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
Полупроводниками являются, как правило, твердые тела срегулярной кристаллической структурой (монокристаллы). Их кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек.
Разновидности кубической решетки:
-простая кубическая решетка
-кубическая объемо-центрированная решетка
-кубическая гранецентрированная решетка
-решетка типа алмаз
4. Контактные явления. Классификация. Электронно-дырочный переход. Образование, принцип работы р-п перехода в равновесном и неравновесном состояниях. Вольт-амперные характеристики. Эффект электрического поля.
Переходы между двумя областями полупроводника с различным типом электропроводности называют электронно-дырочными или р-n-переходами..
Анализ равновесного р-n-перехода
Высота равновесного потенциального барьера определяется разностью электростатических потенциалов в р- и n- o = Ep – En .
o = Т ln (nnо ррo / ni2)
равновесная высота потенциального барьера определяется отношением концентраций однотипных носителей (электронов или дырок) по обе стороны перехода, на его границах:
o = Т ln (nnо / nрo );o = Т ln (ppо / pno )ширина потенциального барьера в несимметричном переходе:
lo = (2oo) / (qN) ,
ширина равновесного плавного перехода в следующем виде:lo = 3(9oo) / (qN'), где N' — градиент эффективной концентрации. Поскольку градиент одинаков в обеих частях перехода, то и ширина lo делится поровну между n- и р-слоями, т. е. плавный переход симметричен.
Анализ неравновесного р-n-перехода
Если подключить источник ЭДС U между р- и n-слоями, то равновесие перехода нарушится и в цепи потечет ток. Удельное сопротивление обедненного слоя намного выше, чем удельные сопротивления нейтральных слоев, поэтому внешнее напряжение практически полностью падает на переходе, а значит, изменение высоты потенциального барьера равно значению приложенной ЭДС.
Когда ЭДС U приложена плюсом к р-слою, высота барьера уменьшается
= о – U.
Напряжение такой полярности является прямым. При отрицательном потенциале на p-слое высота барьера увеличивается и знак минус следует изменить на плюс.
ширину неравновесного барьера в виде
l = (2o(o – U)) / (qN).
7. Полупроводниковые диоды. Классификация. Выпрямительный полупроводниковый диод, стабилитрон, светодиод, фотодиод, диод Шоттки. Принципы работы, характеристики, параметры, области применения диодов.
Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим р-n-переходом и двумя выводами. Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом. В зависимости от технологических процессов, использованных при их изготовлении, различают точечные диоды, сплавные и микросплавные, с диффузионной базой, эпитаксиальные и др. По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные, переключающие, умножительные, стабилитроны (опорные), туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды, магнитодиоды, и т. д.
Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р-n-переходов. Низкоомную область диодов называют эмиттером, а высокоомную – базой. Для создания переходов с вентильными свойствами используют р-n-, р-i, n-i-переходы, а также переходы металл – полупроводник.
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями р-n-перехода (доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода.
Диод Шоттки - полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении.
Светодиод - полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников.
Фотодиод- приёмник оптического излучения[1], который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.
Принцип работы:
При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n
Фотодиод может работать в двух режимах:
Стабилитрон – полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения.
Варикап – нелинейный управляемый конденсатор. В полупроводниковых диодах зависимость барьерной емкости от напряжения нелинейна , поэтому любой полупроводниковый прибор с р-n-переходом, в принципе, может быть использован как конденсатор с емкостью, управляемой напряжением.
В туннельных диодах носители заряда проходят сквозь потенциальный барьер за счет туннельного эффекта.
Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями р-n-перехода и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади р-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики (30–40 мВт).
Основные параметры импульсных диодов:
● общая емкость диода Сд, (доли пФ – несколько пФ);
● максимальное импульсное прямое напряжение Uпр и мах;
● максимально допустимый импульсный ток Iпр и мах;
● время установки прямого напряжения диода tуст
● время восстановления обратного сопротивления диода tвос
Наличие времени восстановления обусловлено зарядом, накопленным в базе диода при инжекции. Для запирания диода этот заряд должен быть «ликвидирован». Это происходит за счет рекомбинаций и обратного перехода не основных носителей заряда в эмиттер.
