МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Некоммерческое акционерное общество

«Алматинский институт энергетики и связи»

Т.М.Жолшараева

ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

Алматы 2010

УДК 621.3.049

ББК 32.85.873

Ж69. Электроника

Учебное пособие/Т.М.Жолшараева

АИЭС. Алматы, 2010.− 80 с.

ISBN 978–601–7098–75–9

Рассмотрены принцип действия, характеристики и параметры полупроводниковых приборов, основные аналоговые и цифровые электронные устройства. Приведены структурные и принципиальные схемы, временные диаграммы и описан принцип действия устройств.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности B50702 – Автоматизация и управление, и может быть использовано студентами специальностей 5B0719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации, 5B0704 – Вычислительная техника и программное обеспечение

Табл. 15, Ил. 92, библ. – 16 назв.

ББК 32.85.873

РЕЦЕНЗЕНТЫ: ТЭАКТ, докт. техн. наук, проф. Ш.Б.Биттеев

АИЭС, канд. техн. наук, проф. Б.Д.Хисаров

Содержание

Введение 4

1 Полупроводниковые приборы 5

1.1 Плоскостной электронно-дырочный p-n переход 5

1.2 Контакт металла с полупроводником 9

1.3 Полупроводниковые диоды 10

1.4 Биполярные транзисторы 13

1.5 Полевые транзисторы 21

1.6 Оптоэлектронные приборы 25

2 Аналоговые электронные устройства 28

2.1 Классификация аналоговых электронных устройств 28

2.2 Дифференциальный усилитель 28

2.3 Операционный усилитель 30

2.4 Внешние цепи ОУ 34

2.5 Усилители сигналов на ОУ 35

2.6 Решающие усилители 36

2.7 Нелинейный режим работы ОУ 37

2.8 Генераторы сигналов на ОУ 39

3 Цифровые электронные устройства 43

3.1 Основные логические операции и логические элементы 43

3.2 Логические интегральные схемы 46

3.3 Синтез комбинационной логической схемы 56

3.4 Комбинационные логические схемы 58

3.5 Последовательностные логические схемы 63

Введение

Отличительной особенностью современной электроники является быстрое внедрение новейших достижений в производство. Сегодня трудно найти область науки и техники, где бы ни применялись электронные изделия. Использование интегральных схем позволяет значительно повысить надежность радиоэлектронных устройств и снизить их габариты и массу.

В процессе проектирования и создания различных радиоэлектронных устройств необходимо не только учитывать основные характеристики электронных приборов, но и понимать физические основы работы, технологию изготовления, уметь сравнивать приборы по их характеристикам и параметрам при выборе оптимальных схемотехнических решений.

Настоящее пособие «Электроника» состоит из трех частей. В первой части «Полупроводниковые приборы» изучаются плоскостной электронно-дырочный переход, принцип действия, характеристики и параметры полупроводниковых приборов: диодов, биполярных и униполярных транзисторов, тиристоров. Даны элементы оптоэлектроники.

Во второй части – «Аналоговые электронные устройства» – приведены основные аналоговые устройства: усилители и устройства на основе усилителей. Приведены основные структурные и принципиальные схемы, временные диаграммы и описан принцип действия устройств.

В третьей части пособия – «Цифровые электронные устройства» – приведены цифровые электронные устройства: основные логические элементы, комбинационные и последовательностные логические схемы.

Электроника – это наука о формировании и управлении потоком электронов в устройствах приема, передачи, обработки и хранения информации.

1 этап развития электроники связан с изобретением телефона и телеграфа, а в 1895 г. беспроволочного телеграфа – радио. Это основа современных средств связи, эра пассивных элементов – проводов, катушек индуктивности, магнитов, резисторов, емкостей.

2 этап – связан с изобретением электронной лампы (с 1902 г.).

3 этап – эра полупроводниковых приборов (с 1947г.).

4 этап – интегральная микроэлектроника (с 1970 г.).

В течение всего периода развития микроэлектроники постоянно ведутся поиски альтернативной элементной базы. Развиваются функциональная электроника, оптоэлектроника, фотоника, квантовая электроника и биоэлектроника. Можно утверждать, что одним из ближайших продолжений развития микроэлектроники станет наноэлектроника.

1 Полупроводниковые приборы

1.1 Плоскостной электронно-дырочный p-n переход

Электронно-дырочным p-n-переходом называется граница между полупроводниками p- и n-типа. Если линейные размеры площади перехода намного больше толщины, переход называется плоскостным, если размеры соизмеримы – точечным. Рассмотрим два полупроводника, находящихся в контакте.

1.1.1 P-n переход в равновесном состоянии

Равновесное состояние перехода – это состояние, при котором отсутствует внешнее напряжение (U_внеш= 0).

Соединяем два полупроводника p- и n- типа (см. рисунок 1.1,а). Начальная концентрация примесей, следовательно, носителей неодинакова (см. рисунок 1.1,б): p_p₀>>p_n₀и n_n₀>>n_p₀.Кроме этого, переход несимметричен (p_p₀>n_n₀). На границе перехода имеется градиент концентрации носителей заряда, который вызывает диффузию дырок из p-области в n-область и, наоборот, диффузию электронов из n-области в p-область. Вблизи перехода дырки рекомбинируют с электронами и образуется в p-области отрицательный объемный заряд ионизированных акцепторов, а в n-области положительный объемный заряд ионизированных доноров (см. рисунок 1.1,в).

Таким образом, вблизи границы двух полупроводников образуется слой l₀, обедненный подвижными носителями заряда, и поэтому обладающих высоким электрическим сопротивлением, так называемый запирающий слой. Толщина запирающего слоя обычно не превышает нескольких микрометров.

Объемные плотности пространственного заряда доноров и акцепторов равны q×N_д = – q×N_а.

За счет объемного заряда на p-n переходе образуется поле Е (см. рисунок 1.1,г), напряжённость его максимальна на границе перехода. Это поле препятствует диффузии основных носителей (уменьшается диффузионный ток), но способствует перемещению неосновных носителей заряда. Под действием поля E возникает дрейфовый ток за счёт движения неосновных носителей заряда в противоположном направлении, т.е. дырок из n-области в p-область, а электронов из p-области в n-область. В изолированном полупроводнике сумма токов равна нулю. Устанавливается динамическое равновесие. В области перехода происходит искривление энергетических диаграмм и на границе слоёв возникает потенциальный барьер (см. рисунок 1.1,д), называемый контактной разностью потенциалов j_к = DЕ/q.

Изменение напряженности электрического поля DЕ можно определить, например, для электронов по смещению дна зоны проводимости на энергетической диаграмме, q – заряд электрона.

Потенциальный барьер

j_к= DЕ/q = (Е_cp – E_cn)/q = (кТ/q) ln(p_p/p_n) = (кТ/q) ln(n_n/n_p) =

= (кТ/q) ln[(N_aN_д)/n_i²]

где кТ/q=j_T – температурный потенциал.

При Т =300 К j_T = 0,026 В.

Следует обратить внимание на то, что так как количество рекомбинирующих зарядов с обеих сторон одинаково, а концентрация неодинакова, то переход практически сосредоточивается в n-области.

1.1.2 Прямое смещение p-n перехода

Подадим к p-n переходу прямое смещение U_пр (см. рисунок 1.2,а), т.е. к p-области плюс, а к n-области – минус. U_пр уменьшает потенциальный барьер j_к перехода

U_пер=j_к– U_пр.

Ширина перехода уменьшается, основные носители идут к переходу, увеличивается диффузионный ток за счёт инжекции. Инжекция – введение основных носителей заряда через переход в область, где они становятся неосновными, при прямом смещении.

Обычно U_пр– десятые доли вольт, I_пр – единицы и десятки миллиампер.

1.1.3 Обратное смещение p-n перехода

Подадим обратное смещение к переходу (см. рисунок 1.2,б). Подключим к p-области минус, а к n-области – плюс. Потенциальный барьер увеличивается. Запирающий слой расширяется, U_ПЕР = j_к+U_обр. Носители заряда идут от перехода, сопротивление перехода увеличивается. Диффузионный ток уменьшается. Увеличивается обратный ток. При обратном смещении имеет место экстракция – введение неосновных носителей в область, где они становятся основными, за счёт обратного смещения.

При |U_обр| > j_Т обратный ток I_обрстремится к дрейфовому I₀– обратному току насыщения p-n перехода. I₀ обусловлен только неосновными носителями и поэтому почти не зависит от напряжения U_обр.

Величина U_обр может быть равна десяткам и сотням вольт (ограничена тепловым пробоем), обратный ток I_обр– единицы и сотни микроампер.

Из рассмотрения прямого и обратного смещения можно сделать существенный вывод: так как концентрация неосновных носителей намного меньше концентрации основных носителей, то обратный ток, обусловленный неосновными носителями, намного меньше прямого тока, обусловленного основными носителями (I_обр << I_пр), т.е. p-n переход обладает односторонней проводимостью или выпрямительным свойством.

1.1.4 Вольтамперная характеристика p-n перехода

Зависимость тока через p-n переход от приложенного напряжения называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) электронно-дырочного перехода. Она имеет вид

I = I₀[exp (U/j_T) – 1]

где I₀ – обратный ток насыщения при |–U| >> j_T.

На рисунке 1.3 приведена ВАХ p-n перехода при различных масштабах по осям для положительных (миллиамперы) и отрицательных (микроамперы) значений токов.

При увеличении прямого напряжения U_пр прямой ток I_пр увеличивается по экспоненте, так как с увеличением U_пр снижается потенциальный барьер и увеличивается диффузия основных носителей.

Величина обратного тока сильно зависит от температуры (на графике Т₂ > Т₁), причем при |U_обр| >> j_T ток I₀ не зависит от обратного напряжения, а обусловлен концентрацией неосновных носителей заряда.

1.1.5 Основные параметры p-n перехода

1.1.5.1 Характеристические сопротивления:

а) сопротивление по постоянному току

R = U/I = j_Tln(I/I₀+1)/I = (j_T/ I) ln(I/I₀+1);

б) сопротивление по переменному току r_д или дифференциальное сопротивление.

r_д = dU/dI=d[j_T ln(I/I₀+1)]/dI=(j_T× I₀) / [(I+I₀)I₀]=j_T / (I+I₀) » j_T/I.

1.1.5.2 Ёмкости p-n перехода

Различают барьерную и диффузионную емкости p-n перехода:

а) барьерная (зарядная) ёмкость C_бар обусловлена наличием зарядов (положительных и отрицательных ионов) в запирающем слое в условиях равновесия и при обратном смещении перехода, т.е. отражает перераспределение зарядов в переходе

где e - диэлектрическая проницаемость полупроводника;

e₀– диэлектрическая проницаемость в вакууме;

S – площадь перехода;

l – ширина перехода;

j_к– высота потенциального барьера.

С увеличением U_обр барьерная емкость уменьшается пропорционально . Величина барьерной емкости равна десяткам и сотням пикофарад;

б) диффузионная ёмкость С_диф обусловлена изменением зарядов в переходе за счёт инжекции основных носителей при прямом смещении (отражает перераспределение зарядов вблизи перехода)

С_диф = (q/kT)I_прt = I_прt /j_Т

где I_пр – прямой ток;

t– время жизни носителей;

j_Т - температурный потенциал.

1.1.5.3 Температурная зависимость обратного тока

Тепловой обратный ток I_0t зависит от температуры, так как при нагреве полупроводника увеличивается генерация неосновных носителей, при этом тепловой ток удваивается при нагреве на 8 ºС у германиевых приборов или на 10ºС – у кремниевых приборов

I_0t= I₀ e^aDT

где I₀ – тепловой ток при начальной температуре;

DT– приращение температуры;

a - температурный коэффициент тока, a = 0,08 1/ºС.

1.1.6 Пробой p-n перехода

Под пробоем понимают резкое уменьшение обратного сопротивления и резкое возрастание обратного тока при незначительном увеличении напряжения. Различают два вида пробоя:

а) тепловой – в результате недостаточного теплоотвода, когда рассеиваемая мощность на переходе больше мощности отводимой. Пробой необратим, прибор выходит из строя;

б) электрический пробой связан с увеличением напряженности в запирающем слое.

Электрический пробой подразделяется на два вида:

а) лавинный пробой заключается в размножении носителей в сильном электрическом поле за счёт ударной ионизации. Имеет место в широких переходах.

Ток I=I₀∙M, здесь M – коэффициент ударной ионизации или размножения;

М=1/[1-(U_обр/U_м)ⁿ]

где U_м – напряжение лавинного пробоя;

n = 3 – 5 в зависимости от материала;

б) туннельный пробой (зенеровский) развивается в узких переходах. В полупроводниках с высокой концентрацией примеси под действием напряженности поля возникает туннельный эффект, т.е. просачивание электронов сквозь потенциальный барьер (если толщина барьера мала) без затраты дополнительной энергии. Туннельный эффект возможен при обратном и небольшом прямом напряжениях, пока дно зоны проводимости ниже потолка валентной зоны.

1.2 Контакт металла с полупроводником

Различают выпрямляющий и невыпрямляющий контакт. Вид контакта определяется соотношением работ выхода из металла (j_Ме) и полупроводника (j_п). Работа выхода из твердого тела – это работа, которую необходимо затратить для перевода электрона с уровня Ферми в вакуум.

Рассмотрим для случая n-полупроводников:

а) при j_Ме> j_п за счет разности работ выхода j_Ме– j_n = j_Mn создается контактная разность потенциалов. Электроны переходят из полупроводника в металл. Металл заряжается отрицательно за счет электронов, а в полупроводнике в приконтактном слое создается положительный объемный заряд доноров – область, обедненная носителями заряда, т.е. запирающий слой. Он обладает повышенным сопротивлением, определяющим сопротивление всей системы. Этот контакт называется барьером Шоттки.

Если к металлу приложить плюс (см. рисунок 1.4), а к n-полупроводнику – минус, электроны в n-полупроводнике движутся к переходу, потенциальный барьер j_К уменьшается. Если же изменить полярность приложенного напряжения, электроны будут двигаться от перехода, потенциальный барьер j_К увеличивается. Т.е. контакт обладает односторонней проводимостью. Такой контакт выполняется методом напыления металла на полупроводник в вакууме;

б) при j_Ме< j_n электроны переходят из металла в полупроводник. В приконтактном слое полупроводника увеличивается концентрация электронов, т.е. слой обогащается носителями заряда, и сопротивление его понижается. Общее сопротивление системы определяется сопротивлением нейтрального слоя полупроводника и не зависит от величины и полярности приложенного напряжения. Контакт называется невыпрямляющим или омическим.

Омические контакты нужны для соединения полупроводника с внешними токоведущими частями.

1.3 Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с двумя выводами, принцип действия которого основан в основном на использовании свойств р-n перехода. (Но есть диоды без использования р-n-перехода).

1.3.1 Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод предназначен для преобразования переменного тока в постоянный. Используется свойство односторонней проводимости р-n-перехода. Электрод с большей концентрацией основных носителей называется эмиттером (Э), электрод с меньшей концентрацией основных носителей – базой (Б).

Основной характеристикой выпрямительного диода является его вольт-амперная характеристика. На рисунке 1.5 приведены ВАХ р-n-перехода (1) или теоретическая и диода (2) или реальная.

Отличия реальной ВАХ от теоретической:

а) в области малых прямых токов характеристики совпадают, в области больших прямых токов становится значительным падение напряжения на сопротивлении полупроводников и электродов. Характеристика идет ниже и почти линейно;

б) при повышении обратного напряжения ток медленно растет в результате:

1) термической генерации носителей в переходе. С увеличением ширины перехода увеличивается его объем и увеличивается число генерируемых носителей, т.е. увеличивается тепловой ток. Обратное допустимое напряжение до 400 вольт, допустимая температура до (60-70)°С;

2) поверхностной проводимости р-n перехода за счет ионных и молекулярных пленок на поверхности перехода.

