Рис. 2.22. Питание входного каскада ОУ от двух источников

Хотя реальный входной каскад современного операционного усилителя устроен гораздо сложнее, его сущность можно свести к такой схеме. На ней я включил источник переменного напряжения – это может быть, например, микрофон – на два входа, измеритель напряжения между двумя транзисторами, и, если вы обратили внимание, что напряжение источника 0.01 В (10 мВ), а напряжение, показываемое измерителем (амплитуда), более 1 В, то можно оценить коэффициент усиления этого каскада по напряжению. И, что тоже приятно, не понадобился разделительный конденсатор на входе. А получившийся усилитель может усиливать и постоянное напряжение, и переменное. Тоже очень полезное свойство.

Я немного рассказал об операционном усилителе, который увидел на плате устройства, лежащей передо мной. Можно рассказать гораздо больше полезного, что я сделаю в следующей главе, а пока отметьте, мы использовали только те понятия, о которых уже говорили – ток, сопротивление, транзистор.

Цифровая микросхема

Последний из типов компонент, которые я обнаруживаю в устройстве, разобранном мной для знакомства с электронными компонентами, это цифровая микросхема. Надпись так стерта, что я даже не хочу пытаться ее прочесть. Откуда же я знаю, что это цифровая микросхема? Сознаюсь, что посмотрел схему устройства, и посмотрел спецификацию – перечень элементов к схеме. Нужно же как-то продолжить рассказ.

Почему цифровые микросхемы так называют?

Не знаю. Может быть правильнее их было называть числовые, поскольку их создавали для операций с числами: сложение, вычитание, умножение, деление... Но о числах и о том, как микросхемы справляются с операциями над числами несколько позже, а прежде я хочу вернуться к схеме на рисунке 2.20 и пояснить, почему захотел нарисовать ее именно так. Я нарисую ее еще раз, чуть-чуть видоизменив.

Рис. 2.23. Схема с двумя входами и общим резистором нагрузки

Эта схема похожа на входной каскад операционного усилителя, но представляет собой упрощенную схему цифровой микросхемы (резистивно-транзисторной логики, РТЛ). При том включении, что есть на рисунке, измеритель показывает напряжение 5 В равное напряжению источника питания. Если любой из резисторов R1 или R3 (или оба) подключить к источнику постоянного тока с напряжением 2.5 В, то измеритель напряжения покажет...

Рис. 2.24. Работа схемы при входном напряжении 2.5 В

... покажет 0.115 В. Напряжения, которые я выбрал: 5 В для питания, 0.5 В в первом случае и 2.5 В во втором – это характерные напряжения для цифровых микросхем, как о них говорят, ТТЛ. Что это значит? Это значит, что микросхема транзисторно-транзисторной логики. Надеюсь, понятно... но я, кажется, умудрился, пока правил текст, удалить большой кусок текста, без которого, скорее непонятно, чем понятно. Восстановим этот удаленный текст.

Числа записываются с помощью цифр. В привычной нам системе счисления этих цифр 10, от 0 до 9, а система счисления называется десятичной. Но так было не всегда. Бывали и другие системы счисления, от которых нам досталось деление времени на 12 частей на циферблате часов. С появлением цифровой техники, особенно процессорной, стали употреблять шестнадцатеричную систему счисления, имеющую 16 цифр, от 0 до 9 плюс A, B, C, D, E, F. Последние латинские буквы дополняют недостающие цифры. Иногда употребляют восьмеричную систему счисления с цифрами от 0 до 7. Но самая главная для цифровой техники остается двоичная система счисления с цифрами 0 и 1. Всего две цифры. Любое число можно представить в любой системе счисления. Им, числам, все равно, как их записывают. Они так же складываются, вычитаются, умножаются и делятся в любой системе счисления, а в итоге получаются опять числа в той же системе счисления. Почему двоичная система счисления удобна в цифровой технике? Потому что можно сопоставить цифре 0 напряжение низкого уровня, например, 0.5 В. А цифре 1 сопоставить напряжение высокого уровня, например, 2.5 В. Эти два напряжения, как это следует из наших последних экспериментов, хорошо распознаются электрическими схемами. Мы всегда по выходному напряжению можем

