Цифровая схемотехника. Диодно-резисторная логика. Диодно-транзисторная логика. Биполярный транзистор

Схемотехника цифровых элементов
Релейная логика
Диодно-резисторная логика
Диодно-транзисторная логика
Транзисторно-транзисторная логика
КМОП логика
Эмиттерно-связанная логика
Квантовая логика ?

Релейная логика
NOT
Механическое воздействие
Электрический сигнал

Релейная логика
NOT
Механическое воздействие
Электрический сигнал

Релейная логика
NAND

Релейная логика
NOR

Релейная логика
Электрический вход

Релейная логика
Достоинства
Полный базис
Можно сделать сколь угодно сложную цифровую систему
Harry Porter's Relay Computer 2009
Data Bus (8 bits)
Address Bus (16-bits)
415 Relays
111 Switches
350 LEDs
Max Power Consumption: 12 Amps @ 13.5 Volts (160 Watts)
http://web.cecs.pdx.edu/~harry/Relay/index.html

Релейная логика
Недостатки
Малое быстродействие
Большое энергопотребление
Большая энергия переключения
Малая плотность элементов
Надежность
Стоимость
[сек]
[Вт]
[Дж]

Диодно-резисторная логика
2И (2AND)

Диодно-резисторная логика
2И (2 AND)
0,6
0
0
0,6
0
Если Ucc>>0,6V

Диодно-резисторная логика
2И (2 AND)
0,6
0
0
0
1
1
Ucc
1

Диодно-резисторная логика
2И (2 AND)
0,6
0
0
0
1
1
Ucc
1
1
0
0,6
0,6
Если Ucc>>0,6V
0
0
1
0,6
0

Диодно-резисторная логика
2И (2 AND)
Зачем нужны диоды?

Диодно-резисторная логика
2И (2 AND)
0
0
0
1
1
1
1
0
Если Ucc>>0,6V
0
0
1
0

Диодно-резисторная логика
2ИЛИ (2OR)

Диодно-резисторная логика
2ИЛИ (2OR)
0
0
0
0

Диодно-резисторная логика
2ИЛИ (2OR)
0
0
0
0
1
1
Ucc-0,6
1
Если Ucc>>0,6V
0,6
Ucc-0,6

Диодно-резисторная логика
2ИЛИ (2OR)
0
0
0
0
1
1
Ucc-0,6
1
1
0
1
0
1
1
Ucc-0,6
Ucc-0,6
Если Ucc>>0,6V
Ucc-0,6

Диодно-резисторная логика
Многовходовые элементы
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
1
1
0
1
1
1
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
1
1
0
1
1
1
0

Диодно-резисторная логика
Недостатки
Невозможно сделать инвертор. Базис неполный.
Отрицательный запас помехоустойчивости.
Vin=0V
Vout=0,6V
Логический 0 на выходе хуже чем на входе
Логическая 1 на выходе хуже чем на входе
Vin=Ucc
Vout=Ucc-0,6V

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор
Низкое легирование и тонкий слой
Можно ли управлять этим током?

Биполярный транзистор
Эмиттер
База
Коллектор

Биполярный транзистор
База
Коллектор
Эмиттер

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор
Почему ток коллектора больше управляющего тока базы?

Биполярный транзистор
Emitter

Биполярный транзистор
Эффективность транзистора
- Коэффициент передачи тока эмиттера
- Коэффициент передачи тока базы
База
Base
Коллектор
Collector
Эмиттер
Emitter

Биполярный транзистор
Первый закон Кирхгофа
Токи

Биполярный транзистор
Можно ли менять местами эмиттер и коллектор?
База
Коллектор
Эмиттер
Можно, но …
Эффективность транзистора станет значительно хуже

Биполярный транзистор
Геометрический фактор эффективности транзистора
Эффективность ( ) будет тем выше, чем больше зарядов вылетевших из эмиттера попадут в коллектор.
Collector

Биполярный транзистор
Типы
n-p-n
p-n-p

Биполярный транзистор
Корпуса
http://texvedkom.org/wp-content/uploads/2011/04/tranz_obud__1.gif

Транзисторный ключ
n-p-n
Ток

Транзисторный ключ
n-p-n

Транзисторный ключ
n-p-n
Насыщение
Saturation
Ток

Транзисторный ключ
n-p-n
Как перейти от управления током (Ib) к управлению напряжением?
Ток и Напряжение

Транзисторный ключ
n-p-n
Напряжение

Транзисторный ключ
n-p-n
Vin0
Vin1
Линейный режим
0
1
1
0
0
Ucc
Vin_sat ÷Ucc
0÷0,4

0
1
1
0
0
Ucc
Vin_sat ÷Ucc
0÷0,4
Транзисторный ключ
Проблема
Vin0
Vin1

Транзисторный ключ
Проблема: решение
Vin0
Vin1
n – коэффициент насыщения
Для слаботочных цифровых схем примем n= 10
0
1
1
0
0
Ucc
Vin_sat ÷Ucc
0÷0,4

Транзисторный ключ
Расчет Rb
Обычно заранее заданы

Транзисторный ключ
Мощность выделяемая на ключе
Ключ (транзистор в ключевом режиме)
Мощность управления
0
Ucc
0
0
1
Imax
0
0
В статическом режиме

Диодно-транзисторная логика
ДТЛ (DTL)
+
ДРЛ
DRL
Транзисторный ключ

Диодно-транзисторная логика
ДТЛ (DTL)
1
0,6
0
b
1

Диодно-транзисторная логика
ДТЛ (DTL)
b
1
0,6
0
0
?
0,6
1
0
1
?
0,6
0
0
?
0,6
1
Что делать?

Диодно-транзисторная логика
ДТЛ (DTL)
b
1
1,2
0
1

Диодно-транзисторная логика
ДТЛ (DTL)
1
1,2
0
0
1
0,6
1
0
1
1
0,6
0
0
1
0,6
1
b

Диодно-транзисторная логика
ДТЛ (DTL) маленькое дополнение
b
0
0
1
1
1
0
1
0
1
0
1
1