Соединение диодов.

Иногда используется параллельное или последовательное соединение диодов:

а) если U_обр.>U_{обр. доп}_., то используется последовательное соединение (см. рисунок 1.6,а). Для выравнивания обратных сопротивлений диодовнеобходимо их шунтировать резисторами R_ш, чтобы равномерно разделить обратные напряжения на вентилях. R_ш=(0,1¸0,2)R_обр;

б) если I_пр.>I_прдоп_., то применяется параллельное соединение диодов (см. рисунок 1.6,б). При этом для выравнивания прямых сопротивлений диодов последовательно с ними включаются резисторы с малым сопротивлением R_доб= (5¸10)R_{д. прям}_.

1.3.2 Стабилитроны или опорные диоды

Стабилитроны − это кремниевые плоскостные диоды с нормированным напряжением пробоя и резким возрастанием обратного тока в точке пробоя. Напряжение на нем сохраняется с определенной точностью при изменении проходящего через него тока в заданном диапазоне. Принцип действия диода основан на использовании лавинного пробоя.

За счет высокой концентрации примесей и узкого перехода лавинный пробой наступает при низких обратных напряжениях. Так как рассеиваемая мощность мала, лавинный пробой не переходит в тепловой.

Выпускаются промышленностью:

а) стабилитроны общего назначения, которые используются в схемах стабилизации источников питания, ограничителях напряжения;

б) прецизионные – с высокой точностью стабилизации и термокомпенсации уровня напряжения;

в) импульсные – для стабилизации постоянного и импульсного напряжения;

г) двуханодные – в схемах стабилизаторов напряжения, ограничителях напряжения различной полярности;

д) стабисторы – для стабилизации малых значений напряжений и как термокомпенсирующие элементы для поддержания заданного напряжения стабилизации при изменении температуры.

Вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рисунке 1.7,а. На рисунке 1.7,б изображен параметрический стабилизатор напряжения, принцип работы которого заключается в том, что при изменении напряжения Е изменяется ток, протекающий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне и подключенной параллельно ему нагрузке практически не меняется.

Построим линию нагрузки E = I_СТ R_б + U_СТ на вольт-амперной характеристике стабилитрона. При I_СТ = 0 U_СТ = Е, при U_СТ = 0 I_СТ =E/R_б. Соединим эти точки. При увеличении Е линия нагрузки сдвинется параллельно влево, рабочая точка (точка пересечения линии нагрузки с ВАХ) смещается вниз, т.е. ток через стабилитрон увеличится. Излишек напряжения падает на балластном сопротивлении R_б, а напряжение на стабилитроне и, следовательно, на нагрузке останется тем же.

Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются:

а) напряжение стабилизации U_СТ;

б) минимальный I_СТ_min и максимальный I_СТ_mах токи стабилизации;

в) максимально допустимая рассеиваемая мощность Р_mах ;

г) дифференциальное сопротивление r_дф = dU_C_Т/ dI_C_Т ;

д) температурный коэффициент напряжения (ТКН) − отношение относительного изменения U_CT к абсолютному изменению температуры при постоянном токе стабилизации._.

Для стабилизации низких напряжений до 1 В используется прямая ветвь ВАХ кремниевого диода, называемого стабистором.

1.3.3 Варикапы

Принцип действия варикапа основан на зависимости барьерной емкости р-n перехода от приложенного обратного напряжения. Варикап представляет собой управляемую емкость. Варикапы также называются параметрическими диодами и варакторами. Емкость варикапа обратно пропорциональна приложенному обратному напряжению.

Варикапы изготавливаются из кремния. Используются в качестве элементов с электрически управляемой емкостью. Чаще всего применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты.

1.3.4 Туннельные диоды

В основу работы диода положен туннельный эффект.

Диод построен на основе вырожденных полупроводников. Концентрация примесей – 10²¹ см^-3, поэтому диод имеет очень узкий р-n переход.

Вольт-амперная характеристика приведена на рисунке 1.8. ВАХ имеет участок отрицательного сопротивления (аб). Туннельный эффект имеет место при обратном и небольшом прямом напряжениях, пока дно зоны проводимости ниже потолка валентной зоны (участок г0аб). На участке бв – диффузия.

Туннельные диоды изготавливаются из германия, кремния и арсенида галлия. Применяются для усиления, генерации, преобразования сигнала.

1.3.5 Обращенные диоды

Обращенные диоды – это диоды с концентрацией примесей (10¹⁹ см^-3) меньше, чем у туннельных. Энергетические уровни не перекрываются, уровень Ферми совпадает с потолком валентной зоны р-области и дном зоны проводимости n-области, и туннельный эффект сохраняется только при обратном напряжении. Вольтамперная характеристика приведена на рисунке 1.9. Здесь на участке 0г имеет место туннельный эффект, а на участке 0бв – диффузия.

Используются диоды в схемах для индикации и детектирования слабых сигналов, в переключательных схемах, детекторах.

1.3.6 Диоды Шоттки

В основе работы диода Шоттки используется выпрямляющий контакт (п. 1.2), металл-полупроводник, который изготавливается из качественного кремния с молибденом, нихромом, золотом, платиной или алюминием.

Диод Шоттки работает на основных носителях, отсутствует инжекция неосновных носителей, диффузионная емкость около нуля, выше быстродействие, так как оно определяется только барьерной емкостью. Это определяет эффективность применения диодов Шоттки в высокочастотных аналоговых и цифровых схемах.

В таблице 1.1 приведены условные графические обозначения диодов.

Т а б л и ц а 1.1

Наименование	Обозначение
выпрямительный диод
стабилитрон
туннельный диод
обращенный диод
варикап
диод Шоттки
двусторонний стабилитрон

1.4 Биполярные транзисторы

Транзисторами называются полупроводниковые приборы, способные усиливать электрическую мощность, имеющие три или более выводов, один или более p-n переходов. Они предназначены для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. В зависимости от того, носители одного или обоих типов участвуют в образовании тока, различают униполярные и биполярные транзисторы соответственно.

1.4.1 Устройство биполярного транзистора

Биполярный транзистор – это полупроводниковый триод с двумя взаимодействующими p-n переходами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции носителей заряда. Биполярными они называются, так как играют роль оба типа носителей: электроны и дырки.

Транзистор имеет три слоя, соответственно три электрода и два p-n перехода (см. рисунок 1.10). Площадь между n₁-p намного меньше, чем между p-n₂. Структура транзистора несимметрична. Слой, сильно легированный с меньшей площадью, служащий для инжекции носителей в базу, называется эмиттером (Э). Слой с большей площадью, служащий для экстракции носителей из базы и собирающий эти носители, называется коллектором (К). Средний слой, управляющий движением носителей от эмиттера к коллектору, называется базой (Б).

Через базу осуществляется также связь двух p-n переходов, которые называются соответственно эмиттерным (ЭП) и коллекторным (КП) переходами. Взаимодействие переходов обеспечивается очень малой толщиной базы между переходами (несколько десятков микрометров). В любом случае она должна быть намного меньше диффузионной длины неосновных носителей в базе. Кроме того, электропроводность базы должна быть значительно меньше электропроводности эмиттера.

Транзисторы с однородной базой называются бездрейфовыми, с неоднородной – дрейфовыми. В зависимости от последовательности расположения типов слоев полупроводника различают транзисторы n-p-n- (см. рисунок 1.11,а) и p-n-p (см. рисунок 1.11,б)- типов.

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие заключается лишь в том, что в транзисторе n-p-n-типа через базу к коллектору движутся электроны, инжектированные эмиттером, а в транзисторе p-n-p-типа – дырки. Для этого к электродам транзистора подключают источники питания обратной полярности. В микросхемах главным образом используются n-p-n-транзисторы, а p-n-p-типа – используется в сочетании с n-p-n и пара называется комплементарной, в дискретном исполнении – в основном p-n-p-типа.

1.4.2 Режимы работы биполярного транзистора

В зависимости от напряжения смещения переходов различают три режима включения: активный, отсечки и насыщения.

В активном режиме один из переходов смещен в прямом направлении, второй – в обратном. Если в прямом направлении включен эмиттерный переход, то такой режим называется нормальным активным или усилительным. В инверсном активном режиме ЭП смещен в обратном направлении, а КП – в прямом.

В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении. В этом случае токи во внешних цепях малы и соизмеримы с обратным током одного из переходов. Или, другими словами, транзистор заперт.

В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, т.е. открыты. В базу инжектируют неосновные носители из области эмиттера и из области коллектора (режим двойной инжекции). Так как оба перехода открыты, то на структуре падает небольшое напряжение.

Необходимо отметить, что в активном режиме управление транзистором осуществляется в полной мере, и он исполняет роль активного элемента. В режимах отсечки и насыщения усиление практически отсутствует.

1.4.3 Принцип действия транзистора в активном усилительном режиме

Физические процессы в транзисторной структуре определяются состоянием эмиттерного и коллекторного переходов. В активном нормальном режиме при подключении к электродам транзистора напряжений Е_эби Е_кб, как показано на рисунке 1.12, эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

В результате снижения потен-циального барьера электроны из области эмиттера диффундируют через эмиттерный переход в область базы (инжекция электронов), а дырки – из базы в область эмиттера. Однако, поскольку удельное сопротивление базы высокое, электронный поток носителей заряда преобладает над дырочным, то есть в базе повышается концентрация электронов.

Коллекторный переход смещен в обратном направлении, за счет этого усиливается экстракция электронов из базы в коллектор, то есть в базе на границе с коллектором уменьшается концентрация электронов.

В базе создается градиент концентраций электронов, поэтому электроны диффундируют от ЭП к КП.

Большинство электронов, инжектированных в базу, не успевают рекомбинировать в ней с дырками. Рекомбинирует только небольшая часть электронов (примерно 1%) . Остальные 99% электронов идут к коллектору, попадают в ускоренное поле коллекторного перехода и втягиваются в коллектор (экстракция электронов). Для нейтральности базы из нее во внешнюю цепь по выводу уходит часть электронов, равная рекомбинировавшей, которая и создает ток базы.

Таким образом, ток эмиттерного перехода несколько больше тока коллекторного перехода. Коэффициент передачи тока эмиттера в цепь коллектора. Для реальных структур .

Сопротивление эмиттерного перехода мало (сотни омов), а сопротивление коллекторного перехода составляет сотни килоом. Допустим, в коллекторную цепь последовательно включено сопротивление нагрузки , оно не повлияет на режим работы транзистора, но на сопротивлении можно снять большое напряжение.

Включение в цепь эмиттера источника переменного сигнала Е_свызывает изменение числа инжектируемых в базу неосновных носителей заряда и соответствующее изменение тока эмиттера и коллектора в такт с Е_с. На нагрузке будет выделяться усиленное напряжение с частотой, равной частоте входного сигнала, но при этом напряжение выходного сигнала намного больше входного сигнала Е_с. Таким вот образом происходит усиление сигнала.

1.4.4 Токи в транзисторе

По первому закону Кирхгофа для транзистора (см. рисунок 1.13) ток эмиттера равен сумме тока базы и тока коллектора

где – ток эмиттера;

– ток базы. Этот ток составляет не более 1% от тока эмиттера;

– тепловой ток коллекторного перехода.

Ток коллектора равен , где .

Отсюда .

Таким образом, в схемах с транзистором имеются две цепи: входная, в которую включается источник усиливаемых колебаний, и выходная, в которую включается нагрузочное сопротивление. Ток эмиттера здесь является управляющим током, ток коллектора – управляемым, а ток базы– их разностью.

1.4.5 Модуляция толщины базы

Модуляция толщины базы w представляет собой зависимость толщины базы w от напряжения на коллекторе .

Так как ширина эмиттерного перехода мала, изменения не влияют на ее значение. Коллекторный же переход из-за обратного смещения большой и сосредоточен в базе. При изменении изменяется ширина коллекторного перехода и, следовательно, толщина базы w тоже.

1.4.6 Схемы включения транзисторов

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим между источником сигнала на входе и выходной цепью транзистора, существуют три основные схемы включения транзистора в электрическую цепь: с общей базой (ОБ, см.рисунок 1.14,а), с общим эмиттером (ОЭ,см. рисунок 1.14,б), с общим коллектором (ОК, см.рисунок 1.14,в).

1.4.6.1 Основные параметры транзистора по схеме с общей базой (см. рисунок 1.14,а):

а) коэффициент усиления по току Ток не усиливается, I_вых < I _вх, что является недостатком схемы;

б) коэффициент усиления по напряжению

Так как всегда можно подобрать , то >>1, усиление по напряжению в сотни раз;

в) коэффициент усиления по мощности- десятки – сотни;

г) входное сопротивление десятки и сотни омов, малое входное сопротивление является недостатком схемы, так как оно закорачивает источник сигнала, т.е. требуется большой входной ток;

д) выходное сопротивление от сотен килоом до единиц мегом;

е) фазовый сдвиг выходного напряжения равен нулю.

Недостатки схемы включения с ОБ:

а) нет усиления по току (α < 1);

б) мало входное сопротивление R_вх;

в) большая разница между входным и выходным сопротивлениями, вследствие чего невозможно построение многокаскадной схемы с ОБ.

Достоинства:

а) высокий коэффициент усиления по напряжению и по мощности;

б) более высокие рабочие частоты, меньше частотные искажения;

в) меньше температурная нестабильность;

г) высокая линейность характеристик.

Схема с ОБ применяется в стабилизаторах тока и в схемах с более высокой рабочей частотой.

1.4.6.2 Основные параметры транзистора по схеме с общим эмиттером

Наиболее часто на практике применяют схему включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ). При таком включении входным электродом является база, эмиттер заземляется (общий электрод), а выходным электродом по-прежнему является коллектор (см. рисунок 1.14,б).

В схеме с общим эмиттером:

а) коэффициент усиления по току |_Uкэ=const и равен нескольким десяткам и единицам сотен, Параметр β связан с коэффициентом

передачи тока эмиттера соотношением

;

б) коэффициент усиления по напряжению ,

так как R_н>>R_вх, β>>1, то K_u>>1 (сотни);

в) коэффициент усиления по мощности- десятки тысяч;

г) входное сопротивление - сотни омов и единицы килоом. Входное сопротивление схемы с общим эмиттером больше входного сопротивления схемы с общей базой;

д) выходное сопротивление десятки килом.

Таким образом, R _{вых оэ} < R_{вых об}, R_{вх оэ} > R_{вх об};

е) фазовый сдвиг выходного напряжения φ =π.

Статические характеристики транзистора с общим эмиттером

Входной характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, является зависимость входного тока I_б от напряжения U_бэ, I_б =f(U_бэ) при заданном напряжении U_кэ. Совокупность таких зависимостей называется семейством входных характеристик транзистора (см. рисунок 1.15,а). При U_кэ =0 тепловой ток I_к0 в цепи коллектора отсутствует и зависимость I_б =f(U_бэ) соответствует ВАХ р-n–перехода, включенного в прямом направлении. При U_кэ>0 в цепи коллектора появляется ток -I_к0, направленный навстречу току I_б. Для компенсации этого тока в цепи базы нужно создать ток I_б= I_к0, приложив соответствующее напряжение U_бэ. Это приводит к смещению входной характеристики вправо вниз.

Выходной характеристикой транзистора по схеме с общим эмиттером называется зависимость I_к = f(U_кэ) при заданном токе I_б (см. рисунок 1.15,б). Если I_б=0, в цепи коллектора протекает только тепловой ток, так как в этом случае инжекция электронов из эмиттера в базу отсутствует. При U_кэ =0 ток в цепи коллектора не проходит, это объясняется тем, что напряжения U_бэ и U_кэ направлены встречно друг другу, т.е. потенциал коллектора выше потенциала базы, и коллекторный переход оказывается при этом закрыт. Поэтому выходные характеристики не пересекают ось ординат:

а) кривая совпадает с обратной ветвью p-n перехода;

б) кривая при I_б = 0 соответствует режиму с оборванной базой. Через транзистор течет ток I_к0с – сквозной ток коллектора. I_к0С > I_к0, т.к. течет не только I_к0, но и I_эр.