использующие биполярные, а затем и полевые транзисторы. И технологии продолжают совершенствоваться. Каждая из технологий использует свое питающее напряжение и значения напряжений для цифр 0 и 1. Параллельно с развитием идей расчетов с применением двоичной системы счисления развивались идеи бинарной логики, для операций которой требуются два состояния «истинно» и «ложно». При этом сами операции бинарной (или Булевой) логики во многом схожи с арифметическими операциями. Если сопоставить нулю, скажем, состояние «ложно», а единице – «истинно», то одни и те же, практически, схемы можно использовать для двух целей. Логические операции удобно записывать с помощью таблиц, которые называют таблицами истинности. В применении к микросхемам эта таблица описывает состояние выходов микросхемы в терминах «истинно-ложно», когда на ее входах сигналы принимают все возможные значения в тех же терминах, которые легко записывать с помощью цифр 0 и 1. Так с самого начала базовым узлам цифровых микросхем стали присваивать такие названия, как транзисторно-транзисторная логика, и обозначать микросхемами И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ и т.д. А схема на рисунке 2.24 может быть названа схемой ИЛИ-НЕ.

Первоначально этот текст, отчего-то мне кажется, был написан лучше. Но теперь уже поздно об этом говорить. Проведем несколько экспериментов с цифровыми микросхемами, чтобы получить таблицы истинности для микросхем «И» и «ИЛИ».

Рис. 2.26. Работа схемы И К входам двух-входовой схемы «И» подключены источники цифровых сигналов, ее выход

обозначен как «out». А таблица истинности показывает, что логическая единица на выходе будет появляться только тогда, когда оба входа имеют уровень 1.

Рис. 2.27. Работа схемы ИЛИ

В случае схемы «ИЛИ» логический 0 на выходе будет присутствовать только тогда, когда на обоих входах логический 0.

Таблицы истинности для логических элементов, таблицы состояния выходов в зависимости от состояния входов, можно построить иначе, чем сделал я, воспользовавшись средствами программы Qucs. Можно подключать ко входам схем источник постоянного напряжения для получения уровня логической «1», и соединять входы с землей для получения уровня логического «0», а на выход включить измеритель напряжения, как я это сделал на рисунке 2.24. Перебирая все возможные состояния входов, мы получим все состояния выходов, которые и занесем в таблицу. Получившаяся таблица и будет таблицей истинности – таблицей состояния выходов. Если выход в состоянии «1», то это соответствует в логике состоянию «истинно», если в «0», то «ложно».

Самое важное, что сейчас можно отметить, пожалуй, то, что, если к базовым элементам «И» и «ИЛИ» добавить инвертор, превращающий логическую «1» в логический «0», то мы получим набор, из которого можно построить все многообразие цифровых микросхем: триггеры, регистры, дешифраторы, мультиплексоры, сумматоры и т.д. Как это происходит, можно рассмотреть на примере того, как можно сложить в двоичной системе счисления две единицы и получить в ответе двойку (10 в двоичной записи). Этот пример я подсмотрел в книге о микро-компьютере.

Рис. 2.28. Сложение в двоичном мире цифровых микросхем

Поскольку на выходе схемы должно получиться число, то его величина, а числа мы привыкли записывать позиционно, записывается в двух разрядах. На схеме b – младший разряд, a – старший. Позиционная запись, напомню, означает, что в зависимости от занимаемой цифрой позиции (разряда) она обозначает разные числа. Например, в десятичной системе счисления 1 – это единица, 10 – десять. Единица, занимающая вторую позицию, указывает уже количество десятков в числе. В полученной таблице в первой колонке показано, какие двоичные числа подлежат сложению. Первая сумма, ноль плюс ноль, дает ноль, а последняя, один плюс один, дает двоичное число два – 10.

На схеме Y1 и Y4 – схемы «И», Y2 – схема «ИЛИ», Y3 – инвертор. Используя эти базовые элементы мы получили устройство для сложения двух двоичных чисел от 0 плюс 0, до 1 плюс 1. Усложнив эту схему, думаю, можно получить схему сложения, имеющую возможность складывать любые числа с необходимым количеством разрядов.

Из-за того, что входные и выходные напряжения цифровых микросхем имеют только два значения, формируются сигналы, которые называют импульсными. Поэтому цифровые микросхемы могут успешно генерировать импульсы (и периодические их последовательности), преобразовывать импульсы – расширять их, укорачивать, формировать заданную длительность импульса, задерживать формирование импульса и т.д. В итоге с помощью цифровых микросхем создается огромнейшее количество схем, выполняющих разные полезные функции. С их помощью строятся цифровые процессоры – мозг любого компьютера. Думаю, правы были те, кто находился у истоков построения цифровой техники, назвав микросхемы цифровыми, а не числовыми, вы согласны?