Опорный конспект по дисциплине «Схемотехника» (стр. 1 )

Опорный конспект

Форма Ф СО ПГУ 7.18.2/05

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова

Кафедра Информатики и информационные системы

Павлодар

 

Лист утверждения к опорному конспекту

Форма Ф СО ПГУ 7.18.1/05

УТВЕРЖДАЮ

Декан ФФМиИТ

__________

«__»_____________20___ г.

Составитель: старший преподаватель

Кафедра Информатика и информационные системы

опорный конспект

для студентов специальности 050703- Информационные системы

Рекомендована на заседании кафедры от «__»________20___ г. Протокол №____.

Заведующий кафедрой _______________

(подпись)

Одобрена методическим советом факультета ФМиИТ

«___»___________20___г. Протокол №______

Председатель МС____________________

(подпись)

1 Базовые полупроводниковые приборы и логические элементы

Аналоговые и цифровые сигналы. Базовые логические элементы представляют собой электронные схемы, в которых входные и выходные логические переменные представляются раз­личными электрическими сигналами, обычно напряжениями высокого и низкою уровня. Вообще, сигналами Moгyт служить любые физические явления или объекты, изменение параметров которых во времени несет информацию в прямом или закодиро­ванном виде (свет, звук, напряжение, ток, давление и т. д.).

Рис.1. Представление аналогового (а) и цифрового (б) сигнала

В общем случае информация может быть представлена в непрерывной (аналоговой) и дискретной (цифровой) формах (рис.1). Непрерывная форма характеризует процесс, который не имеет перерывов и теоретически может изменяться в любой мо­мент времени и на любую величину. Цифровой сигнал может из­меняться лишь в определенные моменты времени и принимать лишь заранее обусловленные значения.

Для преобразования аналогового сигнала в цифровой сиг­нал требуется провести дискретизацию непрерывного сигнала во времени, квантование по уровню, а затем кодирование отобранных значений.

Дискретизация - замена аналогового сигнала последова­тельностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала. Наибо­лее распространена равномерная дискретизация, в основе которой лежит теорема Котельникова.

На рис.2 схематично показан процесс преобразования ана­логового сигнала X(t) в цифровой сигнал. Цифровой сигнал в данном случае может принимать лишь шесть различных уровней. Естественно, что качество такого преобразования невысокое. Из рисунка видно, что изменение цифрового сигнала возможно лишь в некоторые моменты времени.

Рис.2. Графическая иллюстрация процесса преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал

После такого преобразования непрерывный сигнал пред­ставляют последовательностью чисел. Показанный на рисунке не­прерывный сигнал заменяют числами -5-4-4. Затем пе­речисленные десятичные числа кодируют в двоичной системе счисления. Результаты данного преобразования можно представить таблицей:

Время	Десятичное число	Двоичное число
t1	2	0010
t2	3	0011
t3	4	0100
t4 ttttt	4	0100
t5	5	0101
t6	5	0101
t7	5	0101
t8	4	0100
t9	4	0100

В данном случае цифровые сигналы представлены четырь­мя разрядами двоичных чисел. Очевидно, чем больше разрядов у двоичных чисел (а значит, тем больше число уровней квантования) и чем чаще во времени осуществляются отсчеты (выборки), тем точнее будет осуществляться преобразование непрерывного сигна­ла в аналоговый.

Импульсные цифровые сигналы. Электрическим им­пульсом называют отклонение напряжения или тока от первона­чального значения в течение короткого промежутка времени. На рисунке 11а изображен простейший импульс прямоугольной фор­мы. В реальных устройствах из-за влияния нелинейных и реактив­ных сопротивлений форма импульса (рис.116) искажается: затяги­вается время нарастания и уменьшения напряжения (или тока), скашивается вершина, появляются выбросы. В результате стано­вится неоднозначной длительность импульса, которая зависит от уровня напряжения (или тока) при котором она определяется.

Для устранения неоднозначности в описании импульсов ус­ловились использовать следующие параметры: Um - амплитуда импульса; Aw - скос (завал) вершины; tф, (tс) - длительность фрон­та (спада), равная времени нарастания (уменьшения) импульса от 0,lUm(0,9Um) до 0.9Um(0,1Um);tu -длительность импульса, изме­ряемая на уровне 0,1Um (в вычислительной технике длительность импульса часто определяют и на уровне 0,5Um.

Из последовательности импульсных сигналов можно соста­вить сообщение, отображающее как дискретную, так и аналоговую информации. Например, в виде последовательности импульсов с десятью дискретными значениями амплитуд можно абсолютно точно отобразить любое десятичное число или приближенно су­точный ход температуры.

Представление сообщений в виде комбинаций небольшого чис­ла исходных знаков называется кодированием информации. Число разных символов, используемых при кодировании, называется ос­нованием кода, а число элементов, образующих кодовую комбина­цию, называется значностью кода. Код, все комбинации которого имеют одинаковую значность, называется равномерным.

Например, телеграфный код Морзе имеет основание, равное трем (точка, тире, пауза), и является неравномерным, так как при кодировании букв и цифр образуются комбинации различной дли­ны. Почтовый адресный код на конвертах писем имеет основание, равное десяти (цифры от 0 до 9), и является равномерным, так как при кодировании любого почтового отделения всегда используется только шестизначная комбинация.

Как видно из примеров, кодирование позволяет представ­лять различные сообщения в стандартной форме, имеющей некото­рые свойства чисел. В самом деле, кодированный сигнал, так же как и число, дискретен и составляется из ограниченного набора элементов. Поэтому кодированные сигналы принято называть циф­ровыми сигналами.

