14. Логические и цифровые устройства

С развитием систем связи, управления и вычислительных систем возрастает значение цифровой электронной техники. Особенностью цифровых устройств является работа с относительно большими величинами сигналов. Сигналом является изменение величины физического параметра во времени, например напряжения. Сигналы по своей природе являются непрерывными, а устройства для обработки таких сигналов называют аналоговыми. Аналоговые сигналы математически описываются непрерывными функциями. Процесс обработки сигнала может быть полностью выполнен аналоговыми устройствами.

Как правило, исходные непрерывные сигналы перед дальнейшей обработкой усиливаются. Устройства, усиливающие малые сигналы, являются линейными. Следует учитывать, что во многих случаях они являются приблизительно линейными.

В цифровых системах сигналы могут принимать только определённые дискретные значения в определённые моменты времени³⁸. Это утверждение не является полным, так как определённые дискретные значения наблюдаются на выходе в том случае, если на вход подан сигнал, величина которого лежит в области допустимых значений.

Дискретные сигналы описываются математически дискретными функциями, которые являются идеализацией реальных физических сигналов.

Если непрерывные сигналы должны передаваться или обрабатываться цифровыми устройствами или системами, то они должны быть переведены в дискретную форму. При этом выполняется операция квантования. Непрерывная временная ось заменяется дискретной временной осью, состоящей из расставленных во времени точек отсчёта. Дальнейшим шагом является оцифровывание сигнала в каждой точке отсчёта. При оцифровывании вместо измеренных в точке отсчёта значений непрерывного сигнала (непрерывной функции) берутся ближайшие значения дискретной функции. Таким образом, дискретная функция является приблизительным описанием исходного сигнала. Это приближение во многих случаях может быть удовлетворительным для целей практики и широко применяется.

При цифровой передаче сигналов последовательность изменения величины непрерывного сигнала во времени должна быть переведена в последовательность цифр. Реально создаётся не последовательность цифр, а последовательность дискретных сигналов, являющихся физическими аналогами цифровых кодов. Цифровые коды, в свою очередь, служат для записи чисел, букв, команд, рисунков, сигналов управления, физических параметров и т.п.

Многие дискретные (цифровые) системы работают всего с двумя уровнями дискретного сигнала. Такой подход позволяет вместо измерения текущего значения сигнала решать более простую задачу различения сигналов (классификации), то есть отнесения их к двум непересекающимся областям.

Цифровые системы имеют ряд преимуществ [22] перед аналоговыми системами:

- при использовании цифровых сигналов не происходит воспроизведения их искажений, благодаря чему появляется возможность реализации систем любой степени сложности, например микропроцессоров. Это свойство цифровых систем определяет их преимущество при передаче сигналов на большие расстояния.

- Цифровые системы относительно легко проектировать³⁹, поскольку способ их описания представляет собой булеву алгебру – аппарат очень удобный для автоматизации. Сегодня разработка сложных цифровых систем автоматизирована посредством применения высокопроизводительных алгоритмов.

- Цифровые системы относительно просто тестировать.

Одним из недостатков цифровых систем является то, что они работают более медленно, чем аналоговые. Поэтому в области высоких частот предпочтение отдаётся аналоговой технике.

Инвертор на биполярном транзисторе

В цифровой технике в качестве активных компонентов устройств в основном применяются транзисторы. Из простых транзисторных компонентов несложно создавать более сложные цифровые устройства. Достоинством применения транзисторов является то, что являясь бесконтактными переключателями они обладают большими надёжностью и сроком годности и являются усилителями, позволяющими переключать относительно большие токи при небольших затратах энергии на управление. В сравнении с механическими переключателями транзисторы имеют и недостатки. Например, в открытом состоянии сопротивление между выводами транзистора не равно нулю, а в разомкнутом состоянии через него протекает небольшой ток утечки [21].

В качестве переключающего элемента биполярный транзистор применяется в схеме с общим эмиттером. Как рассматривалось выше, схема с общим эмиттером является инвертором. Это означает, что фазы входного и входного сигналов отличаются на 180⁰. Для малых сигналов, например, во входных каскадах усилительных схем рабочая точка выбирается на линейном участке характеристики. В ключевом режиме рабочая точка смещается с линейного участка, либо в область отсечки, либо в область насыщения, а в цепь базы подаются достаточно большие сигналы, переводящие рабочую точку из области отсечки в область насыщения (или наоборот). Таким образом, ключевой режим является нелинейным режимом работы транзисторного каскада. В силу этого форма выходного сигнала может сильно отличаться от формы входного. Простейшая схема транзисторного инвертора приведена на рис. 14.1.

Рис. 14.1. Упрощенная схема инвертора на n-p-n транзисторе.

Если нижний по рисунку вывод транзистора (эмиттер) соединён с общим проводом непосредственно или через небольшое сопротивление, то в цепи будет протекать максимальный коллекторный ток. Это соответствует случаю насыщения транзистора. При этом предполагается, что разность потенциалов между коллектором и эмиттером U_КЭ становится меньше разности потенциалов между базой и эмиттером U_БЭ. Например, для кремниевых эпитаксиальных транзисторов при насыщении значение падения напряжения U_КЭ< 0,1 В.

Для работы в режиме насыщения требуется обеспечить ток базы, равный I_КМАКС/β_МИН, где β_МИН – минимальный коэффициент усиления по току, который может быть у переключающих транзисторов данного типа.

При запирании транзистора через резистор коллекторной нагрузки R_К течёт минимальный ток. Это достигается при U_БЭ <0,5 В. На рис. 14.2 приведена характеристика идеального переключателя. Из характеристики видно, что при насыщении (в короткозамкнутом состоянии) ток через коллекторный резистор равен U_ИП/R_К, а в разомкнутом состоянии ток и падение напряжения на сопротивлении коллекторной цепи равны нулю. В этом случае падение напряжения на транзисторе, то есть между выводами переключателя, равно U_ИП.

Рис. 14.2. Характеристика холостого хода переключателя – инвертора. (Аппроксимация, достаточная для анализа цифровых устройств).

При подключении к выходу инвертора нагрузки, напряжение, соответствующее уровню единицы, понижается.