Переходные процессы в транзисторном ключе
Как было указано ранее, быстродействие (время задержки) является одним из важных параметров цифровых микросхем. Для понимания факторов, влияющих на задержку, рассмотрим переходные процессы в ключе, т. е. процессы, происходящие при переключении входного сигнала.
Для описания переходных процессов обычно используют параметр – заряд неосновных носителей заряда в базе Qб. В данном пособии эти процессы рассмотрены упрощённо, без детального углубления в физику полупроводников.
Рассмотрим рисунок 1.10. На нём показаны временные диаграммы токов базы и коллектора, относящиеся к схеме ключа на рисунке 1.9.
На базу подан импульс напряжения, в соответствии с которым возникает импульс тока базы Iб. С этого момента (t1) начинается накопление заряда в базе и рост тока коллектора (участок t1 - t2).
В момент t2 заряд базы достигает значения, называемого граничный заряд (Qгр), при котором ток коллектора Iк достигает максимума и больше не увеличивается.
С момента t2 начинается накопление избыточного заряда в базе Qизб – как видно из рисунка, заряд базы продолжает возрастать.
В момент t3 ток базы скачком падает до нуля. Накопленный в базе избыточный заряд приводит к тому, что ток коллектора вместо уменьшения скачком возрастает и сохраняет своё значения, пока продолжается процесс рассасывания избыточного заряда базы (период t3 - t4), т. е. пока заряд базы не уменьшается до значения Qгр. После этого уже ток коллектора уменьшается до нуля (участок t4 - t5).
|
|
|
Участок t3 - t4 называется фронтом импульса (или передним фронтом), а t3 - t4 – срезом импульса (или задним фронтом).
Главной проблемой насыщенных ключей является увеличение, затягивание заднего фронта из-за процесса рассасывания избыточного заряда в базе, что ведёт к увеличению задержек, т. е. снижению быстродействия
Одним из методов борьбы с этим является использование ненасыщенных ключей, где Iб < Iбнас. Однако уменьшение уровней напряжения ведёт к снижению помехоустойчивости.
Другой серьёзной проблемой, увеличивающей задержку, является то, что ёмкости нагрузки образуют на выходе схемы интегрирующие цепи (фильтры нижних частот), ведущие к увеличению длительности фронтов. (Вопрос этот подробно рассмотрен в курсе «Электроника», раздел «Фильтры»)
Естественно, конденсаторы специально в схеме не устанавливаются, но идущие на плате проводники сами образуют ёмкости, называемые паразитные ёмкости нагрузки. Ёмкости эти очень малы (единицы-десятки пикофарад), но, учитывая большие частоты, на которых работают современные схемы, влияние их очень значительно и приводит к серьёзным задержкам, т. е. к снижению быстродействия и ограничению рабочей частоты. Для каждой серии ИМС в параметрах также указывается допустимая ёмкость нагрузки.
|
|
|
Уменьшить длительность фронтов можно, увеличив ток, т.е. повышая потребляемую мощность, что так же нежелательно.
Таким образом, разработчики сталкиваются с противоречием: при попытке снизить время задержки – возрастает потребление и, наоборот, – при попытке снизить токи и потребляемую мощность – растут задержки в схеме.
Без преувеличения можно сказать: одной из основных проблем при выборе технологии цифровых микросхем является стремление одновременно улучшить оба параметра – снизить потребляемую мощность Рпотр и время задержки tзд. Напомним – оба эти параметра являются важнейшими. В последние десятилетия в этом направлении достигнуты значительные успехи, что будет заметно при изучении параметров серий микросхем.
Часто для сравнения различных типов микросхем используют параметр, называемый работа переключения, как бы интегрально учитывающий оба параметра.
Апер = Рпотр.ср tзд.ср
Обычно потребляемая мощность измеряется в данном случае в мВт, время – в нс, а работа – в пДж.
Дата добавления: 2019-03-09; просмотров: 372; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!