Коммерциялық емес акционерлік қоғам
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
Кафедра Электроники

ЭЛЕКТРОНДЫҚ АСПАПТАР ЖӘНЕ СҰЛБАТЕХНИКА
5В070300 – Ақпараттық жүйелер мамандығының студенттеріне арналған дәрістер жинағы

Алматы 2014

ҚҰРАСТЫРУШЫЛАР: Т.М. Жолшараева, И.М. Дауренова. Электрондық аспаптар және сұлбатехника. 5В070300 – Ақпараттық жүйелер мамандығының барлық студенттері үшін.– Алматы: АЭжБУ, 2014. – 55 б.

Дәрістер жинағы «Электрондық аспаптар және сұлбатехника» курсын өзіндік оқып үйренуге арналған. Дәрістер жинағында жартылай өткізгіштердің, аналогты және сандық құрылғылардың, диодтардың, транзисторлардың, оптрондардың, күшейткіштердің, күшейткіштер және сандық құрылғылар негізіндегі құрылғылардың негізгі мінездемелері мен параметрлері келтірілген. Негізгі құрылымдық және принципті сұлбалар, уақыт диаграммасы келтірілген және құрылғылардың іс-әрекет принципі сипатталған.

Дәрістер жинағы 5В070300 – Ақпараттық жүйелер мамандығы бойынша барлық оқу түрінде оқитын студенттерге арналған.

Кесте 15, Без.65, әдебиет көрсеткіш – 17 атау.

ПІКІР БЕРУШІ: доцент Phd, К.Е. Кусен

«Алматы энергетика және байланыс университеті» коммерциялық емес акционерлік қоғамының 2013 жылғы жиынтық жоспары бойынша басылады.

Мазмұны

1 Дәріс № 1. Жартылайөткізгіш диодтар	4
2 Дәріс № 2. Биполярлы транзисторлар	8
3 Дәріс № 3. Өрістік транзисторлар	12
4 Дәріс № 4. Оптоэлектрондық аспаптар	16
5 Дәріс № 5. Дифференциалды күшейткіш	20
6 Дәріс № 6. Операциялық күшейткіш	25
7 Дәріс № 7. Негізгі логикалық элементтер және ТТЛ схемасы	29
8 Дәріс № 8. Эмиттерлі байланысқан логика (ЭБЛ) және МДШ-тің логикалық схемалары	33
9 Дәріс № 9. Комбинациялы логикалық схемалар	38
10 Дәріс № 10. Тізбектелген логикалық схемалар	42
11 Дәріс № 11. Регистр және санауыштар	47
А қосымшасы. Оптрондардың шартты белгіленулері	53
Б қосымшасы. Тиристорлардың шартты белгіленулері	54
Әдебиеттер тізімі	55

1 Дәріс №1. Жартылай өткізгіш диодтар

Дәріс мазмұны:

- меншiктi және қоспалы жартылай өткiзгiштер;

- өткел электронды көп тесiктi;

- металл түйiспелер;

- жартылай өткiзгiш диодтар.

Дәрiстiң мақсаты:

- меншiктi және қоспалы жартылай өткiзгiштердің өткiзгіштігін зерттеу;

- p-n-өткеліндегі тепе-теңдiк күй мен ығысуды беру кезіндегі процестерді зерттеу;

- металл жартылай өткiзгiш түйiспесiн зерттеу;

- жартылай өткiзгiшті диодтарды зерттеу.

1.1 Меншiктi және қоспалы жартылай өткiзгiштер

Жартылай өткiзгiш - бұл, бөлме температурасында меншiктi электр кедергiсі r=10^-3¸10⁹ Ом∙см, өткізгіштерде r<10^-3¸ 10^-6Ом∙см, диэлектриктерде r > 10⁹¸10¹⁸Ом∙см, ие зат.

Жартылай өткiзгiштерге Менделеев кестесінiң төртiншi тобының элементтерi интерметалдық қосылулар, тотықтар, сульфидтер, карбид жатады.

Жартылай өткiзгiштердiң металдан айырмашылығы, таза жартылай өткiзгiштердiң кедергiсі температураға қатты байланысты және жартылай өткiзгiшке қоспаны қосқан кезде оның меншiктi кедергiсі азаяды.

Таза және бiркелкi өзiндiк жартылайөткiзгiшке энергияның әсері кезінде бос электрондар мен кемтіктер жұп күйінде қалыптатасады және өзіндік өткізгіштік i (intrinsic) i = n+ p, электрондық (n) кемтіктіктерден (p) құралады яғни п=р кезіндегі.

Еркiн электрондардың саны және кемтік параллель жүретiн процестер - генерация және рекомбинация динамикалық тепе-теңдiкпен анықталады.

Генерация – еркін қос заряд тасымалдаушыларының пайда болу процесі.

(мысалы, жылу әсерінен болса – термогенерация), рекомбинация – ваканттық деңгейді электрондармен толтыру барысында қос тасымалдаушыларының жойылуы. Жылжымалы тасушылардың өмір сүру уақыты – генерациядан рекомбинацияға дейінгі уақыт.

Заряд тасуыштардың шоғырлануы таза жартылай өткiзгiштерiнде - еркiн электрондар және кемтік - негiзiнде тыйым салынған аумақ ЕЗ температурадан және енiне бағынышты болады.

Жартылай өткізгішке қоспа қосқан кезде заряд тасушылардың саны артады. Қоспаның түріне байланысты не электрондық, не кемтіктік өткізгіш болады.

1.2 Электрлі - кемтіктік өткел

1.1 сурет

Сыртқы кернеу көзі жоқ болған кездегі пропорционал өткелдегі процестерді қарастырайық (1.1 суретті қара). Заряд тасымалдаушылар ретсіз жылулық қозғалыста болғандықтан, олардың диффузиясы бір жартылай өткізгіштен екіншісіне өтеді. n-қабаттан p-қабатқа өседі, осы уақытта кемтіктердің p-қабаттан n-қабатқа диффузиялық өтуі қатар жүріп жатады. Тасымалдаушылардың рекомбинациясы нәтижесінде n-қабатта оң иондардың теңеспеген көлемдік заряды (тиегінен донорлық қоспада), ал p-қабатта – акцепторлы қоспаның теріс иондарының теңеспеген көлемдік заряды қалады. Түзілген көлемдік зарядтардың арасында контактілі потенциалдар айырымы пайда болады. және кернеулігі

электр өрісі туындайды. n-p-өткелдің потенциалдық диаграммасында (1.1б суретті қара) нөлдік потенциал үшін шекаралық қабат потенциалы алынған.

n-р өткелде заряд тасымалдаушылардың диффузиялық орын ауыстыруына ықпал ететін потенциал тосқауылы пайда болады. Тосқауыл биіктігі контактылы потенциалдар айырымына тең және ол вольт оннан бір бөлігін құрайды. 1.1.б суретте диффузия есебінен n-облысынан р-облысына орын ауыстыруға тырысатын электрондар үшін тосқауыл көрсетілген.

Сонымен, n-p өткелде электрондар мен кемтіктер p және n -облыстардың түбіне кетуіне байланысты зарядтармен біріккен, тыйым салынған деп аталатын кедергісі п және p -облыстардың қалған көлемдерінің кедергісімен салыстырғанда өте үлкен болатын қабат пайда болады.

Егер сыртқы кернеу көзінің оң полюсін p-типті, ал теріс полюсін п-типті шала өткізгішке (тура қосса), онда n-р өткелде пайда болған тура кернеулі электр өрісі, контактылы потенциалдар айырымына қарсы әсер етеді.

Потенциалдың тосқауылы -шамаға дейін кемиді де, тыйым салынған қабат екі және оның кедергісі азаяды.

Егер сыртқы көз полярлығын керіге ауыстырсақ, онда потенциалдық тосқауыл -кері шамасына дейін артады. Бұл жағдайда өткел арқылы тек тиегі емес тасымалдаушылар ғана өте алады: электрондар р-облыстан n -облысқа және кемтіктер қарама-қарсы бағытта өтеді. Тиегі заряд тасымалдаушылар концентрациясы тиегі емес тасымалдаушылар концентрациясынан бірнеше ретке жоғары болғандықтан, ендеше тура токтар кері токтардан бірнеше көп болады. Сонымен, электронды-кемтіктік өткел түзеткіш қасиеттерге ие. р-п өткел арқылы өтетін токтың оған келтірілген кернеуден тәуелділігі электрондық – кемтіктік өткелдің вольтамперлік сипаттамасы деп аталады (ВАС). Оның түрі ,

мұндағы болғандағы қанығудың кері тогы.

– температуралық потенциал. 1.2-суретте р-п өткелінің ВАС келтірілген, мұндағы остердің масштабтары токтың оң (миллиампер) және теріс мәндері (микроампер) үшін әртүрлі.

Тура кернеудің арттырғанда тура ток І_тураэкспонента бойынша өседі, өйткені артуымен потениалдық тосқауыл төмендеп негізгі тасушылардың диффузиясы өседі.

1.2 сурет

1.1 сурет

Кері ток шамасы температураға аса тәуелді (графикте Т₂ > Т₁), |U_кері| >> j_T болғанда І₀тогы кері кернеуге тәуелді емес, ол қосалқы заряд тасушылардың концентрациясымен шартталған.

р-п өткелдің негізгі параметрлері:

а) тұрақты ток бойынша және айнымалы ток бойынша (дифференциалдық) кедергі;

б) тосқауылдық сыйымдылық (тепе – теңдік шарты мен кері ығысуы кезінде жабушы қабатта зарядтардың (оң және теріс иондардың) болуынан туындайды) және диффузиялық сыйымдылық (тура ығысу кезінде негізгі тасымалдаушылардың инжекциясы есебінен зарядтардың өзгеруінен пайда болады);

в) кері токтың температуралық тәуелділігі.

р-п өткелінің тесілуі – кернеуді елеусіз арттырғанда кері кедергінің кенеттен азайып кері токтың артуы. Тесілудің екі түрі болады:

а) жылулық - өткелдегі бөлінген қуат қоршаған ортаға таралатын қуаттан көп болғанда, яғни жылуды сыртқа шығару жеткіліксіз болу нәтижесінде орын алады. Тесілу қайтымсыз болса, аспап істен шығады;

б) электрлік тесілу жабушы қабаттағы кернеуліктің артуымен байланысты.

Электрлік тесілу екі түрге бөлінеді:

а) өшкіндік тесілу – қарқынды ионизация әсерінен пайда болатын күшті электр өрісінде тасушылардың көбеюімен байланысты;

б) туннельдік тесілу – қоспа концентрациясы жоғары шала өткізгіштерде өріс кернеулігінің әсерінен тунельдік тесілу туындайды, яғни электрондардың потенциалдық тосқауылдан қосымша энергия жұмсамай өтіп кетуі. Туннельдік эффект кері және аз шамадағы тура кернеулерде, өткізу аймағының түбі валенттік аймақ төбесімен төмен болған жағдайда мүмкін.

1.3 Металл-жартылай өткізгіш беттесуі

Олар жартылай өткізгіштік электроникада жартылай өткізгішті аспаптар облыстарымен омдық (түзетілмейтін) байланыс ретінде, не түзетілетін байланыс ретінде қолданылады. Осындай байланыстардың құрылымы мен қасиеттері металл мен жартылай өткізгіштегі форма деңгейінің өзара орналасуына тәуелді болады.

Металл мен жартылай өткізгіштің шығу жұмысының айырмасына тең (j_к = j_М–j_n) контактылы қабаттағы потенциалдың тосқауылды Шоттки тосқауылы деп аталады, ал осы тосқауылды қолданатын диодтарды немесе Шоттки диодтары (ШТД) деп атайды.

Шоттки тосқауылдарының р-n өткелмен салыстырғанда маңызды ерекшелігі тиекгі емес тасымалдаушылардың инжекциясының болмауы болып табылады. Бұл өткелдер тиегті тасымалдаушылармен «жұмыс істейді», сондықтан оларды тиекті тасымалдаушылардың жинақталуы және шоғырлануымен байланысты болатын диффузиялық сыйымдылық болмайды.

Шоттки тосқауылды өткелдердің ерекшелігі ВАС (вольтамперлік сипаттама) ішінен экспоненциальды ВАС жақыны идеалды р-п өткелдігі болатындығы болып келеді, ал тура кернеу р-n өткелдігінен әлдеқайда аз (жуық шамамен 0,2 В).

1.4 Жартылай өткізгішті диодтар

1.3 сурет

Жартылай өткізгішті диод – бұл екі шықпасы бар және жұмыс істеу принципі р-п өткелдің қасиеттерін пайдалануға негізделеген жартылай өткізгішті аспап (бірақ р-п өткелді пайдаланбайтын диодтар да бар). Мысалы, түзеткіш диодта жалқы полюсті өткізгіштік қасиеті қолданылады. Диодтар төмен жиілікті айнымалы токты тұрақты токка айналдыруға арналған. Түзеткіш диодтың негізгі сипаттамасы оның вольт- амперлік сипаттамасы болып табылады. 1.3 – суретте р-п өткелдің (1) немесе диодтың (2) теориялық және нақты ВАС-ы келтірілген. А нүктесінде жылулық тесілу болады.

Түрлендіргіш және импульстік диодтарда р-п өткелінің ВАС-ның сызықсыздығы пайдаланылады. Стабилитрондарда құйындық тесілу пайдаланылады, ондағы кернеу берілген аяда өтетін токтың өзгеруінде тұрақты болады. Туннельдік және кері диодтарда пайдаланылады – туннельдік эффект; варикапта – тосқауылдық сыйымдылық; фотодиодта – токтың сәулеленуден тәуелділігі; светодиодта – сәуле шығарушы рекомбинация, Шоттки диодында – Шоттки барьері, біржақтылық өткізгіштікке және тезрекеттілікке ие.

