Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Основы электроники
Конспект лекций по курсу "Электротехника и основы электроники"
Новочеркасск 2004
1. Полупроводниковые выпрямительные диоды и стабилитроны
|
Рис.1.1. Обозначение диода на схемах. |
|
Рис.1.2. Включение диода. |
Полупроводниковые диоды - это приборы с одним p-n переходом (рис. 1.1). По особенностям конструкции и назначению они очень разнообразны. Мы рассмотрим выпрямительные диоды и стабилитроны.
Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменных напряжений и токов. Они обладают малым сопротивлением в прямом включении и большим сопротивлением в обратном включении (рис. 1.2). Практически, они пропускают ток только в одну сторону.
В расчетах цепей с выпрямительными диодами можно пользоваться максимальными допустимыми значениями прямого тока и обратного напряжения, а также максимальными значениями прямого напряжения и обратного тока (рис.1.3).
Эти основные параметры определяют выбор диода для конкретного назначения, они приводятся в справочниках. В документации, предоставляемой изготовителем, имеются графики вольт-амперных характеристик (ВАХ) диодов, а также другая информация.
|
Рис. 1.3. ВАХ выпрямительного диода. |
Типичные значения прямого напряжения выпрямительных диодов средней мощности - от долей вольта до 1-2 вольт, обратного тока - от десятков до сотен микроампер.
В упрощенных расчетах цепей с диодами прямое напряжение и обратный ток принимают равными нулю, то есть считается, что в прямом включении диод - идеальный проводник, а в обратном - идеальный изолятор. Такая модель называется идеальным диодом.
При достаточно большом обратном напряжении у полупроводникового диода наступает режим пробоя. Выпрямительный диод от этого сгорает.
Стабилитрон - это специальный тип диода, у которого пробой является рабочим режимом (рис. 1.4). Стабилитроны используются для стабилизации пульсирующего напряжения, для ограничения напряжений, а также для получения заданных напряжений в электронных схемах.
В режиме пробоя при изменении тока от минимального до максимального значения тока стабилизации напряжение меняется в узких пределах от минимального до максимального значения напряжения стабилизации (рис. 1.5).
Рассмотрим включение стабилитрона последовательно с нестабильным источником напряжения и резистором (рис. 1.6). Обратим внимание, что на схеме рис. 1.6 стрелка напряжения стабилитрона направлена от катода к аноду (обратно к ее ориентации на рис. 1.4). По этой причине обратный ток и обратное напряжение стабилитрона положительны, и рабочий участок ВАХ стабилитрона на рис. 1.7 расположен в 1-м углу координатной плоскости.
|
Рис. 1.4. Обозначение стабилитрона на схеме. |
Рассчитаем графически напряжение на стабилитроне для различных значений э.д.с. источника. Для этого изобразим на одном графике ВАХ стабилитрона и ВАХ составного двухполюсника, образованного соединением источника напряжения и резистора (рис. 1.7).
|
Рис. 1.5. ВАХ стабилитрона. |
|
Рис. 1.6. Схема стаби- лизатора напряжения. |
Напряжение этого двухполюсника равно напряжению стабилитрона, ток этого двухполюсника равен току стабилитрона. Поэтому точка на графике, соответствующая состоянию цепи, будет принадлежать как ВАХ составного двухполюсника, так и ВАХ стабилитрона, то есть, она будет лежать на пересечении этих ВАХ. Такой метод расчета нелинейных цепей называется методом пересечения ВАХ.
Рис.1.7 показывает, что при большом изменении э.д.с. источника (uвх.) от е1 до е4 напряжение стабилитрона меняется значительно меньше - от uвых. 1 до uвых. 4. Таким образом, цепь рис. 1.6 позволяет стабилизировать напряжение.
|
Рис. 1.7. Графический расчет нелинейной цепи методом пересечения ВАХ. |
Рассчитаем аналитически напряжение стабилитрона при условии изменения э.д.с. источника. Для этого введем понятия статического и дифференциального сопротивления.
Статическим сопротивлением двухполюсника, соответствующим точке его ВАХ с координатами (u0, i0), называется число
.
Дифференциальным сопротивлением двухполюсника, соответствующим точке его ВАХ с координатами (u0, i0), называется производная , вычисленная в точке (u0, i0).
Для линейного резистора статическое сопротивление равно дифференциальному.
Для нелинейных цепей часто рассчитывают отдельно постоянные и переменные составляющие напряжений и токов. Постоянные составляющие определяют так называемые рабочие точки полупроводниковых приборов ("точки покоя"), а переменные составляющие являют собой отклонение напряжений и токов от рабочих точек. Как правило, переменные составляющие представляют основной интерес.
В расчетах постоянных составляющих используют статические сопротивления элементов цепи. В расчетах переменных составляющих применяют дифференциальные сопротивления. При этом обычно рассматривают небольшие отклонения напряжений и токов от рабочих точек Δu и Δi - такие, что соответствующие участки ВАХ нелинейных элементов можно приближенно считать прямыми линиями и задавать уравнениями вида
, (1.1)
или .
|
Рис. 1.8. Малосигнальная схема стабилизатора напряжения. |
На схемах эл. цепей для расчета малых переменных составляющих изображают только дифференциальные сопротивления. Такие схемы называют малосигнальными (рис. 1.8).
Сформулируем конкретные условия задачи для цепи рис. 1.6.
Пусть uст. мин. = 11 В, uст. макс. = 13 В,
iст. мин. = 40 мА, iст. макс. = 240 мА,
uвх. = 24 + 5 sinωt (В)
|
Рис. 1.9. Схема расчета рабочей точки стаби- лизатора напряжения. |
Нужно рассчитать напряжение на стабилитроне.
Решение. Вначале, пользуясь статическими сопротивлениями, найдем допустимые пределы для сопротивления резистора (рис. 1.9). Чтобы при любом напряжении источника стабилитрон был в рабочем режиме, ток должен удовлетворять неравенствам:
,
Выражая ток через напряжение источника и сопротивление, получим:
, ,
откуда , ,
, ,
Окончательно получим:
. (1.2)
На случай больших отклонений напряжения источника от среднего значения рассчитаем сопротивление резистора, такое, чтобы рабочая точка стабилитрона находилась примерно на середине рабочего участка ВАХ. Как и было сказано, будем вести расчет, используя постоянные составляющие напряжений и токов.
Найдем значения напряжения и тока, приближенно соответствующие середине рабочего участка ВАХ стабилитрона (рис. 1.10):
мА = 0,14 А.
Постоянная составляющая напряжения на резисторе равна
В.
По закону Ома Ом.
Это сопротивление удовлетворяет неравенству (1.2), поэтому при заданных условиях стабилитрон будет в рабочем режиме.
|
Рис. 1.10. К аналитическому расчету напряжения стабилитрона. |
Найдем приближенное значение дифференциального сопротивления стабилитрона в рабочей точке:
Теперь, используя малосигнальную схему цепи, найдем амплитуду колебаний тока ΔIm:
А,
откуда (А).
Используя приближенное выражение для ВАХ (1.1), получим напряжение стабилитрона:
(В).
Коэффициентом пульсаций напряжения или тока называется отношение амплитуды первой синусоидальной гармоники колебаний к постоянной составляющей соответствующей величины. Сравним коэффициенты пульсаций напряжения на входе и на выходе:
, .
Таким образом, относительная пульсация напряжения на выходе примерно в 4,8 раз меньше, чем на входе.
Замечание. Амплитуды переменных составляющих напряжения и тока рассчитываются независимо от формы сигнала. Переменная составляющая напряжения источника задана в виде синусоиды только для простоты расчета коэффициентов пульсаций.
2. Выпрямители и фильтры.
