Конспект по курсу Электроника Тема: Полупроводниковые диоды и тиристоры

 

 

Конспект

по курсу «Электроника»

для студентов ЗФО

 

 

Тюмень 2009

Тема: Полупроводниковые диоды и тиристоры

 

Вопрос. Физические процессы в электронно-дырочном переходе.

 

К полупроводниковым относятся материалы, которые при комнатной температуре имеют удельное сопротивление r=10^-3... 10¹⁰ Ом× см, зависящее от температуры, освещенности, ионизирующего излучения, электрического поля и др.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют простые полупроводниковые вещества - германий, кремний, селен - и некоторые химические соединения, например, арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, фосфид индия InP, карбид кремния SiC.

Полупроводники имеют кристаллическую структуру, которая однородна при температуре абсолютного нуля. По мере нагрева часть валентных связей нарушается вследствие тепловых колебаний в кристаллической решетке, что приводит к одновременному образованию свободных электронов и незаполненных связей (дырок). Генерация пар носителей заряда может происходить также под действием света, электрического поля, излучения и др. Электропроводность собственного полупроводника, обусловленную парными носителями заряда (электронами и дырками), называют собственной. Вводя в собственный полупроводник примеси, получают примесную электропроводность. Донорные примеси, атомы которых отдают электроны, образуют полупроводники с преобладающей электронной электропроводностью (n-типа). Полупроводники с преобладающей дырочной электропроводностью называют полупроводниками p-типа, а соответствующие примеси - акцепторами.

Область на границе контакта двух полупроводников с противоположным типом электропроводности называется электронно-дырочнымили n-p-переходом. Переход обладает несимметричной проводимостью, т. е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров и др.) основана на использовании свойств n-p-переходов.

Рассмотрим процессы в n-p-переходе при отсутствии внешнего источника напряжения (рис.1.1). Так как носители заряда совершают беспорядочное тепловое движение, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Концентрация электронов в n-слое больше, чем в p-слое, и часть электронов перейдет из n-слоя в p-слой. Одновременно наблюдается диффузионный переход дырок из p-слоя в n-слой. В результате в n-слое остается нескомпенсированный объемный заряд положительных ионов (в основном донорной примеси), а в p-слое - нескомпенсированный объемный заряд отрицательных ионов акцепторной примеси. Между образовавшимися объ

емными зарядами возникает контактная разность потенциалов U_к=j_n-j_p и электрическое поле напряженностью Е_к. На потенциальной диаграмме n-p-перехода (рис.1.1б) за нулевой потенциал принят потенциал граничного слоя. В n-p-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному перемещению носителей заряда. Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. На рис.1.1б изображен барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться из области n в область p.

Таким образом, в n-p-переходе вследствие ухода электронов и дырок вглубь p- и n-областей образуется обедненный зарядами слой, называемый запирающим и обладающий большим сопротивлением в сравнении с сопротивлением остальных объемов n- и p-областей.

Если источник внешнего напряжения положительным полюсом подключить к полупроводнику p-типа и отрицательным к n-типа (прямое включение), то электрическое поле, создаваемое в n-p-переходе прямым напряжением U_пр, действует навстречу контактной разности потенциалов U_к. Потенциальный барьер понижается до величины U_к-U_пр, уменьшаются толщина запирающего слоя и его сопротивление R_пр.

Если полярность внешнего источника изменить на обратную, то потенциальный барьер возрастает до величины U_к+U_обр. В этом случае через переход могут пройти только неосновные носители: электроны из p-области в n-область и дырки во встречном направлении. Так как концентрация основных носителей заряда на насколько порядков выше концентрации неосновных, то прямые токи на несколько порядков больше обратных. Электронно-дырочный переход обладает выпрямляющими свойствами, которые используются для создания диодов.

 

Вопрос 2. Полупроводниковые диоды.

Диодом называют полупроводниковый прибор с одним n-p-переходом и двумя внешними выводами. По назначению диоды делят на выпрямительные, высокочастотные, импульсные, стабилитроны и т.д. Их изготавливают на основе германия или кремния. Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты в постоянный ток. Вольтамперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода, его условное графическое изображение и буквенное обозначение даны на рис.1.2. Основные параметры выпрямительного диода: предельно допустимый постоянный ток диода I_пр.max и максимально допустимое обратное напряжение U_обр.max.

Стабилитрон представляет собой кремниевый полупроводниковый диод, который нормально работает при электрическом пробое n-p-перехода. При этом напряжение на диоде незначительно зависит от протекающего тока. Электрический пробой не вызывает разрушения перехода, если ограничить ток до допустимой величины. Стабилитроны применяют для стабилизации постоянного напряжения. ВАХ стабилитрона и его условное графическое обозначение приведены на рис.1.3. Основные параметры стабилитрона: напряжение стабилизации U_ст.ном, минимальный I_cт.min и максимальный I_ст.max токи стабилизации, максимальная мощность P_ст.max.

 

Вопрос 3. Тиристоры.

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя или более n-p-переходами и двумя (динистор) или тремя (тринистор) выводами. Он может находиться в одном из двух устойчивых состояний: низкой проводимости (закрыт) или высокой проводимости (открыт). Структура, условное графическое и буквенное обозначения тиристора, его вольтамперная характеристика даны на рис.1.4а, б, в.

Основу прибора составляет кристалл кремния, в котором созданы четыре слоя с разными типами электропроводности. Внешний p-слой называют анодом (А), внешний n-слой - катодом (К), а два внутренних слоя - базами. Одна из баз имеет вывод - управляющий электрод (У).

При прямом включении (анод положителен по отношению к катоду) переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, а переход П2 - в обратном направлении. До тех пор, пока П2 закрыт, прямой ток практически равен нулю (участок оа характеристики рис. 1.4в). При некотором значении прямого напряжения, равном U_вкл.max, за счет перераспределения зарядов в области баз переход П2 открывается (точка а). Сопротивление его быстро уменьшается (участок аб), и тиристор работает на участке бв характеристики, которая подобна ВАХ диода.

Напряжение включения U_вкл.max можно уменьшить введением добавочных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к переходу П2. Добавочные носители заряда на рис.1.4а вводятся в слой p от вспомогательной управляющей цепи с независимым источником Е_y. При увеличении тока управления I_y характеристика (рис.1.4в) смещается влево (к естественной прямой ветви ВАХ диода). Тиристор остается во включенном состоянии, пока протекающий через него ток больше критического, называемого током удержания I_уд. Как только I_пр станет меньше I_уд, тиристор закрывается.

Следует отметить, что после включения тиристора объемные заряды в области перехода П2 будут компенсированы основным током, если он больше тока I_уд, и тогда ток управления I_у не нужен. Поэтому для снижения потерь в тиристоре он управляется короткими импульсами I_у.

При обратном включении тиристора (анод отрицателен по отношению к катоду) закрыты два перехода П1 и П3, и тиристор тока не проводит. Во избежание пробоя необходимо, чтобы обратное напряжение было меньше U_обр.max.

Основные параметры, используемые при выборе тиристоров: предельно допустимый анодный ток в открытом состоянии тиристора I_пр.max, предельно допустимое обратное напряжение U_обр.max, предельно допустимое прямое напряжение в закрытом состоянии тиристора U_пр.max, ток удержания I_уд.

Маломощные тиристоры применяют в релейных схемах и маломощных коммутирующих устройствах. Мощные тиристоры используют в управляемых выпрямителях, инверторах и различных преобразователях.

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Что представляет собой собственная и примесная электропроводности?

2. Что такое n-p-переход и как объяснить его вентильные свойства?

3. Чем обусловлена контактная разность потенциалов n-p-перехода?

4. Охарактеризуйте состояния n-p-перехода при прямом и обратном включении?

5. Поясните графики ВАХ диода и стабилитрона. Как влияет температура на ВАХ?

6. Каковы основные параметры диода, стабилитрона?

7. Поясните устройство и принцип работы тиристора, вид его ВАХ?

8. Каково влияние тока управления на работу тиристора?

9. Что такое динистор, тринистор, однооперационный и двухоперационный (запираемый) тиристоры?

10. Каковы основные параметры и характеристики тиристора?

11. Приведите примеры использования диодов, cтабилитронов, тиристоров.

Тема: Биполярные и полевые транзисторы.

 

Вопрос 1. Устройство и физические процессы в биполярном транзисторе.

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя n-p-переходами, образованными слоями полупроводникового материала n-p-n или p-n-p-типа. Он имеет три или более выводов, изготавливается на основе германия или кремния, обеспечивает усиление мощности электрических сигналов. На рис.2.1 приведены структурные схемы, условные графические и буквенные обозначения транзисторов n-p-n-типа (рис.2.1,а) и p-n-p-типа (рис.2.1,б).

Средний слой кристалла называют базой. Ее толщина мала, составляет несколько микрометров и концентрация примесей здесь значительно меньше, чем в соседних слоях. Крайние слои называют эмиттером (Э) и коллектором (К).

Для нормальной работы транзистора между его выводами должны быть включены источники питания. Если источники включены так, что оба перехода П1, П2 находятся под обратным напряжением, то токи транзистора практически равны нулю - этот режим называют отсечкой. Если переходы транзистора имеют прямое смещение, то их сопротивление мало, и транзистор можно рассматривать как узел цепи. Такой режим работы называют насыщением. В усилительном каскаде транзистор работает в активном режиме, при этом эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном (рис.2.1). Прямосмещенный эмиттерный переход имеет небольшое сопротивление - несколько Ом. Коллекторный переход, при отсутствии инжекции из эмиттера, имеет очень большое сопротивление - несколько МОм, поэтому в цепь коллектора можно включать нагрузку с большим сопротивлением, практически не изменяя тока коллектора.

Под действием источника Е_э основные носители заряда из эмиттера преодолевают n-p-переход и попадают в область базы, где частично рекомбинируют с основными носителями заряда базы, образуя ток базы I_б. Так как концентрация дырок (для n-p-n-типа) и электронов (для p-n-p-типа) в базе мала, то не все инжектированные из эмиттера заряды рекомбинируют. Большинство зарядов, вследствие диффузии и поля источника Е_к, преодолевает коллекторный переход и образуют ток коллектора.

Коэффициент передачи тока эмиттера

a=DI_к /DI_э при U_кб=const.

В современных транзисторах база очень тонкая и a=0,99 и больше.

Когда I_э=0, то будет небольшой ток через коллекторный переход I_ко, обусловленный движением неосновных носителей заряда.

 

Вопрос 2. Схемы включения, характеристики и параметры биполярного транзистора..

 

Рассмотренная на рис.2.1 схема включения транзистора называется схемой с общей базой (ОБ), так как база является общим электродом для входной и выходной цепей. Она обеспечивает усиление сигнала по напряжению и мощности, но ток в нагрузке будет меньше, чем входной ток источника сигнала.

 

Наиболее часто используется в электронных устройствах схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) - рис.2.2,а. Входным здесь является ток базы I_б, а выходным - ток коллектора I_к.

Коэффициент передачи тока базы схемы ОЭ

b=DI_к/DI_б при U_кэ=const; b=a/(1-a)>>1.

Эта схема обеспечивает усиление тока и напряжения сигнала и максимальное усиление мощности.

Основными характеристиками транзисторов ОЭ являются

1) выходные - I_к(U_кэ) при I_б=const (рис.2.2,б),

2) входные - I_б(U_бэ) при U_кэ=const (рис.2.2,в).

Они определяют связь между постоянными составляющими токов и напряжений, дают возможность выбрать наилучший режим работы, оценить нелинейные искажения усиливаемого сигнала.