В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шоттки (ДШ), в которых переход выполнен на основе контакта металл – полупроводник. Структура ДШ показана на рис. 3.2 е. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе. В ДШ токопрохождение осуществляется основными носителями заряда и не приводит к появлению процессов инжекции не основных носителей с последующим рассасыванием их при переключении напряжения с прямого на обратное.
Кроме того, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольтамперная характеристика ДШ напоминает характеристику диодов на основе р-n-переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8–10 декад (декада – изменение значения в 10 раз) приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи малы (доли – десятки нА).
отличительными особенностями ДШ являются: высокое быстродействие, малое падение напряжения при прямом смещении (0,3–0,4 В), высокий КПД выпрямления и широкие возможности использования в качестве дополнительных элементов в конструкциях различных транзисторов и других полупроводниковых приборов с целью расширения функциональных возможностей. Диоды Шоттки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах.
10. Биполярные транзисторы. Структура, принцип действия, режимы работы транзистора, схемы включения транзистора. Интегральный многоэмиттерный биполярный транзистор. Структура, принцип действия, применение. Биполярные транзисторы в ключевых и аналоговых схемах.
БТ называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n переходами и тремя или более выводами. Их усилительные свойства обусловлены явлениями инжекции и экстракции не основных носителей заряда: инжекция из Э в Б, экстракция из Б в К.
Рисунок стр. 133
Принцип работы биполярного транзистора основан на изменении сопротивления обратно смещенного p-n перехода за счет инжекции носителей заряда.
Режимы работы
Независимо от схемы включения транзисторы могут работать в одном из четырёх, отличающихся полярностью напряжения на ЭБ и БК переходе:
1)Нормальный активный режим - Э-переход включен в прямом направлении, К-переход в обратном направлении
2)Режим насыщения – Э- и К-переходы включены в прямом направлении
3)Режим отсечки - Э- и К-переходы включены в обратном направлении
4)Инверсный активный режим - Э-переход включен в обратном направлении, К-переход включен в прямом направлении.
|
Режимы работ |
Сост pn |
|
|
ЭБ |
КБ |
|
|
Норм актив |
+ |
- |
|
насыщения |
+ |
+ |
|
отсечки |
- |
- |
|
инверсный |
- |
+ |
Схемы включения
|
(1) схема с общей базой |
(2) схема с общим эмиттером |
(3) схема с общим коллектором |
|
Э К Б |
Б К Э |
Б К Э |
Основным параметром биполярного транзистора является коэффициент передачи эмиттерного тока:
близок к 1. Определяется 2-мя параметрами , где коэффициент инжекции, В-коэффициент переноса.
Биполярный транзистор в ключевых и аналоговых схемах.
В ключевом режиме биполярный транзистор работает в режиме насыщения (замкнутый ключ) или режиме отсечки (разомкнутый ключ). Полезно помнить, что в режиме насыщения оба перехода (коллектор-база и эмиттер-база) открыты, а в режиме отсечки - заперты. В режиме насыщения выходную цепь транзистора можно представить эквивалентным источником напряжения, величина ЭДС которого приводится в справочниках ( - напряжение насыщения). Строго говоря, следует учитывать также внутреннее сопротивление этого источника, величина которого определяется крутизной наклона линии граничного режима, однако, в большинстве практически важных случаев для инженерных расчетов можно ограничиться величиной - . Резисторы и должны обеспечивать надежное запирание транзистора при низком уровне управляющего сигнала во всем диапазоне рабочих температур и насыщение при высоком уровне управляющего сигнала.
Интегральный многоэмиттерный биполярный транзистор. Структура
Иногда применяются БТ с двумя и более эмиттерами при одной общей базе и общем коллекторе.Такие транзисторы называют м ногo э м и т т е р н ы м и .
