Конспект Промышленная электроника

Конспект " Промышленная электроника"

Часть 2

5.9 Импульсные усилители. Занятие 52

Импульсные усилители (ИУ) предназначены для усиления импульсов тока или напряжения с минимальным искажением их формы. Входной сигнал изменяется настолько быстро. что форма сигнала на выходе в основном зависит от переходных процессов. Полоса пропускания ИУ очень широка: от единиц Гц до МГц. Роль ИУ постоянно возрастает вследствие высокой экономичности. ИУ применяются как в звуковой аппаратуре, так и силовых цепях, например, при ШИМ-регулировании. Отличия усиленного импульса от прямоугольного выражаются в следующих параметрах.

А-размах или величина импульса.

ΔА-относительный спад вершины.

τ_ф—длительность фронта импульса (время восстановления). Измеряется от 0,1 до 0,9 размаха импульса.

τ_с - длительность среза (спада) импульса. Измеряется от 0,1 до 0,9 размаха импульса.

τ—длительность импульса, измеряется на уровне 0,5А.

b₁ , b₂ --выбросы на фронте и срезе.

Для усиления импульса усилитель должен обладать противоречивыми качествами: фронты и срезы требуют максимально возможной частоты в то время как вершина требует минимально возможной частоты (постоянная величина). Лучше всего для такой работы подходят усилители с гальваническими связями (УГС – УПТ). Но УГС имеют хорошие качества только в интегральном исполнении. Поэтому для импульсных сигналов больших частот используют импульсные усилители переменного тока с коррекцией по верхним и нижним частотам – высокочастотная и низкочастотная коррекция.

Наиболее распространенным видом ВЧ-коррекции является включение в цепь коллектора (или стока) индуктивности L. R_к, L, разделительные емкости, связывающие коллектор с источником питания через другие элементы схемы образуют параллельный колебательный контур, который должен быть рассчитан так, чтобы работать на верхних частотах в состоянии, близком к резонансу. В этом состоянии контур имеет большое сопротивление, и контур имеет повышенный коэффициент усиления. С помощью индуктивности можно поучить увеличение амплитуды на ВЧ в ≈1.5 раза.

При низких входных сопротивлениях последующего каскада эффективность индуктивной коррекции низка. Используют высокочастотную эмиттерную коррекцию. Дополнительные элементы R_кор и C_кор создают дополнительную ООС, от которой усиление усилителя уменьшается. Но на ВЧ сопротивление конденсатора C_кор падает, ООС ослабевает, усиление увеличивается, т.е. общий коэффициент усиления уменьшается, но ВЧ не ослабевают по сравнению с более низкими частотами.

Для поддержания уровня вершины импульса необходимо уменьшить нижнюю частоту полосы пропускания усилителя, т.е. ввести низкочастотную коррекцию. Обычно это осуществляется с помощью RC-фильтра, введенного в цепь коллектора (или стока). Конденсатор С_ф выбирают так, чтобы на высоких и средних частотах его сопротивление было бы минимальным. С уменьшением частоты сопротивление конденсатора растет. Сопротивление цепи R_фC_ф также растет. Сопротивление в цепи коллектора возрастает, коэффициент усиления увеличивается. В результате амплитуда нижних частот относительно возрастает.

Фильтр R_фC_ф играет еще одну полезную роль: при его отсутствии переменные напряжения передаются на источник питания, создают на нем падение напряжения и через него воздействуют на все элементы, питающиеся от этого источника. R_фC_ф- цепь отфильтровывает эти частоты, т.е. уменьшает паразитную связь между каскадами по переменному току. Такие фильтры носят название развязок.

 

 

Раздел 6. Генераторы гармонических колебаний

6.1 Общие сведения. Занятие 53.

Генераторы гармонических (синусоидальных) колебаний (ГСН) создают незатухающие электрические колебания синусоидального характера. Для этого используется энергия источника чаще всего постоянного тока.

В ГСН с внешним возбуждением входят резонансные цепи, колебания которых, возникшие под действием внешних сигналов, усиливаются и используются.

В ГСН с самовозбуждением (часто их называют автогенераторами) генерирование синусоидальных колебаний происходит без сигналов извне, в результате "самовозбуждения".

ГСН разделяются на низкочастотные (до 100кГц), высокочастотные (от 100кГц до 100МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 100МГц).

Любой автогенератор представляет собой усилитель, охваченный ПОС. В показанной схеме, учитывая, что напряжения и коэффициенты усиления имеют комплексный характер, можно написать:

= = , т.е. = , , или = 1. Это выражение является условием незатухающих колебаний генератора. Ему соответствует два уравнения: Кβ = 1 и

φ₁ + φ₂ = 2πn,

где φ₁ и φ₂ фазовый сдвиг, создаваемый усилителем и цепью ОС. Первое уравнение требует от усилителя такого коэффициента усиления, который полностью компенсирует все потери напряжения в цепи ПОС. Второе—требования к сдвигам по фазам: фазы должны быть такими, чтобы входное напряжение не работало "против" выходного.

Различают "мягкий" и "жесткий" режимы самовозбуждения. При мягком режиме достаточно выполнения предыдущих условий. При включении питания генератор начинает самостоятельно работать. При жестком режиме этого недостаточно. Необходимо еще в начальный момент подать на вход усилителя дополнительное напряжение.

Устройство должно генерировать только одну частоту. Поэтому в цепь ОС вставляют устройства, обладающие избирательными свойствами, например, параллельный колебательный LC –контур.

 

 

6.2 LC и RC-генераторы

6.2.1 LC- генераторы. Занятие 54.

Множество существующих схем LC—генераторов отличаются способами включения колебательного контура и создания ПОС. Популярна схема с колебательным контуром, подключенным тремя точками к остальной схеме (поэтому схема генератора называется трехточечной). Частота колебаний определяется собственной частотой резонансного контура.

При включении питания в контуре возбуждается частота

f₀ = . Поданная на базу транзистора, она усиливается и подаётся на выход и обратно на контур для поддержания колебаний. Важно, чтобы энергии усиленных колебаний хватило на поддержание колебаний. Разделительные емкости С_р не позволяют поступать в контур и на нагрузку постоянному току. Индуктивность L затрудняет прохождение колебаний через источник питания, который может иметь очень малое сопротивление переменному току.

В зависимости от характера элемента, подключаемого к базе (в данной схеме—индуктивность), трехточечные схемы бывают индуктивными или емкостными.

Для построения LC-генераторов гармонических колебаний удобно использовать интегральные операционные усилители.

Часто связь с транзистором осуществляют с помощью трансформатора.

 

6.2.2 RC—генераторы. Стабилизация частоты. Занятие 55.

LC-генераторы хороши для высоких частот: чем выше частота, тем меньше размеры конденсаторов и емкостей. Для низких частот выгодно применять RC—генераторы., тем более, что технологически выгоднее использовать сопротивления.

Для того, чтобы устройство работало на постоянной частоте используются RC-цепи, главной особенностью которых является высокий коэффициент передачи на одной частоте и низкий на других частотах. Вследствие этого одна из частот усиливается, другие подавляются. Такая цепь устанавливается на входе первого усилительного каскада генератора.

Для генерации необходима положительная ОС. Так как один каскад создает фазовый сдвиг 180⁰, необходим второй каскад. Суммарный сдвиг по фазе составит 360⁰, что эквивалентно нулю. Первый каскад собран на основе транзистора VT1, второй –на основе VT2. Второй каскад—обычный усилитель с ООС и разделительным конденсатором С3.

ПОС генератора создается с помощью частотно-зависимого четырехполюсника, состоящего из резисторов R1 и R3, конденсаторов С1 и С2. Такой четырехполюсник хорошо пропускает частоту f, на которую он рассчитан, но сильно ослабляет другие частоты и известен под названием мост Вина. Сопротивление R3 дополнительно участвует в цепи смещения базы транзистора. На четырехполюсник подается напряжение с выхода второго каскада. Эмиттерной ООС в цепи первого каскада быть не должно, так как она уменьшает коэффициент усиления каскада. Обычно выбирают R₁=R₂=R и C₁=С₂=С. Тогда частота генерации

f =

Условие R₁=R₂ практически невыполнимо из-за шунтирования резистора R₃ транзистора.

Значительно проще выполнить RC—генератор с помощью ОУ. При этом легко выполнить его перестраиваемым по амплитуде с помощью второго входа (резистор R₄). Как видно из рис. ПОС осуществляется через мост Вина от выхода на неинвертирующий вход. Частоту можно регулировать одновременным изменением сопротивлений или емкостей (сдвоенными регуляторами)

Частотно-зависимые четырехполюсники могут иметь максимальный коэффициент передачи вблизи резонансной точки, либо минимальный. В зависимости от этого его необходимо устанавливать либо в цепь неинвертирующего входа (как на рис.), либо в цепь инвертирующего входа ОУ.