Жартылай өткізгішті диодтар келесі түрде белгіленеді:

Түзеткіш ; стабилитрон; туннельдік ;

Кері ; варикап ; Шоттки диоды ;

Екі жақты стабилитрон; светодиод;фотодиод .

2 Дәріс №2. Биполярлы транзисторлар

Дәріс мазмұны :

- биполярлы транзистор құрылымы және жұмыс істеу принципі;

- транзисторлардың қосылу сұлбасы;

- ортақ эмиттерлі сұлбадағы транзистордың негізгі параметрлері мен статикалық сипаттамалары;

- транзистордың күшейту коэффициентiнiң жиiлiктен тәуелдiлiгi.

Дәрiстiң мақсаттары:

- транзистор жұмыс істеу қағидасы және құрылғыны зерттеу;

- базаның модуляциясын және транзистор жұмыс режiмдерiн зерттеу;

- транзистордың қосу сұлбасын зерттеу;

- транзистордың статикалық сипаттамасын зерттеу.

2.1 Биполярлы транзистор құрылғысы

2.1 сурет

Биполярлық транзисторлар - p-n өткелі, екі шықпасы бар, күшейту қасиеттері заряд тасуыштардың инжекция және экстракция құбылысымен шартталған жартылай өткізгіш триот. Олар электр қуатын күшейтуге қабiлеттi және электр тербелiстерiн өзгерту шығару үшiн арналған. Биполярлы деп аталу себебі – заряд тасушылар қызметін электрондар да кемтіктер де атқарады. Олар үш электрод және екі р-п өткелден тұратын үш қабаттан құралады (2.1 суретті қара). п₁-р арасындағы аудан р-п₂ арасындағыға қарағанда әлдекайда аз. Транзистордың құрылымы симметриялы емес. Ауданы кіші асқын қоспаланған тасушыларды базаға инжекциялауға арналған кабаты эмиттер деп аталады (Э).

2.1 сурет

Ауданы үлкен, тасушыларды базадан экстракциялауға арналған және осы тасушыларды жинайтын қабат коллектор деп аталады (К). Тасушылардың эмиттерден коллекторға қарай қозғалысын, басқаратын ортаңғы кабат, база деп аталады (Б).

2.2 сурет

База аркылы эмиттерлік (ЭӨ) және коллекторлық (КӨ) өткелдер деп аталатын екі р-п өткелдердің байланысы жүзеге асырылады. Өткелдердің өзара әсерлесуі өткелдер арасындағы базаның өте аз қалыңдығы арқылы жүзеге асырылады (ондаган микрометр). Базасы бар текті транзисторлар дрейфіз, базасы әр текті - дрейфті деп аталады. Жартылай өткізгіш қабаттары типтерінің орналасу ретіне байланысты п-р-п (2.2a суретті қара) және р-п-р (2.2б суретті қара) - типті транзисторлар болып бөлінеді. Микросұлбаларда негізінен п-р-п транзисторлар пайдаланылады, ал р-п-р-типті п-р-п–типпен бірге пайдаланылады және бұл жұп комплементарлы деп аталады.

Өткелдердің ығысу кернеуіне қарай үш түрлі қосылу режимдерін – активті, тоқ тарату және қанығу деп ажыратады.

Егер тура бағытта эмиттерлік өткел, ал кері бағытта колекторлық өткел қосылса, онда мұндай режим калыпты активті немесе күшейту режимі деп аталады. Инверсті активті режимде ЭӨ – кері бағытта, ал КӨ – тура бағытта ығысады. Ток тоқтату режимінде екі өткел де кері бағытта ығысады. Қанығу режимінде екі өткел де тура бағытта ығысады, яғни ашық.

2.2 Транзистордың активті режимде жұмыс істеу принципі

2.3 сурет

2.3 - суретте көрсетілгендей қалыпты активті режимде ЭӨ тура бағытта, ал КӨ кері бағытта ығысады. Потенциялдық тосқауылдың төмендеу нәтижесінде электрондар эмиттер облысынан эмиттерлік өткел арқылы база облысына (электрондар инжекциясы), ал кемтіктер - базадан эмиттер облысына енеді. Базада электрондар концентрациясы жоғарылайды. Коллекторлық өткел кері бағатта ығысады, сондықтан электрондардың базадан

2.3 сурет

коллекторға шығуы күшейеді де, базада коллектормен шекарада электрондардың үлесі азаяды. Базада электрондар үлесінің градиенті пайда болуы нәтижесінде электрондар ЭӨ-ден КӨ-ге енеді.

Электрондардың шамамен 1% ғана кемтіктермен әсерлеседі. Электрондардың қалған 99%-ы коллекторға жетеді де, коллекторлық өткелдің детілген өрісіне түсіп, оған тартылады (электрондардың шығуы). Базаның бейтараптығына байланысты одан сыртқы тізбекке шықпа бойынша электрондардың кемтіктермен әсерлескен бөлігі кетеді де, база тогын кұрайды.

Эмиттер тогын коллектор тізбегіне берудің жалпы еселігі α = I_КӨ/ І_Э, мұндағы І_КӨ– коллектор тогының электрондық құраушысы, І_Э – эмиттер тогы. Нақты құрылымдар үшін α = 0,9 + 0,99.

Эмиттерлік өткелдің кедергісі аз (жүздеген ом), ал коллекторлық өткел кедергісі жүздеген килоомды құрайды. Коллекторлық тізбекке тіркей жалғанған жүктеме кедергісі кОМ қосылсын делік, ол транзистордың жұмыс істеу режиміне әсерін тигізбейді, бірақ кедергіден үлкен кернеу алуға болады.

Эмиттер тізбегіне айнымалы сигнал көзін Е_сқосу базада инжекцияланатын қосалқы заряд тасушылардың санын өзгертеді және эмиттер мен коллектор тогының Е_с-мен бірдей өзгеруіне әкеледі R_Ж жүктемесінің жиілігі кіріс сигналдың жиілігіне тең күшейтілген кернеу бөлінеді, бірақ бір кездегі шығыс сигналдың кернеуі кіріс сигналдан Е_с әлдеқайда үлкен болады. Осылайша сигналдьң күшейтілуі жүзеге асады.

2.4 сурет

Коллектор тогы , мұндағы – коллекторлық өткелдің жылулық тогы.

КӨ кері жылжу әсерінен үлкен және базада жұмылдырылған. - коллекторлық өткелінің өзгеруінде КӨ ені өзгереді, және сәйкесінше, w база қалыңдығы да өседі. База енінің w модуляциясы база енінің w коллектордағы кернеуден U_к тәуелділігін керсетеді . Бұл ток беру еселігінің α коллекторлық кернеуге U_к тәуелділігін көрсетеді ; коллекторлық өткелдің тосқауылдық сыйымдылығына диффузиялық сыйымдылық қосылады, өйткені өткел маңындағы заряд шамасы өзгереді; транзистордың жиіліктік қасиеттері өзгереді: егер U_көссе, онда базаның ені w азаяды, базадағы электрондардың ұшып өту уақыты азаяды және транзистордың шекаралық жиілігі өседі.

2.3 Транзисторлардың қосылу сұлбалары

Транзистор шықпаларының қайсысы кірістегі сигнал көзі мен транзистордың шығыс тізбегі арасында ортақ болып табылатынына байланысты транзисторды электр тізбегіне қосудың үш негізгі сұлбасы бар: ортақ база (ОБ, 2.4, а суретті қара), ортақ эмиттерлі (ОЭ, 2.4, б суретті қара), ортақ коллекторлы (ОК, 2.4, в суретті қара).

2.4 Ортақ эмиттерлі транзистордың статистикалық сипаттамалары

ОЭ сұлба бойынша қосылған транзистордың кіріс сипаттамасы берілген U_кэкернеуінде кіріс І₆ тоганың U_бэкернеуіне тәуелді болып табылады: I_б =f(U_бэ) (2.5.а суретті қара). U_бэ =0 болған кезде коллектор тізбегінде жылулык ток І_К0 болмайды және I_б =f(U_бэ) тәуелділігі тура бағытта қосылған р-п өткелдің ВАС-на сәйкес.

U_кэ >0 болғанда коллектор тізбегінде І₆ тогына қарсы бағытталған -І_к0 тогы пайда болады.

База тоғындағы бұл токтың орнын толықтыру үшін қажетті U_бэ кернеуін беріп I_б =І_К0 токты алу қажет. Бұл кіріс сипаттаманың оңға және төмен ығысуына әкеледі.

Шығыс сипаттамасы - берілген І₆ тогындағы I_к =f(U_кэ) тәуелділігі (2.5- суретті қара).

а) I_б =-І_К0, қисығы р-п өткелінің кері тармағына сәйкес келеді.

б) I_б = 0 болғандағы қисық, ажыратылған базалы режимге сәйкес келеді.

2.5 сурет

Транзистор арқылы коллектордың I_к0б – бойлаушы (сквозной) тогы ағады. I_к0б > I_к0,өйткені тек I_к0тогы 2.5 – сурет ғана емес, сонымен бірге I_эртогы да ағады.

ОБ сұлбасы үшін коллектор тогы: I_к = .

ОЭ сұлба универсалды, токты, кернеуді және қуатты күшейтеді. ОЭ сұлбасының кемшіліктері температураға тәулділігі жоғары, сипаттамалық сызықтығы нашар және жұмыс істейтін жиілігі төмен.

2.5 Транзистордың күшейту еселігінің жиіліктен тәуелділігі

Төменгі жиіліктерде электрондар үлесінің базада таралуы эмиттерден коллекторға қарай бір қалыпты азаяды. Жоғарғы жиілікте коллекторға ғана емес кері бағытта да, яғни эмиттерге де заряд (диффузия) тасушылар өтеді. Ток беру еселігі де азаяды. Ток беру еселігі a төменгі жиілікте - мен салыстырғанда есеге (3дБ) азаятын жиілікте - күшейтудің шектік жиілігі деп аталады (2.6 суретті қара).

2.6 сурет

Дрейфтi транзисторда, базада негiзгi емес заряд тасуыштарды тасымалдау негiзiнен электр өрiсiндегі дрейф есебiнен болады. Өріс, эмиттерден коллекторға қарай экспонентамен азаятын, базадағы қоспалардың бастапқы үлесінің әркелкі болуынан туындайды. Мысалы, п-р-п- транзисторда акцепторлық қоспа үлесінің градиенті әсерінен кемтіктер эмиттерлік өткелден коллекторлық өткелге қарай диффузиямен беріледі. КӨ маңында кемтіктер есебінен оң заряд жиналады, ал ЭӨ теріс иондардың орны толтырылмаған заряды жинақталады. Базада электрондардың эмиттерден коллекторға қозғалысын диффузиямен салыстырғанда 2...5 есе үлкен жылдамдықпен үдететін, электр өрісі Е туындайды. Транзистордың шекаралық күшейту жиілігі 2-5 есеге өседі.

3 Дәріс №3. Өрістік транзисторлар

Дәріс мазмұны:

- p-n-p өткелі оқшауланған жаппасы бар өрістік транзистор құрылғысы және жұмыс істеу принципі;

- транзистордың негізгі параметрлері және статикалық сипаттамалары;

- зарядты байланысы бар құралдар.

Дәріс мақсаты:

- өрістік транзистордың құрылғысы және жұмыс істеу принципін зерттеу;

- транзистордың сипаттамалары және негізгі параметрлерін зерттеу;

- зарядты байланысы бар құралдарды зерттеу.

Өрістік транзистор – бұл электрлік өрісті жартылай өткізгіш кедергісінің модуляциясына негізделіп жұмыс жасайтын униполярлы жартылай өткізгіш құрал. Транзисторлар басқарылатын p-n өткелді және оқшауланған жаппасы бар болып екіге бөлінеді.

3.1 Басқарылатын p-n өткелді өрістік транзисторлар

3.1 сурет

Унитрон – жазық конфигурациялы өрістік транзистор (3.1 суретті қара), цилиндрлікті текнетрон деп аталады. Каналға кіретін заряд тасымалдаушылардың жүрісі басталатын электродты бастау (Б) деп атайды. Каналдан заряд тасымалдаушылардың шығып жететін электродын құйма (Қ) деп атайды. Каналдың енін берілген кернеу бойынша өзгертіп отыратын электрод жаппа (Ж) деп аталады. Өткізгіш канал жаппадан кері бағытта ығысқан p-n өткелдері арқылы оқшауланған.

Мысалы, U_жб<0:

а) егер U_қб=0, біркелкі p-n өткелі пайда болады, │U_жб│ неғұрлым үлкен болса, өткізгіш канал және өткел соғұрлым кең болады;

3.2 сурет

б) егер U_қб кернеуі нөлге тең емес болса, канал кедергісіндегі құйма тогының I_қ кернеуінің құлауы есебінен канал ені біркелкі болмайды. а нүктесінде кернеу U_a=U_жб –ға тең, б нүктесінде U_б=U_жб + U_қб. Канал қиылысуы бастаудан құймаға қарай сығылады. Басқарылатын p-n өткелді транзистордың жұмыс істеу принципі заряд тасымалдаушылардың кедейленуінен p-n өткелінің еніндегі кері кернеу әсерінен канал кедергісінің өзгерісіне негізделген. Неғұрлым U_жб үлкейсе, каналға қарай p-n өткелі соғұрлым үлкейеді, канал қиылысуы кішірейеді, құйма тогы да кішірейеді. U_жб жаппа кернеуінің үлкен мәнінде канал ені кішірейеді, ток нөлге ұмтылады. Бұл - жаппа мен бастау арасындағы U_жб кернеуі жаппадағы тыйып тастау кернеуі U_жт деп аталады.