Для уменьшения сопротивления коллекторной области в ней создают низкоомный скрытый слой -типа.
12. Усилители электрических сигналов. Классификация. Принципы работы, характеристики, параметры, области применения, обратные связи в усилителях.
Усилители – это преобразователи энергии пост поля, создаваемого ист питания, в энергию вых сигнала на нагр-ке. Управление этим процессом осущ ист питания.
Разновидности усилителей:
- УТ, УН, УМ.
Любой усилитель – это управляемый источник. М.б. по току, напр-ю, след-но обеспечивать разные коэф передачи: Ki, Ku, Kp=Ki*Ku.
Классификация усилителей.
однокаскадные или многокаскадные
По виду межкаскадных соединений : непосредственная, резистивная, конденсаторная, трансформаторная.
По усиливающему параметру : усил напряжения, тока мощности, усилитель- формирователь.
По частотным свойствам: широкополосные, узкополосные, усилители постоянного тока, избирательный усилитель.
По виду обратной связи.
Принцип работы усилительного прибора основан на изменении его активного и реактивного сопротивления под воздействием сигнала малой мощности.
Виды обратной связи в усилителях.
Обратная связь – подача какого-то параметра (U, I) на вход.
Положительная обратная связь – суммирование входного с выходным сигналом при =0 (разность фаз).
Отрицательная обратная связь – суммирование входного с выходным сигналом при = (разность фаз).
Усилители с отрицательной обратной связью, а генераторы с положительной.
Делят ОС: 1) по току и напряжению. 2) параллельная и последовательная.
Виды межкаскадной связи в усилителях.
Усилители бывают однокаскадные и много каскадные.
Каскад:
KU=Sum(KUi)
KI=Sum(KIi)
Виды межкаскадных связей:
а) Емкостная межкаскадная связь (Когда необходимо передать симметричный относительно оси времени сигнал):
б) Трансформаторная связь (увеличивается КПД, для частот <10kHz):
в) Резистивная: См конденсаторную, вместо конденсатора резистор.
г) Непосредственная (необходимо согласование сопротивлений).
15. Усилительный каскад на биполярном транзисторе в схеме включения с общим коллектором. Принцип работы. Назначение элементов электрической схемы. Расчет рабочей точки. Схема замещения каскада. Расчет параметров по постоянному и переменному току. Особенности параметров.
Схему рис. 1.23а называют каскадом с общим коллектором (ОК), потому что коллекторный вывод транзистора по переменному току является общим электродом для входной и выходной цепей каскада. Схема также называется эмиттерным повторителем, т.к. выходное напряжение, снимаемое с эмиттера транзистора близко по величине входному напряжению ( Uвых = Uвх + Uбэ Uвх ) и совпадает с ним по фазе.
Рисунок 1.23 - Схема усилительного каскада ОК (а) и его схема замещения (б)
Расчет каскада по постоянному току проводят аналогично со схемой ОЭ. Резистор Rэ в схеме выполняет ту же функцию, что и резистор Rк в схеме ОЭ – создание изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, по цепи базы. Конденсаторы Ср1 и Ср2 являются разделительными, а резисторы R1 и R2 предназначены для задания рабочей точки, причем для повышения входного сопротивления резистор R2 в схему часто на вводят.
Входное сопротивление каскада ОК определяется параллельно включенными сопротивлениями R1, R2 и сопротивлением входной цепи транзистора rвх:
Rвх = R1 || R2 || rвх
Из эквивалентной схемы замещения рис.1.23б можно найти:
Uвх = Iб [rб + (1 +)(rэ + Rэ || Rн)]
а разделив левую и правую часть уравнения на Iб получим:
rвх = rб + (1 +)(rэ + Rэ || Rн)
Если принять, что rэ и rб значительно меньше других составляющих полученного выражения, то входное сопротивление транзистора , включенного по схеме ОЭ
rвх = (1 +)(Rэ || Rн),
а входное сопротивление каскада ОК:
Rвх = R1 || R2 || (1 +)(Rэ || Rн)
При достаточно высокоомном входном делителе и транзисторе с высоким входное сопротивление каскада может достигать десятков-сотен кОм, что является одним из важнейших достоинств каскада ОК.
