Диоды и диодные схемы
1.1. Параметры
и характеристики диодов.
Диодом называется гетеро-структура
из полупроводников с различным типом
проводимости.
В обедненной зоне дырки и
электроны рекомбинируются.
Под действием внешнего ЭП
диод «открывается» - дырки и электроны движутся на встречу друг другу.
Если же электрическое поле
будет направлено в другую сторону, диод «запирается»
Т.о. гетероструктура p-n перехода обладает односторонней проводимостью.
Приложение внешнего электрического
поля , сдвиг «+» с «–» ток будет, т.к. ликвидная зона обеднения
ΔV<0
Обедненная зона увеличивается
Характеристики диода :
1.Допустимое обратное
напряжение Uобр (сколько выдержит диод, прежде чем неосновные носители
тепловыми токами его доконают). Светодиоды – до 10 В,
обычные – до 100 В, силовые –
до киловольт.
2. Yср.пр. –средний прямой ток от 1 mА до 1000А
У плитки среднеквадратичный
ток Δ p = r Y2 для
диодов тепловыделение пропорциональны среднему току
Для кремневых диодов
Δ
Vпр = 0,5 …
0,8 В ВАХ
Диода
P = Δ Uпр Y - поэтому для диодов ср.ток, а не
среднеквадратичный
const
3. Дифференциальное
сопротивление в открытом состоянии (характеризует линейную зависимость)
rдифф = 0,1 … 0,001 Ом
помни rдифф = 
4. Время восстановления
обратного сопротивления
Если «открыть» диод, а потом
развернуть поле на 180градусов, он перестанет проводить не сразу.
tвост = 100 Мкс … 10 пс
силовые – 100 мкс, СВЧ – 10пс
1.2.
Применение диодов
Выпрямительные схемы
1.2.1. Однопульсные
(однопериодные) схемы
ω-круговая
частота цепи
vД: ΔVпр ~0,6В
U2 (t)=Vm sin ωt (точкой условно обозначим +)
ω =2πf; f=
[f] = c-1 =
Гц т.е. число колебаний в секунду, тут
все ясно.
А нафиг тогда нужна ω? А
затем. Под синусом угловая частота будет сидеть комфортнее. По сути – обычная
замена переменной.
υ – угловая мера времени
υ = ωt
ω =2 πfC=
6,28*50=314,...
за положительно направление напряжения обозначим
напряжение открывающее диод
откр закр
В закрытом состоянии мы
фактически имеем порванную цепь – эквипотенциальный проводник. В открытом она
пропускает ток.
Итак, т.к. закон Ома, то ток
через диод будет нулевым на «закрытых» участках(см. график). Соответственно
будет вести себя и Uнагр – разве что график будет
иметь максимумы на 0,5 В меньше -
потеря на диоде.
U2 (V) = Vd+V2~(t)
Vd- постоянная составляющая
V2 – пульсация
direct- прямой
Vd – среднее значение
напряжения при нагрузке
Ud
= 
Площадь под графиком
S1=S2
действующее значение
напряжения(эффективное) среднеквадратичное
то бишь это эквивалентный по
действию переменному току постоянный .
взят из закона Джоуля – Ленца – эквивалентный
тепловой эффект. Эквивалентное напряжение сети – 220, максимум – около 6310 В.
Ø
Кстати,
электрический стул – 6 киловольт.
Поэтому
если мы вешаем на сеть конденсатор, то 250 – и у нас рванет. Нужен не более чем
310.
Новый логаприбор (внимание!)
– ПОКАЗОМЕТР!
Электрооборудование и приборы
градируются в эффективных вольтах. Вольтметр в нашей цепи покажет 220 В.
Лирика кончилась.
коэффициент схемы
Недостатки:
1.Плохое использование
напряжения трансформатора
2.Большой уровень пульсации
Аналогия с подругой – дернем
за руку, подруга злится, движок греется.
Рассмотренная схема является
однопульсной р=1
1.2.2. Нулевая
двухпульсная схема (двухполупериодная)
дана (.) присоединенная к
трансформатору
VД - Диод
Схема отличается тем, что
вторая однопульсная схема имеет вывернутую обмотку к аноду диода VД2 подключен конец. Т.е. диоды VД1 и VД2 открываются
и закрываются в противофазе.