Для расчета цепей с биполярными транзисторами в настоящее время используются h-параметры: транзистор представляют четырехполюсником и записывают уравнения четырехполюсника в h-параметрах. Коэффициенты четырехполюсника (h-параметры) выражаются следующим образом:

h₁₁=DU_бэ/DI_б при U_кэ=const - входное сопротивление R_вх, Ом;

h₁₂=DU_бэ/DU_кэ при I_б=const - безразмерный коэффициент обратной связи по напряжению;

h₂₁=DI_к/DI_б при U_кэ=const - безразмерный коэффициент передачи тока (b);

h₂₂=DI_к/DU_кэ при I_б=const - выходная проводимость (1/R_вых), См.

h-параметры приводятся в справочниках, а также могут быть определены по семейству входных и выходных характеристик транзистора.

 

Вопрос 2. Устройство и физические процессы в полевых транзисторах.

 

Биполярные транзисторы управляются током и потребляют заметную мощность от входной цепи. Указанного недостатка лишены полевые транзисторы (ПТ) - это полупроводниковые приборы с каналом, ток в котором управляется электрическим полем. Принцип действия их основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок), поэтому их иначе называют униполярными.

Главным достоинством ПТ является высокое входное сопротивление, т.е. они практически не потребляют ток из входной цепи. Кроме того, они более технологичны и дешевле, чем биполярные, обладают хорошей воспроизводимостью требуемых параметров.

По способу создания канала различают ПТ с управляющим n-p-переходом, со встроенным каналом и с индуцированным каналом. Последние два типа относятся к разновидностям МДП-транзисторов с изолированным затвором.

У ПТ с управляющим n-p-переходом (рис.2.3,а) канал - это слой полупроводника n-типа (может быть p-типа), заключенный между двумя n-p-переходами. Канал имеет два вывода во внешнюю цепь: исток (И), из которого заряды выходят в канал, сток (С), в который заряды входят из канала. Слои p-типа соединены между собой и имеют вывод во внешнюю цепь, называемый затвором (З). Затвор служит для регулирования поперечного сечения канала. Особенность ПТ в том, что движение основных носителей заряда только одного знака происходит по каналу от истока к стоку, а не через переход, как в биполярном транзисторе.

Управляющее напряжение между З и И является обратным для обоих n-p-переходов (U_зи<0). Оно вызывает вдоль канала равномерный слой, обедненный носителями заряда при U_си=0. Изменяя U_зи, изменяют ширину n-p-переходов, тем самым регулируют сечение токопроводящего канала и его проводимость. Напряжение U_си>0 вызывает неравномерность обедненного зарядами слоя, наименьшее сечение канала вблизи стока.

Управляющее действие затвора иллюстрируют передаточной (стоко-затворной) характеристикой I_с(U_зи) при U_си=const. На практике чаще используют выходные (стоковые) характеристики I_с(U_си) при U_зи=const, по которым строят передаточные (рис.2.3,в).

МДП-транзисторы со встроенным каналом имеют структуру металл - диэлектрик - полупроводник. У поверхности кристалла полупроводника (подложки p-типа) созданы две области n-типа и тонкая перемычка между ними - канал (рис.2.4,а). Области n-типа имеют выводы: И-исток и С-сток. Кристалл покрыт окисной пленкой диэлектрика SiO₂, на которой расположен металлический затвор (З), электрически изолированный от цепи исток - сток. Подложка соединяется с истоком внутри прибора, либо имеет вывод во внешнюю цепь (П).

При отрицательном потенциале на затворе U_зи<0 поле затвора выталкивает электроны из канала в p-подложку, исток и сток. Канал обедняется электронами, его сопротивление увеличивается и ток стока уменьшается. Такой режим называют режимом обеднения. Характеристики I_с(U_си) располагаются ниже кривой при U_зи=0 (рис.2.4,в). Если на затвор подано U_зи>0, то под действием поля затвора канал насыщается электронами из p-подложки, истока и стока - это режим обогащения.

Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения , что наглядно показывают его характеристики. Структура, условное графическое изображение, передаточная I_с(U_зи) при U_си=const и стоковые I_с(U_си) при U_зи=const характеристики ПТ со встроенным каналом даны на рис.2.4,а,б,в.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом не имеют специально созданного канала между истоком и стоком, и при U_зи=0 выходной ток I_с=0. Канал индуцируется при положительном потенциале на затворе U_зи>0 благодаря притоку электронов из p-подложки, истока и стока. Этот прибор работает только в режиме обогащения.

Основными параметрами полевых транзисторов являются крутизна S=DI_с/DU_зи при U_си=const и внутреннее (выходное) сопротивление R_i=DU_cи/DI_с при U_зи=const. Иногда пользуются третьим параметром - коэффициентом усиления m=DU_си/DU_зи при I_с=const; m=SR_i.

 

Контрольные вопросы

 

1. Как образуется n-p-переход и каковы его свойства?

2. Каково устройство биполярного транзистора и принцип его работы в схеме с общей базой и с общим эмиттером.

3. Как изображают на схемах транзисторы n-p-n и p-n-p-типов?

4. Какова полярность напряжений между электродами транзисторов n-p-n и p-n-p типов?

5. Какие функции выполняет эмиттер и коллектор?

6. Объясните характер входных и выходных характеристик биполярного транзистора.

7. Почему запрещается отключать вывод базы при наличии напряжения на эмиттере и коллекторе?

8. Что представляет собой обратный ток коллекторного перехода?

9. Объясните физический смысл h-параметров транзисторов и как они определяются по входным и выходным характеристикам?

10. Почему коэффициент усиления по току b не остается постоянным при изменении тока эмиттера?

11. Каковы конструкции полевых транзисторов с n-p-переходом и с изолированным затвором?

12. Принцип действия полевых транзисторов, их основные характеристики и параметры.

13. Что такое напряжение отсечки полевого транзистора, как оно определяется?

14. Что такое ток насыщения транзистора и как он определяется?

15. Каковы преимущества полевых транзисторов перед биполярными?

Тема: Фото- и оптоэлектронные приборы.

Оптоэлектроникой называют научно-техническое направление, в котором для передачи, обработки и хранения информации используются электрические и… Устройства оптоэлектроники обладают некоторыми существенными преимуществами по… К недостаткам оптоэлектронных компонентов относятся: низкая температурная и временная стабильность характеристик;…

Тема: Однофазные выпрямители и сглаживающие фильтры.

Вопрос 1. Общие сведения.

Выпрямителем называют устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии источника переменного тока в электрическую энергию, потребляемую приемником постоянного тока. Такое преобразование необходимо в том случае, когда первичным источником электроэнергии является однофазная (трехфазная) сеть или автономный генератор переменного тока, а потребитель электроэнергии работает на постоянном токе.

Для потребителей постоянного тока мощностью до нескольких сотен ватт используют однофазные выпрямители, подключаемые к однофазной сети переменного тока. Однофазные выпрямители, как правило, входят в состав источников вторичного электропитания (ИВЭ) радио- и телевизионных, измерительных, вычислительных электронных устройств, применяют для питания электродвигателей постоянного тока, зарядки аккумуляторных батарей и др.

Для потребителей постоянного тока мощностью более 1 кВт используют трехфазные выпрямители, подключаемые к промышленной трехфазной сети.

Структурная схема традиционного однофазного источника питания постоянного тока представлена на рис.4.1.

Основным и обязательным элементом схемы является выпрямитель (В) на полупроводниковых вентилях. Принцип действия любого выпрямителя основан на односторонней проводимости вентилей, преобразующих переменный ток в пульсирующий ток постоянного направления. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения после выпрямителя может быть включен сглаживающий фильтр (Ф), а при необходимости постоянства величины напряжения U_н на нагрузке - стабилизатор напряжения (Ст). Выпрямитель подключается к питающей сети переменного тока через трансформатор (Т) в случае, если требуется преобразование уровня напряжения питающей сети U_с к необходимому уровню напряжения нагрузки U_н, а также для электрического разделения цепей.

Основными недостатками выпрямителей с трансформаторным входом являются большие габариты, масса трансформатора и сглаживающего фильтра. В малогабаритных ИВЭ электронной аппаратуры применяют схемы с бестрансформаторным входом, работа которых основана на многократном преобразовании электрической энергии. В таких схемах выпрямитель подключен непосредственно к питающей сети, а согласование уровней напряжений сети и нагрузки производится трансформатором на повышенной промежуточной частоте переменного тока, что позволяет значительно уменьшить габариты и массу трансформатора и фильтра.

 

Вопрос 2. Однофазный однополупериодный выпрямитель.

Однофазный однополупериодный выпрямитель содержит один вентиль VD, включенный в цепь вторичной обмотки трансформатора Т последовательно с нагрузкой R_н (рис.4.2,а). Временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу выпрямителя на активную нагрузку без фильтра, представлены на рис.4.2,б. В первый полупериод напряжения вторичной обмотки трансформатора u₂=, когда оно положительно, диод VD открыт, т.к. на его аноде действует положительный потенциал. На этом интервале времени (0 - T/2) через нагрузку будет протекать ток , являющийся для диода прямым током. При этом u_в=0, u_н=u₂=. На втором полупериоде напряжение u₂ становится отрицательным, и диод закрывается под действием отрицательного потенциала на аноде диода. На этом интервале времени (T/2 - T) i_н=0, u_н=0, напряжение на вентиле u_в=u₂=будет являться обратным напряжением диода.

В результате такой работы вентиля ток через нагрузку будет протекать в течение только одного полупериода переменного напряжения u₂ и вызывать на нагрузке периодическое несинусоидальное напряжение u_н, среднее значение которого может быть определено

.

Средний ток через вентиль I_пр равен среднему току нагрузки I_пр=I_н.

Максимальное напряжение на закрытом вентиле

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

Расчетная мощность трансформатора

Недостатками однополупериодного выпрямителя являются большой уровень пульсаций выпрямленного напряжения, вынужденное намагничивание сердечника трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки, плохое использование трансформатора (S_Т=3,5P_н), низкие коэффициенты использования вентилей (K_I=I_в.max/I_н=p, K_U=U_обр.max/U_н=p), малый КПД выпрямителя h=0,481.

Однополупериодные выпрямители применяются для питания маломощных усилителей, электронно-лучевых трубок и в высоковольтных установках для испытания изоляции.

 

Вопрос 2. Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель.

Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель состоит из четырех вентилей, включенных по мостовой схеме (рис.4.3,а). К одной диагонали моста подано переменное напряжение u₂=, к другой - подключена нагрузка R_н. Временные диаграммы напряжений и токов представлены на рис.4.3,б. В первый полупериод напряжения u₂, когда потенциал на аноде VD1 положительный, диоды VD1 и VD3 открыты, и ток нагрузки протекает через VD1, R_н и VD3. В этом интервале времени u_н=u₂, диоды VD2 и VD4 закрыты и находятся под обратным напряжением. На втором полупериоде напряжение u₂ становится отрицательным, и диоды VD1 и VD3 будут теперь в закрытом состоянии находиться под обратным напряжением, а диоды VD2 и VD4 - открыты. Ток i_н будет протекать через VD2, VD4 и через нагрузку R_н в том же направлении, что и в предыдущий полупериод.

В результате такой попарной работы диодов ток в нагрузке будет протекать в течение двух полупериодов и вызывать напряжение u_н, среднее значение которого будет в два раза больше, чем при однополупериодном выпрямлении

; ; .

Так как пары диодов проводят ток нагрузки поочередно по полпериода, то прямой ток вентилей будет равен I_пр=0,5I_н.

Максимальное напряжение на закрытых вентилях

Расчетная мощность трансформатора

Двухполупериодный выпрямитель в сравнении с однополупериодным имеет следующие преимущества: выпрямленные ток и напряжение вдвое больше, значительно меньший уровень пульсаций u_н, вентили выбираются по половине тока нагрузки, хорошо используется трансформатор и отсутствует вынужденное подмагничивание его сердечника. Мостовая схема имеет преобладающее применение в выпрямителях небольшой и средней мощности.

Для оценки пульсаций выпрямленного напряжения пользуются понятием коэффициента пульсаций q, который равен отношению амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения к среднему значению: .

 

Вопрос 3. Сглаживающие фильтры.