Транзистордың негізгі сипаттамалары болып құйма-жаппалы U_қб=const болғандағы I_қ=f(U_жб) (3.2, а суретті қара) және құймалы немесе шығыс сипаттамалары U_жб=const болғандағы I_c=f(U_қб) (3.2, б суретті қара) табылады. Шығыс сипаттамаларында екі аймақты атап өтуге болады: 1-ші аймақ токтың күрт өзгеруі (сипаттаманың сызықты омдық учаскесі) және қанығу режиміне сәйкес келетін 2-ші аймақ (сызықсыз жұмыс учаскесі). U_қб кернеуі өскен сайын құйма тогы Ом заңы бойынша өседі. Қазіргі кезде (U_қб=U_қбқан) қанығу орнайды (А нүктесінде). Динамикалық тепе-теңдік орнайды: құйма тогының өсуі p-n өткеліндегі кернеу құлауының өсуіне және құйма тогын азайтатын канал сығылуына әкеліп соғады. Сығылу құймаға қарай жүреді. Бұл жағдайда қиылысу минималды болады. U_қб кернеуінің келесі өсуі қиылысуды азайтпайды, қиылысудың «коридор» деп аталатын тар бөлігінің ұзындығын үлкейтеді. Сондықтан құйма тогы тұрақты. Б нүктесінде құйма кернеуі өткел тесілу кернеуіне жетеді. U_қб кернеуінің келесі өсуінде құйма тогы өседі, және құрал істен шығуы мүмкін. U_жб кернеуінің өсуінде (бастапқы аз қиылысуларда) процесстер ұқсас, бірақ канал сығылуы ерте басталады, бұл қанығу аймағына келуін тездетеді. Құйма тогы әлдеқайда төмен деңгейде шектелген. Құйма-жаппалы сипаттаманың тіктігі S=|_Ucи_=соnst. Шығыс кедергісі (3.2 б суретті қара) |U_зи_=const; ол сипаттаманың тіктігі және

3.2 сурет

шығыс кедергімен келесі теңдеу арқылы байланысқан μ=R_i∙S.

3.2 Оқшауланған жаппасы бар өрістік транзисторлар

Оқшауланған жаппасы бар өрістік транзисторларда жаппа электроды каналдың жартылай өткізгіш аймағынан диэлектрик қабатымен оқшауланған. Бұл транзисторлар металл-диэлектрик-жартылай өткізгіш құрылымды болып келеді және қысқартылып МДЖ – транзисторлар деп аталады. Егер диэлектрик ретінде кремний қос тотығы қолданылса, оларды МТЖ – транзисторлар деп атайды. Канал кедергісі жартылай өткізгіштің үстіңгі қабатындағы қозғалмалы тасымалдаушылар концентрациясы өзгерісі жаппадағы кернеу жасайтын сыртқы электр өрісі есебінен болады. Жаппа - жартылай өткізгіштің пластинкасынан диэлектрик жұқа қабыршақпен бөлінетін металл электроды. Қабыршақтың болуы жаппаға не кері не оң кернеу беруге мүмкіндік жасайды. Жаппа тогы екі жағдайда да нөлге тең. Транзисторлар екі класка бөлінеді:

а) әдейі жасалынған каналы бар;

б) индукцияланған каналы бар.

3.2.1 Әдейі жасалған каналы бар өрістік транзистор.

Транзистор құрылысы 3.3-суретте келтірілген.

Мұнда p⁺ - қоспаның жоғары концентрациясы бар аймақ; Д-диэлектрик; Ме-металл; Б-бастау; Қ-құйма; Ж-жаппа. U_қб≠0 және U_ж=0 болса, құйма тогы I_қ ағады. Егер U_ж<0 болса, каналға тесіктер ұмтылады. Бұл байытылу режимі, I_қ тогы өседі. Егер U_ж>0 жаппадан электрондардан кедейленген қабат пайда болады, I_қ тогы кемиді.

3.2.2 Индукцияланған каналы бар транзистор (3.4 суретті қара).

Бұл транзисторда әдейі жасалған өткізгіш каналы жоқ. Егер U_ж=0 болса, U_қб≠0, онда I_қ=0, себебі құйма мен бастау арасында өткізгіштік жоқ. Мұнда екі қарама-қарсы бағытта қосылған p-n өткелі орын алады. Егер U_ж>0 болса, электрондар пластинка бетіне тартылады I_қ=0. Кедейлену режимі қолданылмайды. Егер U_ж<0 пластинканың бетіне тесіктер тартылады және ток ағатын индукцияланған канал К пайда болады.

Көбінесе индукцияланған p каналы бар транзистор жасау жеңілдігіне байланысты қолданылады.

Өрістік транзисторларды көптеген күшейткіш және қайта қосқыш құрылғыларда, биполярлық транзисторлармен үйлестіріліп қолданылады. Өрістік транзисторлардың негізгі артықшылықтары жоғарғы кіріс кедергісі, аз шуылдар, жасау жеңілдігі, ашық күйіндегі құйма мен бастау арасындағы қалдық кернеудің жоқтығы болып табылады.

3.3 Зарядты байланысы бар құралдар

Зарядты байланысы бар құрал (ЗБҚ) МДЖ құрылымды болып келеді. Жұмыс істеу принципі зарядтардың тасымалдауына негізделген, демек потенциалды шұңқырдағы негізгі емес заряд тасушылардың генерациясы және жиналуына және жартылай өткізгіш диэлектрик шекарасы бойында қозғалуы есебінен. U_жкір =2...4 В кіріс кернеуі берілгенде диэлектрик астында біркелкі кедейленген қабат индукцияланады. Сақтау кернеуінде U_қ=10…15 В жаппада әлдеқайда терең кедейленген қабат – потенциалды шұңқыр пайда болады, онда бастаудан негізгі емес заряд тасымалдаушылар жинақталады.

Жаппа астындағы мұндай кедейлену жағдайы релаксация уақытында сақталады – жаппа астындағы беткі қабаттың кедейлену жағдайынан инверсия жағдайына өту уақыты.

Келесі тактіде – зарядтық пакет тасымалдау тактісі – жаппа кернеуі ауысуы орындалады – зарядтың бір жаппадан келесіне тізбек бойынша берілу режимі. Келесі көрші жаппасына әлдеқайда төмен кернеу U_өтк=20…25 В, әлдеқайда терең потенциалды шұңқыр пайда болады. Заряд сонда ағады және т.с.с.

Осылайша, ЗБҚ – бұл оған берілетін зарядтық пакеттер түріндегі информацияны сақтайтын және тасымалдайтын құрал.

Транзисторлардың шартты белгіленулері 3.1-кестеде келтірілген.

3.1 к е с т е.

Аспаптың аты	Белгіленуі
n-каналды басқарушы р-п өткелі бар өрістік транзистор
p-каналды басқарушы р-п өткелі бар өрістік транзистор
n‑каналы қондырылған оқшауланған жаппа өткелі бар өрістік транзистор
p‑каналы қондырылған оқшауланған жаппа өрістік транзистор
n‑каналды индукцияланған оқшауланған жаппа өрістік транзистор
p ‑каналды индукцияланған оқшауланған жаппа өрістік транзистор

4 Дәріс №4. Оптоэлектрондық аспаптар.

Дәріс мазмұны:

- оптоэлектрониканың бөлшектік базасы;

- сәулелендіргіштер, жарық көздері, фотоқабылдағыштар;

- оптрондар;

- қосқыш жартылай өткізгіш құралдар.

Дәріс мақсаты:

- сәулелендіргіштерді зерттеу;

- светодиод құрылғысын және жұмыс істеу принципін зерттеу;

- фотодиод құрылғысын және жұмыс істеу принципін зерттеу;

- оптрондардың құрылғысын және жұмыс істеу принципін зерттеу;

Динистрон және тиристорлардың құрылғысын және жұмыс істеу принципін зерттеу.

4.1 Оптоэлектрониканың бөлшектік базасы

Оптоэлектроника – бұл оптикалық сигналдарды электрлікке және қарама-қарсы түрлендіретін электрониканың саласы. Оптоэлектроника 3 ғылымның қосылуы негізінде құрылған: қатты дене физикасы, оптика және электроника. Оптоэлектрониканың бөлшектік базасын: жарық көздері, оптикалық орталар және фотоқабылдағыштар құрайды.

4.2 Сәулелендіргіштер

Сәулелендіргіштер – мөлдір шынындан жасалған, қабырғадан көп есе ішкі шағылысуынан жарықтың таралуы жүретін жіңішке жіптер жиынтығы. Бірнеше микрон қалыңдықтағы шыныталшығы арқылы жүзден аса елеусіз азаюы бар оптикалық сигналдар тасымалданады. Егер талшықтар түрлі химикалық элементтердің қоспасынан жасалған болса, жарық сигналын күшейту мүкін.

4.3 Жарық көздері (ЖҚ)

ЖҚ-ның жұмыс істеу принципі индукцияланған жарық шығару және электролюменесценцияны қолдану негізінде жасалған.

Индукцияланған сәуле шығару сыртқы фотондардың әсерінен болады. Бұл принципте жұмыс жасайтын сәуле шығарғыштар – лазерлер (light amplification by stimulated emission of radiation сөзінен аббревиатура) – индукцияланған сәуле шығарудың әсерінен жарық күшеюі.

4.3.1 Светодиод.

Светодиодтың жұмыс істеу принципінің негізінде p-n өткеліндегі сәуле шығарғыш рекомбинациясы жатыр. Сызықты ығысуда инжекцияланған негізгі емес заряд тасымалдаушылар өткел жанында негізгілермен базада рекомбинацияланады. Мұнда жарық кванттары шығады. Сәуле шығару инфрақызыл, көрінетін жарық және ультрафиолетті болу мүмкін.

4.4 Фотоқабылдағыштар

Фотоқабылдағыштар немесе фотоэлектрлік құралда сәулелендірілген энергияны электрлікке түрлендірілу орын алады.

Бұл негізгі 3 фотоэлектрлік құбылыс негізінде құрылады: сыртқы және ішкі фотоэффекті де және жапқыш қабаттағы фотоэффекті де.

Фотодиодты қарастырайық – жапқыш қабаттағы фотоэффектіге негізделген фотоэлектрондық құрал, p-n өткелінде жарық ағыны әсерінен ЭҚК пайда болады.

Қарапайым p-n өткел құрылымына ие. Германий және кремнийдан жасалады. Сәулелендіру кезінде бастапқы зат атомдарының ионизациясы p-n өткелінде жүреді. Жеке электрөткізгіштігі көбейеді, демек, электрондар мен кемтіктер жұбының саны.

Фотодиод сыртқы қорек көзімен және онсыз қосыла береді:

а) қорек көзі жоқ – вентильдік немесе фотогенераторлық режим деп аталады;

б) сыртқы қорек көзі бар Е_сыртқы – фотодиодтық немесе фототүрлендіргіш режим. Вольт-амперлік сипаттамасы I=f(U)/Ф=const 4.1-суретте келтірілген.

Мұнда IV квадрантта генераторлық режим шағылысқан – фотоэдсы пайда болады:

1) I=0 (бос жүріс режимі) U=φ_f – фотоэдсы;

2) U=0 (қысқа тұйықталу режимі) I_кз тогы ағады;

1) R_ж≠0 болғанда, I=φ_f/R_ж.

ІІІ квадрантта фотодиодтық режим шағылысқан. Ф=0 болғанда сипаттамасы түзеткіш диодтың кері орамымен сәйкес келеді Ф үлкейген сайын I_ффототогы үлкейеді. Жалпы ток І_ж кері ток І₀ және фототок І_с қосындысына тең І_ж=I₀+I_ф.

І квадрантта Ф=0 болғанда ВАС түзеткіш диодтікіндей болады.

4.1 сурет

Фотодиод кері бағытта қосылады (себебі I_ф және І_кері шамалас) ал фототокты сызықты токтың фонында айыру мүмкін емес.

Фотодиодтар жарық энергиясын электрлікке түрлендіргенде Г әлсіз төменгі жиілікті жарық сигналдарын тіркеуде, автоматикада, фотометрияда, сәулелендіру көзін бақылауда және басқада қолданылады.

4.5 Оптрондар

Элементар оптрон фотон байланысы бар жұп.

Оптрон – жарық көзі мен онымен келісілген фотоқабылдағышты үйлестіретін, күшейту коэффициенті міндетті түрде бірден жоғары болуы тиіс сыртқы электр сигналын оптикалыққа түрлендіретін, күшейтетін, сонан соң қайта электрлікке түрленетін, немесе керісінше, белсенді элемент.

Басты артықшылығы – шығыс және кіріс тізбектерін айыру мүмкіндігі, демек, гальваникалық және оптикалық шешілу орын алады. Оптрондар екі түрге бөлінеді:

а) сыртқы фотондық байланысы және ішкі электрлік байланысы бар оптрон;

б) сыртқы электрлік және ішкі фотондық байланысы бар оптрон.

Оптрондар электрлік сигналды түрлендіруге, күшейтуге, генерациялауға және формалауға қолданылады.

Оптрондарда негізінен жарық көзі ретінде инжекциялық светодиод қолданылады. Сәуле шығару спектрі фотоқабылдағыштың түріне және жасалу материалына тәуелді. Оптрондардың шартты белгіленулері А қосымшасында келтірілген.

4.6 Қосқыш жартылай өткізгіш құралдар

Қосқыш жартылай өткізгіш құралдар тиристорлар, бір өткелді және құйындық транзисторлар жатады. Тиристор – бұл екі тұрақты тепе-теңдік қалыптағы көпқабатты қосқыш құрылымдар. 4 немесе одан да көп p-n қабаттарынан немесе одан көп p-n өткелінен тұрады. Олар:

а) басқарылмайтын тиристорлар – екі – электродты – динисторлар немесе диод-тиристорлар;

б) басқарылатын тиристорлар – ортаңғы электродтардың бірімен басқарылады – тринисторлар немесе триод – тиристорлар.