Р=2, 2 пульсации за период 2П
Для подключения второго
контура используется нулевой контакт первой обмотки, потому и схема – нулевая.
Недостатки:
1.Плохое использование
обмоток трансформатора. Вторичные обмотки работают поочередно.
U2 – напряжение одной
обмотки!
1.2.3.
Двухполупериодные мостовые схемы
Сейчас стоимость диода
невелика, а трансформаторы – большие.
Там медь. Делаем вывод.
Данная схема используется
везде, где фаза одна – мобильники и их зарядные, зарядные mp3 плееров, автомобили.
Во всех. Ну почти во всех однофазных
источниках.
Во всех квадрат – мост
(обычно пластмассовый, диоды впрессованы). Проверка исправности- в направлении
переменных контактов мост звониться не должен.
Если звонится значит диод
пробит.
VД1\VД2 открываются в первую очередь
Нагрузка с трансформатором
напрямую нигде не соединена.
Важно!
Паузы в работе диодов позволяют им остыть и
избежать перегрева.
+ Полный загруз трансформатора
+ экономия меди – обмоток две
– Скачки напряжения остались
1.2.4. Специальные
схемы выпрямления
Экономичная схема двухполярного питания
Иногда необходимо
двухполярное питание :
Yср = 
↓ более экономична. Но
работает только на небольших токах, т.к. диоды не успевают остывать. Зато мост
один.
1.2.5. Умножители
напряжения
Позавчера я разбирал телик.
Для разгона электронов в кинескопе нужна энергия десятков килоэлектрон – вольт
каждому электрону. Можно юзать трансформатор с коэффициентом 100 (220V→22K), но он
будет тяжелый, в коробке с маслом от перегрева, и стоить будет бешенных денег.
Для свечения кинескопа надо 30 – 40 кВ.
Другой пример – рентгеновский аппарат для
флюрографии. Для разгона электронов в трубке до нужной скорости нужно порядка
50 – 80 кВ.
Ни чего не замечаем? Ога.
Старые телевизоры и мониторы дают мягкое рентгеновское излучение, которое можно
словить дозиметром. Теперь введены ЖК-мониторы, но в ЭЛТ – телевизорах экран
изготавливается со свинцовым напылением. Теперь вы знаете почемуJ!
Так что делать? А вот что!
Ud1 = Ud2 = 
UН = 2Ud1 = 
Могут и бывают
многокаскадные. Для телевизора достаточно восьмиступенчатого.
Кстати. С умножителем или
трансформатором реально получить охренительное напряжение от батарейки. Это и
есть электрошокер.
1.3. Фильтрация
напряжения
Тут был рассказ про танки на
основе книжек Суворова. Мягко говоря, данные с «Противостоянием рассходятся»
Методы сглаживания пульсации:
1. Установка индуктивности в
цепь нагрузки
L – индуктивность сглаживания дросселя
– Слаботочная
электр. схема не содержит как правило
индуктивность, значит фильтрация введением индуктивности не используется.
– Дроссель имеет большие габариты и массу.
Поэтому для слаботочной
электр. используют конденсаторы
Схема справа от диодного
блока – фактически фильтр низких частот из радиоприемника.
Разрядка конденсатора
происходит по экспоненте. Он заряжается на пиках и разряжается на спадах.
Для оценки этих пульсаций
будем использовать соотношения:
iC = C 
iC = const, iC
= C 
Δt = T = 
ΔUC = 2
ΔUп = ic
= iнагр 
ΔUп = 
1.проектирование этой схемы,
е то что задается YНАГР
ΔUп –
задан
2.выбирается fn = (пульсность)
fn = 1,
2, 3, 6, 12
требуют
3х фазное питание
3. С = 
Проблема! Емкость получаемая велика по габаритам,
поэтому начинаем использовать электронные стабилизаторы.
1.4. Другие
(специальные) применения диодов
1. амплитудный
дискриминатор
Задача: подать на вход больший
из нескольких сигналов. Например, на вход операционного усилка.
