9. Логические схемы.

9.1. Основные понятия.

Логические схемы работают с двоичными сигналами 1 и 0 , т.е.: есть сигнал – 1, нет сигнала – 0. Поэтому формирование двоичных сигналов основано на ключевых схемах

+ Е_П −

R

R_НН

К

Выход

При разомкнутом ключе ток протекает в Rн создается падение напряжения U_Rн, то есть логическая “1”. При замкнутом ключе он шунтирует выход (Rн), тока через Rн нет, U_вых = 0, на выходе – логический “0”.

Такие схемы и сигналы называются логическими и представляются логическими функциями (булевыми).

9.2. Диодные ключи.

+ Е_П −

5

0

1

Вход (Х)

Выход (Y)

0,7

Если на входе логический 0 (вход соединен с корпусом), диод оказывается под прямым напряжением, он открыт и закорачивает выход. На выходе логический 0.

Если на входе логическая 1 (+) (практически + Е_П), то диод заперт, он не шунтирует выход и на выходе логическая 1.

1

Х = Y

Х	Y Х Y
0	0
1	1

9.3. Схема «2И» диодных ключей (конъюнктор).

+ Е_П −

Х₁

0

0

1

1

t

Вход (Х₁)

Х₂

0

0

1

1

Вход (Х₂)

Выход (Y)

t

Y

0

0

0

1

t

Если хотя бы на одном из входов есть логический 0, то диод этого входа открыт и закорачивает выход, на выходе – логический 0. Если на всех входах логическая единица, то диоды не шунтируют выход и на выходе будет логическая 1.

Х1	Х2	Y Х1
0	0	0 & Y
0	1	0
1	0	0 Х2
1	1	1

9.4. Схема «НЕ».

Электронный ключ - это транзистор, работающий в ключевом режиме.

+ Е_П −

R_Б

Х

R_К

0

1

t

VT

Выход (Y)

Вход (Х)

Y

К

0

1

t

, где β = 10 ÷ 1000 раз

Если на входе U_ВХ = 0, то I_Б =0 следовательно I_K = 0, то есть транзистор закрыт, он не шунтирует выход, поэтому на выходе логическая 1. Если на входе логическая 1, то I_Б – большой, соответственно I_к – большой, т.е. транзистор открыт, он шунтирует выход и на выходе логический 0 (на самом деле U_ВЫХ = U_{КЭ ЗАКР} = 0,1 В.).

- инверсия Инвертор: (инверсия по выходу)

Х	Y 1
0	1 Х Y
1	0

9.5. Схема «2И – НЕ» на ДТЛ (диодно-транзисторная логика).

+ Е_П −

R1

R2

VD1

VD3

VD4

А

VT

Вход (Х₁)

Выход (Y)

Вход (Х₂)

VD2

Х1	Х2
0	0	0	1
0	1	0	1
1	0	0	1
1	1	1	0

Х₁

Y

&

Х₂

VD3 и VD4 - это диоды для улучшения помехоустойчивости, чтобы повысить требования к выходу схемы «И» (т.А). Например: при открытом одном из входных диодов с напряжением U_А = 0,7 В не срабатывает ЭП VT1, с VD3 и VD4 требуемое напряжение составит

U_А = U_VD3 + U_VD4 + U_ЭПVT = 0,7*3 = 2,1 В.

U_А = 2,1В>U_ЭП=0,7В

9.6. Схема «2И-НЕ» на ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика).

+ Е_П −

R

R_К

VT1

VT2

А

Вход (Х₁)

Выход (Y)

Вход (Х₂)

VT1 – многоэмиттерный транзистор (МЭТ). Функции VD1 и VD2 выполняют два эмиттерных перехода. Функции VD3 и VD4 выполняет коллекторный переход многоэмиттерного транзистора.

К

Б

Э₁

Э₂

n⁺

n⁺

n⁺

n

p

n⁺

9.7. Схема «НЕ» на ТТЛ.

+ Е_П −

R

R_К

VT1

VT2

Выход (Y)

Вход (Х)

VT1 – включен для развязки входа и выхода, чтобы входные сигналы не влияли на работу выходной части схемы (ключа). Х = 0 (на входе) эмиттерный переход VT1 открыт(выход VT1 зашунтирован), поэтому ток через его коллекторный переход на вход VT2 не идет. Если Х = 1 эмитерный переход VT1 закрыт и ток течет через коллекторный переход VT1 на вход VT2 (переход база – эмиттер) и он открывается, шунтирует выход, соответственно на выходе логический 0.

