Открытый коллектор принцип работы

8.11. Элементы с тремя состояниями и с открытым коллектором

Макеты страниц

Вентили ТТЛ и КМОП, которые мы сейчас рассматриваем, имеют двухтактные выходные схемы: высокий или низкий уровень подается на выход через открытый биполярный или МОП-транзистор. Такую схему, называемую активной нагрузкой, а в ТТЛ называемую также столбовым выходом, используют почти все логические элементы.

Схема обеспечивает низкое выходное сопротивление в обоих состояниях, имеет малое время переключения и обладает более высокой помехоустойчивостью по сравнению с одиночным транзистором, который использует пассивный резистор в качестве коллекторной нагрузки.

В случае КМОП применение активного выхода, кроме всего прочего, позволяет понизить рассеиваемую мощность.

Но существуют ситуации, при которых активный выход оказывается неудобным. Представим себе компьютерную систему, в которой несколько функциональных блоков должны обмениваться данными. Центральный процессор (ЦП), память и различные периферийные устройства должны иметь возможность передавать и получать -разрядные слова.

И, мягко говоря, было бы неудобно использовать для соединения каждого устройства с каждым индивидуальный -жильный кабель. Для разрешения этой проблемы используется так называемая шина (или магистраль) данных, т. е. один -жильный кабель, доступный для всех устройств.

Такая структура аналогична телефонному каналу коллективного пользования: в каждый момент времени «говорить» («передавать данные») может только одно устройство, а остальные могут только «слушать» («принимать данные»).

[su_box style="default" title="" box_color="#F27405" radius="0"]

Если используется шинная система, то необходимо иметь соглашение о том, кому разрешено "говорить".

[/su_box]

В связи с этим употребляются такие термины, как «арбитр шины», «задатчик шины» и «управление шиной».

Для возбуждения шины нельзя использовать вентили (или другие схемы) с активным выходом, так как их нельзя отключить от общих информационных линий (в любой момент времени выходы устройств, подключенные к шине, будут находиться в состоянии высокого или низкого уровня). В этом случае необходим вентиль, выход которого может находиться в «обрыве», т. е. быть отключенным. Такие устройства выпускаются промышленностью и имеют две разновидности, которые носят названия «элементы с тремя состояниями» и «элементы с открытым коллектором».

Рис. 8.19. КМОП-вентиль И-НЕ состоянием: а — поясняющая схема; б — реализация с использованием внутренних КМОП-вентилей.

Логические схемы с тремя состояниями

Логические элементы с тремя состояниями, также называемые TRI-STATE (товарный знак National Semiconductors Corp., создавшей их) представляют элегантное решение. Название этих схем может ввести в заблуждение, поскольку на самом деле они не являются логическими элементами с тремя уровнями напряжений.

Это обычные логические схемы, которые имеют третье состояние (рис. 8.19). Они имеют отдельный вход разрешения, с помощью которого могут устанавливаться либо в состояние обычных активных выходов, либо переходить в «третье» (обрыва) состояние независимо от того, какие сигналы присутствуют на других входах.

Выходы с тремя состояниями имеются во многих

ИМС: счетчиках, защелках, регистрах и т.п., а также в вентилях и инверторах.

Устройство с выходом на 3 состояния функционирует подобно обычной логике с активным выходом, когда подан сигнал разрешения, при этом на выходе существует либо высокий, либо низкий уровень. Когда на входе разрешения пассивный уровень, схема отключает свой выход, так что другие устройства могут работать на ту же самую линию. Давайте рассмотрим это на примере.

Взгляд вперед: шины данных

Драйверы с тремя состояниями широко используются для возбуждения шины данных компьютера. Каждое устройство (память, периферия и т. п.), которому необходимо выставить данные на шину, связывается с ней через вентили с тремя состояниями (или через более сложные элементы, такие, как регистры). Дела так умно устраиваются, что только одно устройство выдает разрешение своим драйверам (формирователям), все другие устройства, получив запрет, переходят в третье состояние.

Обычно выбранное устройство «узнает» о том, что оно должно выдавать данные на шину, опознав свой адрес на адресных и управляющих шинах (рис. 8.20). В этом наипростейшем случае устройство подключается как порт 6. Получив свой адрес (например, 6) и импульс чтения, устройство выводит данные на шину . Такой шинный протокол используется для многих простых систем. Нечто подобное имеет место в большинстве микрокомпьютеров, как мы увидим в гл. 10 и 11.

Рис. 8.20. Шина данных.

Заметим, что должна быть некоторая внешняя логика, которая обеспечивала надежность того, что устройства с тремя состояниями, подключенные к одним и тем же выходным линиям, не будут пытаться передавать в одно и то же время (что равносильно условию, официально называемому «соглашение шины»). В этом случае все хорошо, когда каждому устройству соответствует свой адрес.

Рис. 8.21. Маломощный ТТЛШ-вентиль с открытым коллектором.