Определим ток коллектора для схемы с общим эмиттером. Для схемы с ОБ

I_к=aI_э+I_ко=aI_б+aI_к+I_ко; I_к(1-a)=aI_б+I_ко, отсюда

I_к= , ток коллектора I_к растет сильнее с увеличением температуры. Температурная стабильность хуже, чем в схеме с ОБ;

в) при увеличении U_кэ семейства и постоянном токе базы увеличивается U_эб, следовательно, увеличивается ток эмиттера I_э и коллектора I_к.

Достоинства схемы с ОЭ:

а) схема универсальна, имеет усиление по току, напряжению и мощности;

б) малая разница входного и выходного сопротивлений, а также .

Недостатками схемы с ОЭ являются сильная зависимость параметров от температуры, хуже линейность характеристик и ниже рабочая частота.

Схема с ОЭ широко используется в усилителях, генераторах и других устройствах.

1.4.6.3 Основные параметры транзистора по схеме с общим коллектором

а) коэффициент усиления по току равен нескольким десяткам и единицам сотен;

б) коэффициент усиления по напряжению

, т.к. »0, то К_U » 1, т.е. усиление по напряжению отсутствует;

в) коэффициент усиления по мощности- десятки тысяч;

г) входное сопротивление - сотни килоомов;

д) выходное сопротивление сотни омов;

е) фазовый сдвиг выходного напряжения равен нулю.

Достоинствами схемы являются:

а) больший динамический диапазон;

б) большое входное сопротивление ;

в) большой коэффициент усиления по току.

Недостаток – отсутствие усиления по напряжению К_u » 1.

Используется как согласующий каскад схем с высоким выходным сопротивлением со схемами с низким входным сопротивлением.

1.4.7 Зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты

Транзистор имеет инерционные свойства, так как время пролета носителей в базе конечно. На низких частотах, когда время пролёта носителей в базе меньше периода повторения сигнала, распределение концентрации электронов в базе равномерно уменьшается от эмиттера к коллектору.

На высоких частотах распределение концентрации электронов изменяется и идет диффузия носителей не только к коллектору, но и в обратную сторону, т.е. к эмиттеру. Коэффициент передачи тока уменьшается. Частота , при которой коэффициент передачи тока a уменьшается в раз (3 дБ) по сравнению с на низких частотах, называется граничной усиления (см. рисунок 1.16).

1.4.8 Дрейфовый транзистор

Дрейфовым называется биполярный транзистор, перенос неосновных носителей заряда в базе у которых происходит в основном за счет дрейфа в электрическом поле. Поле создается из-за неравномерной начальной концентрации примесей в базе, экспоненциально уменьшающейся от эмиттера к коллектору. Например, в n-p-n-транзисторе из-за градиента концентрации акцепторной примеси дырки диффундируют от эмиттерного перехода к коллекторному. Создается избыток положительных зарядов у КП за счет дырок, а у ЭП создается нескомпенсированный заряд из отрицательных ионов. В базе создается электрическое поле Е, ускоряющее движение электронов от эмиттера к коллектору со скоростью в 2…5 раз большей, чем диффузия. Граничная частота усиления транзистора увеличивается в 2…5 раз.

Технология изготовления дрейфовых транзисторов – метод двойной диффузии.

1.5 Полевые транзисторы

Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, работа которого основана на модуляции сопротивления полупроводника поперечным электрическим полем (полевой). Его усилительные свойства обусловлены потоком основных носителей заряда одного знака (униполярный), протекающими через проводящий канал (канальный).

Делятся на транзисторы с управляемым p-n переходом (ПТУП) и с изолированным затвором (МДП, МОП).

1.5.1 Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Существует несколько разновидностей. В 1952 г. Шокли впервые описал унитрон – полевой транзистор плоской конфигурации. В транзисторе проводящий канал (см.рисунок 1.17) изолирован от затвора p-n переходами, смещенными в обратном направлении. По каналу между электродами стока и истока протекает ток основных носителей. Истоком (И) называется электрод, от которого начинают движение (истекают) основные носители заряда в канале. Электрод, к которому движутся (стекают) носители заряда, называется стоком (С). Управляющее напряжение прикладывается к третьему электроду – затвору (З).

Допустим :

а) если , образуется равномерный р-п переход, чем больше напряжение |U_зи |, тем шире переход и уже проводящий канал;

б) если напряжение не равно нулю, то ширина канала неравномерна из-за падения напряжения на сопротивлении канала от тока стока I_c. В точке а напряжение равно U_а=U_зи, в точке б – U_б = U_зи + U_си. Сечение канала сужается от истока к стоку. Принцип работы транзистора с управляющим р-п переходом основан на изменении сопротивления канала за счет изменения под действием обратного напряжения ширины области р-п перехода, обедненной носителями заряда. При увеличении U_зи увеличивается р-п переход в сторону канала, поперечное сечение канала уменьшается, уменьшается ток стока. При большом напряжении затвора U_зи канал смыкается, ток стремится к нулю. Это напряжение U_зи между затвором и истоком называется напряжением отсечки U_зо.

Основными характеристиками транзистора являются стокозатворная I_c= f(U_зи) при U_си = const (см. рисунок 1.18,а) и стоковые или выходные характеристики I_c= f(U_c_и) при U_зи = const (см. рисунок 1.18,б). На выходных характеристиках можно выделить две области: область 1 крутого изменения тока (линейный омический участок характеристики) и область П (нелинейный пологий, рабочий участок), соответствующую режиму насыщения. При малых U_c_и расширение запирающего слоя незначительно. При увеличении U_c_и ток стока увеличивается по закону Ома. С некоторого момента (U_c_и= U_c_{и нас}) наступает насыщение. Ток стока не растет с увеличением напряжения U_c_и. Наступает своеобразное динамическое равновесие: увеличение тока стока вызывает увеличение падения напряжения на р-п переходе и сужение канала, которое уменьшает ток стока. Сужение идет в сторону стока. Сечение при этом минимально. Последующее увеличение U_c_и не уменьшает сечение, а увеличивает длину узкого участка сечения, называемого «коридор» или «горловина». Поэтому ток стока постоянный. В точке В напряжение стока достигает напряжения пробоя перехода. При дальнейшем увеличении U_c_и увеличивается ток стока, и прибор может выйти из строя. При увеличении U_зи (следовательно, при меньших первоначальных сечениях) процессы аналогичны, но сужение канала наступает раньше, это приводит к более раннему выходу на участок насыщения. Ток стока ограничен на более низком уровне.

Стокозатворная или характеристика передачи I_c= f(U_зи) при U_си= const приведена на рисунке 1.18,а. Ее используют для вычисления крутизны харак-теристики S, показывающего эффективность управляющего действия затвора S = |_Ucи_=со_nst.

Другим важным параметром транзистора является выходное сопротивление |U_зи_=const.

Усилитель-ные свойства полевых транзи-сторов характе-ризуются коэф-фициентом уси-ления

|_Uзи_=const, который связан с крутизной характеристики и выходным сопротивлением уравнением μ=R_i_∙S.

Основными преимуществами полевых транзисторов с управляющим переходом являются высокое входное сопротивление, малые шумы, простота изготовления, отсутствие в открытом состоянии остаточного напряжения между стоком и истоком открытого транзистора.

1.5.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором

Полевые транзисторы с изолированным затвором отличаются от полевых транзисторов с управляющим р-п переходом тем, что электрод затвора изолирован от полупроводниковой области канала слоем диэлектрика. Эти транзисторы имеют структуру металл-диэлектрик-полупроводник и называются кратко МДП-транзисторами. Если в качестве диэлектрика используется оксид кремния, то их называют также МОП-транзисторами. Сопротивление канала изменяется за счет изменения концентрации подвижных носителей в поверхностном (подзатворном) слое полупроводника под действием внешнего электрического поля. Поле создается напряжением, которое прикладывается к затвору. Затвор – это металлический электрод, который отделен от поверхности полупроводника слоем тонкой диэлектрической пленки. Наличие пленки позволяет подавать на затвор либо положительное, либо отрицательное напряжение. Ток через затвор в обоих случаях отсутствует. Транзисторы подразделяется на два класса:

а) со встроенным (проводящим) каналом;

б) с индуцированным (непроводящим) каналом.

1.5.2.1 Полевой транзистор со встроенным каналом

Структура транзистора приведена на рисунке 1.19.

Здесь р⁺ –- область с повышенной концентрацией примесей; Д – диэлектрик; Ме – металл; И – исток; С– сток; З – затвор.

При U_си ≠ 0 и = 0 течет ток стока I_с.

При <0 в канал притягиваются дырки – режим обогащения, ток I_с растет.

При >0 от затвора отталкиваются дырки – режим обеднения, ток I_с снижается.

1.5.2.2 Транзистор с индуцированным каналом (см. рисунок 1.20)

В этом транзисторе отсутствует структурно выраженный канал.

При Uз =0 ,, так как отсутствует проводимость между стоком и истоком. Здесь имеет место два встречновключенных р-п переходов.

При Uз > 0 электроны притягиваются к поверхности . Режим обеднения не применяется. При U_з<0 к поверхности притягиваются дырки и образуется индуцированный канал К, по которому течет ток.

Наиболее широко используется транзистор с индуцированным р-каналом из-за простоты изготовления.

Полевые транзисторы успешно применяют в различных усилительных и переключающих устройствах, их часто используют в сочетании с биполярными транзисторами. В таблице 1.2 приведены условные графические обозначения полевых транзисторов.

Т а б л и ц а 1.2

Наименование прибора	Обозначение
Полевой транзистор с управляющим р-п переходом с n-каналом
Полевой транзистор с управляющим р-п переходом с p-каналом

Продолжение т а б л и ц ы 1.2

Полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным n‑каналом
Полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным p‑каналом
Полевой транзистор с изолированным затвором с индуцированным n‑каналом
Полевой транзистор с изолированным затвором с индуцированным p‑каналом

1.6 Оптоэлектронные приборы

Оптоэлектроника – область электроники, занимающаяся вопросами преобразования оптических сигналов в электрические и наоборот. Оптоэлектроника (ОЭ), возникла на стыке трех наук – физики твёрдого тела, оптики и электроники. Элементную базу ОЭ составляют: источники света, оптические среды (световоды) и фотоприемники.

1.6.1 Световоды

Световоды – пучки тончайших нитей из прозрачного стекла, по которым свет распространяется в результате многократного внутреннего отражения от стенок. Через стекловолокно толщиной примерно нескольких микрон может быть передано более ста оптических сигналов с незначительными потерями. Если волокна изготовлены с примесью определенных химических элементов, то они могут усиливать световой сигнал.

1.6.2 Источники света (ИС)

Принцип действия ИС основан на использовании индуцированного излучения и электролюминесценции.

Индуцированное излучение осуществляется под действием внешних фотонов. Излучатели, работающие на этом принципе, – лазеры (аббревиатура от слов: light amplification by stimulated emission of radiation – усиление света за счёт индуцированного излучения).

В основе работы светодиода лежит излучательная рекомбинация в p-n- переходе. При прямом смещении инжектированные неосновные носители вблизи перехода рекомбинируют в базе с основными. При этом излучаются кванты света. Излучение может быть в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частях спектра.

Используются плоская и полусферическая конструкции .

Плоская конструкция наиболее простая. Рабочая поверхность большая (несколько мм²), но мала эффективность. Используется в матричных устройствах с большой плотностью упаковки.

Полусферическая конструкция по технологии сложней, но выигрывает в эффективности. Это делает её более предпочтительной.

1.6.3 Фотоприёмники

В фотоприемнике или фотоэлектрическом приборе происходит преобразование лучистой энергии в электрическую.

Строится на трех основных фотоэлектрических явлениях:

а) внутренний фотоэффект – изменение электропроводности проводника при его освещении за счёт увеличения концентрации носителей тока (фоторезистор);

б) фотоэффект в запирающем слое – возникновение ЭДС на границе двух материалов под воздействием света (фотодиод, фототранзистор);

в) внешний фотоэффект – испускание электронов веществом под действием света – фотоэлектронная эмиссия (фотоэлемент, фотоэлектронный умножитель).

Рассмотрим фотодиод – фотоэлектронный прибор, в основу работы которого положен фотоэффект в запирающем слое, возникает ЭДС в p-n переходе под действием светового потока.

Имеет структуру обычного p-n перехода. Изготавливается из германия или кремния, чаще кремния, так как он имеет более высокий коэффициент преобразования. При облучении происходит ионизация атомов исходного вещества в p-n переходе. Увеличивается собственная электропроводность, т.е. количество пар электронов и дырок.

Фотодиод может включаться без и с внешним источником:

а) без внешнего источника – называется вентильным или фотогенераторным режимом;

б) при наличии внешнего источника питания Е_вн – фотодиодным или фотопреобразовательным режимом.

Вольт-амперная характеристика I=f(U)|Ф= const приведена на рисунке 1.21).Здесь в IV квадранте отражен генераторный режим:

1) при I = 0 (режим холостого хода) U = j_ф – фотоэдс;

2) при U = 0 (режим короткого замыкания) течет ток I_кз;

3) при R_H¹ 0 ток I = j_ф/ R_H.

В III квадранте отражен фотодиодный режим. При Ф = 0 характеристика совпадает с обратной ветвью выпрямительного диода (темновой режим). С увеличением Ф увеличивается фототок I_Ф. Общий ток I_общ равен сумме обратного тока и фототока I_общ=I₀+I_Ф.

В I квадранте – при Ф = 0 ВАХ как у выпрямительного диода.

При Ф > 0 I_п_р>> I_Фи I_Ф не отличить на фоне I_пр. Поэтому фотодиод в прямом включении не используется. Так как I_Фи I_обрсоизмеримы, фотодиод включается в обратном направлении.

Фотодиоды применяются для регистрации слабых низкочастотных световых сигналов, при преобразовании световой энергии в электрическую (солнечные батареи, источники питания), автоматике, фотометрии, при контроле наличия источников излучения и др.

1.6.4 Оптроны

Элементарный оптрон – пара с фотонной связью

Оптрон - это активный элемент, сочетающий источник света и согласованный с ним фотоприемник, в котором внешний электрический сигнал преобразуется в оптический, усиливается, затем снова преобразуется в электрический, либо наоборот, но обязательно коэффициент усиления должен быть больше единицы.

Основное достоинство – возможность разделения входной и выходной цепей, т.е. имеет место гальваническая или оптическая развязка.

Оптроны подразделяются на два вида:

а) оптрон с внешней фотонной связью и внутренней электрической;

б) оптрон с внутренней фотонной связью и с внешней электрической. Оптроны используются для преобразования, усиления, генерирования, формирования электрического сигнала и т.д.

В основном в качестве источника света в оптронах используется светодиод инжекционный. Спектр излучения зависит от материала изготовления и различается типом фотоприемника.

2 Аналоговые электронные устройства

2.1 Классификация аналоговых электронных устройств

Электронные устройства делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговые (АЭУ) – это устройства, предназначенные для усиления, преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Преимущества аналоговых устройств (сравнительная простота, надежность и быстродействие) обеспечили им самое широкое применение.

Цифровые устройства служат для обработки импульсных сигналов в двоичном или каком-либо другом коде.

АЭУ делятся на две большие группы (см. рисунок 2.1):

усилители;

устройства на основе усилителей.

Электронный усилитель электрических колебаний – это устройство для увеличения мощности сигнала за счет энергии источника постоянного напряжения. Является одним из основных узлов радиоаппаратуры и электронных систем.

