Вычи таю щий с чё тчик с сам оос тан ов ом
ЭДП при отсутствии напряжения В результате того, что носители заряда в каждом ПП совершают беспорядочно тепловое движение, то происходит их диффузия из одного ПП в другой. Как и при любой другой диффузии, например, в газах или жидкостях, носители перемещаются оттуда, где их кон- центрация больше, туда, где их концентрация меньше. Т.о. из n-типа в ПП р-типа диффун- дируют электроны, а в обратном направлении из ПП р-типа в n-типа диффундируют дырки. В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух ПП с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области n воз- никает объемный положительный заряд. Он образован главным образом положительно за- ряженными атомами донорной примеси и в небольшой степени – пришедшими в эту об- ласть дырками. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, об- разованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и, отчасти, при- шедшими сюда электронами. Между образовавшимися объемными зарядами возникает так называемая контактная раз- ность потенциалов Uk = Un – Up, а следовательно, и электрическое поле с напряженностью Ек, т.е. в р-n-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей. Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно со- ставляет десятые доли вольта. Причем, чем больше концентрация примесей, тем выше кон- центрация основных носителей и тем больше их число диффундирует через границу. Плот- ность объемных зарядов возрастает и увеличивается контактная разность потенциалов Uк, т.е. высота потенциального барьера. При этом толщина р-n-перехода d (рис.1) уменьшается, так как соответствующие объемные заряды образуются в приграничных слоях меньшей толщины. Рис.1 – Структурная схема и потенциальная диаграм- ма n-р перехода Одновременно с диффузионным перемещением ос- новных носителей через границу происходит и обрат- ное перемещение носителей под действием электриче- ского поля контактной разности потенциалов. Это по- ле перемещает дырки из n-области обратно в р- область и электроны из р-области обратно в n-область (дрейф). При постоянной температуре р-n-переход на- ходится в состоянии динамического равновесия. Каж- дую секунду через границу в противоположных на- правлениях диффундирует определенное число элек- тронов и дырок, а под действием поля столько же их дрейфует в обратном направлении. Перемещение но- сителей за счет диффузии – это диффузионный ток (Iдиф), а движение носителей под дейст- вием поля – ток дрейфа (Iдр). В установившемся режиме, т.е. при динамическом равновесии перехода, эти токи равны и противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен 0. В р-n-переходе концентрация электронов и дырок плавно меняется от минимального значе- ния к максимальному. В результате этого в средней части перехода образуется слой с малой концентрацией носителей (обедненный носителями слой). Соответственно и удельная элек- трическая проводимость р-n-перехода будет во много раз меньше, чем в остальных частях областей n и р. Таким образом, в р-n-переходе возникает слой, называемый запирающим и обладающий большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных объек- тов n- и р- ПП. 1 2.2 ЭДП при прямом напряжении Область на границе двух ПП с различными типами электропроводности называется элек- тронно-дырочным или p-n переходом. Электронно-дырочный переход обладает несиммет- ричной проводимостью, т.е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства ППП основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов. Напряжение на ЭДП, у которого полярность совпадает с полярностью основных носите- лей, называется прямым. Рис.2.2. ЭДП при прямом переходе. Электрическое поле создаваемое прямым напря- жением действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Результирующее поле ста- новиться слабее, и разность потенциалов в пере- ходе уменьшается, т.е. высота потенциального барьера понижается, возрастает диффузионный ток, так как большее число носителей может пре- одолеть пониженный барьер. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, т.к. он зависит главным образом от числа не основных носителей, попа- дающих за счет своих тепловых скоростей на p- n—переход из n- и р- областей. Напряжение на переходе можно считать равным Uк - Uпр. При прямом напряжении iдиф>iдр и поэтому полный ток через переход, т.е. прямой ток, уже не равен 0: iпр=iдиф-iдр>0 Если барьер значительно понижен, то тогда iдиф>>iдр и можно считать, что iпр=iдиф, т.е. прямой ток в переходе является чисто диффузионным. Введение носителей заряда через пониженный под действием прямого напряжения по- тенциальный барьер в область, где эти носители являются не основными, называется ин- жекцией носителей заряда. Область ППП, из которой инжектируются носители, называется эмиттером. А область, в которой инжектируются не основные для этой области носители заряда, называется базой. Т.о. если рассматривать инжекцию электронов, то n-область явля- ется эмиттером, а р-область - базой. Для инжекции дырок, наоборот, эмиттером служит р- область, а базой - n-область. Обычно концентрация примесей, а, следовательно, и основных носителей в n- и р- облас- тях весьма различна. Поэтому инжекция электронов из области с более высокой концентра- цией основных носителей преобладает. Соответственно этому области и называются ―эмиттер‖ и ―база‖. Например, если nn>pp, то инжекция электронов из n-области в р- область значительно превосходит инжекцию дырок в обратном направлении. В данном слу- чае эмиттером считают n-область, а базой р-область, т.е. инжекцией дырок можно пренеб- речь. При прямом напряжении не только понижается потенциальный барьер, но также умень- шается толщина запирающего слоя (dпр<d) и его сопротивление в прямом направлении ста- новиться малым (единицы- десятки Ом). Поскольку высота потенциального барьера Uк при отсутствии внешнего напряжения со- ставляет несколько десятых долей вольта, то для значительного понижения барьера и уменьшения сопротивления запирающего слоя достаточно подвести к p-n переходу такое же прямое напряжение (десятые доли вольта). Поэтому большой прямой ток можно полу- чить при очень небольшом прямом напряжении. 2 2.3 ЭДП при обратном напряжении Рис.2.3. ЭДП при обратном напряжении. Область на границе двух ПП с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или p-n переходом. Электронно-дырочный переход об- ладает несимметричной проводимостью, т.е. имеет не- линейное сопротивление. Работа большинства ППП основана на использовании свойств одного или не- скольких p-n переходов. Под действием обратного напряжения Uобр через пе- реход протекает очень небольшой обратный ток iобр, что объясняется следующим образом. Поле, создавае- мое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барьера теперь равна Uк+Uобр. Уже при не- большом повышении барьера диффузионное перемещение основных носителей через пере- ход прекращается, т.е. iдиф=0, т.к. собственные скорости носителей недостаточны для пре- одоления барьера. А ток проводимости остается почти неизменным, поскольку он опреде- ляется главным образом числом неосновных носителей, попадающих на p-n переход из n- и р- областей. Выведение неосновных носителей через p-n переход ускоряющим электриче- ским полем, созданным обратным напряжением, называется экстракцией носителей заряда. Т.о. обратный ток iобр представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением не- основных носителей. Обратный ток получается не очень большим, т.к. неосновных носите- лей очень мало и, кроме того, сопротивление запирающего слоя при обратном напряжении очень велико. Т.к. при повышении обратного напряжения поле в месте перехода становить- ся сильнее и под действием этого поля больше основных носителей «выталкивается» из по- граничных слоев в глубь n- и p- областей. Поэтому с увеличением обратного напряжения увеличивается не только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего слоя (dобр>d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, и его сопротивление значительно возрастает, т.е. Rобр>>Rпр. Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обрат- ный ток становиться практически постоянным. 3 2.4 П/п диоды. Типы, назначение, характеристики Полупроводниковый диод, по существу, представляет собой электронно-дырочный пере- ход. ВАХ диода достаточно точно соответствует выражению: æ 0 I = I ( ç е ç è qU ö kT ÷ -1), ÷ ø где I0 - ток насыщения, q = 1,6·10-19 Кл - заряд электрона, Т - абсолютная температура, U - внешне приложенное напряжение, к = 1,38·10-23 Дж/К – постоянная Больцмана Рис.4.1. Вольтамперная характеристика диода. При комнатной температуре величина Uт=кТ/q=25 мВ (представляет собой термодинамический потен- циал и зависит только от температуры), следователь- но, при отрицательном (т.е. обратном) приложенном напряжении от десятых долей вольта и выше слагае- мым е(-U / 0.025) можно пренебречь по сравнению с единицей и ток оказывается равным I = I0 не завися- щим от напряжения. При положительном (т.е. пря- мом) приложенном напряжении в десятые доли вольта и выше можно пренебречь единицей по сравнению со слагаемым e( U / 0.025) и, следовательно, ВАХ оказывается близкой к экспо- ненте. ВАХ реального диода совпадает с кривой, соответствующей выражению до значений об- ратного напряжения, близких к Uобр.max. При дальнейшем увеличении Uобр наступает пробой диода, при котором обратный ток резко возрастает. Различают два вида пробоя: а) электрический (обратимый); б) тепловой (не обратимый), выводящий ППП из строя. Электрический пробой может быть двух видов: лавинный и туннельный. Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной иони- зации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот про- бой характерен для р-n переходов большой толщины, получающихся при сравнительно ма- лой концентрации примесей в полупроводниках. (Uобр=(10…100) В). Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью 105 В/см, действующем в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой кон- центрации примесей (Uпр=1В). При обратном напряжении p-n переход уподобляется конденсатору, пластинами которого являются p- и n- области, разделенные диэлектриком (переходом, почти свободным от но- сителей заряда). Эту емкость называют барьерной, ее значение зависит от площади p-n пе- рехода и может составлять от единиц до сотен пФ. При прямом напряжении емкость p-n перехода определяется так называемой диффузион- ной емкостью, обусловленной неосновными носителями, которые диффундируют через по- ниженный потенциальный барьер и накапливаются, не успевая рекомбинировать. Диффу- зионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т.к. она за- шунтирована малым прямым сопротивлением диода. 4 2.4.1. Классификация диодов. 1) По конструктивно- технологическим признакам диоды подразделяют: а) точечные и плоскостные; б) сплавные и диффузионные. 2) По функциональному назначению и принципу образования p-n перехода: а) выпрямительные; б) стабилитроны; в) варикапы; г) туннельные; д) импульсные; е) диоды Шотки; ж) фотодиоды; з) светодиоды, и т.д. 3) По мощности: а) диоды малой мощности (прямой дополнительный ток до 0.3 А); б) средней мощно- сти (от 0.3 А до 10 А); в) большой мощности (свыше 10 А). В ыпр ям и те л ь н ые ди оды. Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, называются выпрямительными. Для выпрямления низкочастотных сигналов при- меняются плоскостные низкочастотные выпрямительные диоды. Им пул ьс ные д и оды. Диоды работают в импульсном режиме при длительности импульсов, равной единицам или долям микросекунды. Ди од ы Ш от к и. Принцип действия основан на использовании выпрямительного перехода между металлом и полупроводником. Так как в металлической базе диода не происхо- дит накопления и рассасывания неосновных носителей, то диоды Шотки обла- дают большим быстродействием и могут работать на частотах до 20ГГц. Стаб ил и тр оны. Стабилитроны - полупроводниковые приборы, имеющие на своей ВАХ при обратном включении в области электрического пробоя участок, на котором на- пряжение слабо зависит от изменения тока. Может быть использован для стаби- лизации напряжения. Характеристика для прямого тока стабили- трона такая же, как у обычных диодов. Рис.4.5. Вольтамперная характеристика стабилитрона. Стаб ис т оры. ПП диоды, предназначенные для работы в стабилизаторах напряжения, причем в отличие от стабилитронов у стабилизаторов используется не обратное, а прямое напряжение, значение которо- го в среднем не более 0.7 В. Особенность стабисторов - отрица- тельный ТКН. Поэтому их применяют также в качестве термоком- пенсирующих элементов, соединяя их последовательно с обычны- ми стабилитронами, имеющими положительный ТКН. В ари кап ы. Варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляе- мые изменением обратного напряжения. (Используется барьерная емкость p-n перехода.) Применяются главным образом для настройки колебательных контуров. Т унне л ьн ые ди од ы. Вследствие возникновения контактной разности потенциалов в p-n переходе границы всех энергетических зон в одной из областей сдвинуты относительно со- ответствующих зон другой области на высоту потенциального барьера (в ЭВ). В обычных ПП диодах высота потенциального барьера равна примерно половине ширины запрещенной 5 зоны, а в туннельных диодах она несколько больше этой ширины, т.к. они обычно изготав- ливаются из полупроводников с очень высокой концентрацией примесей. Основные параметры туннельных диодов:ток максимума Imax; ток минимума Imin (или со- отношение Imax/Imin);напряжение максимума U1; напряжение минимума U2; наибольшее напряжение U3, соответствующее току Imax на втором восходящем участке ВАХ (участок БВ). Разность DU = U3 – U1 называется на- пряжением переключения или напряжением скачка. Токи в современных диодах состав- ляют единицы миллиампер. Напряжения – де- сятые доли вольта. На рисунке изображена ВАХ туннельного диода. Обра ще нн ые д и од ы. Принцип действия тоже основан на туннельном эффекте, причем высота потен- циального барьера при отсутствии внешнего напряжения равна ширине запрещен- ной зоны, в результате чего при прямом напряжении обращенный диод работает как обыч- ный выпрямительный диод, а при обратном - как туннельный. Поэтому обращенный диод при обратном включении обладает лучшей проводимостью, чем при прямом. Обращенные диоды могут работать в качестве детекторов на более высоких частотах, чем обычные дио- ды. 6 2.5 Биполярные транзисторы. Типы, назначение, хар-ки. Представляют собой ППП, пригодные для усиления мощности, имеющие 3 или более вы- водов. Наиболее распространены транзисторы с двумя р-n переходами, называемые бипо- лярными, т.к. их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. По сво- им структурным признакам биполярные транзисторы делятся на два основных типа: n-p-n и p-n-p . Рис.5.1. Структура и УГО биполяр- ных транзисторов. Средняя область транзистора называ- ется базой, одна крайняя область - эмиттером, другая - коллектором. Та- ким образом, в транзисторе имеются 2 p-n перехода: эмиттерный (между эмиттером и ба- зой) и коллекторный (между базой и коллектором). Транзистор может работать в трех ре- жимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эммитерном переходе напряжение прямое, на коллекторном - обратное. Режим отсечки или запирания достигается подачей обратного напряжения на оба перехода. Если на обоих пе- реходах напряжение прямое, то транзистор работает в режиме насыщения. Транзисторы классифицируются: 1 )По мощности: на малой мощности (Р до 0,3Вт), средней мощности (от 0,3Вт до 1,5Вт), и большой мощности (свыше 1,5Вт). 2 )По предельной рабочей частоте: низкой частоты (менее 3МГц), средней частоты (3 - 30МГц), высокой частоты (свыше 30МГц). 2.5.1. Характеристики и параметры биполярных транзисторов. Зависимости между токами и напряжениями в транзисторах выражаются статическими характеристиками транзисторов, снятыми при постоянном токе и отсутствии нагрузки в вы- ходной цепи. В транзисторах всегда взаимно связаны четыре величины: i1, i2, u1, u2- входные и выходные токи и напряжения. Одним семейством характеристик эту зависимость пока- зать нельзя. Необходимо, как минимум, два. Наиболее удобно рассматривать семейство входных характеристик i1=f(u1) вместе с семейством выходных характеристик i2=f(u2). Для каждой из трех схем включения транзистора существует свое семейство характери- стик.Входные характеристики относятся к эмиттерному переходу, который работает при прямом напряжении. Поэтому, они аналогичны характеристике для прямого тока диода. Выходные характеристики подобны характеристике для обратного тока диода, т.к. оно ото- бражают свойства коллекторного перехода, работающего при обратном напряжении. Входные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, представляют собой семейство кривых iб=f(uбэ) при постоянных выходных напряжениях (uкэ=const). Характери- стика при uкэ=0 идет из начала координат, так как, если все напряжения равны нулю, нет никакого тока. При uкэ>0 характеристика сдвигается вправо, ток ба- зы уменьшается и при малых uбэ становится отрица- тельным. Рис.5.7. Входные характеристики БТ, включенного по схеме ОЭ. Изменение uкэ мало влияет на ток базы. Входные ха- рактеристики при разных значениях uкэ расположены 7 очень близко друг к другу. В справочниках поэтому, обычно, приводится лишь одна вход- ная характеристика для рекомендованного значения uкэ. Семейство выходных характеристик представляет зависимость iк=f(uк) при постоянных токах базы. Рис.5.8. Выходные характеристики БТ, включенного по схеме ОЭ. Первая характеристика iб=0 напоминает обычную ха- рактеристику для обратного тока ПП диода. Условие iб=0 соответствует разомкнутой цепи базы. При этом через весь транзистор от эмиттера к коллектору прохо- дит сквозной ток iкэ0. Если iб>0, то выходная характеристика расположена выше, и тем выше, чем больше ток базы. Увеличение тока базы означает, что за счет повышения напряжения uбэ соответственно увеличился ток эмиттера, частью которого является ток базы. Следовательно, пропорционально возрастает и ток коллектора. 8 2.6 Полевые транзисторы. В отличие от биполярных транзисторов называются еще канальными или униполярными. Главное достоинство транзисторов - высокое выходное сопротивление, которое может быть таким же, как у электронных ламп, и даже больше. Рис.6.1. Структурная схема и УГО транзисторов. Принцип действия: при изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на р-n переходе, и от этого изменяется толщина запирающего (обедненного) слоя (штриховая линия). Соответственно этому изменяется пло- щадь поперечного сечения области, через которую проходит поток основных носителей заряда, т.е. выходной ток. Эта область называется каналом. Электрод, из которого в канал вытекают основные носи- тели заряда, называют истоком (И). Из канала носители пе- реходят к электроду, который называется стоком (С). Исток и сток аналогичны катоду и аноду электронной лампы. Управляемый электрод, предназначенный для регулирова- ния площади поперечного сечения канала, называется затвором (З). Если увеличивать на- пряжение затвора Uзи, то запирающий слой p-n перехода становиться толще и площадь по- перечного сечения канала уменьшается. Следовательно, его сопротивление постоянному току R0 возрастает и ток стока iс становиться меньше. При некотором запирающем напря- жении Uзи.зап. площадь поперечного сечения канала станет равной 0 и ток iс станет очень ма- лым. Транзистор запирается. А при Uзи=0 сечение канала наибольшее, сопротивление R0 наименьшее (около сотен Ом) и ток iс получается наибольшим. Хара кте рис ти к и и пар а- м е тры ПТ .Управляющее действие затвора наглядно иллюстрируют управляющие (стыко- затворные) характеристики, выражающие зависимость ic=f(Uзи) при Uсм=const. Однако эти характеристики неудобны для расчетов и поэтому на практике пользуются выходными ха- рактеристиками. Рис.6.2. Управляющие характеристики полевого транзистора. Вы- ходные (стоковые) характеристики полевого транзистора представляют собой зависимость iс=(Uси) при Uзи=const. Рис.6.3. Выходные характери- стики полевого транзистора. Они показывают, что с увеличением Uси ток iс сна- чала растет довольно быст- ро, а затем это нарастание замедляется и почти совсем прекращается, т.е. наступает явление, напоминающее на- сыщение. Это объясняется тем, что при повышении Uси ток должен увеличиваться, но т.к. одновременно повышается обратное напряжение на p-n переходе, то запирающий слой расширяется, канал сужается вблизи стока, т.е. его сопротивление возрастает и за счет этого ток iс должен уменьшаться. При подаче большого по абсолютному значению отрицательно- го напряжения на затвор ток iс уменьшается, и характеристика проходит ниже. Работа тран- зистора обычно происходит на пологих участках характеристики, т.е. в области, которая часто не совсем удачно называется областью насыщения. Напряжение, при котором начи- нается эта область, называется напряжением насыщения, а запирающее напряжение затвора - напряжением отсечки. Так же как и у биполярных транзисторов существует три схемы включения ПТ с общим истоком (ОИ) (аналогичноОЭ), общим стоком (ОС)(аналогично ОК), и общим затвором (ОБ). 9 2.7 Тиристор. Типы, назначение, хар-ки. Тиристоры являются переключающими приборами. Рис.7.1. Структура диодного тиристора (динистора). Как видно, он имеет три p-n перехода, причем два из них (П1 и П3) работают в прямом направлении, а средний пе- реход П2 - в обратном направлении. Крайнюю область р называют анодом, а крайнюю область n - катодом. Тири- стор можно представить в виде экви- валентной схемы (модели), состоящей из двух транзисторов Т1 и Т2 типа n-p-n и p-n-p, соединенных, как показано на рисунке. По- лучается, что переходы П1 и П3 являются эмиттерными переходами этих транзисторов, а переход П2 работает в обоих транзисторах в качестве коллекторного перехода. Через пере- ходы П1 и П3 работающие в прямом направлении, в области, примыкающей к переходу П2, инжектируются неосновные носители заряда, которые уменьшают сопротивление перехода П2. Рис.7.2. ВАХ тиристора. ВАХ тиристора показывает, что происходит в тиристоре при повышении приложенного напряже- ния. Сначала ток невелик и растет медленно, что соответствует участку ОА ВАХ. В этом режиме ти- ристор можно считать закрытым (―запертым‖). Около т. А при некотором напряжении, называе- мом напряжением включения Uвкл , влияние обоих процессов уравновешивается, а затем ничтожно малое повышение напряжения создает перевес второго процесса и сопротивление перехода П2 начинает уменьшаться. Тогда возникает лавинообразный процесс быстрого отпирания тиристора. Этот процесс объясняется следующим образом. Ток резко скачком возрастает (участок АБ ВАХ), в результате устанавливается большой ток при малом напряжении (БВ). Ток в этом режиме, когда прибор открыт (―отперт‖), определяется главным образом сопро- тивлением нагрузки Rн, включенной последовательно. За счет возникшего большого тока все напряжения источника питания падает на нагрузке Rн. Диодный тиристор характеризу- ется максимальным допустимым значением прямого тока Imax, при котором на приборе бу- дет небольшое напряжение Uоткр. Если уменьшать ток, то при некотором его значении, на- зываемом удерживающим токам Iуд, ток резко уменьшается, а напряжение резко повышает- ся, т.