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры. Основными элементами пассивных фильтров являются реактивные элементы: конденсаторы и дроссели. На базе транзисторов и операционных усилителей выполняются более сложные активные фильтры. Эффективность фильтра характеризуется коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра

.

Емкостной фильтр состоит из конденсатора, подключаемого параллельно нагрузке, при этом напряжение u_н=u_C определяется процессами заряда и разряда конденсатора. В однополупериодном выпрямителе конденсатор C_ф будет заряжаться через вентиль,

если u₂>u_C (интервал времени t₁ – t₂ на рис. 4.4). Когда u₂<u_C (t₂ – t₃), вентиль закрыт, и конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки R_н с постоянной времени t_р=C_фR_н; при этом .

Достоинством емкостного фильтра является простота, повышенное напряжение на нагрузке и хорошее сглаживание при малых выходных токах. С увеличением тока нагрузки при уменьшении R_н уменьшается постоянная разряда конденсатора и возрастает коэффициент пульсаций на нагрузке. Емкостной фильтр целесообразно использовать при высокоомной нагрузке с малым значением выпрямленного тока.

Индуктивный фильтр состоит из индуктивной катушки (дросселя), включаемой последовательно с нагрузкой. Дроссель с индуктивностью L_ф не оказывает сопротивления постоянной составляющей тока нагрузки, но подавляет переменные составляющие тока, для которых реактивное сопротивление катушки возрастает с увеличением частоты высших гармоник.

Недостатками индуктивных фильтров являются большие габариты и масса дросселя, поэтому применяются такие фильтры преимущественно в трехфазных выпрямителях большой и средней мощности при низкоомной нагрузке с большими значениями токов.

Для более эффективного сглаживания применяют составные или многозвенные фильтры, коэффициент сглаживания которых равен произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев . К составным фильтрам можно отнести Г- и П-образные LC-фильтры (см. табл. 4.1).

Вопрос 3. Расчет выпрямителя.

Расчет выпрямителя сводится к выбору вентилей, определению типа и параметров фильтра и трансформатора. Исходными данными к расчету являются напряжение U₁=U_с и частота f₁ питающей сети, напряжение U_н и мощность P_н нагрузки.

Для надежной работы вентилей их выбирают из условия, чтобы среднее значение тока через открытый вентиль I_пр и максимальное обратное напряжение на закрытом вентиле U_обр.m не превышали допустимый прямой ток вентиля I_пр.max и обратное максимальное напряжение U_обр.max

I_пр < I_пр.max И U_обр.m < U_обр.max .

I_пр и U_обр.m рассчитываются из соотношений, приведенных в табл. 4.2 для соответствующей выпрямительной схемы, а I_пр.max и U_обр.max определяются из справочника для выбираемых вентилей.

Выбор трансформатора проводится по расчетной мощности S_т и коэффициенту трансформации (см. табл. 4.2).

Таблица 4.1

Тип фильтра	Коэффициент Сглаживания фильтра	Условия Эффективной Работы
1. Емкостной	, где m – число пульсаций выпрямленного напряжения	; , где - частота основной гармоники пульсаций;
2. Индуктивный
3. Г-образный	где	; ;
4. П-образный		Задавшись Cф1=Cф2, Определяют ,

При расчете фильтра известными являются: величина допустимого коэффициента пульсаций на нагрузке q_н=q_вых, коэффициент пульсаций выпрямителя q=q_вх, и соотношения определяемых параметров фильтра с его коэффициентом сглаживания (см. Табл. 4.1).

Таблица 4.2

Схема	U2/Uн.ср.	I2/Iн	I1nТ/Iн	SТ/Pн	Uобр.m/Uн	IВ/Iн	q	m
Однополу-периодная	2.22	1.57	1.21	3.5	3.14		1.57
Мостовая	1.11	1.11	1.11	1.23	1.57	0.5	0.667

 

 

Вопрос 4. Характеристики выпрямителей.

Основной характеристикой выпрямителя является внешняя характеристика, которая показывает зависимость выходного напряжения от тока нагрузки U_н=f(I_н). Приблизительный расчет выходного напряжения выпрямителя с учетом внутреннего падения напряжения на вторичной обмотке трансформатора, вентилях и элементах фильтра может быть выполнен по формуле:

,

где - выходное напряжение выпрямителя в режиме холостого хода;

R_Т – сопротивление вторичной обмотки трансформатора;

R_пр – суммарное сопротивление открытых вентилей;

R_ф – суммарное сопротивление фильтра.

 

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип действие выпрямителей.

2. Как влияет емкостный фильтр на величину обратного напряжения на вентиле?

3. Почему уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения при включении емкостного или индуктивного фильтра?

4. Достоинства и недостатки разных типов фильтров.

5. Что такое коэффициент пульсаций и коэффициент сглаживания?

6. По каким критериям осуществляется выбор вентилей?

7. Как определяется мощность трансформатора в выпрямителях?

8. Как изменится форма напряжения на нагрузке при пробое одного вентиля в исследуемых выпрямителях?

Тема: Управляемый преобразователь.

 

Для плавного и бесконтактного регулирования напряжения в различных отраслях промышленности широко применяются управляемые выпрямители (УВ), в вентильном звене которых устанавливаются тиристоры вместо диодов. Регулирование тока и напряжения нагрузки в широком диапазоне осуществляется путем изменения момента включения тиристоров с помощью системы импульсно-фазового управления (СИФУ).

Дополнительным преимуществом управляемых выпрямителей является возможность работы в режиме инвертирования, т.е. преобразования постоянного тока в переменный. Установки, совмещающие оба режима работы, получили название управляемых преобразователей.

 

Вопрос 1. Управляемый выпрямитель.

Рассмотрим работу однофазного двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом на активную нагрузку (рис.5.1,а). Для простоты предположим, что тиристоры, подобно диодам, включаются в точках естественного открывания, в данном случае, после прохождения положительных полусинусоид вторичного напряжения U₂ через нуль.

По отношению к средней точке напряжения обеих вторичных полуобмоток сдвинуты по фазе на 180° (рис.5.1, б). В первый полупериод, когда на аноде тиристора VS1 появляется положительный потенциал по отношению к катоду, в верхнем контуре протекает ток от полуобмотки трансформатора через открытый тиристор в нагрузку (направление тока выделено жирной стрелкой при полярности напряжения, указанной на рис.5.1,а). В этом интервале времени тиристор VS2 закрыт отрицательным анодным напряжением.

В следующий полупериод полярность напряжения на полуобмотках трансформатора изменяется, и через открывшийся тиристор VS2 в нижнем контуре протекает ток по направлению штриховой стрелки. В этом интервале времени тиристор VS1 закрыт и не пропускает тока (рис.5.1,б).

Таким образом в двухполупериодной схеме выпрямления оба тиристора работают поочередно, а в нагрузке протекает пульсирующий ток одного и того же направления.

Форма этого тока повторяет огибающую положительных полусинусоид напряжения вторичных полуобмоток трансформатора (рис.5.1,б), а величина зависит от сопротивления нагрузки и мгновенных значений напряжения. Форма выпрямленного напряжения на нагрузке в идеальном случае приближается к огибающей положительных полусинусоид напряжения вторичных полуобмоток трансформатора.

Для регулирования тока в нагрузке каждый тиристор необходимо включать с некоторым запаздыванием по отношению к точке естественного открывания. Такое включение производится положительными импульсами, подаваемыми поочередно от СИФУ на управляющие электроды тиристоров с фазовым сдвигом w t₁, w t₂,... (рис.5.2). Соответствующие этому сдвигу по фазе углы запаздывания в электрических градусах называются углами регулирования и обозначаются буквами a¢, a¢¢ и т.д.

В данной схеме УВ углы регулирования можно изменять в пределах от 0 до 180°. Рассмотренный ранее граничный случай соответствовал условию a=0. При втором граничном случае, a=180°, ни один из тиристоров не сможет включиться, поскольку моменты подачи управляющих импульсов совпадают с нулевыми значениями напряжений на полуобмотках трансформатора.

Для промежуточных значений 0<a<180° (рис.5.2) в течение части положительного полупериода w t=a каждый тиристор остается закрытым, а включается только в момент подачи управляющего импульса. При этом ток в нагрузке возрастает скачком и в интервале wt=(p-a) оставшейся части полупериода изменяется по синусоидальному закону. С увеличением угла a сокращается время работы каждого вентиля и, естественно, снижается среднее значение выпрямленного тока и напряжения (рис.5.2). Таким образом, при изменении угла регулирования в диапазоне 0.....180° эти величины уменьшаются от своих предельных значений U_но (при a=0) до нуля (при a=180°).

Среднее значение выпрямленного напряжения на активной нагрузке (без учета потерь) определяется выражением

U_н=U_но(1+cosa)/2

Зависимость U_н=f(a) является регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя.

При работе на активно-индуктивную нагрузку кривая тока остается непрерывной (рис.5.3,а), поскольку энергия, запасенная в дросселе в проводящую часть полупериода, расходуется на поддержание тока до момента включения следующего тиристора. Теоретически, при L®¥, форма тока в нагрузке должна представлять собой прямую линию, а в каждом плече выпрямителя - прямоугольник.

Нельзя не отметить, что при индуктивном характере нагрузки тиристоры могут оставаться открытыми даже при отрицательном уровне напряжения каждой полуобмотки, пока ЭДС самоиндукции способствует протеканию непрерывного тока (рис.5.3). Такие условия работы сохраняются только до значений a<90°, случаю a=90° соответствуют равновеликие площади положительных и отрицательных участков полусинусоид (сравните заштрихованные площадки на рис.5.3,б). При этом среднее значение выпрямленного напряжения

равно нулю.

Для чисто индуктивной нагрузки регулировочная характеристика подчиняется косинусоидальному закону, U_н=U_ноcosa. При конечных значениях индуктивности в нагрузочной цепи эта кривая отклоняется от косинусоиды в сторону больших предельных углов регулирования.

Внешние характеристики управляемого выпрямителя U_н=¦(I_н) при фиксированных значениях угла регулирования (a=const) образуют семейство прямых линий с постоянным наклоном, поскольку величина падения напряжения в элементах схемы УВ не зависят от угла a.

 

Вопрос 2. Инверторы.

Инвертированием называется преобразование постоянного тока в переменный ток определенной величины и частоты. В связи с изменением направления потока энергии выходным звеном инвертора становится трансформатор, а на входные зажимы подключается независимый источник постоянного тока. Полярность его выбирается противоположной (по отношению к режиму выпрямления), чтобы обеспечить прямую проводимость вентилей. Для получения переменного напряжения необходимо периодически прерывать постоянный ток и распределять его по обмоткам (фазам) трансформатора тем или иным способом. В управляемых преобразователях функции ключей-распределителей выполняют тиристоры.

В зависимости от того, какими средствами осуществляется переход тока от вентиля к вентилю (коммутация тока), различают:

автономные (независимые) инверторы (с принудительной емкостной коммутацией при любой задаваемой частоте);

инверторы, ведомые сетью (с коммутацией напряжением сети при частоте сети).

В данной работе исследуется инвертор второй группы, в котором активная мощность передается от источника ±120 В в сеть переменного тока при одновременном потреблении реактивной из сети.

В инверторном режиме тиристоры должны пропускать ток преимущественно при отрицательных полупериодах напряжения в каждой полуобмотке.

Их переключение происходит благодаря тому, что напряжение на аноде открываемого тиристора оказывается положительным и более высоким, чем у работающего за счет источника постоянного тока, а также возникающей ЭДС самоиндукции. В этом случае дроссель способствует поддержанию непрерывного тока в каждом контуре, улучшает форму кривой переменного напряжения и фильтрует высшие гармоники.

Из сказанного выше можно сделать вывод, что протекание токов в вентильных полуобмотках трансформатора при изменении полярности ЭДС свидетельствует об изменении направления потока энергии - от источника постоянного тока в сеть переменного тока (рис.5.4,а).