Устройства на основе усилителей делятся на:

а) преобразователи электрических сигналов или устройства аналоговой обработки сигналов. Выполняются они на базе усилителей со специальными цепями обратной связи. К ним относятся сумматоры, интеграторы, дифференциаторы, активные фильтры, логарифмические усилители, детекторы, перемножители и делители, устройства сравнения (компараторы) и другие;

б) преобразователи сопротивлений. Строятся также на усилителях с обратной связью. Они преобразуют величину, знак и характер сопротивлений;

в) особый класс составляют всевозможные генераторы сигналов и связанные с ними устройства.

2.2 Дифференциальный усилитель

2.2.1 Схема дифференциального усилителя (ДУ)

Дифференциальный усилитель (см. рисунок 2.2) усиливает разность входных сигналов, который называется дифференциальным сигналом. Строится на биполярных или полевых транзисторах.

ДУ представляет собой параллельно-балансный каскад – два УПТ с общей эмиттерной нагрузкой R_э, т.е. сбалансированный мост. Плечи моста: R_к1 = R_к2 и транзисторы VT₁ и VT₂, которые должны быть идентичны.

В одну диагональ включено коллекторное питание, в другую – нагрузка R_н. Питание каскада осуществляется от двух источников E_к = E_э, т.е. суммарное напряжение питания .

С помощью уменьшается потенциал эмиттеров VT₁ и VT₂ относительно общей точки, при этом отпадает необходимость согласования потенциалов.

На дискретных транзисторах трудно получить абсолютную симметрию, поэтому качественные ДУ строятся на интегральных микросхемах.

2.2.2 Дифференциальный усилитель с генератором стабильного тока

Синфазный сигнал – это сигнал, действующий одновременно на обоих входах, например, сигнал вследствие изменения напряжения питания, температуры и др., т.е. это помеха, влияние которой надо ослабить. Для уменьшения действия синфазного сигнала (СС) необходимо стабилизировать ток эмиттера. Допустим, на оба входа действует СС. Он стремится увеличить токи коллектора, а их сумма есть ток эмиттера, который является постоянным. Поэтому ток коллектора не увеличивается, и не изменяются. Для стабилизации тока эмиттера можно увеличивать эмиттерное сопротивление , но тогда необходимо увеличить напряжение питания, а его не нужно изменять. Вместо целесообразно ставить источник тока или генератор стабильного тока (ГСТ) на транзисторах, имеющего небольшое сопротивление по постоянному току и большое – по переменному (см. рисунок 2.3).

В схему ГСТ входят: транзистор VT₃, диод VD, резисторы R₁, R₂ и R₃и источник питания Е_э. Ток I_эопределяет сумму токов I_э₁и I_э₂для транзисторов VT₁и VT₂_,а задается он от ГСТ на VT₃(схема с общей базой). Его выходное сопротивление намного больше R_э в схеме рисунка 2.2. Смещение на базу VT₃ подается через делитель R₁, R₂, VD. Диод VD необходим для термокомпенсации. Выполняется условие R₁>> R₂, R_э. Ток через R₁ постоянный, так как R₁ большое и от температуры не зависит. В свою очередь .

При повышении температуры входная характеристика смещается влево, т.е. увеличивается ток эмиттера I_э₃. Одновременно уменьшается сопротивление диода VD, увеличивается ток и уменьшается ток , равный I₁ ‑ I₂. Ток I_к3 = a I_б3 также уменьшится. Таким образом, ток эмиттера дифференциального усилителя I_э поддерживается стабильным.

2.2.3 Разновидности схем дифференциальных усилителей

Основными задачами разработки разновидностей схем ДУ является увеличение коэффициента усиления усилителя и увеличение входного сопротивления.

Используются следующие разновидности схем ДУ:

а) на входах ДУ ставятся составные транзисторы (пара Дарлингтона), у которых гораздо выше входное сопротивление и коэффициент передачи тока равен произведению коэффициентов передачи тока обоих транзисторов;

б) на входах ДУ ставятся эмиттерные повторители, у которых входное сопротивление сотни килоомов;

в) ДУ с полевыми транзисторами на входах;

г) ДУ с динамической нагрузкой.

2.3 Операционный усилитель

2.3.1 Назначение и основные параметры операционных усилителей

Операционный усилитель – универсальный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом.

Идеальный ОУ имеет следующие параметры:

- коэффициент усиления по напряжению;

- входное сопротивление;

- выходное сопротивление .

Такие характеристики позволяют применять глубокую обратную связь (ОС), и свойства ОУ определяются только параметрами элементов цепи ОС. Используя различные ОС, можно осуществлять различные математические операции. Поэтому усилители были названы операционными.

Условное обозначение ОУ приведено на рисунке 2.4.

Здесь:

вход 1 – неинвертирующий вход, т.е. выходной сигнал совпадает по фазе с входным;

вход 2 – инвертирующий вход, т.е. выходной сигнал в противофазе с входным;

выход – однотактный;

+Е_п и ‑Е_п –‑ выводы двух источников питания Е_п или двуполярного источника.

Реальные ОУ обычно имеют большое число выводов для подключения внешних цепей частотной коррекции, формирующих требуемый вид амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя.

Характеристики реальных ОУ немного отличаются от идеальных.

Коэффициент усиления – важнейший количественный показатель работы любого усилителя. Коэффициент усиления напряжения К_u=U_вых/Uвых; коэффициент усиления тока К_i=I_вых /I_вх; коэффициент усиления мощности .

Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления каскадов .

Коэффициент усиления К выражается безразмерной величиной либо в децибелах (дБ), так как человеческое ухо различает разницу уровня звука на 1 дБ ‑ на величину, пропорциональную логарифму от соответствующего изменения звуковой энергии. .

Коэффициент усиления К является комплексной величиной, так как выходной сигнал отличается от входного по фазе.

В общем виде, например, для напряжения

где К – модуль , ‑ разность фаз входного и выходного сигнала.

Основные параметры реальных ОУ:

а) коэффициент усиления дифференциального сигнала

;

б) коэффициент усиления синфазного сигнала ;

в) коэффициент ослабления синфазного сигнала ОУ в децибелах ;

г) входное сопротивление R_вхобычно порядка 400 кОм (может достигать от десятков кОм до десятков МОм);

д) выходное сопротивление R_вых= 20 ¸2000 Ом;

е) амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – – зависимость коэффициента усиления от частоты (линеаризованная характеристика в логарифмическом масштабе – диаграмма Боде) приведена на рисунке 2.5,а. АЧХ ОУ представляет суммарную АЧХ отдельных каскадов. Изменение частоты в десять раз (на декаду) приводит к уменьшению коэффициента усиления по напряжению в десять раз, т.е. на минус 20 дБ.

Двухкаскадный ОУ имеет два излома АЧХ (каждый каскад вносит один излом);

ж) фазочастотная характеристика (ФЧХ) ОУ – зависимость фазы сигнала от частоты (см. рисунок 2.5,б). Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, равный минус . ФЧХ запаздывает на , где n – число каскадов ОУ.

Для стабилизации работы ОУ требуется коррекция АЧХ и ФЧХ;

и) ‑ частота единичного усиления, т.е. частота, при которой коэффициент усиления равен единице;

к) амплитудная характеристика или характеристика передачи сигнала – зависимость выходного напряжения от входного приведена на рисунке 2.6.

Обычно;

л) если при U_вх = 0 также и U_вых = 0, имеет место баланс ОУ.

В реальных ОУ внутри схемы может иметь место разбаланс, из-за которого появляется при U_вх = 0 (см. рисунок 2.7);

м) U _{вх смещ нуля}или начальное смещение ‑ это постоянное напряжение, подаваемое на один из входов, чтобы выходное напряжение стало равным нулю. Оно примерно равно 1...3 мВ;

н) разность входных токов ‑ 5…50 нА.

2.3.2 Двухкаскадный операционный усилитель.

2.3.2 Двухкаскадный операционный усилитель

Схема-модель двухкаскадного операционного усилителя представлена на рисунке 2.8. Входной дифференциальный усилитель построен на транзисторах VT₁ ¸ VT₄. Основные транзисторы VT₁и VT₂ – p-n-p-типа. Динамическая нагрузка (транзисторы VT₃и VT₄ ‑ n-p-n-типа) представляет собой токовое зеркало или отражатель токов. ДУ с токовым зеркалом имеет дифференциальный вход и однотактный выход. ГСТ₁ в эмиттерной цепи служит для стабилизации эмиттерного тока и уменьшения дрейфа напряжения.

Каскад обеспечивает требуемые входные параметры ОУ.

Второй каскад, построенный на составном транзисторе VT₅ и VT₆ по схеме с общим эмиттером, является усилителем амплитуд. Обеспечивает необходимый коэффициент усиления по напряжению ОУ. В качестве нагрузочного сопротивления каскада служит источник тока ГСТ₂. Емкость С_К»30pF ‑ для коррекции частотной характеристики. Диоды VD₁ и VD₂ для создания смещения начальной рабочей точки в выходном каскаде.

В выходной каскад входят: комплементарная пара транзисторов VT₇ (n-p-n-типа)и VT₈ (p-n-p-типа), диоды VD₁ и VD₂, генератор стабильного тока ГСТ₂, транзистор VT_6.. Выходной каскад является двухтактным усилителем мощности класса АВ. Делитель напряжения, состоящий из ГСТ₂, VD₁, VD₂ и VT_6, создает смещение рабочей точки транзисторов VT₇и VT₈. Причем. . Необходимое начальное смещение, как было уже сказано, задается диодами VD₁ и VD₂. Эти же диоды обеспечивают температурную стабилизацию режима покоя выходного усилителя.

При отсутствии сигнала на входе ОУ U_ВХ = 0 ток через нагрузку I_Н= 0. Через транзисторы VT₇ и VT₈ течет небольшой начальный ток, обусловленный смещением плюс U_VD₁ на транзисторе VT₇ и минус U_VD₂– на транзисторе VT₈. Диоды включены в прямом направлении и всегда открыты, так как даже при подаче положительного перепада напряжения с коллектора VT₆ за счет источников напряжения питания + Е_п1 и ‑ Е_п2 нааноды диодов подано более положительное напряжение,чем на катоды. Можно считать, что базы обоих транзисторов закорочены по переменному току, так как сопротивление диодов по переменной составляющей близко к нулю. Транзисторы VT₇ и VT₈ открыты поочередно. При подаче с коллектора VT₆ положительного перепада напряжения транзистор VT₈ запирается, а VT₇ – отпирается. Ток течет по цепи: + Е_п1, кэ_VT7, R_н, ‑ Е_п1. При подаче с коллектора VT₆ отрицательного перепада напряжения транзистор VT₇ запирается, а VT₈ – отпирается. Ток течет по цепи: + Е_п2, R_н, кэ_VT8, ‑ Е_п2.

2.4 Внешние цепи ОУ

В операционных усилителях используются внешние цепи:

а) цепи коррекции частотной характеристики – частотно-зависимые RC-цепи;

б) цепи балансировки для установки нулевого напряжения на выходе при нулевом входном;

в) цепи защиты:

1) от пробоя на входе при высоком входном напряжении;

2)от короткого замыкания на выходе включается последовательно резистор примерно 400 омов;

3) от переполюсовки источника питания при неправильной полярности включения;

4) от перенапряжения источника питания;

г) цепи обратной связи.

Обычно в ОУ используется отрицательная обратная связь, т.к. без нее даже при коэффициент усиления стремится к бесконечности и может достичь предельного значения.

Отрицательная обратная связь позволяет создать схему с заданными функциями, достичь нужного коэффициента усиления, повысить стабильность и устойчивость схемы, добиться необходимых и , уменьшить линейные и нелинейные искажения.

2.5 Усилители сигналов на ОУ

2.5.1 Инвертирующий усилитель (см. рисунок 2.9)

Примем допущения:

; (2.1)

. (2.2)

. Так как, то . Следовательно точку А можно считать закороченной на землю.

По первому закону Кирхгофа , а так как , то и .

Определим коэффициент усиления инвертирующего усилителя

. (2.3)

Из (2.3) видно, что коэффициент усиления инвертирующего усилителя не зависит от параметров ОУ, а определяется только видом обратной связи. Здесь имеет место параллельная отрицательная обратная связь по напряжению.

Если , то усилитель (см. рисунок 2.9) является инвертором.

Для симметрирования (уравнивания) входных токов ставится резистор R, который определяется как параллельно соединенные R_ос и R₁

2.5.2 Неинвертирующий усилитель

На рисунке 2.10,а представлена схема неинвертирующего усилителя. Цепь R_ос–R₁ создает последовательную отрицательную обратную связь (ООС) по напряжению. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход. Допустим, что выполняются условия (2.1) и (2.2). Согласно (2.1) . Согласно (2.2) . Из рисунка 2.9,а находим U_вх = I₁R₁, U_вых = I₁(R₁+R_ос), тогда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя равен

Если и (см. рисунок 2.10,б), то это повторитель напряжения. Имеет место 100% последовательная ООС по напряжению.

Сигнал на выходе повторяет входной сигнал.

2.6 Решающие усилители

2.6.1 Инвертирующий сумматор (см. рисунок 2.11)

Из рисунка 2.11 следует, что , так как, Если , то

2.6.2 Интегратор инвертирующий (см. рисунок 2.12)

Из условия (2.1) следует, что . Ток через конденсатор равен

, входной ток –.

Так как выполняется условие (2.2), и . Следовательно,

Отсюда, проинтегрировав, получим .

линейно зависит от , т.е. схема интегратора является простейшей схемой генератора линейно изменяющегося напряжения.

2.6.3 Дифференциатор инвертирующий (см. рисунок 2.13)

Ток через R_ос равен ,

ток через емкость С равен .

Так как входной ток равен нулю, то и .

Отсюда .

2.6.4 Логарифмирующий усилитель (см. рисунок 2.14)

Здесь

где , .

Следовательно, .

Прологарифмировав, получаем

2.7 Нелинейный режим работы ОУ

Если (см. рисунок 2. 15), то ОУ работает в линейном режиме,

при – в нелинейном ключевом или импульсном режиме.

При подаче напряжения на один из входов ОУ передаточная характеристика по второму входу смещается на это же значение.

Например, на неинвертирующий вход ОУ (см. рисунок 2.16) подано напряжение U_оп, тогда характеристика по инвертирующему входу (кривая 1) сместится на значение U_оп вправо (кривая 2).

2.7.1 Компаратор аналоговый

Компаратор аналоговый (см. рисунок 2.17,а) применяется для сравнения аналогового сигнала с опорным напряжением. На рисунке 2.17,а на неинвертирующий вход подано опорное напряжение U_оп, на инвертирующий вход ‑ аналоговый сигнал U_вх.

При этом выполняются условия (см. рисунок 2.17,б – передаточная характеристика ОУ):

если: U_вх< U_оп, то ,

если:U_вх> U_оп, то .

При равенстве U_вх=U_оп, U_вых= 0. Так как коэффициент усиления ОУ сотни тысяч, то выход компаратора переключается на противоположное значение.

На рисунке 2.18 приведены временные диаграммы входных и выходного напряжений компаратора, которые иллюстрируют его работу.

2.7.2 Триггер Шмидта

Триггер Шмидта имеет два состояния устойчивого равновесия и преобразует аналоговый сигнал в импульсный. На рисунке 2.19,а приведена принципиальная схема триггера, на рисунке 2.19,б– его передаточная характеристика.

Резисторы и создают положительную обратную связь, которая обеспечивает лавинообразное переключение выхода триггера из положительного в отрицательное и наоборот. Пороговые напряжения (см. рисунок 2.19,б), при которых происходит переключение триггера, определяются как

Из рисунка 2.20 видно, что при U_вх = 0, на выходе , так как на неинвертирующем входе U_вх⁺U_оп>0. Когда U_вх возрастет до , равное смещению U_вх⁺, триггер переключается в . За счет положительной обратной связи , теперь смещение на U_вх⁺ станет равным . Когда U_вх уменьшится до , произойдет обратное переключение триггера в и т.д.

Так как пороговое напряжение меняется от одного значения к другому скачком, триггер является управляемым компаратором.