е. прибор переходит скачком обратно в закрытое состояние. При обратном напряжении на тиристоре характеристика получается такой же, как для обратного тока обычных диодов. Время включения тиристоров обычно не более единиц микросекунд, а время выключения, связанное с рекомбинацией носителей, доходит до десятков микросекунд. Поэтому тири- сторы могут работать только на сравнительно низких частотах. Разработаны также симмет- ричные тиристоры или симисторы, имеющие структуры n-p-n-p-n или p-n-p-n-p, которые отпираются при любой полярности напряжения и проводят ток в оба направления, и заме- няет собой цепь из двух обычных тиристоров, включенных встречно-параллельно, их ВАХ одинакова в I и III квадрантах. Динистор – тиристор без управляющего электрода. Он ана- логичен обычному тиристору, у которого не подается сигнал на управляющий электрод. Для включения динистора к нему необходимо приложить напряжение ³Uвкл. При приложе- нии обратного напряжения динистор всегда заперт. 10 2.8 Интегральные микросхемы. Виды, технологии. ЭРЭ – электронный радиоэлемент. Дискретный ЭРЭ – электронный радиоэлемент выполненный по самостоятельной тех- нологии в отдельном корпусе. Функциональный узел – законченная электрическая схема, готовая к выполнению тех или иных электрических преобразований. Плотность упаковки - число ЭРЭ в единице объема схемы. Традиционная задача электроники – миниатюризация электронной схемы. Интегральная технология – это технология изготовления законченных функциональ- ных узлов в объеме одного кристалла. Микросхемы изготовленные по этой технологии называется интегральной микросхе- мой. По технологииизготовленияразличают: 1. Полупроводниковые ИМС, имеют активную подложку, т.е. активные элементы (тран- зисторы) теми или иными способами (диффузия под воздействием лазерного облучения) вносятся в подложку соединения, осуществляют по поверхности сигнала с помощью напы- ления проводящих дорожек. Изготовленный таким образом функциональный узел помеща- ют в общий защитный корпус. 2. Гибридные ИМС имеют пассивную диэлектрическую подложку, соединения наносят- ся напылением, активные элементы наслаиваются на поверхность кристалла. По числу элементов в микросхеме (степень интеграции) различают: 1. Малые ИМС (от 10 до 100 активных элементов) 2. Средние ИМС (от 100 до 1000 активных элементов) 3. Большие ИМС (от 1000 до 100000 активных элементов) Микропроцессор – это центральный процессор ЭВМ, изготовленный по интегральной технологии, он имеет сходную структуру при различных модификациях ЭВМ. По характеру выполняемых операций различают: 1. Цифровые ИМС – выполняют логические и арифметические операции. 2. Аналоговые ИМС осуществляют обработку аналоговых сигналов. Наибольшее распространение имеют следующие виды ИМС: ТТЛ - микросхемы транзисторно-транзисторной логики на биполярных транзисторах; ЭСЛ - микросхемы эмиттерно-связанной логики на биполярных транзисторах; МОП (или МДП) - микросхемы на полевых транзисторах структуры металл - оксид- полупроводник (металл - диэлектрик- полупроводник); КМОП - микросхемы с симметричной структурой на полевых транзисторах р- и n-типа. Причины перехода от аналоговых ИМС к цифровым: 1) Помехозащищенность информации, т.е. зона чувствительности между 0 и 1 большая. 2) Применяются различные программные средства по обработке информации. 3) Алгорифметическая помехозащищенность. 4) Легко обрабатывать информацию. 11 2.9 ,10 Схемы включения транзисторов Применяют три основных схемы включения транзисторов. В этих схемах один из элек- тродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Соответственно эти схемы называют схемами с общей базой, общим эмиттером, и общим коллектором. Схе м а с об щим эм и тте р ом (О Э). Является наиболее распространенной т.к. дает наибольшее усиление по мощности. Рис.1. Схема включения БТ с общим эмиттером. Коэффициент усиления по току каскада представ- ляет собой отношение амплитуд выходного и вход- ного переменного тока: ki=Im.вых/Im.вх =Im.к/Im.б Составляет обычно десятки. Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме с ОЭ характеризует ста- тический коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока) для схемы с ОЭ – b. Его определяют в режиме без нагрузки (Rн = 0). Кроме усиления по току схема обеспечивает и усиление по напряжению, т.к. входное на- пряжение Uбэ не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении нагрузки и напряжении источника Е2 составляет десятки вольт. Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т.е. между выходным и входным напряжением есть фазовый сдвиг 180°. Схе м а с об ще й б а з ой ( ОБ ). Рис.2. Схема включения БТ с общей базой. Схема имеет значительные недостатки, но иногда приме- няется вследствие хороших частотных и тепловых свойств. Коэффициент усиления по току всегда меньше 1: ki=Im.к/Im.э<=1 Коэффициент усиления по напряжению такой же, как и в схеме с ОЭ: ku=Uкб /Uэб Для схемы с ОБ фазовый сдвиг между вход- ным и выходным напряжением отсутствует. Схе м а с об щим к ол л е к т ор ом . Рис.3. Схема включения БТ с общим коллектором. Уравнение входного напряжения для данной схемы: Uвх=Uбэ+Uвых т.к. Uбэ<<Uвых, то коэффициент усиления по напряжению этой схемы: ku=Uвых/Uвх=Uвых/(Uбэ+Uвых)<=1 Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с ОЭ: ki=Iэ/Iб=Iк/Iб+1 Фазового сдвига между выходным и входным напряжением нет. У полевых транзисторов схемы включения такие же как у биполярных транзисторов – с общим истоком (ОИ) (аналогично ОЭ), общим стоком (ОС) ( аналогично ОК), общим за- твором (ОБ). 12 2.11 Операционные усилители. Схемы включения Операционный усилитель (ОУ) - это высококачественный усилитель постоянного то- ка (УПТ), выполненный по интегральной технологии с большим коэффициентом усиления, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью (ООС). Усилители постоянного тока отли- чаются от усилителей переменного тока тем, что позволяют усиливать медленно изменяю- щиеся сигналы (f®0). Соответственно у них отсутствуют реактивные компоненты, которые не пропускают постоянную составляющую сигнала. УПТ широкополосны и позволяют уси- ливать сигналы от fН=0 до fВ. Их амплитудные и частотные характеристики изображены на рис.1 Рис.1. Амплитудная и частотная характеристики УПТ. Параметры реальных ОУ стремятся приблизить к параметрам идеального ОУ. Идеальный ОУ- это усилитель постоянного тока, имеющий дифференциальный вход с усилением по напряжению дифференциального сигнала kU®¥ и полным входным сопро- тивлением zВХ бесконечно большим на всех частотах; бесконечный коэффициент ослабле- ния синфазных сигналов (КОСС);нулевой дрейф, шум и сдвиг нуля; нулевые входные токи смещения и сдвига; нулевое выходное сопротивление; выходной сигнал напряжения, могу- щий одинаково изменяться в сторону как положительного напряжения, так и отрицательно- го напряжения относительно потенциала точки покоя выхода. На практике реальные ОУ имеют параметры, отличные от идеальных. Параметры и характеристики ОУ можно условно подразделить на входные, выходные и характеристики передачи. К входным параметрам относят: напряжение смещения нуля; входные токи; разность входных токов; входные сопротивления; коэффициент ослабления синфазных входных на- пряжений; диапазон синфазных входных напряжений; температурный дрейф напряжения смещения нуля; температурные дрейфы входных токов и их разности; напряжение шумов, приведенное к входу; коэффициент влияния нестабильности источника питания на напря- жения смещения. К группе выходных параметровотносятся выходное сопротивление, напряжение и ток выхода. К группе характеристик передачиотносят: коэффициент усиления по напряжению; час- тоту единичного усиления; скорость нарастания выходного напряжения; время установле- ния выходного напряжения; время восстановления; амплитудно-частотную характеристику У с л ов н ое об оз нач е н ие и с хе м оте хни ка ОУ . Рис.2. Условные обозначения ОУ. ОУ имеет один выходной вывод и два входных. Знак характеризует усиление. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180° относительно выходного напряжения, на- зывается инвертирующим и обозначается знаком инверсии 0, а вход, напряжение на котором сов- падает по фазе с выходным напряжением – неин- вертирующим. Вывод, общий для выхода и входов – это общая шина. 13 Инве рт ир ую щи й ус ил и те л ь на ОУ . Среди усилителей, выполняемых на основе ОУ, наиболее часто используются инверти- рующий и неинвертирующий варианты.Рассмотрим инвертирующий усилитель. Рис.3. Схема инвертирующего усилителя. В этой схеме ОУ охвачен параллельной ООС по напряже- нию (цепью резистора RОС). Если положить, что здесь ис- пользуется идеальный ОУ, то разность напряжений на его входе должна стремиться к нулю. Поскольку неинверти- рующий вход соединен с общей шиной, то потенциал на ин- вертирующем входе (точка А) тоже должен быть равен ―ну- лю‖. Точку А принято называть ―точкой виртуального ну- ля‖. Uвых = - Неин ве р т иру ю щий ус ил ите л ь . R oc R1 Uâõ , кu = - R oc R1 - коэффициент усиления Рис.4. Принципиальная схема неинвертирующего усилителя на ОУ. Входной сигнал поступает на неинвертирующий вход ОУ, а на ин- вертирующий вход подается сигнал обратной связи. В неинверти- рующем усилителе ОУ охвачен последовательной ООС по напряже- С у м м ат ор ы на ОУ нию. Uвых =( R oc R1 + 1)Uвх, кu = R oc +1 R1 Широко распространены инвертирующие и неинверти- рующие сумматоры на ОУ. Рис.5. Принципиальная схема инвертирующего суммато- ра на ОУ с тремя входными сигналами. При использовании идеального ОУ можно считать, что сумма входных токов усилителя, вызванных напряже- ниями UВХ1, UВХ2, UВХ3 равна току, протекающему по RОС, т.е. UВХ1/R1+UВХ2/R2+UВХ3/R3=-UВЫХ/RОС, откуда UВЫХ=-(UВХ1RОС/R1+UВХ2RОС/R2+UВХ3RОС/R3). Отсюда следует, что выходное напряжение устройства представляет собой сумму входных напряжений, умноженную на КU.ИНВ. При RОС=R1=R2=R3 UВЫХ=-(UВХ1+UВХ2+UВХ3). Неинвертирующий сумматор может быть реали- зован при использовании неинвертирующего усилителя. Анал ог овы й и нте гра т ор. Рис.6. Принципиальная схема аналогового интеграто- ра. Такое устройство реализуется заменой RОС на С. При использовании идеального ОУ можно приравнять токи в резисторе R1 и конденсаторе С: UВХ/R1= –CdUВЫХ/dt, откудаUВЫХ= –(1/R1C)ò UВХdt Точность выполнения функции тем выше, чем больше KU.ОУ. 14 2.12 Параметрический стабилизатор напряжения. Важнейшим условием нормальной работы электронных устройств является стабиль- ность питающего напряжения. Качество работы стабилизатора характеризуется: - Коэффициентом стабилизации, который показывает во сколько раз относительное изменение выходного напряжения (тока) меньше относительного изменения входного напряжения(тока) при условии Rн=const. - Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделяемой на на- грузке, ко входной мощности.h=Pн/Pвх=(UнIн)/(UвхIвх). - Выходное сопротивление, показывающее во сколько раз изменится напряжение на выходе стабилизатора при изменении тока нагрузки: Rвых=DUн/DIн/Uвх=const - Важным параметром стабилизаторов является температурный коэффициент по на- пряжению ТКН, который характеризует изменение выходного напряжения при измене- нии температуры окружающей среды при неизменном входном напряжении и нагрузке (Uвх=const; Iн=const), т.