Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные цепи и микросхемотехника. Импульсные и цифровые устройства. Конспект лекций. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
В. В. КОЖУХОВ
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЦЕПИ
И МИКРОСХЕМОТЕХНИКА
ИМПУЛЬСНЫЕ И ЦИФРОВЫЕ
УСТРОЙСТВА
Конспект лекций
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2021
1
УДК 621.38.061 : 621.3.049.77(075.8)
К 589
Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент В. М. Кавешников
ст. преп. С. В. Кучак
Работа подготовлена на кафедре электроники и электротехники
Кожухов В. В.
К 589 Электронные цепи и микросхемотехника. Импульсные
и цифровые устройства. Конспект лекций: учебное пособие /
В. В. Кожухов. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2021. – 166 с.
ISBN 978-5-7782-4557-0
Рассматриваются принципы построения и свойства устройств на
транзисторах и интегральных элементах, работающих в импульсном
режиме; основы построения устройств комбинационной логики: шифраторов, мультиплексоров, триггеров, регистров, счетчиков, сумматоров.
Излагаются основы построения и свойства таких базовых схем, как
мультивибраторы, генераторы линейно изменяющегося напряжения,
триггеры, блокинг-генераторы.
Конспект лекций предназначен для студентов третьего
и ФТФ, обучающихся по специальностям «Электроника и наноэлектроника», «Оптотехника», «Фотоника и оптоинформатика».
курса РЭФ
УДК 621.38.061 : 621.3.049.77(075.8)
ISBN 978-5-7782-4557-0 © Кожухов В. В., 2021
© Новосибирский государственный
технический университет, 2021
2
Лекция № 1
ИМПУЛЬСНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ
ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ
ВВЕДЕНИЕ
Широкое внедрение импульсных устройств обусловлено тем, что они
позволяют осуществлять огромную концентрацию энергии во времени,
снижать потери мощности и, следовательно, повышать КПД устройств.
Импульсные устройства широко внедрены в такие области техники,
как автоматика, вычислительная техника, приборостроение, преобразовательная техника, радиотехника, и имеют большое разнообразие технических решений.
Для генерации импульсов
полнения логических операций над ними служат типовые импульсные
устройства и логические схемы, общие в своих основных чертах
Формы импульсов, используемых в импульсных устройствах различного назначения, разнообразны. Наиболее распространенные из них
приведены на рис. В1: прямоугольный (а), трапецеидальный (б), тре-
угольный (в), пилообразный (
ный (е).
различной формы и величины и для вы-
г), экспоненциальный (д), колоколообраз-
B С
A
а б в г д е
D
B С
А
D А
B,C
D
Рис. В1
3
Принято различать следующие участки импульса: фронт (АВ), вер-
шина (ВС), срез (CD), основание (AD).
Реальная форма импульса, в отличие от идеальной, может выглядеть, как на рис. В2.
u
A
0,9A
t
0,5A
иа
Δ
A
ΔAс
0,1A
A
t
ф
t
в
t
и
t
с
в
t
х
t
Рис. В2
Фронт соответствует быстрому возрастанию сигнала; вершина –
медленному его изменению; срез – быстрому убыванию сигнала. Иногда срез называют задним фронтом в отличие от переднего фронта.
Основными параметрами импульса являются следующие (рис. В2):
1) высота импульса (амплитуда) – А;
2) спад вершины импульса ΔА находится как разность высоты им-
пульса в момент
окончания переходного процесса и в момент окончания
вершины импульса;
t
3) длительность импульса
4) длительность фронта импульса
тания сигнала от уровня 0,1 до уровня 0,9 амплитуды импульса
5) длительность среза импульса
6) длительность вершины импульса
уровне 0,9
А:
7) длительность хвоста импульса
устройств длительность
стадии восстановления, т. е. длительность воз-
определяют на уровне 0,1 А;
и
t определяется временем нарас-
ф
t
определяется аналогично
с
t
, обычно определяется на
в
t
, который определяет в ряде
х
А;
t ;
ф
врата устройства к исходному состоянию и готовности к следующим
действиям.
4
Так как
называют
активными длительностями фронта и среза.
t и
ф
t
определяют по уровням 0,1 А и 0,9 А, то их иногда
с
В случае приобретения колоколообразной формы сигнала вводят так
называемую
уровне 0,5
активную длительность импульса
А. Смысл введения этой величины заключается в том, что
t
, измеряемую на
иа
часто основной результат воздействия импульса на то или иное устройство проявляется только после того, как его значение достигнет некоторого уровня, близкого к 50 % высоты импульса.