Наиболее простой является рассмотренная нами в первом разделе двоичная система счисления. При этом, если логическому 0(1) соответствует низкий (высокий) уровень напряжения, то такую логику называют положительной. И наоборот, если логическому 0(1) соответствует высокий (низкий) уровень напряжения, то такую логику называют отрицательной.

Укажем причины, по которым в вычислительной технике преимущественное применение находят электрические цифровые сигналы:

• они имеют очень большую скорость распространения, что
обеспечивает один из важнейших качественных показателей характеристик компьютеров - быстродействие;

• повышенная помехоустойчивость цифровых сигналов и цифровых устройств, являющаяся следствием дискретностью уровней цифровых сигналов.

• современный уровень развития техники позволяет создавать простые и достаточно точные преобразователи любого вида энер­гии в электрическую энергию (датчики) и электрической энергии в любой другой вид энергии (исполнительные устройства);

• именно электрические управляющие устройства наиболее тех­нологичны, надежны, имеют малые габариты и массу, позволяют создавать простые конструкции, удобные в обслуживании.

Указанные причины позволяют выделить электрические сигналы из всех других сигналов и говорить об их прикладной универсальности. Поэтому в более узком смысле сигналами чаще называют не все возможные носители сообщений, а только лишь колебания электрического тока и напряжения. Поэтому и мы в дальнейшем под сигналами будем подразумевать только электри­ческие цифровые сигналы.

Однако не надо считать, что такое положение сохранится всегда. Современный уровень развития науки и технологии дает основание думать, что в скором будущем наибольшей прикладной универсальностью будут обладать не электрические, а оптические сигналы.

Базовый элемент транзисторно-транзисторной ло­гики (ТТЛ). Любая логическая операция может быть реализована с помощью базовых логических элементов одного типа, например И-НЕ либо ИЛИ-НЕ. Однако на практике редко ограничиваются од­ним типом элементов. Промышленность выпускает развитые серии интегральных микросхем с большим числом логических элементов. В настоящее время наиболее широкое распространение получили серии микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), тран­зисторно-транзисторной логики с диодами Шотки (ТТЛШ), эмит-терно-связанной логики (ЭСЛ), на МОП - структурах (на транзи­сторах р - и n-типов с обогащенным каналом, КМОП - схемы на до­полняющих транзисторах), так как они отличаются более высоким уровнем интеграции и большим функциональным разнообразием.

Рассмотрим устройство и принцип работы базового логиче­ского элемента И-НЕ транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), который выполнен на базе биполярных транзисторов. Здесь под «логикой» подразумевается понятие «электронного ключа».

Рис.12. Базовый ТТЛ-элемент с простым ключом

На рисунке 12 показана схема элемента с простым одно-транзисторным ключом. На входе элемента включен многоэмиттерный транзистор VT1. Принцип действия такого транзистора тот же, что и у обычного биполярного транзистора. Единственное от­личие заключается в том, что инжекция носителей заряда в базу осуществляется через несколько самостоятельных эмиттерных р — п переходов. Видно, что логическая единица U1вx, поступившая на входы VT1, запирает все эмиттерные переходы. Ток, текущий че­рез резистор R6, замкнется через открытые р - п переходы — коллекторный VT1 и эмиттерный VT2. Этот ток откроет транзистор VT2, и напряжение на его выходе станет близким к нулю, т. е. Y = U0вых. Если же на все или хотя бы на один вход VT1 будет подан сигнал U0вх, то ток, текущий по R6, замкнется через откры­тый эмиттерный переход VT1. При этом входной ток VT2 будет близок к нулю, и выходной транзистор окажется запертым, то есть

Y = U1вых. Таким образом, рассмотренная схема реализует логиче­скую операцию И— НЕ Y = X1Х2ХЗ...

Рассмотренная схема базового элемента ТТЛ с простым инвертором находит ограниченное применение только в качестве схемы с открытым коллектором. Большая задержка выключения и сильная зависимость выходного напряжения от нагрузки привели к появлению более сложного базового элемента (рис.13). Он состоит из следующих каскадов: входного многоэмиттерного транзистора VT1, выполняющего логическую операцию И; управляющего транзистора VT1 и двухтактного инвертирующего выходного каскада на VT3 и VT4. При этом транзистор VT4 рассчитан на большой рабочий ток, так как через него стекают на землю входные токи многоэмиттерных транзисторов следующих логических элементов.

Рис.13. Схема базового ТТЛ - элемента со сложным ключом

Анализ работы базового ТТЛ - элемента. На рис.14 по­казаны временные характеристики логического элемента 2И-НЕ: входной ток Iex(t) (рис.146), выходное напряжение U(t)(рис. 14в), выходной ток I(t) (рис.14г) и ток, потребляемый от источника пи­тания In(t)(рис.14д). На рисунке приведены некоторые парамет­ры элемента: 013 (013) - задержка перехода элемента из состояния 0(1) в состояние 1(0); t01ф (t10ф) - время нарастания (спада) фронта сигнала; U°(U1) - уровень логического 0(1); V0cp (V10cp) - порог сра­батывания элемента по переднему (заднему) фронту. Знание дан­ных характеристик позволяет полнее понять физические про­цессы в схеме ТТЛ элемента. Проанализируем работу отдельных каскадов базового ТТЛ элемента в различных режимах для поясне­ния характерных точек и участков кривых полюсных токов и на­пряжений.