Uвх=max U2
i=1,2…n
U1>U2 VД2закр
U2 – изолирован от Uвх
U1>Ui VДiзакр, VДоткр
Т.о. из всех источников
работает 1.Т.к. имеется падение напряжения на VД
ΔUпр≈ 0,6 В, возможен случай близких напряжений.
Чтобы избежать его, в случаях нужды в высокой точности используют прецезионные
дискриминаторы
Пример:
1.
кодовый замок простейший
ИБП
Т1
VДОТКР
ΔUпр≈0.6
B
UC ! VД1 – откр
VД2 – закр
UC = 0 VД1 – закр
VД2 – откр
Между прочим, именно так
организованно питание BIOS от аккумулятора.
2. магистрально модульная структура компьютера
Схема: одной линии
tраспр ≈ 
время
распространения импульса
толщина материнки h =
v = 300000000 м/с Скорость чуть меньше скорости света за
счет индуктивности и конденсатора.
распространения импульса :2
Vu = 1.5 * 108 м/с
tраспр = 
с = 2 нс
На конец прибежит импульс, а
бежать не куда! ik = 0! Поэтому
отраженный импульс побежит обратно, и пока он не затухнет, новый импульс
пускать нельзя – будет глюк.
Частота шины. А что делать?
Вешаем не конец вот такую штуку:
Отраженный
импульс не идет обратно, а уходит в землю. Но нужен СВЧ – диод – частота-то
огромная.
А
вот это заглушка на ЛВС
На концах лок. вычислительных сетей
2. Диоды ограничители
Допустим,
есть потребитель с Uвх < 5 В
SA1 – кнопка клавиатуры.
Как
предохранить контроллер от статического электричества?
Кошка
J
Решение
:
«Диод
в каждый дом!»
Это
называется фиксатор уровня.
При
большом напряжении (искры) оно отводится через питание в землю.
φвх
> 5B
если φвх > 5B,то диод Д1
открывается и соединяет
с источником +5В
фиксатор
уровня
Допустим, рабочее напряжение Uвх = 100 мВ.
Тогда при перегрузке Uвх >600 мВ = 0,6 В
Диоды откроются, и заряд
уйдет в ноль.
Uвх
Uпр ≈
0,6 В =600 мВ
Uвх ≈
100 мВ
3. Диодная
защита индуктивных нагрузок
Любой компьютер управляет
электромагнитными устройствами (движок, катушки, все дела). При замыкании все
пучком, ток возрастает по экспоненте. А вот при отключении будет скачок U (схема зажигания а/м). Что делать? Параллелим диод с
катушкой КМ1 : Обычно он заперт падением напряжения на катушке. При отключении
– шунтирует ее на КоЗу.
КМ
UL = 
↑
UL ≈ 100 … 1000 B
Нет диода
При наличии диода
Вместо диода можно ставить
стабилитрон, чтобы ускорить процесс. Он быстрее рассеивает энергию.
2. Транзисторы и транзисторные схемы.
2.1. Модель
транзистора, как усилителя тока
p-n-p транзистор ( у него три электрода)
В отключенном состоянии оба p – n перехода заперты обедненной зоной.
1.
Yб > 0 Работа
базы начинается с прямого смещения БЭ – перехода
2.
3. При правильном
построении транзистора
Yб <<
Yэ, Yб << Yк
β- коэффициент усиления по току
Yэ = Yк + Yб
Yк =β Yб
т.е. большая часть тока
эмиттера уходит в коллектор через базу, и лишь небольшая часть тока уходит
собственно в базу.
Принцип инжекторный : Б-К
заперт, пока не «впрыснут» «+» заряд
Принцип усиления лежит в
перехвате ЭП обратно – смещенного Б –К – перехода не основных для этого перехода носителей.
Неосновные носители
инжектируются Б – Э переходом. Но есть еще два способа:
- освещение. Это не совсем
фотоэлемент, энергию он не генерит, но похоже.
- Ионизирующее облучение.
Можно сделать маленький дозиметр.