Выпрямители - это устройства на основе диодов, тиристоров и (или) транзисторов, преобразующие напряжения и токи переменного знака в пульсирующие напряжения и токи. Пульсирующие напряжения и токи изменяются во времени, но имеют постоянный знак.
|
Рис. 2.1. Однополупери- одный выпрямитель. |
Рис. 2.2. Однополупериодный выпрямитель с конденсатором. |
Для подавления пульсаций выпрямленного напряжения и тока применяют различные фильтры. Очень часто такой фильтр - это просто один конденсатор, подключенный параллельно нагрузке. Для подавления пульсаций тока нагрузки последовательно с ней включают катушку индуктивности. Этот способ применяется реже. Бывают также сложные LC-фильтры, полученные соединением нескольких катушек и конденсаторов. Фильтры не только подавляют пульсации напряжения и тока нагрузки, но также увеличивают действующее и среднее значение напряжения и тока нагрузки.
Рассмотрим схемы диодных выпрямителей. Напряжения источников будем считать синусоидальными - этот случай чаще всего встречается на практике.
|
Рис. 2.3. Напряжение нагрузки для схемы рис. 2.1. |
Однополупериодный выпрямитель - это просто один диод (рис. 2.1). Однополупериодное выпрямление применяется, если для нагрузки не имеют значения пульсации напряжения (например, для электрических печей), или если его пульсации можно легко подавить фильтрами (обычно в случае высокочастотных напряжений и токов).
Достоинство однополупериодного выпрямителя, помимо его простоты - малое падение напряжения, так как между источником и нагрузкой включен всего один диод.
Действующее напряжение нагрузки в 2 раза меньше действующего значения напряжения источника, так как в среднем половину времени источник отключен от нагрузки (прямое напряжение на диоде здесь не учитываем).
Половинки синусоиды на рис. 2.3. соответствуют открытому состоянию диода, в это время источник питает нагрузку. Горизонтальные части кривой рис. 2.3. соответствуют закрытому состоянию диода.
Восходящие части кривой рис. 2.4 - кусочки синусоиды, они соответствуют открытому состоянию диода. В это время источник питает нагрузку и заряжает конденсатор. Нисходящие части кривой рис. 2.4 - кусочки экспонент, они соответствуют закрытому состоянию диода. В это время конденсатор разряжается на сопротивление нагрузки.
|
Рис. 2.4. Напряжение нагрузки для схемы рис. 2.2. C = 10 мкФ, R = 2 кОм. |
|
Рис. 2.5. Двухполупериодный выпрямитель. |
Рис. 2.6. Двухполупериодный выпрямитель с конденсатором. |
|
Рис. 2.7. Напряжение нагрузки для схемы рис. 2.5. |
Для выпрямления однофазных напряжений и токов чаще всего применяется двухполупериодный выпрямитель (диодный мост, рис. 2.5.). Он позволяет использовать оба периода источника напряжения, поэтому действующее значение напряжения нагрузки равно действующему значению напряжения источника (если не учитывать прямые напряжения диодов). В зависимости от знака напряжения источника попарно открываются диоды VD1, VD4 или VD2, VD3, проводя ток источника к нагрузке.
К двухполупериодному выпрямителю также подключают фильтры для подавления пульсаций выпрямленного напряжения и увеличения его среднего и действующего значения (рис. 2.6).
|
Рис. 2.8. Напряжение нагрузки для схемы рис. 2.6. |
Как и на рис. 2.4, восходящие участки кривой на рис. 2.8. - кусочки синусоиды, они соответствуют открытому состоянию пары диодов. В это время источник питает нагрузку и заряжает конденсатор. Нисходящие участки - кусочки экспоненты, они соответствуют закрытому состоянию всех диодов. В это время конденсатор разряжается на сопротивление нагрузки.
|
Рис. 2.9. Трехфазный выпрямитель. |
Для выпрямления трехфазного напряжения обычно применяется мостовой выпрямитель (схема Ларионова, рис. 2.9.). На один период питающего напряжения приходится 6 пульсаций выпрямленного напряжения, поэтому выпрямитель называется еще 6пульсным.
Амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения у него намного меньше, чем у двухполупериодного и еще меньше, чем у однополупериодного выпрямителя.
|
Рис. 2.10. Напряжение нагрузки для схемы рис. 2.9. |
Для дальнейшего уменьшения пульсаций применяют комбинации двух и более трехфазных выпрямителей, подключенных к вторичным обмоткам трансформатора с различными фазами напряжений.
В заключение рассмотрим схемы Г-образного и Побразного LC-фильтров (рис. 2.11, 2.12). Они могут применяться в сочетании с любыми выпрямителями. Они подавляют пульсации выпрямленного напряжения лучше, чем один конденсатор, но катушки индуктивности довольно тяжелы и громоздки, поэтому такие фильтры применяются только при необходимости.
|
Рис. 2.11. Г-образный LC-фильтр. |
Рис. 2.12. П-образный LC-фильтр. |
3. Биполярные транзисторы
|
Рис. 3.1. Устройство транзисторов. |
Рис. 3.2. Обозначения тран- зисторов на схемах. Назва- ния выводов. |
Это полупроводниковые приборы с двумя p-n переходами. Они работают как усилители тока. С помощью других элементов их можно использовать для выполнения различных функций, например, для усиления напряжений.
Биполярные транзисторы бывают p-n-p и n-p-n типа - в зависимости от того, какие полупроводники используются в качестве базы, эмиттера и коллектора (рис. 3.1, 3.2). Транзисторы n-p-n типа применяются чаще. На схемах транзисторы иногда рисуют без кружка (рис.8.1).
В нормальном режиме работы переход коллектор-база смещен в обратном направлении (полностью или частично закрыт), а переход эмиттер-база смещен в прямом направлении (открыт). Сопротивление перехода коллектор-база сильно зависит от тока базы.
Работу транзистора можно приближенно описать уравнением
,
где β - коэффициент передачи по току. У мощных транзисторов это число порядка десятков, у маломощных может доходить до нескольких тысяч. Типичное значение β порядка нескольких сотен.
Основные параметры транзисторов: номинальное напряжение коллектор-эмиттер, максимальный ток коллектора, номинальная мощность, коэффициент передачи по току.
|
Рис. 3.3. Входные характеристики транзистора. |
Рис. 3.4. Выходные характери- стики транзистора. |
Входные и выходные характеристики
Работу транзистора рассчитывают с помощью входных и выходных характеристик. Входная характеристика - это зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер (рис. 3.3). По существу, это прямая ветвь ВАХ диода, образованного переходом база-эмиттер. Входные характеристики зависят от напряжения база-коллектор, но эта зависимость слабая, поэтому она не всегда учитывается. В простых расчетах вместо входных характеристик используют среднее значение напряжения база-эмиттер.
Зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер для различных токов базы называется выходными характеристиками транзистора (рис. 3.4). Ток коллектора зависит в основном от тока базы, на него мало влияет напряжение коллектор-эмиттер. Поэтому транзистор работает практически как управляемый источник тока - слабый ток базы управляет сильным током в цепи коллектор-эмиттер.
Эмиттерный повторитель
Эмиттерный повторитель - это простейший усилитель тока (рис. 3.5). Эмиттерные повторители применяют для усиления сигналов от источников с большим внутренним сопротивлением. Их также используют в качестве выходных каскадов мощных усилителей.
|
Рис. 3.5. Эмиттерный повторитель. e(t) - источник входного сигнала, R0 - внутреннее сопротивление источника вх. сигнала. |
Входное и выходное напряжение связаны вторым законом Кирхгофа:
Вначале мы будем предполагать, что . Напряжение база-эмиттер меняется мало (рис. 3.3), приближенно его можно считать постоянным и равным примерно 0,6 В. Поэтому изменения входного и выходного напряжений равны:
То есть, переменную составляющую напряжения входного сигнала эмиттерный повторитель передает нагрузке без изменения. По этой причине усилитель называется эмиттерным повторителем. Заметим, что при передаче и обработке аналоговых (то есть, непрерывных, не цифровых) сигналов основной интерес представляют именно их переменные составляющие.
