.
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

Цифровые счетчики импульсов

Двоичная система счисления

  Цифровым счетчиком импульсов называют устройство, реализующее счет числа входных импульсов и фиксирующее это число в какомлибо коде.

 Обычно счетчики строят на основе триггеров, поэтому счет импульсов ведется в двоичной системе счисления.

  Функциональная схема простейшего двоичного трехразрядного цифрового счетчика импульсов приведена на рисунке 20.1а. Счетчик состоит из трех последовательно соединенных Т триггеров, имеющих вход для установки в состояние «0».

 На рисунке 20.1 б показаны временные диаграммы счетчика. Таблица 9.1 иллюстрирует состояние триггеров. Если в исходном положении все триггеры были в состоянии «0», то по окончании первого входного импульса триггер T1 перейдет в состояние «1» (). По окончании второго входного импульса триггер T1 переходит в состояние «0» (). По окончании импульса  триггер T2 переходит в состояние «1» () и т.д. После восьмого входного импульса все триггеры переходят в состояние «0» и счет повторяется.

 


Рис. 19.1

 Из таблицы 19.1 видно, что состояние триггеров отражает число поступивших на вход счетчика импульсов в двоичной системе счисления (двоичном коде).

 Таблица 19.1

Номер входного импульса

Состояние триггеров

 


 T3 T2 T1

Номер входного импульса

Состояние триггеров

 


 T3 T2 T1

0

 0 0 0

5

 1 0 1

1

 0 0 1

6

 1 1 0

2

 0 1 0

7

 1 1 1

3

 0 1 1

8

 0 0 0

4

 1 0 0

Общее число возможных состояний (модуль) счетчика определяют числом триггеров : . В нашем случае .

 Условное обозначение счетчика по схеме 19.1а, приведено на рисунке 19.1 в: CT2 означает двоичный счетчик; выходы 1, 2, 4 обозначения двоичных разрядов, соответствующих выходам , ,  схемы 19.1а; С1 счетный вход; R установка нуля.

Десятичный цифровой счетчик

Для получения счетчика, работающего в другом коде, например десятичном, применяют обратные связи. На рисунке 19.2а приведена функциональная схема десятичного (декадного) счетчика импульсов на четырех триггерах, а на рисунке 19.2б его условное обозначение. С выхода триггера T4 сигналы обратной связи поступают на входы триггеров T2, T3 . Благодаря этому после поступления на вход счетчика восьмого импульса на выходе триггера T4 появляется сигнал «1», который переводит триггеры T2, T3 из состояния «0» в состояние «1» (таблица 19.2).

 


Рис. 19.2

 Девятый импульс переводит триггер T1 в состояние «1», и все триггеры оказываются в состоянии «1». Десятый импульс переводит все триггеры в состояние «0», и счет начинается снова. Используя обратные связи, можно построить счетчик, работающий в системе счисления с любым основанием. Рассмотренные счетчики выполняют операцию суммирования числа импульсов, поступивших на вход, поэтому их называют суммирующими. Для построения вычитающего счетчика можно соединять последовательно не прямые, а инверсные выходы триггеров. Счетчики, выполняющие операции сложения и вычитания, называют реверсивными. Обычно они имеют два входа: сложения и вычитания.

Описанные счетчики относятся к последовательным (асинхронным), у которых импульсы поступают только на вход триггера первого разряда, а каждый последующий триггер управляется выходным сигналом предыдущего. Для повышения быстродействия применяют параллельные (синхронные) счетчики.

 Таблица 19.2

Номер входного импульса

Состояние триггеров

  T4 T3 T2 T1

Номер входного импульса

Состояние триггеров

  T4 T3 T2 T1

0

 0 0 0 0

6

 0 1 1 0

1

 0 0 0 1

7

 0 1 1 1 

2

 0 0 1 0

8

 1 0(1) 0(1) 0

3

 0 0 1 1

4

 0 1 0 0

 0 1 0 1

 9

 10

 1 1 1 1

 0 0 0 0

Счетчики выполняют в виде интегральных микросхем, например К176ИЕ1 (шестиразрядный двоичный счетчик), К176ИЕ2 (пятиразрядный счетчик), К155ИЕ4 (счетчикделитель на 12).

  Цифровые счетчики импульсов применяют для счета числа импульсов либо для деления числа импульсов. Счет числа импульсов, поступающих на вход с высокой частотой, необходим в вычислительной технике, автоматике, информационноизмерительной технике (цифровые измерительные приборы), ядерной физике (счетчики элементарных частиц).

