3564

-элементы, реализующие операцию логическое сложение – дизъюнкцию (дизъюнкторы, элементы ИЛИ, схемы собирания);

-элементы, реализующие операцию логическое отрицание – инверсию (инверторы, элементы НЕ);

-базовые логические элементы – элемент И – НЕ (элемент Шеффера) и элемент ИЛИ – НЕ (элемент Пирса).

Ктиповым устройствам цифровой техники относятся:

-вспомогательные устройства, предназначенные для усиления, формирования, задержки, генерирования и т.п. электрических сигналов в цифровых схемах (транзисторные ключи, интеграторы, дифференциаторы, ограничители, формирующие линии, мультивибраторы, блокинг-генераторы и т.п.);

-устройства хранения информации (устройства памяти) – триггеры;

-функциональные устройства, представляющие собой совокупность электрорадиокомпонентов, логических элементов и вспомогательных устройств, объединенных в конструктивно законченную сборочную единицу, и обеспечивающие заданное действие над сигналом. К типовым функциональным устройствам относятся счетчики, регистры, дешифраторы и шифраторы, коммутаторы, компараторы, сумматоры, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, запоминающие устройства.

3.2. Цифровая обработка электрического сигнала

Сигнал является средством передачи информации. В электронных устройствах передача информации осуществляется с помощью электрических сигналов – аналоговых и дискретных.

Цифровая техника – сравнительно новая область в современной электронике. Цифровые устройства работают в дискретном режиме, особенностью которого является практически мгновенный переход из одного состояния в другое.

Большинство сигналов, встречающихся в повседневной жизни, звуковые и видеосигналы, существуют в аналоговой форме. Прежде чем ввести эти сигналы в цифровую систему, необходимо преобразовать их в цифровую форму. После соответствующей об-

32

работки цифровой сигнал снова преобразуется в исходную аналоговую форму (рис. 3.1).

Рис. 3.1

Элементную базу цифровых устройств составляют интегральные микросхемы и микропроцессоры.

Прогресс технологии интегральных микросхем и появление больших интегральных схем (БИС) привели к многократному расширению применения микропроцессоров в компьютерах, системах управления, измерительных приборах и системах регистрации данных.

Основные элементы микропроцессорной системы изображены на рис. 3.2.

Рис. 3.2

Микропроцессор, называемый так же центральным процессором (ЦП), выполняет арифметические и логические операции в соответствии с программой, хранимой в памяти. Работа всех элементов системы синхронизируется и управляется центральным процессором.

33

Архитектура микропроцессора или организация микрокомпьютерной системы представлена на рис. 3.3. Показаны функциональные связи между различными элементами типичной микропроцессорной системы.

Рис. 3.3

Микропроцессор – это однокристаллическая микросхема, содержащая все необходимые схемы для интерпретации и выполнения команд программы на языке обработки данных, логических и арифметических операций, синхронизации и управления системой.

Микропроцессоры обычно монтируются в 40-штырьковом плоском корпусе с двухрядным расположением выводов (рис. 3.4)

Рис. 3.4

3.3. Электронные ключи

Транзисторы, несмотря на то, что начальный ток коллектора возрастает с повышением температуры окружающей среды и это приводит к изменению характеристик транзистора, широко применяются в различных импульсных и цифровых устройствах.

Работа транзистора в импульсном режиме иначе называемой ключевым или режимом переключения, имеет ряд особенностей.

34

исключает попадание на вход транзистора постоянного напряжения, если оно имеется в источнике колебаний (переменного напряжения ~U).

Первая выходная характеристика при iб=0 выходит из начала координат и напоминает обычную характеристику для обратного тока полупроводникового диода (рис. 3.6).

Рис. 3.6

Условие iб=0 соответствует разомкнутой цепи базы. При этом через весь транзистор от эмиттера к коллектору проходит

сквозной ток iк э0 (рис. 3.7)

Рис. 3.7

В семействе выходных характеристик построение рабочей характеристики, иначе называемой линией нагрузки, производится по заданным или выбранным значениям напряжения источника питания Е2 и сопротивления нагрузки Rн.

36

Пусть в цепь коллектора включен резистор нагрузки Rн и, соответственно, на ВАХ построена линия нагрузки.

Поскольку для выходной цепи транзистора справедливо уравнение Е2=Uк-э+iкRн , то построение линии нагрузки производится по точкам ее пересечения с осями координат – так же, как и для диода. При iк=0 получается Е2=Uк-э (точка М) А при Uк-э=0 получа-

нагрузки (рабочую характеристику).

До поступления на вход транзистора импульса входного тока или входного напряжения транзистор находится в запертом состоянии (в режиме отсечки), что соответствует точки Т1. В цепи

коллектора проходит малый сквозной ток iк э0 , и следовательно эту

цепь приближенно можно считать разомкнутой. Напряжение источника Е2 почти полностью приложено к транзистору.