е. ТКН=DUвых/DТокр. ср. В зависимости от рода стабилизируемого напряжения или тока стабилизаторы подразде- ляются на стабилизаторы переменного напряжения (тока) и стабилизаторы постоянного напряжения (тока). В зависимости от метода стабилизации они подразделяются на пара- метрические, компенсационные и импульсные. Парам е т рич е с ки й с таб ил и за т ор на п р яже н ия. На рисунке 1 приведена схема простейшего стаби- лизатора напряжения, называемого параметриче- ским, т. к. свойства такого стабилизатора опреде- ляются в основном параметрами стабилитрона. В этой схеме колебания входного напряжения или тока нагрузки приводят только к изменению тока через стабилитрон, а напряжение на ста- билитроне, подключенном параллельно на- грузке, остается почти неизменным. Входное напряжение распределяется в схеме между балластным резистором и стабили- троном, т.е. UВХ = URБ + UСТ, где URБ = (IСТ + IH)RБ Рис.1 ВАХ стабилитрона. Параметрические стабилизаторы напряжения просты и надежны, однако имеют сущест- венные недостатки, главными из которых являются: невозможность регулировки выход- ного напряжения, малое значение коэффициента стабилизации, особенно при больших токах нагрузки (Iн>Iст. ном.) 15 2.13 Компенсационные стабилизаторы Важнейшим условием нормальной работы электронных устройств является стабиль- ность питающего напряжения. Качество работы стабилизатора характеризуется: - Коэффициентом стабилизации, который показывает во сколько раз относительное изменение выходного напряжения (тока) меньше относительного изменения входного напряжения(тока) при условии Rн=const. - Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделяемой на на- грузке, ко входной мощности.h=Pн/Pвх=(UнIн)/(UвхIвх). - Выходное сопротивление, показывающее во сколько раз изменится напряжение на выходе стабилизатора при изменении тока нагрузки: Rвых=DUн/DIн/Uвх=const - Важным параметром стабилизаторов является температурный коэффициент по на- пряжению ТКН, который характеризует изменение выходного напряжения при измене- нии температуры окружающей среды при неизменном входном напряжении и нагрузке (Uвх=const; Iн=const), т.е. ТКН=DUвых/DТокр. ср. В зависимости от рода стабилизируемого напряжения или тока стабилизаторы подразде- ляются на стабилизаторы переменного напряжения (тока) и стабилизаторы постоянного напряжения (тока). В зависимости от метода стабилизации они подразделяются на пара- метрические, компенсационные и импульсные. Ком пе нс а ц и он ные с т абил иза т оры на п ряже ни я Компенсационные стабилизаторы по принципу действия различают на непрерывные и им- пульсные. Стабилизаторы напряжения непрерывного действия представляют собой систему автоматического регулирования, в которой фактическое значение выходного напряже- ния сравнивается с заданным значением эта- лонного (опорного) напряжения. Возникаю- щий при этом сигнал рассогласования уси- ливается и должен воздействовать на регу- лирующий элемент стабилизатора таким об- разом, чтобы выходное напряжение стреми- лось вернуться к заданному уровню. В каче- стве источника опорного напряжения обыч- но используют параметрический стабилиза- тор. Рис.1 Структурная схема компенсационного стабилизатора последовательного типа. В схеме компенсационного стабилизатора последовательного типа регулирующий элемент РЭ включен последовательно с нагрузкой и играет роль управляемого балластного сопро- тивления. Разностный сигнал рассогласования Uн-Uоп, формируемый схемой сравнения СС, поступает на вход усилителя постоянного тока У, усиливается и воздействует на регули- рующий элемент РЭ. При положительном сигнале рассогласования (Uн-Uоп)>0, внутреннее сопротивление РЭ возрастает, и падение напряжения Uрэ на нем увеличивается. Т.к. РЭ и нагрузка включены последовательно, то при увеличении UРЭ выходное напряжение умень- шается, стремясь к значению UН.НОМ. При отрицательном сигнале рассогласования (Uн- Uоп)<0, наоборот, внутреннее сопротивление РЭ и падение напряжения на нем уменьшают- 16 ся, что приводит к возрастанию выходного напряжения. Таким образом, в компенсацион- ном стабилизаторе действует отрицательная обратная связь по напряжению. Рис.2 Принципиальная схема компенсацион- ного стабилизатора. Роль регулирующего элемента в схеме играет транзистор VT1. При увеличении UВХ выходное напряжение возрастает по абсолютному значе- нию, создавая положительный сигнал рассогла- сования напряжения Uбэ2 на входе усилителя по- стоянного тока, выполненного на транзисторе VT2. Ток коллектора транзистора VT2 возрас- тает, а потенциал коллектора VT2 становится более отрицательным. Напряжение база- эмиттер транзистора VT1 уменьшается, что приводит к возрастанию внутреннего сопротив- ления транзистора VT1 и падения напряжения на нем. Выходное напряжение при этом уменьшается, стремясь к прежнему значению. Для повышения коэффициента стабилизации схемы резистор Rк, определяющий базовый ток регулирующего транзистора VT1, подключается к стабильному источнику напряжения – Е0. Главная регулировка выходного напряжения производится с помощью делителя напря- жения R1, R2, R3. В схеме компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа РЭ подключен параллельно нагрузке Rн. Последовательно с ним включается балластный резистор RБ. Разностный сигнал рассогласования / UН-UОП/, формируемый схемой сравнения (СС), уси- ливается с помощью усилителя У и воздействует на регулирующий элемент РЭ, изменяя его ток IP таким образом, чтобы обеспечить постоянство выходного напряжения UН. КПД у та- ких стабилизаторов ниже, чем у стабилизаторов последовательного типа, так как на балла- стном резисторе RБ расходуется дополнительная мощность. Рис.3 Схема структурная компенсационного стаби- лизатора напряжения параллельного типа 17 2.14 Стабилизаторы тока В компенсационных стабилизаторах тока последовательно с нагрузкой включается эталон- ный резистор Rэт, напряжение на котором стабилизируется с помощью обычного стабилиза- тора напряжения. Таким образом, при изменении нагрузки Rн ток, протекающий через нее, останется неизменным. Рис.1 Вариант схемы компенсационного стабилизато- ра тока. Сигнал рассогласования UR Д.Т.-UОП усиливается с по- мощью усилителя постоянного тока на транзисторе VT2, и воздействует на регулирующий элемент (транзи- стор VT1). 18 2.15 Импульсные стабилизаторы напряжения Применение импульсного режима работы регули- рующего элемента стабилизатора позволяет повысить КПД до 80% и выше. Рис. Структурная схема импульсного стаби- лизатора напряжения последовательного ти- па. В такой схеме нагрузка последовательно через сгла- живающий фильтр Ф и ключевой регулирующий эле- мент РЭ подключена к источнику входного напряже- ния. Выходное напряжение сравнивается с эталонным опорным напряжением Uоп. Разност- ный сигнал рассогласования Up, формируемый схемой сравнения СС, воздействует на схе- му управления СУ, которая вырабатывает импульсы, управляющие временами размыкания и замыкания ключевого регулирующего элемента. В результате ко входу сглаживающего фильтра Ф будет приложено импульсное напряжение Uф (см. рис. 2.). Среднее значение этого напряжения Uфо зависит от соотношения времен замкнутого tз и разомкну- того tp состояния ключа РЭ и определяется форму- лой: Uфо=Uвх(tз/(tз+tp)=Uвхtз/Т=Uвхtзf=Uвх/Q, где Т=tз+tp-период; f-частота переключения ключевого элемента; Q=T/tр-скважность последовательности импульсов. Изменение параметров tз и f можно рассматривать как модуляцию входного напряжения ключевым элементом РЭ. Наибольшее распространение получили стабилизаторы с широтно-импульсной модуля- цией, когда изменяется длительность управляющих импульсов tз (время замкнутого состоя- ния ключевого элемента РЭ), а частота f их следования остается неизменной. В качестве схемы управления СУ в таких стабилизаторах может использоваться генера- тор импульсов ГИ, вырабатывающих прямоугольные импуль- сы с постоянной f. Длительность импульсов определяется ве- личиной сигнала рассогласования, поступающего с выхода схемы сравнения СС. Возможно построение стабилизатора с ШИМ на основе сле- дующей структурной схемы на рис.3. РЭ - регулирующий элемент;Ф – фильтр;Н-нагрузка;ГЛИН - генератор линейно изменяющегося напряжения;КН - компаратор напряжения Принцип работы схемы можно проиллюстрировать с помощью временных диаграмм (см. рис.4.). По способу включения регулирующего транзистора и дросселя, входящего в состав фильтра Ф, ИСН можно под- разделить на последовательные и параллельные. Рассмотрим варианты соединения элементов силовой части ИСН. Если источник постоянного тока подключить к нагрузке с помощью периодически замыкаемого и размыкаемого клю- ча, то среднее значение напряжения на нагрузке: 19 0 Uн=(1/T)òtн i(t)Rнdt где tн - длительность импульса замкнутого состояния ключа; T-период коммутации; i(t)- текущее значение тока. Если параллельно нагрузке подключить конденса- тор достаточно большой емкости, то переменная составляющая тока контура будет замы- каться через него, а пульсации напряжения на нагрузке будут незначительны. Это условие может выполняться при трех вариантах соединения силовых элементов. а) б) в) Рис.5. Поясним особенности схем: Схема с последовательным включением транзистора и дросселя (рис.5.(а)) позволяет по- лучить на нагрузке напряжение, равное или меньшее напряжения питания. Схема с последовательным включением транзистора и параллельным включением дрос- селя (рис.5.(б)) позволяет получить напряжение, большее или меньшее напряжения пита- ния, при этом напряжение на выходе стабилизатора инвертируется. Схема с параллельным включением транзистора и последовательным включением дрос- селя (рис.5.(в)) позволяет получить напряжение, равное или большее напряжения питания. Необходимо отметить, что известны различные варианты построения силовых цепей, одна- ко все они могут быть сведены к трем, рассмотренным выше. Процессы, характеризующие работу импульсного стабилизатора без учета особенностей схемы форми- рования управляющих импульсов, рассмотрим на примере ИСН, построенного по схеме рис.5.(а). Вре- менные диаграммы работы такой схемы изображены на рис.6. Рис.6 . Предположим, что в момент времени t=0 регулирующий транзистор открыт и ток через катушку индуктивности нарастает по линейному закону: iL=IL(0)+(Uвх-Uвых)t/L где iL(0)-ток, проходящий через катушку в момент отпирания транзистора. В момент времени t=t1 ,транзистор закрывается(т.е. ключ размыкается). Ток iL(t1) убывает также по линейному закону, протекая через открытый диод: iL=iL(t1)-Uвыхt/L Затем в момент времени t2 снова замыкается ключ (открывается транзистор) и ток iL на- чинает увеличиваться по линейному закону. Цикл повторяется. Режим работы стабилизатора при iL(t2) >0 называют режимом непрерывного тока. В этом случае выражение для определения пульсаций тока, протекающего через катушку индуктивности можно записать так: DiL=(Uвх-Uвых)(t2-t1)/2L=(Uвх-Uвых)tзамк/2L Пульсацию выходного напряжения DUвых определим, учитывая, что в установившемся режиме работы схемы средние значения токов, протекающих через катушку индуктивности и нагрузку, равны между собой. Следовательно, среднее значение тока, протекающего через конденсатор, равно нулю, а изменение напряжения на нем или пульсация выходного напряжения определяется только пульсацией тока iL0;напряжение на конденсаторе Uc увеличивается. При уменьшении iL от- носительно IL0 напряжение Uc также уменьшается. Таким образом, можно записать уравнение баланса электрических зарядов в цепи катуш- ки индуктивности и конденсатора. DiL/2*T/2=2DUвыхС (*) где Т-период переключения силового транзистора,Diw/2- среднее значение пульсаций тока за половину периода, т.