Проводники, полупроводники, диэлектрики

Напряжение – энергия, которая затрачивается на перемещение единичного положительного заряда из точки с низким потенциалом в точку с более высоким.

Ток – скорость перемещения заряда в один Кл. Ток величиной 1 Ампер создаётся перемещением заряда величиной 1 Кулон за время 1 с.

Проводники - кристаллы, у которых в энергетической зоне проводимости имеются электроны (присутствуют свободные носители заряда).

Диэлектрики – в зоне проводимости электроны отсутствуют (отсутствуют свободные носители заряда).

Полупроводники – кремний, германий, по своему электрическому сопротивлению занимают место между проводниками и диэлектриками

(=10^-3-10^-8 Ом*см).

Проводимость полупроводников в значительной степени зависит от температуры и наличия примесей. Чистые полупроводники (собственные) в промышленности почти не применяются, т.к. обладают малой проводимостью и не обеспечивают одностороннюю проводимость.

В р-области основные носители – дырки.

В п-области оновные носители – электроны.

Логические элементы. Простейшие схемные реализации 3-х типов логических элементов (и, или, не). Применение логических элементов

Логическим элементом называется электрическая схема, выполняющая какую-либо логическую операцию (операции) над входными данными, заданными в виде уровней напряжения, и возвращающая результат операции в виде выходного уровня напряжения. Так как операнды логических операций задаются в двоичной системе счисления, то логический элемент воспринимает входные данные в виде высокого и низкого уровней напряжения на своих входах. Соответственно, высокий уровень напряжения (напряжение логической 1) символизирует истинное значение операнда, а низкий (напряжение логического 0) - ложное. Значения высокого и низкого уровней напряжения определяются электрическими параметрами схемы логического элемента и одинаковы как для входных, так и для выходных сигналов. Обычно, логические элементы собираются как отдельная интегральная микросхема. К числу логических операций, выполняемых логическими элементами относятся конъюнкция (логическое умножение, И), дизъюнкция (логическое сложение, ИЛИ), отрицание (НЕ) и сложение по модулю 2 (исключающее ИЛИ). Рассмотрим основные типы логических элементов.

Элемент и

Логический элемент И выполняет операцию логического умножения (конъюнкция) над своими входными данными и имеет от 2 до 8 входов и один выход (как правило, выпускаются элементы с двумя, тремя, четырьмя и восемью входами). На рис. 1. изображены условные графические обозначения (УГО) логических элементов И с двумя, тремя и четырьмя входами соответственно. Элементы И обозначаются как NИ, где N - количество входов логического элемента (например, 2И, 3И, 8И и т.д.).

Рис. 1 Элемент ИЛИ

Логический элемент ИЛИ выполняет операцию логического сложения (дизъюнкция) над своими входными данными и, также как и логический элемент И, имеет от 2 до 8 входов и один выход. На рис. 2. изображены УГО логических элементов ИЛИ с двумя, тремя и четырьмя входами соответственно. Элементы ИЛИ обозначаются также, как и элементы И (2ИЛИ, 4ИЛИ и т.д.).

Рис. 2

Элемент НЕ (инвертор)

Логический элемент НЕ выполняет операцию логического отрицания над своими входными данными и имеет один вход и один выход. Иногда его называют инвертор, так как он инвертирует входной сигнал. На рис. 3 изображено УГО элемента НЕ.

Рис. 3

Применение логических элементов

Логические элементы могут использоваться как самостоятельные части схемы, так и входить в состав более сложной цифровой комбинационной схемы или схемы с памятью. Как самостоятельные части схемы, логические элементы могут применяться в качестве управляющей логики какого-либо устройства, а также в качестве генератора прямоугольных импульсов с подключённой ёмкостью или кварцевым резонатором. В качестве комбинационных схем логические элементы используются в составе микросхем БИС и СБИС, а также в дешифраторах и шифраторах, выполненных в виде отдельных микросхем. Также, логические элементы могут входить в состав схем с памятью (триггеры, регистры, счётчики и т.д.), выполненных в виде отдельной микросхемы или в составе других микросхем. Основные параметры логических элементов

Быстродействие – время задержки между сменой состояний входного и выходного сигналов.