На частоту генератора влияет множество факторов (температура, напряжение ИП, влажность, нагрузка и т.д.). Большинство методов стабилизации частоты сводится к уменьшением потерь автогенератора. Но наиболее эффективным способом стабилизации частоты является применение кварцевых стабилизаторов.

Кварц в первом приближении представляет собой последовательно соединенные сопротивление, емкость и индуктивность, т.е. он является последовательным резонансным контуром. Резонансная частота его определяется выражением

f₀=.

Частота кварца определяется его размерами. Обычно кварц включают в цепь ОС. Для выполнения условий самовозбуждения необходимо, чтобы частота генератора была кратна частоте кварца. Генератор работает на частоте кварца (при равенстве частот) или на частоте гармоник кварца.

Кварцевая стабилизация позволяет стабилизировать относительную частоту генератора на два-три порядка по сравнению с обычными генераторами. Для получения более высокой степени стабилизации частоты применяют термостатирование.

Занятие 56. Лабораторная работа № 8. Исследование генератора гармонических колебаний.

 

Радел 7.Транзисторные ключи.

7.1.1.Понятие "электронный ключ". Виды ключей. Занятие 57. Ключи включают и выключают управляемый объект. Выключатель это ключ.… Качество работы электронного ключа (ключа) определяется его быстродействием, сопротивлением во включенном состоянии и…

Раздел 8. Логические устройства.

8.1 Основные логические элементы

8.1.1 Характеристики логических элементов. Занятие 63.

Логические элементы работают с представлением информации в двоичном коде, который характеризуется двумя уровнями—1 и 0. При прямом представлении информации 1 соответствует высокому уровню напряжения, 0 —низкому. В устройствах обратной логики 1 соответствует низкому напряжению, 0—высокому. Обычно пользуются прямой (позитивной) логикой, но бывают случаи, когда выгодно использовать обратную логику. В логических устройствах обычно используют в качестве 1 постоянное напряжение (например, 3, 5, 9, 12 В), в качестве логического нуля –0В. Элементы могут иметь прямой или инверсный (т.е. противоположный прямому) входы и выходы.

Логические элементы на схемах в европейских стандартах обозначаются прямоугольниками, входы слева, выходы—справа. Внутри прямоугольника указывается функция, осуществляемая элементом. Функция задается или таблицей истинности, или языком алгебры логики. Элемент НЕ называется инвертором.

Показанные элементы являются базовыми, т.е. на их основе строятся другие элементы, используемые для построения электрических схем. Элементы могут быть двухвходовыми и более. Есть элементы, позволяющие увеличить количество входов.

Логические элементы обычно выпускаются в виде микросхем. В один корпус может входить несколько элементов, каждый из которых может самостоятельно использоваться в различных частях схемы. Например, в корпусе может быть шесть инверторов. Общими остаются только цепи питания.

 

8.1.2 Передаточные характеристики элементов. Занятие 64.

Передаточная характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения от входного. Если элемент многовходовой, остальные входы должны быть установлены в такие состояния, которые необходимы для передачи состояния исследуемого входа. Передаточная характеристика существует для каждого из входов. Для примера показана передаточная характеристика инвертора.

 

При изменении входной величины от нуля до некоторого значения , которая называется пороговым напряжением логического нуля, выходная величина равна единице.

При изменении входного напряжения от некоторого значения , которое называется пороговым напряжением логической единицы, до напряжения источника питания выходная величина равна нулю. В какой-то точке участка АВ, т.е. между двумя пороговыми напряжениями происходит переход из логической единицы в логический ноль. Точка перехода зависит от настройки логического элемента. Однако для безошибочного различения сигналов логического нуля и логической единицы при использовании логических элементов необходимо выполнять следующие соотношения, которые на графике показаны при напряжении питания 5В (для других напряжений соотношения остаются в тех же пропорциях).

1) Логическим нулем считаются напряжения от 0 до 0,4 В.

2) Логической единицей считаются напряжения от 2,4 до 5В.

3) Участок от 0,4 до 2,4 В считается запрещенной зоной, т.е.при различных преобразованиях сигнала его напряжение не должно попадать в запрещенную зону.

Переход из одного состояния в другое происходит не мгновенно, а через некоторое время, называемое задержкой распространения. Задержка распространения из единицы в ноль и задержка распространения из нуля в единицу могут быть не равны друг другу. Задержка распространения измеряется на середине размаха импульса. Обычно пользуются средним арифметическим значением задержки распространения. Эта величина относится к параметрам логического элемента.

К параметрам относятся.

t¹⁰—длительность перехода из единицы в ноль;

t⁰¹—длительность перхода из нуля в единицу.

Быстродействие логического элемента определяется его задержкой распространения, которая имеет величину от единиц нс до десятков нс.

Важными параметрами являются коэффициент разветвления по выходу (количество входов логических элементов, которое можно подключить к одному выходу) и коэффициент объединения по входу (число входов, при которых реализуется логическая функция). Коэффициент разветвления бывает не менее десяти, коэффициент объединения используется редко, т.к. объединение реализовано в логическом элементе.

 

8.2 Базовые схемы логических элементов

8.2.1 ДТЛ и ТТЛ. Занятие 65.

Диодно-транзисторная логика построена на основе диодов и транзисторов. В основу входят базовые логические элементы, схемные решения которых одинаковы для всей системы. На рисунке показан элемент 3И-Не. Схема И реализована на диодах, инвертирование—на транзисторе VT. Если на входах Х1…Х3 единицы, на базе транзистора –единица, транзистор в насыщении, на выходе –напряжение отпертого транзистора, т.е. не более 0,4 В—логическая единица. Для увеличения быстродействия нужно уменьшить степень насыщения транзистора, что достигается введением диода VD6. При подаче на любой из входов нуля напряжение в точке а становится равным падению напряжения на открытом диоде. Этого может оказаться недостаточно для запирания транзистора. Для большего уменьшения напряжения базы введено два диода VD4 и VD5(диоды смещения). Иногда на вход транзистора подается отрицательное относительно эмиттера напряжение смещения через резистор R2.

Если источник отрицательного смещения отсутствует, резистор R2 подключается к эмиттеру. Транзистор при нуле на входе микросхемы может оказаться не в режиме отсечки, а в активном режиме при малом токе коллектора. Это увеличивает быстродействие, но уменьшает надежность и увеличивает потребление. Для повышения нагрузочной способности применяют сложный инвертор.

ДТЛ имеет большие недостатки (большое выходное сопротивление в закрытом состоянии транзистора, малая нагрузочная способность) и практически мало где применяется.

В ТТЛ (транзисторно-транзисторной логике), как правило, применяется сложный инвертор и многоэмиттерный транзистор вместо диодов. ТТЛ компактнее ДТЛ, имеют более высокое быстродействие, надежность, нагрузочную способность, помехозащищенность, потребляют значительно меньшую мощность.

В показанном на схеме многоэмиттерном транзисторе VT1 роль входных диодов играют эмиттерные переходы, а коллекторный диод—роль диода смещения. Сложный инвертор выполнен на транзисторах VT2…VT4.

 

При Х1=Х2=Х3=1 все эмиттерные переходы смещены в обратном направлении. Напряжение на коллектор подается через базу транзистора VT2. Коллекторный переход транзистора VT1 открыт, и положительное напряжение подается на базу VT2; через базу VT2 протекает ток. VT2 открывается и переходит в состояние насыщения.

При нулевом состоянии любого из входов переход этого входа открывается, через сопротивление R1 и базу протекает ток, напряжение на базе транзистора VT2 становится близким к нулю, ток базы транзистора так же становится близким к нулю, транзистор VT2 закрывается.

На выходе микросхемы напряжение формируется сложным инвертором, работа которого описана ниже.

Когда транзистор VT2 закрыт на базу транзистора VT3 подается высокое, а на базу транзистора VT4—низкое напряжение. Транзистор VT4 закрывается. При закрытом состоянии транзистора VT2 на базу транзистора VT3 подается напряжение, почти равное напряжению источника питания. Транзистор откроется, даже если нагрузка микросхемы имеет довольно большое сопротивление. На выход будет подана логическая единица.

Когда транзистор VT2 открыт, на базу VT3 подается достаточно низкое напряжение, VT3 закрывается. При этом VT4 открывается, так как на его базу подается достаточно высокое напряжение. Коллекторное напряжение поступает на транзистор с нагрузки. На нагрузку поступает нулевое напряжение.