е. Т/2; 2DUвых - изменение напря- жения на конденсаторе за половину периода. Из выражения (*) следует: DUвых=DiLT/8C=(Uвх-Uвых)tзамк/16LCf Из данного выражения следует, что для обеспечения малой пульсации выходного напря- жения необходимо увеличивать частоту переключения f. Однако при увеличении частоты возрастают потери мощности в РЭ, катушке индуктивности, что приводит, в конечном сче- те, к снижению КПД. Обычно частота регулирования импульсных стабилизаторов напря- жения лежит в пределах 2-50 кГЦ. 2.16 Понятия цифровой электроники. Логические операции. Логические элементы Теоретической основой проектирования цифровых устройств является алгебра логики, или алгебра Д. Буля, оперирующая двумя логическими высказываниями «истинно» и «ложно», которые обозначаются соответственно символами 1 и 0. Сложное высказывание называется логической функцией: y=f(x1,x2...xn), в которой сама функция y и ее аргументы - двоичные числа, принимаюшие значения 0 и 1. Наиболее часто в цифровых схемах применяются логические элементы, реализующие следующие логиче- ские функции: Логические операции 1 . Инверсия : Y = X Таблица истинности. Таблица истинности ставит в соответствие определенной комби- нации входных переменных – заданное значение логической функции. Таблица 10.1. Таблица истинности инвертора & 1 2. Операция логического сложения или дизъюнкция: Y = X1 + X2 = X1UX2 Операция логического умножения или конъюнкция: Y = X1*X2 = X1&X2 1 Инвертор- реализует функцию логического отрицания или инверсии, которая часто обозначается как НЕ. Логические функции могут задаваться различными спосо- бами, из которых мы будем использовать 3. 1) аналитическое представление функции (для НЕ - y =`x); 2) табличный способ, когда функция задается в виде таблицы истинности; 3) способ временных диаграмм. 2 Логический элемент ИЛИ- реализует функцию логического сложения (дизъюнкция). 3 Логический элемент И- реализует функцию логического умножения (конъюнкция). 4 Логический элемент И-НЕ(Штрих Шеффера). 5 Логический элемент ИЛИ-НЕ(Стрелка Пирса). 6 Логический элемент – равнозначность (исключающее ИЛИ-НЕ). 7 Логический элемент - Исключающее ИЛИ(неравнозначность). 8 Мажоритарный логический элемент или схема голосования. 1 2 3 Y = 1, когда на входе единиц больше чем нулей. 24 2.17 Основные тождества алгебры Буля Алгебра логики (АЛ) является основным инструментом синтеза и анализа дискретных ав- томатов всех уровней. АЛ называют также Булевой алгеброй. АЛ базируется на трѐх функ- циях, определяющих три основные логические операции. 1. Функция отрицания (НЕ). f1 =`X читается, как f1 есть (эквивалентна) НЕ Х. Элемент, реализующий функцию НЕ, называется элементом НЕ (инвертором). Элемент НЕ имеет два состояния. 2. Функция логического умножения (конъюнкции). Функция логического умножения за- писывается в виде f2=X1·X2. Символы логического умножения &, L, <×>, ´. Функция конъ- юнкции читается так: f2 есть (эквивалентна) Х1 и Х2, поскольку функция истинна тогда, ко- гда истинны 1-й и 2-й аргументы (переменные). Конъюнкцию называют функцией И, эле- мент, реализующий эту функцию, элементом И. В общем случае функцию логического умножения от n переменных записывают так: Количество переменных (аргументов), участвующих в одной конъюнкции, соответст- вует количеству входов элемента И. 3. Логическое сложение (дизъюнкция). Функция логического сложения записывается в ви- де f3=X1 + X2, и читается так: f3 есть Х1 или Х2, поскольку функция истинна, когда истин- на одна или другая переменная (хотя бы одна). Поэтому функцию дизъюнкции часто назы- вают функцией ИЛИ. Символы логического сложения +,V. В общем случае функция ИЛИ записывается: Используя операции (функции) И, ИЛИ, НЕ можно описать поведение любого комбинаци- онного устройства, задав сколь угодно сложное булево выражение. Любое булево выраже- ние состоит из булевых констант и переменных, связанных операциями И, ИЛИ, НЕ. Пример булева выражения: . Основные законы алгебры логики. Основные законы АЛ позволяют проводить экви- валентные преобразования функций, записанных с помощью операций И, ИЛИ, НЕ, приво- дить их к удобному для дальнейшего использования виду и упрощать запись. ЗАКОНЫ АЛГЕБРЫ ЛОГИКИ Таблица 1.1 N а б Примечание 1 2 3 4 5 =1 X+0=X X+1=1 X+X=X X+ =1 =0 X*1=X X*0=0 X*X=X X* =0 Аксиомы (тождества) 6 =X Закон двойного отрица- ния 7 X+Y=Y+X X*Y=Y*X Закон коммутативности 8 X+X*Y=X X =X Закон поглощения 9 = * Правило де-Моргана (за- кон дуальности) 10 +Z=X+Y+Z Закон ассоциативности 11 X+ *Z= X+ Z Закон дистрибутивности Булевой алгебре свойственен принцип двойственности, что наглядно иллюстрирован в табл. 1.1. Как следует из табл. 1.1, только закон двойного отрицания не подчиняется этому принципу. Используя законы алгебры логики, можно упростить булевы выражения, в частности, пра- вило склеивания позволяет упростить выражение типа . Действительно, используя законы 2, 5 и 11 можно записать исходное выражение в ви- де Х2(Х1 +`Х1 ) =Х2. Так как логическая операция Х1 +`Х1 = 1 (см. з-н 5), а Х2×1 = Х2 (см. з- н 2б), полученное выражение истинно. 2.18 Системы исчисления В дискретной автоматике и вычислительной технике числовая информация представ- ляется в двоичной системе счисления, при этом двоичные переменные можно рассматри- вать как элементы двоичного кода числа, то есть как цифры этой системы счисления. Дво- ичная система счисления, как и десятичная, относится к позиционным системам и является системой с основанием 2. В десятичной системе число А, имеющее n-разрядную целую часть и m-разрядную дробную часть, представляется суммой: А=an-110n-1+an-210n-2+¼+ai10i+¼+a0100+a-110-1+a-210-2+¼+a-m10-m, где ai - десятичная цифра от 0 до 9, а основанием системы счисления является число 10. Например, число 236.75 в десятичной системе счисления в соответствии с этим уравнением можно записать: 236.75=2×102+3×101+6×100+7×10-1+5×10-2. Аналогично, в двоичной системе счисления число В можно представить в виде суммы В=bn-12n-1+bn-22n-2+¼+bi2i+¼+b020+b-12-1+b-22-2+¼+b-m2-m, где bi - двоичные цифры 0 и 1, а основанием системы счисления является число 2 (в деся- тичном виде). Например, то же число 236.75 в двоичном коде запишется: 236.75=1×27+1×26+1×25+0×24+1×23+1×22+0×21+0×20+1×2-1+1×2-2 Разумеется, для одного и того же числа А, количество разрядов в двоичной системе существенно больше, чем в десятичной. Например, трехразрядное десятичное число 235 в двоичной системе представляется восемью разрядами: 11101011. Перевод целой части числа из десятичной системы в двоичную производится методом последовательного деле- ния числа на 2 до тех пор, пока частное от деления не станет равным единице, например: 42 2 42 21 2 0 20 10 2 1 10 5 2 0 4 2 2 1 2 1 0 При этом число в двоичной системе числения записы- вается в виде остатков от деления, начиная с послед- него частного, справа налево.В рассмотренном при- мере: 42 (10) = 101010 (2). Для перевода дробной части числа последова- тельно умножаем дробную часть на два. Двоичное число записывается в виде целых час- тей чисел, полученных при умножении только дробной части, начиная сверху после запя- 0 6875 X2 1 375 X2 0 75 X2 1 5 X2 1 0 той. В рассматриваемом примере (0,6875) (10) = 0,1011(2). По рассмотренным правилам числа можно переводить и в другие сис- темы счисления, например в восьмеричную, шестнадцатеричную и т. д., во всех случаях умножение или деление производится на основание новой системы счисления. Для представления чисел в любой системе счисления с основанием р используется набор из р символов: для р=2 – (0,1), для р=8 – (0,1,2,3,4,5,6,7), для р=10 – (0,...,9), для р=16 – (0,...,9,A,B,C,D,E,F). Правила перевода из восьмеричной и шестнадцатеричной систем в двоичную систему: переводим по порядку все символы - цифры, затем ну- ли слева и справа в записи двоичного числа отбрасываем. Пример: 725,54Q = (111 010 101, 101 100) = 111010101,1011B Обратный перевод из двоичной системы: Для перевода в восьмеричную систему: разбиваем двоичное число на группы по 3 раз- ряда, начиная от запятой вправо и влево, добавляем недостающие нули слева и справа. Аналогично для перевода из двоичной в шестнадцатеричную разбиваем на группы по 4 разряда. Пример: 1110101101,10111B = (001 110 101 101,101 110) = 1655,56Q 1110101101,10111B = (0011 1010 1101,1011 1000) = 3AD,B8H Перевод числа из одной системы исчисления в другую и наоборот. Двоичная система исчисления 516=5*10²+1*10¹+6*10º Перевод чисел из двоичной системы в десятичную: 10000111 = 1× 27 + 0 × 26 + 0 × 25 + 0 × 24 + 0 × 23 + 1× 22 + 1× 21 + 1× 20 = = 128 + 4 + 2 + 1 = 135 2.19 Нагрузочная способность элемента ТТЛ. Основы синтеза логических схем Под нагрузочной способностью элемента ТТЛ понимают число входов других элемен- тов, которые можно подсоединить к выходу этого элемента. Нагрузочная способность элемента ТТЛ определяется в элементе с открытым транзи- стором Т3, в элементе с двухтактным выходным каскадом – транзистор Т4. Iвх=1,6 mА. Элементы с открытым коллектором можно соединить параллельно: A & B A1 & B1 +5 B y инципиальная параллельного соединения м коллектором х схем можно расширять число входов ло- Y = A * B* A1* B1` хтактным выходным каскадом соединять Если соединить параллельно: пиальная параллельного соединения эле- ым каскадом (так соединять нельзя) верхний транзистор первого элемента и рого элемента течѐт одинаковый ток, по- туация, т.к. верхний транзистор рассчитан током, чем нижний. схем: аблицы истинности. Y Рис.1 Схема пр элементов с открыты С помощью таки гических элементов. Элементы с дву параллельно нельзя. Рис.2 Схема принци ментов с двухтактным выходн При такой комбинации через через нижний транзистор вто этому создаѐтся аварийная си на работу с гораздо меньшим Способы синтеза логических Первый способ: с помощью т X1 X2 X3 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 Второй способ: временные диаграммы. Рис. 3 Временные диагр Третий способ: с помощью логического выражения. 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 аммы логических схем x3 x2 x1 y Y = X1X2 X3 + X1X2X3 + X1X2X3 + X1X2X3 + X1X2 X3 + X1X2X3 29 Четв X3 X2 & X1 & X3 1 Y ИЛИ X2 1 X1 ѐртый способ: Метод содержательного описания Элемент ИЛИ-НЕ. Схема реализации элемента ИЛИ-НЕ ставление логических элементов на основе базовых (на примере логического элемен НЕ») 1 Y Пред та «И – Элемент «НЕ»: Схемотехническая реализация элемента «И – НЕ» такова, что свободный вход воспри- нимается, как логическая единица, т.е. в принципе необязательно соединять оба входа. Элемент «И» Элемент «ИЛИ» - реализуется на основе правила Шеннона де Моргана. 