Бүкіл 4 электродтан шығатын ортаңғы электродтармен басқарылатын – тетрод-тиристор.

4.6.1 Динистор.

4.2 сурет

4.2-суретте динистордың құрылысы берілген. Мұндағы p₁, n₂ – эмиттерлер, n₁, p₂ –база, П1, П3 – эмиттерлік өткел, П2 – коллекторлық өткел. П1 және П3 тура бағытта, П2 кері бағытта ығысқан. U жалпы сыртқы кернеуі П2 өткелінде кемиді. Құрал арқылы I=I_ко жапқыш коллекторлық өткелдегі ток ағады. U кернеуінің U_қос кернеуіне дейін өсуінде П2-де екпінді ионизация және құйындық тесілу дамиды, жаңа тасымалдауыштар жұбы пайда болады. П2 аймағында электрондар n₁базасына лақтырылады, ал кемтіктер p₂ базасына. Негізгі тасымалдаушылардың концентрациясы базада өседі. n₁ базасында электрондар сол жақтағы ЭП – П1-ге жақындағанда иондардың оң зарядын нейтралдайды, мұнда потенциалдық тосқауыл кемиді. Бұл кемтіктердің p₁-ден n₁-ден ағынын үлкейтеді, кейін П2 арқылы. Осындай құбылыстар оң жақтағы П3 өткелі арқылы да орын алады. Электрондар ағыны үлкейеді. Процесс құйынды дамиды. П2 және бүкіл құрал арқылы ток үлкейеді. П2 арқылы жалпы ток ағады.

мұндағы М - көбейту коэффициенті, α1, α3 – П1 және П3-тен П2-ге токтың беріліс коэффициенті. 3 өткел арқылы ағатын токтар өзара тең болғандықтан

I = . (4.1)

Мұндағы α= α1+ α3 екі эмиттерден коллекторға тасымалданатын токтың жалпы коэффициенті.

Әдетте базалар әртүрлі қалыңдықта жасалады: Р2 – қалың, ω>l (диффузиялық ұзындық) және ток таралу коэффициенті α3<<1, n1 – жіңішке, ω<l, α1≈1.

(4.1) мәнінің ВАСы анық емес түрде болады, себебі, М=f(U).

(4.1) бойынша динисторының ВАС-ы құрылған (4.3-суретті қара). Динистордың кемшілігі болып қосылу моментін басқара алмау мүмкіндігі табылады. Бұл кемшілік басқарушы электродтан қосымша шықпасы бар тринисторда, n₁ немесе p₂ -ден (4.4-сурет) жойылған. Сондықтан құралдың қосылу моментін басқару мүмкіндігі бар.

4.5-суретте тиристордың басы келтірілген. Мұндағы I_б – басқару тогы, І_б0 болғанда сипаттама динистордың сипаттамасымен сәйкес келеді. І_б-ны өзгерте отырып U_қос-ты өзгертіп отыруға болады.

І_б үлкеюінен, α үлкейеді, Мα =1 U_қос аз болғандағыға қарағанда ерте орындалады. Кейбір І_б-да кері кедергі аймағы жойылып, түзетілген сипаттама пайда болады. Екі түрі бар:

а) жабылатын триодты тиристорлар - қысқа импульстің U_кері басқарушы электроды арқылы эмиттерлік өткелге беріліс кезінде жабылады;

б) симистрлар немесе симметриялық тиристорлар токты екі бағытта да өткізеді.

Тиристорлардың шартты белгіленулері Б қосымшасында келтірілген.

5 Дәріс №5. Дифференциалды күшейткіш

Дәріс мазмұны:

– дифференциалды күшейткіш;

– тұрақты токты тудыратын дифференциалды күшейткіш;

– динамикалы кернеулі дифференциалды күшейткіш.

Дәріс мақсаты:

– дифференциалды күшейткішті оқып-үйрену;

– дифференциалды күшейткіштің жұмыс режимдерін оқып-үйрену;

– синфазды сигналдың әсерін оқып-үйрену, тұрақты токты тудыратын дифференциалды күшейткіштегі оның әсерінің азаюы, тұрақты ток генераторы ерекшелігі;

– динамикалы кернеулі дифференциалды күшейткішті оқып-үйрену.

5.1 Дифференциалды күшейткіш (ДК)

5.1.1 Дифференциалды күшейткіш сұлбасы

Дифференциалды күшейткіш (5.1 суретті қара) дифференциалды сигнал деп аталатын кіріс сигналының өзгерісін күшейтеді. Биполярлық және өрістік транзисторларда құрылады.

ДК негізінде параллельді-балансты каскад жатыр – ортақ R_э эмиттерлі жүктемесі бар екі ток күшейтетін құрылғылар, яғни балансты (теңгерілген) көпір. Осы көпір иықтары: R_к1 = R_к2 және бірдей VT₁ и VT₂ транзисторлары.

5.1 сурет

Бір диагональға қорек көзі қосылған, екіншісіне – R_н жүктемесі. Каскад екі қорек көзі E_к = E_э есебінен қоректенеді, яғни қорек көзінің қосынды кернеуі

көмегімен ортақ нүктеге қатысты VT₁ және VT₂ эмиттерлерінің потенциалы азаяды, бұл жағдайда потенциалдардың келісімді болуы қажетті емес.

Дискретті транзисторларда абсолютті симметрияны алу қиын болып табылады, сондықтан сапалы ДК интегралды сұлба негізінде құрылады.

5.1.2 Дифференциалды күшейткіштің жұмыс істеу режимдері.

ДК-тің жұмыс режимін қарастырайық:

а) тыныштық режимі (кіріс сигнал көздері жерге қосылған) , нәтижесінде .

Өз кезегінде , ендеше келесідей тұжырымдауға болады: .

Екі транзистор да активті режимде жұмыс істейді. Тыныштық токтары ағады , бұлар R_к1 және R_к2 - де бірдей кернеу түсуін тудырады, нәтижесінде, , шығыс кернеуі R_н – нан алынады .

Потенциалдардың келісімділігі үшін сұлбада ЭҚК көзі керек емес және нөлдің дрейфі азаяды (сигналдың кірісте болмай, шығыста болуы).

Дрейфті қарастырайық, мысалы, кернеу көзінің тұрақсыздығы себебінен. Е_к өсті деп есептейік, сонда коллектор токтары нақты өседі , коллектор кернеулері бірдей мәнге өзгереді және Δ;

б) кіріс сигналдарына байланысты режим. Сигналды үш түрлі әдіспен беруге болады:

1) кіріс сигнал базалардың ортасына берілген. Сонда , . Коллектор токтарының өзгерісі 0<, кернеулердікі

0>; .

Коллектор тогының өзгерісі эмиттер тогының өзгеруіне әкеліп соғады 0<, эмиттердің жалпы тогы ,

яғни, – эмиттер тогы тұрақты, , ;

2) сигнал ДК-тің бір кірісіне беріледі, ал басқа кірісі жерге қосылады. Кірістер дифференциалды деп аталады.

тогда , , .

тұрақты құраушы арқылы өтетін кері байланыс есебінен эмиттер тогы тұрақты болады. Нәтижесінде, , , , ;

3) Сигналдар екі тәуелсіз көздерінен және екі кірісіне беріледі. Бұл жерде суперпозиция принципі өз рөлін атқарады.

, K – ДК күшейткіш коэффициенті.

Шығыс сигналын коллекторлардың ортасынан түсіруге болады (симметриялы шығыс) немесе коллекторлардың біреуінен (симметриялы емес шығыс).

5.2 Тұрақты ток тудыратын дифференциалды күшейткіш

Синфазды сигнал – бұл кірістің екеуінде де әрекет ететін сигнал, мысалы, температура, кернеу көзі және т.б. өзгерісі әсерінен болатын сигнал, басқаша айтқанда бұл – әсерін азайтуы қажет кедергі (помеха). Синфазды сигналдың (СС) әсерін азайту үшін эмиттер тогын тұрақтандыру қажет. СС екі кіріске де әсер етеді деп қарастырайық. Ол коллектор токтарын ұлғайтуға тырысады, ал олардың қосындысы тұрақты эмиттер тогына тең. Сол себепті коллектор тогы өспейді, және өзгермейді. орнына ток көзі немесе тұрақты токқа аз, айнымалы токқа үлкен кедергісі бар транзисторларға тұрақты ток генераторларын мақсатты қояды. (5.2 суретті қара).

Тұрақты ток генераторы сұлбасына құрамы: VT₃ транзисторы, VD диоды, R₁, R₂ и R₃резисторлары және қорек көзі Е_э. I_э тогы VT₁және VT₂транзисторлары үшін I_э₁және I_э₂ токтарының қосындысын анықтайды, ал ол VT₃– тегі (ортақ базалы сұлба) тұрақты ток генераторынан беріледі.

5.2 сурет

5.2. суретте оның шығыс кедергісі R_э ге қарағанда көбірек. R₁, R₂, VD бөлгіштері арқылы VT₃ базасына ығысу беріледі. VD диоды термокомпенсация үшін қажет. R₁>> R₂, R_э шарты орындалады. R₁ арқылы өтетін ток тұрақты, себебі R₁ үлкен шамада және температураға тәуелсіз. Өз кезегінде

Температура көтерілгенде I_э₃эмиттер тогы да өседі. Бір уақытта VD диодының кедергісі азаяды, тогы ұлғайып, I₁ ‑ I₂ ге тең тогы азаяды. I_к3 = a тогы да төмендейді. Осы орайда, ДК эмиттер тогы I_этұрақты ток арқасында ұсталып тұрады.

I_э эмиттер тогын аналитикалық жолмен алуға болады.

, яғни I_э тогы температураға аз тәуелді, ал бұл тұрақты ток генераторының талабы болып табылады.

5.3 Дифференциалды күшейткіштің түрлі сұлбалары

ДК сұлбаларын жасау барысында мына шарттар ескеріледі: күшейткіштің күшейту коэффициентін ұлғайту және кіріс кедергісін көбейту.

ДК сұлбаларының келесі түрлері қолданылады:

а) ДК кірістеріне құрама транзисторлар (Дарлингтон жұбы) қойылады, бұлардың кіріс кедергісі біршама жоғары және токтың беріліс коэффициенті екі транзистордың токтарының беріліс коэффиценттерінің туындысына тең;

б) ДК кірістеріне эмиттерлі қайталағыштар қойылады, олардың кіріс кедергісі жүздеген килоомға тең;

в) кірісіндегі өрістік транзисторлы ДК;

г) динамикалы жүктемесі бар ДК.

5.4 Динамикалы жүктемелі дифференциалды күшейткіш

күшейту коэффициентін ұлғайту үшін коллекторлық жүктемені өсіру керек. ИС-та динамикалы жүктеме қолданылады, яғни және резисторларының орнына VТ₃ және VТ₄ транзисторлары қойылады (тұрақты токқа кіші кедергі, ал айнымалы токқа үлкен кедергілі транзисторлар). VТ₃ және VТ₄ транзисторларының полярлығы негізгіге қарама-қарсы (5.3 суретті қара).

5.3 сурет

VT₁ және VT₂ транзисторлары (n-p-n-типті) – негізгілер, VТ₃ және VТ₄ транзисторлары (p-n-p-типті) – коллекторлы жүктемелер. Бұл транзисторлар коллекторлармен байланысқан. VТ₃ транзисторы диодты қосылуда қолданылады. Эмиттерлі тізбекте жұмыс сұлбасына синфазды сигналдың әсерін азайту мақсатында тұрақты ток генераторы қойылады.

ДК кірісі – дифференциалды, шығысы‑ біртактілі.

VТ₃ және VТ₄ транзисторлары токты айна сұлбасымен қосылған – токты шағылдырғыштыр. I_К1 тогы VТ₃ арқылы аға отырып, транзисторлар базасында бірдей ығысуды туғызады. Сондықтан , ал=. Яғни, . VТ₄ VT₁токтарының өзгерісін қайталайды, яғни толықтай тогын қайталайды, сол себепті VТ₃ және VТ₄ ток айнасы деп аталады.

ДК шығысындағы ток b рет күшейеді және екі еселенеді.

ДК шығыс кернеуі , бұл жерде - келесі каскадтың кіріс кедергісі.

ДК күшейту коэффициенті . Бұл жерде .

жүздеген килоом болғандықтан, ДК кернеу бойынша күшейту коэффициенті жүздеген және мыңдаған көрсеткішке жетуі мүмкін.

Осы орайда, ток айнасы кернеу бойынша үлкен күшейту коэффициентін алуға және біртактілі шығыста сигналды еселеуге көмектеседі.

6 Лекция № 6. Операциялық күшейткіш

Дәріс мазмұны:

– операциялық күшейткіштердің негізгі параметрлері мен маңызы;

– екі каскадты операциялық күшейткіш.

Дәріс мақсаты:

– интегралды операциялық күшейткішткіштердің негізгі параметрлері мен сипаттамаларын, артықшылықтарын оқып-үйрену;

– екі каскадты операциялық күшейткіштің жұмысын оқып-үйрену .

6.1 Операциялық күшейткіштердің негізгі параметрлері мен маңызы

Операциялық күшейткіш – біртактілі шығысы, дифференциалды кірісі бар тұрақты токты күшейтетін әмбебап күшейткіш.

Идеалды ОК келесі параметрлерге ие:

- кернеуге байланысты күшейту коэффициенті ;

- кіріс кедергісі ;

- шығыс кедергісі .

Мұндай сипаттамалар терең кері байланысты (КБ) қолдануға мүмкіндік береді және ОК қасиеттері КБ элементтерінің параметрлері арқылы анықталады. Әр түрлі КБ қолдана отырып, түрлі математикалық операцияларды жүзеге асыруға болады. Сондықтан да күшейткіштер операциялық деп аталады.