Альтернативная схема ↑
При пропускании тока Б – Э и
Э – Б или Б – К и К – Б переход пробит.
Если ток не проходит в оба
направления – транзистор сожжен.
Переход К – Э не должен
пропускать ни в одном направлении.
По типу проводимости делим
транзисторы
на:
p-n-p
n-p-n
Транзистор как усилитель тока
Yк =β Yб
β = 30 … 100 (до сих пор
электронщикам не удалось стабилизировать диффузию присадок кремния – In, слишком много факторов влияет – космос, погода)
Возможно три режима транзистора:
* режим отсечки Yк =0 Yб =0
* активный режим (ток базы равен току коллектора)
Yк =β Yб
* режим насыщения – при большом, но определенном Yб , Yк перестает расти
Внешние характеристики
2.2. Транзисторный
переключатель.
Ключевой режим транзистора
SB = 0
Потеря напряжения
Rнагр – лампа HL +
катушка КМ
точка – насыщения транзистора
Состояние насыщения
транзистора (раб « . » ) (все
уходит в землю Yб =0)
кнопка нажата
(Variable-переменный)
Ключевой режим очень выгоден
энергетически:
2 аспекта
- в режиме насыщения мы управляем мало мощным
сигналом, нагрузкой с большей мощностью
Насыщение 
P- активная мощность
-ключевой режим по сравнению
с активным позволяет уменьшить потери внутри транзистора.
Допустим надо регулировать
скорость двигателя
Yб =
var Yk = β*Yб Vнагр = f(Yб)
Здесь транзистор аналогичен
потенциометру
активный режим
Pип = En * Yнагр
источник питания
Пример: 
отсечка 
насыщение 
Режим широтно-импульсной модуляции
Режим ШИМ ( PWM Pulse Wide Modulation)
Т - период
широтно-импульсной модуляции
ti - продолжительность включенного состояния транзистора
Подаем напряжение импульсами.
Регулированием ti можно дать постепенный разгон
(торможение).
Условие : нагрузка должна
быть инерциальной (тогда она сможет сглаживать импульсы)
Условие к транзистору : малое
время включения!
Транзисторы IGBT (биополярные
транзисторы с регулируемым затвором)
ti =Ucp
tвкл
≈ tвыкл = 100
нс (у обычных порядка милисекунды)
Гул
или дудение движка трамвая – это как раз работа ШИМ.
Транзистор
закреплен не радиаторе и может мотаться в переменном МП.
2.3. Эмиттерный повторитель
Uб = var
Uэ = Uб – 0,3 В
UНАГР = Uэ
Эта схема обеспечивает
согласование низкоомной нагрузки, которая потребляет больше Y и
высокоомной (маломощной) источника управ. сигнала
Эмиттер имеет низкое Uвых и высокое Uвх
Покажем, что Rвх этой схемы
много больше Rвых
- повторитель !
Разница в 31 … 101 раз
β
= 30 … 100
как с мощностью?
оценим по мощности
Вывод: повторитель
не дает усиления по напряжению, но дает по мощности
Есть у этого девайса и минусы.
Рассмотрим их
2.3.1. Ключевой
режим
1.VT – открыт
2.VT – закрыт 
но
напряжение на нагрузке упадет не сразу, ибо Спаразит есть
транзистор VT закрыв. не может влиять на время перехода процесса, и
разряд емкости на сопротивлении нагрузки Rн происходит
пассивно. Чаще всего это плохо.
3.VT открыт
Здесь
практически все решает транзистор VT.
Итого:
несимметрично работает девайс !
2.4.
Использование эмиттерных повторителей в качестве
стабилизаторов напряжения
1
«Минус» такой простейшей схемы
– ограниченность нагрузочной способности
1. 
2. 
Для получения маленьких
напряжений стабилизации (Uстаб=0,5 … 3 В) удобнее использовать диоды выпрямительные.
Стабилитроны нельзя
запараллелить, т.к. у них «плавают» характеристики даже в одной партии. Один
будет работать, а другой – бамбук курить.
На не больших напряжениях
удобнее использовать обычные диоды(см. ниже)
Их можно последовательно
втыкать, но стабилизация будет слабой.