Обычно основное значение имеет не абсолютная величина Δ
А, а от-
носительная величина спада вершины
/.АА
При формировании очень коротких импульсов λ стремится к нулю а
импульс вырождается в треугольный.
При наличии периодической последовательности импульсов вводят
параметры, характеризующие эту последовательность: период повторения импульсов
пульсов
Т, частоту повторения импульсов f = 1/T, скважность им-
/QTt
; коэффициент заполнения
и
зи
./1/KQt T
Частоту повторения выражают в герцах (число импульсов в 1 с),
а скважность и коэффициент заполнения – в относительных единицах.
Импульсы пилообразной формы (см. рис. В1, в) и треугольной
формы (рис. В1, г) используются в измерительной технике, преобразо-
вательной технике, в системах автоматического регулирования. У такого вида сигналов можно выделить длительность прямого хода
()tCD
и обратного хода
o
.
)(tAB
п
Анализ импульсных процессов представляет собой довольно сложную задачу, особенно при наличии существенных нелинейностей у
цепи, преобразующей импульсы. Поэтому чаще всего эту цепь стремятся свести к линейной. Исследование ее проводят следующими методами: «классическим» методом анализа переходных процессов, который заключается в составлении дифференциальных уравнений, характеризующих процессы в
цепи, с последующим их решением; спектральным (частотным); методом суперпозиции (с использованием интеграла
Дюамеля); операторным.
Одним из эффективных и удобных методов анализа переходных
процессов в электронных цепях является операционное исчисление.
5
Во многих практически важных случаях нарастание и срез импульса
происходят по экспоненциальному закону, или закону, который может
быть аппроксимирован экспонентой. В этом случае анализ импульсных
цепей существенно упрощается, так как мгновенные значения импульса
во время его нарастания и среза описываются уравнениями соответственно
//
tt
(1 ), ,
uA e uAe
где τ – постоянная времени экспоненты.
Зная мгновенное значение импульса, можно найти время
t, в течение
которого импульс достиг этого значения:
ln ( / )tuA
.
Так как активную длительность фронта (время установления) и
среза определяем как промежуток времени между значениями, равными
0,1 и 0,9 амплитуды
ф c
А, то
[ln (0,9 / ) ln (0,1 / )] 2, 2t t AA AA .
К достоинствам импульсных (дискретных) устройств можно отнести следующее.
1. В импульсных устройствах импульсная
Р
и средняя срР мощно-
и
сти связаны соотношением
Р QР .
иср
Как видно, при большой скважности (Q → ∞) можно получить существенное превышение мощности в импульсе над средним ее значением. Это (по сравнению с аналоговыми устройствами) способствует
улучшению массогабаритных показателей отдельных элементов дискретных электронных устройств (ДЭУ).
2. В ДЭУ усилительные приборы (транзисторы) используют в спе-
цифическом режиме
ключа (включено – выключено), при котором мощность, рассеиваемая в них, минимальна. Это повышает коэффициент использования усилительного прибора
PPK ,
ис н max/k
6
Р IU
где
PIU – мощность, рассеиваемая в выходной цепи усилитель-
ннн
max ностk
ного прибора;
– полезная мощность нагрузочного устройства;
U
U
и
н
– напряжения нагрузочного устройства и вы-
ост
ходной цепи усилительного прибора в режиме «включено».
Как видно из приведенной формулы, при
UU
ност
мощность
нагрузки может многократно превышать мощность, рассеиваемую в самом усилительном приборе. Это позволяет для управления большой
мощностью применять в ДЭУ маломощные усилительные приборы.
В транзисторных устройствах кратность превышения мощности может
достигать 10...20.
3. Свойства дискретных устройств в меньшей степени зависят от нестабильности параметров используемых элементов. Это объясняется
как меньшим тепловыделением
, что, снижая перегрев, сужает реальный
диапазон рабочих температур, так и работой полупроводниковых приборов в режиме ключа.
4. Помехоустойчивость ДЭУ выше, чем аналоговых электронных
устройств (АЭУ), так как при передаче импульсов сокращается время, в
течение которого помеха может повлиять на передаваемый сигнал.
5. ДЭУ характеризуются применением однотипных элементов в
каналах обработки,
передачи и хранения информации. В связи с этим
облегчается их изготовление средствами интегральной технологии,
обеспечивающей повышенную надежность, малогабаритность, дешевизну и т. п.