ОК шартты белгіленуі 6.1 суретте келтірілген.

6.1 сурет

Бұл жерде: кіріс 1 – инверттемеуші кіріс, яғни шығыс сигналы фаза бойынша кіріс сигналымен сәйкес келеді;

кіріс 2 – инверттеуші кіріс, яғни шығыс сигналы кіріс сигналына қарсы фазада;

шығыс– біртактілі;

6.1 сурет

+Е_п және ‑Е_п ‑ Е_п екі қорек көзінің немесе екіполярлы қорек көзінің қосқышы.

Реалды ОК әдетте ішкі тізбекке қосылатын қосқыштардың үлкен санына ие.

Реалды ОК негізгі параметрлері:

6.1 сурет

а) дифференциалды сигналдың күшейту коэффициенті

;

б) синфазды сигналдың күшейту коэффициенті ;

в) ОК синфазды сигналының өшу коэффициенті ;

г) R_кіркіріс кедергісі әдетте 400 кОм (бірнеше ондық кОм-нан МОм-ға дейін жетуі мүмкін);

д) шығыс кедергісі R_шығ= 20 ¸2000 Ом;

е) амплитудты-жиілікті сипаттама (АЖС) – – күшейту коэффициентінің жиілікке тәуелділігі 6.2, а суретте келтірілген.

Екі каскадты ОК екі АЖС қисықты (излом) АЖC (әр каскад бір қисық жасайды);

ж) фазалы-жиілікті сипаттама (ФЖС) – сигнал фазасының жиілікке тәуелділігі (6.2, б суретті қара). Әр каскад жоғары жиілікте минус ге тең фазалы ығысу береді. ФЖС ге қалып отырады, бұл жерде n – ОК каскад саны;

и) ‑ жалғыз күшею жиілігі, яғни күшейту коэффициенті бірге тең болғандағы жиілік;

6.2 сурет

к) амплитудалы сипаттама немесе сигнал берілу сипаттамасы – шығыс кернеуінің кіріс кернеуінен тәуелділігі

6.3. суретте келтірілген.

6.2 сурет

6.3 сурет

Әдетте

. 7;

л) егер U_кір = 0, U_шығ = 0 болса, ОК баланс орнайды.

Реалды ОК ішкі сұлбасында разбаланс болуы мүмкін, мұның кесірінен болады, U_кір = 0 болғанда (6.4 суретті қара);

м) U _{кір.ығысу.нөл}немесе бастапқы ығысу дегеніміз –тұрақты кернеу, бұл шығыс кернеу нөлге тең болуы үшін бір кіріске ғана беріледі (6.4 суретті қара). Бұл шамалай 1...3 мВ ке тең.;

н)кіріс тогының айырмашылығы ‑ 5…50 нА;

6.4 сурет

п) синфазды кернеулер диапазоны – бұл екі кірістегі максималды бірдей кернеулер, бұл ОК қанығу немесе тоқырау уақытына кірмес үшін – 3…13 В;

р) кіріске түсіруді қосқанда шығыс кернеуінің өсу жылдамдығы 0,1…10 В/мкс.

6.2 Екі каскадты операциялық күшейткіштің сұлба-моделі

Сұлба 6.5. суретте келтірілген.

6.5 сурет

6.5 сурет

Дифференциалды кіріс күшейткіші VT₁¸VT₄транзисторларына құрылған. Негізгі транзисторлар VT₁және VT₂ ‑ p-n-p-типті. Динамикалық жүктеме (VT₃және VT₄ транзисторлары‑ n-p-n-типті) ретінде токты айна немесе токшағылдырғыш қолданылады. (5.4 тармақты қараңыз). Токты айнасы бар ОК дифференциалды кірістен және біртактілі шығыстан тұрады. Эмиттерлі тізбектегі тұрақты ток генераторы (ГСТ₁) эмиттерлі токты тұрақтандыру үшін және кернеу дрейфін азайту үшін қолданылады. Каскад қажетті ОК кіріс параметрлерін қамтамасыз етеді.

Ортақ эмиттерлі сұлба бойынша VT₅және VТ₆ құрамды транзисторға орнатылған екінші каскад амплитуда күшейткіші болып табылады. ОК кернеуі бойынша керекті күшейту коэффициентін қамтамасыз етеді. Каскадтың жүктемелі кедергі ретінде (ГСТ₂) тұрақты ток генераторы қызмет етеді. С_К»30pF сыйымдылығы – жиілікті сипаттаманың өзгерісі үшін. VD₁ және VD₂ диодтары шығыс каскадының жұмыс нүктесінің ығысуын қамтамасыз етеді.

Шығыс каскадына кіретіндер: VT₇ (n-p-n-типті)және VT₈ (p-n-p-типті) комплементарлы транзисторлар жұбы, VD₁ және VD₂ диодтары, ГСТ₂ тұрақты ток генераторы, VT₆ транзисторы. Шығыс каскады АВ классы қуатының екітактілі күшейткіші болып табылады. ГСТ₂, VD₁, VD₂ және VT₆ элементтерінен тұратын кернеу бөлгіші VT₇және VT₈ транзисторларының жұмыс нүктесінің ығысуын қамтамасыз етеді. Бұл жерде . Қажетті алғашқы ығысу VD₁ және VD₂диодтары арқылы беріледі. Осы диодтар шығыс күшейткішінің тыныштық режимінің температуралық тұрақтылығын қамтамасыз етеді.

ОК кірісінде сигнал жоқ кезде U_кір = 0, жүктеме арқылы өтетін ток I_Н= 0. VT₇және VT₈ транзисторлары арқылы азғантай бастапқы ток ағады, мына шарттар болғанды - VT₇ транзисторында U_VD1 плюс ығысуы және VT₈транзисторында минус U_VD2. Диодтар тура бағытта қосылған және әрқашан ашық, себебі + Е_п1 и ‑ Е_п2 кернеу көзі есебінен VT₆ коллекторынан оң кернеу берілсе де, диодтың катодына қарағанда анодына біршама оң кернеу беріледі. Екі транзистордың базалары айнымалы токпен қысқартылады, себебі диодтардың айнымалы құраушылары бойынша кедергісі нөлге жақын. VT₇және VT₈ транзисторлары кезекпен ашық болады. VT₆ коллекторынан оң кернеу берілгенде, VT₈ транзисторы жабылады (қосылады), ал VT₇ – ажыратылады. Ток мына тізбекпен ағады: + Е_п1, кэ_VT7, R_н, ‑ Е_п1. VT₆ коллекторынан кері кернеу берілгенде VT₇ транзисторы қосылады, ал VT₈ – ажыратылады. Ток ағатын тізбек: + Е_п2, R_н, кэ_VT8, ‑ Е_п2.

6.3 Ішкі тізбектер

Операциялық күшейткіштерде мынадай ішкі тізбектер қолданылады:

а) Жиілікті сипаттама өзгерісі тізбегі – жиілікті тәуелді RC-тізбегі.

б) Нөлдік кірісте нөлдік кернеу беретін теңгермелі (балансировка) тізбегі.

в) Қорғаныс тізбектері:

1) үлкен кіріс кернеуінде кірісте болатын тесілуден;

2) шығысындағы қысқа тұйықталудан шығысында тізбектей 400 Омға шамалас резисторлар қосылғанда;

3) қорек көзі бұрыс полярлық қосылуда қайта полюстенгенде;

4) қорек көзінің аса толып кетуінде;

г) кері байланыс тізбектері.

Әдетте ОК-те теріс кері байланыс қолданылады. Ол күшейту коэффициентін азайту үшін және берілген функциялары бар сұлба құрастыру үшін керек.

7 Дәріс №7. Негізгі логикалық элементтер мен ТТЛ сұлбасы

Дәріс мазмұны:

- негізгі логикалық операциялар мен логикалық элементтер;

- логикалық интегралды сұлбалардың негізгі параметрлері;

- транзисторлы-транзисторлық логикалы-ТТЛ сұлбасы.

Дәріс мақсаты:

- негізгі логикалық операциялар мен логикалық элементтерді оқып үйрену;

- логикалық интегралды сұлбалардың негізгі параметрлерін оқып үйрену;

- ТТЛ сұлбасын оқып үйрену.

7.1 Негізгі логикалық операциялар мен логикалық элементтер

7.1 сурет

Логикалық функциялар – екі мән қабылдайтын функциялар:егер ақпарат жалған болса, F=0, егер ақпарат ақиқат болса, F=1.

7.1 сурет

Логикалық операциялар логикалық функциялар арасындағы байланысты бейнелейді.

Қарапайым логикалық операцияларды іске асыратын электрлік сұлбалар логикалық элементтер (ЛЭ) деп атайды.

3 қарапайым логикалық операция бар ЖОҚ, НЕМЕСЕ, ЖӘНЕ:

а) ЕМЕС операциясы – логикалық терістеу, инверсия.

(F тең емес А–ға).

ЖОҚ операциясын орындайтын логикалық элементті инвертор дейміз (7.1 суретті қара).

б) НЕМЕСЕ операциясы ‑ логикалық қосу, дизъюнкция.

7.2 сурет

F=АÚВ, немесе F=А+В (F не А немесе В).

НЕМЕСЕ логикасын сипатын орындайтын ЛЭ, жинауыш немесе дизъюнктор деп аталады (7.2 суретті қара).

в) “ЖӘНЕ” операциясы –логикалық

7.3 сурет

көбейту немесе конъюнкция. F=A

B (F не А және В); F= AÙ B. ЖӘНЕ операциясын орындайтын логикалық элемент сәйкестік сұлбасы немесе конъюнктор деп аталады (7.3 суретті қара).

ЖӘНЕ, ЕМЕС, НЕМЕСЕ элементтерінің жиыны тиегі базис немесе элементтердің функционалды толық жүйесі деп аталады. Яғни тек осы элементтердің көмегімен ғана кез-келген логикалық сызбаны құрастыруға болады.

Сұлбатехникада басқа базистер элементтері екісатылы НЕМЕСЕ-ЕМЕС, ЖӘНЕ-ЕМЕС қолданылады:

а) Пирс садағы, немесе дизъюнкцияны терістеу, немесе НЕМЕСЕ-ЕМЕС операциясы А¯В = .

Шартты белгісі 7.4 суретте келтірілген.

Логикалық элемент Пирс элементі деп аталады.

7.4 сурет

б) Шеффер штрихі, немесе конъюнкцияны терістеу, немесе ЖӘНЕ-ЕМЕС операциясы А½В =

Шартты белгісі 7.5суретте келтірілген.

Логикалық элемент Шеффер элементі деп аталады.

7.5 сурет

Біртипті микросұлбалар көмегімен НЕМЕСЕ-ЕМЕС не ЖӘНЕ-ЕМЕС кез-келген логикалық сызбаны құрастыруға болады, яғни олардың әрқайсысы тиегі базис болып табылады.

Ең көп тараған ЖӘНЕ-ЕМЕС Шеффер элементі.

Сол сияқты көпсатылы логикалық элементтер кеңінен таралған:

а) 2ЖӘНЕ-НЕМЕСЕ-ЕМЕС, операциясын орындайды. Шарт белгісі 7.6 суретте келтірілген;

б) НЕМЕСЕ жоққа шығаратын немесе екі модуль бойынша қосынды немесе теңеместік функция түрі мынандай F =

7.6 сурет

Бұл F не A, не B тең дегенді көрсетеді. НЕМЕСЕ жоққа шығаратын логикалық элементті кейде «бірдеңе, бірақ бәрі емес» типті деп атайды.

символы (псевдоплюс) А және В кірістері НЕМЕСЕ жоққа шығаратын логикалық функция мен байланысты дегенді білдіреді.

Логикалық алгебрасынан білеміз:

; ; .

7.1 к е с т е

А	В	АВ
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

НЕМЕСЕ жоққа шығаратын ақиқат кестесі 7.1 кестеде көрсетілген.

Кестеде көрініп тұрғандай, егер де кірістердің біреуіне логикалық бір берілсе, онда шығыста да бір пайда болады. Тең емес мәнділік элементінің шартты белгісі 7.7 суретте келтірілген. Бұл элемент 2 модуль бойынша қосу операциясын орындайтын болғандықтан, оны 7.7 суреттегі сияқты белгілейді;

7.7 сурет

в) НЕМЕСЕ-ЕМЕС жоққа шығару, немесе тең мәнділік функциясы мына түрде болады . Бұл, F-тің не A инверсиясына, не B инверсиясына тең екенін көрсетеді.

НЕМЕСЕ-ЕМЕС жоққа шығаратын элемент үшін ақиқат кестесі 7.2 кестеде келтірілген. Элементтің шартты белгісі 7.8 суретте келтірілген.

7.2 к е с т е

А	В
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	1

7.8 сурет

Логикалық алгебрасы күй алгебрасы болып табылады және мүмкіндік береді:

а) электрондық аспаптың жұмысын логикалық функциялар түрінде сипаттауға;

б) теңдеулерден электрондық сызбаларға өтуге;

в) тиімді сызбаларды сараптауға.

ЕМЕС-ЖӘНЕ-НЕМЕСЕ операциясының орындалу тәртібі. Бөлу және азайту операциялары қолданылады, жақшалар қолданылуы мүмкін.

Логикалық алгебрасының аксиомалары мен функцияларды түрлендірулерінен басқа кеңінен де Морган формулалары қолданылады.