Из рассмотрения схемы видно, что выходное напряжение не может быть равным нулю (логический ноль) или напряжению источника питания (логическая единица). Значит, сопротивления R1…R4 должны быть рассчитаны так, что выходные напряжения в наихудших ситуациях не должны выходить за указанные ранее допуски.

Промышленность. выпускаются следующие серии ТТЛ.

133, 155 (SN74) –общего применения, стандартные;

1533—пониженного потребления ;

130, 131—высокого быстродействия;

134 –микромощные;

530,531 –с диодами Шоттки;

555 – микромощные с диодами Шоттки.

 

8.2.2 Эмттерно-связанная логика ( ЭСЛ). Занятие 66.

Основу ЭСЛ составляют устройства на переключателях тока со связанными эмиттерами (VT2—VT3). В эмиттерной цепи обоих транзисторов установлен генератор тока, роль которого может играть сопротивление большого номинала. Назначение генератора тока заключается в том, что независимо от того, какой из транзисторов включен, или включены оба, ток определяется только генератором тока. На схеме показан базовый логический элемент ИЛИ.

На транзисторы VT1 и VT2, включенные параллельно, подаются входные сигналы Х1 и Х2.Единица на одном из входов (или на обоих) открывает соответствующий транзистор и на выход Y1 подается напряжение, соответствующее нулю. Параллельно включенные транзисторы создают схему ИЛИ. По сопротивлению R5 протекает ток, определяемый этим сопротивлением. Сопротивление R5 выбрано настолько большим, что ток, протекающий по нему, не зависит от того, сколько транзисторов включено одновременно (схема может иметь больше двух входов). В этом заключается роль генератора тока: падение напряжения на сопротивлении R5 не зависит от числа открытых входов. Как только открывается один (или несколько) из транзисторов, напряжение эмиттера транзистора VT3 поднимается на строго определенную величину. Транзистор VT3 используется для того, чтобы создать на выходе сигнал Y2, инверсный Y1. На базу транзистора VT3 подается опорное напряжение, которое создается элементами VT4, VD1, VD2, сопротивлениями R6…R8.

Когда транзисторы группы VT1 открыты, на эмиттере транзистора VT3 напряжение равно произведению тока в сопротивлении R5 на номинал этого сопротивления. Чтобы транзистор VT3 был закрыт, напряжение на базе транзистора (опорное напряжение) должно быть ниже, чем на эмиттере (например, если падение напряжения на сопротивлении равно 2,5 В, а на базе транзистора напряжение равно 2В, транзистор будет уверенно закрыт). Если же все транзисторы группы VT1 закрыты, падение напряжения на сопротивлении R5 мало и те же 2В на базе уверенно откроют транзистор. Когда транзистор VT3 открыт, по нему протекает ток, который создает падение напряжения на сопротивлении R5, которое должно быть меньше опорного напряжения. Такое состояние достигается подбором сопротивления R4. От соотношения сопротивлений R4 и R3 зависит устойчивость состояний ЭСЛ.

Сигналы Y1 и Y2 подаются на выходные усилители, в качестве которых обычно используются эмиттерные повторители, которые создают большую нагрузочную способность, малое выходное сопротивление и величину сигнала, совместимую с логическими элементами данной серии.

Микросхемы ЭСЛ имеют высокое быстродействие, сравнительно низкую стоимость, высокую помехоустойчивость, стабильность параметров при изменении температуры и напряжения питания. Недостатком является высокая потребляемая мощность. Область применения—высокопроизводительные и быстродействующие устройства вычислительной техники.

 

8.2.3 Логические элементы И²Л. Занятие 67.

Элементы ТТЛ для повышения надежности срабатывания должны работать в режиме насыщения: кратковременной помехе трудно вывести транзистор из этого состояния. За счет этого элементы имеют относительно невысокое быстродействие. Для увеличения быстродействия элементы должны работать в режиме, близком к насыщению, но ненасыщенном. Но тогда падает помехозащищенность. В элементах И²Л транзисторы работают в режиме насыщения, но для быстрого вывода их из этого состояния имеется еще один электрод—инжектор, роль которого сводится к дополнительному инжектированию носителей в базу основного транзистора. В структуре, показанной на рисунке, основной транзистор образован областями n₂–p₂-n₁, а дополнительный транзистор областями p₁-n₁-p₂. Его коллектор называют инжектором (И). Дополнительный транзистор своим коллектором (p₂) соединен с базой основного транзистора (фактически это одна область). Дополнительный транзистор работает в ключевом режиме и открывается напряжением, поступающим на базу основного транзистора. Для этого на инжектор р-типа подается положительное напряжение смещения 1…1,5 В. Чтобы выходное напряжение не зависело от количества входов, используются генераторы тока.

Достоинствами элементов И²Л является высокая степень интеграции, большое быстродействие, способность работать на малых токах (нА) при малых значениях питающих напряжений.

 

8.2.4 МДП и КМДП. Занятие 68.

Технология МДП-транзисторов проще, чем технология биполярных транзисторов, плотность монтажа на кристалле может быть выше, управлять элементами удобней в связи с малыми токами. Поэтому и микросхемы средней и высокой степени интеграции создают на основе МДП-транзисторов. Чаще других используют транзисторы с индуцированным каналом. Важным обстоятельством является то, что уровни сигналов совмещаются с уровнями элементов, выполненных по другим технологиям.

Если транзисторы имеют канал p-типа, то они должны работать с источниками отрицательного напряжения, т.е. и логические сигналы должны быть отрицательными (отрицательная логика). При канале n-типа работа описывается положительной логикой. Важным качеством МДП-логики является возможность выполнять однотипные транзисторы, участвующие в работе схемы, с отличающимися параметрами. Например, можно в определенных транзисторах выполнять каналы более узкими или широкими, что делает их сопротивления отличными от сопротивлений других транзисторов, а это упрощает схему.

Для повышения быстродействия и снижения потребляемой мощности ЛЭ строятся на комплементарных транзисторах (КМДП). В этих случаях применяется положительная логика и ЛЭ получаются достаточно компактными. На рис. показана схема элемента И-Не. VT3 и VT4 –МДП –транзисторы с каналом n-типа. Транзисторы VT1 и VT2 --транзисторы с каналом p-типа. Элемент выдает на выход Y "ноль", когда оба входа Х находятся в состоянии 1. При любой другой комбинации входов на выходе состояние 1. Схема работает следующим образом. При Х1=Х2=1 транзисторы VT3 и VT4 открыты, а транзисторы VT1 и VT2 закрыты. На выходе Y напряжение близко к напряжению корпуса, т.е. состояние 0 Если на одном из входов, например, Х1, или на обоих, состояние 0, то соответствующие ему транзисторы будут в следующем состоянии: VT3 закрыт, VT2 открыт. Состояние выхода равно нулю. Интересное качество МДП-транзисторов заключается в том, что транзисторы можно включать последовательно. Это связано с тем, что в открытом состоянии их сопротивление очень мало, а в закрытом—велико. Поэтому последовательно включенный транзистор почти не влияет на работу второго.

Элемент ИЛИ-Не также выполняется на комплементарных транзисторах. В этой схеме Y=1 при Х1=Х2=0. При остальных комбинациях состояний входов Y= 0.

При Х1=Х2=0 транзисторы VT1 и VT4 закрыты, а транзисторы VT2 и VT3 открыты. На выход Y через открытые транзисторы поступает напряжение, близкое к напряжению источника питания, Y=1. Если на одном из входов, например, Х₁=1, транзистор VT4 открыт, а VT3 закрыт. Независимо от состояния входа Х2 последовательное включение транзисторов VT2 и VT3 не передает на выход Y напряжения источника питания, а параллельное включение транзисторов VT1 и VT4 подключает выход Y к корпусу, т.е. состояние выхода Y=0.

Логические элементы КМДП транзисторах отличаются малым потреблением мощности, высоким быстродействием, высокой помехоустойчивостью, высокими уровнями логической единицы (близко к Е источника питания) и небольшим отличием от нуля по напряжению при логическом нуле. Недостатком является некоторое технологическое усложнение по изготовлению комплементарных МДП-транзисторов.

 

Раздел 9. Импульсные генераторы и компараторы.

9.1 Мультивибраторы и одновибраторы.

9.1.1 Мультивибраторы на дискретных элементах. Занятие 69.

Мультивибраторы являются генераторами прямоугольных импульсов с высокой крутизной фронта и среза. Они относятся к релаксационным генераторам, суть которых состоит в медленном накоплении энергии на реактивных элементах (например, конденсаторах) и быстрым ее выделением в следующей фазе. Мультивибраторы применяются в импульсной и вычислительной технике и могут быть выпущены в интегральном исполнении.