Найдем коэффициент усиления по току:
,
.
При расчетах переменных составляющих напряжений и токов в нелинейных цепях используют дифференциальные сопротивления (см. п.1). Входное дифференциальное сопротивление эмиттерного повторителя по определению равно отношению приращений входного напряжения и входного тока:
.
Это сопротивление, которое в сотни раз больше сопротивления нагрузки эмиттерного повторителя. Оно является нагрузкой для источника входного сигнала. То есть, источник входного сигнала подключен к большому сопротивлению, поэтому он отдает малый ток и малую мощность. Это важно, если источник сигнала имеет большое внутреннее сопротивление и малую мощность. Эмиттерный повторитель позволяет изолировать слабый источник от влияния последующих каскадов усилителя.
|
Рис. 3.7. ВАХ усилителя. |
|
Рис. 3.6. Схема заме- щения усилителя. |
Эмиттерный повторитель, как и любой другой усилитель, можно представить в виде источника напряжения или тока с некоторым внутренним сопротивлением Rвых. (рис. 3.6). Именно так его "видит" нагрузка. Сопротивление Rвых. называется выходным сопротивлением усилителя. Оно ограничивает ток, который усилитель может отдавать нагрузке.
Выходное сопротивление эмиттерного повторителя проще и естественнее всего найти как дифференциальное сопротивление, то есть, отношение приращения напряжения на выходе усилителя к приращению тока при условии, что э.д.с. источника постоянна (рис. 3.5, 3.7):
.
Таким образом, выходное сопротивление эмиттерного повторителя мало, оно в сотни раз меньше внутреннего сопротивления источника входного сигнала. Поэтому эмиттерный повторитель может отдавать нагрузке большой ток.
Замечание 1. Знак "–" в последнем уравнении появился потому что знак приращения напряжения на выводах источника входного сигнала противоположен знаку приращения напряжения на внутреннем сопротивлении источника: если ток растет, то на зажимах источника напряжение падает, а на внутреннем сопротивлении источника оно растет.
Замечание 2. На схеме рис. 3.5. в качестве нагрузки используется эмиттерный резистор. Иногда нагрузку подключают параллельно эмиттерному резистору, при этом ее сопротивление намного меньше сопротивления резистора: .
Усилитель напряжения
Схема простейшего усилителя напряжения на биполярном транзисторе показана на рис. 3.8. От эмиттерного повторителя ее отличает то, что в цепь коллектора включен резистор Rк, а также то, что выходное напряжение и выходной ток снимаются теперь с коллектора. Покажем, что рассматриваемая цепь усиливает напряжение, и найдем коэффициент усиления.
|
Рис. 3.8. Усилитель напряжения. |
Как и для эмиттерного повторителя, для цепи рис. 3.8. изменение напряжения источника сигнала равно изменению напряжения резистора в цепи эмиттера:
.
Если ток выхода (ток нагрузки) мал по сравнению с током коллектора, то .
Далее, , , откуда , .
Поэтому
По 2 закону Кирхгофа .
Так как напряжение питания постоянно, то из последнего равенства следует
, откуда коэффициент усиления по напряжению
.
Замечание 3. Предположение о том, что ток нагрузки мал по сравнению с током коллектора, обычно выполняется на практике.
Замечание 4. Коэффициент усиления оказался отрицательным. Это означает, что усилитель инвертирует фазу входного сигнала, то есть, возрастанию входного напряжения соответствует убывание выходного напряжения.
Входное сопротивление усилителя напряжения определяется так же, как и для эмиттерного повторителя:
.
Выходное сопротивление усилителя напряжения равно сопротивлению коллекторного резистора. Чтобы показать это, перейдем от схемы рис. 3.8 к эквивалентной схеме рис. 3.9, в которой транзистор вместе с эмиттерным резистором заменим источником тока. (Как было сказано, биполярный транзистор работает в режиме, близком к идеальному источнику тока. Любой элемент, включенный последовательно с источником тока, можно не принимать во внимание, так как он не влияет на состояние остальной части цепи.)
Эквивалентную схему представим для переменных составляющих напряжений и токов. Источник питания считаем идеальным. В этом случае его внутреннее сопротивление
|
Рис. 3.9. Экви- валентная схема усилителя напряжения. |
равно нулю, и он не создает никакого сопротивления переменному току. Поэтому мы заменим его перемычкой.
Выходное сопротивление, как и для эмиттерного повторителя, рассчитаем по приращениям напряжения и тока нагрузки при условии постоянного тока источника:
Замечание 5. Рассмотренные схемы усилителей обладают отрицательной обратной связью по напряжению. Случайное возрастание тока в цепи коллектор-эмиттер ведет к росту напряжения на эмиттерном резисторе. Это приводит к уменьшению напряжения база-эмиттер и уменьшению тока базы. Вследствие уменьшения тока базы ограничивается рост тока в цепи коллектор-эмиттер.
Усилители напряжения без резистора в цепи эмиттера применяются очень редко, так как изменения температуры и напряжения питания из-за отсутствия обратной связи сильно влияют на состояние цепи.
Замечание 6. Рассмотренные схемы называются схемами с общим эмиттером, потому что эмиттер включен как в цепь источника входного сигнала, так и в цепь нагрузки. Схемы с общим эмиттером применяются чаще всего. Бывают также схемы с общей базой и общим коллектором.
Режимы работы транзистора
Если к переходу база-эмиттер приложено отрицательное напряжение (например, у транзистора типа n-p-n потенциал базы меньше, чем потенциал эмиттера), то этот переход закрыт, ток базы равен нулю, ток коллектора также равен нулю, транзистор полностью закрыт. Сопротивления между любыми его выводами очень большие. Такой режим называется режимом отсечки (рис. 3.10).
|
Рис. 3.10. Режимы работы транзистора. |
Если ток базы настолько велик, что его дальнейший рост не приводит к росту тока коллектора (то есть, дальнейшее уменьшение сопротивления перехода коллектор-база практически невозможно), то транзистор полностью открыт. Сопротивления между любыми двумя выводами транзистора в этом режиме очень малы, поэтому говорят, что транзистор "стянут в точку". Такой режим называется режимом насыщения.
Если ток коллектора пропорционален току базы, то такой режим называется активным, или линейным.
В цифровых, а также в очень мощных силовых электрических цепях, транзисторы работают, переключаясь между режимами отсечки и насыщения. В аналоговых цепях (то есть, таких, которые обрабатывают непрерывные сигналы), транзисторы чаще всего работают в линейном режиме.
Смещение и точка покоя транзистора
До сих пор мы предполагали, что напряжение источника входного сигнала положительно и больше, чем напряжение база-эмиттер транзистора. Рассмотренные схемы усилителей (рис. 3.5, 3.8) будут нормально работать только при этом условии. Однако, напряжение входного сигнала чаще всего бывает переменной полярности.
Чтобы усиливать также и отрицательные полуволны напряжения и тока, нужно пропустить в цепи база-эмиттер постоянный ток от дополнительного источника - ток смещения базы, или ток покоя базы iб0. Этот ток будет задавать некоторый постоянный уровень тока коллектора iк0 - ток покоя коллектора (рис. 3.10), а также соответствующие уровни выходного напряжения и тока - так называемую рабочую точку транзистора. Ее еще называют точкой покоя. Транзистор находится в рабочей точке при отсутствии сигнала на входе усилителя.
Ток входного сигнала суммируется с током смещения базы, вызывая увеличение тока коллектора при положительном входном сигнале и уменьшение тока коллектора при отрицательном входном сигнале. Таким образом, происходят колебания тока коллектора, а также тока и напряжения выхода усилителя вокруг точки покоя (рис. 3.10). Точку покоя обычно выбирают посередине между режимами отсечки и насыщения, чтобы обеспечить максимальную амплитуду сигнала на выходе усилителя. Ток нагрузки эмиттерного повторителя при этом равен половине от максимально возможного (от тока в режиме насыщения), а напряжение на выходе усилителя напряжения равно половине напряжения источника. Такой усилитель называется усилителем класса А.