Если на вход подан импульс тока Iб max , то транзистор переходит в режим насыщения и работает в точке Т2. Получается им-

пульс тока коллектора I к max , очень близкий по значению к E2 .

Rн

Его иногда называют током насыщения. В этом режиме транзистор выполняет роль замкнутого ключа и почти все напряжение источника Е2 попадает на Rн, а на транзисторе имеется лишь очень небольшое остаточное напряжение (десятые доли вольта), называемое режимом насыщения Uк-э нас.

С подачей импульсного сигнала напряжение Uк-э на эмиттерном переходе в точке Т2 не изменяет знак, но на самом коллекторном переходе оно вычисляется по формуле Uк-б= Uк-э нас-Uэ-б и становится прямым и поэтому точка Т2 действительно соответствует режиму насыщения. Максимально возможное значение импульса

точка коллектора I к max ~ Е2 .

Rн

Помимо I к max , Iб max и Uк-э нас импульсный режим характеризуется также коэффициентом усиления по току В, который ха-

37

рактеризует усиление больших сигналов (импульсов) и определяет-

ся из соотношения В Iк max .

Iб max

Параметром импульсного режима транзистора служит также его сопротивление насыщения

обычно составляет единицы, иногда десятки Ом.

3.3.2. Переходные процессы в транзисторных ключах.

Ключ включает и выключает участки электрической цепи. Его действие основано на том, что во включенном состоянии он обладает очень малым, а в выключенном – очень большим сопротивлением.

Основными параметрами транзисторного ключа являются сопротивления во включенном и выключенном состояниях, остаточное напряжение на ключе и быстродействие, определяемое временем переключения.

Ключи используются не только по прямому назначению, но

ивходят в основные цифровые элементы и импульсные устройства.

Включевом каскаде транзистор обычно включается по схеме ОЭ. Ключевой каскад может находиться в одном из двух стационарных состояний: во включенном (транзистор насыщен) и выключенном (транзистор заперт) (рис. 3.8)

Рис. 3.8

38

Режим насыщения возникает при положительном управляющем напряжении, если создаваемый им базовый ток Iб удовле-

U к.нас Ек Iк.нас Rк 0

Транзистор заперт (режим отсечки) при отрицательном управляющем напряжении, если оно обеспечивает запирание эмиттерного перехода (Uб-э≤0). Так как в рассматриваемом режиме в цепи базы проходит вытекающий из нее обратный ток коллекторного перехода Iк0, то указанное условие имеет вид

–Uупр+Iк0 max, где

Uупр - абсолютное значение отрицательного управляющего напряжения.

Так как транзистор является инерционным прибором, то переход ключа из одного стационарного состояния в другое происходит не мгновенно даже при бесконечно крутых перепадах входного напряжения.

Процесс перехода ключа из выключенного состояния во включенное имеет две стадии: задержку и фронт включения.

Задержка включения.

tз вкл обусловлена наличием входной емкости Свх транзистора, заряжающийся через резистор Rб, благодаря чему напряжение на эмиттерном переходе запаздывает относительно выходного напряжения.

Длительность фронта включения.

tф вкл зависит от времени распространения носителей от эмиттера через базу к коллектору, значения коллекторной емкости и уменьшается с увеличением базового тока включения транзистора.

Процесс перехода ключа из включенного состояния в выключенное содержит стадии задержки и фронта выключения.

39

Задержка выключения связана с тем, что под действием выключенного сигнала происходит рассасывание заряда, накопившегося в базе при насыщении транзистора. Длительность рассасывания увеличивается с повышением степени насыщения транзистора и уменьшается с увеличением базового тока включения.

Длительность фронта выключения.

tф выкл зависит от тех же факторов, что и длительность фронта включения, и уменьшается с увеличением базового тока включе-

ния.

С момента появления на входе ключа положительного импульса, сменяющего отрицательный импульс, начинается включение транзистора n-p-n типа.

Общая продолжительность включения транзистора определяется из соотношения tвкл tз.вкл tф.вкл . Задержка включения, обусловлена емкостью Свх транзистора и сопротивлением резистора в цепи базы Rб, определяющих вх Rб Свх - постоянную времени

входящей цепи транзистора, а также амплитудой входного импульсного сигнала Um и величиной порогового напряжения смеще-

ния Uпор (для кремниевых транзисторов Uпор 0,6 В) и вычисляется из соотношения

Длительность фронта включения транзистора обусловлена постоянной времени τэк, определяющей инерционность транзистора, степенью насыщения S, показывающей во сколько раз базо-

RБ

С момента появления на входе ключа отрицательного импульса начинается процесс выключения транзистора.

40