Мультивибратор можно представить как два усилителя, вход каждого из которых присоединен к выходу другого. Если оба усилителя одинаковые, мультивибратор называется симметричным. Симметричный мультивибратор выдает две импульсные последовательности, сдвинутые по фазе на 90⁰. Изменением элементов мультивибратора (емкостей и сопротивлений) можно выполнить несимметричный мультивибратор, скважности импульсов в каждой из последовательностей которого неодинаковы.

На рисунке а показана схема простейшего мультивибратора, а на рисунке б упрощенная диаграмма напряжений в выделенных точках схемы.

Пусть в некоторый момент транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт. Для этого необходимо, чтобы на базе транзистора VT1(в точке Б1) напряжение было равно нулю или отрицательно, а в точке Б2 напряжение должно быть положительно. В точке К1 напряжение равно напряжению источника питания, а в точке К2—нулю. Конденсатор С1 заряжен до напряжения источника питания, т.е. на первой обкладке напряжение равно напряжению источника питания, а на второй –ноль. Конденсатор С₂ разряжен, на обеих обкладках напряжение равно напряжению источника питания.

Пусть пока по неизвестной причине транзистор VT1 стал открываться. Как только начался этот процесс, напряжение в точке К1 стало приближаться к нулю (см. диаграмму), так как открывание транзистора ведет к уменьшению его сопротивления.. Так как конденсатор С1 не может разрядиться мгновенно, напряжение на его второй обкладке останется ниже напряжения на первой обкладке на величину заряда конденсатора. На первой обкладке напряжение близко к нулю, на второй станет отрицательным. Напряжение в точке Б2 тоже станет отрицательным. Транзистор VT2 закроется. В точке К2 напряжение вырастет до напряжения близкого к напряжению источника питания. На базу транзистора VT1 (точка Б1) будет подано положительное напряжение, транзистор еще более откроется. Так будет продолжаться до тех пор, пока транзистор не перейдет в область насыщения. Чем больше открывается транзистор, тем меньше падение напряжения на нем. Это приведет к понижению напряжения на обеих обкладках конденсатора С1, т.е. к большей степени запирания транзистора VT2 (до режима отсечки). Процесс переключения происходит очень быстро, что показано на диаграмме вертикальными линиями. Переход к режиму отсечки не происходит мгновенно, что на диаграмме выражается изгибом фронта напряжения в верхней части U_К2 транзистора VT2 (точка К2). Итак: как только транзистор VT1 стал открываться, транзистор VT2 закрывается. Это приведет к устойчивому состоянию, когда VT1открыт и насыщен, VT2 закрыт. На диаграмме состояние транзистора показано напряжением его коллектора, т.е. точек К1 и К2: транзистор открыт—напряжение ноль, закрыт—напряжение источника питания. Такое состояние могло бы продолжаться бесконечно, если бы конденсаторы сохранили свой заряд. Так как конденсаторы перезаряжаются, состояние называется квазиустойчивым.

Точки Б1 и Б2 соединены с плюсом источника питания сопротивлениями R_б1 и R_.б2. В точке Б2 напряжение отрицательное. Значит, по сопротивлению R_.б2 будет протекать ток (см. участок 1 диаграммы), который будет поднимать напряжение второй обкладки конденсатора С1 т.е. напряжение точки Б2 (более строго этот процесс можно назвать разрядом конденсатора С1 по цепи: первая обкладка—открытый транзистор VT1—источник питания -- R_.б2—вторая обкладка). В то же время конденсатор С2 заряжается по пути: плюс источника питания—R_К2—конденсатор С2—базовый переход транзистора VT1—минус источника питания. Как только напряжение U_Б2 дойдет до нуля, транзистор VT2 откроется (см. участок 2 диаграммы), в точку Б1 будет подано отрицательное напряжение, транзистор VT1 закроется. Происходит процесс , подобный описанному выше. Мультивибратор переходит во второе квазиустойчивое состояние, когда VT2 открыт и насыщен, VT1 закрыт.

Мультивибратор постоянно переходит из одного квазиустойчивого состояния в другое. Период колебаний и скважность генерируемых импульсов зависит от длительности заряда-разряда конденсаторов, что в свою очередь зависит от номиналов сопротивлений и конденсаторов. входящих в мультивибратор.

Усилители, на которых собран мультивибратор, и процессы, происходящие с них, не могут быть абсолютно одинаковыми. Поэтому при включении питания мультивибратор входит в одно из квазиустойчивых состояний с дальнейшей генерацией импульсов.

Указанная схема обладает некоторыми недостатками (недостаточно прямоугольная форма импульсов, недостаточная крутизна фронтов и срезов и др.). Для устранения этих недостатков применяют достаточно простые и эффективные меры. Встречающиеся на практике схемы включают необходимые для этого элементы.

 

9.1.2 Мультивибраторы на ИМС. Занятие 70.

Мультивибраторы выпускают непосредственно в виде микросхем. Но они находят ограниченное применение в связи с тем, что времязадающие элементы (емкости) должны быть достаточно велики. Их приходится подключать внешними связями.

Каждый усилитель, входящий в мультивибратор, можно рассматривать как логический элемент НЕ. Это дает возможность создавать мультивибраторы на логических элементах. Но и их приходится связывать внешними подключениями. Ниже показан мультивибратор, на элементах НЕ (а) и упрощенная диаграмма его работы (б).

Выход каждого из инверторов подается на вход другого через дифференцирующую цепочку, в которую входит конденсатор и сопротивление (одна цепочка R1C1, вторая-- R2C2).

Пусть на выходе первого инвертора скачком изменяется напряжение из нуля в единицу (см диаграмму). Этот скачок передастся на сопротивление R1 в виде тока заряда конденсатора, который создаст на сопротивлении R1 падение напряжения U_R1. Это напряжение, которое будет воспринято как логическая единица, будет подано на вход второго инвертора, на выходе которого напряжение будет равно нулю. По мере заряда конденсатора С1 ток уменьшается. Уменьшается и U_R1. Когда это напряжение упадет до порогового значения, соответствующего нулю, на выходе второго инвертора установится единица, которая через вторую дифференцирующую цепочку будет подана на вход первого инвертора. На выходе его установится ноль. Этот процесс будет сопровождаться разрядом конденсатора С1, что создаст отрицательный всплеск напряжения на R1. Чтобы избавиться от него, установлен диод VD1, через который конденсатор разряжается с малым падением напряжения на нем. Процесс переключений будет продолжаться как угодно долго.

Мультивибратор можно создать и на операционном усилителе. Для этого на инвертирующий вход, к которому присоединен времязадающий конденсатор, необходимо через сопротивление подать напряжение выхода.

 

9.1.3 Одновибраторы на дискретных элементах. Занятие 71.

Одновибраторы обладают одним устойчивым состоянием, которое в результате внешнего воздействия может перейти во второе—квазиустойчивое состояние. Это второе состояние может продолжаться достаточно долго (время соизмеримо с секундой). Затем происходит самостоятельный возврат в устойчивое состояние. Одновибраторы можно создать на основе мультивибратора. В мультивибраторах каждое из квазиустойчивых состояний возникает за счет заряда-разряда конденсатора, связывающего коллектор одного транзистора с базой другого. Замена одного из конденсаторов сопротивлением (на схеме R2) должно создать устойчивое состояние. Однако для работы схемы необходимо подать отрицательное смещение на базу транзистора VT1, так как в противном случае оба транзистора могут быть открыты. Это смещение можно создать дополнительным источником питания Е_б. Работа такого мультивибратора происходит в следующем порядке. На базу транзистора VT2 подано через сопротивление R_б2 положительное напряжение. Поэтому он открыт. На выходе мультивибратора напряжение равно нулю. При подаче на вход отрицательного импульса через конденсатор С_р и диод VD транзистор VT2 закроется и на выходе возникнет положительное напряжение (сопротивление R_р является нагрузкой входного импульса). На базу транзистора VT1 будет подано положительное напряжение и он откроется. Это вызовет заряд конденсатора С, что вызовет увеличение напряжения на базе транзистора VT2.Через некоторое время, зависящее от емкости конденсатора, напряжение базы транзистора VT2 приблизится к нулю. Транзистор откроется и перейдет в насыщенное состояние. Имеется большое количество схем ждущего мультивибратора, изменения которых по сравнению с рассмотренным заключаются в в выполнении различных целей—быстродействие, крутизна фронтов, отсутствие выбросов и т.д..