Переход преобразователя от выпрямительного к инверторному режиму показывают временные диаграммы напряжения и тока (сравните рисунки 5.3 и 5.4).

При углах регулирования a<90° преобразователь отдает непрерывный ток в активно-индуктивную нагрузку (рис.5.3,а), и напряжение на ее зажимах положительно (U_н>0).

При установке a=90° ЭДС самоиндукции дросселя еще поддерживает непрерывный ток, однако напряжение на нагрузке равно нулю. В этом случае трансформатор выпрямителя обменивается с сетью реактивной мощностью (рис.5.3,б).

При дальнейшем увеличении углов регулирования, a>90°, наступает режим прерывистых токов, поскольку отдаваемая в контур энергия индуктивности дросселя не может превысить запасенную им в проводящую часть периода (рис.5.3,в).

Если же при a>90° источник постоянного тока с полярностью, указанной на рис.5.4,а обеспечивает непрерывный ток, то преобразователь переходит в инверторный режим с изменением знака напряжения

U_н=U_ноcosa=U_ноcos(p-b)=-U_ноcosb .

Здесь угол b , вводимый по аналогии с выпрямительным режимом, называется углом опережения включения. Этот угол отсчитывается от точек wt=kp в сторону нуля (рис.5.4,б), k=1,2... .

С увеличением угла регулирования a до 180° среднее значение напряжения преобразователя увеличивается. Теоретически, при b=0 напряжение холостого хода инвертора соответствует этой же величине при a=0 для управляемого выпрямителя. Однако в реальных условиях необходимо вводить запас по углу b_min»10...15°, с тем, чтобы завершить процесс коммутации переключаемых фаз и восстановить управляющие свойства тиристоров до момента их естественного открывания.

Входные характеристики инвертора U_н=¦(I_н) при фиксированных значениях углов опережения (b=const) подобны внешним характеристикам управляемого выпрямителя.

 

Контрольные вопросы

 

1. Опишите работу УВ и назовите область его применения.

2. Объясните различие между режимом выпрямления и инвертирования.

3. Перечислите достоинства и недостатки управляемых преобразователей.

4. Что представляют собой регулировочные характеристики УВ?

5. Какие функции выполняет дроссель в схеме УВ?

6. Объясните ход внешних характеристик управляемого выпрямителя и входных характеристик инвертора.

7. Как изменяется величина пульсации выпрямленного напряжения при изменении углов регулирования и при изменении величины тока?

Тема: Стабилизаторы напряжения и тока.

 

Вопрос 1. Общие сведения.

Стабилизатором называют устройство, автоматически поддерживающее с заданной точностью напряжение или ток в нагрузке при изменении питающего напряжения или сопротивления нагрузки в обусловленных пределах.

Основным параметром стабилизатора напряжения является коэффициент стабилизации напряжения, а стабилизатора тока - коэффициент стабилизации тока

K_{ст U}=; K_{ст I}= при R_н=const,

где U_вх, U_вых, I_вых - номинальные напряжения на входе и выходе стабилизатора и номинальный ток нагрузки;

DU_вх, DU_вых, D I_вых - изменения напряжений на входе и выходе стабилизатора и изменение тока нагрузки.

Влияние нагрузки R_н оценивается по внешним характеристикам U_вых(I_вых) и I_вых(R_н) или выходным (внутренним) сопротивлением стабилизатора

R_вых=при U_вх=const.

Для стабилизатора напряжения R_вых << R_н, а для стабилизатора тока - R_вых>>R_н.

Применяют два типа стабилизаторов: параметрические и компенсационные.

В параметрических стабилизаторах используются элементы с нелинейной вольтамперной характеристикой (ВАХ), обеспечивающие постоянство напряжения при значительных изменениях тока для стабилизаторов напряжения и постоянство тока при изменении напряжения в стабилизаторах тока. Такими элементами могут быть стабилитроны, бареттеры или транзисторы.

 

Вопрос 2. Компенсационные стабилизаторы напряжения.

Компенсационные стабилизаторы напряжения имеют большие коэффициенты стабилизации и меньшее R_вых при более высоком КПД. Структурная схема такого стабилизатора приведена на рис.6.1. Стабилизатор состоит из источника эталонного напряжения (1), измерительного элемента (2) и регулирующего элемента (3).

На входы измерительного элемента подаются эталонное напряжение U₀ и U_вых. Если U_вых не равно U₀ появляется сигнал рассогласования, который поступает на вход регулирующего элемента. Под действием этого сигнала падение напряжения на регулирующем элементе меняется таким образом, чтобы U_вых оставалось постоянным

U_вых=U_вх-DU=const.

В качестве источника эталонного напряжения чаще всего используется стабилитрон, а роль регулирующего элемента выполняет транзистор или составной транзистор. В большинстве современных стабилизаторов измерительный элемент выполняется на операционном усилителе.

В работе предлагается исследовать компенсационный стабилизатор на транзисторе, схема которого показана на рис.6.2. Источник эталонного напряжения выполнен на стабилитроне VD, режим которого задается резистором R₂. Транзистор VT2 выполняет роль измерительного элемента. Изменение U_вых приводит к изменению I_б2 и соответственно к изменению I_к2. Изменение I_к2 вызывает противоположное изменение I_б1, так что U_вых= U_вх-U_кэ1 остается практически неизменным.

K_{cm U}=h₂₁/(h₁₁+R₁); R_вых=.

В настоящее время широко применяются стабилизаторы в интегральном исполнении. Например, микросхема К142ЕН1 представляет собой регулируемый стабилизатор с выходным напряжением 3-12 В на ток до 150 мА. В схеме предусмотрена защита от перегрузки и коротких замыканий на выходе.

 

Вопрос 3. Стабилизатор тока.

Схема стабилизатора тока показана на рис.6.3. На базе транзистора VT поддерживается постоянный потенциал, задаваемый параметрическим стабилизатором на стабилитроне VD. Нагрузка R_н включена в коллекторную цепь транзистора VT, который работает по схеме ОБ, где I_к=aI_э.

Ток эмиттера I_э определяется напряжением U_эб=U₀-R₂I_э

Благодаря этому устанавливается режим работы

I_э=(U₀-U_эб)/R₂=const

У современных транзисторов a®1, таким образом, получается устройство, выходной ток которого I_вых=I_к»I_э, не зависит от R_н, а определяется только U₀ и R₂. Режим стабилизации поддерживается до тех пор, пока транзистор VT работает в активном режиме, т.е. U_вх>DU+I_выхR_н, где DU - напряжение насыщения транзистора.

Отсюда максимальное значение сопротивления нагрузки, при котором сохраняется рабочий режим стабилизатора

R_{н max}=.

Коэффициент стабилизации тока

K_ст=I_вых/(U_вхh₂₂).

Выходное сопротивление стабилизатора

R_вых=.

 

Контрольные вопросы

 

1. Каково назначение электронных стабилизаторов?

2. Как устроен и как работает параметрический стабилизатор напряжения и тока?

3. Поясните назначение элементов схемы компенсационного стабилизатора напряжения?

4. От каких элементов зависит коэффициент стабилизации?

5. Как можно осуществить регулирование U_вых стабилизатора напряжения?

6. Поясните принцип действия стабилизатора тока.

7. Как можно изменить выходной ток стабилизатора?

8. Почему стабилизатор тока может работать только на нагрузку с R меньше R_нmax?

9. Почему стабилизатор тока и стабилизатор напряжения имеют разные выходные сопротивления?

Тема: Усилительный каскад на биполярном транзисторе.

Каскад усиления переменного тока по схеме ОЭ построен на биполярном транзисторе n-p-n (рис.7.1). Расчет каскада сводится к выбору точки покоя на… Выбранная точка покоя должна обеспечить требуемую величину тока в нагрузке,… Iкп³Imн=Um вых/Rн

Контрольные вопросы

 

1. Объяснить принцип работ каскада усиления, назначение основных элементов схемы.

2. Какими параметрами характеризуется усилитель?

3. Какое влияние на параметры каскада оказывает R_к?

4. Что такое нелинейные искажения и причина их появления?

5. Можно ли получить неискаженный выходной сигнал, если заданное U_{вых m}>E_к/2?

6. Какое влияние оказывает R_Б на положение точки покоя?

7. Всегда ли нужно выбирать U_кэп»E_к/2 ?

Тема: Схемы на операционных усилителях.

 

Вопрос 1. Общая характеристика ОУ.

Операционные усилители (ОУ) являются разновидностью усилителей постоянного тока, имеют большой коэффициент усиления по напряжению к_u==5×10³ - 5×10⁶ и высокое входное сопротивление R_вх=20 кОм - 10 МОм. Современные ОУ выполняются многокаскадными и включают в себя ряд дополнительных устройств (защиту, термокомпенсацию и др.) Массовое применение ОУ обусловлено их универсальностью: устройства на их базе могут осуществлять усиление, выполнять математические операции, сравнивать электрические величины, генерировать сигналы различной формы.

ОУ имеет два входа и один выход. При подаче сигнала на инвертирующий вход U_вх.и. приращение выходного сигнала U_вых находится в противофазе (противоположное по знаку) с приращением U_вх, а при подаче на неинвертирующий вход - совпадают по фазе (одинаковы по знаку). В зависимости от конкретного устройства на базе ОУ используют как инвертирующий, так и неинвертирующий входы.

На рис.8.2 приведена принципиальная схема ОУ К544УД1А. Высокое входное сопротивление ОУ обеспечивается согласованной парой полевых транзисторов VT1, VT5 входного дифференциального каскада, включающего в себя кроме названных транзисторы VT2, VT4 и резисторы R1, R3. Работа этого каскада обеспечивается стабилизатором тока, включающим транзисторы VT6, VT7 и резисторы R4, R5. Температурная компенсация осуществляется звеном, выполненным на транзисторах VT10, VT14 и резисторах R8, R10. ОУ имеет защиту от коротких замыканий по выходу (VT16, VT18, R12). Выходным каскадом является составной эмиттерный повторитель (VT12, VT17, VT15, R11), имеющий низкое выходное сопротивление и обеспечивающий нагрузочную способность. Выходной каскад имеет свой стабилизатор тока (VT11, VT13, R9). В согласующее звено между входными и выходными цепями входят элементы: R6, R7, VT8, VT9, VD1, C1.

Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) U_вых=f(U_вх) (рис.8.3) и амплитудно-частотные (АЧХ) к_U(f). Последние имеют вид АЧХ усилителя постоянного тока за исключением специальных частотнозависимых устройств (избирательный усилитель и др.). Передаточные характеристики имеют линейный участок, для которого к_U==const, и нелинейный - к_U^¢<к_U. При реализации конкретных устройств используют линейные и нелинейные участки. Рассмотрим примеры построения устройств на базе ОУ.

 

 

Вопрос 2. Инвертирующий и неинвертирующий усилители на ОУ.

Инвертирующий усилитель (рис.8.4) изменяет знак выходного сигнала относительно входного. На инвертирующий вход через резистор R1 подается U_вх и вводится параллельная отрицательная обратная связь по напряжению с помощью резистора R_о.с._. Коэффициент усиления

к_U.и=.

Для уменьшения погрешностей от изменения входных токов делают симметричные входы, выбирая R₂=R₁êêR_о.с.

Неинвертирующий усилитель (рис.8.5) не изменяет знак выходного сигнала относительно входного и

к_U.н=.

 

 

Вопрос 3. Вычитатель-усилитель и сумматоры.

Вычитатель-усилитель (рис.8.6) предназначен для усиления разностных сигналов. Если R₁=R₂ и R_о.с=R, то U_вых=(U_вх2-U_вх1).

Сумматоры. Схемы инвертирующего и неинвертирующего сумматоров приведены на рис.8.7, 8.8. Для инвертирующего сумматора выходное напряжение определяется по формуле

.