В качестве источника тока смещения базы обычно используют делитель напряжения. На рис. 3.11 этот делитель образуют резисторы R1 и R2.
Усилительный каскад на биполярном транзисторе
|
Рис. 3.11. Усилительный каскад на биполярном транзисторе. |
|
Рис. 3.12. Эквивалентная схема каскада. |
Усилительный каскад, как правило, отделен по постоянному току от источника входного сигнала и от нагрузки усилителя конденсаторами Свх. и Свых. Благодаря этим конденсаторам вход и выход усилителя не влияют на рабочую точку транзистора. Емкость этих конденсаторов выбирается достаточно большой - такой, чтобы сопротивление конденсатора Свх. на рабочих частотах было намного меньше, чем входное сопротивление усилителя, а сопротивление конденсатора Свых. было намного меньше, чем выходное сопротивление усилителя. То есть, начиная с некоторой частоты, конденсаторы должны легко пропускать переменную составляющую тока.
Конденсатор Сэ обычно также присутствует в схеме каскада. Он уменьшает полное сопротивление цепи эмиттера, что в соответствии с рассуждениями, использованными для анализа усилителя напряжения, увеличивает коэффициент усиления каскада по напряжению. Сопротивление конденсатора Сэ должно быть намного меньше сопротивления Rэ: .
Для расчета входного и выходного сопротивления каскада нарисуем эквивалентную схему каскада для переменного тока рис. 3.12. При этом будем пренебрегать малыми сопротивлениями конденсаторов.
Как и у простейшего усилителя напряжения, выходное сопротивление каскада равно Rк.
Как и у эмиттерного повторителя, входное сопротивление транзистора со стороны базы равно (1+β)Rэ. Оно велико по сравнению с сопротивлением резисторов делителя R1 и R2, и оно включено параллельно с R1 и R2, поэтому входное сопротивление каскада примерно равно сопротивлению параллельно включенных резисторов R1 и R2: .
Зная входное и выходное сопротивления каскада, получаем требования к конденсаторам Свх. и Свых.: , .
Комплементарные усилители
Схемы, в которых задается ток смещения базы (усилители класса А, например, рис. 3.11), обладают малым к.п.д., так как даже при отсутствии входного сигнала через транзистор течет ток iк0, примерно равный половине тока насыщения, и к транзистору приложено напряжение, примерно в 2 раза меньшее, чем напряжение питания. Кроме того, энергия расходуется в коллекторном и эмиттерном резисторах. Это приемлемо при малых мощностях усилителя и нагрузки.
|
Рис. 3.13. Простейший комплементарный усилитель. |
|
Рис. 3.14. Попеременное вклю- чение транзисторов. |
Если же мощности нагрузки и усилителя велики, и транзистор все время находится в линейном режиме, то он будет потреблять большую мощность и сильно нагреваться. Также велики будут потери энергии в резисторах. Чтобы этого избежать, применяют комплементарный (двухтактный) усилитель, который представляет собой эмиттерный повторитель, составленный из пары взаимно дополняющих (комплементарных) транзисторов разного типа (рис. 3.13). Один из этих транзисторов усиливает ток положительной полуволны источника входного сигнала, а второй - ток отрицательной полуволны. При отсутствии входного сигнала оба транзистора закрыты (рис. 3.14).
Такие усилители, в которых транзисторы при отсутствии входного сигнала закрыты, называют усилителями класса В. Для них специально выпускают пары транзисторов разного типа (p-n-p и n-p-n) с одинаковыми характеристиками.
Простейшая схема рис. 3.13. обладает недостатком: если напряжение сигнала по абсолютному значению меньше напряжения база-эмиттер, то оба транзистора закрыты. В результате возникает небольшое искажение выходного сигнала. На рис. 3.14. оно не показано. Для его устранения применяют специальные цепи смещения транзисторов.
4. Тиристоры
|
Рис. 4.1. Обозначение тиристора и его выводов на схемах. |
Рис. 4.2. Схема устройства тиристора. |
Тиристор - это полупроводниковый прибор с тремя p-n переходами и тремя выводами, которые называются анод, катод и управляющий электрод (рис. 4.1, 4.2). Цепь анод-катод служит для пропускания основного тока тиристора. Через управляющий электрод и катод проходят управляющие импульсы.
Тиристоры обычно применяют для управления напряжением и током различных нагрузок, чаще всего для изготовления выпрямителей с регулируемым напряжением мощной нагрузки.
Тиристор - переключающий прибор. Он может быть только в одном из двух состояний: в открытом, в котором он пропускает ток в цепи анод-катод, и в закрытом, в котором он не пропускает ток в этой цепи.
Если потенциал катода больше, чем потенциал анода, то тиристор будет закрыт. Если потенциал анода больше, чем потенциал катода, то тиристор будет закрыт до тех пор, пока не произойдет одно из двух событий: напряжение анод-катод превысит прямое напряжение пробоя или в цепи управляющий электрод-катод будет пропущен отпирающий импульс. После этого тиристор переходит в открытое состояние и остается в нем, пока ток в цепи анод-катод по каким-либо не зависящим от тиристора причинам не станет меньше значения, называемого током удержания.
|
Рис.4.3. Представление тиристора в виде двух транзисторов. |
Работу тиристора можно пояснить, представив его в виде соединения двух транзисторов (рис. 4.3.). Если мы приложим прямое напряжение между анодом и катодом, оба транзистора будут закрыты, т.к. будет закрыт средний переход тиристора. Через этот переход, т.е. через базы обоих транзисторов, будет протекать только слабый ток утечки. Если прямое напряжение увеличивать, то ток утечки будет расти. Транзисторы включены так, что они создают положительную обратную связь по этому току, то есть коллекторный ток одного из них является током базы для другого. Увеличивая ток базы одного транзистора, мы увеличиваем его коллекторный ток. Это приводит к возрастанию тока базы второго транзистора и к росту его коллекторного тока, т.е. тока базы первого транзистора, и т.д., пока оба транзистора полностью не откроются.
|
Рис. 4.4. Вольт-амперные характеристики тиристора. |
Поэтому при достижении некоторого напряжения между анодом и катодом происходит быстрое открывание обоих транзисторов (т.е. пробой среднего перехода тиристора). Это напряжение прямого пробоя тем меньше, чем больше ток, протекающий в цепи управляющего электрода и катода (это ток базы n-p-n транзистора схемы замещения). Поэтому вольт-амперные характеристики тиристора имеют вид, показанный на рис. 4.4.
Если ток управляющего электрода достаточно большой, то тиристор открывается даже при малом значении напряжения анод-катод. При этом хватает только импульса управляющего тока, т.к. после включения благодаря положительной обратной связи оба транзистора поддерживают друг друга в открытом состоянии.
Чтобы закрыть тиристор, нужно каким-либо способом уменьшить ток в цепи анод-катод. В случае питания цепей с тиристорами от сети переменного тока это происходит автоматически в каждом периоде питающего напряжения при снижении его до нуля (рис.4.5, 4.6). Генератор управляющих импульсов включает тиристор через некоторое время после появления прямого напряжения между анодом и катодом. Это время можно регулировать, изменяя среднее значение напряжения нагрузки (рис. 4.6). При питании от источника постоянного напряжения для закрывания тиристоров обычно используют дополнительные элементы цепи.
|
Рис. 4.6. Графики напряжения нагрузки и напряжения питания тиристорного регулятора. |
|
Рис. 4.5. Простейшая схема тиристорного регулятора напряжения. |
Основными характеристиками тиристора являются: максимальное прямое напряжение - это напряжение анод-катод, при котором тиристор без управляющих импульсов гарантированно остается в закрытом состоянии; максимальный прямой ток; прямое напряжение (порядка 1-2 В) - это напряжение анод-катод в открытом состоянии при максимальном токе; обратный ток - это слабый ток утечки при включении тиристора в обратной полярности на максимальное напряжение; ток управления и напряжение управления - это ток и напряжение, которые должен обеспечивать источник управляющих импульсов.
