Umdi номинальные параметры не гарантируются, но должны восстанавливаться после снятия перегрузки.

Исходными данными к обеспечению рассматриваемого показателя могут служить гарантированные значения Umdi для технологической структуры, которые следует сопоставить с заданными. Если хотя бы одно из значений Umdi не удовлетворяет требованиям задания, необходимо согласованно скорректировать параметры структуры, пользуясь соотношениями п. 2.7.1 для напряжений пробоя. Выбор степеней легирования и толщин слоев, учет законов распределения и типов проводимости слоев следует производить, переходя последовательно от глубинных (коллекторных и скрытых) слоев к поверхностным (эмиттерным). Итогом выбора концентраций и толщин должны быть неравенства

 Uпр.i > Umdi, (2.29)

для i = 1…3.

Kоэффициент передачи тока эмиттера α по определению есть отношение

 α = Ic/Ie, (2.30)

где Ic Ie — соответственно рабочие токи коллектора и эмиттера транзистора.

Для анализа и учета зависимости коэффициента передачи от параметров слоев структуры коэффициент α представляется в виде произведения трех компонент согласно выражению

 α = γ× β × M, (2.31)

где γ — коэффициент инжекции, характеризующий эффективность эмиттера;

 β — коэффициент переноса;

 M — коэффициент умножения в коллекторном переходе.

Коэффициент инжекции γ оценивается по выражению

 γ = 1 – Δγ, (2.32)

где (Δγ << 1) — потери качества эмиттера как инжектора, какие для неравномерно легированного эмиттера и базы оцениваются по формуле

 Δγ = (1,7× Lb×Le)/(Te×Dnb(Xeb2)), (2.33)

где Lb = Wbn/Ln(Nb(Xeb2)/Nc(Xcb1)) — диффузионная длина распределения примеси в базе;

 Le = Xeb1/Ln(Noe/Ne(Xeb1)) — диффузионная длина распределения примеси в эмиттере;

Dnb(Xeb2) — коэффициент диффузии неосновных носителей в базе на координате Xeb2;

Te — время жизни неосновных носителей в эмиттере;

 Xeb1=(Xeb + Webb) — координата границы нейтральной базы у эмиттерного перехода;

Webb — ширина области пространственного заряда эмиттерного перехода со стороны базы;

Xeb2 = (Xeb – Webe) — координата границы нейтральной области эмиттера у эмиттерного перехода;

Webe — ширина области пространственного заряда эмиттерного перехода со стороны эмиттера;

Xcb1 = (Xcb – Wcbb) — координата границы нейтральной базы у коллекторного перехода;

Wcbb — ширина области пространственного заряда перехода коллектор-база со стороны базы.

Координаты Xeb, Xcb соответствуют расположению металлургических границ p-n-переходов «эмиттер-база», «коллектор-база».

Если база равномерно легирована, то следует использовать расчетное выражение для оценки потерь качества инжекции следующего вида

 Δγ = (Dnes×Nbs×Wbn)/(Dnbs×Nes ×Xen), (2.33а)

где Dne, Dnb — усредненные коэффициенты диффузии неосновных носителей в эмиттерном и базовом слоях соответственно;

Wbn, Xen —размеры нейтральных областей базы и эмиттера (с исключением областей пространственного заряда) соответственно;

Nbs, Nes — усредненные концентрации примеси в базе и эмиттере соответственно;

Если величина нейтральной толщины эмиттера Хеn удовлетворяет условию

  Xen ≥ Lne, (2.34)

где Lne — диффузионная длина неосновных носителей в эмиттере, следует вместо Xne в приведенном выражении применить Lne.

Если один из двух слоев (обычно эмиттерный) неравномерно легирован из неограниченного источника, то для оценки усредненной концентрации в слое можно воспользоваться выражением

 Nis = Nio/√[π×Ln(Nio/Nio – 1)], (2.35)

в котором Nio, Nio –1 — концентрации примеси на границах нейтральной области усреднения. Индекс (io) соответствует границе с Nio > Nio – 1.

Анализ зависимости Δγ от концентраций примеси и размеров областей, образующих эмиттерный переход, позволяет производить рациональный выбор значений параметров.

Коэффициент переноса β представляется выражением вида

 β = 1 – Δβ, (2.36)

где (Δβ << 1) — потери неосновных носителей вследствие их рекомбинации в базе.

