.
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

Компараторы и триггеры Шмитта

Компараторы

Многие устройства импульсной и цифровой техники успешно выполняются на опереционных усилителях. Здесь рассмотрены некоторые распространенные импульсные устройства на основе операционных усилителей. Компаратором называют устройство, предназначенное для сравнения двух напряжений.

 


 Рис. 25.1

Компаратор изменяет уровень выходного напряжения, когда уровни непрерывно изменяющихся входных сигналов становятся равными. На рисунке 25.1а изображена схема простейшего компаратора на операционном усилителе для сравнения напряжений одного знака. Выходное напряжение.

  

 На рисунке 25.1б приведена передаточная характеристика компаратора, а на рисунке 25.1в его условное обозначение. Благодаря высокому коэффициенту усиления К компаратор переключается при очень малой разности входных напряжений .

Если требуется сравнить по значению достаточно большие входные напряжения разных знаков, применяют схему рисунок 25.2. Компаратор срабатывает при равенстве нулю потенциала точки а. При этом .

 Компараторы выпускаются в виде микросхем, например К597СА1, или 521СА4.

Рис. 25.2

Триггеры Шмитта

 Компаратор, уровни включения и выключения которого не совпадают, называют триггером Шмитта (пороговым элементом).

 Разница в уровнях называется гистерезисом переключения. Триггер Шмитта может быть построен на двух транзисторных каскадах усиления, охваченных положительной обратной связью, или на компараторе с положительной обратной связью. На рисунке 25.3а,б, в приведены схема, передаточная характеристика и условное обозначение инвертирующего триггера Шмитта.

 


 Рис. 25.3

 Если к инвертирующему входу приложено достаточно большое отрицательное напряжение Uвх , то выходное напряжение компаратора

Uвых = Uвых,max. При этом напряжение прямого входа:

 ,

Если увеличить Uвх , то Uвых не изменится до тех пор, пока Uвх < . При Uвх= выходное напряжение за счет действия положительной обратной связи изменяется скачком до Uвыхmin, а напряжение прямого входа до

 = Uвкл.

Если теперь уменьшить Uвх то  Uвых изменится только при Uвх = ,

   .

 Для того, чтобы триггер имел два устойчивых состояния, необходимо выполнить условие , где – коэффициент усиления операционного усилителя; – коэффициент обратной связи.

 Триггеры Шмитта выпускаются в виде микросхем, например К155ТЛ1 (два триггера Шмитта с элементами И на входе).

Контрольные вопросы:

1. Расскажите о компараторах и триггерах Шмитта.

2.Область применения регистров, дешифраторов, мультиплексоров, компараторов и триггеров Шмитта.

Пример 3.

Пусть определено αI = 0.8; Si = 1,5; S = 2; Ics = Ic. Структура БПТ разделена на участки согласно рисунку 2.24. Топологическая форма трассы для расчета сопротивления выделена штриховыми линиями на рисунке 2.24. Пусть удельные сопротивления контактных переходов металлизации к полупроводниковым областям коллектора и эмиттера определены равными: Roe = Roc = =Ro. В объеме структуры БПТ показаны три параллельных трассы переноса тока через открытый транзистор. Трассы, выделенные штрихпунктирной, штриховой и сплошной линиями со стрелками, образуют три слоя. Пусть поверхностные сопротивления слоев структуры идентифицируются индексами области БПТ (коллекторной — с, базовой — b, эмиттерной — е) и порядковым номером слоя (1, 2, 3), отсчитываемым от поверхности в глубь структуры, и образуют массив значений R□i,j, в котором i и j принимают значения (c, b, e) и (1, 2, 3) соответственно. Аналогично индексируются усредненные удельные объемные сопротивления участков структуры БПТ и образуют массив значений ρi,j. Объемное сопротивление структуры представляется композицией последовательно-параллельных включений сопротивлений, расчет каждого из которых выполняется по формулам моделей рисунка 2.23.

Для участков, в которых ток на входе и выходе перпендикулярен поверхности кристалла, сопротивление участка рассчитывается через удельное объемное сопротивление участка ρi,j и идентифицируется индексом номера участка согласно рисунку 2.24 с дополнительным символом «0» (например, R20 обозначает сопротивление участка 2, в который ток входит через верхнюю

грань и выходит через нижнюю). Для участков структуры, в которых один или оба названных тока параллельны плоскости кристалла, сопротивление участка рассчитывается через поверхностное сопротивление слоя R□i,j и идентифицируется двумя индексами: порядковым номером участка и порядковым номером слоя в участке (например, R52 обозначает сопротивление участка 5 второго слоя структуры). На рисунке 2.30 приведена расчетная модель для учета составляющих общего сопротивления второго слоя, представленная сопротивлениями R22, R52, R62, R82, соответствующими толщине слоя, равной толщине базы БПТ. Полагая толщину первого слоя равной X1= Xeb, второго — (X2 = Xcb – Xeb), третьего — (X3 = Xcp – Xcb) и учитывая принятые в п. 2.8.4 обозначения для топологических областей, расчет составляющих сопротивления выполняют по формулам:

для третьего слоя —

Rkc=Roe/(Bkc×Lkc);Rke=Roe/(Bke×Lke);

R10=ρe1×X1/(Bke×Lke);

R20=ρc2×X2/((Bke×Lke); R33=R□c3×Lkc/(3×Bkc);

R43=[R□c3×(d4+d3)×Ln(Bkc/Be)]/(Bkc–Bke);

R73=R□c3×Le/(3×Be); R80= ρb2 ×X2/(Le×Be); R90=R10;

для второго слоя —

R22= R□c2×Lkc/(3×Bkc); R52= [R□c2×d4×Ln(Bkc/B0)]/(Bkc–B0);

R82= R□b2×Le/(3×Be);

R62= [R□b2×d3×Ln(B0/Be)]/(B0–Be);

для первого слоя —

R11= R□e1×Lkc/(3×Bkc);

R51= [R□c1×d4×Ln(Bkc/B0)]/(Bkc–B0); R91= R□e1×Le/(3×Be);

R61= [R□b1× d3×Ln(B0/Be)]/(B0–Be).

Размер В0 в приведенных формулах определяется по выражению

B0=Be+(Bc–Be)×d3/(d3+d4).

При размещении под контактом на коллекторе легированной области (как показано на рисунке 2.24), размеры (Lkc,Bkc) в формулах принимаются равными размерам этой области, а размеры контактного окна металлизации для расчета сопротивлений контактов корректируются до значений

Lkcf=Lkc–2×d1,

Bkcf=Bkc–2×d1.

Различие сопротивлений слоев структуры приводит к разным уровням открывания переходов эмиттер-база и коллектор-база. Напряжение, вносимое не симметрией прямых смещений переходов для заданных значений степени насыщения, составит

Usce = 25×Ln 4,1≈35 мВ.

Основной вклад в остаточное напряжение на открытом БПТ определяется падением напряжения на сопротивлениях структуры в зависимости от величины переключаемого тока.


На главную