Есть еще стабисторы –
стабилитроны на малые U (U <
3 В)
1.
YVД → Uст = const
2.
Yнагр ↑ Uэ ↓ Uб = const
Yб ↑ Uнагр↑
3. Yнагр↓ Uвых↑ Uнагр↓ (за счет закрытия VT1)
Параметрический
стабилитрон
– транзистор
сильно греется – это плохо. Потеря мощности.
3 Схема
Дарлингтона
супер
β транзистор
– Начинают возникать паразитные
процессы
Поэтому
не делают больше двух каскадов.
Простой
пример – обратная емкостная связь Э – Б. В результате начинаются автоколебания,
и ток начинает шатать. Это и есть паразитство.
2.5. Полевые
транзисторы ( униполярные)
«Идея пережатого шланга» -
регулирование эффективного сечения.
Полевым транзистором мы
называем прибор, работающий по принципу изменения величины тока, проводимого
канала под действие электрического поля затвора. Это такой электрод.
2.5.1. Физические основы полевого
транзистора с p-n перехода
И –
исток
С –
сток
З –
затвор
Принцип полевого
транзистора { +
Е→ –
т.е. идет расширение
обедненной зоны. К истоку цепляем « + » , к затвору « – ».
Зона обеднения расширится
неравномерно : получится, что мы «пережали шланг» в точке истока.
Рассмотрим полевой транзистор
с p-n переходом и
каналом n- типа.
Схема включения ↓
Для большей эффективности
исток делают более плоским, чем сток.
Поэтому сток и исток в
схеме неравноправны.
Изменяя напряжения на затворе
Uзатвора ,
мы изменяем сопротивление в цепи сток – исток, т.е. Iс = f(Uзатвора)
В нерабочей области полевой
транзистор превращается в открытый диод.
! не рабочая область, т.к.
транзистор превращается в открытый диод
Чем круче, тем выше
коэффициент усиления.
Особенность –
преимущество – токов затвора нет.
Сопротивление сток – исток управляется
напряжением затвора, ток там очень мал обусловлен ионизирующим излучением
(радиацией).
Это наноамперы, так что можно
сказать, что этого тока нет
Поскольку
полевой транзистор очень чувствителен к радиации, его используют в качестве
датчика дозиметра.
Другая особенность – очень чувствительны к статике. Uотсечки –
1…5 В
легко
сжигаются
Третья особенность – т.к. ширина канала не зависит от перемещения
зарядов.
т.е.
работают они быстрее обычных транзисторов.
В биполярных транзисторах
пропускание зависит от Iб т.е. электронов.
В полевых – от ЭП, скорость
которого – световая.
2.5.2. Классификация
полевых транзисторов
Недостатки:
• высокое сопротивление канала
( узкий и длинный )
• необходимость поддерживать Uзи < 0
От второго избавляют МОП –
транзисторы
транзисторы с
изолированным затвором.
Принцип похож на
электролитический конденсатор – Al2O3. на схеме
↓
n – канальный
ВАХ МОП – транзистора ↑
Благодаря примесям,
обедняя/обогащая зону обеднения, ВАХ можно двигать
КП
350 совершенно родные
транзисторы
КП 350
3. Транзисторы в Микросхемах.
Операционные усилители
Операционные усилители – это микросхемы, у которых в одном корпусе
сосредоточена усилительная схема, содержащая сотни транзисторов. В кремнии
вытравлены транзисторы с золотыми перемычками – они варятся хорошо.
3.1. Свойства операционного усилителя.
Uвых = - 10 … + 10 В
( измеряется относительно ОТ ) интервальный (инверсный) вход.
Свойства:
1) Напряжение выхода определяется расположением входов
Uвых = Кус(φпр
– φинв )
1.1.коэффициент
усиления Кус=106
… 108 (у транзистора было
β = 30…100)
1.2.потенциал
прямого = потенциалу инв. φпр
≈ φинв
2) 
входной ток очень мал. Поэтому говорят, что ОУ управляется
напряжением.