При равенстве входных сопротивлений R₁=R₂=R

U_вых=-(U_вх.1+U_вх.2+...+U_вх.n) - для инвертирующего сумматора;

- для неинвертирующего сумматора.

В схеме сумматоров переменным параметром является сопротивление обратной связи R_о.с, которое и определяет коэффициент усиления. Формулы

приведены для постоянных величин (числовой сумматор) U_вх.1, U_вх.2 и т.д. В работе исследуется также инвертирующий геометрический сумматор, для которого складываются мгновенные значения U_вх.1 и U_вх.2.

 

Вопрос 4. Интегратор и дифференциатор.

 

Интегратор, схема которого показана на рис.8.9, реализует операцию

,

где t=R₁C_о.с - постоянная времени.

Дифференциатор (рис.8.10) выполняет операцию

 

U_вых=-R_о.сC=-t.

Для интегратора и дифференциатора на инвертирующий вход подаются прямоугольные импульсы с выхода симметричного мультивибратора. На рис.8.11,а приведен электрический аналог и на рис.8.11,б временные диаграммы, поясняющие принцип дифференцирования и интегрирования в электрических и электронных цепях.

 

 

Вопрос 5. Избирательный усилитель.

На рис.8.13 показан избирательный усилитель с частотно-зависимым двойным Т-образным мостом на базе резисторов R₁, R_2, R₃ и конденсаторов C_1, C₂, C₃, подключенным по схеме отрицательной обратной связи, для которого w₀=. Мост выполняется симметричным, т.е. R₁=R₂=R, C₁=C₂=C и R₃=. Если C₃=C₁+C₂=2C, тогда w₀=.

 

Вопрос 6. Генераторы на ОУ.

Мультивибратором называется генератор периодически повторяющихся импульсов прямоугольной формы. Мультивибратор (рис.8.14) является автогенератором и работает без подачи входного сигнала. Рассматриваемый генератор является симметричным и для него длительность импульса и паузы равны t_и=t_n=R_о.сC×ln(1+), при R₁=R₂ t_и=t_п=R_о.сC×ln3, период повторения импульсов Т_п=(t_и+t_п)=2t_и, скважность Q=. Изменяя t=R_о.сC и величины R₁, R₂, можно регулировать длительность, частоту и амплитуду импульсов.

Генератор гармонических колебаний с мостом Вина на базе ОУ (рис.8.15) является самовозбуждающимся устройством. Мост Вина, состоящий из элементов R₁, R₂, C₁, C₂, образует звено частотно-зависимой положительной обратной связи, для которого f₀=- частота генерации частотно-зависимой цепи. При R₁=R₂=R и C₁=C₂=C (условие обязательное) f₀=. Соотношение параметров R_о.с и R₀ определяет коэффициент усиления k_u.

Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) предназначен для получения напряжения, которое в течение некоторого времени нарастает или спадает по линейному или близкому к линейному закону и используется в каскадах сравнения, схемах временной задержки импульсов, для получения временных разверток в электронно-лучевых трубках и т.д. Реализация ГЛИНа на ОУ и временные диаграммы входного и выходного напряжений даны на рис.8.16. Принцип работы основан на применении зарядного или разрядного устройства, интегрирующего конденсатора C и электронного ключа на транзисторе VT. При закрытом состоянии ключа происходит заряд конденсатора C от Е_зар. через R₃ с постоянной времени t_зар=R₃C, что определяет длительность прямого (рабочего) хода. Замыкание ключа приводит к быстрой разрядке конденсатора и время обратного хода определяется сопротивлением насыщенного транзистора. Выходное напряжение повторяет форму напряжения на конденсаторе C и имеет вид “пилы”.

 

Вопрос 7. Пороговые устройства.

Пороговые устройства предназначены для сравнения двух входных величин. В рассматриваемых схемах сравниваются постоянное U_оп и переменное U_вх напряжения. На рис.8.17,а приведен двухвходовый компаратор, у которого сравнивающиеся сигналы поступают на оба входа усилителя. Поэтому состояние выхода компаратора (полярность выходного напряжения) определяется большим по уровню напряжением одного их входов, что отражает идеализированная (без учета гистерезиса) передаточная характеристика (рис.8.17,б). При равенстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю. При DU_вх=U_оп-U_вх>0 наряжение на выходе ОУ будет равно U_вых=U_вых.m, если же DU_вх=U_оп-U_вх<0, то U_вых= -U_вых.m.

Уровень входного напряжения компаратора ограничивается допустимым синфазным входным напряжением. Принцип работы устройства поясняется временными диаграммами для U_вх и U_вых (рис.8.17,в). Обратные связи для этого компаратора не предусмотрены ни по одному их входов.

Для ускорения процесса переключения используют ускоряющие цепи на основе введения положительных обратных связей (ПОС). Такой компаратор с ПОС называется также триггером Шмитта (рис.8.18,а). Здесь применяется ПОС через цепочку R₁,R₂, а входной сигнал подается на инвертирующий вход. На рис.8.18,б построена передаточная характеристика этого компаратора, для которой

U_пр^¢=U_оп

U_пр^²=U_оп

U_г=U_пр^¢-U_пр^²=,

U_г - ширина петли, определяющая соотношением сопротивлений делителя R₁ и R₂.

 

Контрольные вопросы

 

1. К какому классу усилителей относится ОУ?

2. Чем объясняется широкое использование ОУ?

3. Поясните структурную компоновку ОУ.

4. Что такое обратные связи в усилителях и как они используются при построении конкретных устройств на базе ОУ?

5. Какие основные характеристики ОУ и какой они имеют вид?

6. Где используют линейный и нелинейный режим усиления?

7. Поясните принцип построения инвертирующего и неинвертирующего усилителя на базе ОУ.

8. Как определяется их коэффициент усиления?

9. Поясните принцип построения вычитателя, сумматора, дифференциатора, интегратора. Запишите формулы выполняемых операций.

10. Что такое “избирательный усилитель”? Особенности АЧХ. Что такое и как определяется полоса пропускания?

11. Основные принципы построения самовозбуждающихся устройств на базе ОУ.

12. Что такое частотно-зависимые цепи и в каких устройствах они используются?

13. Принцип построения и использование ГЛИНа.

14. Что такое “пороговые устройства”?

15. Какое принципиальное отличие при построении компаратора и триггера Шмитта на ОУ?

16. Поясните, что такое “гистерезис” в электронных цепях?

Тема: Логические функции и микросхемы.

 

Вопрос 1. Логические элементы и функции.

Логические элементы (ЛЭ) широко применяются в автоматике, вычислительной технике и цифровых измерительных приборах. Их создают на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме, при котором уровни сигналов могут принимать только два значения. В положительной логике принято, что высокий уровень сигнала соответствует логической единице (1), а низкий – логическому нулю (0).

Все логические устройства можно разделить на две группы :

1) комбинационные, в которых выходные сигналы в данный момент однозначно определяются входными сигналами;

2) последовательностные, в которых выходные сигналы зависят не только от входных сигналов, но и от предыдущего состояния устройства.

Логическая функция выражает зависимость выходных логических переменных от входных и принимает значения 0 или 1. Любую логическую функцию удобно представить в виде таблицы состояний (таблицы истинности), где записываются возможные комбинации аргументов и соответствующие им функции.

 

	Таблица 9.1
Название	Обозначение	Значение x
функции	функции
Нулевая	y0
Повторение	y1
Инверсия	y2
Единичная	y3

В общем случае число элементарных логических функций от n переменных равно . Так, при одной переменной возможны четыре функции (табл.9.1). Здесь единичная и нулевая функции не зависят от значения аргумента и являются постоянными. Двум переменным соответствует 16 функций: =16. В табл.9.2 приведены основные логические функции двух переменных.

Работу логических устройств анализируют с помощью алгебры логики (булевой алгебры), где переменная может принимать только два значения: 0 или 1.

Основными логическими операциями являются (см. табл.9.2):

1) логическое умножение : y=x₁·x₂·...·x_n (читается “и х₁, и х₂,..., и х_n”);

2) логическое сложение : y=x₁+x₂+...+x_n (читается “или х₁, или х₂,..., или х_n”);

3) логическое отрицание : (читается “не х”).

Как видно из табл. 9.2, выходной сигнал y элемента ИЛИ равен 1, если хотя бы один из его входов подан сигнал 1. Элемент И выдает 1, если на все входы поданы сигналы 1.

Все возможные логические функции n переменных можно образовать с помощью комбинации трех основных операций: И, ИЛИ, НЕ. Поэтому такой набор называют логическим базисом или функционально полным. Используя законы булевой алгебры (табл. 9.3), можно доказать, что таковыми являются наборы из одной функции И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

В базовых элементах одной серии использована одинаковая микросхемная реализация. Серия характеризуется общими электрическими, конструктивными и технологическими параметрами.

Интегральные микросхемы серии 155 представляют собой транзисторно-транзисторные логические (ТТЛ) элементы с 14 или 16 выводами. Базовым элементом серии является логический элемент И-НЕ, состоящий из многоэмиттерного транзистора VT1 и сложного усилителя-инвертора (рис.9.1).

Таблица 9.2

Тип Элемента	Логическая функция (операция)	Обозначение Логической Операции	Таблица истинности	Условное Изображение
x1
x2
Элемент НЕ (инвертор)	Логическое Отрицание, Инверсия	ùx	x			X 1 y
Элемент И (конъюнктор)	Логическое умножение, Конъюнкция	x1·x2 x1x2 x1Ùx2 x1&x2	x1·x2					x1 & y x2 y=x1×x2
Элемент ИЛИ (дизъюнктор)	Логическое сложение, Дизъюнкция	x1+x2 x1Úx2	x1+x2					x1 1 y x2 y=x1+x2
Элемент И-НЕ (элемент Шеффера)	Штрих Шеффера, Отрицание конъюнкции	_____ x1·x2 x1½x2	_____ x1·x2					x1 & y x2 y=
Элемент ИЛИ-НЕ (элемент Пирса)	Стрелка Пирса, функция Вебба, Отрицание дизъюнкции	_____ x1+x2 x1¯x2	_____ x1+x2					x1 1 y x2 y=
Запрет x2	Запрет	__ x1·x2	__ x1·x2					x1 & y x2 y=x1·
Импликация от x2 к x1	Импликация	__ x1+x2	__ x1+x2					x1 1 y x2
Исключающее ИЛИ (неравнозначность, сложение по модулю 2)	Исключающее ИЛИ	x1Åx2	x1Åx2					x1 =1 y x2 y=x1Åx2
Равнозначность (эквивалентность)	Равнозначность	x1~x2	x1~x2					x1 = y x2 y=x1~x2

 

Таблица 9.3

Аксиомы (тождества)	1+х=1 0+х=х х+х=х х+=1 =х	0·х=0 1·х=х х·х=х х·=0
Законы коммутативности	х1+х2=х2+х1	х1·х2= х2·х1
Законы ассоциативности	х1+х2+х3=х1+(х2+х3) х1·х2·х3=х1·(х2·х3)
Законы дистрибутивности	x1·(х2+х3)=(х1·х2)+(х1·х3) x1+(х2·х3)=(х1+х2)·(х1+х3)
Законы дуальности (теоремы де Моргана)	=
Законы поглощения	х1+х1·х2= х1	х1·(х1+х2)=х1

 

Если на входы ЛЭ поданы высокие положительные потенциалы В, то переходы база-эмиттер VT1 закрываются, а через его открытый переход база-коллектор и резистор R1 протекает ток базы транзистора VT2, достаточный для его насыщения. При этом ток эмиттера VT2 открывает транзистор VT3 и подключает выход ЛЭ к общей шине. Вследствие падения напряжения на резисторе R2 , а также за счет включения диода VD4 напряжение на переходе база-эмиттер транзистора VT4 оказывается недостаточным для его открывания. Таким образом, напряжение на выходе ЛЭ не превышает напряжения насыщения транзистора VT3 (примерно 0,2 …0,4 В), что соответствует логическому 0.