Нагрузочная способность – число входов, которые можно подключить к одному выходу.

Помехоустойчивость – макс. допустимый уровень напряжения помехи, не вызывающий ложного переключения.

Степень генерирования помех – интенсивность колебаний тока при переключении элементов.

Мощность рассеяния – мощность потери энергии в элементах.

Интегральные микросхемы: классификация, маркировка, назначение. Интегральные микросхемы (ИМС) подразделяются: по виду обрабатываемого сигнала на аналоговые (непрерывный во времени сигнал) и цифровые (дискретный сигнал), по способу изготовления и структуре на гибридные, пленочные и полупроводниковые, по степени интеграции на малые (10 элементов на кристалл), средние (100 элементов), большие(1000) и сверхбольшие (>10000), по быстродействию и т.д. Маркировка ИМС по ГОСТ позволяет определить по ее названию ряд параметров. Первая цифра: 1,5,7 означает, что это полупроводниковые ИМС, если 2, 4, 6, 8 - гибридные ИМС, 3 - прочие. Вторая и третья цифры определяет номер разработки. Далее следуют две буквы, которые связаны с функциональ­ным назначением ИМС, а последняя цифра - это номер в данной серии. Например, К155ТМ3 - полупровод­никовая ИМС, 55 серия, D-триггер; К140УД8 - операционный усилитель из 40 серии. Полупроводниковые ИМС подразделяются на биполярные и с МОП (Металл-Оксид-По­лупроводник) структурой, причем первые - более быстродействующие, а вторые имеют большую степень интегра­ции и меньшую потребляемую мощность. Среди аналоговых ИМС наибольшей популярностью пользуются опе­рационные усилители (ОУ), на базе которых легко построить большое количество электронных схем, таких как усилители, интеграторы, логарифматоры, генераторы и т.д. Цифровые ИМС находят очень широкое применение не только в компьютерных системах, но и в системах связи, а также в бытовой технике. Цифровые микросхемы могут по идеологии, конструкторскому решению, технологии относится к разным семействам, но выполнять одинаковую функцию, т.е. инвертором, триггером или процессором. Наиболее популярными семействами можно назвать у биполярных ИМС: ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), ТТЛШ (с диодами Шоттки), ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика), у МОП: n-МОП и КМОП. Цифровые мик­росхемы оперируют с дискретным сигналом (например, есть сигнал - логическая единица "1", нет сигнала - логический нуль "0") и могут быть описаны в терминах булевской алгебры. Сумматор — логический операционный узел, выполняющий арифметическое сложение двоичных кодов двух чисел. При арифметическом сложении выполняются и другие дополнительные операции: учёт знаков чисел, выравнивание порядков слагаемых и тому подобное. По числу входов и выходов одноразрядных двоичных сумматоров различают:

• четвертьсумматоры, характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются два одноразрядных числа, и одним выходом, на котором реализуется их арифметическая сумма;

полусумматор, характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются одноимённые разряды двух чисел, и двух выходов: на одном реализуется арифметическая сумма в данном разряде, а на другом - перенос в следующий (старший разряд);

• полные одноразрядные двоичные сумматоры, характеризующиеся наличием трёх входов, на которые подаются одноимённые разряды двух складываемых чисел и перенос из предыдущего (более младшего) разряда, и двумя выходами: на одном реализуется арифметическая сумма в данном разряде, а на другом - перенос в следующий (более старший разряд). По способу представления и обработки складываемых чисел многоразрядные сумматоры подразделяются на:

• последовательные, в которых обработка чисел ведётся поочередно, разряд за разрядом, на одном и том же оборудовании;

• параллельные, в которых слагаемые складываются одновременно по всем разрядам, и для каждого разряда имеется своё оборудование. Шифратор (кодер) — (англ. encoder) логическое устройство, выполняющее преобразование позиционного кода в n-разрядный двоичный код. Шифратор выполняет функцию преобразования унарного кода в двоичный. При подаче сигнала на один из входов (обязательно на один, не более) на выходе появляется двоичный код номера активного входа. Если количество входов настолько велико, что в шифраторе используются все возможные комбинации сигналов на выходе, то такой шифратор называется полным, если не все, то неполным. Число входов и выходов в полном шифраторе связано соотношением:

• 

• где  — число входов,  — число выходов.