2.8 Генераторы сигналов на ОУ

2.8.1 RC-генератор синусоидальных колебаний

Достоинствами RC-генератора синусоидальных колебаний на ОУ являются простота, дешевизна, малые масса и габариты и недостатком – невысокая стабильность частоты генерации.

Рассмотрим схему генератора с мостом Вина (см. рисунок 2.21).

Коэффициент передачи звена обратной связи (моста Вина –R₁, R₂, C₁,C₂) равен на квазирезонансной частоте .

Если и , то , .

На рисунке 2.22 приведена АЧХ и ФЧХ моста Вина, из которого видно, что на квазирезонансной частоте фазовый сдвиг равен нулю, а коэффициент передачи звена обратной связи равен 1/3.

На схеме (см. рисунок 2.21) сопротивление R включено для подстройки глубины отрицательной обратной связи, которая необходима для выполнения баланса амплитуд. Встречно-параллельные диоды VD₁ и VD₂включены для стабилизации амплитуды выходного сигнала. При слишком больших U_вых диоды попеременно входят в состояние прямой проводимости и увеличивают амплитуду сигнала отрицательной обратной связи, уменьшая коэффициент усиления сигнала.

2.8.2 Автоколебательный мультивибратор

Основными свойствами интегральных операционных усилителей (ОУ), используемых при построении импульсных генераторов, является большое входное (сотни килоом) и малое (десятки омов) выходное сопротивление, большой (сотни тысяч) коэффициент усиления и наличие двух парафазных входов. Полярность выходного напряжения ОУ определяется большим из напряжений U⁺_вх и _вх на неинвертирующем и инвертирующим входах соответственно.

Принцип построения генераторов прямоугольных импульсов на ОУ основан на получении замкнутой резисторной или резисторно-емкостной цепи положительной обратной связи (ПОС) при соединении выхода ОУ с его неинвертирующим входом. ПОС обеспечивает возникновение лавинообразных процессов.

Рассмотрим работу автоколебательного мультивибратора на ОУ, в котором ПОС обеспечивается делителем напряжения R₁, R₂ (см. рисунок 2.23,а) от выхода к неинвертирующему входу. Переключение мультивибратора из одного квазиустойчивого равновесия в другое происходит за счет релаксационного изменения _вх. Если в момент t=0 (см. рисунок 2.23,б) включить источник питания ОУ, начинает расти выходное на-

пряжение U_вых, за счет делителя R₁, R₂ напряжение на неинвертирующем входе U⁺_вх тоже возрастает, а это приводит к еще большему увеличению U_вых. В результате лавинообразного процесса выходное напряжение U_вых скачкообразно увеличивается до Е⁺, а входное U⁺_вх до gE⁺, где g^-= R₂/(R₁ +R₂), Е – напряжение источника питания интегрального операционного усилителя. _вх при этом измениться не успевает и равно нулю. Начинается заряд конденсатора С через R. Это приводит к увеличению _вх., стремящегося к Е⁺ с постоянной времени t_зар =RC . В момент t₁, когда _вх = U⁺_вх = gE⁺, скачкообразно изменяется режим и U_вых изменяется до , а U⁺_вх =g. Процесс этот происходит лавинообразно.

Конденсатор С, соединенный положительной обкладкой к , а отрицательной – к корпусу, стремится перезарядиться до по цепи: +С, R, выход ОУ, –С. В момент t₂, когда _вх =–g, снова происходит опрокидывание.

Процессы эти периодически повторяются.

Длительность импульса равна .

Период повторения импульсов .

Скважность Q=T/t_u =2.

Для построения мультивибратора со скважностью необходимо, чтобы цепь заряда отличалась от цепи разряда (см. рисунок 2.24). Заряд идет по цепи: U_вых, R^’, VD1, С, корпус, разряд – по цепи: +С, VD2, R^’’, корпус, –С. Длительность положительного импульса

Длительность отрицательного импульса – .

Скважность – .

2.8.3 Генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)

На рисунке 2.25,а в схеме ГЛИН интегрирующая RC-цепочка включена в цепь отрицательной обратной связи ОУ. Управляется ГЛИН импульсами положительной полярности U_вх (см. рисунок 2.25,б) с длительностью t_и, равной времени прямого хода пилы. Входные импульсы подаются на базу диода VD, эмиттер которого соединен с инвертирующим входом ОУ.

В исходном состоянии генератора (t < t₁) при U_вх = 0 диод VD открыт, течет ток от источника питания через R, диод VD, источник сигнала U_вх, корпус: .

Напряжение на неинвертирующем входе

где .

Напряжение превышает настолько, чтобы перевести ОУ в режим ограничения, при котором . Конденсатор С при этом заряжен до напряжения U_C (0) = E . Заряд конденсатора идет по цепи Е⁺, выход ОУ, С, VD, источник сигнала U_вх, корпус .

Формирование рабочего хода пилы T_пр .

При подаче в момент t₁ запускающего входного импульса длительностью t_u диод VD запирается. Скачок положительного напряжения от источника Е переводит ОУ в линейный усилительный режим и ОУ начинает интегрировать постоянное напряжение Е, являющееся для него входным. Положительный скачок на входе в момент t₁ дает отрицательный скачок на выходе.

Заряженный конденсатор С начинает медленно разряжаться, вызывая увеличение напряжения , которое обусловливает уменьшение выходного напряжения U_вых.

Длительность рабочего хода T_пр = t_и и постоянная времени RC цепи должны быть рассчитаны так, чтобы к концу интервала t_и конденсатор успел разрядиться до нуля и перезарядиться до .

Формирование обратного хода пилы T_обр.

В момент t₂ окончания входного импульса отпирается диод VD. скачкообразно уменьшается до , при котором ОУ выходит из режима усиления. увеличивается до Е⁺, конденсатор, заряженный до с большой скоростью, определяемой сопротивлением открытого диода VD, разряжается до нуля и заряжается до исходного напряжения U_С (t) = .

3 Цифровые электронные устройства

3.1 Основные логические операции и логические элементы.

Логические функции ‑ функции, которые принимают два значения:

F=0, если сообщение ложное;

F=1, если сообщение истинное.

Логические операции описывают связь между логическими функциями.

Электрические схемы, реализующие элементарные логические операции, называются логическими элементами (ЛЭ).

Существуют 3 простейшие логические операции НЕ, ИЛИ, И:

а) операция НЕ - логическое отрицание, инверсия (F равно не А)

ЛЭ, выполняющий операцию НЕ, называется инвертором (см. рисунок 3.1);

б) операция ИЛИ ‑ логическое сложение, дизъюнкция.

F=АÚВ, либо F=А+В (F есть А или В).

ЛЭ, выполняющий операцию ИЛИ, называется сборкой или дизъюнктором (см. рисунок 3.2);

в) операция “И”- логическое умножение или конъюнкция.

F=AB (F есть А и В);

F=AÙB.

Логический элемент, выполняющий операцию И, называется схемой совпадения, или конъюнктором (см. рисунок 3.3).

Этот набор элементов И, НЕ, ИЛИ называется основным базисом или основной функционально полной системой элементов. Т.е. с помощью только этих элементов можно создать любую логическую схему.

Более широко в схемотехнике используются элементы других базисов ‑ двухступенчатые ИЛИ-НЕ, И-НЕ:

а) стрелка Пирса, или отрицание дизъюнкции, или операция ИЛИ-НЕ

А¯В = .

Условное обозначение приведено на рисунке 3.4. Логический элемент называется элементом Пирса;

б) штрих Шеффера, или отрицание конъюнкции, или операция И-НЕ А½В = .

Условное обозначение приведено на рисунке 3.5. Логический элемент называется элементом Шеффера.

С помощью только одного типа микросхем ИЛИ-НЕ, либо И-НЕ можно построить любую логическую схему, т.е. каждая из них является основным базисом.

Самым распространенным является элемент Шеффера И-НЕ.

Также широкое применение нашли логические элементы:

а) И-ИЛИ-НЕ, выполняющее операцию . Условное обозначение приведено на рисунке 3.6;

б) исключающее ИЛИ, или сумма по модулю два, или функция неравнозначности имеет вид

F=;

Это означает, что F равно либо A, либо B. Логический элемент – исключающее ИЛИ – иногда называют элементом типа «что-нибудь, но не все». Символ (псевдоплюс) означает, что входы А и В связаны логической функцией исключающее ИЛИ.

Из алгебры логики известно:

; ; .

Таблица истинности для элемента исключающее ИЛИ приведена в таблице 3.1.

Т а б л и ц а 3.1

А	В	АВ
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Из таблицы видно, что, если на какой-либо из входов (но не на все) подана логическая единица, то на выходе также появляется единица. Условное обозначение элемента неравнозначности приведено на рисунке 3.7,а. Поскольку этот элемент выполняет операцию сложения по модулю 2, то его обозначают так же, как на рисунке 3.7,б;

в) исключающее ИЛИ-НЕ, или функция равнозначности имеет вид

. Это означает, что F равно инверсии либо A, либо B.

Таблица истинности для элемента исключающее ИЛИ-НЕ приведена в таблице 3.2. Условное обозначение элемента приведено на рисунке 3.8.

А	В
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Т а б л и ц а 3.2

Алгебра логики является алгеброй состояний и позволяет:

а) описывать работу электронного устройства в виде логических функций;

б) от уравнений переходить к электронным схемам;

в) синтезировать оптимальные схемы.

Порядок выполнения операций: НЕ – И – ИЛИ.

Операции деления и вычитания не используются, могут использоваться скобки.

Кроме аксиом алгебры логики, для преобразования функций широко используются формулы де Моргана: ;.

3.2 Логические интегральные схемы

Цифровые интегральные схемы предназначены для обработки, преобразования и хранения цифровой информации. Они выпускаются сериями. Внутри каждой серии имеются объединенные по функциональному признаку группы устройств: логические элементы, триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры и т.д. Чем шире функциональный состав серии, тем большими возможностями может обладать цифровое устройство, выполненное на базе микросхем данной серии. Микросхемы, входящие в состав каждой серии, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение, одинаковое напряжение питания и одинаковые уровни сигналов логического нуля и логической единицы. Все это делает микросхемы одной серии совместимыми.

Основой каждой серии цифровых микросхем является базовый логический элемент. Как правило, базовые логические элементы выполняют операции И—НЕ, либо ИЛИ—НЕ и по принципу построения делятся на следующие основные типы: элементы резистивно-транзисторной логики (РТЛ), диодно-транзисторной логики (ДТЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), интегрально-инжекционной логики (ИИЛ), базовые элементы которых выполнены на биполярных транзисторах. Микросхемы на комплементарных МДП-структурах (КМДП) используют пары МДП-транзисторов со структурой металл - диэлектрик – полупроводник с каналами р- и n-типов.

3.2.1 Схема ДТЛ ‑ диодно-транзисторной логики

Основная схема ДТЛ приведена на рисунке 3.9,а. Здесь диоды VD₁, VD₂, VD₃ и резистор R₁ представляют собой конъюнктор (И), элементы VT, R₂, R₃ – инвертор (НЕ). Смещающие диоды VD_СМ1, VD_СМ2 осуществляют связь между логическими элементами И и НЕ и смещают (понижают) потенциал базы VT относительно напряжения U₁. Резистор R₂ служит для подачи смещения Е_СМ на VT и гарантированного удерживания его в запертом состоянии при открытых входных диодах и как дополнительная цепь обратного тока базы при запирании транзистора.

При высоком уровне напряжения на входе U_A = U_B = U_C = U¹, диоды VD₁…VD₃ заперты, повышается потенциал точки U₁, отпираются диоды смещения VD_СМ1, VD_СМ2, течет ток базы VT, и транзистор входит в насыщение. Напряжение на коллекторе U_F падает до нуля, т.е. F = 0.

Если хотя бы на одном из входов низкий уровень напряжения U_A или U_B или U_C равен U⁰, отпирается соответствующий диод, понижается потенциал U₁, запираются диоды смещения VD_C_М1, VD_СМ2. На базе транзистора VT низкое напряжение, и он запирается. U_ВЫХ = U_F = U¹, т.е. на выходе элемента появляется логическая единица.

Если отбросить часть схемы (см. рисунок 3.9,а), изображенную пунктиром, она превращается в инвертор.

Если к схеме, в соответствии с рисунком 3.9,а, добавить диоды VD₂, VD₃, то напряжение U_F будет соответствовать логической 1, если хотя бы один из входов будет в состоянии логического нуля. Логический нуль на выходе можно получить только в том случае, если на всех входах присутствует напряжение логической единицы, т.е. логическая операция, выполняемая данной схемой, имеет вид: , что соответствует операции И-НЕ. Добавлением дополнительных диодов для расширения объема входа число входов в базовом элементе ДТЛ И-НЕ может быть доведено до 20.

3.2.2 Схемы ТТЛ − транзисторно-транзисторной логики

3.2.2.1 Схема ТТЛ − транзисторно-транзисторной логики с простым инвертором

Транзисторно-транзисторная логика (см. рисунок 3.10) − результат развития ДТЛ. Матрица диодов заменяется многоэмиттерным транзистором (МЭТ).

Это интегральный прибор, объединяющий функции диодных логических схем и транзисторного усилителя. МЭТ имеет несколько эмиттеров, расположенных так, что прямое взаимодействие между ними исключается. МЭТ позволяет увеличить быстродействие, снизить потребляемую мощность и усовершенствовать технологию изготовления микросхем. Так как МЭТ был разработан лишь на этапе интегральной схемотехники, то аналогов ТТЛ на дискретных компонентах не было.

ТТЛ относится к потенциальным элементам. При построении схем ЭВМ на их основе они соединяются потенциальными связями, т.е. без конденсаторов и трансформаторов.

Напряжение логической единицы – U¹ = 2,4 В, напряжение логического нуля – U⁰< 0,4 В.

В схеме рисунка 3.9 диоды VD₁…VD₃ заменены эмиттерными переходами МЭТ, а D_СМ1, D_СМ2 ‑ коллекторными переходами МЭТ. Отпадает необходимость в Е_СМ и R₂.

Базовый элемент ТТЛ так же, как и ДТЛ выполняет логическую операцию И-НЕ. При низком уровне сигнала (логический 0) хотя бы на одном из входов многоэмиттерного транзистора МЭТ последний находится в состоянии насыщения, а VT₁ закрыт. На выходе схемы присутствует высокий уровень напряжения (логическая единица). При высоком уровне сигнала на всех входах МЭТ работает в активном инверсном режиме (эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный – в прямом), VT₁ находится в состоянии насыщения. На выходе схемы низкий уровень сигнала, т.е. ноль.

Описанный здесь базовый элемент ТТЛ, несмотря на упрощенную технологию изготовления, не нашел широкого применения из-за низкой помехоустойчивости, малого быстродействия при работе на емкостную нагрузку и малой нагрузочной способности.

Низкая нагрузочная способность или малый коэффициент разветвления объясняется следующим образом. Через R₂, при запертом транзисторе VT₁, текут входные токи нагрузочных элементов, и, если их много, увеличивается падение напряжения на коллекторной нагрузке R₂. Уменьшается напряжение на коллекторе VT₁, т.е. значение верхнего логического уровня, нарушается работа схемы. Поэтому используется ТТЛ со сложным инвертором.

3.2.2.2 Схема ТТЛ со сложным инвертором

Схема ТТЛ (см. рисунок 3.11) состоит из двух частей:

а) конъюнктора И, включающего многоэмиттерный транзистор МЭТ и резистор R₁. Схема И может иметь от 2 до 8 входов (увеличение количества входов расширяет логические возможности ТТЛ);

б) сложного инвертора НЕ, включающего в себя VT₁, VТ₂, VТ₃, VD, R₂, R₃, R₄.

В свою очередь сложный инвертор можно рассматривать, состоящим из фазорасщепля-ющего каскада и выходного усилителя.