9

+ Е_П −

.8. Схема «2ИЛИ – НЕ» на ТТЛ.

R1

R2

R_К1

R_К2

VT1

Вход (Х₁)

VT2

VT3

VT4

Выход (Y)

Вход (Х₂)

Если хотя бы на одном из входов есть логическая 1, то эмитерный переход транзистора этого входа запирается, открывается его коллекторный переход и ток протекает в базу выходного транзистора (VT3 или VT4), транзистор открывается и шунтирует выход, следовательно, на выходе логический 0.

Только тогда, когда на всех входах логический 0, на выходе будет логическая 1.

Х1	Х2
0	0	0	1
0	1	1	0
1	0	1	0
1	1	1	0

Х₁

1

Y

Х₂

9.9. Схема «2ИЛИ – НЕ» на ТЛНС (транзисторная логика с непосредственными связями).

Эти схемы стараются сделать так, что бы при работе они не попадали в режим насыщения, так как требуется дополнительное время для вывода транзистора из этого режима. Это время уменьшает быстродействие транзистора (время переключения).

+ Е_П −

Вход (Х₁)

Выход (Y)

Вход (Х₂)

Здесь входные сигналы непосредственно управляют выходом (транзистора). Возможно изменение выходного уровня, например: 0, в зависимости от того открыт один или оба транзистора.

ТЛЭС – транзисторная логика с эмиттерными связями.

R1

R2

VT3

Вход (Х₁)

VT1

Вход (Х₂)

U_БЭ

VT2

VT4

Выход (Y)

+

Е_Б

−

R3

R4

В исходном состоянии (вх. 1 = вх. 2 = 0) VT3 за счет + E_Б открыт. Он закорочен, поэтому на входе VT4 мало тока. Поэтому VT4 закрыт, тока нет (мало), падение напряжения на R4 мало, на выходе логический 0.

Если на один из входов подана логическая 1 (транзисторов VT1 или VT2), то этот входной транзистор открывается, через него проходит ток, который дополнительно создает падение напряжения на R3. Так как U_R3 включено встречно с напряжением Е_Б, то U_БЭ VT3 уменьшается. Он поэтому закрывается, тогда возникает ток на входе (в базе VT4). VT4 открывается, создается падение напряжения на R4, на выходе логическая 1.

9.10. Схема «НЕ» на МДП логике.

VT1

R

=

VT2

Выход (Y)

Вход (Х)

Основа: работа электронного ключа на МДП транзисторах. Вместо R в цепи стока VT2 используется транзистор VT1.

9.11. Схема «ИЛИ – НЕ» (МДП логика).

VT1

VT2

VT3

Выход (Y)

Вход (Х₁)

Вход (Х₂)

Если Х1 = Х2 = 0, то VT2 и VT3 закрыты, они не шунтируют выход и на выходе логическая 1. Если хотя бы на одном из входов логическая 1, то VT2 или VT3 открыты, он шунтируют выход и на выходе логический 0.

9.12. Схема «И – НЕ» (МДП логика).

VT1

Выход (Y)

VT2

Вход (Х₁)

VT3

Вход (Х₂)

U_ВЫХ = 0 только при обоих открытых транзисторах VT2 и VT3, тогда они шунтируют выход. Только в этом случае Х1 = Х2 = 1.

9.13. Схема «НЕ» на КМДП логике.

+

VT1

Вход (Х)

Выход (Y)

VT2

-

Схема экономична по потреблению электроэнергии, так как всегда один транзистор открыт, а другой закрыт.

9.14. Схема «2ИЛИ – НЕ» на КМДП логике.

+

VT1

VT2

Выход (Y)

VT3

VT4

Вход (Х₁)

Вход (Х₂)

−

Здесь две КМДП пары: VT1 и VT4, VT2 и VT3.Если на входах логический 0, то VT3 и VT4 закрыты и не шунтируют выход, на выходе логическая 1. При этом VT1 и VT2 открыты.