Таким образом, мультивибратор находится в устойчивом состоянии, когда на выходе напряжение равно нулю. Подача на вход отрицательного импульса переводит его в положительное состояние, которое длится время, зависящее от емкости конденсатора. Затем мультивибратор возвращается в старое состояние. Второе название одновибратора—ждущий мультивибратор.

Наличие источника смещения –одно из качеств, из-за которого указанная схема почти не применяется. Применяется схема, в которой смещение создается традиционным способом—сопротивлением в цепи эмиттера.

При открытом транзисторе VT2 его эмиттерный ток протекает по сопротивлению Rэ, создавая на нем падение напряжения. В результате база транзистора VT1 находится под отрицательным смещением относительно эмиттера. Когда транзисторы переключаются, смещение создается за счет тока транзистора VT1.

В обеих схемах диод VD служит для устранения влияния на мультивибратор положительных импульсов. Он называется отсекающим диодом. Длительность формируемого импульса зависит от времени зарядки конденсатора С, которое зависит от произведения R_бC. Сопротивления R₁, R₂, R_э подбираются так, чтобы в исходном состоянии транзистор VT1 был закрыт, т.е. на его базе напряжение было отрицательным.

 

 

9.1.4 Одновибраторы на ИМС. Занятие 72.

В ряду элементов многих серий имеется микросхема, представляющая собой ждущий мультивибратор, характеристики импульса которого зависит от внешних элементов. На практике выполнение мультивибратора на логических элементах бывает более оправданным, чем применение специальной микросхемы. На рис. показан один из вариантов такого мультивибратора. Удоб ство такого построения заключается в том, что в одном корпусе содержится несколько логических элементов. часть из которых можно дополнительно использовать для других целей.

Мультивибратор выполнен на элементах 2И-Не. На входе U_вх логическая единица. На вход логического элемента D1.2 через сопротивление R подан "0". U_вых=1.

При подаче на вход короткого нулевого импульса (см. диаграмму) на выходе U₁ возникнет "1", которая через конденсатор будет подана на вход D1.2. U_вых станет равным "0" и будет поддерживать единичное состояние логического элемента D1.1. При переключении D1.1 в единичное состояние через конденсатор пойдет максимальный ток, который создаст на сопротивлении R падение напря жения U₂, которое и переключит элемент D1.2. По мере заряда конденсатора ток , а следовательно, падение напряжения на сопротивлении R уменьшается. При некотором (пороговом) напряжении элемент D1.2 переключится в единичное состояние. На вход элемента D1.1 поступят две единицы, он переключится в нулевое состояние. Разряд конденсатора создаст отрицательный выброс, который на работу влияния не окажет. Схема вернулась в начальное состояние.

Построенные графики не учитывают задержек переключения элементов. Следует также учесть, что уровень логической единицы и уровень логического нуля имеют достаточно широкие пределы, которые нет смысла отражать на диаграмме.

 

Лабораторная работа № 10. Исследование мультивибратора. Занятие 73.

9.2 Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

9.2.1 Принципы генерирования линейно изменяющихся напряжений. Занятие 74.

Линейно изменяющиеся напряжения, т.е. напряжения изменяющиеся по линейному закону от времени, используют во многих устройствах электроники, применяющиеся в различных областях науки и техники. Обычно это импульсы одиночные или периодические, характеризующиеся следующими параметрами.

Т_пр- длительность прямого хода;

Т_обр –длительность обратного хода;

Т – период повторения;

U_m – размах;

U₀ – начальный уровень;

ε – нелинейность или коэффициент нелинейности характеризует отклонение реального напряжения от прямолинейного. Напряжение линейно, если скорость его изменения в любой точке одинакова. Коэффициент нелинейности ε = характеризует отступление от постоянной скорости ;

ζ – коэффициент использования напряжения источника питания U_п.

ζ = .

Для создания линейно возрастающего или пилообразного напряжения используется заряд- разряд конденсатора. Так как при этом напряжение на конденсаторе изменяется нелинейно, используют малую часть периода, которая может считаться линейной. Вследствие этого и коэффициент использования напряжения мал. Из этих рассуждений становится ясно, что коэффициент использования напряжения и коэффициент нелинейности взаимосвязаны.

Ток заряда конденсатора С от источника питания с напряжением U_п зависит от сопротивления R₁. Чем больше R₁, тем дольше заряжается конденсатор (участок ab). В определенный момент (точка b на диаграмме) замыкается ключ S и конденсатор разряжается через сопротивление R₂(участок bc). Чем меньше R₂, тем быстрее разряжается конденсатор. В качестве ключа могут быть использованы различные активные элементы—транзисторы, тиристоры. Разряд конденсатора может не доходить до нулевого напряжения, так как чем меньше напряжение на нём, тем медленнее он разряжается. Для создания пилообразного напряжения с быстрым спадом импульса берут R₁>>R₂. При этом ключ должен быть замкнут очень короткое время T_обр.

 

9.2.2 Схемы ГЛИН. Занятие 75.

ГЛИН могут быть созданы на основе транзисторов, числовых и аналоговых микросхем. Простейшие ГЛИН могут быть разработаны в соответствии с изображенной выше структурной схемой. Работа генератора поясняется диаграммой.

При подаче на базу транзистора нулевого напряжения он закрыт. Конденсатор заряжается током I_C , протекающим от источника питания через сопротивление R_К.. Напряжение U_вых на конденсаторе растет, ток заряда по мере заряда конденсатора убывает. Когда на вход подается положительный импульс, транзистор открывается. Сопротивление его близко к нулю. Конденсатор быстро разряжается через транзистор. С окончанием положительного импульса транзистор запирается, начинается новый цикл заряда конденсатора. На диаграмме условно не учтена нелинейность процессов заряда-разряда конденсатора.

Вместо транзистора можно использовать микросхему, например, инвертор. Когда на входе инвертора "0", конденсатор С заряжается через сопротивление R₁. При подаче на вход короткого положительного импульса, на выходе инвертора "0", конденсатор разряжается через диод VD, который не пропускал ток при положительном напряжении на выходе инвертора.

В указанных схемах для создания удовлетворительной линейности необходимо использовать лишь начальную часть экспоненты, т.е. получится очень невысокий коэффициент использования напряжения. Логичным было бы пропорциональное усиление полученного напряжения. Это и делается с помощью ОУ. Однако при использовании ОУ применяют и ПОС, с помощью которых получают не только усиление, но и выравнивание экспоненциальной кривой.

В изображенном на рис. варианте напряжение конденсатора подается на неинвертирующий вход ОУ. В этом случае коэффициент усиления по напряжению

К_U = 1+

и U_вых = U_C(1+ ).

Через конденсатор С при закрытом транзисторе протекают два тока заряда: первый i₁-- от источника питания через сопротивление R_k , второй i₂ - от U_вых через сопротивление R₄.

i₁ = ; i₂ = = .

i₁ убывает по мере заряда конденсатора. i₂ по мере заряда конденсатора возрастает. Возрастание зависит от соотношения R₃ и R₂, которые можно подобрать так, чтобы зарядка происходила постоянным током и выходное напряжение обладало высокой линейностью.

Во многих случаях ГЛИН выполняются на основе интеграторов, так как при подаче постоянного напряжения на вход интегратора на выходе создается линейно возрастающее (или линейно падающее) напряжение. Интегратор необходимо дополнить устройством, возвращающим выходное напряжение к исходному при смене напряжения на входе.

 

 

Лабораторная работа № 11.Исследование ГЛИН. Занятие 76.

 

9.3 Компараторы

9.3.1 Компараторы напряжений без гистерезиса и компараторы с гистерезисом (триггеры Шмитта). Занятие 77.

Компараторы сравнивают два напряжения, одно из которых может быть опорным, т.е. таким относительно которого определяется расхождение. В качестве компараторов широко используются интегральные ОУ. Сравниваемые напряжения подаются на оба входа ОУ, на выходе которого вследствие очень большого коэффициента усиления создаются сигналы, приблизительно равные питающим напряжениям.

Компараторы напряжения без гистерезиса.

Эти компараторы были рассмотрены в разделе 8.3. К сказанному следует добавить обозначение компаратора в схемах. Если пользоваться двухполярными источниками питания, выходные напряжения будут соответствовать этим напряжениям. Можно использовать и однополярный источник питания (Е_П и 0). Тогда

выходное напряжение также будет однополярным.

Компараторы напряжения с гистерезисом (триггеры Шмиттта).

Триггеры Шмитта (ТШ) были рассмотрены в разделе 8.3.Здесь следует определить некоторые термины.