Коэффициент усиления по току можно определить , используя эквивалентную схему замещения, аналогично каскаду ОК
Ток нагрузки является частью эмиттерного тока транзистора, поэтому:
откуда:
Выразив аналогично схеме ОЭ ток базы через входной ток каскада получаем:
Разделив левую и правую часть уравнения на Iвх имеем:
т.е. коэффициент усиления каскада ОК зависит от соотношений Rвх и rвх, а также Rэ и Rн. Если предположить, что Rвх rвх, имеем;
Таким образом, каскад ОК обеспечивает усиление по току, причем при Rэ = Rк и одинаковых значениях Rн коэффициенты усиления по току в схемах ОК и ОЭ примерно одинаковы. Коэффициент усиления по напряжению аналогично схеме ОЭ может быть определен как:
После подстановки значения КI:
Для оценки коэффициента усиления каскада ОК по напряжению примем Rвх >> Rг и считаем делитель в цепи базы достаточно высокоомным. Это позволяет принять и получить КU 1. Точный расчет дает КU < 1 и в пределе стремится к единице.
Выходное сопротивление каскада ОК представляет собой сопротивление со стороны эмиттера, которое из эквивалентной схемы замещения определяется как:
Выходное сопротивление каскада ОК мало и составляет 10 - 50 Ом, поэтому каскад ОК целесообразно использовать при необходимости согласования выходной цепи усилителя с низкоомным сопротивлением нагрузки.
Работу каскада с ОБ как усилителя легче понять, если представить его как каскад с ОЭ, охваченный 100%-ной параллельной ООС по току. Поскольку здесь нет делителя тока, то весь выходной ток Iк протекает и во входной цепи, т. е. коэффициент передачи тока по цепи ОС βт=1.
Такое представление дает возможность определить параметры каскада с ОБ через параметры каскада с ОЭ с учетом действия ОС.
При любом сопротивлении нагрузки коэффициент усиления по току каскада с ОБ (3)
Из (3) видно, что при Rн=0 коэффициент Kт.д становится максимальным, но меньшим единицы, а при увеличении Rн до бесконечно большого значения он убывает до нуля. Следовательно, такой каскад не дает усиления тока, а наоборот несколько ослабляет его.
Коэффициент усиления по напряжению Кб каскада с ОБ на единицу больше, чем у каскада с ОЭ (при равных параметрах транзистора и Rн):
Соответственно для каскада с общим затвором на ПТ коэффициент усиления напряжения
Коэффициент усиления по мощности каскада с ОБ (4)
В схеме с ОБ коэффициент усиления мощности Крб больше, чем в схеме с ОЭ.
Входное сопротивление транзистора
достаточно мало вследствие потребления большого тока от источника сигнала, и практически не зависит от Rн. Оно существенно меньше, чем входное сопротивление транзистора в каскаде с ОЭ: у маломощных транзисторов Rвх.б составляет несколько десятков Ом, а у мощных — меньше 1 Ом.
При включении ПТ по схеме с ОЗ входное сопротивленяе Rвх.з=1/S.
Выходное сопротивление каскада с ОБ несколько больше, чем у каскада с ОЭ:
Значение верхней границы полосы пропускания f'в каскада с ОБ и каскада с ОЗ наибольшее по сравнению с другими схемами и приближается к fт. С увеличением Rи (при Rвх=const) действие ООС усиливается, что способствует расширению полосы пропускания, верхнюю границу которой можно принять равной fт.
Среди усилительных каскадов, выполненных на полевых транзисторах, наиболее широкое применение получил каскад, в котором ПТ включен по схеме с общим истоком. На рисунке 2.29 приведена принципиальная схема наиболее распространенного варианта каскада с ОИ с цепью автосмещения, служащей для обеспечения режима работы ПТ по постоянному току.