Контрольные вопросы

1. Область применения цифровых счетчиков импульса.

2. Приведите функциональную схему простейшего двоичного трехразрядного цифрового счетчика импульсов.

3. Десятичный цифровой счетчик и его условное обозначение

Биполярный транзистор управляется током во входной цепи, и вследствие этого сопротивления электродных областей входной цепи обуславливают проявление специфического эффекта неравномерности тока эмиттера через инжектирующую поверхность эмиттера. Как видно по рисунку 2.18, ток базы под донной частью эмиттера, направленный в сторону контакта к базовому слою, создает перепад напряжения ∆U, равный

 ∆U = Ib×Rba ≈ Ip×R□a×Le/(3×Be×B), (2.47)

в котором Rba, R□a — соответственно полное сопротивление и удельное поверхностное сопротивление «активного» участка базы. С учетом зависимости плотности тока через р-n-переход от напряжения в соответствии с описанием вольтамперной характеристики (ВАХ) и для нормы неравномерности плотности по донной области эмиттера до 20 %, ограничение на ∆U задается неравенством

 ∆U ≤ [α2 ≤ (0,1–0,2)]× Ft, (2.48)


из которого следует ограничение выбора длины эмиттера Le

 Le ≤ √[3 ×α2×B×Ft/(Io× R□a)]. (2.49)

Применяя совместно соотношения (2.46) для плотности тока, ограничение на неравномерность плотности по эмиттеру (2.49) и учитывая

 R□a =1/(Wbn×σ), (2.50)

несложно неравенство (2.49) преобразовать к виду

 Le/Wbn ≤ √3×α2×B/α1. (2.49а)

Значение Le может быть принято и больше рассчитанной величины, рассчитанной по формуле (2.49а), но при увеличении габаритов эмиттера, и БПТ в целом, увеличение рабочего тока не будет пропорциональным увеличению площади.

Через полученные значения Le, Io, Se, в расчете на заданный рабочий ток, определяется необходимое значение ширины эмиттера Ве

 Ве ≥ Se/Le. (2.51)

Ограничения на минимальные размеры длины и ширины эмиттера определяются технологическими нормами на минимально-допустимые размеры топологических конфигураций и обсуждаются в следующем параграфе. Размер Ве сверху ограничен рядом условий, одним из которых является эффект неоднородности тока по контакту вследствие конечной электропроводности материала контактной металлизации. Этот эффект аналогичен по природе эффекту влияния Rba на неравномерность плотности тока в эмиттере, но определяется полным током прибора Ip и сопротивлением контактной металлизации к эмиттеру Rke. Ток к эмиттеру интегральных БПТ подводится по ширине Ве, ортогональной измерению Le, и для допустимого перепада напряжения ∆U вдоль Ве, удовлетворяющего условию

 ∆U = Ip×Rke ≤ [α3 ≤ (0,1–0,2)]× Ft, (2.52)

максимальный размер ширины контакта к эмиттеру не должен превышать значенние

 Вke ≤ 3× α3×Ft×Lke/(Ip× R□me), (2.53)

где Вke, Lke — соответственно ширина и длина контактного окна к эмиттеру;

R□me — удельное поверхностное сопротивление контактной металлизации к эмиттеру.

Так как ширина и длина контактного окна выбираются или оцениваются с учетом технологических ограничений и расчетных размеров эмиттера по формулам

 Lmin ≤ Lke = Le –2×d1, (2.54)

 Lmin ≤ Bke = Be –2×d1, (2.54a)

то максимально-допустимый размер Вke определяется через длину эмиттера по формуле

 Bke ≤ {√[3× α3×Ft× (Le – 2×d1)/(Io× R□me×Le)] +d12 } – d1. (2.55)

В приведенных формулах d1 есть расстояние между краем контактного окна к эмиттеру и металлургической границей перехода эмиттер-база в топологических конфигурациях проектируемых БПТ. Вопросам последующего формирования топологии БПТ посвящен п. 2.8.4. Такие параметры БПТ, как коэффициент передачи В, сопротивление транзистора во включенном состоянии Rкл, время переключения Тпер зависят от параметров структуры, формы и размеров топологии. С целью снижения объема изложения материала обсуждение влияния топологии на коэффициент В, расчетные соотношения для оценки Rкл и Тпер приводятся после обсуждения вопросов проектирования топологии БПТ.


На главную