Логика с открытым коллектором

Предшественником логики с 3 состояниями была логика с открытым коллектором, которая позволяет вам подключиться к одиночной линии среди других выходов нескольких формирователей. Выход с открытым коллектором просто не включает транзистор активной нагрузки в выходном каскаде (рис. 8.21). Название «открытый коллектор» превосходно. Когда вы используете такие вентили, вы должны подключать к источнику питания внешний нагрузочный резистор.

Его значение не критично: при малых значениях резистора обеспечиваются повышенные быстродействие и помехоустойчивость, однако повышается рассеиваемая мощность и нагрузочный ток выходного каскада. Для ТТЛ типичными являются значения в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч ом. Если вы захотели возбуждать шину с помощью вентилей с открытым коллектором (рис. 8.

20), вы должны заменить драйверы с тремя состояниями на двухвходовые вентили с открытым коллектором, подключив один выход каждого вентиля к высокому уровню разрешения подключения к шине.

Рис. 8.22.

Рис. 8.23. Монтажное ИЛИ.

Заметим, что данные на шине при этом включении будут инвертированы. Каждую линию шины необходимо через нагрузочный резистор подключить к .

К недостаткам логики с открытым коллектором следует отнести пониженные быстродействие и помехоустойчивость по сравнению с обычными схемами, использующими активную нагрузку. Вот почему драйверы с тремя состояниями являются основными для реализации шин в компьютерах.

Однако существуют три ситуации, в которых вы должны использовать устройство с открытым коллектором: управление внешними нагрузками, «проводное ИЛИ» и внешние шины. Давайте рассмотрим их внимательно.

Управление внешней нагрузкой

Логика с открытым коллектором является пригодной для управления внешней нагрузкой, которая подключается к источнику положительного напряжения, превышающего напряжение питания ИМС. Может, в частности, потребоваться включить маломощную -вольтовую лампочку или сформировать логический перепад 15 В с помощью резистора, установленного между выходом вентиля и источником В (рис. 8.22).

Например, схема представляет собой шесть инверторов с максимальным выходом , а схема КМОП 40107 представляет собой сдвоенный И-НЕ-буфер с открытым коллектором с выходным током до . Серия 75450 «сдвоенных периферийных драйверов» может выдавать в нагрузку ток до при напряжении питания , а серия UHP/UDN фирмы Sprague расширяет эти пределы до 1 А и до 80 В.

Более подробно об этом в следующей главе.

Проводное ИЛИ

Если вы объедините вместе несколько вентилей с открытым коллектором, как показано на рис. 8.23, то получите так называемую схему «проводное ИЛИ», соединение, которое ведет себя подобно большому вентилю , выдающему на выходе низкий уровень, если какой-либо вход имеет высокий уровень. Такое объединение недопустимо при использовании схем с активной нагрузкой из-за возникновения режима соперничества, если между всеми вентилями не будет согласовано, каким должен быть выходной сигнал.

Объединять можно схемы и т.п. Это соединение также иногда называют «проводное И», поскольку высокий уровень на выходе возникает лишь тогда, когда он действует на выходе каждого вентиля (состояние разомкнутого, или открытого выхода. Оба этих названия описывают одну и ту же схему, которая представляет собой проводное И при положительной логике и проводное ИЛИ — при отрицательной. Это будет более понятно для вас, когда вы узнаете о теореме Моргана в следующем разделе.

Проводное ИЛИ пользовалось скоротечной популярностью в ранние дни цифровой электроники, но и сегодня оно используется довольно редко за двумя исключениями: а) в логических семействах, известных как ЭСЛ (эмиттерсвязанная логика, выходы у которой можно назвать «открытый ), элементы могут безболезненно объединяться по проводному ИЛИ и б) существуют несколько частных линий в компьютерных шинах (наиболее значительная линия называется прерывание), функциями которых являются не передача информационных бит, а просто индикация того, что хотя бы одно устройство требует внимания.

https://www.youtube.com/watch?v=8Jl9x5Eq02k

В этом случае вы используете проводное ИЛИ, поскольку оно дает то, что вы хотите, и не требуется дополнительной внешней логики для предотвращения споров.

Внешние шины. В приложениях, где скорость не очень важна, вы иногда видите драйверы с открытым коллектором, используемые для возбуждения шин. Наиболее частый случай для шин — это выдача данных из компьютеров. Общими примерами являются шины, используемые для связи компьютера с дисководом, и инструментальная шина IEEE-488 (также называемая или ). Подробнее об этом в гл. 10 и 11.

Источник: http://scask.ru/b_book_shem2.php?id=43

Открытый коллектор принцип работы — Все об электричестве

Всем доброго времени суток! Мы продолжаем изучать основы электроники и сегодня пришло время разобраться как работает транзистор и что это вообще за зверь такой. Сразу отметим, что они делятся на два больших класса – биполярные и полевые, так вот в этой статье речь пойдет о биполярных. Полевые пока немного подождут, но и до них мы доберемся

Источник: https://microtechnics.ru/osnovy-elektroniki-bipolyarnyj-tranzistor/

Принцип работы биполярного транзистора

На определённом этапе времени всем привычные электронные лампы были заменены транзисторами. И это не удивительно, поскольку они имеют гораздо меньший размер, более надёжные и затрачивают гораздо меньше энергии. Такое большое количество положительных сторон привело к тому, что на сегодняшний день биполярные транзисторы являются главными элементами практически всех усилительных схем.