--Напряжение срабатывания (порог срабатывания) U_срб. Напряжение при котором происходит скачкообразное изменение напряжения на выходе при прямом изменении входного напряжения.

--Напряжение отпускания U_отп. Напряжение при котором происходит скачкообразное изменение выходного напряжения при обратном изменеии входного напряжения.

--Зона гистерезиса (гистерезис) U_срб - U_отп.

ТШ могут быть инвертирующими и неинвертирующими. Это зависит от подключения входов ОУ. Инвертирующий ТШ обозначается кружком на выходе.

ТШ имеет множество применений. Одним их них является применение ТШ для преобразования синусоидального напряжения в импульсное. Промышленостью выпускаются микросхемы ТШ с постоянным порогом срабатывания.

 

Лабораторная работа № 12. Исследование компаратора. Занятие 78.

 

Обязательная контрольная работа №2.

 

Раздел 10. Цифровая техника.

10.1 Триггеры на биполярных транзисторах.

10.1.1 Триггер с двумя динамическими входами (R,S).Занятие 79.

В отличие от одновибраторов триггеры имеют два устойчивых состояния, т.е. внешним воздействием триггер можно установить в определенное состояние, в котором он будет находиться до тех пор, пока следующее внешнее воздействие не установит его в другое устойчивое состояние. Одно из состояний принимают за "1", другое за "0". Так же, как мультивибратор, триггер реализуется с помощью двух усилителей с ПОС, называемых плечами. Связь между плечами осуществляется не с помощью конденсаторов, а с помощью сопротивлений.

При подаче питания оба плеча находятся в одинаковом состоянии. Но даже вследствие небольшой флуктуации ток в одном из плеч может быть больше, чем в другом. Пусть в левом плече ток больше. Это значит, что транзистор VT1 открыт несколько больше, коллекторное напряжение на нем ближе к нулю. чем на VT2. Это приводит к уменьшению напряжения базы транзистора VT2,коллекторный ток его уменьшается, коллекторное напряжение увеличивается. Это напряжение подается на базу транзистора VT1, который вследствие этого еще больше запирается. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока транзистор VT1 перейдет в состояние насыщения. При этом транзистор VT2 запрется. Процесс зависит от соотношения сопротивлений R₁, R₄ и R₅, R₃, создающих положительную ОС, а так же от напряжения источника Е_б. Чтобы ускорить процесс переключения, сопротивления R₁ и R₅ шунтируют небольшими емкостями.

При подаче отрицательного импульса на вход вх1 транзистор VT1 запирается, увеличивающееся коллекторное напряжение подается на базу VT2, который откроется и перейдет в состояние насыщения, приводя VT1 к отсечке. В таком состоянии триггер будет находиться до поступления на вход вх2 отрицательного импульса.

Источник питания Е_б включен в схему минусом к базам транзисторов. Это дает возможность уверенного выхода транзисторов в режим отсечки, когда транзистор должен закрыться.

Когда транзистор VT1 открыт, на базе его положительное напряжение, большее чем напряжение эмиттера. Диод VD1 открыт. В схеме его наличие необязательно. Но когда транзистор VT1 закрыт, на его базе должно быть отрицательное напряжение. Это достигается с помощью диода VD1. Эти же рассуждения подходят и к диоду VD2.

Входы и выходы триггера имеют свои обозначения. Единичный (прямой) выход триггера обозначается буквой Q, инверсный (обратный) символом Ǭ. Вход, по которому устанавливается "1" на прямом входе обозначают буквой S, вход для установки в состояние "1" выхода Ǭ обозначается буквой R. Совершенно понятно, что при Q=1, Ǭ=0 и наоборот: при Ǭ=1, Ǭ=0.

Рассмотренный триггер переключается перепадами напряжений на входах. Медленно меняющееся напряжение не вызовет переключения так как оно не будет передано конденсатором. Переключение будет происходить при быстром перепаде из "1" в "0". Такие входы, в отличие от таких, которые не зависят от формы входного сигнала, называются динамическими. Те входы, которые зависят только от величины сигнала, т.е. не зависят от формы сигнала, называются статическими.

Рассмотренный триггер имеет динамические входы.

 

10.1.2. Триггер со счётным входом (Т-триггер). Занятие 80.

Т-триггер так же является триггером с динамическим входом. Получается он объединением двух динамических входов в один. При этом достаточно одного базового сопротивления R₂ вместо двух. При включении устройства одно из плеч автоматически установится открытое состояние, другое – в закрытое. При подаче на вход отрицательного импульса напряжение на базе открытого транзистора становится отрицательным. Транзистор закрывается. На базу второго транзистора входной отрицательный импульс не воздействует: там и так было отрицательное напряжение. Но происходящий регенеративный процесс изменит напряжения баз и триггер переключится в противоположное состояние. Таким образом, с приходом каждого импульса триггер переключается в противоположное состояние. Триггер с одним входом, переключающийся с каждым импульсом в противоположное состояние, называется Т—триггером или счетным триггером. Счетный триггер является основным триггером в построении счетчиков. Применяется он и в других устройствах автоматики и вычислительной техники.

В приведенных схемах переключающие импульсы отрицательны. Несложно сделать, чтобы переключающие импульсы были положительными. Для этого достаточно изменить полярность диодов, т.е. катоды подключить к базам.

 

10.2 Триггеры на логических ИС

10.2.1 RS—триггеры. Занятие 81.

Интегральная схемотехника дает широкие возможности для создания различных триггеров, которые могут быть созданы как на основе логических элементов, так и за счет специализированных микросхем. Триггеры на ИС обладают более высокими эксплуатационными качествами, чем выполненные на навесных элементах. Триггеры подразделяются на асинхронные и синхронные. В асинхронных триггерах запись информации осуществляется в момент, когда величина на информационном (логическом) входе достигает определенного значения. В синхронных триггерах имеются информационные входы, на которые поступает запоминаемая информация (логическая единица или логический ноль), и входы управления, например, синхронизирующий вход, на который подается импульс записи информации (тактирующий импульс). Триггеры, переключающиеся по уровню входных сигналов, называют триггерами со статическим управлением. Триггеры, переключающиеся по фронтам или срезам импульсов, называют триггерами с динамическим управлением.

RS- триггеры могут быть как асинхронными, так и синхронными. На рис.приведено графическое изображение статического RS-триггера. Входы триггера S и R, выходы

 

Для построения таблицы истинности необходимо заполнить значения входов и выходов в предыдущем состоянии, которое обозначается символом n и в последующем состоянии, которое обозначается символом n+1.

 

Таблица истинности статического RS-триггера

Sn	Rn	Qn+1	Ǭn+1
0	0	Qn	Ǭn
0	1	0	1
1	0	1	0
1	1	х	х

При Sⁿ = Rⁿ = 0 триггер остается в предыдущем состоянии. Эта позиция называется нейтральной. Если один из входов находится в состоянии 1, а другой в состоянии 0, триггер устанавливается в соответствующее состояние.

Состояние Sⁿ = Rⁿ =1 является запрещенным состоянием, которое обозначается символом х на выходах триггера.

Указанный триггер является триггером прямой логики (прямого управления), т.е. он устанавливается в соответствующее состояние единицей на входе. Могут быть и триггеры обратной логики (обратного управления), которые устанавливаются нулевыми уровнями на входах, что определяется кружочками на входах. В таких триггерах в таблице истинности выходу Q=1 соответствует S=0, R=1.

В синхронных триггерах имеется синхронизирующий вход С, по импульсу на котором устанавливается состояние на выходах, соответствующее состояниям на входах. Состояния на входах S и R не влияют на состояние триггера, если вход С=0. Триггер устанавливается в состояние, соответствующее входам, при С=1. Из этого следует. что информация на входах S и R должна изменяться в моменты, когда С=0.

RS-триггер достаточно просто создать с помощью элементов И-Не и ИЛИ-Не. Изображенный на рис. триггер, созданный с помощью элементов 2И-Не, работает в обратной логике. Для рассмотрения его работы следует доказать, что в изображенной структуре невозможны состояния Q =Ǭ =1 и Q = Ǭ=0. В первом случае на одном из входов каждого элемента "1". При R=0, S =1 должно быть Ǭ =1, Q= 0. Это значит, что если случайно установится Q =Ǭ =1, в следующее мгновение будет Ǭ =1, Q= 0. Во втором случае на одном из входов каждого элемента "0", что в соответствии с таблицей истинности элемента И-Не приведет к Q =Ǭ =1, т.е. к случаю, рассмотренному выше. Следовательно, выходы схемы должны быть инверсны (что и находит подтверждение в обозначении выводов).