;

7.2 Логикалық интегралды сұлбалар

7.2.1Логикалық интегралдық микросұлбалардың негізгі параметрлері:

а) логикалық бірдің U¹_кір кіріс, U¹_шығ шығыс кернеулері – микросұлба кірісі мен шығысындағы жоғары деңгейлі кернеудің мәні;

б) логикалық нөлдің U⁰_кір кіріс және U⁰_шығ шығыс кернеулері – микросұлба кірісі мен шығысындағы төменгі деңгейлі кернеудің мәні;

в) логикалық бірдің I¹_кір кіріс және I¹_шығ шығыс токтары, логикалық нолдің I⁰_кір кіріс және I⁰_шығ шығыс токтары;

г)логикалық сигналдың құламасы U_таб= U¹_шығ- U⁰_шығ

д) U_{таб
кір} табалдырық кернеуі микросұлба күйі қарама- қарсыға көшетін кіріс кернеуі;

е) статистикалық бөгетке төзімділік кіріс кернеуінің жоғарғы U¹_бөг және төменгі U⁰_бөг деңгейлері бойынша сипатталып бөгеттің ең үлкен рұқсат етілген кернеуі, бұл кезде микросұлбаның шығыс кернеуі деңгейінің өзгерісі әлі де болмайды;

и) P_{қолд ср} = (P⁰_қолд + Р¹_қолд)/2 қолданылатын орташа қуат, мұндағы P⁰_қолд және Р¹_қолд – шығыстағы логикалық нөл мен бірге сәйкес микросұлба күйінің пайдаланған қуаттары;

к) К_бккіріс бойынша бірігу коэффициенті, осындай логикалық ИМС қандай санын осы сұлбаның кірісіне қосуға болатынын көрсетеді және логикалық ИМС ең үлкен кірістер санын анықтайды;

л) К_тарм шығыс бойынша тармақталу коэффиценті осындай логикалық ИМС қандай санын осы сұлбаның шығысына қосуға болатынын көрсетеді және логикалық ИМС жүктемелік қабілетін сипаттайды.

7.2.2 Транзисторлы-транзисторлық логикалы-ТТЛ схемасы.

7.9 сурет

ТТЛ базалық элементі (транзисторлы-транзисторлық логика) ЖӘНЕ-ЕМЕС логикалық операция орындайды (7.9 суретті қара). Сигналдың төменгі деңгейінде (логикалық 0) көп эмиттерлік транзистордың кем дегенде бір кірісінде, соңғысы қанығу күйінде болады да, ал VT₁жабық болады. Көп эмиттерлік транзисторда (КЭТ) бірнеше эмиттерлер, бір коллектор және бір база болады, және де эмиттерлер өзара әрекет етпейді. Сұлбаның шығысында (логикалық бірлік) кернеу деңгейде болады. Сигналдың жоғары деңгейінде көп эмиттерлік транзистордың КЭТ барлық кірістері активті инверторлық режимде жұмыс істейді (эмиттерлік өткел кері бағытта, ал коллекторлық өткел – тура бағытта ығысқан), VT₁ қанығу күйінде болады. Сұлбаның шығысында сигналдың деңгейі төмен, яғни нөл.

Төменгі жүктемелік қабілеттілік немесе аз байланысу коэффициенті төмендегідей түсіндіріледі. VT₁ транзисторы жабық болған кезде, R₂ арқылы жүктеме элементтерінің кіріс токтары жүреді және олар көп болса R₂ коллекторлық жүктемеде кернеудің түсуі өседі. VT₁коллекторындағы кернеу азаяды, яғни жоғарғы логикалық деңгей мәні, сұлба жұмысы бұзылады. Бұл кемшілік күрделі инверторлі ТТЛ-да шеттетілген, өйткені инвертордың шығысында ток өсіретін эмиттерлік қайталағыш тұрады. Одан басқа күрделі инверторлі ТТЛ сұлбасында жүктеме сыйымдылықты тұрақты заряд айтарлықтай азаяды, өйткені С_Н сыйымдылығы эмиттерлік қайталағыш шығыс кедергісі арқылы зарядталады. Осының есебінен тез әрекеттігі жоғарылайды.

ТТЛ сұлбасының әртүрлілігін [9] қара.

8 Дәріс№8. Эмиттерлі байланысқан логика (ЭБЛ) және МДШ-тің логикалық сұлбалары

Дәріс мазмұны:

- ЭБЛ сұлбаларының ерекшеліктері;

- ток ауыстырып қосқыш;

- МДШ –тің логикалық элементтері;

- КМДШ логикалық элементтері.

Дәріс мақсаты:

- ЭБЛ сұлбаларының ерекшеліктерін оқып үйрену;

- ток ауыстырып қосқышты оқып үйрену;

- ЭБЛ сұлбаларын оқып үйрену;

- МДШ сұлбаларын оқып үйрену.

8.1 ЭБЛ сұлбаларының ерекшеліктері

Эмиттерлі байланысқан логиканың сандық микросұлбаларын ТТЛ (үлкен шашыраған қуат құнына да сұлбаларына қарағанда жоғары тез әсер етуге ие болады, олар қазіргі уақытта субнаносекундтың диапазон уақытына жеткен, сондықтан:

а) транзисторлар қанығуы жойылады (артық заряд тасымалдаушыларын жұту уақыты t _рас = 0);

б) сұлбада жүктеме сыйымдылығын заряд процесін жылдамдататын эмиттерлік қайталағыштар қолданылады, себебі эмиттерлік қайталанғыштықтың шығыс кедергісі R_шығ аз, ал шығысы үлкен;

в) логикалық күрт түсу аз .

Жұпфазалық шығыстың болуы тура және инверсиялық мәндерді тіркеуге мүмкіндік береді, ол қолданылатын микросұлбалар санын азайтуға мүмкіндік тудырады.

ТТЛ қарапайым сұлбалар санын азайту мүмкіндік тудырады.

ТТЛ қарапайым сұлбаларынан айырмашылығы ЭБЛ элементтерінің шығысын логикалық мүмкіндіктерді кеңейту үшін қолдануға болады.

8.2 Ток ауыстырып қосқыш

ЭБЛ ерекшелігі логикалық элемент сұлбасының интегралдық дифференциалды күшейткіш (ДК) тиегіндегі кілттік режимде (токтың кілт) екі транзисторда орындалғаны болып келеді (8.1 суретті қара), олар токты қайта қосады және бұл кезде ешқашан қанығу режиміне енбейді. Дифференциалдық күшейткіш деп екі теріс сигналдарының айырмасын күшейтетін күшейткішті айтады. Бұл кезде алынған шығыс кернеуі кіріс сигналдарының абсолют мәнінен, сондай-ақ орта температурасы және басқа факторлардан тәуелсіз болуы керек.

мұндағы — күшейткіштің күшейту коэффициенті. Транзисторлардың базаларының біреуіне, мысалы VT_тір, қайсібір тірек кернеуі U_тірберілген,

8.1 сурет

Кірісте берілген кернеу өзгерісі U_тір төмен немесе жоғары болуы ток стабилизаторлық резистор R_э арқылы VT₁ және VT_тір транзисторлары арасына берілген эмиттерлік тұрақты токтың қайта таралуына әкеліп соғады. Бұл кезде транзисторлар қанығу режиміне кірмейді және осыдан кілтте принципті түрде оның тиегі емес тасымалдаушыларын жұту интервалы болмайды. Берілген сұлбаның белгілі кемшілігі- шығыстардың шығыс кедергісінің үлкен болуы, ол сұлбаның жоғары жылдам әсер өткізгіштігін қамтамасыз етуге мүмкіндік 8.1 сурет тудырады. Шығыс кедергісін төмендету үшін коллекторлық шығыстарға эмиттерлік қайталағыштар қосады. Бірнеше логикалық кірістер алу үшін бір табалдырықты транзистор және бірнеше параллель қосылған кіріс транзисторларын қосу керек.

ЭБЛ функционалдық сұлбасы үш түйіннен тұрады:

а) транзисторлардың ток ажыратып қосқыштарынан;

б) параметрлік стабилизатор мен эмиттерлік қайталағыш кіретін тірек кернеу көзі;

в) эмиттерлік шығыстық қайтағыштардан.

ЭБЛ шартты белгісі мына түрде болады:

8.3 Өрістік транзисторлардағы логикалық элементтер

8.3.1 МДШ –тің логикалық элементтері

ЕМЕС, НЕМЕСЕ-ЕМЕС, ЖӘНЕ-ЕМЕС логикалық элементтерін қарастырайық.

8.2 сурет

а) МДШ-тегі инвертор сұлбасы 8.2 суретте келтірілген.VT₁ транзисторы кілттік режимде жұмыс істейді, VT₂- әрқашан активті режимде болады.

VT₂сызықтыемес жүктеме болып табылады. VT₁ 8.2 сурет жабық болғанда, VT₂ – транзисторы активті режимде, қаныққан VT₁ болғанда, VT₂ – транзисторы тесілуге жақын қанығу режимінде болады. Х кірісіне төменгі деңгейлі кернеу берген кезде VT₁кернеу жабылады, VT₂ қанығуға жақын, кілт шығысында кернеудің жоғарғы деңгейі болады. Х кірісіне жоғарғы деңгейлі кернеу берген кезде VT₁ тіреледі, VT₂ тесілуге жақын, ал кілт шығысында кернеудің төменгі деңгейі орын алады. операциясы орындалады.

8.3 сурет

б) НЕМЕСЕ – ЕМЕС екікірісті сұлбада (8.3 суретті қара) кіріс транзисторлары VT₁ және VT₂ параллель жалғанған. Егер кірістердің ең болмағанда біреуіне жоғары деңгейлі. 8.3 сурет кернеу берілсе, сәйкес транзистор тіреледі, сұлбаның шығысында төменгі деңгей болады.

Тек сұлбаның барлық кірістеріне төменгі деңгейлі кернеу берілгенде VT₁ және VT₂ транзисторлары жабылады да, шығысында жоғары деңгей пайда болады. операциясы орындалады.

8.4 сурет

в) ЖӘНЕ – ЕМЕС екі кірісті сұлбасында (8.4 суретті қара) кіріс транзисторлары VT₁ және VT₂ тізбектей жалғанған. Егер де кірістердің әйтеуір біреуіне төменгі деңгейлі кернеу берілсе, сәйкес транзистор жабылады, кіріс транзисторлары арқылы ток жүрмейді, ал схема шығысында жоғары деңгей болады. Тек сұлбаның барлық кірістеріне жоғары деңгейлі кернеу берілгенде VT₁ және VT₂ транзисторлары ашылады, ток жүреді, шығысында төменгі деңгей болады.

операциясы орындалады.

8.3.2 КМДШ логикалық элементтері.

КМДШ микросұлбаларының тиегін VT₁ және VT₂ МДШ транзисторларындағы өзара жалғанған құймадан тұратын әртүрлі типті өткізгіштілікті кілттік каскад құрайды ( 8.5 суретті қара).

8.5 сурет

VT₁ транзисторы n-типті өткізгіштілік арналы; VT₂ - р-типті өткізгіштілік арналы болады. Бірге қосылған құймаға х кіріс сигналы беріледі, КМДШ үшін бір жоғары деңгеймен, ал нөл төменгі деңгеймен белгілену қабылданған. Кернеу көзі Е оң полярлықты болса, 3-тен 15В. дейін 8.5 суретте бола алады. КДМШ микросұлбалары үшін төменгі деңгейлі кернеу 0,001 В, ал жоғары деңгейлі кернеу іс жүзінде кернеу көзінің кернеуіне тең.

Кіріске жоғары деңгейлі кернеу берген кезде VT₁ транзисторы ашылады, ал VT₂ транзисторы жабылады. Шығыста төменгі деңгейлі кернеу тұрақталады. Кіріске төменгі деңгейлі кернеу берілген кезде VT₁ транзисторы жабық, ал VT₂ транзисторы ашық. Кернеу көзінен кернеу VT₂ ашық транзисторы арқылы каскат шығысына беріледі — бұл жоғары деңгейлі кернеу. Сонымен, берілген кілттік каскад ЕМЕС логикалық функциясын орындайды.

КМДШ кілті және оның тиегіндегі интегралдық микросұлбалардың ең маңызды бір ерекшелігі — статистикалық режимдегі ток көзіне тұтынған ең аз қуатты ТТЛ және ТТЛШ логикалық элементтерінің қуаттарымен салыстырғанда бірнеше ретке аз болуы керек екенін атап көрсеткен жөн. Бұл статистикалық режимде транзисторлардың біреуі жабық болуына байланысты токтың кілт арқылы өтпеуімен түсіндіріледі.

НЕМЕСЕ – ЕМЕС логикалық элементінің КМДШ кілті тиегіндегі сұлбасы 8.6 суретте келтірілген.

8.6 сурет

Егер екі кірісіне де төмен деңгейлі сигналдар берілсе, онда VT₃ және VT₄ транзисторлары ашық, себебі олар р-типті өткізгіштікке ие болады, ал VT₁ және VT₂ — жабық, себебі олар n-типті өткізгіштікке ие болады. Сонымен, шығыста жоғары деңгейлі сигнал (логикалық бір) алынады. Жоғары деңгейлі кернеуді кірістерді әйтеуір біреуіне берген кезде сәйкес VT₃ немесе VT₄ транзисторлары жабылады, яғни олар арқылы ток жүрмейді, ал VT₁ немесе VT₂ транзисторы сәйкес ашылады. Шығыста төменгі деңгейлі сигнал (логикалық нөл) алынады. Берілген сұлбаның НЕМЕСЕ – ЕМЕС логикалық функциясын іске асыратыны көрініп тұр.