Для технологических вариантов структур БПТ ИМС с равномерно легированной базой значение Δβ оценивается по формуле

  Δβ = (Wbn)2 / [2×Lnb2]. (2.36а)

Для технологических вариантов структур БПТ ИМС с неравномерно легированной базой потери Δβ оценивается по формуле

 Δβ = (Wbn)×Lb / [k1×Lnb2(Xeb1)], (2.36б)

где k1≥ (2–5) — коэффициент, учитывающий дрейф носителей в неравномерно легированной базе.

Анализ зависимости Δβ от концентрации примеси и размеров области базы позволяет производить рациональный выбор значений параметров для снижения потерь.

 Коэффициент умножения носителей в коллекторном переходе M определяется структурными свойствами обратно смещенного коллекторного перехода.

Коэффициент умножения характеризует нарастание тока в коллекторной цепи в зависимости от степени близости напряжения, приложенного к переходу коллектор-база, к напряжению его лавинного пробоя. Вольтамперная характеристика коллекторного перехода в области умножения при неизменном токе эмиттера представляется полуэмпирическим выражением

 Icm = Iс× [1+ΔM(U)], (2.37)

где (ΔM<<1) — относительное увеличение тока коллектора вследствие лавинного умножения в «широком» коллекторном переходе. Зависимость ΔМ(U) определяется по формуле

 ΔМ = (U / Uсb пр)n, (2.38)

где для кремния значение n = (3–5);

Ucb пр — напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода.

 С учетом малости Δγ, Δβ, ΔМ коэффициент α представляется выражением вида

 α = (1 – Δα), (2.39)

где 0 < (Δα = Δγ +Δβ – ΔМ) << 1. Приведенное неравенство соответствует исключению возможности образования участка с отрицательным сопротивлением на выходных вольтамперных характеристиках при схемном включении БПТ с общим эмиттером. Для того чтобы умножение носителей в коллекторном переходе не приводило к увеличению коэффициента передачи тока базы более чем на (δ< 1) долю от значения, определяемого потерями Δγ и Δβ, необходимо обеспечивать такие значения ΔМ, при которых выполняется условие

 δ×(Δβ + Δγ) ≥ΔМ. (2.40)

Из неравенства (2.40) следует ограничение на соотношение между номинальным рабочим Ucbp и напряжением лавинного пробоя Ucb.пр, определяемое по выражению

 Ucb.пр ≥ Кз× Ucbр × [В/δ]1/n, (2.41)

где

  В = α0/(1–α0) ≈ 1/(Δγ+Δβ), (2.42)

при α0=1–Δγ–Δβ. Согласно (2.41) Ucb.пр следует существенно увеличить.

Номинальный рабочий ток Ip = Iс ≈ Ie определяется допустимой плотностью тока Io [А/см2] в областях структуры БПТ и площадью минимального фрагмента структуры, транслирующего рабочий ток. По принципу действия БПТ фрагментом структуры с минимальной площадью является эмиттер, и поэтому рабочий ток Ip может быть определен по формуле

 Ip = Se × Io, (2.43)

где Se [см2] — площадь эмиттера БПТ.

Плотность тока Io ограничивается снижением усиления при высоких уровнях инжекции (уровень инжекции определяется отношением концентрации инжектированных в базу неосновных носителей со стороны эмиттера к концентрации основных носителей в базе), вследствие накопления неосновных носителей в базе и коллекторном переходе, модуляции проводимости базы, накопления их в коллекторном переходе и коллекторе. Определяя уровень инжекции как

  δ = [Nинж / (Nосн=Nb)], (2.44)

значения δ<<1 относят к низким (когда влиянием δ можно пренебречь), уровни δ ≈ 1 относят к средним (влияние δ следует учитывать) и уровни δ>>1 соответствуют высокой инжекции, при которой наблюдается существенное снижение усиления БПТ относительно значений, соответствующих δ ≤ 1. Ограничивая значение δ = α1 ≤ (0,1–0,3), с учетом определения (2.44), это условие преобразовать к следующему виду

 Ip×Rbс ≤ α1× Ft, (2.45)

где

Rbс = Wbn/(σ × Le × Be);

Le,Be — линейные размеры длины и ширины донной части эмиттера.

 Представляя рабочий ток транзистора через плотность Io

 Ip = Io×Le × Be, (2.43а)

неравенство (2.45) преобразуют к виду

 Io ≤ α1×Ft ×σ / Wbn (2.46)

и применяют в качестве оценочного соотношения для выбора максимальной плотности тока в БПТ, соответствующей коэффициенту запаса α1 ≤ (0,1–0,5).


На главную