Фазорасщепляющий или фазоинверсный каскад (состоит из VT₁, R₂, R₃) служит для управления транзисторами VТ₂ и VТ₃. Транзистор VТ₁ увели-чивает порог переключения, повышает помехоустойчивость ТТЛ.

Выходной усилитель (VТ₂, VТ₃, VD, R₄) представляет собой эмиттерный повторитель.

Транзисторы VТ₁, VТ₃ представляют составной транзистор или пару Дарлингтона. В статических режимах работы схемы VT₃ повторяет состояние VT₁. При запирании VT₁ база транзистора VT₃ через резистор R₃ подключается к корпусу, чем и обеспечивается закрытое состояние VT₃.

Транзистор VТ₂ может работать в насыщении и в отсечке. Его состояние в статических режимах работы схемы всегда противоположно состоянию VT₃, следовательно, VT₁. При насыщенном транзисторе VT₃ транзистор VT₂ закрыт и наоборот. Транзисторы VТ₂, VТ₃ представляют собой не что иное, как двухтактный усилитель мощности.

Диод VD служит для надежного запирания VТ₂, когда открыт VТ₃. Повышая порог отпирания VT₂, он обеспечивает его закрытое состояние при насыщенном транзисторе VT₃. Действительно:

U_БЭ2 = U_КЭН1 + U_БЭ3 – U_КЭН3 – U_VD ≈ U_БЭ3 - U_VD < U_пор2, так как типичны значения: U_БЭ = 0,7 В; U_КЭ=0,3 В; U_VD = 0,7 В; U_пор = 0,6 В.

U_БЭ2 = U_Б2 ‑ (U_D+U_КЭ3) = U_КЭ1+U_БЭ3 – U_VD ‑ U_КЭ3= 0,3 + 0,7 ‑ 0,7 ‑ 0,3 = 0.

Если VD отсутствует, U_БЭ2= U_КЭ1+ U_БЭ3 ‑ U_КЭ3 = 0,7 В, при этом VТ₂ открыт.

U_БЭ2 = U_Б2 ‑ U_Э2 = (U_КЭ1+U_БЭ3н) ‑ (U_КЭ3н+U_D) = 0.

Если VT₁ насыщен, то через базу VT₃ протекает ток

I_Б3 = I_Э1 – I_R₃ = [(E_К ‑ U_КЭН1 – U_БЭ3)/a₂·R₂] – (U_БЭ3/R₃).

Для обеспечения режима насыщения VT₃ при закрытых транзисторе VT₂ и диоде VD необходимо выполнить условие

I_Б3·В₃≥ I_КН = n·I⁰_{ВХ
НАГР}

где В – коэффициент передачи тока в режиме большого сигнала;

n – количество нагрузочных ТТЛ-схем, подключенных к выходу рассматриваемой схемы;

I⁰_{ВХ НАГР} – входной ток нагрузочной ТТЛ-схемы.

Отсюда можно определить нагрузочную способность данной схемы, т.е. максимальное число нагрузочных схем, при котором транзистор VT₃ еще работает в режиме насыщения:

n_МАКС = I_Б3·В₃/ I⁰_{ВХ НАГР}.

Резистор R₄ необходим для:

а) защиты VТ₂ и VD в случае короткого замыкания на выходе;

б) ограничения коллекторного тока VТ₂ при переключении схемы, из логического нуля в логическую единицу. После запирания VT₁ транзистор VT₂ откроется раньше, чем закроется насыщенный транзистор VT₃, так как для выхода VT₃ из режима насыщения потребуется некоторое время для рассасывания неосновных носителей в базе. В результате, в течение некоторого промежутка времени, оба транзистора VT₂ и VT₃ открыты, и по цепи, состоящей из элементов Е_к, VT₂, VD и VT₃, протекает ток, потребляемый от источника питания Е_к, и возникает импульс помехи по шине питания. Для ограничения амплитуды помехи ставится резистор R₄, равный примерно нескольким десяткам омов.

Схема ТТЛ работает следующим образом. Если хотя бы на одном из входов низкий уровень напряжения U⁰_ВХ эмиттерный переход МЭТ отпирается и течет ток: от +Е_К, через R_1,переход база-эмиттер на землю. Коллекторный переход МЭТ смещен в обратном направлении (МЭТ в активном режиме). Ток базы I_Б1 = 0, следовательно, транзистор VT₁ запирается. На коллекторе VT₁ высокий уровень напряжения U_К1 = Е_К. На эмиттере VT₁ напряжение U_Э1= 0.

Транзистор VТ₂ отпирается током через резистор R₂. Так как U_Б3 = U_Э1 = 0, то транзистор VT₃заперт и U_ВЫХ= U¹_ВЫХ.

Если же на всех входах ТТЛ высокий уровень U¹, эмиттерные переходы МЭТ запираются, потенциал базы увеличивается, коллекторный переход МЭТ смещается в прямом направлении. МЭТ работает в активно-инверсном режиме.

Транзисторы VТ₁и VТ₃ открыты и насыщены. Транзистор VТ₂ и диод VD заперты. На выходе ТТЛ низкий уровень U_ВЫХ = U⁰ = 0. Следовательно, ТТЛ выполняет операцию И-НЕ, т.е. является элементом Шеффера.

Быстродействие схем ТТЛ определяется в основном переходными процессами при переключении транзисторов, а также зарядом паразитной суммарной емкости С_Н нагрузочных ТТЛ-схем. В схеме ТТЛ с простым инвертором (см. рисунок 3.10) заряд емкости С_Н происходит с большой постоянной времени через коллекторный резистор R₂, что ухудшает быстродействие схемы.

В схеме ТТЛ со сложным инвертором постоянная заряда нагрузочной емкости существенно уменьшается, так как емкость С_Н заряжается через выходное сопротивление транзистора VT₃ (R_{вых 3} << R₂), в схеме эмиттерного повторителя. За счет этого повышается быстродействие.

3.2.3 Схемы ЭСЛ ‑ эмиттерно-связанной логики

3.2.3.1 Особенности схем ЭСЛ

Цифровые микросхемы эмиттерно-связанной логики имеют более высокое быстродействие, чем схемы ТТЛ (даже ценой большей рассеиваемой мощности), достигшее в настоящее время субнаносекундного диапазона, так как:

а) исключается насыщение транзисторов (время рассасывания избыточных носителей заряда t _рас = 0);

б) в схеме применяются эмиттерные повторители (ЭП), ускоряющие процесс заряда емкости нагрузки, так как выходное сопротивление эмиттерного повторителя Rвых мало, ток выходной большой;

в) меньше логический перепад .

Наличие парафазного выхода дает возможность снимать прямые и инверсные значения, что позволяет уменьшить число используемых микросхем.

В отличие от простых схем ТТЛ, можно объединять выходы нескольких элементов ЭСЛ для расширения логических возможностей.

3.2.3.2 Переключатель тока

Особенность ЭСЛ заключается в том, что схема логического элемента строится на основе интегрального дифференциального усилителя (ДУ) в ключевом режиме (токовый ключ), выполненный на двух транзисторах (см. рисунок 3.12), которые могут переключать ток и при этом никогда не входят в режим насыщения.

Дифференциальным усилителем называют усилитель, предназначенный для усиления разности двух входных сигналов. При этом полученное выходное напряжение не должно зависеть от абсолютного значения входных сигналов, а также от температуры окружающей среды и других факторов.

где К_у — коэффициент усиления усилителя.

На базу одного из транзисторов, например, VT_оп, подано некоторое постоянное опорное напряжение U_оп. . Изменение напряжения, подаваемого на вход U_ВХ ниже или выше U_оп, приводит к перераспределению постоянного тока эмиттера Iэ, заданного токостабилизирующим резистором Rэ, между транзисторами VT₁ и VT_оп.

При этом транзисторы не входят в режим насыщения, и, следовательно, в ключе принципиально отсутствует интервал рассасывания их неосновных носителей.

Существенный недостаток данной схемы — выходное сопротивление выходов велико, что не позволяет обеспечить высокое быстродействие схемы. Для снижения выходного сопротивления к коллекторным выходам подключают эмиттерные повторители. Для получения нескольких логических входов используют один пороговый транзистор и несколько параллельно включенных входных транзисторов.

3.2.3.3 Принцип действия базовой схемы ЭСЛ

Функционально схема ЭСЛ состоит из трех узлов (см. рисунок 3.13):

а) токового переключателя на транзисторах VT₁ ¸ VT₄ и резисторах R₁¸R₃. Содержит две ветви: входную ‑ на транзисторах VТ₁ ¸ VТ₃ (максимально может быть до 9 входов) и резисторе R₁ и опорную на VТ₄ и резисторе R₂. Транзисторы работают в ключевом режиме, а именно: открыт – активный режим, не входит в насыщенный, и заперт. Ветви имеют общее сопротивление R₃. Источник питания En и резистор R₃ образуют генератор тока, причем R3 >> R₁, R₂. Это дает постоянство эмиттерного тока;

б) источника опорного напряжения, включающего

б) источника опорного напряжения, включающего параметрический стабилизатор на элементах R₅, VD₁, VD₂, R₆ и эмиттерный повторитель на VT₅ и R₄. VD₁, VD₂ – обеспечивают температурную компенсацию U_оп;

в) выходных эмиттерных повторителей на транзисторах VT₆ и VT₇. Цепь нагрузок транзисторов VT₆ и VT₇ вынесена из ИС ЭСЛ, что способствует снижению рассеиваемой в ней мощности и расширению функциональных возможностей. Эмиттерные повторители на VT₆ и VT₇ также являются сдвигателями уровней, повторяют Uвх, но сдвигают его на 0,7 В для обеспечения входа и выхода низкого и высокого уровней.

Таким образом, эмиттерные повторители на VT₆ и VT₇ обеспечивают:

1) формирование выходных сигналов;

2) развязку между переключателями тока и нагрузкой;

3) высокую нагрузочную способность;

4) быстрый перезаряд емкости нагрузки за счет малого выходного сопротивления.

В схеме общей шиной является шина +Е_п, в результате чего потенциалы точек схемы отрицательны относительно общей шины. Однако в схеме ЭСЛ так же, как и в схемах ТТЛ, реализован принцип положительной логики, при которой большему выходному напряжению соответствует сигнал логической единицы, а меньшему – сигнал логического нуля.

Быстродействие токового переключателя высокое, так как транзисторы не входят в насыщение и, кроме того, мал логический перепад напряжений между значениями логического нуля и логической единицы. Это обеспечивается выбором малых значений сопротивлений резисторов R₁ и R₂ схемы, что крайне полезно с точки зрения уменьшения постоянной времени перезаряда выходной емкости транзистора.

Нетрудно заметить, что рассмотренная схема реализует по выходу y₁ операцию ИЛИ-НЕ, а по выходу у₂ – операцию ИЛИ

; .

Резисторы R_Б, включенные между базами транзисторов VТ₁ ¸ VТ₃ и – E_n, обеспечивают запертое состояние этих транзисторов при отсутствии входного сигнала. Это позволяет не беспокоиться о подключении неиспользуемых входов ИС к выводам источника питания. Условное обозначение ЭСЛ имеет вид (см. рисунок 3.13,б).

3.2.4 Логические элементы на полевых транзисторах

3.2.4.1 Логические элементы на МДП

Рассмотрим логические элементы НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ:

а) схема инвертора на МДП приведена на рисунке 3.14.

Транзистор VT₁ работает в ключевом режиме, VT₂ – всегда в активном. VT₂ является нелинейной нагрузкой.

При запертом VT₁ транзистор VT₂ ‑ в активном режиме, ближе к насыщению, при насыщенном VT₁ транзистор VT₂ – в активном, ближе к отсечке.

При подаче на вход х низкого уровня напряжения VT₁ запирается, VT₂ близок к насыщению, на выходе ключа высокий уровень напряжения. При подаче на вход х высокого уровня напряжения VT₁ отпирается, VT₂ близок к отсечке, на выходе ключа низкий уровень напряжения. Выполняется операция ;

б) в двухвходовой схеме ИЛИ-НЕ (см. рисунок 3.15) входные транзисторы VT₁ и VT₂ соединены параллельно. Если хотя бы на один из входов подан высокий уровень напряжения, соответствующий транзистор отпирается, и на выходе схемы будет низкий уровень. И только при подаче на все входы схемы низкого уровня транзисторы VT₁ и VT₂ запрутся, и на выходе появится высокий уровень. Выполняется операция ;

в) В двухвходовой схеме И-НЕ (см. рисунок 3.16) входные транзисторы VT₁ и VT₂ соединены последовательно. Если хотя бы на один из входов подан низкий уровень напряжения, соответствующий транзистор запирается, ток через входные транзисторы не течет, и на выходе схемы будет высокий уровень. И только при подаче на все входы схемы высокого уровня транзисторы VT₁ и VT₂ откроются, течет ток, и на выходе будет низкий уровень. Выполняется операция .

3.2.4.2 Логические элементы на КМДП

Основу микросхем КМДП составляет ключевой каскад на двух соединенных стоками МДП-транзисторах VT₁ и VT₂ (см. рисунок 3.17) с различными типами проводимости. Транзистор VT₁ имеет канал с проводимостью n-типа; VT₂ – канал с проводимостью р-типа. На соединенные вместе затворы подается входной сигнал x. Для КМДП принято, чтобы единица отображалась высоким уровнем, а ноль – низким.

Напряжение питания Е положительной полярности может составлять от 3 до 15 В. Напряжение низкого уровня для микросхем КМДП равно 0,001 В, а напряжение высокого уровня практически равно напряжению питания.

При подаче на вход напряжения высокого уровня транзистор VT₁ открывается, а транзистор VT₂ закрывается. На выходе устанавливается напряжение низкого уровня. При подаче на вход напряжения низкого уровня транзистор VT₁ закрыт, а транзистор VT₂ открыт. Напряжение источника питания через открытый транзистор VT₂ подается на выход каскада — это напряжение высокого уровня. Таким образом, данный ключевой каскад реализует логическую функцию НЕ.

Следует отметить одну важную особенность КМДП-ключа и интегральных микросхем на его основе — в статическом режиме потребляемая от источника питания мощность меньше на несколько порядков по сравнению с мощностью самых маломощных логических элементов ТТЛ и ТТЛШ. Это объясняется тем, что в статическом режиме один из транзисторов закрыт, и, следовательно, ток через ключ не проходит.

Схема логического элемента ИЛИ-НЕ на основе КМДП-ключа приведена на рисунке 3.18. Если на оба входа поданы сигналы низкого уровня, то транзисторы VT₃ и VT₄ будут открыты, так как имеют канал с проводимостью р-типа, а транзисторы VT₁ и VT₂ — закрыты, так как имеют канал с проводимостью n-типа. Таким образом, на выходе установится напряжение высокого уровня (логическая единица). При подаче напряжения высокого уровня хотя бы на один из входов соответствующий транзистор VT₃ или VT₄ закроется, т.е. ток через них не течет, а транзистор VT₁ или VT₂ соответственно откроется. На выходе установится напряжение низкого уровня (логический ноль). Видно, что данная схема реализует логическую функцию ИЛИ—НЕ.

Устройство базового элемента И—НЕ как бы обратно устройству элемента ИЛИ—НЕ: параллельно соединены транзисторы с каналами р-типа, а последовательно — с каналами п-типа (см. рисунок 3.19). Работа данной схемы абсолютно идентична работе элемента ИЛИ—НЕ с тем исключением, что напряжение низкого уровня на выходе устанавливается только при одновременной подаче на оба входа элемента напряжения высокого уровня, а во всех остальных случаях на выходе будет присутствовать напряжение высокого уровня. Действительно, при одновременной подаче на входы x₁ и x₂ напряжения высокого уровня транзисторы VT₁ и VT₂ открываются, а транзисторы VT₃ и VT₄ закрываются. На выходе устанавливается напряжение низкого уровня (логический ноль). При подаче хотя бы на один из входов напряжения низкого уровня один из параллельно включенных транзисторов VT₃ или VT₄ открывается, а соответствующий ему комплементарный транзистор (VT₁ или VT₂) закрывается. На выход в этом случае через соответствующий открытый транзистор передается напряжение источника питания. На выходе устанавливается напряжение высокого уровня (логическая единица).