ЖӘНЕ – ЕМЕС базалық элементінің құрылымы НЕМЕСЕ – ЕМЕС элементінің құрылымына кері болады: р-типті арналармен транзисторлар параллель жалғанған, ал п-типті арналармен тізбектей жалғанған (8.7 суретке қара). Берілген сұлба жұмысы НЕМЕСЕ – ЕМЕС элементі жұмысымен мүлдем бірдей, тек айырмашылығы, шығыста төменгі деңгейлі кернеу тек элементтің екі 8.7 сурет кірісіне де жоғарғы деңгейлі кернеу берген кезде ғана, ал қалған жағдайлардың бәрінде шығыста жоғарғы деңгейлі кернеу бола алады. Шығысында, x₁ және x₂ кірістеріне жоғарғы деңгейлі кернеу берген кезде VT₁ және VT₂ транзисторлары ашылады, ал VT₃ және VT₄ жабылады. Шығыста төменгі деңгейлі кернеу (логикалық нөл) алынады. Кірістердің әйтеуір біреуіне төменгі деңгейлі кернеу қосылса, VT₃ немесе VT₄ транзисторларына біреуі ашылады, ал оған сәйкес комплементарлы транзистор (VT₁ немесе VT₂) жабылады. Бұл жағдайда шығысқа сәйкес ашық транзистор арқылы ток көзі кернеуі беріледі. Шығыста жоғары деңгейлі кернеу (логикалық бір) тұрақталынады.

9 Дәріс№9. Комбинациялық логикалық сұлбалар

Дәріс мазмұны:

- дешифрлеуіш. Жалпы мәліметтер;

- матрицалық дешифрлеуіштің синтезі;

- шифрлеуіш;

- мультиплексор;

- демультиплексор.

Дәріс мақсаты:

- дешифрлеуіштің жұмысын зерттеу;

- матрицалық дешифрлеуіштің синтезін зерттеу;

- шифрлеуіштің жұмысын зерттеу;

- мультиплексордың жұмысын зерттеу;

- демультиплексордың жұмысын зерттеу.

9.1 Дешифрлеуіш

9.1.1 Жалпы мәліметтер.

Комбинациялық логикалық сұлба (КЛС) – бұл сұлба шығысындағы сигнал тек қана қазіргі мезеттегі кіріс сигналдардың комбинациясынан тәуелді болып келетін логикалық схема. КЛС-ға дешифрлеуіш, шифрлеуіш, мультиплексор, демультиплексор жатады.

Дешифрлеуіш – бұл кірісіндегі әр айнымалылар комбинациясына тек бір шығысындағы бірлік сигнал сәйкес келетін көп шығысты КЛС.

Екілік дешифрлеуіштер екілік код «1 к-дан» түрлендіреді.

ЭЕМ-де каналдарды коммутациялайтын есте сақтау ұяшықтарының адресінің тактісінің нөмірін дешифрлеу үшін дешифрлеуіш қолданылады.

9.1 сурет

n кірісі және k шығысы бар.

Дешифрлеуіштің кірісі 1, 2, 4, 8...2^n-1 разрядты екілік салмақтармен белгіленеді, шығысы олардың қозуын тудыратын – 2ⁿ – 1- терім нөмірімен. 9.1-суретте 3 разрядты екілік дешифрлеуіштің шартты белгіленуі келтірілген. Дешифрлеуіште кейде шығыс сигналдардың белгілі уақыт интервалында жасалуын шешетін стробтау операциясы қолданылады. Мысалы, қосымша кірістер енгізумен (9.1-суретті қара кірісі С) егер к=2ⁿдешифрлеуіш толық деп аталады. Демек, (кірісіндегі әр комбинацияға шығыс шинасы бар) барлық минтермдерді жүзеге асырады. Егер кіріс жинақтарының бөлігі қолданылмаса, к<2ⁿ толық емес дешифрленуіш.

9.1.2 Матрицалық дешифрлеуіштің синтезі.

Матрицалық дешифрлеуіш – бұл шығыс функциясы белгілі бір минтермге сәйкес полюсниктердің тең бөлек жүзеге асырылған [n,1] жай к бірігуі. Мысалы, n=3 (разрядты) к =2³=8 шығысы бар дешифрлеуішті синтездеу керек болсын.

9.1-кестеде шыншылдық кестесі келтірілген:

9.1 кесте

№	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

Жеке функциялар:

F₀= ; F₁= ; F₂= ; F₃= ;

F₄= ; F₅ = ; F₆= ; F₇= .

ЖӘНЕ логикалық элементтерінде дешифрлеуіштің реализациясы 9.2-суретте келтірілген. Дешифрлеуіш С стробтық сигналы берілісінде ғана жүзеге асады.

Артықшылықтары:

- құрылым жеңілдігі;

- жоғары тезәрекеттік.

9.2 сурет

Матрицалық дешифрлеуіштерді ИС 4-тен 8-ге дейінгі разрядтарда қолдану тиімді.

9.2 Шифрлеуіш

Шифрлеуіш (СД) дешифрлеуішке кері функцияны атқарады.

Екілік шифрлеуіш – КЛС «1-ден n-ға» кодын екілікке түрлендіреді. Кірістерінің бірінде «1» бар болса, қозған кіріс нөміріне сәйкес n элементті комбинация шығысында пайда болады. Шифрлеуіш пернетақтадан мәліметтерді енгізуге, басылған түйменің нөмірін екілік кодқа түрлендіруге және т.б. қолданылады.

9.3 сурет

Шифррлеуіштің шартты белгіленуі 9.3-суретте келтіріліген. Толық екілік шифрлеуіш N_кір=2ⁿ кірісі бар болып келеді, мұндағы n шығыс саны, толық емес N_кір<2ⁿ.

Мысалы, толық емес «10-4» дешифрлеуішті құрастырайық. 9.2-кестеде шифрлеуіштің жұмыс шыншылдығы келтірілген. 9.2-кесте бойынша өз функцияларымызды құрамыз x₁=F₁+F₃+F₅+F₇+F₉; x₂=F₂+F₃+F₆+F₇;x₃=F₄+F₅+F₆+F₇; x₄=F₈+F₉және шифрлеуіштің сұлбасын қарастырайық (9.4-суретті қара).

9.2 к е с т е

№кір.	Шығыс
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

9.4 сурет

9.3 Мультиплексор

Мультиплексор бір шығысты көп кірісті КЛС, жалғыз жалпы кіріс шинасын кірістердің біріне екілік код беретін басқарылатын сигналға байланысты қосылады. Мультиплексор параллельді кодты тізбекті салыстыру кодына түрлендіруге және т.б. қолданылады. Микросұлбалар серияларында мультиплексорлар қолданылады:

4-еуі 1-інде (n=4 k=2 ); 8-і 1-інде (n=8 k=3); 16-сы 1-інде (n=16 k=4).

4-еуі 1-інде мультиплексорын құрастырайық.

n=4 k=2 (n=2^k) үшін жеке функция мынадай түрде болады:

Шыншылдық кестесі 9.3-кестеде көрсетілген. ЖӘНЕ- НЕМЕСЕ мультиплексорының сұлбасы 9.5-суретте келтірілген. 9.6-суретте мультиплексордың шартты белгіленуі келтірілген.

9.3 к е с т е

V₂	V₁	F
0	0	x₁
0	1	x₂
1	0	x₃
1	1	x₄

9.5 сурет

9.4 Демультиплексор

Демультиплексор мультиплексторға кері функцияны атқарады, демек, бұл бір информациялық кірісі F, k басқарылатын шығысы V_k…V₁ және n информациялық шығысы бар КЛС. Әдетте n=2^k. Демультиплексор бір каналдың мәліметтерін бірнеше қабылдағыштарға орналастыруда қолданылады.

Мысалы, n=4; k=2 демультиплексорын құрастырайық.

(n=4; k=2) демультиплексорының шыншылдық кестесі 9.4-кестеде келтірілген.

9.4 к е с т е

V₂	V₁	F
0	0	x₁
0	1	x₂
1	0	x₃
1	1	x₄

9.7 сурет

9.8 сурет

Логикалық теңдеулер мына түрде болады:

«1-ден 4-ке» демультиплексор сұлбасы 9.7-суретте келтірілген.

9.8-суретте демультиплексордың шартты белгіленуі келтірілген.

10 Дәріс№10. Тізбекті логикалық сұлбалар

Дәріс мазмұны:

- триггерлер, классификациясы;

- синхронды RS триггер;

- D триггер;

- Т триггер;

- екі бөлікті RS және JK триггерлер.

Дәріс мақсаты:

- триггердің жұмысын зерттеу;

- RS триггерді зерттеу;

- D триггерді зерттеу;

- Т триггерді зерттеу;

- екі өлшемді триггердің жұмысын зерттеу.

10.1 Триггерлер

10.1.1 Триггердің құрылымдық сұлбасы.

Тізбекті логикалық сұлбада (ТЛС) шығыс сигналы тек сұлбаның берілген мезеттегі кіріс жағдайынан ғана емес алдыңғы жағдайынан да тәуелді, демек, жады бар. Ең қарапайым ТЛС – тригердің екі тұрақты тепе-теңдік қалпы бар – «1 және 0». Сыртқы әсерсіз ол тұрақты жағдайда тұра береді, демек, бұл уақытша сақтайтын есте сақтау элементі болып табылады.

10.1 сурет

Екі шығысы бар: тура Q және инверттелген Q. Триггердің қалпы түзетілген шығысындағы потенциалдың мәнімен анықталады.

Жалпылатылған құрылымдық сұлбасы 10.1-суретте келтірілген. Мұнда S, R – келтірілген кіріс; Х1....Хn – информациялық кіріс;

V1…Vk – басқарылатын кіріс;

S*, R* - есте сақтау ұяшығының келтірілген кірісі.

Сұлба Q және Q шығыстарынан кері байланысы бар және басқару сұлбасынан (БС) кіріс БС-на.

Мәліметтің жазылу әдісіне қарай триггерлер асинхронды және тактілі болып бөлінеді. Синхронды, элементтердің бір мезетте қосылуы оның жұмысының беріктігін көбейтеді.

10.2 Асинхронды RS триггер

0 және 1 бөлшектелген орнатуы бар RS триггер (set орнату1, reset – орнату 0). 11 терімі тиым салынған.

Тура кірісі бар асинхронды триггерлер НЕМЕСЕ – ЖОҚ базисінде іске асырылады. Логикалық құрылымы 10.2-суретте келтірілген, шартты белгіленуі 10.3-суретте келтірілген.

10.2-кестеде өткелдердің кемітілген кестесі келтірілген.

10.2 к е с т е

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

10.3 сурет

10.2 сурет

R_n=1, S_n=1 тыйым салынған теріс болып табылады, себебі, S=1 «1»-ді, R=1 «0»-ді бір мезетте орнатуға болмайды. Q_n+1 жағдайы белгісіз болып табылады (шығысында 0 немесе 1 болуы мүмкін).

Инверсті кірістері бар асинхронды триггерлер ЖӘНЕ-ЖОҚ базисінде іске асады. Логикалық құрылымы 10.4-суретте келтірілген, шартты белгіленуі 10.5-суретте келтірілген. 10.3-кестеде өткелдердің кішірейтілген кестесі келтірілген.

10.3 к е с т е

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

10.5 сурет

10.4 сурет

10.3 Тактіленетін RS триггер

Тактіленетін (синхрондалатын) триггерлердің қосымша тактіленетін С кірісі бар. С сигналы сұлбаға триггерде мәліметтерді жазуға мүмкіндік береді, алайда триггердің жағдайы тактілік импульстің аяқталу мезетінде ауысады (синхросигналдың өткелінде «1»-ден «0»-ге дейін).

10.6-суретте ЖӘНЕ-ЖОҚ логикалық элементтерінде тактіленетін RS триггердің сұлбасы келтірілген. Есте сақтау ұяшығының әр қайсысында қосымша сәйкестік сұлбасы бар (ЖӘНЕ-ЖОҚ). Бірінші кірістері қосылған, оларға синхроимпульстар беріледі, екінші кірістерге мәліметтер сигналы беріледі. С=0 болғанда триггер жағдайы өзгермейді. 10.6-суретте және 10.4-сұлбада сәйкесінше триггердің шартты белгіленуі және өткелдердің кестесі берілген.

10.4 к е с т е

T_n	Q_n	Q_n₊₁
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

10.6 сурет

10.7 сурет

10.4 D триггер

2) Тактіленетін.

D триггердің екі кірісі бар: D мәліметтік, С тактіленетін (10.8-суретті қара).

Оның жағдайы тактілік сигналмен анықталатын (delay-кідіріс) кіріс сигналын шамалы күтумен қайталайды.

Мұндағы ЛЭ1, ЛЭ2 басқару сұлбасы, ЛЭ3, ЛЭ4 есте сақтау ұяшығы.

10.9 а-суретте және 10.9 б-суретте D және DV триггерлердің шартты белгіленуі, V қосымша рұқсат ету кірісі.

С=1 болғанда триггерге С синхросигналы беріліс кезіндегі D кірісіне берілген нәрсе жазылады.

10.9 сурет

10.8 сурет

DV триггерде V=1 болғанда триггер D сияқты жұмыс істейді, V=0 болғанда мәлімет сақталады.

10.5 Т-триггер

Есептелінетін кірісі бар Т - триггер, триггердің қарама-қарсы қалыпқа өтуі әр сигнал арқылы жүреді (toggle – қыстырғыш). Бір мәліметтік кірісі бар Т және триггер кірісіне сигнал келгенде қайта қосылады. Триггердің жұмыс логикасы 10.5-кестеде келтірілген. 10.5-ны Б суретте шартты белгіленуі.

10.5 к е с т е

с	Q_n	Q_n₊₁
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

10.10 сурет

а)

б)

сипаттамалық теңдеуінен триггер екінші модуль арқылы қосуды жүргізетінін көреміз (10.10-суретті қара 10.5-кесте). Шығысындағы жиілік кірісіндегіге қарағанда 2 есе кіші. Сондықтан триггерді 2-ге бөлгіш ретінде және есептеуіштерді құруға, қолдануға болады.

Т триггерді D кірісіне -ды беру арқылы D триггерінен алуға болады, керісінше – болмайды, сондықтан өнеркәсіп D триггерлерді шығарады.