• Составные части устройства
• Биполярный транзистор — принцип работы
• Режимы функционирования устройства
• Схемы включения транзисторов биполярного типа
• Схема включения с общим эммитерным слоем
• Схема включения с общим базовым слоем
• Схема включения с общим коллекторным слоем

Составные части устройства

Биполярный транзистор разделяется на три основные части:

1. Эммитер – это один из слоёв полупроводника, его задача заключается в инжектировании носителей заряда в базу (её слой).
2. База – это один из слоёв полупроводника, считается главным в транзисторе.
3. Коллектор – слой полупроводника, задачей которого является собрать все заряды, которые прошли через базу.

Как правило, область эммитера немного уже, чем у коллектора. Поскольку изготовление базы происходит из слаболегированного полупроводника, то она является очень тонкой. В результате того, что площадь контакта между эммитером и базой гораздо уже, чем между базой и коллектором, то произвести замену коллектора и эмиттера просто невозможно, даже при большом желании. Подобная ситуация приводит к тому, что биполярный транзистор считается устройством, в котором отсутствует симметрия.

Биполярный транзистор — принцип работы

Принцип действия биполярного транзистора представлен ниже.

Когда транзистор включают в режиме усиления, открывается эммитерный переход, и закрывается переход коллектора. Это происходит в результате подключения источников питания.

Из-за того, что переход эммитера находится в открытом положении, через него происходит переход эммитерного тока, он образуется в результате перехода дырок из базового слоя транзистора в эммитер и аналогичного перехода электронов из эммитера в базовый слой.

В результате этого эммитерный ток состоит из двух основных частей – дырочной и электронной.

Чтобы определить коэффициент инжекции, следует разобраться с уровнем эффективности эммитера.

[su_box style="default" title="" box_color="#BF0404" radius="0"]

Инжекция зарядов – это перемещение элементов, содержащих в себе заряд из зоны, где они играли основную роль, в зону, где они стали неосновными.

[/su_box]

В базовом слое транзистора происходит рекомбинация электронов, а восполнение их концентрации происходит за счёт плюса источника ЭГ. В итоге электрическая цепь базового слоя биполярного транзистора содержит в себе достаточно слабый ток.

https://www.youtube.com/watch?v=30R9-II_YoM

А те электроны, которые попросту не успели поддаться процессу рекомбинации в базовом слое, с помощью разгоняющего воздействия закрытого коллекторного перехода перемещаются в него, и происходит образование коллекторного тока. В результате этого наблюдается экстракция электрических зарядов (переход элементов, которые содержат в себе заряд из зоны, где они играли второстепенную роль в зону, где они играют главную роль).

Вот и весь принцип работы биполярного транзистора.

Режимы функционирования устройства

На этом этапе времени выделяют следующие режимы работы биполярного транзистора:

1. Активный инверсный режим. В этом случае открыт переход между базовым и коллекторным слоями, а переход между базой и эммитером закрыт. Усилительные свойства в данном режиме очень плохие, поэтому в таком состоянии транзисторы используют в редчайших ситуациях.
2. Насыщение. Оба вышеуказанных перехода находятся в открытом состоянии. В результате этого элементы коллектора и эммитера, которые содержат в себе заряд, перемещаются в базовый слой, где происходит их активная рекомбинация с основными элементами базы. Из-за чрезмерного количества зарядов происходит снижение сопротивляемости базы, наблюдается уменьшение p — n переходов. В режиме насыщения, цепь транзистора имеет вид короткозамкнутой, а данный элемент представлен в роли эквипотенциальной точки.
3. Режим отсечки. Оба перехода в биполярном транзисторе закрыты, соответственно, происходит прекращение тока основных носителей заряда между коллекторным и эммитерным слоями. Потоки второстепенных зарядов способны только создавать неуправляемые и малые токи. В результате скудности базового слоя и перемещения носителей зарядов сопротивление вышеуказанных токов в значительной мере возрастает. Из-за подобной работы достаточно часто бытует мнение, что устройство, работающее в таком режиме, являет собой разрыв цепи.
4. Барьерный режим. В данном режиме базовый слой прямо или с помощью малого сопротивления замыкается с коллекторным слоем. В этом случае, в цепь коллектора или эммитера необходимо включить резистор, который через транзистор начинает задавать ток. В результате такой работы происходит образование эквивалента схемы диода, которая имеет последовательно включённое сопротивление. В подобном состоянии устройства схема способна работать при различных температурных режимах и при разнообразных параметрах транзистора.

Схемы включения транзисторов биполярного типа

Из-за того, что транзистор имеет три контакта, то питание на него следует подавать из 2 источников, сумма которых образует четыре вывода. Подобное действие приводит к тому, что в один из контактов устройства происходит подача напряжения одного знака из различных источников.

Источник: https://contur-sb.com/otkrytyy-kollektor-printsip-raboty/

]]>