Если БТ разделяется на два типа - p-n-p и n-p-n, отличающиеся противоположными полярностями питающих напряжений, то разновидностей ПТ существует, по меньшей мере, шесть. Рассмотрим схему рисунка 2.29, где изображен ПТ с p-n переходом и n-каналом. Анализ каскадов на других типах ПТ будет отличаться лишь в незначительных деталях.
Выходные статические вольтамперные характеристики (ВАХ) ПТ представлены на рисунке 2.30. В отличие от БТ, у ВАХ ПТ имеется значительная область управляемого сопротивления, в которой возможно использование ПТ в качестве электронного управляемого резистора. В качестве усилительного элемента ПТ используется в области усиления.
В отсутствие входного сигнала каскад работает в режиме покоя. С помощью резистора задается напряжение смещения , которое определяет ток покоя стока .
Координаты рабочей точки определяются соотношениями:
где - граница области управляемого сопротивления на выходных статических характеристиках транзистора (рисунок 2.30),
где - сопротивление нагрузки каскада по переменному току;
где - напряжение отсечки, - ток стока при .С помощью резистора , помимо задания необходимого напряжения смещения, в каскад вводится ООС , способствующая термостабилизации (у ПТ как и у БТ наблюдается сильная температурная зависимость параметров), на частотах сигнала эта ОС устраняется путем включения .
Назначение элементов электрической схемы. Расчет параметров по постоянному и переменному току. Особенности параметров .
Дифференциа́льный усили́тель — электронный усилитель с двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей
Зачастую, для предварительного усиления слабого дифференциального сигнала в высокоточных системах от усилителя требуются высокие параметры точности коэффициента усиления, а так же большое входное сопротивление. Точность коэффициента усиления обычно обеспечивают применением глубокой отрицательной обратной связи (ООС), охватывая ею операционный усилитель(ОУ). Однако дифференциальный усилитель на базе одного ОУ не обеспечивает высокого входного сопротивления порядка нескольких Мом.
Диф. Усил. На базе ОУ
дифференциального усилителя на базе электронного моста с n-p-n биполярными транзисторами
24. Компаратор.
Компаратор (аналоговых сигналов) — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала. Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от линейного операционного усилителя (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов:
1.Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон входных напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами
2.Выходной каскад компаратора выполняется совместимым по уровням и токам с конкретным типом логических схем.
25. Мультивибратор на операционном усилителе. Электрическая схема, принцип действия, назначение элементов схемы. Временный диаграммы напряжений.
Мультивибратором называется генератор периодически повторяющихся импульсов прямоугольной формы. Мультивибратор может быть выполнен на транзисторах, ОУ или на логических элементах. Рассмотрим схему мультивибратора на ОУ (рис.16.3а). Диаграммы напряжений, поясняющие работу схемы, приведены на рис. 16.3б.
В схеме рис. 16.3а ОУ и цепь R3 R4 образуют компаратор с ПОС. При переключениях компаратора на его выходе формируются напряжения Uвыхm (оно открывает диод D1) и -Uвыхm (оно открывает диод D2).
Конденсатор С и резисторы R1, R2 образуют две интегрирующие цепи. Цепь заряда конденсатора R1C включена, когда открыт диод D1. Цепь разряда конденсатора R2C включена, когда открыт диод D2. Источником напряжения заряда и разряда конденсатора является выход ОУ. Нагрузкой интегрирующих цепей является инвертирующий вход ОУ.
Включим питание ОУ в момент времени t1. Выходное напряжение ОУ Uвых может отклониться как в положительном, так и в отрицательном направлениях. Пусть Uвых получила положительное приращение DUвых. Через цепь ПОС R3R4 это приращение подается на прямой вход ОУ, усиливается им и, в свою очередь, вызывает приращение DU/вых. Процесс развивается лавинообразно. В результате в момент t1 на выходе ОУ напряжение скачком принимает значение .
Положительное напряжение ОУ открывает диод D1. Начинается заряд конденсатора С через резистор R1. Скорость заряда определяется постоянной времени . Нарастающее по экспоненте напряжение конденсатора UC подается на инвертирующий вход ОУ.
