Параметры и характеристики аналоговых устройств (стр. 3 )

.1.8.  Электронные ключевые схемы Статические характеристики Под статическими характеристиками чаще всего подразумеваются электромеханическая и механическая характеристика. Динамическая характеристика Динамическая характеристика электропривода — это зависимость между мгновенными значениями двух координат электропривода для одного и того же момента времени переходного режима работы. Барьемр Шомттки (или Шомтки,— потенциальный барьер, образующийся в приконтактном слое полупроводника, граничащего с металлом, равный разности работ выхода (энергий, затрачиваемых на удаление электрона из твёрдого тела или жидкости в вакуум) металла и полупроводника. Барьер Шоттки обладает выпрямляющими свойствами. Ток через него при наложении внешнего электрического поля создается почти целиком основными носителями заряда. Контакты металл — полупроводник с барьером Шотки широко используются в сверхвысокочастотных детекторах, транзисторах и фотодиодах. Транзисторные ключи выполняются на биполярных или полевых транзисторах. В свою очередь ключи на полевых транзисторах делятся на МДП-ключи и ключи на полевых транзисторах с управляющим р—га-переходом. Ключи на биполярных транзисторах делятся на насыщенные и ненасыщенные. При анализе транзисторных ключей рассматривают два режима — статический и динамический. В статическом режиме анализируется закрытое и открытое состояние ключа. В закрытом состоянии ключа на его входе низкий уровень напряжения (сигнал логического нуля), при котором оба перехода смещены в обратном направлении (режим отсечки). При этом коллекторный ток определяется только тепловым током. Ключи на комплиментарных транзисторах Усилитель полностью выполнен на комплементарных транзисторах. Он работает в режиме АВ. Примененные схемные решения позволили до минимума снизить нелинейные искажения. Основная особенность усилителя-симметричность плеч для обеих полуволн усиливаемого сигнала. Это дало возможность снизить нелинейные искажения усилителя без введения ООС. Другая особенность со. стоит в схеме выходного каскада, позволяющей усиливать сигнал не только по току, но и по напряжению. При этом облегчился режим работы транзиеторов предварительного каскада, поскольку требуемая амплитуда сигнала существенно меньше, чем для обычного выходного каскада. Линейные и нелинейные нагрузки. Если мы подключим к источнику напряжения постоянного тока резистор и будем менять величину напряжения, ток, протекающий в цепи, будет меняться пропорционально напряжению. Если мы подключим к источнику синусоидального переменного напряжения (например к сети или к ИБП с синусоидальным выходным напряжением) резистор, мгновенное значение тока в цепи будет пропорционально мгновенному значению напряжения. Следовательно ток в цепи будет синусоидальным, причем синфазным напряжению (т. е. максимальные значения тока будут наблюдаться точно в те же моменты вермени, что и максимальные значения напряжения. Если мы подключим к источнику синусоидального напряжения емкость, индуктивность или любое сочетание их с резисторами, ток в цепи по-прежнему будет синусоидальным. Но в этом случае, максимумы тока будут опережать максимумы напряжения (как на рисунке) или отставать от них. В зависимости от преобладания в цепи емкостей или индуктивностей, такую нагрузку называют екостной или индуктивной. А в совокупности все нагрузки (потребители электроэнергии) с синусоидальным током потребления (при синусоидальном напряжении) называются линейными. Импульсный блок питания (например компьютера) является нелинейной нагрузкой. Если компьютер подключить к источнику синусоидального напряжения, то зависимость тока, потребляемого компьютером, от времени будет иметь вид. На рисунке хорошо видно, что компьютер потребляет ток только в моменты, когда напряжение близко к своему максимуму, и не потребляет ток при низком напряжении. Форму тока, потребляемого нелинейной нагрузкой можно охарактеризовать теми же параметрами, что и любой колебательный процесс.

2.1.9.  Цифровые логические устройства Алгебра логики (булева алгебра) – это раздел математики, возникший в XIX веке благодаря усилиям английского математика Дж. Буля. Поначалу булева алгебра не имела никакого практического значения. Однако уже в XX веке ее положения нашли применение в описании функционирования и разработке различных электронных схем. Законы и аппарат алгебры логики стал использоваться при проектировании различных частей компьютеров (память, процессор). Хотя это не единственная сфера применения данной науки. Во-первых, она изучает методы установления истинности или ложности сложных логических высказываний с помощью алгебраических методов. Во-вторых, булева алгебра делает это таким образом, что сложное логическое высказывание описывается функцией, результатом вычисления которой может быть либо истина, либо ложь (1, либо 0). При этом аргументы функции (простые высказывания) также могут иметь только два значения: 0, либо 1. Триггер (триггерная система) — класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам — их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время. Отличительной особенностью триггера как функционального устройства является свойство запоминания двоичной информации. Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в одном из двух состояний и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за «1», а другое за «0», можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа, записанного в двоичном коде. Диодно-транзисторная логика (ДТЛ), — технология построения цифровых схем на основе биполярных транзисторов, диодов и резисторов. Своё название технология получила благодаря реализации логических функций (например, 2И) с помощью диодных цепей, а усиления и инверсии сигнала — с помощью транзистора. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL) — разновидность цифровых логических микросхем, построенных на основе биполярных транзисторов и резисторов. Название транзисторно-транзисторный возникло из-за того, что транзисторы используются как для выполнения логических функций (например, И, ИЛИ), так и для усиления выходного сигнала. Простейший базовый элемент ТТЛ выполняет логическую операцию И-НЕ, в принципе повторяет структуру ДТЛ микросхем и в то же время за счёт использования многоэмиттерного транзистора, объединяет свойства диода и транзисторного усилителя что позволяет увеличить быстродействие и энергопотребление, снизить потребляемую мощность и усовершенствовать технологию изготовления микросхемы. ТТЛ получила широкое распространение в компьютерах, электронных музыкальных инструментах, а также в контрольно-измерительной аппаратуре и автоматике (КИПиА). Благодаря широкому распространению ТТЛ входные и выходные цепи электронного оборудования часто выполняются совместимыми по электрическим характеристикам с ТТЛ. Максимальное напряжение в схемах с ТТЛ может достигать 24В, однако это приводит к большому уровню паразитного сигнала. Достаточно малый уровень паразитного сигнала при сохранении достаточной эффективности достигается при напряжении 5В, поэтому данная цифра и вошла в технический регламент ТТЛ. Эмимттерно-свямзанная ломгика (ЭСЛ, ECL) — семейство цифровых интегральных микросхем на основе дифференциальных транзисторных каскадов. ЭСЛ является самой быстродействующей из всех типов логики, построенной на биполярных транзисторах. Это объясняется тем, чтотранзисторы в ЭСЛ работают в линейном режиме, не переходя в режим насыщения, выход из которого замедлен. Низкие значения логических перепадов в ЭСЛ-логике способствуют снижению влияния на быстродействие паразитных ёмкостей. Основная деталь ЭСЛ-логики — схема потенциального сравнения, собранная не на диодах (как в ДТЛ), а на транзисторах. Схема представляет собой транзисторы, соединённые эмиттерами и подключенные к корпусу (или питанию) через резистор. При этом транзистор, у которого напряжение на базе выше, пропускает через себя основной ток. Как правило, один транзистор в схеме сравнения подключен к опорному уровню, равному напряжению логического порога, а остальные транзисторы являются входами. Выходные цепи схемы сравнения поступают на усилительные транзисторы, а с них — на выходные эмиттерные повторители. Интегрально-инжекционная логика (ИИЛ, И2Л, И3Л, I2L) — технология построения логических элементов на биполярных транзисторах. Интегрально-инжекционная логика появилась в 1971 г. Основными параметрами цифровых интегральных схем являются их быстродействие, потребляемая мощность, коэффициент объединения по входу, коэффициент разветвления по выходу, устойчивость против внешних воздействий, степень интеграции, надежность. Быстродействие ИС. Быстродействие ИС, как правило, определяется средней задержкой сигнала tcp, равной среднему арифметическому задержек включения и выключения одного инвертора. При определении средней задержки в качестве границ временных интервалов обычно берут точки на фронтах, соответствующие половине перепада напряжения, или точки, соответствующие уровням 0,1 и 0,9 этого перепада. По средней задержке логические ИС делятся на сверхбыстродействующие (tcp <5 нс), быстродействующие (tcp =5-10 нс), среднего быстродействия (tcp = 10-100 нс), низкого быстродействия (tcp >100 нс). Схемы ТТЛ-типа относятся к схемам среднего быстродействия. Для них типична средняя задержка 5-50 нс. Наибольшее быстродействие имеют транзисторные логические схемы с эмиттерными связями. Для них средняя задержка составляет 1-10 нс. Потребляемая мощность. Потребляемая мощность логических ИС обычно зависит от того, какие сигналы поданы на входы этой ИС. Поэтому потребляемую мощность принято оценивать средней мощностью ( Р ср ), потребляемой типовым логическим элементом во включенном и выключенном состояниях. Как правило, чем выше быстродействие схем, тем больше средняя потребляемая ими мощность. Для схем ЭСЛ Рср составляет 20 - 80 мВт, для схем ТТЛ это 2-40 мВт, для КМОП 1-100 мкВт. В процессе переключения логических ИС средняя потребляемая мощность выше средней статической мощности вследствие всплесков тока в переходных режимах. Особенно это заметно в ИС с малым потреблением. Поэтому для них обычно указывается потребляемая мощность в динамическом режиме при определенной тактовой частоте. Поскольку снижение средней задержки логических схем сопровождается ростом потребляемой ими мощности, то находит применение параметр, называемый работой переключения (или добротностью), равный произведению средней мощности, потребляемой ИС, и средней задержки. Для первых поколений ИС этот показатель лежал в диапазоне 50-100 пДж. Последующие разработки позволили снизить его до 0,5-5 пДж. Помехоустойчивость. Помехоустойчивость логических ИС принято характеризовать параметром, называемым статической помехоустойчивостью. Статическая помехоустойчивость - это наименьшее постоянное напряжение, которое, будучи добавлено (при самом неблагоприятном сочетании обстоятельств) к полезному входному сигналу, вызовет ошибку по всей последующей цепи логических схем. Статическая помеха наблюдается в тех случаях, когда относительно велико сопротивление проводников, подводящих к ИС напряжение питания. Падения напряжения на "земляной" шине, разные для разных ИС, будут суммироваться со входными сигналами и могут приводить к сбоям. Для исключения подобных ситуаций необходимо внимательно относиться к расположению проводников, подводящих напряжения питания, и увеличивать по возможности их сечение. Что касается импульсной помехоустойчивости, то для того, чтобы возник сбой, импульсная помеха, как правило, должна быть больше, чем статическая. Поэтому при одинаковой статической помехоустойчивости схемы с меньшей средней задержкой сильнее подвержены действию импульсных помех. Наименьшую помехоустойчивость имеют схемы ЭСЛ, для них статическая помехоустойчивость U ст составляет 0,1-0,3 В. В схемах ТТЛ помехоустойчивость выше благодаря наличию смещающих р-n-переходов на входах инверторов. Допустимая статическая помеха для этих схем равна 0,4-1,1 В. Для логических схем на КМОП-транзисторах величина U стможет достигать 2-3 В, что объясняется большими логическими перепадами напряжения в этих схемах.