3.3 Синтез комбинационной логической схемы

Для решения данной задачи необходимо:

а) по заданной таблице 3.3 истинности написать логическое выражение в дизъюнктивной нормальной форме (ДНФ);

б) произвести минимизацию логического выражения, используя карты Карно;

в) привести выражение к одному из базисов;

г) составить электрическую схему на логических элементах;

д) построить временные диаграммы сигналов на входах и на выходе схемы.

Произвести синтез схемы, заданной таблицей истинности 3.3.

Т а б л и ц а 3.3

X₁	X₂	X₃	Y
0	0	0	1
0	0	1	0
0	1	0	1
0	1	1	1
1	0	0	1
1	0	1	0
1	1	0	0
1	1	1	1

По заданной таблице истинности логическое выражение в ДНФ имеет вид

Минимизацию осуществить с помощью карт Карно (см.рисунок 3.20).

Заполнить единицами клетки, соответствующие минтермам.

Определить контура с соседними клетками.

Правила определения контуров:

-число клеток в контуре должно быть равно 2ⁿ;

-контура должны быть прямоугольные;

-в контур могут входить только соседние клетки, т.е. клетки, отличающиеся друг от друга только на одну переменную;

-все клетки в контуре должны быть с 1;

-площадь контура должна быть максимальной;

-число контуров должно быть минимальным;

-контура могут пересекаться, т.е. 1 может принадлежать одновременно разным контурам.

Затем осуществить склеивание соседних клеток. Считать минимизированную функцию, то есть координаты, общие для всех единиц контура. Она имеет вид

. (3.1)

Как видно из (3.1), каждый минтерм состоит теперь из двух сомножителей.

Преобразуем (3.1) по теореме де Моргана к базису И-НЕ

^(3.2)

Принципиальная схема, построенная по (3.2), представлена на рисунке 3.21.

Временные диаграммы сигналов для схемы рисунка 3.21 приведены на рисунке 3.22.

3.4 Комбинационные логические схемы

3.4.1 Дешифратор.

3.4.1.1 Общие сведения.

Дешифратор – это многовыходная комбинационная логическая схема (КЛС), в которой каждой комбинации переменных на входе соответствует единичный сигнал только на одном из выходов.

Двоичные дешифраторы преобразуют двоичный код в код «1 из k».

В ЭВМ используется дешифратор для дешифрации номера такта, адреса запоминающей ячейки, для коммутации каналов. Имеет n входов и k выходов.

Входы дешифратора обозначаются двоичными весами разряда 1,2,4,8…, выходы – номерами наборов, вызывающих их возбуждение – . На рисунке 3.23 приведено условное обозначение трехразрядного двоичного дешифратора. В дешифраторе иногда выполняется операция стробирования, разрешающая выработку выходных сигналов с определенным интервалом времени. Например, введением дополнительных входов (на рисунке 3.23 вход С) параллельно информационным входам в каждом логическом элементе (ЛЭ) дешифратора или блокированием всех ЛЭ через одну из входных цепей.

Дешифратор называется полным, если k =2ⁿ, т.е. реализует все минтермы ( для каждой комбинации на входе есть выходная шина). Неполный дешифратор – k<2ⁿ, если часть входных наборов не используются.

В общем случае схема дешифратора может быть описана системой собственных функций:

где – двоичные переменные на входе.

Дешифратор можно строить на различных элементных базисах.

Например, на «И» на вход подается прямой и инверсный входной сигнал.

Используются три основных способа построения дешифраторов:

а) линейный или матричный;

б) пирамидальный или древовидный;

в) прямоугольный или ступенчатый.

3.4.1.2 Синтез матричного ДС

Матричный дешифратор – это простое объединение k раздельно

реализованных [n,1] полюсников, выходная функция которых равна какому-либо минтерму.

Допустим необходимо синтезировать дешифратор n=3 (трехразрядный), имеющего k =2³ =8 выходов.

В таблице 3.4 приведена таблица истинности:

Т а б л и ц а 3.4

№	Х₃	Х₂	Х₁	F₀	F₁	F₂	F₃	F₄	F₅	F₆	F₇
0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0
1	0	0	1	0	1	0	0	0	0	0	0
2	0	1	0	0	0	1	0	0	0	0	0
3	0	1	1	0	0	0	1	0	0	0	0
4	1	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0
5	1	0	1	0	0	0	0	0	1	0	0
6	1	1	0	0	0	0	0	0	0	1	0
7	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	1

Собственные функции имеют вид:

F₀= ; F₄= ;

F₁= ; F₅ = ;

F₂= ; F₆= ;

F₃= ; F₇= .

Реализация дешифратора на логических элементах И представлена на рисунке 3.24.

Дешифрация осуществляется только при подаче сигнала строба С.

Достоинства:

· простота построения;

· высокое быстродействие.

Матричные дешифраторы целесообразно применять при использовании ИС от 4 до 8 разрядов.

3.4.1.3 Схема наращивания разрядности дешифратора

На малоразрядных дешифраторах можно строить дешифратор большей разрядности, что экономит аппаратурные затраты. По пирамидальной структуре входной код делится на группы с разрядностью, равной числу входов малоразрядных дешифраторов.

Например, дешифратор для 6-разрядного слова на трехразрядных стробируемых дешифраторах состоит из 9 одинаковых ИМС (см. рисунок 3.25).

Общее стробирование осуществляется по входному сигналу С первого ДС-1.

При С=0 на всех выходах ДС-1 будут «0» и поэтому «0» на всех выходах дешифратора 2-го яруса.

На входы ДС-1 подаются три старших разряда входного кода, на ДС-2…9 младшие разряды.

При С=1 на соответствующем выходе ДС-1 появляется «1» и отпирает соответствующий дешифратор – 2-го яруса по его входному «С». Этот дешифратор 2-го яруса расшифровывает 3 младших разряда.

Например, входное число 111010 – 58 в двоичном коде. Разбиваем это число на две группы с тремя разрядами 111 и 010. На выходе ДС-1 по коду 111 имеем «1» на 7-ом выходе, она отпирает ДС-9. На его входе 010, т.е. «1» на 2-ом выходе, что соответствует 58.

3.4.2 Шифратор

Шифратор (СД) выполняет функцию, обратную функции дешифратора.

Двоичный шифратор – КЛС, преобразует код «1 из N» в двоичный. При наличии «1» на одном из входов, появляется n-элементная комбинация на выходе, соответствующая номеру возбужденного входа.

Шифратор применяется для ввода данных с клавиатуры, для преобразования в двоичный код номера нажатой кнопки и т.д. Полный двоичный шифратор имеет N_вх =2ⁿ – входов, где n- число выходов, неполный N_вх<2ⁿ.

Например, построим неполный шифратор «10-4». В таблице 3.5 приведена таблица истинности работы шифратора.

Т а б л и ц а 3.5

№вх.	Выходы
Fi	x₄	x₃	x₂	x₁
F₀	0	0	0	0
F₁	0	0	0	1
F₂	0	0	1	0
F₃	0	0	1	1
F₄	0	1	0	0
F₅	0	1	0	1
F₆	0	1	1	0
F₇	0	1	1	1
F₈	1	0	0	0
F₉	1	0	0	1

По таблице 3.5 составим собственные функции:

x₁=F₁+F₃+F₅+F₇+F₉;

x₂=F₂+F₃+F₆+F₇;

x₃=F₄+F₅+F₆+F₇;

x₄=F₈+F₉.

Собственные функции на И-НЕ (преобразованные по теореме Де Моргана) имеют вид:

x₁=; ;

; .

Схема на элементах И-НЕ представлена на рисунке 3.26.

Условное обозначение шифратора приведено на рисунке 3.27.

3.4.3 Мультиплексор.

Мультиплексор, многовходовая КЛС с одним выходом, подключает единственную общую выходную шину к одному из входов в зависимости от управляющего сигнала, заданного двоичным кодом (см. рисунок 3.28).

Мультиплексор применяется для преобразования параллельного кода в последовательный, сравнения кодов и т.д.

В сериях микросхем используются мультиплексоры:

а) 4 в 1 (n=4 k=2 );

б) 8 в 1 (n=8 k=3);

в) 16 в 1 (n=16 k=4).

Построим мультиплексор 4 в 1.

Для n=4, k=2 (n=2^k) собственная функция имеет вид:

Т а б л и ц а 3.6

V₂	V₁	F
0	0	x₁
0	1	x₂
1	0	x₃
1	1	x₄

Таблица истинности представлена в таблице 3.6:

Схема мультиплексора на И-ИЛИ приведена на рисунке 3.29.

На рисунке 3.30 приведено условное обозначение мультиплексора.

3.4.4 Демультиплексор

Демультиплексор выполняет функцию, обратную функции мультиплексора, т.е. это КЛС, имеющая один информационный вход F, k управляющих входов V_k...V₁ и n информацонных выходов (х₁…х_n). Обычно n=2^k.

Коэффициент усиления используется для распределения данных одного канала между несколькими приемниками.

Например, построим демультиплексор для n = 4; k = 2.

Таблица истинности для демультиплексора (n=4; k=2) приведена в таблице 3.7.

Т а б л и ц а 3.7

V₂	V₁	x₁	x₂	x₃	x₄
0	0	F	0	0	0
0	1	0	F	0	0
1	0	0	0	F	0
1	1	0	0	0	F

Логические уравнения имеют вид:

Схема демуьтиплексора «из 1 в 4» приведена на рисунке 3.31. На рисунке 3.32 приведено условное обозначение демультиплексора

3.5 Последовательностные логические схемы

3.5.1 Триггеры

3.5.1.2 Структурная схема триггера.

Самое простое последовательностное устройство – триггер имеет два устойчивых состояния равновесия – «1» и «0». Без внешних воздействий он сколько угодно долго находится в устойчивом состоянии, то есть это запоминающий элемент для временного хранения информации. Имеет два выхода: прямой Q и инверсный . Состояние триггера определяется значением потенциала на прямом выходе.

При Q = 1 единичное состояние, = 0.

При Q = 0 нулевое состояние, = 1.

Обобщенная структурная схема приведена на рисунке 3.33, где

S, R – установочные входы;

X₁,…,X_n – информационные входы;

C₁,…,C_m – входы синхронизации;

V₁,…,V_k – управляющие входы (разрешения);

S*, R* – установочные входы запоминающей ячейки (ЗЯ).

Схема имеет обратную связь с выходов Q и и с выходов схемы управления (СУ) на входы СУ.

3.5.1.3 Классификация триггеров.

а) В зависимости от логической структуры или по функциональному признаку различают (см. рисунок 3.34):

1) RS-триггер с раздельной установкой 0 и 1 (set – установка 1, reset – установка 0). Наборы 11 запрещены;

2) D-триггер с приемом информации по 1 входу. Его состояние повторяет входной сигнал с задержкой, определяемой тактовым сигналом (delay – задержка);

3) Т-триггер со счетным входом, переброс триггера в противоположное состояние происходит с каждым очередным сигналом (toggle – защелка);

4) DV-, TV-триггеры имеют дополнительный вход V (valve – клапан, вентиль). При V = 1, DV-триггер работает как D, ТV-триггер как T-триггер и при V = 0 состояние триггера сохраняется;

5) JK-триггер – универсальный триггер с раздельной установкой «0» и «1». Наборы 11 не запрещены. При 11 работает как Т-триггер относительно тактового входа. При раздельном использовании J – установка «1», K – сброс «1» или установка «0»;

6) комбинированный триггер совмещает несколько режимов (RS-T, JK-RS, D-RS и др.);

7) триггер со сложной логикой, например, JK-триггер с группой входов J и K, соединённых операцией &: J = J₁J₂…J_n, K = K₁K₂…K_n. Здесь n – число входов в каждой группе;

б) классификация триггеров по способу записи информации приведена на рисунке 3.35.

По способу записи информации триггеры делятся на асинхронные и тактируемые. Состояние асинхронного триггера меняется непосредственно при подаче сигналов на вход. При этом возникают два отрицательных следствия:

а) не используется информация о предшествующем состоянии;

б) при работе триггера в сложных устройствах может появиться эффект «гонок» или «состязания сигналов» из-за разного быстродействия ЛЭ (более быстродействующие срабатывают быстрей).

Синхронное, то есть одновременное переключение элементов, увеличивает надежность его работы.

Тактируемые (синхронизируемые) триггеры имеют дополнительный тактирующий вход С (Clock). Сигнал С разрешает схеме управления запись информации в триггер, но состояние триггера меняется в момент окончания тактового импульса (переход синхросигнала от «1» к «0»).

Тактируемые триггеры делятся:

а) по количеству тактовых входов – на однотактные и многотактные;

б) по способу синхронизации на:

1) синхронные со статическим управлением записью (т. е. уровнем). При одном уровне триггер работает в определенном режиме, при другом – переходит в иной режим;

2) синхронные с динамическим управлением записью (во время нарастания – прямой динамический вход, или спада импульса – инверсный динамический вход) или управляемый фронтами.

Триггеры со статическим управлением записью делятся по количеству ступеней на одноступенчатые и двухступенчатые – MS-триггеры.

3.5.1.4 Асинхронный RS-триггер

а) Таблица переходов

Простейший RS-триггер с двумя устойчивыми состояниями работает в соответствии с таблицей переходов (см. таблицу 3.8).

Т а б л и ц а 3.8

N	R_n	S_n	Q_n	Q_n+1
0	0	0	0	0
1	0	0	1	1
2	0	1	0	1
3	0	1	1	1
4	1	0	0	0
5	1	0	1	0
6	1	1	0	Х
7	1	1	1	Х

Q_n– состояние триггера в момент t_n(до прихода управляющих сигналов R_nи S_n);

Q_n+1– состояние, в которое триггер переходит в момент t_n+1.

Из строчек 0,1 таблицы 3.8 следует, что при S_n=0, R_n=0, Q_n+1= Q_n, то есть состояние триггера сохраняется.

Из строчек 2,3 следует, что при S_n=1 R_n=0 независимо от Q_n– предшествующего состояния новое -Q_n+1=1.

Из строчек 4,5 следует, что при R_n=1 (сброс) и S_n=0 независимо от Q_n–предшествующего состояния новое -Q_n+1=0.

Из 6,7 следует, что R_n=1, S_n=1 является запрещенным набором, т.к нельзя одновременно S=1 установить “1”, R=1 установить “0”. Состояние Q_n+1является неопределенным (на выходе может быть или «0» или «1»;

б) переключательная функция

Запишем характеристическое уравнение Q_n+1=f(R_n, S_n, Q_n) по таблице 3.8, представив его в дизъюнктивной нормальной форме

R_nS_n=X – запрещенная комбинация.

Карта Карно для минтернов представлена на рисунке 3.36.

Доопределим неопределенное значение наборов единицами. Тогда – образуются два контура и характеристическое уравнение имеет вид (3.3)

. (3.3)

Карта Карно для макстермов (конституенты 0) приведена на рисунке 3.37. Неопределенность ХХ доопределим нулями. Характеристическое уравнение имеет вид (3.4).

. (3.4)

Представим триггеры в одноэлементном базисе:

из (3.3) ; (3.5)

из (3.4) ; (3.6)

из (3.3) ; (3.7)

из (3.4) ; (3.8)

в) реализация триггеров

Асинхронные триггеры с прямыми входами, описанные в (3.5) и (3.6), реализуются в базисе ИЛИ-НЕ.