30 Элемент «исключающее ИЛИ» Элемент «исключающее ИЛИ – НЕ» 2.20 льтиплексора входов. ципу кругового переключателя: Мультиплексоры Рисунок 1 - Условное обозначение сдвоенного четырехканального селектора-мультиплексора 155КП12 Мультиплексором называется схема, имеющая m+2m входов и один выход, где m - число адресных входов, а 2m - число информаци- онных входов мультиплексора. Адреса представляются в двоичном коде и им присваивается номер j. Каждому адресу с номером j соот- ветствует свой информационный вход Аj, сигнал которого при данном адресе походит на выход. Основным назначением мультиплексора является коммутация 2m входных сигналов на один выход. Мультиплексоры могут использоваться в качестве устройства для выбора соответствующего канала. На рис.1 приведено условное обозначение сдвоенного четырехка- нального селектора-мультиплексора 155КП12. Демультиплексоры Демультиплексор (распределитель) является схемой, выпол- няющей функцию, противоположную мультиплексору. У де- мультиплексора один вход и несколько выходов. A0 MIX Y A1 A2 A3 A A5 A6 A7 a0 a1 a3 Рисунок 2 - Условное обозначение Мультиплексор Am- информационные входы. am- адресные входы. Число информационных входов му равно числу комбинаций адресных (Мультиплексор из восьми в один) Принцип действия аналогичен прин В каждый момент времени к выходу мультиплексора подсоединѐн только один вход , при- чѐм тот, индекс которого в двоичном коде набран на адресных входах. 2.21 для преобразования двоичного кода в другой Шифраторы Шифраторы выполняют функцию, обратную дешифраторам, преобразуя код в двоичный код. Шифраторы приоритета, если «1» появляется не на одном, а на нескольких входах, то на выходе появляется код старшего числа. Рисунок 1 - Условное обозначение шифратора Дешифраторы Полным дешифратором называется комбинационная схема, имеющая n входов и 2n выхо- дов. Причем каждой комбинации значений входных сигналов соответствует сигнал равный логической 1 только на одном выходе. Таблица 1 - таблица истинности дешифратора на 8 кодовых комбинаций. Его условное обозначение смотрите на рис.2 Таблица 1 Таблица истинности дешифратора Рисунок 2 Дешифраторы могут быть не- полными, реализующими m<2n комбинаций. Такие дешифраторы используются, например, для пре- образования двоичного кода в де- сятичный. Например 155ИД1 или 564ИД1, то есть дешифратор 4´10. 0 C a0 1 2 3 4 a1 5 a2 6 a3 7 8 9 Дешифраторы предназначены a0 DC 0 1 2 3 a1 4 a2 5 a3 6 7 8 9 Дешифратор Шифратор 2.22 Триггеры Триггер - электронное устройство, с помощью которого можно записывать, хранить и считывать двоичную информацию. Он имеет два устойчивых состояния равновесия, одно из которых принимают за логическую 1, а другое за 0. Триггер – устройство, имеющее 2 устойчивых состояния, в которых он может нахо- диться сколь угодно долго до прихода управляющего воздей- ствия. Рисунок 1 - Принципиальная схема триггера В схемном отношении триггер представляет собой два про- стейших усилительных каскада с взаимно обратными поло- жительными связями, наличие которых приводит к тому, что в устойчивом состоянии один транзистор усилителя открыт, а другой - закрыт. Сигналя, снимаемые с выходов триггера имеют два уровня постоянного напряжения. Так коду 1 соот- ветствует состояние триггера, когда транзистор VT1 закрыт и на его коллекторе высокое напряжение. Ввод в триггер дво- ичных цифр производится по цепям установки единицы S (set), и установки 0 - R (reset). С помощью таких цепей триггер переводится из одного состояния в другое. Положительные сигналы S или R подаются на базы транзисторов VT1 и VT2. Если триггер находится в состоянии 0, то при подаче сигнала S на базу VT2 последний открывается, потенциал на его коллекторе понижается, что вызывает запирание VT1. По окончании переходных процессов триггер оказывается в состоянии 1. В этом состоянии он будет находиться до тех пор, пока не поступит сигнал R. Триггер может быть выполнен на элементах ИЛИ-НЕ (см. рис.2). Рисунок 2 - Схема триггера на элементах ИЛИ-НЕ и его условное обозначение Такой триггер называется асинхронным RS-триггером. При R=1 и S=0 триггер устанавливается в нулевое состояние (Q=0), при R=0 и S=1 - в единичное состояние (Q=1); при R=S=0 триггер сохраняет состояние. Комбинация R=S=1 RS- триггера запрещена. Синхронный RS-триггер Рисунок 3 - Схема синхронного RS-триггера и его условное обозначение. Такие RS-триггеры имеют кроме информаци- онных входов R и S вход синхронизации C. Вход- ная информация заносится в синхронный RS- триггер в момент поступления импульса синхрони- зации. При С=0 триггер будет находится в режиме хранения независимо от сигналов на R и S входах. D-триггер Рисунок 4 - D-триггер и его условное обозначение D-триггер соответствует RS-триггеру, работающему только в режимах установки, то есть либо с комбина- цией сигналов R=1 и S=0, либо с комбинациями сиг- налов R=0 и S=1. Для организации хранения информации используется вход С. JK-триггер Рисунок 5 - Схема JK-триггера и его условное обозначение JK-триггера наиболее универсален. Вход J и К соответствует S и R RS-триггера. Отличие состоит в том, что в JK-триггере нет запрещен- ного состояния входов. При состоянии на вхо- дах J=1, К=0 приход тактового импульса пере- ключает триггер в состояние 1. При состоянии на входах J= 0, К=1 приход тактового им- пульса переключает триггер в состояние 0. Состояние на входах J= 0, К=0 соответствует режиму хранения информации. Введение дополнительных обратных связей позволяет исключить запрещенное состоя- ние входов. При состоянии входов J=K=1 триггер работает в переключающем режиме. Двухтактные триггеры Рисунок 6 - Схема двухтактного триггера и его условное обозначение Двухтактный триггер изменяет свое состояние только после окончания действия импульса син- хронизации. С приходом тактового импульса по его фронту пер- вый триггер переключается в состояние, сформиро- ванное соответствующим состоянием входа. В момент действия тактового импульса на вхо- де С второго триггера сохраняется состояние 0. По спаду тактового импульса на входе С второго триггера появляется логическая 1. Информация, записанная на первом такте в пер- вом триггере переписывается на выход второго триггера. 35 2.23 Регистры Регистр - функциональное устройство, предназначенное для запоминания n-разрядного сло- ва, а также для выполнения определенных микроопераций над этим словом. Он представля- ет собой упорядоченную совокупность триггеров со схемой управления входными и выход- ными сигналами. Разрядность регистра соответствует количеству используемых в нем триг- геров. По виду выполняемых операций над словами различают регистры для приема, передачи и сдвига информации. По способу приема и передачи информации различают последовательные, параллельные и последовательно- параллельные регистры. По количеству тактов управления различают одно-, двух- и многотактные регистры. Р е гис т ры п рие м а и пе ре дач и и нф орм аци и
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сдв иг овые ре гис тр ы
Рисунок 1 - Схема регистра приема и пере- дачи информации
В этой схеме используются RS-триггеры, группа входных и выходных U-схем. Информа- ция в регистр заносится по шинам x1, х2, х3 толь- ко в том случае, когда на шину Пр подан управ- ляющий сигнал приема информации. Записан- ный в регистр код слова будет храниться в нем до тех пор, пока не будет подан сигнал установ- ки регистра в состояние 0. Прямой код хранимо- го слова будет выдан при наличии на шине ВП управляющего сигнала ―Выдача прямого кода‖. Сигнал выдачи инверсного кода ВИ позволяет через группу схем И получить инверсное значе- ние кода, хранимого в регистре.
Сдвиговые регистры предназначены для выполнения операции сдвига слова информации, то есть для перемещения всех цифр слова в направлении от старших к младшим разрядам (сдвиг влево) или от младших к старшим разрядам (сдвиг вправо). Сдвиг кода влево на один разряд будет соответствовать умножению кода числа на основание системы счисления, а сдвиг вправо - делению. В регистрах, как правило, сдвиг числа на k разрядов осуществляет- ся за k тактов.
С приходом первого тактового импульса старший разряд вводимого числа записывается в первый триггер. После прихода второго тактового импульса, старший разряд вводимого
числа, который находится на входе второго триггера, переписывается на его выход. На вы- ходе первого триггера появляется следующий разряд двоичного числа. Третий импульс пе- реписывает старший разряд на выход второго, т.е. осуществляется сдвиг записанной ин- формации на один разряд вправо. Аналогичным образом записываются следующие разряды и естественно, что 4х-разрядное число можно записать с помощью 4х тактовых импульсов. Пятый тактовый импульс, осуществляя сдвиг информации вправо, приводит к потере ин- формации о старшем разряде. Если необходимо сохранить записанное число при сдвиге информации применяют кольцевые регистры.
36
|
|
Однако данная схема не применяется, т.к. не происходит ввод информации. Для реализации регистров с циклическим переносом (кольцевых) используют универсальные регистры сдвига, которые имеют возможность как параллельного, так и последовательного ввода ин-
ормации.
ис. 2. Схема реализации кольце- ого регистра
двигающий регистр можно ис- ользовать не только для сдвига ода, но и для преобразования па- ллельного кода, принятого в ре- стр, в последовательный или на- борот. С точки зрения уменьше- ия количества связей и оборудо-
вания сдвиговые регистры целесообразно строить на D-триггерах. Установка этого регистра
в состояние 0 выполняется отрицательным импульсом, подаваемым на вход R. Параллель-
ный код поступает на входы x. Запись параллельного кода осуществляется положительным
импульсом, подаваемым на вход C2. Последовательный код поступает на вход D1.
|
ан-
од
ре-
ого
но-
От-
-
ый регистр называют овательным регист- ормация в него вво- дством входа Т по- о, в течение 4х так- ьсов.
2.24
|
Счетчики
Счетчик представляет собой устройство, предназначенное для подсчета числа сигналов, по- ступающих на его вход, и фиксации этого числа в виде кода, хранящегося в триггерах. По целевому назначению счетчики подразделяют на простые (суммирующие и вычитающие) и реверсивные. Суммирующий счетчик предназначен для работы в прямом направлении, то есть для сложения. С поддачей на вход очередного единичного сигнала показание счетчика увеличивается на единицу. Каждый сигнал, поступающий на вход вычитающего счетчика, уменьшает его показания на единицу. Реверсивные счетчики могут работать в обоих режи- мах. По способу организации счета счетчики подразделяют на асинхронные и синхронные. По способу организации цепей переноса между разрядами различают счетчики с последова- тельным, параллельным и частично-параллельным переносом. Основными характеристика- ми счетчика являются модуль счета, разрешающая способность, время регистрации и ем- кость. Модуль счета характеризует число устойчивых состояний счетчика, то есть предель- ное число входных сигналов, которое может сосчитать счетчик. Разрешающая способность
- минимально допустимый период следования входных сигналов, при котором обеспечива- ется надежная работа счетчика. Время регистрации - интервал времени между моментами насыщения входного сигнала и окончания самого длинного переходного процесса в счетчи-
ке. Емкость счетчика - максимальное число единичных сигналов, которое может быть заре- гистрировано в счетчике.
Сч е тч и ки с не п ос ре дс тве нн ым и с в яз ям и с п ос л е д ова те л ь н ым пе ре н ос ом ( ас и н-
Хр он н ые )
В этих счетчиках каждый последующий триггер (i+1)-го разряда запускается от информа-
|
Любой двоичный счѐтчик может быть построен на 2х-тактных триггерах, работающих в счетном режиме.
Таблица 1.Таблица истинности двоичного счѐтчика по модулю 16
|
Данный двоичный счѐтчик кроме тактового входа C имеет входы асинхронного сброса и ус- тановки R и S. Асинхронными они называются потому, что не зависят от тактового входа.