• П риоритетный шифратор отличается от шифратора наличием дополнительной логической схемы выделения активного уровня старшего входа для обеспечения условия работоспособности шифратора (только один уровень на входе активный). Уровни сигналов на остальных входах схемой игнорируются.

Дешифраторами называются комбинационные устройства, преобразующие n-разрядный двоичный код в логический сигнал, появляющийся на том выходе, десятичный номер которого соответствует двоичному коду.

Дешифратор работает по следующему принципу: пусть дешифратор имеет N входов, на них подано двоичное слово x_{N − 1}x_{N − 2}...x₀, тогда на выходе будем иметь такой код разрядности меньшей или равной 2^N, что разряд, номер которого равен входному слову, принимает значение единицы, все остальные разряды равны нулю. Очевидно, что максимально возможная разрядность выходного слова равна 2^N. Такой дешифратор называется полным. Если часть входных наборов не используется, то число выходов меньше 2^N, и дешифратор является неполным. Часто дешифраторы дополняются входом разрешения работы E. Если на этот вход поступает единица, то дешифратор функционирует, в ином случае на выходе дешифратора вырабатывается логический ноль вне зависимости от входных сигналов. Существуют дешифраторы с инверсными выходами, у такого дешифратора выбранный разряд показан нулем.

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.

Демультиплексор — устройство, в котором сигналы с одного информационного входа поступают в желаемой последовательности по нескольким выходам в зависимости от кода на адресных шинах. Таким образом, демультиплексор в функциональном отношении противоположен мультиплексору. Демультиплексоры обозначают через DMX или DMS. Если между числом выходов и числом адресных входов действует соотношение n=2^m, то такой демультиплексор называют полным. Если n<2^m, то демультиплексор называют неполным. Функции демультиплексоров сходны с функциями дешифраторов. Дешифратор можно рассматривать как демультиплексор, у которого информационный вход поддерживает напряжение выходов в активном состоянии, а адресные входы выполняют роль входов дешифратора. Поэтому в обозначении как дешифраторов, так и демультиплексоров используются одинаковые буквы - ИД. Компаратор (аналоговых сигналов) — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логический «0» или «1», в зависимости от того, какой из сигналов больше. Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от линейного операционного усилителя (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов:

• Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон входных напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, вплоть до размаха питающих напряжений, и быстро восстанавливаться при изменении знака этого напряжения. В ОУ, охваченном обратной связью, это требование некритично, так как дифференциальное входное напряжение измеряется милливольтами и микровольтами.

• Выходной каскад компаратора выполняется соместимым по уровням и токам с конкретным типом логических схем (ТТЛ, ЭСЛ и т.п.). Возможны выходные каскады на одиночном транзисторе с открытым коллектором (совместимость с ТТЛ и КМОП логикой). Несколько реже применяются компараторы на основе логических элементов, охваченных обратной связью (см., например, триггер Шмитта - не компаратор по своей природе, но устройство с очень схожей областью применения). Компараторы, построенные на двух дифференциальных усилителях, можно условно разделить на двухвходовые и трехвходовые. Двухвходовые компараторы применяются в тех случаях, когда сигнал изменяется достаточно быстро (не вызывает дребезга), и на выходе генерируют один из потенциалов, которыми запитаны операционные усилители (как правило - +5В или 0). Трехвходовые компараторы имеют более широкую область применения и обладают двумя опорными потенциалами, за счет чего их вольт-амперная характеристика может представлять собой прямоугольную петлю гистерезиса.