2. Элементная база цифровой и аналоговой техники. Логические элементы, триггеры и другие устройства на их основе

1. Резистор. Для нас этот тип пассивных элементов имеет значение как ограничитель тока и делитель напряжения.I = U / R - закон Ома. Вольт-амперная характеристика – прямая линия. Параметры безопасной работы - импульсное напряжение, рассеиваемая мощность. Выпускаются р. ном. мощностью 0.062, 0.125…1, 2 Вт. Обычной точности (допуск ±5%) и прецизионные (±1% и точнее). Исполнение - выводные и для поверхностного монтажа (SMD/Tsurfacemounteddevice/type).SMDтипоразмеры 2512, 2010, 1206, 0805, 0603, 0402 соответствующие 1/0.5/0.25/0.125/0.1/0.06 Вт. 0805 – типоразмер корпуса в сотых долях дюйма имеет 2.03 х 1.27 мм (8/100inch*25.4мм/inch= 2.032 мм).

Номиналы (величины сопротивления) обычно от 1 ом до 10МОм. Соседние номиналы отличаются в одинаковый коэффициент. Для разной точности применяются ряды Е12, Е24 и Е96 (т.е. в декаде 12, 24 или 96 значений). Эти коэффициенты следующие 1.2115, 1.1007, 1.02427 (т.е. 10 в степ. 1/12, 1/24, 1/96). 5% номиналы представлены двумя цифрами по ряду Е12 (1, 1.2, 1.5, 1.8, 2.2, 2.6, 3.2, 3.8, 4.6, 5.6, 6.8, 8.2, 10), хотя вместо номинала 2.6 вы встретите 2.7, 3.2 - 3.3, 4.6 – 4.7. 1% номиналы представлены тремя цифрами по ряду Е24 (1, 1.1, 1.21, 1.33, 1.47, 1.62, 1.79, 1.96, 2.15, 2.37, 2.61, 2.87, 3.16, 3.48, 3.83, 4.22, 4.64, 5.11, 5.62, 6.19, 6.81, 7.50, 8.25, 9.09, 10).

Маркировка типа, номинала и точности на больших корпусах наносится почти в натуральном виде: 4R7, 5К1, 1М8. Здесь буква является десятичным разделителем и указателем порядка. (RилиE– единицы Ом, к – кило, м – мега Ом). Точность – в натуральном виде (например, 5%) или кодируется буквамиK(10%),J(5%),F(1%),D,C,B(0.5, 0.25, 0.1%). На малых корпусах наносится только номинал в легко или сильно зашифрованном виде: мантисса - 2-3 цифры, порядок. ДляSMDрезисторов наносится только номинал 3 или 4 цифры. Для рядов Е24/96 номинал зашифрован с использованием цифр и букв. Для выводных резисторов помимо обычных надписей возможна маркировка цветными кольцами (4 или 5 колец, из которых мантисса 2-3 кольца, порядок (1), точность (1)). Цвет означает цифру. (0-черный, 1-коричневый, 2-красный, и т.д.).

Пример "бегунка" в системе з. по устойчивости к высоковольтным импульсам.

2. Диод. Вольт-амперная характеристика нелинейная. Мин. прямое напр. около 0.5В. Макс. – не более 1-1.5В. Параметры безопасной работы - обратное напряжение, максимальный постоянный и импульсный прямой ток. Пример в цепи питания электр. устройств (защитная функция), развязка двух источников питания (м/с часов вPC), двухполупериодный выпрямитель.

3. Стабилитрон. При прямом смещении ВА характеристика как у диода. Важнейший параметр - напряжение стабилизации – на обратной ветви ВАХ. Применение: прецизионные с. используются в схемах образцовых источников напряжения, "параметрический" стабилизатор напряжения, как защитное устройство в информационных и силовых цепях.

4. Конденсатор. Для нас этот тип пассивных элементов имеет значение как фильтр импульсных помех. Параметры безопасной работы - максимальное постоянное напряжение. Разновидности - полярные и неполярные. Пример цепи интегрированияRC (входное и выходное напряжение).

dqdU

i= - ----- = -C------

dtdt

Пример цепи питания с провалом напряжения (диод-конденсатор-стабилизатор+5В). I= 30ma.U₁-U₂= 12- 6 = 6V. Если С = 100 мкф,Δt= 20ms.