Из таблицы соответственно видно две особенности:
1) переключение более старшего разряда в 1 происходит после переключения более млад- шего разряда из 1 в 0. На этой особенности построен принцип действия асинхронного счѐтчика.
е того, когда все младшие
вига.
Временные диаграммы работы двухтактного двоичного счѐтчика по модулю 16 Предполагается, что предварительно счѐтчик очищен сигналом, поданным на вход сброса,
т.е. выходы всех триггеров находятся в нулевом состоянии. По приходу первого тактового
импульса, который поступает на тактовый вход первого триггера, первый триггер изменяет
своѐ состояние на противоположное. Состояние остальных триггеров не изменяется. При-
ход второго тактового импульса переключает первый триггер в 0, сигнал с выхода первого
триггера является тактовым для второго триггера. По приходу третьего импульса первый
триггер переключается, остальные не изменяются и т.д.
Такой счѐтчик называется асинхронным потому, что тактовый импульс поступает на вход только одного триггера, а остальные триггеры переключаются по сигналам с выхода преды- дущего. Причем каждый триггер вносит задержку в переключение. В итоге получаем, что с приходом одного импульса триггеры переключаются не одновременно или асинхронно. В этом состоит главный недостаток асинхронных счѐтчиков, т.к. при большой частоте такто- вых импульсов возникает возможность неверной информации на выходе. От этого недос- татка свободен синхронный счѐтчик. Недостаток асинхронного счетчика заключается в том, что он имеет зависимость длительности переходного процесса, определяющего время реги- страции, от его разрядности. С ростом разрядности счетчика понижается предельная часто- та его работы. Это связано с тем, что возрастает задержка поступления сигнала на вход с некоторого i-го разряда относительно времени поступления входного сигнала на вход с младшего разряда счетчика. Из временной диаграммы видно, что такая задержка может привести к искажению информации в счетчике (t=9).
Сч е тч и ки с па рал л е л ьн ым пе ре н ос ом
Для повышения быстродействия счетчики выполняются с параллельным переносом. Из схем видно, что с возрастанием порядкового номера триггера увеличивается число входов в элементах U, поэтому разрядность счетчика с параллельным переносом невелика и равна обычно четырем. Поэтому при большем числе разрядов происходит последовательное со- единение (наращивание) параллельных счетчиков. Подобным способом реализуется счет- чик с частичным параллельным переносом.
|
триггеры одно- и соответствен- ры переключа- временно (син- Временная диа- боты та же са-
работы: Приход тактового им- реключает пер- ер в состояние 1. тактовый им- тупает на вход
остальных триггеров, но остальные триггеры не меняют своѐ состояние, т.к. на входах J, K этих триггеров до прихода импульса и в момент его действия сохранялось состояние 0.
Особенность 2х-тактного триггера : после спада первого импульса на выходе первого триг- гера появляется 1, которая подаѐтся на вход JK второго триггера, переводя его в переклю- чающий режим; следовательно приход второго тактового импульса изменит состояние не только первого триггера, но и второго. По спаду второго импульса на выходе первого триг- гера будет 0, на выходе второго триггера – 1.
К приходу третьего тактового импульса на входах J и K второго триггера имеется состояние 0, что соответствует режиму хранения информации. Приход третьего импульса не изменяет его состояние и на выходе второго останется 1. По третьему импульсу переключится пер- вый триггер в состояние 1 и после его спада на выходе первого и второго триггера имеется состояние 1. Эти две единицы, поданные на первый элемент «И», дают возможность пере- вести третий триггер в переключающий режим работы.
Дв оич н о-де с я т ич н ый с ч ѐ тч ик ил и с ч ѐ тч и к п о м одул ю де с я ть
|
ля счѐтчика ис-
схема №1
ходимо дорабо-
соб наиболее о он не приме- к. время суще- кода «9» очень у после его по- осуществляется е, в то время другие коды
т в течении мпульса . Дво-
ично-десятичные счѐтчики применяются для счѐта ими в двоично-десятичном коде.
40
|
рассматривали счѐтчики, у число на выходе с приходом импульса увеличивалось на итающем счѐтчике приход импульса уменьшает на 1 выходе. Исходное состояние щего счѐтчика, в отличии от
|
Вычи таю щий с чё тчик с сам оос тан ов ом
|
показана реализация
оостанова счѐтчика
нуле.
ходное состояние счѐт- а «1» и пока хотя бы одном из выходов тчика имеется «1», ко- ая подаѐтся на входы J K – первого триггера, спечивая возможность работы в переклю-
ющем режиме.
«0» на выходе элемента появляется только тогда, когда на всех входах будет «0». «0» с вы- хода элемента «ИЛИ», будучи поданным на входа J и K первого триггера переводит его в режим хранения информации, запрещая дальнейшую работу счѐтчика.
В этом состоянии он будет находится сколь угодно долго, до прихода сигнала на вход S.
41
|
Р е ве рс ив ны й с ч ѐ тч и к
Реверсивный счѐтчик имеет два тактовых входа на увеличение и на уменьшение. Счѐтчик является си
подаѐтся 0.
42
2.25 
Оперативные и постоянные запоминающие устройства
Одним из важнейших функциональных устройств информационных систем являются запо- минающие устройства (ЗУ). На них возлагаются функции хранения программ обработки информации и данных. Полупроводниковые ЗУ характеризуются высшим быстродействи- ем, надежностью, малым токопотреблением. В кристалле ПП ЗУ совмещены матрица запо- минающих элементов, каждый из которых хранит 1 бит информации, и схема управления, обеспечивающая обращение к запоминающим элементам. Запоминающие элементы органи- зуются в ячейки, имеющие разрядность в несколько бит. Каждая ячейка имеет свой иденти- фикатор, представленный двоичным кодом (адрес). Полупроводниковые ЗУ могут выпол- нять две основные операции:
-ввод информации в адресуемую ячейку - запись, WRITE (WR);
-вывод информации из ячейки - считывание, READ (RD).
Обе операции называются операциями обращения к памяти. Если кристаллический ЗУ
выполняет только операцию считывания, он называется постоянным запоминающим уст-
ройством (ПЗУ, ROM). Информация, хранимая в ПЗУ, может наноситься на заводе изгото-
вителе в процессе изготовления микропроцессора с помощью специальных фотошаблонов.
Такие микросхемы называются непрограммируемыми ПЗУ и применяются для хранения
неизменяющихся программ. Следующим типом ПЗУ являются микропроцессоры, позво-
ляющие однократное занесение информации, так называемые программируемые ПЗУ. При
этом в исходном состоянии в ПЗУ уже содержится какая-либо информация. Запись инфор-
мации осуществляется на специальных устройствах - программаторах, путем пережигания
импульсами тока тонких проводящих перемычек. Наконец, имеются ПЗУ, позволяющие
осуществлять многократное занесение информации. Эти ПЗУ называются перепрограмми-
руемыми ПЗУ. В зависимости от способа стирания различают ПЗУ с электрическим стира-
нием и с ультрафиолетовым стиранием информации. Все ПЗУ являются энергонезависи-
мыми источниками информации, так как информация, записанная в них не пропадает при
исчезновении питания. Полупроводниковые ЗУ, в процессе работы выполняющие как опе-
рацию записи, так и считывание, называются запоминающими устройствами с произволь-
ной выборкой (ЗУПВ)(RAM) и используются для создания оперативной памяти. ОЗУ явля-
ются энергозависимыми.
Полупроводниковые ЗУ имеют большое число характеристик. Наиболее важные сле-
дующие:
Емкость, выражаемая в битах, означает количество хранимой информации, например,
256 бит, 1024 бит(1 кбит) и так далее;
Организация ЗУ, например, ЗУ емкостью 1024 бита может содержать 1024 адресуемых
ячейки размерностью 1 бит (1024 х 1) или 256 ячеек размерностью 4 бита (256 х 4);
Эксплуатационные характеристики (диапазон дополнительных температур, потребляе-
мая мощность в пассивном (хранение) и активном режиме;
Быстродействие.
Кроме матрицы ЗЭ в микросхеме статического ЗУПВ содержатся схемы дешифрации,
формирователи адресных сигналов, схемы согласования уровней, формирователи сигна-
лов записи, усилители считывания, схемы выборки кристалла.
43
П ос т оян н ые зап ом ина ю щие ус тр ойс т ва
Основным требованием, предъявляемым к ПЗУ, является сохранение информации при отключении питания. Это требование обеспечивается конструкцией ЗЭ. Наиболее рас- пространены ЗУ с ЗЭ, выполненными на биполярных и МОП-транзисторах. МОП- транзисторный ЗЭ может хранить 1 или 0 в зависимости от того, имеет ли сток транзистора связь с корпусом. Если сток изолирован от корпуса, на разрядной шине присутствует высо- кий уровень напряжения. Когда же сток связан с корпусом при подаче в адресную шину высокого уровня (выборка ЗЭ), на разрядной шине будет низкий уровень. Связь стоков
нужных транзисторов с корпусом устанавливается в микросхе- ме путем металлизации нужных участков кристалла после того, как все транзисторы уже сформированы.
Рисунок 1 ЗЭ на МОП-транзисторе
На рис. 2 представленна структурная схема типичного полу- проводникового ПЗУ с организацией 512´8.
Рисунок 2 Структурная схема полупроводникового ПЗУ
Запоминающие элементы объединены в матрицу 64´64, младшие разряды адреса А0-А5 используются для выборки 64 ЗЭ одной из сторк матрицы. Старшие разря- ды адреса А6-А8 управляют работой восьми мультиплексоров. Каждый муль- типлексор подключен к восьмиразряд- ным шинам и выбирает требуемую. Сиг- налы выборки кристалла управляют пе- редачей 8-битного слова с выхода муль- типлексоров на выходы ЗУ D0-D7 и слу- жат для организации ПЗУ большой ем-
кости из нескольких микросхем. В полупроводниковых ЗУ, программируемых пользовате-
лем (ППЗУ), в исходном состоянии во всех пересечениях адресных шин с разрядными вы-
полнены ЗЭ, последовательно с которыми включаются плавкие нихромовые или титано-
вольфрамовые перемычки, пережигаемые в процессе программирования.
Стираемые программируемые ПЗУ выполняются двух типов:
- В ПЗУ первого типа матрица ЗЭ изготавливается аналогично матрице ПЗУ по МОП-
технологии, но между металлическим затвором и слоем изолирующего окисла осаждается
тонкий слой нитрида кремния, который способен захватывать и сохранять длительное вре-
мя эл. заряд. Это электрически программируемое ПЗУ. В них стирание информации осуще-
ствляется определенным уровнем напряжения. Этот тип ППЗУ более надежен, т.к. гаранти-
рован от случайного стирания информации.
- В ПЗУ второго типа матрица ЗЭ выполняется из МОП-транзисторов с плавающим затво-
ром. Стирание информации осуществляется засвечиванием транзисторов через кварцевое
окно ультрафиолетовым излучением, которое разряжает затворы транзисторов п приводит
их в непроводящее состояние. При этом солнечные свет не влияет на запрограммированное
ПЗУ.
44
З ап ом и наю щие ус т р ойс т ва с пр оиз в ол ьн ой в ыб о рк ой
ЗУПВ служат для оперативного запоминания информации и способны хранить ее только при включенном питании. По принципу действия различают статические и динами- ческие ЗУПВ. Запоминающими элементами статических ЗУПВ служат триггеры, которые могут быть реализованы по любой технологии. ВдинамическихЗУПВ носителем информа- ции является емкость между затвором МОП-транзистора и корпусом, которая может быть заряжена или разряжена. ЗЭ биполярного ЗУПВ представляет собой асинхронный триггер с непосредственными связями, выполненный на двух эмиттерных транзисторах.