Многослойные полупроводниковые приборы бывают разных типов: тиристоры с анодным управлением - у них открывающий импульс пропускается по цепи управляющий электрод-анод, динисторы - они не имеют управляющего электрода и включаются при определенном напряжении анод-катод, симисторы - у них четыре p-n перехода и симметричная ВАХ, выключаемые тиристоры - с электродом для выключающего импульса, и т.д.
В настоящее время тиристоры все больше уступают место транзисторам, более удобным в управлении и превосходящим тиристоры по быстродействию.
5. Полевые транзисторы
Полевым транзистором называется полупроводниковый усилительный прибор, сопротивление которого может изменяться под действием электрического поля. Изменение сопротивления достигается изменением удельного электрического сопротивления слоя полупроводника или изменением объема полупроводника, по которому проходит электрический ток.
В работе полевых транзисторов используются различные эффекты, такие, как изменение объема р-п-перехода при изменении действующего на нем запирающего напряжения; эффекты обеднения, обогащения носителями зарядов или инверсии типа проводимости в приповерхностном слое полупроводника. Полевые транзисторы иногда называют униполярными, потому что ток, протекающий через них, обусловлен носителями только одного знака. Полевые транзисторы еще называют канальными транзисторами, поскольку управляющее работой транзистора электрическое поле проникает в полупроводник относительно неглубоко, и все процессы протекают в тонком слое, называемом каналом.
Управляющая цепь полевого транзистора практически не потребляет ток и мощность. Это позволяет усиливать сигналы от источников, обладающих очень большим внутренним сопротивлением и малой мощностью. Кроме того, это дает возможность размещать сотни тысяч транзисторов на одном кристалле микросхемы.
Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом
|
Рис. 5.1. Структурные схемы полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом с п и р-каналами и их условные графические обозначения. |
Полевой транзистор может быть изготовлен в виде пластинки полупроводника (с п- или р-проводимостью), в одну из поверхностей которой вплавлен слой металла, называемый затвором, образующий плоский р-п-переход (рис. 5.1). К нижнему и верхнему торцам пластинки присоединяются выводы, называемые соответственно истоком и стоком. Если на затвор подается напряжение запирающей полярности (положительное на п-затвор и отрицательное на р-затвор), то в зависимости от его значения в канале (р-п-переходе) возникает обедненный носителями заряда слой, являющийся практически изолятором.
Изменяя напряжение на затворе от нуля до некоторого достаточно большого напряжения, называемого напряжением отсечки (напряжением запирания, или пороговым напряжением, см. рис. 5.6), можно так расширить объем полупроводника, занимаемого р-п-переходом, что он займет весь канал и перемещение носителей заряда между истоком и стоком станет невозможным. Транзистор полностью закроется (рис. 5.2).
В отличие от биполярных транзисторов, управляемых током, полевые транзисторы управляются напряжением, и, поскольку это напряжение приложено к управляющему р-п-переходу в обратной (запирающей) полярности, то ток в цепи управления практически не протекает (при напряжении 5 В ток управления не превышает 10-10 А).
Полевые транзисторы с изолированным затвором
полевые транзисторы с индуцированным каналом
|
Рис. 5.3. Устройство и условные обозначения МОП-транзисторов с индуцированным каналом. |
На рис. 5.3 показано устройство полевого транзистора с изолированным затвором, называемого МДП-транзистором. Это название обусловлено конструкцией: затвор выполнен из металла (М) и отделен тонким слоем диэлектрика (Д) от полупроводника (П), из которого сделан транзистор. Если транзистор изготовлен из кремния, то в качестве диэлектрика используется тонкая пленка оксида кремния. В этом случае название изменяется на МОП-транзистор (металл-оксид-полупроводник).
Показанный на рис. 5.3 слева транзистор изготовлен на основе пластинки (подложки, или основания) из кремния с р-проводимостью. На поверхности пластинки диффузионным способом получены две области с п-проводимостью (исток и сток), разделенные областью п-канала, имеющей преобладающую р-проводимость. Вследствие этого при подаче на транзистор напряжения ток между истоком и стоком протекать не будет, ибо переходы сток-основание и исток-основание образуют два встречно включенных рпперехода, один из которых будет закрыт при любой полярности приложенного напряжения.
Однако, если на поверхностный слой р-полупроводника подействовать достаточно сильным электрическим полем, приложив между затвором и основанием напряжение положительной полярности, то между истоком и стоком начнет протекать ток. Это объясняется тем, что из приповерхностного слоя полупроводника, расположенного под затвором, электрическим полем будут оттесняться дырки и собираться электроны, образуя канал (с п-проводимостью, показанный на рис. 5.3 пунктирной линией), вследствие чего рппереходы исток-канал и канал-исток перестанут существовать. Проводимость пканала будет тем больше, чем больше напряжение, приложенное между затвором и основанием.
Транзистор рассмотренной конструкции называется МДП-транзистором с индуцированным каналом.
Основание обычно соединяется с истоком, но иногда напряжение на него подается отдельно, и тогда основание играет роль дополнительного затвора.
Если основание выполнено из п-кремния, исток и сток образованы сильно легированными областями с рпроводимостями, а в качестве изолятора используется оксид кремния, то получается МОП-транзистор с индуцированным рканалом (с проводимостью р) (рис. 5.3 справа).
полевые транзисторы со встроенным каналом
МОП-транзисторы могут быть выполнены со встроенным каналом. Например, на рис. 5.4 слева приведена схема устройства такого транзистора с п-каналом. Основание выполнено из р-кремния, а исток и сток имеют п-проводимость и получены диффузионным способом. Исток и сток соединены сравнительно тонким каналом с незначительной рпроводимостью.
Если основание сделано из п-кремния, а исток и сток - из р-кремния, то транзистор имеет встроенный р-канал (рис. 5.4 справа).
|
Рис. 5.4. Устройство и условные обозначения МОП-транзисторов со встроенным каналом. |
Работу п-канального МОП-транзистора можно пояснить так. Если на затвор подано отрицательное (относительно основания) напряжение, то электроны проводимости вытесняются из п-канала в основание, и проводимость канала уменьшается, вплоть до полного обеднения и запирания канала.
При подаче на затвор положительного напряжения п-канал обогащается электронами, и проводимость его увеличивается (рис.5.6).
Классификация и характеристики полевых транзисторов
|
Рис. 5.5. Классификация полевых транзисторов. |
|
Рис. 5.6. Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток для п-канальных транзисторов при постоянном напряжении сток-исток. |
Полевые транзисторы бывают обедненного и обогащенного типа. К первым относятся все транзисторы с рп-переходом и п-канальные МОП-транзисторы обедненного типа. МОП-транзисторы обогащенного типа бывают как п-канальными, так и р-канальными (рис. 5.5).
Транзисторы обогащенного и обедненного типа отличаются только значением так называемого порогового напряжения, получаемого экстраполяцией прямолинейного участка характеристики (рис. 5.6.).
Выходными характеристиками полевого транзистора называются зависимости тока стока от напряжения сток-исток для различных значений напряжения затвор-исток.
|
Рис. 5.7. Выходные характеристики полевых транзисторов. |
Полевой транзистор является очень хорошим прибором с точки зрения выходной проводимости - при постоянном напряжении затвор-исток ток стока почти не зависит от напряжения (за исключением области малых напряжений сток-исток). На рис. 5.7 показаны типичные зависимости iс от uси для ряда значений uзи.
6. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)
|
Рис. 6.1. Устройство транзи- стора IGBT и обозначение его на схеме. |
Эти транзисторы выполнены как сочетание входного полевого транзистора с изолированным затвором и выходного биполярного п-р-п-транзистора. В международной классификации они называются IGBT (insulated gate bipolar transistors). Обозначение таких транзисторов на схеме также подчеркивает их гибридность (рис. 6.1).
Транзисторы IGBT применяются для управления мощными электродвигателями (до нескольких мегаватт). Они имеют рабочее напряжение до нескольких киловольт и рабочий ток до 2-3 килоампер. Алгоритмы управления могут быть очень гибкими. Как правило, они реализуются с помощью микропроцессоров и обеспечивают самые разнообразные режимы работы электродвигателей. Благодаря этому электроприводы на основе транзисторов IGBT применяются все шире.
Транзистор IGBT работает только в ключевом режиме, то есть, он или полностью открыт, или полностью закрыт. Включение и выключение происходит в течение долей микросекунды. Благодаря этому рассеиваемая транзистором мощность не превышает 1-2 киловатт, что составляет очень малую долю мощности нагрузки и обеспечивает к.п.д. двигателя порядка 98%.
В открытом состоянии напряжение коллектор-эмиттер составляет 1-3 В. ВАХ открытого транзистора IGBT похожа на прямую ветвь ВАХ диода.
7. Операционные усилители
|
Рис. 7.1. Изображение ОУ на схемах эл. цепей. |
|
Рис. 7.2. Второй вариант изобра- жения ОУ на схемах эл. цепей. |
Операционные усилители (ОУ) - это микросхемы, на основе которых собираются многие стандартные блоки электронной аппаратуры. ОУ - это транзисторные усилители, чаще всего имеющие три каскада. ОУ содержат 2-3 десятка транзисторов.
ОУ имеет два входа - инвертирующий, который на схемах отмечается маленьким кружком или знаком "–", и неинвертирующий, иногда отмечаемый знаком "+". На схемах ОУ обозначаются так, как показано на рис. 7.1 и рис. 7.2. На этих же рисунках показано подключение питания, нагрузки и входного напряжения. ОУ обычно питаются от двух одинаковых источников постоянного напряжения от 3 до 15 В. Потенциал средней точки этих источников считается нулевым, от него отсчитываются все другие потенциалы схемы на ОУ (рис. 7.1, 7.2). Цепи питания ОУ чаще всего на схемах не изображаются.
ОУ - дифференциальные усилители, то есть напряжение на выходе пропорционально разности потенциалов входов: , где k - коэффициент усиления, число порядка десятков или сотен тысяч.
Часто рассматривают модель, называемую идеальным ОУ. При этом принимают следующие допущения:
1. Коэффициент усиления идеального ОУ настолько велик, что в расчетах его можно считать бесконечным: ;
2. Входные сопротивления идеального ОУ бесконечны: ;
3. Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю: ;
4. Полоса пропускания идеального ОУ бесконечна (нет частотных ограничений). Это в том числе означает, что входной сигнал мгновенно проходит на выход.
5. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (т.е. сигнала одной полярности, поступающего сразу на оба входа) бесконечен. То есть, идеальный ОУ усиливает именно разность напряжений на входах, и ничего больше. Вследствие этого напряжение смещения идеального ОУ равно нулю (для реального ОУ это напряжение нужно подать на вход, если мы хотим обеспечить нулевое напряжение на выходе).
6. Параметры идеального ОУ постоянны во времени, они не зависят от температуры и других физических факторов.
Из этих допущений вытекают следствия:
1. Входные токи равны нулю: ;
2. Входное напряжение настолько мало, что в расчетах его можно считать равным нулю: .
Перечисленные свойства идеального ОУ применяются для анализа схем на ОУ. При более детальном рассмотрении учитываются свойства реальных ОУ.
Реальные ОУ имеют встроенные или внешние элементы частотной коррекции - обычно это конденсатор или конденсатор с резистором. Они служат для уменьшения искажений высокочастотных сигналов, а также предотвращают самовозбуждение ОУ, превращающее его в генератор высокочастотных колебаний.
Для той же цели устранения возможности самовозбуждения ОУ полосу пропускания реального ОУ специально ограничивают частотой порядка 1 МГц, делая спадающую амплитудно-частотную характеристику. То есть, коэффициент усиления реального ОУ уменьшается с ростом частоты. Скорость изменения выходного напряжения реального ОУ всегда ограничена.
Многие ОУ имеют выводы для подключения подстроечных резисторов, служащих для установки нулевого напряжения на выходе при нулевом напряжении на входе и для коррекции дрейфа нуля - медленно растущего смещения выходного напряжения относительно входного.
В схемах с ОУ большую роль играет отрицательная обратная связь. Она образуется тем или иным соединением инвертирующего входа с выходом ОУ. Без отрицательной обратной связи по постоянному току работа ОУ неустойчива, и он обязательно попадает в режим насыщения, при котором напряжение на выходе максимально по абсолютной величине (по знаку оно может получиться любым). Рассмотрим несколько схем на ОУ.
|
Рис. 7.3. Повторитель напряжения. |
Повторитель напряжения (рис. 7.3). Так как напряжение между входами ОУ равно нулю, то выходное напряжение равно входному: . Если мы предположим, что выходное напряжение стало, например, чуть больше входного, то потенциал инвертирующего входа станет больше потенциала неинвертирующего входа, что вызовет отрицательное напряжение между входами ОУ, и вследствие этого произойдет уменьшение напряжения на выходе. Точно так же благодаря обратной связи будет скомпенсировано случайное уменьшение выходного напряжения. Повторитель напряжения не меняет напряжение, но позволяет нагрузке отбирать ток от выхода, в то время как источник сигнала ток практически не отдает.
|
Рис. 7.4. Неинвертирующий усилитель. |
Неинвертирующий усилитель (рис. 7.4). Он отличается от повторителя напряжения только тем, что на инвертирующий вход подается не все выходное напряжение, а только его часть, снимаемая с делителя напряжения R1R2:
,
где i - ток, текущий в последовательно включенных резисторах R1 и R2.
По закону Ома , откуда
.
Так как этот усилитель не меняет знак напряжения, он называется неинвертирующим. Как и повторитель напряжения, неинвертирующий усилитель обладает очень большим входным сопротивлением и малым выходным сопротивлением.
|
Рис. 7.5. Инвертирующий усилитель. |
Инвертирующий усилитель (рис. 7.5). Неинвертирующий вход ОУ "заземлен" через резистор R3, и потенциал его примерно равен нулю. Поэтому (т.к. напряжение между входами ОУ равно нулю) потенциал инвертирующего входа тоже должен быть равен нулю ("виртуальная земля"). Вход ОУ почти не потребляет ток, поэтому токи резисторов R1 и R2 одинаковы и равны iвх., потенциал входа равен , потенциал выхода равен , откуда
.
|
Рис.7.6. Сумматор. |
Так как этот усилитель изменяет знак напряжения, он называется инвертирующим. Резистор R3 служит для компенсации влияния входных токов смещения. Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно R1. (Знак "–" получается оттого, что стрелки напряжения и тока резистора R2 направлены в разные стороны.)
Сумматор (рис 7.6). Это инвертирующий усилитель с несколькими входами, для простоты рассмотрим два входа. По 1 закону Кирхгофа
.
Выразив напряжения резисторов через токи и подставив их в последнее уравнение, получим:
,
откуда .
То есть, на выходе получается сумма входных напряжений, взятых с заданными коэффициентами. Сумматор на основе ОУ лежит в основе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), преобразующего цифровые коды в аналоговые сигналы.
|
Рис. 7.7. Интегратор. |
Интегратор (рис. 7.7). Резистор R2 нужен для задания отрицательной обратной связи по постоянному току, чтобы усилитель не ушел в насыщение. Сопротивление R2 выбирают достаточно большим, чтобы ток через него был пренебрежимо малым по сравнению с током конденсатора в заданном частотном диапазоне. Поэтому мы ток резистора R2 учитывать не будем.