На прямой вход ОУ через цепь ПОС R3R4 подается напряжение UOC
.
В момент времени t2 напряжение на конденсаторе UC достигает значения U0С. Происходит переключение компаратора. ОУ скачком переходит в область отрицательного насыщения, когда .
Одновременно (в момент времени t2) скачком изменяется напряжение обратной связи до величины
,
диод D1 закрывается, а диод D2 открывается. Начинается перезаряд конденсатора С через резистор R2 до напряжения . Скорость перезаряда определяется постоянной времени . Когда напряжение на конденсаторе UC достигает значения – UOC (момент времени t3) происходит регенеративное переключение компаратора. Далее процессы периодически повторяются.
В установившемся режиме (от момента t2 и далее) напряжение конденсатора изменяется от UОС до - UОС и обратно. На диаграмме рис. 16.3б интервал времени t2 – t3 определяет длительность паузы, а интервал t3 – t4 – длительность импульса, причем
(16.5)
(16.6)
Период повторения
(16.7)
Скважность
(16.8)
Выражения (16.5) – (16.8) позволяют выполнить расчет параметров мультивибратора. Кроме того, они позволяют определить способы регулировки частоты и скважности. Так, при регулировке частоты скважность не должна изменяться. Следовательно, R1, R2 целесообразно оставлять неизменными. Удобно частоту регулировать изменением R3 или R4.
При регулировке скважности частота должна оставаться неизменной. Это значит, что R3 и R4, а также (R1 + R2) должны быть постоянными величинами. Отсюда следует, что для регулировки скважности R1 и R2 следует выполнять как составляющие одного потенциометра. Крайние точки такого потенциометра подключаются к диодам D1 и D2, а средняя – к инвертирующему входу ОУ.
26. Одновибраторы на операционном усилителе. Электрическая схема, принцип действия, назначение элементов схемы. Временный диаграммы напряжений.
Наряду с мультивибраторами широкое применение находят одновибраторы. Это устройства, предназначенные для формирования одиночного прямоугольного импульса заданной длительности при воздействии на вход короткого запускающего импульса. Такие схемы часто называют ждущими мультивибраторами. Ждущие мультивибраторы применяются для формирования импульсов заданной длительности или в качестве узла задержки импульсов на заданное время.
Схема ждущего мультивибратора(одновибратора) приведена на рис. 16.4а. На рис. 16.4б приведены диаграммы, поясняющие принцип работы.
В схеме рис. 16.4а ОУ и цепь R3 R4 образуют компаратор с ПОС. Конденсатор С и резистор R образуют интегрирующую цепочку. Источником питания этой цепочки служит выходное напряжение компаратора, нагрузкой – инвертирующий вход ОУ. Диод D1 служит для фиксации начального напряжения на конденсаторе С – UC (0). Конденсатор С5 и резистор R5 образуют дифференцирующую цепочку. Диод D2 пропускает на прямой вход ОУ только положительные импульсы. Эти импульсы служат для запуска ждущего мультивибратора.
В исходном состоянии . Компаратор находится в отрицательном насыщении, т. е. . Отрицательным напряжением диод D1 открыт и поддерживает на конденсаторе С1 напряжение UC = 0. Напряжение обратной связи отрицательное, причем
.
Так как , то исходное состояние устойчиво, одновибратор может находиться в нем как угодно долго.
Пусть в момент времени t1 с выхода дифференцирующей цепочки на прямой вход ОУ поступает короткий положительный импульс, амплитуда которого больше амплитуды . Напряжение на прямом входе становится положительным и компаратор регенеративно переключается в область положительного насыщения, когда . Этим напряжением диод D1 закрывается, а конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R. На прямой вход ОУ подается положительное напряжение обратной связи
Этим напряжением ОУ поддерживается в состоянии положительного насыщения. Значит входной импульс необходим только для срабатывания компаратора и может быть очень коротким.
