10. Основы цифровой техники

10.1. Классификация импульсных и цифровых устройств

Полупроводниковые импульсные и цифровые устройства объединяют обширную группу устройств, которые применяются в системах управления технологическими процессами, при передаче информации, в измерительной и вычислительной технике. В современных импульсных и цифровых устройствах работают ОУ в импульсном режиме и транзисторы в качестве бесконтактных ключей.

Работу ОУ в импульсном режиме объясним на примере цепи, показанной на рис. 10.1, в которой к неинвертирующему входу ОУ подключен источник постоянной ЭДС Е₀, а к инвертирующему входу — источник сигнала с линейно изменяющейся во времени ЭДС е_с = kt (рис. 10.2, а).

Рис. 10.1

Для упрощения анализа примем, что ОУ идеальный. По второму закону Кирхгофа для контура, отмеченного на рис. 10.1 штриховой линией, составим уравнение:

и_вх = е_с –E₀.

В момент времени t₀ = Е₀/к у напряжения и_вх отрицательное значение заменяется положительным (рис. 10.2, б). Одновременно в соответствии с амплитудной характеристикой идеального ОУ (рис. 9.57, б — ломаная линия 1) напряжение на его выходе скачком изменится от положительного до отрицательного значения ЭДС Е источника питания (рис. 10. 2, в).

Импульсный режим работы ОУ используется в устройствах сравнения измеряемого напряжения с опорным напряжением, называемых компараторами, и других устройствах на их основе.

Рис. 10.2

Работу транзистора в режиме ключа рассмотрим на примере биполярного транзистора с ОЭ (рис. 10.3, а). Если постоянное напряжение на входе ключа , то токи в цепях коллектора и базы практически одинаковые и равны току через обратно включенный p-n-переход между базой и коллектором. Этот режим соответствует разомкнутому положению ключа (рис. 10. 3, б, точка М). При постоянном напряжении U_вх > 0 и токе базы больше тока насыщения I_Бнас ток коллектора практически равен E_K/R_K (рис. 10. 3, б, точка N). Этот режим соответствует замкнутому положению ключа.

Рис. 10.3

Динамические свойства ключа определяются временем включения t_вкл и выключения t_выкл (рис. 10.3, в). Для уменьшения времени t_вкл резистор в цепи базы шунтируется конденсатором, а для уменьшения времени t_выкл в цепь базы включается ЭДС Е_Б (показаны штриховой линией на рис. 10.3,а).

Применение транзистора в качестве ключа вместо других типов клю­чей, например электромеханических, имеет ряд преимуществ: транзисторный ключ не содержит подвижных частей, подверженных износу, имеет большое быстродействие и малые размеры. Для управления транзисторным ключом требуется источник энергии малой мощности.

Различают импульсные устройства с несколькими устойчивыми и с несколькими временно устойчивыми состояниями. В импульсном устройстве первого типа для изменения устойчивого состояния необходимо однократное внешнее воздействие, изменяющее режим ОУ или транзисторного ключа. В импульсном устройстве с временно устойчивыми состояниями происходит периодическое переключение ОУ или открывание и закрывание транзисторного ключа без внешнего воздействия или их состояние восстанавливается через некоторое время после однократного внешнего воздействия.

В цифровых устройствах применяются логические элементы, на основе которых реализуются логические автоматы с памятью и без памяти. Рабочее состояние логических автоматов первого типа зависит не только от набора сигналов управления в данный момент времени, но и от его предшествующего состояния. Рабочее состояние логических автоматов второго типа зависит только от набора сигналов управления.

В дальнейшем работу всех импульсных и цифровых устройств будем рассматривать, полагая, что ОУ и транзисторные ключи идеальные.