Если хотя бы на одном из входов ЛЭ оказывается низкий потенциал, В, то через открытый переход база-эмиттер VT1 и резистор R1 протекает входной ток мА, а в базу VT2 попадает незначительный по величине обратный ток коллекторного перехода VT1. В этом случае транзисторы VT2 и VT3 заперты, а транзистор VT4 открыт и насыщен, так как в его базу протекает ток через резистор R2. Выход ЛЭ от шины питания +5 В получает высокий потенциал (логический уровень 1) через переходы VT4, диод VD4 и резистор R4.

Данный ЛЭ производит логическое умножение двух входных сигналов с одновременным инвертированием выходной величины (2И-НЕ).

Если в базовом элементе (рис.9.1) отсоединить элементы R4, VT4, VD4, а в коллектор транзистора VT3 включить нагрузку, то вместо инвертирования обеспечивается повторение выходного сигнала.

В настоящее время применяется несколько разновидностей серий микросхем с элементами ТТЛ: стандартные (серии 133; К155), высокого быстродействия (серии 130; К131), микромощные (серия 134), с диодами Шоттки (серии 530; К531) и микромощные с диодами Шоттки (серия К555). Кроме расширения номенклатуры элементов серий К531 и К555 сейчас активно развиваются наиболее перспективные серии ТТЛШ - микромощная К1533 и быстродействующая К1531, выполненные на основе последних достижений технологии изготовления ИС - ионной имплантации и прецизионной фотолитографии.

Наибольшим быстродействием обладают ЛЭ, выполненные по технологии ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) и ТТЛШ (транзисторно-транзисторная логика с транзисторами Шоттки). Меньше потребляет мощности КМДПТЛ (комплементарная МДП-транзисторная логика). Она же лучшая по помехоустойчивости и нагрузочной способности. ЭСЛ и И²Л (интегральная инжекционная логика) меньше других генерируют помехи.

В последние годы получили развитие программируемые логические элементы, на которых с помощью программаторов можно построить многие цифровые устройства.

Любая сложная логическая функция может быть реализована с помощью ЛЭ, выполняющих элементарные функции И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Пусть требуется составить комбинационную схему с четырьмя входами x₁, x₂, x₃, x₄ и одним выходом y. Высокий уровень напряжения должен появляться на выходе только при наличии высоких уровней на трех входах, т.е. y=1 при x₁=x₂=x₃=1 и x₄=0. Такую схему можно составить путем подбора элементов. Например, элемент 3И-НЕ при подаче на его входы x₁=x₂=x₃=1 дает на выходе сигнал y₁=0. Подавая его и x₄=0 на вход элемента 2ИЛИ-НЕ, получаем y=1.

Другим способом является преобразование логической функции по правилам алгебры логики (см. табл. 9.3). Для данного примера . Используя тождество и формулы де Моргана, эту функцию можно представить в виде:

.

Полученной логической функции соответствует схема рис.9.2.

Контрольные вопросы

 

1. Какие операции и тождества алгебры логики Вы знаете?

2. Перечислите логические функции одного и двух аргументов, покажите примеры реализации.

3. Что представляет собой серия цифровых (логических) ИС?

4. Приведите примеры простейших цифровых устройств на основе логических элементов.

5. Реализуйте несколько функций, заданных таблицей истинности.

6. Какой набор логических элементов называют функционально полным (базовым)?

7. Поясните работу базового логического элемента.

8. Как классифицируются ЛЭ по микросхемной реализации.

9. Объясните причины перспективности интегральных логических элементов.

Тема: Комбинационные логические схемы.

Построение комбинационного логического устройства осуществляется следующим образом. По требуемому алгоритму работы составляются таблица истинности и…  

Вопрос 1. Дешифратор.

Дешифратор(декодер) представляет собой комбинационное устройство, в котором при каждой комбинации входных переменных формируется сигнал высокого или низкого уровня только на одном выходе. Дешифратор называется полным, если число выходов n равно числу возможных наборов сигналов на m входах, т.е. n=2^m. Неполный дешифратор имеет меньшее число выходов. Дешифратор может иметь стробирующий (управляющий) вход. Сигнал на этом входе разрешает или запрещает выполнение операции дешифрования.

Работа дешифратора определяется таблицей истинности (табл. 10.1). Дешифратор реализует логические функции:

; ; ; ...; .

Он позволяет преобразовать четырехразрядный двоичный код, поступивший на входы А0...А3, в напряжение низкого уровня, появляющееся на одном из шестнадцати выходов . Если входные переменные представить как двоичную запись чисел, то логический нуль формируется на том выходе, номер которого соответствует десятичной записи того же числа (см.табл.10.1). Кроме четырех входов А0...А3 устройство имеет еще два входа и разрешения дешифрации. Они играют роль стробирующих входов, если на них подан низкий уровень напряжения. Если хотя бы на одном из входов и установить высокий уровень, то на всех выходах будет высокий уровень напряжения. Такой режим используется при наращивании числа разрядов дешифрируемого кода.

 

Таблица10.1

Входы

Выходы

А3

А2

А1

А0

…

...

...

...

...

...

...

...

x

x

x

x

...

x

x

x

x

...

x

x

x

x

...

Примечание: здесь и далее x — любое значение сигнала.

Входы и можно использовать как логические, тогда микросхема ИД3 служит демультиплексором данных. Входы А0...А3 в этом случае используются как адресные, чтобы направить поток данных, принимаемых входами или , на один из выходов. Подобные задачи возникают при дистанционном управлении, в преобразователях последовательного кода в параллельный и т.п.

Принцип выбора “1 из n” используется для управления индикаторами в устройствах отображения информации, в различных схемах распределителей импульсов по нескольким каналам (в данном случае - до 16). Как видно из рис.10.1, на выходе 1 высокий логический уровень появится только при кодовом наборе 0000, на выходе 2 - при наборах 1000 или 1010.

Если в системах управления применяется генератор тактовых импульсов и четырехразрядный счетчик, то дешифратор можно использовать в качестве делителя частоты (см. рис.10.1) или формирователя импульсов (рис.10.2), благодаря цикличности "перемещения" логических уровней по выходам. Формирование конечной последовательности импульсов может осуществляться различными способами (см. рис.10.2). Например, на выходе 1 длительность сформированного импульса равна половине цикла, т.к. переключение -триггера происходит при прохождении нулевого сигнала на выходах 0 и 8 дешифратора. При выборе других точек подключения входа 2 скважность (q=T_цикла/t_имп) можно изменять в широких пределах (от 1,1 до 16). В другом примере на рис.10.2 показан простой способ получения пакета из двух импульсов на выходе одного ЛЭ. Аналогичная схемотехника используется и для формирования последовательности импульсов различной длительности.

Вопрос 2. Мультиплексор.

Мультиплексор(управляемый кодом переключатель) предназначен для коммутации одного из m входов на выход. Входы мультиплексора (m - информационных и к - управляющих) находятся в следующем соответствии: m=2^к. Выход обычно один, он может быть прямым или инверсным.

Микросхема К155КП5 представляет собой восьмиканальный мультиплексор без стробирования (рис.10.3). Основу его схемы составляет один ЛЭ 4И-8ИЛИ-НЕ и 6 простых инверторов. Он имеет 8 информационных входов D0... D7, 3 адресных входа V0...V2 и выход .

Логическое уравнение имеет вид:

Состояние мультиплексора определяется таблицей истинности (табл. 10.2). Как видно из таблицы, мультиплексор выполняет функции простого инвертора только по тому каналу, номер которого соответствует двоичному коду адресных входов. Поэтому мультиплексор нашел широкое применение в качестве преобразователя параллельного кода в последовательный, для передачи информации по линиям связи и для последовательного опроса (контроля) при большом числе каналов или устройств.

 

Таблица10.2

Адресные входы	Информационные входы	Выход
V2	V1	V0	D0	D1	D2	D3	D4	D5	D6	D7
				x	x	x		x	x	x
				x	x	x		x	x	x
			x		x	x	x	x	x	x
			x		x	x	x	x	x	x
...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...
			x	x	x	x	x	x	x
			x	x	x	x	x	x	x

 

Таблица 10.3

Входы	Выходы
Ai	Bi	Pi	Si	Pi+1

 

Вопрос 3. Сумматор.

Сумматор предназначен для сложения двух чисел, заданных в двоичном коде. Число входов и выходов сумматора определяется разрядностью слагаемых. Одноразрядный двоичный сумматор характеризуется таблицей истинности (табл.10.3). Такой сумматор называется полным, т.к. обрабатывает сигнал переноса с предыдущего разряда P_i и выдает сигнал переноса на последующий разряд P_i+1. Схемотехника сумматоров строится на ЛЭ "исключающее ИЛИ" (функция "неравнозначность") для суммирования и ЛЭ И-НЕ для переноса:

P_i+1=A_iB_i+(A_iB)P_i; S_i=(A_iB_i)P_i.

Микросхема К155ИМ3 (рис.10.4) представляет собой четырехразрядный сумматор с параллельным поразрядным сложением и последовательным формированием сигнала переноса. Он имеет два четырехразрядных числа по входам данных А0...А3 и В0...В3, а по входу РО - сигнал переноса с предыдущего разряда. Сумма разрядов входных чисел появляется на выходах S0...S3. На выходе Р4 выделяется сигнал переноса на последующий разряд.

Суммирование происходит по уравнению:

P₀+2⁰(A₀+B₀)+2¹(A₁+B₁)+2²(A₂+B₂)+2³(A₃+B₃)=2⁰S₀+2¹S₁+2²S₂+2³S₃+2⁴P_4.

Сумматор можно использовать для вычитания чисел. Для этого вычитаемое представляют в дополнительном коде, который образуется из обратного (инверсного) кода добавлением к нему единицы. Так, четырехразрядное число В, записанное в прямом коде В_пр=В₃В₂В₁В₀, может быть представлено в обратном кодеи в дополнительном коде В_доп =В_обр+1.

Операцию вычитания можно представить в виде

Сумматор может работать и как компаратор чисел. Для этого второе сравниваемое число подают в обратном коде (например, через инверторы). Тогда при…   Контрольные вопросы

Вопрос 1. Арифметико-логическое устройство.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) является основным функциональным узлом микропроцессора, предназначенным для обработки данных. АЛУ представляет собой комбинационную логическую схему, выполняющую логические и арифметические действия.

Для ввода, вывода и оперативного хранения информации, а также ее пошаговой загрузки по тактовому импульсу в АЛУ предназначен блок регистров: аккумулятор (А), буферные регистры (БР) или регистры общего назначения (РОН) (рис.11.1).

Совместная работа АЛУ и аккумулятора позволяет реализовать ряд арифметических и логических операций, в том числе сложение, вычитание, инверсию, сравнение, положительное или отрицательное приращение, сдвиг влево или вправо, логическое И, ИЛИ, исключающее ИЛИ и т.п. Из перечисленных элементарных операций набираются сложные задачи современной микропроцессорной техники.

Универсальная микросхема К155ИП3 (рис.11.2) представляет собой четырехразрядное АЛУ. Основу этой микросхемы составляют 30 простых логических элементов типа И-НЕ, И-ИЛИ-НЕ, исключающие ИЛИ и инверторов.

АЛУ может формировать 16 логических операций и выполнять 16 арифметических действий, включая суммирование и вычитание, увеличение и уменьшение, удвоение и инверсию. Все операции производятся над четырехразрядными числами в двоичных кодах, причем одно из чисел подается на входы А3...А0, второе - на входы В3...В0, а результат вычислений появляется на выходах F3...F0. Характер операций АЛУ зависит от уровня сигнала на входе режима М: при М=0 выполняются арифметические, а при М=1 - логические операции. Причем последние выполняются поразрядно. Вид выполняемых операций зависит от кода операции, подаваемого на управляющие входы S3...S0, в соответствии с табл.11.1.