Интегрирующая RC-цепь – фильтр помех.

5. Биполярныйтранзистор. Назначение – усилитель тока. Обозначение. Выводы. Разновидности:n-p-n, p-n-p. "Кухонная схема" – два диода. Эквивалентная схема – диод (Б-Э) – управляющая часть, переменный резистор (К-Э) – силовая часть. Работа т. – ток в цепи управления (Б-Э) влияет на эквивалентное сопротивление К-Э, т.е. в цепи нагрузки. Особенности управляющего Б-Э перехода в сравнении с обычным диодом: задание управляющего тока около 0-значений – требуется невысокое сопротивление источника управляющего тока (обрыв недопустим), низкое предельное обратное напряжение БЭ (запирающее – всего 5-6В). Вольт-амперная характеристика. Режимы – активный и ключевой (по линии насыщения). Параметры безопасной работы - максимальное напряжение КЭ, максимальный постоянный ток К, рассеиваемая мощностьP=U_кэ*I_k , максимальный ток базы – БЭ, максимальное обратное напряжение БЭ. Работа в режиме ключа (реле, форсунки, КЗ).

6. Полевые транзисторы. Существует большое разнообразие ПТ. По применению аналогичны биполярным – усилители тока. ПТ управляются напряжением и практически не потребляют тока по управляющей цепи. Существуют мощные ПТ для работы в ключевом режиме в том числе т.н.IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor) - смесь ПТ и БТ.

7. Логические (цифровые) элементы.

Все устройства электронной техники можно разделить на два класса – аналоговые и цифровые (логические). Цифровые устройства имеют дело с дискретными сигналами. Дискретные сигналы имеют всего два уровня напряжения - логический «0» (TTL - 0...0.4В) и логическая «1» (TTL - 2.4...5В), для КМОП (КМДП – комплементарные (парные, симметричные) металл – окисел (диэлектрик) полупроводник) (CMOS – ComplementaryMetal-OxideSemiconductor) - 0...0.8/ 4.2...5В. Другие уровни напряжения считаются запрещенными (нормируется время переключения). Запретная зона позволяет цифровым устройствам быть весьма устойчивыми к помехам. Кроме того, ЗЗ необходима т.к. невозможно сделать переключение ЛЭ при некотором точно заданном уровне напряжения.

Единица двоичной информации называется битом. 8 битов информации составляют 1байт.

Байт обычно соответствует какому-либо символу, а также может быть числом или частью числа. В общем случае информация может быть представлена последовательностью (массивом) байтов, но нужно ещё знать ключ или алгоритм кодирования. Самый простой алгоритм кодирования это, например, таблица символов ASCII (AmericanStandardCodeforInformationInterchange), в которой каждый байт соответствует какому-либо символу.

В первую очередь рассмотрим числа в процессорном формате. Это наиболее компактная форма записи чисел и при вычислениях процессоры используют именно эту форму. Если байт это целое число, то диапазон возможных значений будет от –128 до 127 (со знаком), а без знака – от 0 до 255. В двоичном виде то же самое можно записать восемью цифрами от 0000 0000 … и до 1111 1111. В настоящее время помимо 2 и 10 систем счисления для записи безнаковых чисел используется 16-ричная (ранее исп. 8-ричная. Неудобство 8-ричной системы – одна цифра «съедает» 3 двоичных разряда и может принадлежать разным байтам). Цифры этой системы: 0, 1, 2, … 9, A(10),B(11),C,D,E,F(15). Диапазон беззнаковых чисел в пределах одного байта - 00…FF, т.е. любое число выражается двумя 16-ричными цифрами.

	Двоичная или двоичная со знаком	Восьмеричная	Десятичная или десятичная со знаком	Шестнадцатеричная
1 байт	0000 0000 … 1111 1111 или 1000 0000…1111 1111, 0000 0000…0111 1111	000…377	0…255 или –128…–1, 0…127	00…FF
2 байта	….	000000…177777	0…65535 (0…64К-1) или –32768…32767	0000…FFFF

Если число со знаком, то отрицательные числа от положительных легко отличить по старшему биту ==1. Отрицательные числа кодируются в т.н. дополнительном коде: -1 = 1111 1111, -2 = 1111 1110, -3 = 1111 1101…

Смесь двоичной и десятичной систем, например 40 КВ, 12МВ, 160 GB… Здесь применены умножающие приставки 1К, 1М, 1Г/G. 1К = 2¹⁰ = 1024, 1М = 1024К =1048576, 1Г = 1024М = 1073741824. По величине эти коэффициенты близки соответственно к 10³, 10⁶, 10⁹, хотя чем выше степень, тем больше отличие (на 2.4, 4.8, 7.4%).