Скорость заряда конденсатора С1 определяется постоянной времени RC1, которая и задает длительность формируемого импульса - . Этап формирования импульса завершается в момент времени t2, когда напряжение на конденсаторе достигает значения . В этот момент компаратор регенеративно переключается в область отрицательного насыщения. Длительность формируемого импульса определяется выражением
(16.9)
После переключения компаратора в область отрицательного насыщения, напряжение на конденсаторе скачком не изменяется. Под воздействием UC диод D1 остается закрытым. Поэтому после момента времени t2 начинается этап восстановления исходного состояния, когда конденсатор С1 разряжается через резистор R от источника - . Скорость разряда определяется постоянной времени RC1. В момент времени t3 напряжение на конденсаторе . В этот момент открывается диод D1, который препятствует дальнейшему уменьшению напряжения на конденсаторе С1. Исходное состояние восстановлено. Схема готова к поступлению нового входного импульса. Длительность этапа восстановления определяется выражением
(16.10)
Следовательно, максимально допустимая частота входных импульсов для ждущего мультивибратора равна
(16.11)
28. Логические операции. Логические элементы. Законы алгебры логики. Законы оптимизации логических схем.
Логическая операция - это преобразование по правилам алгебры логики (или булевой алгебры) входной цифровой информации в выходную.
Логическим элементом называется электрическая схема, выполняющая какую-либо логическую операцию (операции) над входными данными, заданными в виде уровней напряжения, и возвращающая результат операции в виде выходного уровня напряжения. Так как операнды логических операций задаются в двоичной системе счисления, то логический элемент воспринимает входные данные в виде высокого и низкого уровней напряжения на своих входах. Соответственно, высокий уровень напряжения (напряжение логической 1) символизирует истинное значение операнда, а низкий (напряжение логического 0) - ложное. Значения высокого и низкого уровней напряжения определяются электрическими параметрами схемы логического элемента и одинаковы как для входных, так и для выходных сигналов. Обычно, логические элементы собираются как отдельная интегральная микросхема. К числу логических операций, выполняемых логическими элементами относятся конъюнкция (логическое умножение, И), дизъюнкция (логическое сложение, ИЛИ), отрицание (НЕ) и сложение по модулю 2 (исключающее ИЛИ). Рассмотрим основные типы логических элементов.
Элемент И
Логический элемент И выполняет операцию логического умножения (конъюнкция) над своими входными данными и имеет от 2 до 8 входов и один выход (как правило, выпускаются элементы с двумя, тремя, четырьмя и восемью входами). На рис. 1. изображены условные графические обозначения (УГО) логических элементов И с двумя, тремя и четырьмя входами соответственно. Элементы И обозначаются как NИ, где N - количество входов логического элемента (например, 2И, 3И, 8И и т.д.).
Рис. 1
Элемент ИЛИ
Логический элемент ИЛИ выполняет операцию логического сложения (дизъюнкция) над своими входными данными и, также как и логический элемент И, имеет от 2 до 8 входов и один выход. На рис. 2. изображены УГО логических элементов ИЛИ с двумя, тремя и четырьмя входами соответственно. Элементы ИЛИ обозначаются также, как и элементы И (2ИЛИ, 4ИЛИ и т.д.).
Рис. 2
Элемент НЕ (инвертор)
Логический элемент НЕ выполняет операцию логического отрицания над своими входными данными и имеет один вход и один выход. Иногда его называют инвертор, так как он инвертирует входной сигнал. На рис. 3 изображено УГО элемента НЕ.
Рис. 3
Аксиомы
|
2. 3. 4. 5. |
6. 7. 8. 9. |
|
Для конъюнкции |
Для дизъюнкции |
|
|
1. Переместительный закон: |
||
|
2. Закон повторения (тавтологии): |
||
|
3. Закон нулевого множества: |
||
|
4. Закон универсального множества: |
||
|
5. Закон дополнительности: |
||
|
6. Закон поглощения: |
||
|
7. Закон склеивания: |
||
|
8. Закон инверсии (закон Де Моргана): |
||
|
или после инвертирования правых и левых частей |
||
|
9. Закон обращения: если , то |
||
|
10. Закон двойной инверсии: |
||
|
11. Сочетательный закон: |
||
|
12. Распределительный закон: |
32. Регистры. Классификация. Принцип работы, электрические схемы, применение.
