Конструирование / 0. Введение

Основы цифровой схемотехники

При изложении материала предполагалось, что студенты знакомы с работой биполярных и полевых транзисторов хотя бы на элементарном уровне (знают, что такое эмиттер, база, коллектор, затвор и т.д.) Из всей совокупности достаточно сложных физических процессов, протекающих в этих приборах, для цифровой схемотехники необходимо помнить одну простую вещь.

Если в транзисторе (включенном по так называемой схеме «с общим эмиттером» на положительное напряжение, как правило, 5 В) напряжение базы не превышает порогового значения (для кремния это 0,5 В), транзистор «закрыт». Его сопротивление можно считать бесконечно большим, а цепь эмиттер-коллектор разомкнутой.

При подаче на базу положительного напряжения (более 0,5В) транзистор «открывается», его сопротивление уменьшается, появляется ток в цепи эмиттер-коллектор. При напряжении на базе более 2В транзистор переходит в режим насыщения, т.е. дальнейшее повышение входного напряжения уже не влияет на токи и напряжения в цепи эмиттер-коллектор. При этом транзистор можно считать полностью открытым, его сопротивление пренебрежимо малым, т.е. эмиттер и коллектор оказываются замкнутыми «накоротко». Вот в принципе и всё.

Замечание 1. Ток через базу тоже протекает, но для простоты анализа логических схем, его можно считать бесконечно малым (I_ЭБ<<I_ЭК). Т.е. получается, что база всегда «отключена» от цепи эмиттер-коллектор. Это упрощает анализ схемы, хотя для оценок выделяемой мощности о токе через базу необходимо естественно помнить.

Замечание 2. Аналогично и поведение n-канального полевого транзистора, включенного по схеме «с общим истоком». Отличие (кроме, разумеется, самой сущности физических процессов в приборе) заключается в том, что «паразитные» токи со входа (в цепи затвор-исток) удается полностью устранить (в МДП-транзисторах). Другим отличием является то, что пороговое напряжение и напряжение насыщение зависит не от физических свойств кремния, а определяется конструктивными особенностями прибора (например, в транзисторах со встроенным каналом пороговое напряжение вообще отсутствует). Однако в цифровой технике используется, как правило, транзисторы с индуцированным каналом (для открытия канала транзистора необходимо подать из затвора соответствующее напряжение), так что поведение в логических схемах n-канальных транзисторов практически такое же, как npn транзисторов.

Замечание 3. Реже в современной цифровой технике используются pnp-транзисторы и р-канальные транзисторы. Их отличие в том, что они открываются отрицательным входным напряжением, т.е. потенциал базы (затвора) должен быть меньше потенциала эмиттера (истока).

В остальном дополнительных знаний, кроме элементарных основ «школьной» физики (закон Ома, np-переход, полупроводниковый диод и т.д.), не требуется. Тем более, что все схемы в лекциях приведены только для иллюстрации и пояснения сделанных выводов.

Однако что делать, если студент в принципе не в состоянии анализировать электрические схемы:

Схема 1 Схема 2 Схема 3 Схема 4

Например, если тот факт, что в схеме 1 U_A=E (при выкл. ключе) и U_A=0 (при вкл. ключе), где U_A – потенциал точки А, E – ЭДС источника, а в схеме 2 U_A=0 (при выкл. ключе) и U_A=E (при вкл. ключе), в схеме 3 U_A=E, в схеме 4 U_A=0 (если считать диод идеальным, т.е. ток утечки и внутреннее сопротивление считаются пренебрежимо малым), не является очевидным, то в том случае необходимо просто выучить сделанные в тексте выводы. Потому что основная цель этих лекций не анализ каких-то схем, а знание о том, как решаются те или иные проблемы цифровой вычислительной техники, знание преимуществ и недостатков этих решений, а так же знание основных перспективных направлений создание вычислительной техники следующих поколений.