Ряд арифметических операций можно использовать либо для загрузки операндов (например, F=А или F=В для А=0 при S=0000 или S=1001 соответственно), либо для сложения в прямом коде F=А+В, или вычитания в дополнительном коде F=А-В, либо для более сложных действий.

При выполнении арифметических операций учитывается признак переноса с предыдущего разряда, подаваемый на вход . При этом формируется признак переноса четвертого разряда . Для удобства наращивания разрядности АЛУ при объединении нескольких микросхем вход и выход признаков переноса выполнены инверсными. При выполнении логических операций (логическое И, ИЛИ, исключающее ИЛИ и т.п.) с использованием прямых или инверсных кодов состояние входа переноса не влияет на полученные результаты.

Для расширения функциональных возможностей АЛУ предусмотрены выходы образования переноса G и распространения переноса Р: первый переключается при достижении 1111₂=15₁₀, а второй - при появлении переноса в любом из четырех разрядов.

 

Таблица 11.1

Код операции	Вид операции
S3	S2	S1	S0	Арифметические (М=0)	Логические (М=1)
				F=A+C0	__ F=A
				F=AÚB+C0	______ F=AÚB
				__ F= AÚB+C0	__ F=A·B
				F=-1+C0	F=0
				F=A+A·+C0	______ F=A·B
				F=A·+(AÚB)+C0	__ F=B
				F=A-B-1+C0	F=AB
				__ F=A·B-1+C0	__ F= A·B
				F=A+A·B+C0	__ F=AÚB
				F= A+B+C0	_______ F= AB
				__ F= A·B+(AÚB)+C0	F=B
				F=A·B-1+C0	F= A·B
				F= A+A+C0	F=1
				F= A+(AÚB)+C0	__ F= AÚB
				__ F= A+(AÚB)+C0	F= AÚB
				F=A-1+C0	F=A

 

Обозначения: Ú - логическое сложение; ·- логическое умножение;

- сложение по модулю 2 (исключающее ИЛИ); + - арифметическое сложение; - - арифметическое вычитание; F=A+A - сдвиг влево на один разряд.

В схеме АЛУ предусмотрена также возможность сравнения операндов: если А=В, то на выходе К появляется уровень логической единицы.

 

Вопрос 2. Регистры.

Микросхема К155ИР11 (рис.11.3) представляет собой восьмиразрядный сдвигающий регистр, предназначенный для записи информации в параллельном или последовательном коде, ее хранения или сдвига влево и вправо. Основу этой микросхемы составляет 8 синхронизируемых триггеров в сочетании с логическими элементами И-НЕ, И-ИЛИ-НЕ и инверторами.

Схема имеет восемь входов D7...D0 параллельной записи, два входа последовательной записи DL - со сдвигом влево и DR - со сдвигом вправо, управляющие входы S0 и S1 для выбора режима работы, тактовый вход С и установочный вход , а также восемь выходов Q7...Q0.

В зависимости от состояний установочного входа и управляющих входов S0 и S1 схема может работать в различных режимах (см. табл.11.2).

 

Таблица 11.2

Режим работы	Состояние входов
уст.	код режима	посл. зап.	Такт C
	S1	S0	DL	DR
Установка в “0” (сброс)		х	x	х	x	x
Параллельная запись						_é
Последовательная запись со сдвигом влево				0/1		_é
Последовательная запись со сдвигом вправо					0/1	_é
Хранение						_é

 

Как видно из табл.11.2, параллельная запись информации осуществляется через входы D7...D0 при S0=S1=1, и ее появление на выходах Q7...Q0 обеспечивается синхронно по положительному фронту тактового импульса.

Примечание: при переключении регистра сдвига в режим «хранение» необходимо кнопку «такт» держать в нажатом состоянии.

Если сигнал подавать на вход DL, то при S1=1 и S0=0 каждый тактовый импульс будет осуществлять ее последовательную запись с одновременным сдвигом влево. Как известно, такая операция эквивалентна умножению двоичного числа на два. При S1=0 и S0=1 по входу осуществляется последовательная запись со сдвигом вправо, что эквивалентно делению двоичного числа на два.

Естественно, что при отсутствии тактового импульса записанная информация будет храниться в регистре до прихода нового импульса, точнее перепада 0/1. Вместе с тем, режим хранения обеспечивается и при установке S2=S1=0 как результат запрета на переключение триггеров.

Микросхема К155РП1 (рис.11.4), представляет собой четырехразрядный регистр памяти, предназначенный для записи и хранения информации емкостью 16 бит, и обычно используется в качестве оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) или буферного регистра (БР). Основу схемы составляют 16 триггеров DV-типа, управляемых с помощью логических элементов И-НЕ, И-ИЛИ-НЕ. В структурном отношении регистровая память состоит из матрицы 4х4 элемента, коммутируемой с помощью входного дешифратора и 4 выходных мультиплексоров.

Схема имеет четыре информационных входа D3...D0, по два адресных входа записи WB, WA и считывания RB, RA соответственно, раздельные стробирующие входыи , а также четыре выхода Q3...Q0.

Если на вход подать стробирующий импульс =0, то, в зависимости от выбранного кода адреса 00...11 на входах WB и WA, производится одновременная запись информации со входов D3...D0 только в четыре "вертикальные" ячейки матрицы, соответственно от №№ 1,5,9,11 до №№ 4,8,12,16. При этом каждый триггер в своей ячейке может переключиться при условии V=1, которое выполняется только при определенной комбинации сигналов на адресных входах.

Считывание записанной информации из соответствующих "верти-кальных" ячеек производится при условии установки необходимого адреса и разрешается стробом =0. Поскольку выходные логические элементы этой микросхемы выполняются с открытым коллектором, то возможно наращивание емкости памяти при объединении выходов с помощью “Монтажного ИЛИ”.

При считывании информации из ячеек памяти не происходит ее разрушения, даже при многократном обращении к памяти.

 

Контрольные вопросы

 

1. Поясните смысл используемых в работе терминов: операнд, слово данных, аккумулятор, запись в память, код операции и т.д.

2.Объясните назначение и перечислите функциональные возможности каждой из исследуемых микросхем.

3. Какие основные задачи выполняют регистры и АЛУ в микропроцессорных системах?

4. Чем отличается дополнительный код от прямого и инверсного?

5. С какой целью в микропроцессорах предусматриваются операции инкремента и декремента?

6. Для каких целей в АЛУ предусматриваются выводы образования и распространения переноса? Какая информация появляется на выходе сравнения АЛУ?

7. Каким образом и с какой целью используется проверка содержимого АЛУ на нуль?

8. Предложите методику и способ вычисления задач типа F=2(A+B); F=A+B+1 (или других по заданию преподавателя).

9. Предложите схемную реализацию устройства для сравнения двух операндов, если А=const, а B=var.

10. Выделите на принципиальных электрических схемах АЛУ и регистров шины данных, адреса и управления. Дайте необходимые пояснения.

11. Почему аккумуляторы многих микропроцессоров выполняются двойной длины?

12. Какое минимальное число разрядов должен иметь аккумулятор у четырехразрядного микропроцессора?

Тема: Триггеры.

Вопрос 1.

Триггерами называют электронные устройства, обладающие двумя состояниями устойчивого равновесия и способные под воздействием управляющего сигнала переходить скачком из одного состояния в другое. Каждому состоянию триггера соответствует определенный (высокий или низкий) уровень выходного напряжения, который может сохраняться как угодно долго. Поэтому триггеры относятся к цифровым автоматам с памятью. В настоящее время триггеры выполняются на основе логических элементов в виде интегральных микросхем (ИМС). Они включены почти во все серии ИМС.

Триггеры применяются как переключающие элементы самостоятельно или входят в состав более сложных цифровых устройств, таких как счетчики, делители частоты, регистры и др.

В общем случае триггер имеет два выхода: прямой (Q) и инверсный (), сигналы на которых противоположны по уровню. Количество входов триггера зависит от его типа. Входы делятся на информационные и командные.

По способу записи информации триггеры делятся на асинхронные, у которых информационные и командные входы совмещены, и синхронные или тактируемые. Последние срабатывают только при поступлении на один из командных входов (синхровход) разрешающего импульса.

По числу ступеней триггеры делятся на однотактные и двутактные. В однотактных информация на выходах появляется практически одновременно с приходом информационного или синхроимпульса. Такие схемы срабатывают по перепаду сигнала 0-1 (по фронту синхроимпульса). В двухтактных триггерах переключение элементов происходит в два приема и сигнал на выходе появляется с задержкой. Они срабатывают по перепаду сигнала 1-0 (по спаду импульса).

В зависимости от логической структуры схемы управления различают RS-, D-, T-, JK-триггеры и др.

Работа триггера может быть описана логическим уравнением, связывающим состояние входов и выходов триггера до его срабатывания (t) и после срабатывания (t+1). Состояние триггера можно задать таблицей переходов или временной диаграммой его работы.

 

Вопрос 2. RS - триггеры.

Асинхронный RS - триггер имеет два установочных входа R и S. Схема триггера на ЛЭ 2ИЛИ-НЕ и его условное обозначение показаны на рис.12.1. При S=R=0 схема устойчива. Это режим хранения информации. Если Q=1, то на входах DD2 оказываются 1 и 0, при которых =0.

Таблица 12.1

R	S	Qt+1
		Qt
		X

 

 

На входах DD1 - 0,0, что сохраняет этот элемент с состоянии Q=1. Для изменения состояния триггера на его входы надо подать комбинацию сигналов R=1, S=0. Тогда на входах DD1 появятся высокие уровни и этот элемент перейдет в состояние Q=0. На входах DD2 установятся сигналы 0, 0 и логический элемент перейдет в состояние Q=1. Комбинация S=1, R=0 возвратит триггер в состояние Q=1, =0. При комбинации S=1, R=1 состояние триггера неопределенно, эта комбинация запрещена. Работа триггера иллюстрируется таблицей переключений (табл.12.1). Триггер с таким же законом работы можно выполнить на логических элементах 2И-НЕ.

Синхронные RS - триггеры имеют два информационных входа R и S и синхровход С. Схема триггера и его условное обозначение показаны на рис.12.2. Асинхронный RS - триггер дополнен схемой управления на ЛЭ DD1-2, которая формирует сигналы и , поступающие на его установочные входы. Управление осуществляется низким уровнем сигнала (0), поэтому на входах показан знак инверсии. При =1 любая комбинация и дает на выходах 0, и асинхронный триггер на элементах DD3-4 находятся в режиме хранения информации. Схема управления сработает только при поступлении низкого уровня на синхровход (=0). Тогда =1 и =0 приведет к =0 и =1. Триггер перейдет с состояние Q=1, а при =0, =1 - в состояние Q=0. Комбинация ===0 запрещена. Так как при = 1 любое изменение сигналов на входах иигнорируется, синхронные триггеры защищены от воздействия помех.

Вопрос 3. D – триггеры.

 

Синхронный D - триггер состоит из асинхронного RS-триггера и схемы управления на ЛЭ. Он имеет информационный вход D и синхровход С. Его схема и условное обозначение показаны на рис.12.3. ЛЭ DD3-4 представляют собой RS-триггер, управляемый инверсными сигналами. Его устойчивое состояние обеспечивается комбинацией 1. При С=0 выходах обоих ЛЭ И-НЕ DD1-2 независимо от значения сигнала на входе D будут поддерживаться высокие уровни и триггер сохраняет предыдущее состояние. С приходом синхроимпульса С=1, при D=1 =0, а =1, и RS-триггер оказывается в состоянии Q=1. При D=0 =1, =0, и триггер переходит в состояние Q=0. Это значение не может измениться до прихода следующего синхроимпульса. Поэтому D-триггеры называют триггерами задержки - они задерживают информацию на такт. На схеме пунктиром показан вход Е, объединяющий два дополнительных И-входа. Этот вход расширяет возможности схемы. Его называют разрешающим. При Е=1 триггер работает в нормальном режиме, Е=0 дает возможность сохранить информацию при изменении сигналов на D- и С-входах. Такой триггер называют DV-триггером с разрешающим входом.