3.2. Суммирование
аналоговых сигналов с помощью операционного усилителя
(относительно
земли) поэтому в силу 1.2 ОУ делает 
т.с. – точка суммирования
=0
По I закону Кирхгофа
Это уравнение утверждает,
что 
равно сумме входных напряжений (инвертир. )
сумма и умножение на постоянный коэффициент.
Коэффициенты эти равны отношениям
сопротивлений
R1 – R3 – решающие цепи
Полученная схема умеет
складывать сигналы, инвертировать и умножать на постоянные коэффициенты
Пример:
R3
= 10 к Ом; R1 = 5 к
Ом
К = 
= - 2
|
Uвх |
0 |
+1 |
-5 |
+10 |
-3 |
|
Uвых |
0 |
-2 |
10 |
-10 |
6 |
max вырост
3.3. Интегрирование с помощью
операционных усилителей
Т- постоянная интегрирования
Когда – то ОУ юзались для
моделирования систем – т.е. интегрирования.
Например, в симуляторах для
космонавтов.
Нормальная форма Коши :
……..
3.4. Ограничения выходного сигнала
операционного усилителя
Это уже не линейная задача.
Пробуем немного изменить схему, введя нелинейные
элементы, и посмотрим, что выйдет. Диод
Uт.с. = 0 Uвых = <
0 VД заперт
Считаем диод идеальным
Ак – анод катод
Uвых = >
0 VД открывается i1= -iVД1 UАК=0 Uвых=0 
Если нужно ограничение на произвольном уровне, ставим
стабилитроны
Учитываем вероятность пробоя
3.5. Компаратор
Определение - «сравниватель» двух сигналов
Uвых имеет роль логического сигнала фиксирующего знак
разности между Uвх и Uср
Пример: серия ТТЛ
Логическая 1 →
+ 5В
Логически 0 →
0В
VД1 КС
153 Uстаб = 5,3
В
Итак, компаратор сравнивает Uвх и Uср , и
использует как промежуточное устройство между аналоговыми и цифровыми
частями системы.
Uвых играет роль логического
сигнала, фиксирующего знак разности между Uвх и Uср.
Uстаб выбирается выбором стабилитрона VД1 так, чтобы оно соответствовало 1 в цифровой части
системы.
В распространенных
микросхемах ТТЛ (транзистор – транзистор - логика) логическая 1 →
+ 5 В ± Δ ; логический 0
→ + 0 В ± Δ .
Здесь подойдет стабилитрон VД1 КС 153. это был пример.
Нуль - орган, т.к.меняет
состояние выхода при 0 суммы входных сигналов
Кстати, по напряжению в ТС
можно определить исправность ОУ.
Если осциллограф скажет, что
потенциал φтс ≠ φземли , то, скорее всего, операционный усилок сдох.
3.5.1. Функциональная схема АЦП
Analog digitle
convector
Задача:
Преобразовать
входное напряжение в цифровой код
N(ед) N
= {λ4,λ3,λ2,λ1,λ0}
Основной частью АЦП является
компаратор.
Комп. - компаратор (выдает сигналы 0 и 1)
Сr - счетчик – набор триггеров, состояние которого инкрементируется
тактовыми импульсами (т.е. увеличивается это состояние).
ГТИ – генератор тактовых
импульсов
Е (Enable) – разрешение
Е=1 разрешено ( счет
импульса)
Е=0 запрещено (счет импульса)
ЦАП – цифроаналоговый преобразователь ( преобразует код в
напряжение)
Сr состоит из триггеров, которые переключаются разрядно.
Он подобен двоичному числу, к которому (к МЗР) ГТИ постоянно прибавляет
единички. Второй разряд изменяется раз в 2 такта, третий – раз в 4 такта и т.д.
Устройством определяющим
точность АЦП является компаратор,
поэтому точность цифровой Еmn
ограничена аналоговой.
Делаем парадоксальный вывод :
цифровые системы не могут быть точнее аналоговых.
Их плюсы – стабильность и
память.
4. Элементы
цифровой схемотехники
Элементы также старались
максимально унифицировать.