а) При S =0, R=1 Q=1 независимо от второго входа элемента D1.1. На входе элемента D1.2 при этом две единицы. На выходе "0".

б) Точно так же при S =1, R=0 Q=0, Ǭ =1.

в) При S =1, R=1 сохраняется предыдущее состояние. Если Q=1 (Ǭ =0) на входах элемента D1.2 две единицы, т.е. Ǭ=0. Нижний вход элемента D1.1 находится в состоянии "0", Q=1—предыдущее состояние сохраняется. Если Q= 0 (Ǭ =1) верхний вход элемента D1.2 находится в состоянии "0", подтверждается состояние Ǭ =1. На входах элемента D1.1две единицы, т.е. Q= 0—подтверждается предыдущее состояние.

г) Состояние S=0, R=0 запрещено, так как независимо от предыдущего состояния на выходах установятся нули, что недопустимо.

При построении схемы с помощью элементов 2ИЛИ-Не создается RS-триггер с прямой логикой на входах, т.е. триггер соответствует приведенной выше таблице истинности.

С помощью показанных схем асинхронных триггеров можно построить и синхронные триггеры. Для этого на входе устанавливается схема, разрешающая воздействие на вход каждого из плеч сигналов S или R только при наличии импульса С. Следует напомнить, что импульс С должен происходить тогда, когда S и R противоположны.

 

10.2.2 D-триггеры.Занятие 82.

Наибольшее применение получили синхронные D-триггеры с динамическим входом С. Установка триггера в состояние, определяемые входом D (1 или 0), происходит по фронту (срезу) импульса, поступающего на вход С. Обозначение D-триггера, обозначение его динамического входа (по фронту или по срезу) показаны на рис. Из рис. видно, что любой импульс имеет фронт и срез, которые условно можно представить в виде отрезка прямой. ГОСТ допускает и старое обозначение фронта и среза в виде треугольника. Если вершина треугольника направлена к триггеру, обозначен фронт, от триггера—срез синхроимпульса.

Состояние D-входа передается на выход по фронту (срезу) синхроимпульса. При отсутствии синхроимпульсов состояние входа D может меняться как угодно, состояние триггера при этом не меняется и наоборот: может поступить любое количество синхроимпульсов, но состояние выхода не изменится до тех пор, пока не изменится состояние входа D.

D-триггеры могут иметь потенциальный вход синхроимпульса. В этом случае его достаточно просто можно выполнить на логических элементах. Однако такие триггеры используются редко. D-триггеры применяются достаточно широко вследствие своей простоты, универсальности, удобства использования.

 

10.2.3 JK—триггеры. Занятие 83.

JK—триггеры являются универсальными триггерами, так как на их основе можно построить другие типы триггеров. Наиболее часто используются синхронные триггеры с потенциальными входами J и K и с динамическим входом С. В отличие от D -триггера в JK—триггере два потенциальных входа, причем в зависимости от состояний входов J и K триггер ведет себя по-разному.

Для установки триггера в состояние "1" в момент прихода импульса синхронизации должно быть: J=1, K=0; для установки триггера Q=0 должно быть J=0, K=1. В разных системах элементов используются триггеры, работающие по фронту или по срезу. Например, в системе SN74 JK—триггер устанавливается в состояние, указанное потенциальными входами, по срезу импульса С. Возможны следующие комбинации входов: J=1, K=0;

J=0, K=1;

J= K =1;

J= K =0.

J	K	C	Qn	Qn+1
1	0		Х	Х
1	0		Х	1
0	1		Х	Х
0	1		Х	0
1	1		0	1
1	1		1	0
0	0		Х	Х
0	0		Х	Х

Основным режимом работы JK—триггера является режим с противоположными состояниями J и K.

В таблице символом Х обозначено любое возможное состояние. Если в столбиках Q_n и Q_n+1 показано состояние Х, состояние триггера не изменилось.

Из таблицы можно сделать следующие выводы.

1. По фронту синхроимпульса состояние триггера не изменяется (см. строки 1,3).

2. По спаду синхроимпульса и противоположных J и К триггер устанавливается в состояние, определяемое значением J (см. строки 2,4).

3. При J= K =1 каждый синхроимпульс переустанавливает триггер в противоположное состояние, т.е. триггер работает как Т-триггер (строки 5, 6).

4. При J= K =0 (строки 7 и 8) синхроимпульс не меняет состояния триггера. Этот режим, который называется режимом хранения, отличается от подобного режима RS-триггера, в котором такой режим (S=R=0) запрещен.

Если вместо двух сигналов J и K использовать один, на вход J триггера подать этот сигнал, на вход К –проинвертированный сигнал, JK—триггер будет работать как D-триггер.

Итак, JK—триггер может работать: а) как JK—триггер; б) как Т-триггер (при J= K =1); в) как D-триггер (входы J и K связываются внешним инвертором). Поэтому он называется универсальным.

 

10.3 Цифро-аналоговая микросхемотехника

10.3.1 Цифро-аналоговые преобразователи. Занятие 84.

Многие устройства работают при непрерывных воздействиях, с непрерывными сигналами (аналоговые устройства). Другие—наоборот, с числовыми сигналами. Для их согласования применяются преобразователи сигналов. При преобразовании из числовой (цифровой) формы в аналоговую используются ЦАП—цифро-аналоговые преобразователи, из аналоговой в числовую (цифровую) –АЦП.

ЦАП можно условно разделить на две группы: ЦАП с прецизионными резистивными матрицами; безматричная. Матричные ЦАП могут строиться на принципе суммирования токов, суммирования напряжения, с делением напряжения.

В безматричных ЦАП деление тока осуществляется активными элементами. Ниже показана структурная схема ЦАП с суммированием токов. Сопротивления R₀...R_n выбирают так, чтобы ток каждого последующего разряда был в два раза выше тока предыдущего разряда. Сумма токов поступает на вход операционного усилителя, работающего как сумматор токов. Ток соответствующего разряда поступает на вход операционного усилителя в зависимости от состояния входов х0…хn, представляющих собой разряды преобразуемого двоичного числа и могут иметь состояния 0 или 1. Суммарный ток соответствует значению двоичного числа на входе.

Точность работы такого ЦАП зависит от точности подбора сопротивлений. На практике используются резистивные матрицы, которые в интегральном исполнении дают наибольшую точность. Кроме того, большую роль играет схема связи резисторов между собой. Другим решением является использование многоэмттерных транзисторов, ток которых зависит от количества эмиттеров, подключенных к одной базе: при двух эмиттерах ток в два раза выше, чем при одном, при четырех—в четыре, при восьми—в восемь и т.д. Это как раз соответствует весовым коэффициентам двоичного числа.

Наиболее прогрессивным решением является использование микроконтроллеров, производство которых и с цифровыми, и с аналоговыми входами и выходами освоили многие фирмы.

 

10.3.2 Аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Занятие 85.

В АЦП непрерывная величина преобразуется в дискретную с цифровым кодированием. Существует множество методов построения АЦП, главные из которых можно разбить на три типа.

1. Время - импульсный метод. Входное (преобразуемое) напряжение U_x сравнивается с равномерно (линейно) растущим напряжением U, максимальное значение которого равно U_max. Линейно растущее напряжение создается генератором пилообразного напряжения (ГП). Напряжение U достигает U_max за время Т. Входное напряжение U_x не должно превышать U_max.

Напряжение U достигает значения U_x в момент Т_х.

Для осуществления операции сравнения имеется сравнивающее устройство (=), которое выдает стробирующий импульс длительностью Т_х. Чем больше интервал времени Т_х, тем больше

 

 

преобразуемое напряжение U_x. Время Т_х пропорционально преобразуемому напряжению. Чтобы преобразовать это время в числовой код, соответствующий преобразуемой величине, имеется генератор импульсов (F) такой постоянной частоты, что за время Т возникнет число импульсов N_max, равное ( в числовой форме) U_max (например, при максимальном преобразуемом напряжении U_max=1000мВ N_max=1000) . В промежутке Т_х число импульсов N_x пропорционально Т_х и равно преобразуемому напряжению U_x. Для того, чтобы преобразовать число импульсов N_x в числовой код, имеется счетчик (CТ). Двоичный счетчик выдаст это число в двоичном коде, двоично-десятичный—в двоично-десятичном коде. Структурная схема, соответствующая время-импульсному преобразователю содержит устройство управления УУ, роль которого заключается в синхронизации работы устройств, которая нужна для своевременного сброса счетчика и запуска пилообразного напряжения.

Погрешность такого преобразователя зависит от многих факторов в том числе от стабильности напряжения питания, стабильности генераторов, дискретности преобразования, погрешности подсчета импульсов в стробирующем импульсе. Реальные преобразователи значительно сложнее .

