Лекция №2 принципы построения логических схем

1. Анализ схем с переменным сопротивлением

Рассмотрим работу схем, в которых сопротивление может меняться.

Делитель напряжения представляет собой два или несколько последовательно соединенных сопротивлений.

Подбирая сопротивления R1 и R2, на выходе можно получить любое напряжение от нуля до напряжения источника (0< Uвых<). Uвых = I R2 . В частности, если , то Uвых =

Рассмотрим теперь схемы, в которых одно из сопротивлений меняется.

Схема с переменным сопротивлением

Если r , тогда Uвых =I R =, а падение напряжения на r практически нет, т.е. Ur =r=0 При r , следовательно, Uвых = I R0, а Ur = r I =

Такие схемы проще анализировать, если рассматривать два предельных состояния: ключ замкнут r=0, ключ не замкнут r = . При включенном ключе Uвых = , При выключенном Uвых = 0. Схему можно упрощенно представить в виде

вых R

Поменяем местами r и r местами

В этой схеме наблюдается противоположная ситуация. Uвых =r I = Если r уменьшается, то напряжение на выходе также уменьшается. Весь перепад напряжения от до 0 происходит на R. При r Uвых0, а ток при этом максимальный .

Если r увеличивается, то напряжение на выходе растет, при этом падение напряжения происходит в основном на r. При r U_вых = . Ток при этом приблизительно равен 0. Рассмотрим два предельных состояния.

Ключ замкнут: r = 0, , Uвых = 0, UR = = R I. Ключ разомкнут r, I=0, Uвых = Если ключ выключен Uвых=0, если ключ включен, то ток протекает, на сопротивление происходит падение напряжения от до 0, но выход замкнут накоротко «на землю». Схему можно упрощенно представить в виде

вых R

2. Анализ схем с управляемым сопротивлением

Первые логические элементы создавались на электронных лампах. Входное напряжение на управляющем электроде (сетке) позволяли «замыкать» и «размыкать» контакт между катодом и анодом. Допустим термин «электронный ключ» или «работа в режиме ключа».

Современные логические схемы цифровых устройств в качестве электронного ключа содержат транзисторы (полевые или биполярные). Слово «транзистор» (transistor, от слов transfer — передача и resistor — сопротивление) можно перевести, как «резистор, управляемый напряжением». В самом деле, транзистор можно представить как некое сопротивление, регулируемое напряжением на одном электроде (в полевых транзисторах — напряжением между затвором и истоком, в биполярных транзисторах — напряжением между базой и эмиттером). Подача входного напряжения на управляющий электрод (затвор или базу) позволяет менять сопротивление между истоком и стоком или между эмиттером и коллектором. Причем сопротивление может меняться практически от нуля до бесконечности.

Пусть имеется управляемый входным сигналом резистор.

вх a b

Свойства: если Uвх=0, то Rab → ∞, контакты a и b разомкнуты, транзистор «закрыт». Если Uвх – высокое напряжение (логическая 1), Rab = 0, контакты a и b замкнуты, транзистор «открыт».

Введем понятие логического нуля – низкое напряжение, например, U =0 В, и понятие логической единицы – высокое напряжение, например, U = или U >> 0.

Рассмотрим схему повторителя (y = x) и инвертора. (y = ┐x)

Схема повторителя

Если Uвх=0, то r(транзистор закрыт), цепь разомкнута, Uвых=0. x y 0 0 1 1 Если Uвх=, то r = 0 (транзистор открыт), цепь замкнута, выход «накоротко» соединена с положительной клеммой, Uвых .

Получился повторитель: вход ‑ 0  выход – 0, вход ‑ 1  выход – 1.

Ниже приводится такая же схема, где транзистор представлен в виде ключа, а также аналогичная схема с обычной электрической разводкой.

Схема инвертора (или схема с инверсией).

Если Uвх=0, то r(транзистор закрыт), цепь разомкнута, Uвых = . Если Uвх >>0 (например, Uвх =), то r = 0 (транзистор открыт), цепь замкнута, выход «накоротко» соединена с «землей», Uвых=0. x y 0 1 1 0

Получился повторитель: вход ‑ 0  выход – 1, вход ‑ 1  выход – 0.

Ниже приводятся аналогичные схемы.

В реальных полупроводниковых устройствах, в так называемом, закрытом состоянии, сопротивление транзистора не бесконечно, но его сопротивление во много раз больше. чем обычное сопротивление r>>R, и его можно трактовать как разрыв цепи. Токи практически не протекают, а на его клеммах существует разность потенциалов, как при разрыве цепи.

В открытом состоянии, сопротивление транзистора не обращается точно в ноль, но его сопротивление во много раз меньше, чем обычное сопротивление r<<R, и его можно трактовать как короткое замыкание цепи. При этом ток максимальный, все падение напряжения происходит на R, а для определения напряжения на выходе транзистор можно заменить накоротко замкнутым проводником.

Рассмотрим схемы с несколькими входами