ЗЭ статического ЗУПВ на МОП-транзисторах – это триггерная схема на транзисторах VT4 и VT5, нагрузкой которых служат транзисторы VT1 и VT2. Транзисторы VT3 и VT6 – управ- ляющие: при отпирании их положительным сигналом, передаваемым по шине адреса ША,
|
Рисунок 4 - Схема ЗУПВ на КМОП-транзисторах
Рисунок 3 - Схема биполярного ЗУПВ
Биполярные ЗУПВ обладают наивысшим быстродействием среди ЗУПВ, однако, по сравне- нию с ЗУПВ, выполненными по КМОП-технологии, имеют значительно меньшую емкость и большее энергопотребление.
С целью увеличения информационной емкости микросхем создали динамические ЗУПВ. Принцип действия таких ОЗУ основан на хранении заряда емкости между затвором МОП-транзистора и общей точкой микросхемы. Емкость образуется параллельно включен- ными емкостью затвор-сток транзистора и паразитной емкостью. Наличие или отсутствие заряда соответствует логическим 0 и 1. Для восстановления заряда есть специальный режим
– режим регенерации.
45
2.26 
Цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи
ЦАП служит для преобразования цифровой информации в аналоговую форму, т.е. выход- ной сигнал ЦАП в общепринятых единицах измерения тока или напряжения (мВ, В, мА) соответствует численному значению входной кодовой комбинации.
Величина напряжения, соответст- вующая одной единице цифровой ин- формации, называется шагом квантова- ния Duкв. При подаче на вход ЦАП по- следовательной цифровой комбинации, меняющейся от 0 до N, на его выходе появится ступенчато-нарастающее на- пряжение (рис. 5.1). Высота каждой ступени соответствует одному шагу
квантования Duкв.
Если число входной кодовой комбинации соответствует N, то выходное напряжение
Uвых ЦАП = ND´uкв. Таким образом можно вычислить значение выходного напряжения для
любой входной кодовой комбинации. Так как Duкв определяет минимальное значение вы-
ходного напряжения аналогового сигнала Uвых мин. = Duкв, при выборе его значения необхо- димо учитывать также шумовые факторы, погрешности усиления масштабирующих усили- телей и компаратора.
Основные параметры ЦАП
1. Относительная разрешающая способность
dо = 
, здесь n- количество разрядов двоичного числа, подаваемого на вход ЦАП (n - соответствует числу разрядных входов ЦАП). Относительная разрешающая способность - это обратная величина от максимального числа уровней квантования.
2. Абсолютная разрешающая способность
dа = 
Duкв, где Uпш - напряжение полной шкалы, соответствующее опорному на- пряжению ЦАП. Это напряжение можно считать равным максимальному выходному на- пряжению; 2n - 1 = N - количество ступеней квантования.
Численно абсолютная разрешающая способность равна шагу квантования Duкв.
3. Абсолютная погрешность преобразованияdпш 
показывает максимальное от- клонение выходного напряжения Uвых в точке пересечения с идеальной характеристикой (прямой) на уровне напряжения полной шкалы. Абсолютная погрешность преобразования оценивается в процентах или же в единицах младшего значащего разряда (МР). При оценке значения абсолютной погрешности преобразования знак напряжения не учитывается.
4. Нелинейность преобразованияЦАП dлн определяет максимальное отклонение реальной характеристики от идеальной и оценивается также в процентах или в единицах младшего значащего разряда.
5. Дифференциальная нелинейность преобразованияЦАП dдф.лн численно равна максимальной разности двух соседних приращений (шагов квантования)
dдф.лн = Duкв 1 - Duкв2.
Дифференциальная нелинейность оценивается в младших значащих разрядах и обыч-
но не превышает нескольких единиц мр.
46
Время установлениявыходного напряжения или тока tуст - интервал времени от подачи входного двоичного входного кода до вхождения выходного сигнала в заданные пределы.
Максимальная частотапреобразования fпр - наибольшая частота дискретизации, при которой параметры ЦАП соответствуют заданным значениям. Максимальная частота и время установления определяют быстродействие ЦАП.
Виды ЦАП условно можно разделить на две группы: с резисторными матрицами, безматричные ЦАП. В интегральном исполнении применяются только ЦАП с прецизион- ными резисторными матрицами, формирующими выходные сигналы путем суммирования токов.
ЦАП содержит элементы цифровой и аналоговой схемотехники. В качестве аналого- вых элементов используются операционные усилители, аналоговые ключи (коммутаторы),
резисторные матрицы и т.д.
Цифро-аналоговыепреобразователи (далее — ЦАП) предназначены для преобразования
цифровых сигналов в аналоговые и служат для сопряжения цифровых устройств формиро-
вания и обработки сигналов с аналоговыми потребителями информации. Они широко ис-
пользуются для управления аналоговыми устройствами при помощи ЭВМ. Принцип работы
заключается в следующем. Для формирования аналогового сигнала на выходе, однозначно
соответствующего цифровому коду входного сигнала, аналоговые ключи аi подключают к
выходу ЦАП необходимое количество источников опорных сигналов bi, величина которых
пропорциональна весу соответствующего двоичного разряда (рисунок 3.9.1). Наибольшее
распространение в настоящее время получили микроэлектронные ЦАП. Их в общем случае
можно разделить на преобразователи с прямым и промежуточным преобразованием. Пре-
образователи с прямым преобразованием обычно параллельного типа. В состав простейшей
схемы ЦАП обычно входят источники опорного напряжения, резистивные или активные
делители, аналоговые ключи. В качестве делителей чаще всего применяются матрицы R –
2R. Суммирование токов, образованных подключением соответствующих источников,
производится операционным усилителем (далее — ОУ). Учитывая, что входное сопротив-
ление и коэффициент усиления ОУ очень велики, можно заключить, что ток в его входной
цепи практически не протекает, а все составляющие токов, протекающих через открытые
ключи схемы, замыкаются на землю через резистор RОС, уравновешиваясь током IОС, теку-
щим в цепи ОС. ОУ выполняет операцию суммирования токов, которые определяются зна-
чениями сопротивлений в тех разрядах ЦАП, где аi=1
Подключая несколько резисторов к суммирующему входу операционного усилителя, на выходе можно получить напряжение, пропорциональное взвешен- ной сумме входных напряжений. Способ масштаби- рующих резисторов становится неудобным, если преобразованию подвергаются много разрядов. Мат- рица R-2R, показанная на рисунке 3.9.3, приводит к изящному решению этой задачи. Здесь требуется только 2 значения резисторов, по которым матрица
R-2R- формирует токи с двоичным масштабировани- ем. Особенностью такой матрицы являться то, что ее входное сопротивление при любом положении клю-
чей равно R, т.е. общий ток, втекающий в матрицу равен Распределение потенциалов в уз-
лах матрицы не меняется при изменении положения ключей, поскольку входное сопротив-
ление операционного усилителя фактически равно нулю, следовательно, потенциал на вхо-
47
де равен потенциалу «земли». Это обстоятельство приводит к последовательному уменьше- нию вдвое напряжения в узлах схемы по мере их удаления от источника опорного напряже- ния и такому же уменьшению токов, протекающих через ключи. Приведенная схема фор- мирует напряжение от 0 В до 5 В с числом уровней дискретизации равным 16, при подаче на разряды матрицы входного двоичного 4-х разрядного числа с ТТЛ уровнями. Схемы ЦАП на основе резистивных матриц R-2R практичны, надежны, обладают высокой скоро- стью преобразования и легко реализуются в интегральном исполнении. Не требуется широ- кого диапазона номиналов и чрезвычайной точности при их подгонке.
Анал ог о -ц иф р овые п ре обра з ов ате л и
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования ана- логовых (непрерывных) сигналов в цифровую форму. Преобразование аналогового сигнала происходит в определенные моменты времени, которые называются точками отсчета. Ко- личество отсчетов за единицу времени определяет частоту дискретизации (преобразования), которая, в свою очередь, определяется быстродействием и условиями использования АЦП. Интервал времени между отсчетами Тотс и частота дискретизации fпр связаны соотношени- ем:
Тотс = 1/fпр.
В измерительной технике для преобразования медленно меняющихся процессов час-
тота преобразования может быть установлена небольшой - единицы Герц и менее. В уст-
ройствах, где требуется преобразовывать сигналы в масштабе реального времени, частота
преобразования выбирается из условия достижения максимальной точности восстановления
цифрового сигнала в аналоговую форму. Например, преобразование речевого сигнала в
дискретную форму. При этом частота дискретизации определяется как fпр = 2Fмах, где Fмах -
максимальная частота речевого сигнала.
Для обеспечения преобразования без искажений требуется выполнение условия:
tпр < Тотс,
где tпр - время преобразования АЦП одного отсчета.
Основные параметры АЦП определяются также как и параметры ЦАП.
По принципу дискретизации и структуре построения АЦП делятся на две группы: 1-
группа АЦП с применением ЦАП и 2-группа АЦП без ЦАП.
К первой группе относятся:
- АЦП последовательного счета (развѐртывающего типа);
- АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания);
- следящий АЦП.
К второй группе относятся:
- АЦП прямого преобразования;
- АЦП двойного интегрирования;
- АЦП с применением генератора, управляемого напряжением (ГУН).
Каждый тип АЦП имеет свои достоинства и недостатки. На практике встречаются все выше перечисленные типы АЦП.
48
Аналого-цифровые преобразователи (далее — АЦП) представляют собой устройства, кото- рые преобразуют входные аналоговые сигналы в соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами.
Параллельные АЦП.Данный тип АЦП реализует метод непосредственного считывания и является на сегодняшний день самым быстродействующим. В параллельных АЦП входной сигнал одновременно квантуется с помощью набора компараторов, включенных параллель- но эталонному источнику сигнала. Пороговые уровни компараторов установлены с помо- щью резистивного делителя в соответствии с используемой шкалой квантования. При пода- че на такой набор компараторов входного сигнала на выходах последних будет иметь место проквантованный сигнал, представленный в параллельном коде, который с помощью коди- рующей логики преобразуется в двоичный. Схема содержит m резистивных делителей эта-
лонного напряжения и столько же компараторов. Число m определяется количеством дис- кретных значений преобразуемого напряжения в полном диапазоне преобразования.
Каждое из опорных напряжений подается на первые входы компараторов, на вторые входы которых подается входное напряжение. При подаче Uвх переключаются те компараторы, где Uвх > Uэi. Выходные сигналы этих компараторов принимают единичное значение, запоми- наясь в регистре. Выходы регистра соединяются с шифратором, который преобразует этот m разрядный параллельный единичный код в n разрядный параллельный двоичный код. Последовательные АЦПделятся на АЦП счета и интегрирующие АЦП.
АЦП счета: Схема содержит два компаратора К1 и К2, первый из которых имеет опорное напряжениеUоп. а второй Uвх.
Интегрирующий АЦП. Полный цикл работы схемы состоит из двух тактов. В первом с по- мощью аналогового интегратора происходит интегрирование входного напряжения за фик- сированный интервал времени. В результате этой операции на выходе интегратора форми-
руется напряжение Uвых. Во втором такте происходит разряд конденсатора от источника опорного напряжения Uоп. до нуля.
АЦП последовательного приближения.
Принцип состоит в формировании цифровым способом эталонного напряжения Uэ путем
последовательного приближения его к входному напряжению Uвх.
49
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 144; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!