Если на один из входов подать логическую 1, то транзистор (VT3 или VT4) откроется, шунтируя выход, на выходе логический 0. При этом другой транзистор из этой комплиментарной пары закроется.

9.15. Схема «2И – НЕ» на КМДП логике.

VT2

VT1

Выход (Y)

VT3

Вход (Х₁)

VT4

Вход (Х₂)

Здесь есть две комплиментарные пары: VT1 и VT4, VT2 и VT3.

Так как VT3 и VT4 соединены последовательно, то на выходе будет логический 0 только в том случае, если оба транзистора будут открыты и они зашунтируют выход.

9.16. Быстродействие логических схем.

Если на вход логической схемы подать 1(импульс), то:

U_ВХ

1

0,5

1

0

t

0

U_ВЫХ

1

1

0,5

t

0

t_З1

t_З2

0

t_з характеризует быстродействие схемы. Чем меньше t_з, тем выше быстродействие.

9. 17. Сравнение типов логических схем по быстродействию.

КМДП – t_з = 100÷200 нс

ТТЛ – t_з = 10÷30 нс

ТЛЭС – t_з = 5÷30 нс

8.5.1. Вариант дифференциального усилителя с несимметричным выходом (нагрузкой).

Схема отличается тем, что сигнал снимается не с обоих плеч усилителя, а с одного.

+ Е_П −

R_K1

R_K2

VT1

VT2

Выход

Вход 1

Вход 2

R_Э

Здесь напряжение на выходе также пропорционально разности выходных сигналов, так как транзистор VT2 управляется разностным сигналом. Коэффициент усиления напряжения его определяется коэффициентом усиления одного плеча. Чем больше R_Э в цепи, тем больше подавление синфазовой помехи и меньше дрейф нуля. Большая симметрия схемы, что объясняется ООС по переменному току. Но увеличение R_Э за счет падения напряжения на нем постоянного тока требует повышения напряжения источника питания и снижение K_U. Поэтому вместо R_Э используют ГСТ, который обеспечивает большое сопротивление по переменному току и малое по постоянному.

9.18. Режимы работы ТТЛ на примере «3И-НЕ2.(задача №2 отличается 4=м входом).

+ Е_П −

Х₁

&

R

R_К

Х₂

Y

Х₃

VT1

А

VT2

Вход (Х₁)

Вход (Х₂)

Выход (Y)

Вход (Х₃)

Вход (Х₄)

U₁₀ = 0,1 В – это остаточное напряжение открытого ключевого транзистора.

I_k

A

U_kэ

U_вкл

U_ЭП ≈0,7 В ≈ U_ЭП

VT1 МЭТ

VT2

Решение:

1) х₁ = 0, х₂ = 1, х₃ = 0

а) первый и третий эмитерные переходы открыты:

U_{ЭП1 VT1} = U_{ЭП3 VT1} = 0,7

U_{ЭП VT2} → он закрыт.

б) определим напряжение в точке А (на базе МЭТ):

U_A = U_ЭПVT1 + (U₀ = U₁₀) = 0,7 + 0,1 =0,8 В

Оно соответствует обоим эмиттерным переходам.

в) что будет с VT2?

Для того чтобы он был открыт нужно U_БЭVT2 = 0,7 B.

Чтобы это напряжение пришло от точки А, там должно быть напряжение:

U_A = U_{Б VT1} = U_БКVT1 + U_БЭVT2 = 0,7 + 0,7 = 1,4 B.

Точка 0,8 < 1,4 – поэтому U_БЭVT2 недостаточно для того чтобы он открылся, поэтому он не шунтирует выход.

U_ВЫХ = U_Y = E_П (+), то есть логическая единица.

2) х₁ = 1, х₂ = 1, х₃ =1

Все эмиттерные переходы транзистора VT1 закрыты (тока через них нет), поэтому ток пойдет через коллекторный переход МЭТ в базу VT2 и на базе МЭТа (VT1) будет напряжение:

U_A = U_БМЭТ = U_БКVT1 + U_БЭVT2 =0,7 + 0,7 =1,4 B.

Так как Е_П = 5 В , оставшееся напряжение упадет на R:

U_R = E_П – 1,4 В.

поэтому VT2 откроется (электронный ключ) (он шунтирует выход) и

U_ВЫХ = U_КЭОТКР =0,1 В., то есть на выходе логический ноль.