Широкое применение получили двухтактны D - триггеры. Схема и условное обозначение приведены на рис.12.4а,б. Он состоит из D-триггера и синхронного RS-триггера с объединенными через инвертор С-входами. Принцип работы триггера можно проследить по временной диаграмме (рис.12.4в). Сигнал со входа D записывается в Т1 по фронту синхроимпульса. При этом С1=0 и Т2 сохраняет прежнюю информацию. После окончания синхроимпульса С=0, и Т1 отключается от D-входа, С1=1 и Т2 переписывает информацию их Т1.

Вопрос 4. JK – триггеры.

 

JK - триггер является универсальным. Его условное обозначение приведено на рис.12.5а. Он имеет два установочных входа R и S, информационные входы J и K и синхровход С.

Установочные входы обладают приоритетом над другими. С их помощью триггер устанавливают в состояние Q=1 или Q=0 независимо от сигналов на всех других входах.

J- и K-входы работают по разрешающему импульсу на С-входе. При комбинации J=1 и K=0 на выходе Q=1. При J=0 и K=1 триггер переходит в состояние Q=0, а если J=K=1, то с приходом каждого синхроимпульса он меняет состояние. Работу триггера можно описать логическим уравнением

На основе JK-триггера можно построить любой другой тип триггера. Поэтому они массово производятся практически во всех сериях ИМС.

 

Вопрос 5. Т – триггеры.

Т-триггер или счетный триггер имеет один информационный вход Т. Каждый импульс на этом входе переводит его в новое состояние. Его логическое уравнение .Оно соответствует уравнению JK-триггера при K=J=1.

Такой же триггер можно получить на основе D-триггера (рис.12.5б). Поэтому производить Т-триггеры в виде самостоятельных изделий нет смысла и их нет в сериях ИМС.

Т-триггеры используются как делители частоты на 2 или счетчики по модулю 2.

Триггер типа ТV имеет, кроме информационного входа Т, разрешающий вход Е, уровень напряжения на котором запрещает или разрешает его работу.

 

Контрольные вопросы

 

1.Что называют триггером?

2. Как классифицируются триггеры по способу записи информации и по функциям?

3. Как работают RS-триггеры?

4. Чем отличаются D- и DV-триггеры?

5. Зачем нужен разрешающий вход Е?

6. Почему JK-триггеры называют универсальными?

7. Для чего используют Т-триггеры?

8. Как получить Т-триггер на основе D- или JK-триггеров?

9. Начертите схему делителя частоты на 8. Поясните его работу на временной диаграмме.

Тема: Счетчики и регистры.

 

Вопрос 1. Счетчики.

Счетчик – это устройство, которое может иметь не более чем 2ⁿ внутренних состояний, где n - число триггеров, входящих в состав счетчика. Счетчики используются для подсчета числа двоичных импульсов. В ЭВМ они применяются для формирования адресов, подсчета количества циклов и т.д.

Основным параметром счетчика является коэффициент или модуль счета K - это наибольшее число импульсов, которое может быть подсчитано счетчиком и равное максимальному числу внутренних состояний 2ⁿ. В зависимости от модуля счета различают двоичные (K=2ⁿ, где n - число триггеров), декадные или десятичные (K=10^m, где m - число десятичных разрядов), с произвольным постоянным и с переменным модулем.

По способу изменения выходного кода счетчики делятся на суммирующие, вычитающие и реверсивные. У суммирующего счетчика выходной код увеличивается на единицу для каждого нового состояния, а у вычитающего - уменьшается на единицу. Реверсивный счетчик может работать в обоих режимах.

По способу управления внутренними триггерами счетчики подразделяются на асинхронные (последовательные) и синхронные(параллельные).

В асинхронных счетчиках переключение последующего триггера осуществляется выходным сигналом предыдущего, а входные счетные импульсы приходят на вход только младшего (нулевого) триггера.

Рассмотрим работу асинхронного суммирующего счетчика, выполненного на четырех JK-триггерах (рис.13.1,а). Работу счетчика однозначно определяет таблица состояний (табл.13.1) или временная диаграмма (рис.13.1,б).

В исходном состоянии на объединенные входы R всех триггеров подается низкий уровень сигнала (R=0) для предварительного обнуления счетчика и установки на всех прямых выходах логического нуля: Q₁=Q₂=Q₃=Q₄=0.

Счетные импульсы приходят на вход первого триггера T1. Выходами счетчика являются прямые выходы триггеров, с которых информация о состоянии предыдущего триггера передается на синхровход последующего. Значение переменной Q_i соответствующего разряда счетчика изменяется, когда переменная в соседнем младшем разряде Q_i-1 переходит из состояния “1” в “0” (см. Табл.13.1). Для реализации этого свойства последовательного счетчика JK-триггеры в схеме работают в режиме T-триггера с переключением в новое состояние по спаду входного синхроимпульса. Таким образом, частота выходного сигнала каждого триггера в два раза меньше, чем частота сигнала на его входе (см. Рис.13.1,б). Счетчик на выходах формирует нарастающие кодовые наборы от 0000 до 1111, являющиеся двоичными эквивалентами десятичных чисел от 0 до 15. Шестнадцатый импульс переводит все триггеры в исходное нулевое состояние (K=2⁴=16).

Если в качестве выходов счетчика использовать прямые выходы триггеров, а на синхровходы последующих триггеров подавать сигналы с инверсных выходов предыдущих триггеров, получим вычитающий счетчик. Перед началом счета должна быть предусмотрена установка всех его триггеров в исходное состояние “1”. При счете импульсов вычитающий счетчик будет формировать на прямых выходах триггеров убывающие кодовые наборы от 1111 до 0000.

В синхронных (параллельных) счетчиках счетные импульсы поступают одновременно на входы синхронизации всех триггеров (рис.13.2). Значение Q_i изменится при поступлении очередного счетного импульса в том случае, если переменные во всех младших разрядах Q_i-1, ..., Q₁ находятся в состоянии “1” (см. Табл.13.1).

Счетчики изготавливаются в виде готовых микросхем. Например, микросхема К155ИЕ2 - это двоично-десятичный счетчик, микросхема К155ИЕ4 имеет модуль счета 13, а К155ИЕ6 - реверсивный счетчик с предустановкой.

В тех случаях, когда требуется счетчик с модулем счета, меньшим, чем 2ⁿ состояний, избыточные состояния исключаются с помощью комбинационной схемы. На рис.13.3 показана схема суммирующего счетчика с K=6. После шестого импульса сигналы с выходов Q₂=1 и Q₃=1 вызовут появления «0» на выходе элемента 2И-НЕ, что в свою очередь приведет к обнулению всех триггеров. Логический элемент 2И-НЕ в данном случае играет роль комбинационной схемы, выявляющей значение выходного кода, при котором счетчик должен устанавливаться в начальное состояние.

Микросхема К155ИЕ7 представляет собой двоичный четырехразрядный реверсивный счетчик широкого применения. Его основу составляют четыре JK-триггера, а вспомогательные операции выполняются 18 логическими элементами. Счетчик имеет управляющий вход V, два счетных входа (прямого счета C1 и обратного счета C2), четыре информационных входа предустановки D3, D2, D1, D0, соответствующие выходы Q3, Q2, Q1, Q0, а также два инверсных выхода переноса B и Р_{_}. Условное обозначение приведено на рис.13.4.

В зависимости от состояний входов возможны три режима работы счетчика:

- режим счета реализуется, когда V=1: при подаче счетных импульсов на вход C1 происходит увеличение двоичного выходного кода, при подаче импульсов на вход C2 – уменьшение;

- режим параллельной записи обеспечивается, когда V=0, при этом кодовые наборы, установленные на информационных входах, повторяются на выходах соответствующих разрядов, независимо от состояния счетных входов;

- сброс счетчика осуществляется подачей высокого уровня напряжения на вход R, что приведет к отключению всех других входов и запрещению записи.

 

Вопрос 2. Регистры.

Регистры широко используются для передачи, хранения и преобразования двоичных кодов. В зависимости от функционального назначения различают регистры сдвига (последовательные) и регистры памяти (параллельные).

В четырехразрядном регистре сдвига, выполненном на JK-триггерах (рис.13.5), с приходом каждого тактового импульса на входы С происходит последовательная запись сигналов с прямых и инверсных выходов на информационные входы каждого последующего триггера, от младшего разряда к старшему.

Если на информационных входах триггера Т1 J=0, K=1, то в исходном состоянии на выходах . Эти же уровни сигналов последовательно передаются каждому триггеру после прихода тактовых импульсов, но не изменяют их состояния. Если же на входе первого триггера J=1, K=0, то после первого тактового импульса на его выходах установятся новые логические уровни, ; вторым тактовым импульсом переключится второй

триггер и т.д. (рис.13.6). Очевидно, что четвертый тактовый импульс сдвинет уровень логической 1 в четвертый триггер, и на выходах регистра появится кодовый набор 1111. В этом случае можно cчитать, что регистр работает в режиме преобразователя, с последовательным вводом и параллельным выводом информации объемом 4 бита.

Микросхема К155ИР1 (рис.13.7) является универсальным четырехразрядным регистром сдвига. Основу этой ИС составляют четыре триггера и одиннадцать логических элементов. Регистр имеет тактовый вход сдвига С1 и информационный вход V1 для записи последовательных сигналов, четыре информационных входа D1, D2, D3, D4 параллельной записи, тактовый вход С2 ввода этой информации, а также вход V2 выбора режима работы и выходы 1-2-4-8 всех четырех разрядов. Два основных режима работы “Сдвиг” и “Запись” выбираются по уровню сигнала на входе V2.

Если на вход V2 подается логический 0, то регистр работает в режиме сдвига информации от младшего разряда к старшему. Любой последовательный кодовый набор на входе V1 перемещается на выходы 1-2-4-8 отрицательными перепадами четырех тактовых импульсов по входу С1.

Если на вход V2 подается сигнал 1, то обеспечивается режим параллельной записи в регистр любого кодового набора со входов D1, D2, D3, D4 по срезу тактового импульса на входе С2.

Регистры памяти обычно выполняются на двухступенчатых D-триггерах и предназначаются для приема, хранения и передачи двоичной информации в виде параллельного кода. Входная информация одновременно подается на входы регистра и при поступлении синхронизирующего импульса записывается и хранится в разрядах регистра.

Микросхема К155ТМ5 (рис.13.8) представляет собой четырехразрядный регистр памяти. В одном корпусе этой ИС находится четыре независимых D-триггера, с информационными входами D4...D1 и прямыми выходами Q4...Q1. Управление работой ИС осуществляется по объединенным попарно входам синхронизации G1-G2 и G3-G4.

Использование двухступенчатых триггеров задержки обуславливает различные режимы работы данной схемы: запись в первую ступень и хранение информации производится непрерывно, однако передача сигнала во вторую ступень на выходы запрещается уровнем логического нуля на входах синхронизации. Если же на входы синхронизации поступают короткие стробирующие импульсы, то текущее значение входного сигнала передается во вторую ступень и сохраняется на выходах до прихода следующего импульса (режим ступенчатой передачи). При уровне логической 1 на входах синхронизации осуществляется сквозная передача информации по всем четырем каналам.

Контрольные вопросы

1. Какие типы счетчиков Вы знаете?

2. Поясните работу суммирующего и вычитающего счетчиков.

3. Что такое реверсивный счетчик?

4. Как строятся параллельные счетчики?

5. Приведите примеры использования двоичных и декадных счетчиков.

6. Объясните принцип действия регистра памяти.

7. Какие способы используются для увеличения числа разрядов счетчиков и регистров?

Теиа: Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) преобразуют аналоговые величины в цифровой код и обеспечивают связь различных аналоговых измерителей с…     Из многообразия серийно выпускаемых… Основным элементом параллельного ЦАП с матрицей на резисторах является операционный усилитель (ОУ) DА, работающий в…