“ И – НЕ”
Таблица истинности
|
x1 |
x2 |
Y |
|
0 0 1 1 |
0 1 0 1 |
1 1 1 0 |
Это фактически элемент «И»,
только немного инвертирован.
“ИЛИ – НЕ ” (аналогично
«ИЛИ», но тоже инверсия )
|
x1 |
x2 |
Y |
|
0 1 0 1 |
0 0 1 1 |
1 0 0 0 |
4.1. Принципиальные схемы базовых
элементов основных серий цифровых микросхем
1. Серия ТТЛ – транзисторно – транзисторная логика. ЭСТЛ
быстрее, но много жрет, и её надо охлаждать (эмиттерно связанная транзисторная
логика – отечественная разработка).
много эмиттерный
транзистор
Эта схема
реализует логику «2 И – НЕ»
Общее правило :
Если
элемент в кружке – он герметизирован, а если нет – то выполнен заодно с платой.
Ножка № 1
Серия ТТЛ
Варианта два – либо открыт верхний из правых транзисторов, либо нижний.
В первом случае Uвых ≈ + 5
В, во втором Uвых ≈ 0
В (это без учета падения U на транзисторе). Это и есть логические 1 и 0.
|
Вх1 |
Вх2 |
Вх3 |
|
0 0 1 1 |
0 1 0 1 |
1 1 1 0 |
2 в названии – количество входов. Результат Вых = [Вх1 * Вх2 * …* ВхN] инверт.
Это «И» это «НЕ»
–
Чувствительны к
изменению En ( уже на 25% )
Особенность ТТЛ – серии : неподключенный вход
равносилен подаче на него логической 1 т.к. если подключить его на + 5 В
(логическая 1), то Iэ во входном транзисторе = 0. Наоборот,
заземление входа позволяет пройти Iэ.
В компьютерах шина (магистраль) выполнена именно так.
Типовые
серии : К 155, К 133 – уже не
выпускаются. Распродажа со склада.
ТТЛШ – серия с диодами Шоттки :
(современная)
+
1) Бегает быстрее в разы (20 – 30 МГц вместо 10)
+
2) Меньше ест (5 мВт вместо 20 – 25 мВт)
Типовые серии : К 1533
2.
КМОП – комплементарные металл
– оксид – полупроводниковые транзисторы.
Полевой транзистор
(а-ля конденсатор )
Конденсаторы
жрут энергию только при перезарядке обкладок.
Отсюда
особенность : очень низкое энергопотребление ( в 2 – 3 раза ниже
ТТЛ).
Итак
: + Энергопотребление ниже ТТЛ
+ Бегают еще быстрее ТТЛ
Понятно,
что раз ТТЛ еще выпускают, есть у КМОП и недостатки. Какие?
– Крайняя чувствительность к статическому
электричеству.
Входной
ток почти не жрет. Но из-за слабости к
статике, например, не применяется ни в Клаве Пк, ни в клав мобильника (сотового
телефона)
Серии
и уровни питания : К 176
К 561
4 ÷ 9 В 6 ÷ 15 В
Работа
аналогична ТТЛ.
4.1.1.
Основные характеристики базовых элементов.
Порог срабатывания – уровень напряжения, разграничивающий зоны «1» и
«0».
|
|
ТТЛ |
|
порог срабатывания логический ноль зона неопределенности логическая единица |
1,3 – 1,4 0 – 1,4 В 1,4 – 2,4 В 2,4 – 4,8 В |
Коэффициент развертывания – число входов, которое можно подключить к данному
выходу без нарушения работы.
Обычно коэффициент n = 10
Буферные преобразователи
вытягивают больше.
4.2.
Варианты выходов схем ТТЛ.
Базовый вариант – выход
и «2С» - 2 состояния (см. выше)
Этот
вариант мы уже описывали в главе 4.1 под заголовком «Серия ТТЛ»
«Открытый коллектор» -
«ОК»
«Высокоимпедансный» - «3С»
(тристабильный – 3 состояния)
высокоимпедансный = R большое 
Высокое сопротивление – выходной ключ
3 разомкнут. Тогда на выходе совсем пусто.