Т а б л и ц а 3.9

R_n	S_n	Q_n+1
0	0	Q_n
0	1	1
1	0	0
1	1	X

Логическая структура представлена на рисунке 3.38, условное обозначение - на рисунке 3.39. В таблице 3.9 приведена минимизированная таблица переходов. S=1, R=1 – запрещенные наборы. Имеет два входа S – установка 1, R – установка 0.

Асинхронные триггеры с инверсными входами, описанные в (3.7) и (3.8), реализуются в базисе И-НЕ. Логическая структура представлена на рисунке 3.40, условное обозначение - на рисунке 3.41

Т а б л и ц а 3.10

		Q_n+1
1	1	Q_n
0	1	0
1	0	1
0	0	X

В таблице 3.10 приведена минимизированная таблица переходов. – запрещенные наборы.

3.5.1.5 Тактируемый RS-триггер

На рисунке 3.42 приведена схема тактируемого RS-триггера на логических элементах И-НЕ. На каждом входе запоминающей ячейки есть дополнительная схема совпадения (И-НЕ). Первые входы их объединены, на них подаются синхроимпульсы, на вторые входы – информационные сигналы. При С=0 – состояние триггера не меняется. На рисунке 3.43 и таблице 3.11 приведены условное обозначение триггера и минимизированная таблица переходов соответственно.

Т а б л и ц а 3.11

С_n	S_n	R_n	Q_n+1
0	0	0	Q_n
1	0	0	Q_n
1	0	1	0
1	1	0	1
1	1	1	Х

Схема RS-триггера на элементах И-ИЛИ-НЕ приведена на рисунке 3.44. Здесь - входы асинхронной установки триггера нулевыми сигналами, при любых информационных. – поданы прямо в цепь памяти.

3.5.1.6 JK-триггер (универсальный)

Тактируемый JK-триггер имеет 3 входа: J, K, С. Но одноступенчатый триггер работает ненадежно, т.к. запоминающая ячейка играет двойственную роль:

– служит источником информации – с него на схему управления поступает сигнал старого состояния;

– служит приемником – переключается в новое состояние и стирается старое. Одновременное выполнение обеих операций невозможно. Поэтому строятся двухступенчатые триггеры либо триггеры с динамическим управлением.

3.5.1.7 D-триггер

Асинхронный D-триггер имеет 1 вход и 2 выхода, осуществляет задержку сигнала. Переключательная функция , информация на выходе равна информации на входе на предыдущем такте.

Но обычно строятся тактируемые триггеры. Момент принятия информации определяется тактовым сигналом С.

Для правильной работы D-триггера должен быть интервал времени после прихода информации на вход D перед приходом синхросигнала С. Характеристическое уравнение имеет вид: .

Тактируемый D-триггер имеет 2 входа: D – информационный, С– тактируемый (см. рисунок 3.45).

Здесь ЛЭ1, ЛЭ2 – схема управления, ЛЭ3, ЛЭ4 – запоминающая ячейка.

Пунктиром показан дополнительный разрешающий вход V, справа – условное обозначение D и DV-триггеров.

При С=1 записывается в триггер то, что было подано на вход D до подачи синхросигнала С.

В DV –триггере при V=1 работает как D, при V=0– сохраняется информация.

3.5.1.8 Т-триггер

Имеет 1 информационный вход Т и переключается, когда на вход триггера поступает сигнал. Логика работы триггера приведена в таблице 3.12.

Из характеристического уравнения видно, что триггер производит сложение по модулю 2.

Частота на выходе в 2 раза меньше, чем на входе (см. рисунок 3.46,а). Поэтому можно использовать триггер как делитель на два и для построения счетчиков. Условное обозначение Т-триггера приведено на рисунке 3.46,б.

Таблица 3.12

T_n	Q_n	Q_n+1
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Т-триггер можно получить из D-триггера подачей на вход D, обратно нельзя, поэтому промышленность выпускает D-триггеры, а не Т-триггеры. Т-триггеры строятся на RS и JK-триггерах (см. рисунок 3.47).

3.5.1.9 Двухступенчатый триггер

Для надежной и четкой работы в многоразрядных устройствах используется двухступенчатый MS-триггер. Он состоит из 2-х частей: М-master –основной, S-slave – помощник – вспомогательный. Одновременный прием информации на эти ступени запрещен. Устранено противоречие между процессами: сохранения старой и записи – новой. Сначала формируется новая информация в первой ступени при сохранении старой во второй. Затем данные переносятся из 1-ой во 2-ую ступень. Первая ступень определяет название триггера. Для построения MS-триггера используются два синхронных триггера и инвертор.

Например, на рисунке 3.48,а представлен двухступенчатый RS-триггер на логических элементах, на рисунке 3.48,б – на одноступенчатых триггерах.

Триггер находится в нулевом состоянии Q=0.На вход поданы С=1; S=1; R=0. Первая ступень триггера переключается в «1». На выходе ЛЭ3 «1», на выходе ЛЭ4 «0». Одновременно инвертор переключает синхросигнал в «0» на входе ЛЭ5 и ЛЭ6 и на входы ЛЭ7 и ЛЭ8 поступает «1», которая не меняет состояния ЛЭ7 и ЛЭ8.

При изменении синхросигнала в ноль С=0 на выходах ЛЭ1 и ЛЭ2 присутствует «1» и ЛЭ3 и ЛЭ4 сохраняет свое состояние, а сигналы с ЛЭ3 и ЛЭ4 переписываются в ЛЭ5 и ЛЭ6, т.е. информация из первой ступени триггера переписывается во вторую.

Из RS-триггера добавлением обратной связи с выхода ЛЭ8 на вход ЛЭ1 и с выхода ЛЭ7 на вход ЛЭ2 можно получить двухступенчатый JK-триггер (см. рисунок 3.49).

В условном обозначении имеется двойное ТТ (см. рисунок 3.48,в).

Характеристическое уравнение имеет вид . Таблица переходов приведена в таблице 3.13, условное обозначение на рисунке 3.50.

Т а б л и ц а 3.13

J_n	K_n	Q_n+1
0	0	Q_n
1	0	1
0	1	0
1	1

Рисунок 3.50

3.5.2 Регистры

3.5.2.1 Назначение и классификация

Регистр – это последовательностное устройство для приема, хранения, преобразования и выдачи многоразрядных двоичных чисел.

Обладают большими функциональными возможностями. Широко распространены. Используются в качестве управляющих и запоминающих устройств, генераторов и преобразователей кодов, счетчиков, делителей частот и т.д.

Основными элементами регистра является синхронные D-, RS-, JK-триггеры с динамическим и статическим управлением

Один триггер – может запомнить 1 бит информации, т.е. его можно считать одноразрядным регистром. Т.к. ЭВМ оперирует с многоразрядными числами, то в качестве регистра используются наборы или цепочки триггеров.

Также в регистр входят КЛС в качестве вспомогательных элементов. Занесение информации в регистр – это операция ввода или записи. Выдача информации к внешним устройствам – это операция вывода или считывания. В отличие от ОЗУ информация хранится не больше нескольких тактов.

Все регистры делятся:

а) по принципу действия: на накопительные (регистры хранения) и сдвигающие (кратковременное хранение и преобразование кодов);

б) по способу ввода и вывода информации: на параллельные,

последовательные и комбинированные (параллельно-последовательные, последовательно-параллельные);

в) по направлению передачи: однонаправленные (вправо или влево) и

реверсивные;

г) по способу синхронизации: однотактные и многотактные;

д) по количеству каналов приема: однофазные и парафазные.

3.5.2.2 Регистр хранения

На рисунке 3.51 приведена схема регистра с параллельным приемом и выдачей информации. На вход регистра хранения подается n -разрядное слово (X₁ …. X_n). Здесь обозначены шины: П – приема, С – синхронизации, В – выдачи, Пр – преобразования информации, Уст. «0» – установка нуля на входах RS-триггеров.

Регистр хранения построен на RS-триггерах с логическими элементами «И». Входы R всех триггеров объединены и соединены с шиной сброса (Уст. «0»). Для установки регистра в «0» необходимо одновременно подать «1» по шине Уст «0» и «С» (синхронизации, объединяющей тактирующие входы )

Приём информации или запись. В следующем такте код Х₁, Х₂,…, Х_n параллельно поступает на входы логических элементов «И», одновременно сигнал «1» – по шинам П (прием) и С. Выходы «И» соединены со входами «S» триггеров.

Рисунок 3.51

В разрядах, где Х_i=1, триггер устанавливается в единичное состояние, где Х_i=0, состояние триггера не меняется.

Выдача информации

С прямого выхода триггера Q сигнал поступает на вход логических элементов «И». Вторые входы «И» объединены общей шиной выдачи «В» информации. На выходе регистра получаем прямой код Х₁,….Х_n.

При подаче сигнала по шине Пр- преобразование, который поступает на схему «И» , а на вторые входы «И» - с , на выходе «И» появляется обратный код При считывании состояние триггера не меняется, т.е. считывание может производиться многократно без разрушения информации.

3.5.2.3 Регистры сдвига

Регистры сдвига выполняют операцию сдвига – с приходом каждого тактового импульса происходит перезапись содержимого триггера каждого разряда в соседний без изменения порядка следования «1» и «0» .

Сдвиговые регистры делятся на:

− со сдвигом информации вправо – в сторону младших разрядов;

− со сдвигом в сторону старших разрядов;

− реверсивные – со сдвигом влево или вправо.

На схемах под символом RG ставятся стрелки

Регистры сдвига строятся на RS, JK, D, DV – триггерах, на одно- и двухступенчатых, одно- и многотактные. Может быть последовательный и параллельный ввод и последовательный и параллельный вывод.

а) Регистры сдвига на двухступенчатых триггерах.

Рисунок 3.52

В двухступенчатых триггерах первая ступень управляется сигналом С, а 2-ая инверсным сигналом . Выходы одних триггеров соединяются со входами других, сдвиг осуществляется каждым синхроимпульсом, поэтому называется регистром с однотактным сдвигом.

Регистр сдвига числа влево представлен на рисунке 3.53, реверсивный –на рисунке 3.54, условное обозначение – на рисунке 3.55.

Рисунок 3.53

Рисунок 3.54

3.5.3 Счетчики

Счётчик - это последовательностная схема для подсчёта числа входных сигналов и хранения двоичного кода этого числа.

Используются для последовательного выполнения команд программ, подсчёта числа циклов выполненных операций, делителей частоты и т.д.

3.5.3.1 Классификация

а) по основанию системы счисления: двоичные, двоично-десятичные и с основание не равным 2 и 10;

б) по целевому назначению: суммирующие, вычитающие и реверсивные;

в) по порядку изменения состояния: с естественным (код изменяется на 1), с произвольным порядком счёта (значение кода изменяется больше, чем на 1) и пересчётная схема – выходной сигнал формируется только после подачи на вход определённого числа 1.

3.5.3.2 Основные параметры:

а) модуль счёта, коэффициент пересчёта – количество поступивших на вход 1, возвращающих счётчик в исходное состояние

М=2ⁿ где n – число разрядов;

б) ёмкость счётчика S=2ⁿ-1;

в) число разрядов n=log₂M;

г) быстродействие определяется максимальной частотой переключения f_мах и разрешающим временем – минимальным временем между двумя входными сигналами при работе счетчика без сбоя.

3.5.3.4 Счётчики с последовательным переносом

а) Суммирующие счетчики

Рассмотрим последовательность двоичных чисел – таблицу прямого счёта (см. таблицу 3.13). Видно, что соседний старший разряд изменяет свое состояние при переходе младшего с 1 на 0. Т.е. счётчик состоит из цепочки триггеров с инверсным динамическим управлением (см. рисунок 3.56) или двухступенчатых MS-триггеров. В суммирующих счетчиках вначале подачей «1» на вход R триггеры устанавливаются в нулевое состояние.

Вход	Q3	Q2	Q1
0	0	0	0
1	0	0	1
2	0	1	0
3	0	1	1
4	1	0	0
5	1	0	1
6	1	1	0
7	1	1	1

Т а б л и ц а 3.13

Рисунок 3.56

Этот счётчик может быть делителем частоты. Каждый триггер старшего разряда переключается в 2 раза реже младшего.

На рисунке 3.57 представлен десятичный суммирующий счетчик.

Счетчик имеет коэффициент пересчета 10. Он считает от 0 до 9. При поступлении на его вход десятого импульса все его выходы устанавливаются в нулевое состояние. В схеме использованы синхронные JK-триггеры. Первый триггер изменяет свое состояние с приходом каждого перепада входного сигнала, так как его J и K входы принудительно подключены к логической единице. J-вход второго триггера подключен к инверсному выходу четвертого триггера, а там до прихода восьмого импульса также стоит единица. Этот триггер будет переключаться отрицательным перепадом напряжения, пришедшим с прямого выхода первого триггера, т.е. от 2,4,6,8 импульсов. Третий триггер переключится 4 и 8-ым импульсами.

С приходом восьмого импульса установится состояние триггеров, когда на прямых выходах первых трех триггеров стоят логические нули, а на прямом выходе четвертого триггера – логическая единица. Девятый импульс переключит только первый триггер, при этом на его выходе будет положительный перепад, который не может воздействовать на другие триггеры.

Десятый импульс поставит в нулевое состояние первый триггер, и на его прямом выходе возникнет отрицательный перепад, который пройдет на С-входы второго и четвертого триггеров. На J-вход второго триггера поступает логический ноль с инверсного выхода четвертого, поэтому в каком бы состоянии он ни был, на его прямом выходе будет логический ноль. Через схему «И» на вход J четвертого триггера подается ноль. Триггер находится в единичном состоянии, и с приходом управляющего перепада на С-вход триггер сбрасывается в ноль;

Рисунок 3.57

б) вычитающие счётчики

Если рассмотреть таблицу обратного счёта, видно (см. таблицу 3.13), что старший разряд меняет свое состояние при изменении младшего разряда с «0» на «1».

В вычитающих счётчиках (см. рисунок 3.58) содержание его понижается на 1 с приходом каждого импульса. Счетчик построен на синхронных MS-T-триггерах.

Предварительно все триггеры устанавливаются в «1» подачей нулевого сигнала на входы S;

Рисунок 3.58

в) реверсивный счетчик

Реверсивный счетчик (см. рисунок 3.59) имеет цепи прямого и обратного счёта. С помощью схемы И-ИЛИ происходит переключение связей между триггерами.

Рисунок 3.59

На рисунке 3.60 приведено условное обозначение реверсивного счетчика.

Список литературы

1. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учеб. пособие – Ростов н/Д: Феникс, 2009. – 704с.

2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов. Под ред. О.П.Глудкина. – М.: Горячая линия‑Телеком. 2005, – 768с.

3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. ‑ 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2004. – 488с.

4. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб.для вузов – М.: Высш. шк., 2006, – 800с.

5. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство – М.: Мир, 1982. – 512с.

6. Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники: Учебник для вузов – Киев: Высща школа, 1989. – 424с.

7. Пейтон А.Дж, Волш.В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. – М..: Бином, 1994. – 352с.

8. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справочное пособие /Под ред. С.В.Якубовского. – М.: Радио и связь, 1985. – 432с.

9. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. – М.: Радио и связь, 2005. – 320с.

10. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. – М.: Мир, 1985. – 572с.

11. Алексенко А.Г. и др. Применение аналоговых ИС. – М.: Радио и связь, 1985. – 256с.

12. Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники. ‑3-е изд. – БИНОМ.Лаб.знаний, 2004. – 448с.

13. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. – СПб.: КОРОНА принт, Бином Пресс, 2006. – 416с.

14. Жолшараева Т.М. Микроэлектроника. Полупроводниковые приборы: Учебное пособие. Алматы: АИЭС, 2006. – 79 с.

15. Жолшараева Т.М. Микроэлектроника. Интегральные микросхемы: Учебное пособие. Алматы: АИЭС, 2007. – 81 с.

16. Т.М. Жолшараева. Схемотехника 1. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050704 –Вычислительная техника и программное обеспечение. – Алматы: АИЭС, 2008. – 50 с.