Регистры
Регистры – это функциональные устройства, предназначенные для приёма
и запоминания n-разрядного слова (кода), а также для выполнения
определённых операций над этим словом. Регистр представляет собой
совокупность триггеров со схемой управления входными и выходными
сигналами. Разрядность регистра соответствует количеству используемых
в нём триггеров. Каждый триггер регистра имеет прямой и инверсный
выходы, используемые для получения прямого и инверсного кодов. С
помощью регистров можно осуществить операции преобразования
информации из одного вида в другой. Например, преобразовать
последовательный код (слово) в параллельный, а также некоторые
логические операции, такие, как поразрядное логическое сложение,
умножение и т.д.
Классификация:
- по виду выполненных операций над словами: регистры для приёма,
передачи и сдвига информации;
- по способу приёма и передачи информации: последовательные,
параллельные и параллельно-последовательные;
- по количеству каналов: одно- и парафазные. В однофазных регистрах
информация поступает только по прямому или только по
инверсному каналу, а в парафазных – по обоим;
- по количеству тактов управления, необходимых для записи слова:
одно-, двух- и многотактные.
Регистр – это последовательностное логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними. Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинационное цифровое устройство, с помощью которого обеспечивается выполнение некоторых операций над словами.
Типичными является следующие операции:
Фактически любое цифровое устройство можно представить в виде совокупности регистров, соединенных друг с другом при помощи комбинационных цифровых устройств.
Регистры классифицируются по следующим видам:
В свою очередь сдвигающие регистры делятся:
– параллельные;
– последовательные;
– однонаправленные;
– реверсивные.
Рассмотрим накопительный регистр с параллельными вводом и выводом информации (рис. 16.18). Основой регистра являются D-триггеры, которые на своих выходах повторяют значения сигналов на входах Х1 – Х4 (информационные входы) при логическом сигнале 1 на входе синхронизации (т.е. осуществляется параллельный ввод входной информации в регистр).
Рис. 16.18. Накопительный регистр с параллельными вводом
и выводом информации
На четырех двухвходовых элементах «И» реализованы схемы совпадения, входные сигналы которых совпадают с выходными сигналами триггеров в том случае, когда на вход Y2 подана логическая единица. Таким образом осуществляется параллельный вывод информации. В качестве примера рассмотрим микросхему регистра К155ИР15. Приведем условное обозначение и таблицы внутренних и выходных состояний (рис. 16.19).
Сумматор — логический операционный узел, выполняющий арифметическое сложение двоичных кодов двух чисел. При арифметическом сложении выполняются и другие дополнительные операции: учёт знаков чисел, выравнивание порядков слагаемых и тому подобное.
По числу входов и выходов одноразрядных двоичных сумматоров различают:
четвертьсумматоры, характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются два одноразрядных числа, и одним выходом, на котором реализуется их арифметическая сумма;
полусумматоры, характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются одноимённые разряды двух чисел, и двух выходов: на одном реализуется арифметическая сумма в данном разряде, а на другом - перенос в следующий (старший разряд);
полные одноразрядные двоичные сумматоры, характеризующиеся наличием трёх входов, на которые подаются одноимённые разряды двух складываемых чисел и перенос из предыдущего (более младшего) разряда, и двумя выходами: на одном реализуется арифметическая сумма в данном разряде, а на другом - перенос в следующий (более старший разряд).
По способу представления и обработки складываемых чисел многоразрядные сумматоры подразделяются на:
последовательные, в которых обработка чисел ведётся поочередно, разряд за разрядом, на одном и том же оборудовании;
параллельные, в которых слагаемые складываются одновременно по всем разрядам, и для каждого разряда имеется своё оборудование