Тогда через конденсатор будет течь ток входа iвх. Из уравнений резистора и конденсатора
,
получаем: .
|
Рис. 7.8. Компаратор. |
То есть, напряжение на выходе равно интегралу от напряжения на входе, умноженному на заданный коэффициент.
Компаратор (рис. 7.8). Он служит для сравнения входного напряжения с заданным напряжением u0. Если uвх. > u0, то uвых. = + uмакс.; если uвх. < u0, то uвых. = – uмакс., где uмакс. - максимальное напряжение на выходе усилителя. Это редкий случай, когда ОУ используется без обратной связи и работает в режиме насыщения. В качестве компараторов обычно используют специальные ОУ с большим быстродействием.
8. Элементы цифровой электроники
Общая характеристика
Цифровое представление информации позволяет передавать и обрабатывать ее без искажений. Оно оказывается наиболее рациональным для компьютеров, измерительных приборов, сигналов управления и т.д. В настоящее время цифровые устройства применяются все шире, вытесняя аналоговые устройства, то есть такие, которые используют непрерывные сигналы.
Цифровые микросхемы выпускаются на основе различных полупроводниковых элементов. Наиболее распространены микросхемы двух технологий - ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) и КМОП (комплементарные МОП-структуры). ТТЛ реализуется на биполярных транзисторах, КМОП - на полевых. Микросхемы ТТЛ и КМОП работают на основе транзисторных усилителей, которые переключаются между режимами отсечки и насыщения. В некоторых случаях для повышения быстродействия насыщения не допускают, используя режим, близкий к насыщению.
Микросхемы ТТЛ обладают большим быстродействием, но меньшей помехоустойчивостью, и они потребляют больше энергии в сравнении с микросхемами КМОП. В больших интегральных схемах (БИС) преобладают КМОП-структуры, так как размещение на одном кристалле большого количества биполярных транзисторов приведет к его перегреву. При работе с микросхемами КМОП нужно обеспечить отсутствие статического электричества, так как оно может их испортить.
В цифровой форме информация обычно имеет вид последовательности двоичных (логических) чисел 0 и 1. В электронных устройствах нуль чаще всего кодируется низким уровнем напряжения (например, для микросхем ТТЛ от -0,5 до +0,4 В), а единица - высоким уровнем (для ТТЛ от +2,4 до +5,5 В). Такая кодировка называется положительной логикой. Если нулю соответствует высокий уровень напряжения, а единице - низкий, то это называется отрицательной логикой.
Суть цифровой электроники состоит в том, чтобы в соответствии с входными цифровыми сигналами вырабатывать выходные цифровые сигналы. Эти задачи разделяются на два класса: комбинационные и последовательные.
Комбинационные задачи решаются схемами, у которых выходные сигналы соответствуют входным сигналам в настоящий момент времени. Комбинационные схемы реализуют различные функции математической логики.
Последовательные задачи представляют более широкий класс. Выходные сигналы последовательных схем зависят не только от входных сигналов в настоящий момент времени, но и от входных сигналов в предшествующие моменты времени. Иначе говоря, последовательные схемы - это схемы с памятью. Последовательные схемы могут быть собраны на основе элементов комбинационной логики.
Цифровые устройства могут работать в асинхронном или синхронном режиме. В асинхронном режиме командой к изменению состояния выходов элемента цифровой схемы служит изменение входных сигналов этого элемента. Переключение одних элементов может не совпадать по времени с переключением других элементов цепи. В синхронном режиме изменение выходов всех элементов происходит одновременно в момент прихода тактового импульса. Для работы элемента цифровой схемы в синхронном режиме необходимо, чтобы он имел специальный вход для приема тактовых импульсов.
Рассмотрим примеры элементов цифровой электроники.
Элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ
|
Рис. 8.1. Обозначение элемента И-НЕ на схеме. |
|
Рис. 8.2. Устройство элемента И-НЕ на базе ТТЛ |
Элемент И-НЕ (рис. 8.1, 8.2) реализует отрицание логического умножения. В математике эта функция называется штрих Шеффера. В таблице 8.1 показаны значения функции И-НЕ для всех значений аргументов.
Устройство элемента И-НЕ на базе ТТЛ показано на рис. 8.2. Логическую функцию И выполняет многоэмиттерный транзистор VT1. Когда на всех входах имеются сигналы логической единицы, то все эмиттерные переходы входного транзистора VТ1 оказываются закрытыми. В этом состоянии транзистор VТ1 включен инверсно (то есть, эмиттер и коллектор как бы поменялись местами). Ток через резистор R1 и переход база-коллектор транзистора VТ1 поступает в базу транзистора VТ2 и насыщает его. На выходе устанавливается низкое напряжение. Если хотя бы на одном входе оказывается сигнал логического нуля, то соответствующий переход база-эмиттер транзистора VT1 открывается, и ток через R1 направляется в этот переход, а не в переход база-коллектор VT1. Из-за этого ток базы транзистора VТ2 прекращается, транзистор VT2 закрывается, на его выходе устанавливается высокое напряжение.
Элементы И-НЕ бывают не только с двумя, но и с несколькими входами. Все они выдают на выходе отрицание логического произведения всех своих входов.
|
х1 |
х2 |
х1 |
х2 |
|||
|
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
|
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
|
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
|
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
|
Табл. 8.1. Таблица истинности функции И-НЕ |
Табл. 8.2. Таблица истинности функции ИЛИ-НЕ |
Элемент ИЛИ-НЕ реализует отрицание логического сложения (рис. 8.3., табл. 8.2). В математике эта функция называется стрелка Пирса. В таблице 8.2 показаны значения этой функции для всех значений ее аргументов.
|
Рис. 8.3. Обозначение эле- мента ИЛИ-НЕ на схеме. |
Элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ относятся к комбинационной логике. Кроме них, существует множество элементов, реализующих другие логические функции, например, элементы И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, и т.д.
Однако, даже с помощью только одной функции И-НЕ можно реализовать все функции математической логики. То же относится и к функции ИЛИ-НЕ. Поэтому элементы ИНЕ и ИЛИ-НЕ чаще других применяются при конструировании электронных логических устройств.
Триггеры
|
S |
R |
Q |
|
0 |
0 |
сохраняется прежнее состояние |
|
0 |
1 |
0 |
|
1 |
0 |
1 |
|
1 |
1 |
запрещено |
|
Табл. 8.3. Таблица состояний RS-триггера. |
|
Рис. 8.4. Устройство RS-триггеров. |
Рис. 8.5. Обозначение RS-триггера. |
Триггер - базовый элемент цифровой техники, обладающий двумя устойчивыми состояниями. Состояние триггера определяется не только сигналом на его входе, но и его предшествующим состоянием. То есть, триггер - элемент последовательной логики. Наиболее типичное применение триггера - элемент памяти.
Простейший RS-триггер состоит из двух элементов ИЛИ-НЕ (рис. 8.4 слева), либо И-НЕ (рис. 8.4 справа), охваченных обратными связями. Условное обозначение RS-триггера показано на рис. 8.5. Черта над буквой или выражением означает знак логического отрицания.
Триггер имеет два входа: S (Set - установка) и R (Reset - сброс), и два выхода: Q и , сигналы которых инверсны друг другу.
|
Q |
||
|
0 |
0 |
запрещено |
|
0 |
1 |
1 |
|
1 |
0 |
0 |
|
1 |
1 |
сохраняется прежнее состояние |
|
Табл. 8.4. Таблица состояний RS-триггера с инверсными входами. |
Пусть на входы триггера (рис. 8.4 слева) поданы сигналы S = 1 и R = 0. Тогда на выходе Q логического элемента ИЛИ-НЕ будет сигнал
.