2. Частотно-импульсный метод. Метод заключается в преобразовании напряжения в пропорциональную ему частоту, которая измеряется в цифровой форме. Измерение частоты происходит, как в частотомерах: подсчитывается число импульсов за заданный промежуток времени, который задается специальным генератором.

3 Метод следящего уравновешивания. Разновидностью метода является метод баллансного уравновешивания.В состав этих АЦП входи ЦАП, который преобразует выходную величину в аналоговую. Эта величина сравнивается с преобразуемой. При равенстве величин код, поступающий на вход ЦАП, выдается на выход.

Наибольшую точность преобразования обеспечивают АЦП в интегральном исполнении. Максимальные возможности создают АЦП, выполненные на микроконтроллерах.

 

Раздел 11.Вторичные источники питания.

11.1 Общие сведения об источниках питания. Занятие 86.

Стационарные устройства или устройства, потребляющие достаточно большую мощность, обычно используют энергию трехфазной или однофазной электрической сети, наиболее употребительного напряжения 400/230 В. Предпочтительно, чтобы потребители потребляли энергию непосредственно от сети. Но во многих случаях это невозможно. Например, микросхемы, другие электронные потребители должны питаться от достаточно низкого напряжения. Кроме того напряжение должно быть выпрямленным. Поэтому источники питания принято разделять на первичные (непосредственно от сети) и вторичные, содержащие понижающие трансформаторы и различные преобразователи.

Источники вторичного напряжения можно различать по разным признакам. Ниже такая классификация производится.

1. Источники постоянного и переменного напряжения. Переменное напряжение во вторичных источниках применяется редко в связи с трудностями сохранения формы, стабилизацией напряжения и др

Вторичные источники постоянного напряжения применяются преимущественно. Это связано с возможностью стабилизации напряжения при изменении напряжения сети или изменением нагрузки.

2. Трансформаторные и бестрансформаторные источники вторичного напряжения. Пониженное напряжение можно получить с помощью понижающих трансформаторов. В этом случае нагрузка может потреблять достаточно большую мощность. Если мощность, потребляемая нагрузкой невелика, напряжение нагрузки можно понизить путем последовательного включения в ее цепь добавочного сопротивления. Это сопротивление может быть активным, емкостным или индуктивным. Активное сопротивление потребляет мощность, и потому нагревается. Индуктивное сопротивление имеет достаточно большие размеры и, кроме того, от постоянной составляющей сопротивления избавиться не удается. Наиболее употребительными гасителями переменного напряжения являются емкости. Бестрансформаторные источники вторичного напряжения используются для токов до сотен мА.

3. Однофазные и трехфазные—по числу фаз первичного напряжения, использующихся для выпрямления во вторичных источниках. Трехфазные выпрямители позволяют получить большую мощность и поэтому используются в устройствах большой и средней мощности.

4. Стабилизированные и нестабилизированные источники вторичного напряжения. Многие потребители требуют таких параметров вторичного напряжения, которые невозможно создать путем простого выпрямления. В таких случаях используют стабилизацию напряжения. Стабилизаторы создают постоянное по величине вторичное напряжение, уменьшая его скачки при изменении нагрузки или первичного напряжения. Многие стабилизаторы уменьшают и пульсации.

Основными элементами вторичных источников питания являются выпрямители, основными параметрами выпрямителей являются следующие:

а) среднее значение выпрямленного тока I_ср,

б) среднее значение выпрямленного напряжения U_ср,

в) коэффициент полезного действия η,

г) коэффициент пульсаций К_п= ,

где U_m1—амплитуда напряжения первой гармоники,

U_ср—среднее значение выпрямленного напряжения.

11.2 Однофазные и трехфазные выпрямители. Сглаживающие фильтры.

11.2.1. Однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. Занятие 87.

 

В однополупериодных выпрямителях используются обычно полупроводниковые диоды. Выпрямители могут быть включены или непосредственно в сеть или подключены ко вторичной обмотке трансформатора. Так как диод пропускает ток только в одном направлении, один из полупериодов сети не используется. При активной нагрузке ток в нагрузке будет иметь форму полупериода синусоиды, т.е.в определенные моменты будет синусоидальным, а в противоположном полупериоде будет отсутствовать. Такой ток называют пульсирующим. Подключение параллельно нагрузке конденсатора С_ф уменьшает пульсации. Дело в том, что при прямом токе нагрузки по конденсатору тоже течет ток и заряжает его. Если сопротивление нагрузки велико, конденсатор заряжается до максимального напряжения. При дальнейшем уменьшении напряжения сети напряжение конденсатора становится больше напряжения трансформатора. Конденсатор разряжается через нагрузку. Результирующее напряжение на нагрузке показано на рисунке. Выпрямленный ток протекает по нагрузке в оба полупериода, но имеет пульсации, зависящие от сопротивления нагрузки. Конденсатор С_ф называют сглаживающим конденсатором или сглаживающим фильтром. Применяют однополупериодные выпрямители при большом сопротивлении нагрузки.

При отсутствии конденсатора диод должен выдерживать обратное напряжение, равное напряжению вторичной обмотки трансформатора. При наличии конденсатора к диоду прилагается обратное напряжение сети и напряжение конденсатора. Так как максимальное напряжение конденсатора равно напряжению сети, то к диоду прикладывается обратное напряжение, равное двум напряжениям трансформатора.

Чем меньше обратный ток диода, тем выше его коэффициент выпрямления.

Недостатки однополупериодного выпрямителя (большие пульсации, зависимость напряжения от сопротивления нагрузки, высокое обратное напряжение на диоде, дополнительная нагрузка на трансформатор) заставляют применять двухполупериодное выпрямление.

Для однофазной сети возможно создание двух схем двухполупериодного выпрямления: а) со средней точкой выходной обмотки трансформатора, б) мостовая. Обе схемы достаточно широко применяются.

В схеме со средней точкой используется трансформатор. вторичная обмотка которого име ет вывод от средней точки. Напряжения на обеих частях обмотки равны. С помощью диодов VD₁ и VD₂ нагрузка R_н подключается то к одной, то к другой половине. В один полупериод сети через нагрузку протекает ток в другой - Ток нагрузки состоит из обеих составляющих и имеет пульсирующий характер.

Если амплитудные значения тока и напряжения соответственно равны I_2m и U_2m, то средние значения тока и напряжения в нагрузке

I_2ср.н = I_2m , U_2ср.н=U_2m , а действующие значения

I_2н=, U_2н=

Через диоды и каждую половину обмотки трансформатора протекает лишь половина тока нагрузки. Поэтому средний ток катушки

I_2Ср.к = 0,5 U_{2ср.н ,} а действующее напряжение, поскольку оно определяется как среднее квадратическое от мгновенного тока,

I_2к = I_2ср.н .

Как видно из рисунка, к каждому диоду прикладывается обратное напряжение, равное полному напряжению трансформатора, т.е. двойное напряжение нагрузки; ток в два раза меньше тока нагрузки.

Недостатком схемы выпрямления со средней точкой является необходимость диодов с допустимым обратным напряжением, равным двойному напряжению нагрузки, и неполное использование трансформатора по мощности, так как в каждом полупериоде в прямом направлении работает лишь половина вторичной обмотки трансформатора.

От этих недостатков можно избавиться, если напряжение одного направления всей вторичной обмотки трансформатора подать на нагрузку через один диод, а противоположного—через второй диод. К сожалению, это возможно лишь при применении еще одной пары диодов. Такая схема выпрямления называется мостовой. Часто её изображают в виде традиционного моста или, более строго, в виде стандартного (для однофазных и трехфазных цепей) изображения моста. В этой схеме в одном полупериоде сети в прямом направлении работают два диода: VD₂ - VD4. Диоды VD3 – VD1 заперты. В другом полупериоде наоборот: VD3 – VD1 открыты, VD₂ - VD4 заперты.

В мостовой схеме обмотки трансформатора используется полностью. Обратное напряжение равно половине амплитудного напряжения вторичной обмотки. Ток диода равен току нагрузки.

В обеих схемах выпрямления имеются достаточно большие пульсации, величина которых равна 0,67. При большом сопротивлении нагрузки пульсации можно уменьшить с помощью конденсатора большой мощности, подключенного параллельно нагрузке, который , как и в случае однофазного выпрямления, называется емкостным сглаживающим фильтром.

11.2.2 Трехфазные выпрямители. Занятие 88.

В промышленности широко используется трехфазное напряжение. Так же, как для однофазной сети, может быть однополупериодное и двухполупериодное выпрямление, причем схем выпрямления достаточно много.