Пример : Блок прерывания материнки
IRQ –
запрос на прерывание
Здесь использовать тип «2С» нельзя – КоЗа
спалит нам все, что там есть
Если использовать тип «ОК», то любое из
устройств
при
работе КоЗу не вызовет.
Вообще
– то IRQ – инверсный вход : IRQ = { 1 – нет запроса, 0 – есть запрос }
4.3.
Инверторы.
Инвертируют
0 в 1, и 1 в 0.
←
генератор импульсов
Частота
генерации 
Задержка,
создаваемая конденсатором, дает время для переключения выхода.
Инвертеры
часто используют для организации шин, обычно в «3С» - схемах.
4.4.
Триггеры.
Триггер
– электронное импульсное устройство с двумя устойчивыми состояниями, которым соответствуют
разные значения напряжения на информационных выходах.
Классификация
:
1.
По способу
управления :
а) асинхронные (переключение при опр. комбинации
входных сигналов)
б) синхронные (имеют также синхронизирующий вход, и
переключение происходит при наличии на нем «разрешения»)
Синхронизирующий
вход маркируется С, или Strobe ( импульс
временной селекции), или E (Enable).
2.
По типу входных
сигналов :
а) RS
б) D
в) JC
и другие.
4.4.1.
RS – Триггеры.
RS = Reset – Set. Принцип работы представлен «2И - НЕ»
Таблица истинности :
-
хранение I
-
сброс в «Q»
- установка
«1»
R S t t+1
|
|
|
Q |
Q |
|
1 0 1 0 |
1 1 0 0 |
1/0 1/0 0/0 - |
1/0 0/0 1/1 - |
Входы
триггера инверсны, т.к. триггер управляется нулем.
Та
же схема развернутая в петлю.
Диаграмма
:
Пример : Антидребуговая
система.
Контактные
системы датчиков и переключателей не дают устойчивый контакт : из-за отскока
упругих контактов возникает дребуг.
А
ведь это плохо. Если после контакта повешен счетчик; то он насчитает аж 4
импульса вместо одного
1) Переключатель SA1 может быть замкнут только на 1 контакт, но дребуг
может быть на любой из них.
2) При установившемся U на вход триггера идет «Q»
NC –
нижнее поле SA1
NO –
верхнее поле SA1
Первый же импульс приведет на вход R1, и на выходе установится 1.
SA1 = 1; R = 1; Q = 1.
При размыкании (NC) на входе S будет
1, и на выходе установится 0.
SA1 = 0; S = 1;
Q = 0.
4.4.2.
D – Триггеры.
Реализуется
на базе RS – триггеров. D – Delay (задержка).
Например,
при нажатии «Reset» на ПК все автоматы машины
уходят в 0.
S
и R используются
для начальной установки.
Состояние
триггера определяется входом D в момент положительного фронта импульса на входе C –
это состояние после снятия стробирующего сигнала (вход С) триггер сохраняет.
Стробирующие сигналы
Разница по времени между приходом I и стробирующего сигнала – это и есть задержка (delay).
Импульс D не сохранится
в Q, пока не придет стробирующий (разрешающий) сигнал.
Пример : Автомат,
меняющий функцию кнопки в зависимости от состояния машины.
По логике ТТЛ (компьютерный Reset) входы инверсные, поэтому Reset срабатывает на
отрицательном фронте импульса (отпускание кнопки).
Таким образом, D – триггер может делить входную частоту на 2, т.е.
организовать счет импульсов. Счетчики строятся именно на базе D – триггеров. Какое же здесь деление? Кнопку жмем
дважды, а импульс на выходе один.
4.4.3.
JC – Триггеры.
«Универсальные триггеры», позволяющие собрать как RS, так и D – триггер. Встречаются в пр – ве чаще всего.
Пусть Q = 0
1)
J=1, K=0, C ↑
→ Q=1
2)
J=0, K=1, C ↑
→ Q=0
3) J=1, K=1, C ↑
→ Q=Q («переворачивание»)
С
↑ - положительный фронт стробирующего импульса.
Если
J=0, K=0, то при C
↑ → Q=const