Однако и ключевые элементы неидеальны и с ростом частоты их
переключения потери мощности возрастают, снижается качество передаваемой информации, и необходимы специальные схемотехнические решения (будут рассмотрены ниже
), направленные на форсированное включение и выключение транзисторов как основных элементов импульсных устройств.
1. КЛЮЧЕВОЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА
В настоящее время принято делить электронные схемы на два
класса: цифровые и аналоговые.
В основе цифровых схем лежат простейшие транзисторные клю-
чи (ТК), от свойств которых зависят свойства более сложных схем.
7
В транзисторном ключе имеются два устойчивых состояния – разомкнутое и замкнутое, или режим отсечки и режим насыщения. Передаточная характеристика простейшего транзисторного ключа (рис. 1.1) отражена
на рис. 1.2, а входная и выходные характеристики – на рис. 1.3 и 1.4.
Uвх
Uвх/R
Uкн
Uвых
Uвх
U
Uσ
γ
/
Rк
Rн
Eк-IкоRк
R
б
VT
Rн
Ек
//
Рис. 1.1 Рис. 1.2
к i
i
б
б
I
б
I
бн
0
U
tgφ=1/R
Uвх
Uγ
σ
б
U
бэ
КR/КЕ
I
б
I
бн
2бI
I
1б
0КI
КН
σU
0
U
0= бI
U
Е
кэ
К
Рис. 1.3 Рис. 1.4
В замкнутом состоянии ключа, строго говоря, должно выполняться условие
0U
. Однако, учитывая, что ток p–n-перехода экс-
вх
поненциально зависит от приложенного напряжения (рис. 1.3), для
кремниевых n–p–n-транзисторов можно считать состояние запертым,
если
. При этом токи всех трех электродов
вх
(0,4...0,5)ВUU
8
транзистора обычно не превышают долей микроампера, и можно счи-
R
I
I
I
I
I
R
I
I
R
R
UЕ
тать
кэ к
При достаточно большом
жения на нем от
димо
к0 б
Когда напряжение
нает протекать базовый ток
ток
(для линейного, или активного режима).
к
При увеличении
увеличивается падение напряжения на
При
(рис. 1.4).
RU
.
UU
кэ бэ
транзистор оказывается на границе насыщения.
необходимо учитывать падение напря-
б
,
и для надежного запирания транзистора необхо-
к0
U
достигает U, транзистор отпирается. Начи-
вх
и пропорциональный ему коллекторный
б
напряжение на коллекторе уменьшается (так как
k
).
к
При
I
II
ббн
кн
(условие насыщения) (1.1)
транзистор входит в режим насыщения, характеризующийся тем, что
UU
кб
а токи ключа определяются внешними цепями (
(критерий насыщения), (1.2)
()/;
UUR
бвх б
()//
EU R ER
кн к кн к к к
(1.3)
,,,URER
вх б к к
. (1.4)
):
Отношение
/IIS
ббн
(1.5)
характеризует степень насыщения S. Условие насыщения должно выполняться для всех значений коэффициента
транзисторов, включая и
минимально возможные значения. Отсюда
U
U
вх
, или
б min к
R
E
к
9
min вх
бк
SE
min к
.
R
1.1. ВЛИЯНИЕ НАГРУЗКИ НА СТАТИЧЕСКИЕ
R
R
R
R
R
I
Е
R
R
R
R
R
R
EIR
РЕЖИМЫ КЛЮЧЕВОЙ СХЕМЫ
В качестве нагрузки может служить само сопротивление
нагрузка
подключается параллельно сопротивлению
н
к
, или
, или
к
–
н
параллельно транзистору (рис. 1.1). При этом подключение нагрузки не
должно нарушать статический режим «ключа».
1. Рассмотрим случай подключения
:
н
а) режим запирания:
I
(//)U
ккк0 кн
IR R
, то есть практически не нарушается;
кк0
б) режим насыщения:
E
к
I
кн
кн
//
,
R
то есть увеличивается, а ток базы при этом остается прежним. Транзистор может выйти из насыщения. При расчете статического режима
необходимо предусматривать минимальную степень насыщения:
EE
RR
откуда
кн к
S
нн
2. Случай подключения
ISIS
бн бн
1
, чтобы
кк
RRR
ккн
R
параллельно транзистору:
н
1
(//)
не влияло на режим насыщения.
н
,
а) режим запирания не нарушается, но выходное напряжение, снимаемое с коллектора, уменьшается и становится равным
R
н
UE
кк
;
R
кн
б) режим насыщения не изменяется, и
к
.
кн
к
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]