· 10.11 - сурет

триггерлер D, RS және JK триггерлерде құрылады (10.11-суретті қара).

10.6 Екі сатылы триггер

Көпразрядты құрылғылардың сенімді және нақты жұмысы үшін екісатылы МS триггері қолданылады. Ол екі бөліктен тұрады: М – master – негізгі, S – slafe – көмекші. Бұл баспалдақтарға бір мезетте мәлімет қабылдауға тыйым салынған. Бірінші кезекте жаңа мәлімет екінші баспалдақтан ескі мәлімет сақталғанда бірінші баспалдақта құрылады. Кейіннен мәліметтер біріншіден екінші баспалдаққа беріледі. Бірінші баспалдақ триггердің атауын анықтайды. МS триггерді құруда екі синхронды триггер және инвертор қолданылады.

Мысалы, 10.12 а-суретте екі баспалдақты логикалық элементтердегі RS келтірілген.

Q=0 болғанда триггер нөлдік қалыпта болады. Кірісіне С=1 S=1 R=0 берілген. Триггердің бірінші баспалдағы «1»-де қайта қосылады. ЛЭ3 шығысында «1», ЛЭ4 «0». Инвертор бір мезетте синхросигналды ЛЭ5 және ЛЭ6 кірісінде «0»-ге қайта қосады және ЛЭ7, ЛЭ8 кірісіне ЛЭ7, ЛЭ8-ды өзгертпейтін «1» келеді.

Синхросигналды ЛЭ1 және ЛЭ2 шығысында С=0-ге өзгерткенде «1» орналады және ЛЭ3 және ЛЭ4 өз қалпын сақтайды, ал ЛЭ3 және ЛЭ4 ЛЭ5 және ЛЭ6-ға қайта жазылады, демек, мәлімет бірінші баспалдақтан екінші баспалдаққа көшіріледі. Шартты белгіленуінде екі еселі ТТ орын алады (10.12 б-суретті қара).

10.12 сурет

10.7 JK – триггер

RS - триггерден ЛЭ8 шығысының және ЛЭ1 кірісінің және ЛЭ7 шығысы мен ЛЭ2 кірісінің кері байланысын енгізу арқылы екі баспалдықты JK - триггер алуға болады (10.13-суретке қара). JK - триггер – «0 және 1» бөлек орнатуы бар универсалды триггер. 11 терімі тыйым салынбаған. 11-де тактілі кірісіне қатысты Т триггер секілді жұмыс істейді. Бөлек қолдануда J орнату «1», K лақтырылу «1» немесе орнату «0».

Сипаттамалық теңдеу келесі түрде болады: . Өткелдер кестесі 10.6-кестеде, шартты белгіленуі 10.14-суретте келтірілген.

10.6 к е с т е

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

10.14 сурет

11 Дәріс №11. Регистрлер мен есептегіштер

Дәріс мазмұны:

– сақтау регистрі;

– ығысу регистрі;

– есептегіштер.

Дәріс мақсаты:

– сақтау регистрінің жұмысын оқып-үйрену;

– ығысу регистрінің жұмысын оқып-үйрену;

– есептегіштер жұмысын оқып-үйрену.

11.1 Регистрлер

11.1.1 Тағайындалуы мен классификациясы.

Регистр – бұл екілік сандарды қабылдауға, сақтауға, өзгертуге және жіберуге арналған тізбектей құрылғы. Регистрлер басқаратын және жадыда сақтайтын құрылғылар ретінде, генераторлар және кодтарды, есептегіштерді, жиілікті бөлгіштерді түрлендіретін құрылғылар ретінде қолданылады.

Динамикалы және статикалық басқаруы бар синхронды D-, RS-, JK-триггерлері регистрдің негізгі элементтері болып табылады. Бір триггер 1 бит информацияны сақтай алады, яғни оны бірразрядты регистр деп санауға болады. ЭЕМ көпразрядты сандармен жұмыс істейтіндіктен, регистр ретінде жинақтар немесе триггерлер тізбектері қолданылады.

Регистрлер былайша бөлінеді: жұмыс істеу принципі бойынша жинағыш (жады және сақтау регистрлері,) және ығыстыру (уақытша сақтау мен кодтарды түрлендіру); берілу бағыты бойынша: бір бағытты (оңға және солға) және реверсивті.

11.2 Сақтау регистрі

11.1 суретте ақпаратты параллельді қабылдап, жіберетін регистрдің сұлбасы келтірілген. Сақтау регистрінің кірісіне n-разрядты сөздер (X₁ …. X_n) беріледі.

Шиналардың белгіленуі: П – (прием) қабылдау, С – синхрондау, В – (выдача) жіберу, Пр – (преобразование) ақпаратты түрлендіру, Уст. «0» – RS-триггерлерінің кірісіне нольді қою.

11.1 сурет

Сақтау регистрі «ЖӘНЕ» логикалы элементтері бар RS-триггерлеріне қойылған. Бар триггерлердің R кірістері тастау шиналарымен (Уст. «0») бірігіп, жалғанған. Регистрді «0» шамасына қою үшін бір уақытта Уст «0» және «С» (такттық кірістерді біріктіретін синхронизациялар) шиналарына «1» мәнін беру керек.

Ақпаратты қабылдау немесе жазу.

Келесі тактте Х₁, Х₂,…, Х_n коды «ЖӘНЕ» логикалық элементтерінің кірістеріне параллельді түседі, «1» сигналы П (прием) және С шиналарына бір уақытта беріледі. «И» шығыстары «S» кірістерімен жалғанған.

Х_i=1 разрядында триггер бірлік қалыпқа қойылады, ал Х_i=0 болғанда – триггер күйі өзгермейді.

Ақпаратты жіберу

Сигнал Q триггерінің тура шығысынан «ЖӘНЕ» логикалық элементтерінің кірісіне беріледі. «И» элементтерінің екінші кірістері «В» информациясының ортақ жіберу шинасымен біріктірілген. Регистрдің шығысында Х₁,….Х_n тура кодын аламыз.

«И» сұлбасына түсетін «Пр» (преобразование) шинасына сигнал бергенде, ал «И» екінші кірістеріне -дан берілсе «И» шығысында кері коды пайда болады. Санау барысында триггер күйі өзгермейді, яғни есептеу ақпаратты бұзбай бірнеше рет қайталана алады.

11.3 Ығысу регистрлері

Ығысу регистрлері ығысу операциясын орындайды – әр тактілік импульстің келісімен әр разрядтың триггер құрамының «1» және «0» тізбектелу реті өзгерместен көрші разрядқа қайта көшірілу жүреді. Ығысу регистрлері келесі түрге бөлінеді:

- мәліметтерді оңға ығыстыру – кіші разрядтар жанына қарай.

- жоғарғы разрядтарға қарай ығыстыру.

- реверсивті – оңға немесе солға ығыстырумен.

RG символы бар сұлбаларда келесі таңбалар қойылады

Ығысу регистрлері RS, JK, D, DV – триггерлерде, бір және екі баспалдақты, бір және көп тактілілерде құрылады. Тізбекті немесе параллель кірісі және тізбекті немесе параллель шығысы болу мүмкін.

11.3.1 Екі баспалдақты триггерлердегі ығысу регистрлері (11.2-суретті қара).

11.2-сурет

Екі баспалдақты триггерлерде бірінші баспалдақ С сигналымен басқарылады, екіншісі инверсті С сигналымен. Бір триггерлердің шығыстары екінші триггерлердің кірістерімен қосылады, ығысу әр синхроимпульспен іске асады, сондықтан бұл біртактілі ығысуы бар регистр деп аталады. Солға ығысуы бар регистр 11.3-суретте келтірілген, реверсивті – 11.4-суретте, шартты белгіленуі – 11.5-суретте.

11.3 сурет

11.4 сурет

11.5 сурет

11.4 Есептеуіштер

Есептеуіш – бұл кіріс сигналдарын есептеуге және осы санның екілік кодын сақтауға арналған тізбекті сұлба. Программа бұйрықтарын тізбекті орындауға, орындалған операциялардың жүйесінің санын, жиілік бөлгіштерді есептеуге қолданылады.

11.4.1 Классификациясы:

а) есептеу жүйесінің негізінде: екілік, екілік-ондық, ≠2 емес және ≠10 емес негізінде;

б) орындалу мақсатына қарай: қосқыш, азайтқыш, реверсивті.

11.4.2 Негізгі параметрлері:

а) есептеуіш модулі, қайта есептеу коэффициенті – 1 кірісіне түсетін есептеуішті бастапқы қалпына келтіретіндер көлемі.

М=2ⁿ, мұндағы n разряд саны;

б) есептеуіш сыйымдылығы S=2ⁿ-1;

в) разряд саны n=log₂M;

г) жұмыс істеу жылдамдығы – қайта қосылу f_мах максималды жиілігімен және рұқсат етілген уақытпен – бұзылусыз есептеуіштің екі кірісті сигналдармен жұмыс жасау кезінде минималды уақытпен анықталады.

11.5 тізбекті тасымалдаушысы бар есептеуіштер

а) жалпылауыш есептеуіштер.

Екілік сандардың ретін қарастырайық – тура есептеу кестесін (11.1-кесте). Көрші жоғарғы разряд өзінің жағдайын кішісі 1-ден 0-ге өту кезінде өз қалпын өзгертіп отырғаны көрініп тұр, демек, есептеуіш динамикалық басқарылатын инверсті немесе екі баспалдақты MS триггердің тізбегінен тұрады. Жалпылауыш есептеуіштерде R кірісіне «1» берілісінде триггерлер нөлдік қалыпқа орнатылады.

11.1 к е с т е

Кіріс	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

11.6 сурет

11.6-суретте динамикалық басқарылатын инверсті триггерлер тізбегінен тұратын тізбекті тасымалдаушы бар жалпылауыш есептеуіш көрсетілген. Т-триггерлер әр кіріс импульсінен жұмыс істейді. Бұл есептеуіш әлі де жиілік бөлшігі болуы мүмкін. Әр жоғарғы разрядты триггер кіші разрядты триггерге қарағанда екі есе кем қосылады.

б) азайтқыш есептеуіштер

Қайта есептеу кестесін қарастырсақ (11.1-кестеге қара), жоғарғы разряд өз қалпын кіші разряд «0»-ден «1»-ге өзгерткенде ауысып отыратынын көреміз. Азайтқыш есептеуіштерде (11.7-суретті қара) оның құрамы 1-ге әр импульс келісімен азайып отырады.

11.6-сурет есептеуіш синхронды MS – T-триггерлерде құрылады.

Алғашқыда бүкіл триггерлер «1»-де S кірісіне нөлдік сигнал берілумен орнатылады.

в) реверсивті есептеуіш.

Реверсивті есептеуіш (11.7-суретті қара) тура және кері есептеу тізбектерінен тұрады. ЖӘНЕ-НЕМЕСЕ сұлбасы көмегімен триггерлер арасында байланыстардың қосылуы жүреді.

11.8-суретте реверсивті есептеуіштің шартты белгіленуі келтірілген.

11.8 сурет

11.7 сурет

А қосымшасы

Оптрондардың шартты белгіленулері

А қосымшасында көрсетілген:

А) резисторлық оптожұп (А.а қосымшасын қара) жарық көзі ретінде – жарық диоды, фото қабылдағыш – кадмий селенидінен, кадмий сульфидінен немесе қорғасыннан жасалған фоторезистор;

Б) диодтық оптрон( А.б қосымшасын қара);

В) оптоварикаптық оптрон( А.в қосымшасын қара);

Г) транзисторлық оптрон – кремнилік фоторезисторы бар арсенидгалдық жарық диоды( А.г қосымшасын қара);

Д) құрама транзисторы бар оптрон, онда сезгіштік жоғары, бірақ тез әрекеттігі аз( А.д қосымшасын қара);

Е) диоды бар транзистор оптроны, алдынғы оптронға қарағанда тез әрекеттігі жоғары( А.е қосымшасын қара);

Ж) бірөткелі бар транзисторлық оптрон( А.ж қосымшасын қара);

Бірөткелі бар транзисторлық оптрондарды қолдануға болады:

1) тек база қосылған кезіндегі фоторезистор сияқты;

2) тек эмиттерлік өткел қосылған кезіндегі фотодиод сияқты;

3) үш электрон қосылған кезіндегі бірөткелді транзистор сияқты.

И) өрістік транзисторы бар оптрон жақсы сызықты шығыс сипаттамасына ие,аналогты сұлбаларда пайдалану үшін ыңғайлы( А.и қосымшасын қара);

К) фототиристорлық оптрон ( А.к қосымшасын қара).

Б қосымшасы

Тиристорлардың шартты белгіленулері

Аспаптың атауы	Белгіленуі
Динистор
Жұқа базамен басқарылатын тиристор
Қалың базамен басқарылатын тиристор
Жұқа базамен басқарылатын жабылатын тиристор
Қалың базамен басқарылатын жабылатын тиристор
Диак
Триак

Жинақ жоспар 2013 ж., реті 297.

Тамара Маруповна Жолшараева
Индира Мәлікқызы Дауренова

ЭЛЕКТРОНДЫҚ АСПАТАР ЖӘНЕ СҰЛБАТЕХНИКА
5В070300 – Ақпараттық жүйелер мамандығының студенттеріне арналған дәрістер жинағы

Редактор Б.С. Қасымжанова

Стандарттау бойынша маман Н.Қ. Молдабекова

Басуға қол қойылды ___________
Пішіні 60х84/16
Таралымы 50 дана.
№ 1 типографиялық қағаз
Көлемі 3,5 оқу-бас.ә.
Тапсырыс ___. Бағасы 1750 тг.

Алматы энергетика және байланыс университеті
Коммерциялық емес акционерлік қоғамының
көшірме көбейткіш бюросы
050013 Алматы, Байтұрсынұлы көшесі, 126