Шумы электронных приборов.

Они возникают за счет физических процессов в электронных приборах.

U

t

Шум – случайное отклонение напряжения или тока от некоторого среднего значения (флуктуации).

I

t

Это объясняется тепловым (хаотическим) движением электронов. На выходах могут появляться разное количество электронов, т.е. создается напряжение.

μU

G

P₀

t

0 ≤ Δf ≤ ∞

Часто такой шум называют белым.

При наличии шумящих элементов, мощность будет определяться мощностью каждой спектральной составляющей.

Р_ш = Р₁ + Р₂ + Р₃ + … = Р₀ Δf

Р₀ – спектральная мощность (мощность одной гармонической составляющей;

Δf – полоса частот где наблюдается шум.

Р₀ = 4 к Т, где к – постоянная Больцмана.

Напряжение шума будет определяться:

Таким образом, как пассивные, так и активные элементы можно представить в виде шумящего сопротивления, которое работает как генератор шума.

≈

U_Ш

R_И

В многокаскадных схемах основным источником шума является первый каскад.

К₁

К₂

К₃

≈

U_ВЫХш1к = U_Ш1К К₁ К₂ К₃

Последующие каскады оцениваются через коэффициент шума:

Таким образом, все электронные приборы можно рассматривать в виде эквивалентного резистора.

Преобразовательные диоды.

Это диоды с хорошей односторонней проводимостью и линейной квадратичной вольтамперной (ВАХ) характеристикой.

I_ПР

U_C1 = U_M1 sin ω₁t

U_C2 = U_M2 sin ω₂t

ω₁ + ω₂

ω₁ – ω₂

O

ω₁

ω₁ – ω₂

U_ПР

ω₂

Туннельный диод.

P-n переход делается из вырожденных полупроводников, т.е. с очень большой концентрацией примеси, такой что уровень Ферми находится в запрещенной зоне и в валентной зоне, т.е. проходит значительное искривление энергетических зон.

p

n

З. П.

Δφ – контактная разность потенциалов

электрического поля

З. П.

W_F

В. З.

В. З.

а) Приложим прямое напряжение:

U_p-n=Δφ_k - U_пр

Искривление зон уменьшается, но эффект сбалансированного перехода и рекомбинация зарядов сохраняется, т.е. сохраняется туннельный эффект.

Т.е. ток I_пр будет возрастать при малых напряжениях.

А

Д

В

I_ПР

точке А перекрытие валентной зоны в p – полупроводнике к зоне проводимости в n – полупроводнике перестает быть.

В

U_ПР

С

конце участка АС туннельный эффект прекращается, сопротивление растет, ток усиливается. При дальнейшем увеличении приложенного напряжения полупроводниковый переход ведет себя обычным образом (С Д).

Е

б) При U_ОБР искривление зон увеличивается. Туннельный эффект сохраняется.

U_p-n = Δφ + U_ОБР

У

r_ПОТЕРЬ

часток ОЕ. Видно, что данный прибор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением.

r_СО

Оптоэлектроника.

1. Оптическое излучение – это электромагнитные волны, диапазон которых

λ=10 нм÷1 мм

УФ λ=0,01÷0,4 мкм

Видимое излучение λ=0,38÷0,78 мкм

Инфракрасное излучение λ=0,78÷1 мкм

(1 мм = 1000 мкм = 1000000 нм)

2. Оптическое излучение характеризуется фотометрическими параметрами:

а) энергетические параметры, которые связаны с переносом энергии;

б) световые параметры, которые рассматриваются, когда приемником излучения является человеческий глаз;

Светоизлучение в p-n переходе происходит при прямом излучении, когда происходит интенсивная рекомбинация зарядов в самом p-n переходе. Для определенной ширины запрещенной зоны эта рекомбинация вызывает свечение. Оно характеризуется так называемой внутренней квантовой эффективностью, определяемой соотношением числа фотонов к числу инжектируемых носителей. Это внутренняя квантовая эффективность. Внешняя квантовая эффективность определяется числом фотонов, испускаемых диодом, к числу инжектируемых носителей.

Оптронные пары.

О собенность и достоинство их заключается в том, что между ними существует гальваническая (полная) развязка.

Характеризует передаточные свойства оптопары.

I_ВЫХ

2

1

I_ВХ

10

20