Хранение информации в файлах – последовательно расположенные байты. В простейшем случае информация представлена в текстовом виде (каждый байт это символ) или двоичном – массивы чисел. Текстовый формат наиболее универсален, т.к. позволяет оперировать и со словами – предложениями, так и с числами. Числа в текстовом (человеческом) формате, как правило, понятны людям – представлены в естественном виде. На этом радости кончаются. В текстовом виде одно и то же число можно записать несколькими способами и эта запись имеет непостоянное число символов. Для арифм. и логических операций в м/п число д.б. задано известным числом байтов (1,2,4,8) и формат числа м.б. только беззнаковым целым, либо целым со знаком, либо с плавающей точкой (мантисса + порядок - 4 или 8 байтов).

Пример. Имеем подряд 4 байта в десятичном формате: 65 49 48 80, то же в шестнадцатеричном виде запишется как 41 31 30 50 (или 41h31h30h50h, или программист может записать как 0х41 0х31 0х 30 0х50). Если это текст, то имеем 4 символаA10P. Если это числа и на каждое число отведено по 2 байта, то эти числа: (INTELformat) 3141h=12609, 5030h=20528. Если число 4-байтное, то = 50303141h= 1 345 335 617.

Обозначение входов и выходов - прямые, инверсные, открытый коллектор, с тремя состояниями. Функциональные входы R,S,D,E. Понятие активного / пассивного состояния входа. На схемах входы устройств располагаются, как правило, слева, выходы – справа.

Таблица истинности-таблица всевозможных сочетаний входных сигналов и то, что получим на выходе (выходах).

7.1. Инвертор. Обозначение. Применение.

7.2. Лог. элементы «И» («И-НЕ»). Разновидности двух- трех- четырех- восьми-входовые. Обозначение - прямоугольник с &. На импортных схемах – прямоугольный перед с полукруглым задом.

вход 1	вход 2	выход	выход инв.
0	0	0	1
1	0	0	1
0	1	0	1
1	1	1	0

7.3. Лог. элементы «ИЛИ» («ИЛИ-НЕ») Обозначение - прямоугольник с 1.На импортных схемах - полукруглый перед и острый зад. ...элемент 2И-НЕ эквивалентен ИЛИ с инверсными входами. Применение «И», «ИЛИ» - коммутаторы сигналов, схемы совпадения – «И» – все 1, для «ИЛИ» – все 0.

8. Дешифраторы. Д. - устройство - преобразователь одной двоичной комбинации (числа) в другую (как правило – не числа). Может иметь преобладающий вход –Е. Обозначение -DC. Позиционный дешифратор, д. двоичного кода в семисегментный.

9. Мультиплексоры. М. - устройство переключатель одного из нескольких входов на один выход. Имеет входы, выход, входы адресные. Число адресных входов/ информационных входов = 1/2, 2/4, 3/8, 4/16. Двоичный эквивалент комбинации адресных входов определяет, какой информационный вход подключен к выходу. Обозначение - MS.

Д. и М. собраны на обычных элементах логики. М. на КМОП структурах позволяют коммутировать аналоговые сигналы.

10. Триггер - устройство, способное сколь угодно долго самостоятельно находиться в состоянии 0 или 1 и изменять это состояние при определенном внешнем воздействии. Является ли логический элемент т.? – Нет, потому что на входе л.э. должны все время удерживать определенный уровень, триггер же должен держать какой-либо уровень "сам". Предъистория для Л.Э. не имеет значения, а для триггера хранение информации есть важнейшая черта.

Существует несколько типов триггеров: RS,D,JK. Рассмотрим только два первых.

10.1. RS-триггер(Reset - Set) - асинхронное запоминающее устройство в 1 бит, прямые и инверсные выходы. Запрещенная комбинация - активные уровни одновременно на обоих входах R и S. Обозначение - Т.

Пример. RS-триггер с прямыми и инверсными входами на л. элементах 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ. Таблица истинности… R=S=0 – Q = Q1, … R=S=1 – запрет.

R