Так как 1 + х = 1, то . На выходе Q получится сигнал
.
При обратных входных сигналах (S = 0, R = 1) получаются обратные выходные сигналы. Если оба входных сигнала одинаковы: S = R = 0, то выходные сигналы остаются такими, какими они были:
; .
Если сигналы R = S = 1, то оба выходных сигнала одинаковы: . После инверсии входных сигналов, когда они станут , триггер с одинаковой вероятностью может перейти в любое состояние. Из-за этой неопределенности сигналы R = S = 1 запрещены. Состояния RS-триггера, собранного из логических элементов ИЛИ-НЕ, приведены в табл. 8.3.
Аналогично работает RS-триггер из логических элементов И-НЕ (рис. 8.4 справа), только он управляется инвертированными сигналами. Состояния такого триггера приведены в табл. 8.4.
|
J |
K |
Q |
|
0 |
0 |
сохраняется прежнее состояние |
|
0 |
1 |
0 |
|
1 |
0 |
1 |
|
1 |
1 |
Устанавливается состояние, инвер- сное предыдущему |
|
Табл. 8.5. Таблица состояний JK-триггера. |
|
Рис. 8.6. Обозначение JK-триггера. |
JK-триггер имеет два логических входа J (Jump - перескок) и К (Keep - удержание), а также тактовый вход С (Clock - часы), на который подаются тактовые импульсы (рис. 8.6). В JK-триггере устранена неопределенность, возникающая в RS-триггере при одновременном поступлении двух единиц на входы. JKтриггер в этом случае меняет свое состояние на инверсное с приходом каждого тактового импульса. Состояния JK-триггера представлены в табл. 8.5.
RS-триггеры работают в асинхронном режиме, JKтриггеры - в синхронном режиме. Кроме RS- и JK-триггеров, существуют также триггеры других типов. В общем же, схемы последовательной логики очень разнообразны.
9. Микропроцессоры и микроЭВМ
Использование больших интегральных схем (БИС) позволяет значительно повысить эффективность цифровых систем - увеличить их производительность и надежность, уменьшить габариты, массу и мощность потребления энергии. Однако, повышение степени интеграции увеличивает специализацию БИС и сужает сферу их использования. Разработка и производство специализированных БИС экономически оправданы, если они предназначены для устройств и систем, выпускаемых большими сериями и не требующих гибкости в управлении (калькуляторы, электронные часы).
|
Рис. 9.1. Структура Микро-ЭВМ. |
Особый класс БИС представляют микропроцессоры (МП). Они применяются для управления самыми разными техническими объектами - станками, автомобилями, электродвигателями, устройствами бытовой техники и т.д. Функции МП не фиксированы, а задаются внешними электрическими сигналами и могут меняться программным путем. Микропроцессоры - это универсальные программно-управляемые устройства обработки данных.
Устройство, содержащее один или несколько микропроцессоров, память для хранения управляющих программ и интерфейсные схемы, обеспечивающие связь с устройствами ввода-вывода, называют микроЭВМ (Рис. 9.1). Перечисленные функциональные узлы микроЭВМ между собой соединяются многопроводными линиями связи - магистралями. По каждой линии передается один разряд двоичных данных. Число линий в магистрали равно наибольшему разряду передаваемых данных. Одна магистраль связывает различные устройства и используется для передачи данных в обоих направлениях. Для исключения наложения сигналов в магистрали право доступа к ней в конкретный момент времени предоставляется только одному источнику данных. Применение магистрального принципа связи внутри МП и микроЭВМ продиктовано необходимостью минимизировать число соединительных линий внутри БИС, а также внешних выводов БИС.
Преобразование данных, выполняемое микропроцессором, как и в ЭВМ, реализуется в виде вычислительного алгоритма - последовательности простейших логических и арифметических действий - операций. Конкретное содержание выполняемого алгоритма задается формализованным описанием - программой. Программа состоит из последовательности команд. Команда - двоичный код, которому соответствует определенное действие.
Код команды состоит из кода операции, указывающего выполняемую операцию, и кода адреса. Этот код указывает расположение данных - операндов, над которыми должна выполняться операция. Для удобства составления программ командам присваиваются условные обозначения (мнемокод).
Программа работы МП хранится в памяти. При выполнении программы из памяти вызываются отдельные команды в последовательности, определяемой их расположением в памяти либо принятой системой адресации. Если нужно изменить естественный ход выполнения программы, то вводится специальная команда перехода, содержащая адрес следующей выполняемой команды.
Для выполнения каждого действия МП отводится определенный интервал времени. Различают следующие интервалы: цикл команды, машинный цикл и такт.
Циклом команды считается время, необходимое для считывания из памяти команды и ее исполнения. Цикл команды состоит из нескольких машинных циклов. Один машинный цикл требуется процессору для одного обращения к памяти или к устройствам ввода-вывода. Число машинных циклов в цикле команды зависит от сложности команды. Каждый машинный цикл состоит из интервалов элементарных действий - состояний. Продолжительность состояния равна периоду тактовых импульсов и часто называется тактом.
Сигналы системного времени, определяющие положения на временной оси циклов команд, машинных циклов и тактов, в МП генерируются специальными генераторами тактовых импульсов.
Центральное устройство микроЭВМ - МП, выполняющий команды программы. Он определяет адрес очередной команды, считывает ее из памяти, декодирует и производит действия, соответствующие коду операции команды.
Известно много типов МП и микропроцессорных БИС, различающихся конструктивными признаками, технологией производства, структурой, количеством и системой команд, их адресацией.
По числу БИС, составляющих МП, различают однокристальные МП (также микроЭВМ) и микропроцессорные комплекты (МПК). Последние представляют аппаратурно- и программно-совместимый набор БИС, из которых могут набираться МП с различными функциональными возможностями.
По разрядности обрабатываемых данных различают МП с фиксированной и наращиваемой разрядностями. Разрядность однокристальных МП, очевидно, фиксированная. Микропроцессорные комплекты выпускают в виде наборов полноразрядных БИС различного функционального назначения, а также в виде БИС, представляющих малоразрядные секции, которые могут соединяться параллельно. Изменяя число параллельно соединяемых секций, можно менять разрядность обрабатываемых данных. По МОП-технологии, допускающей высокую степень интеграции, обычно изготовляют полноразрядные МПК. При использовании элементов на биполярных транзисторах производят секционированные МПК. Их быстродействие больше, чем МП, изготовленных по МОП-технологии.
По способу управления различаются МП с аппаратным и с микропрограммным управлением. Аппаратное управление используется в МП первых поколений. Микропроцессоры этого типа могут реализовать фиксированный набор команд.
Микропроцессоры с микропрограммным управлением имеют большие функциональные возможности. В МП этого типа программа реализуется в виде последовательности микропрограмм состоящих из микрокоманд - управляющих слов. Если МП с аппаратным управлением выполняют набор (40—80) простых команд, то МП с микропрограммным управлением выполняют до нескольких сотен микрокоманд и по функциональным возможностям приближаются к мини-ЭВМ.
В развитии МП можно отметить следующие тенденции: повышение эффективности универсальных МП путем повышения степени интеграции и быстродействия отдельных БИС, увеличения номенклатуры используемых БИС; разработку проблемно-ориентированных МПК, состоящих из универсальных и специализированных БИС.
Литература
1. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники: Учеб. пособие для студентов вузов по специальности "Конструирование и производство радиоаппаратуры". - М.: Высш. шк., 1988. -464 с.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 2 томах. Пер. с англ. - М.: Мир, 1983. - Т.1 598 с.
3. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. - СПб.: КОРОНА принт, 1998. - 400 с.
4. Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника: Учебник для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1990. - 374 с.
5. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учебное пособие для вузов. - 4-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 440 с.