Контрольные вопросы
1. В каких электронных схемах наиболее широко используются фильтры нижних частот?
2. Что такое полосовые фильтры, где они находят наиболее широкое применение?
3. Укажите область наиболее широкого применения фильтров верхних частот второго порядка.
4. В чем преимущества активных фильтров перед пассивными?
Лабораторная работа №7 Исследование логических элементов Краткая теория
Простейшие логические элементы (ЛЭ) строятся на основе диодов и резисторов. Реализуемые с их помощью логические операции зависят от типа логики. При положительной логике схема, приведенная на рис. 7.1, а, позволяет реализовать функцию логического умножения, а схема на рис. 7.1, б – функцию логического сложения. При отрицательной логике с помощью схемы (см. рис. 7.1, а) реализуется функция логического сложения, а схемы на рис. 7.1, б – функция логического умножения.
Рис. 7.1. Диодно-резисторная логика, операции «И» (а) и «ИЛИ» (б)
Действительно, если считать, что Е=+5 В и входные напряжения могут принимать значения +5 и 0 В, то, если хотя бы к одному из входов Х1, Х2, Х3 (см. рис. 7.1, а) приложен сигнал 0, соответствующий диод открыт и на выходе схемы будет напряжение, близкое к 0 В. При положительной логике это соответствует коду «0». Если на все входы подано положительное напряжение, большее или равное Е, то все диоды закрыты и на выходе напряжение Uвых= +E, что при положительной логике соответствует коду «1». Следовательно, на выходе ЛЭ будет сигнал, соответствующий коду «1» только в том случае, если на все входы поданы сигналы логической единицы. По определению такой элемент выполняет логическую функцию И.
При отрицательной логике уровень, близкий к 0 В, соответствует коду «1», а уровень +Е– коду «0». Если в этом случае на все входы подан уровень логического нуля, принятый выше за +5 В, то на выходе будет логический нуль (+Е).При подаче на любой из входовХ1, Х2, Х3напряжения 0 В соответствующий диод открывается и выходное напряжение становится близким к 0 В. Это соответствует коду логической единицы.
Таким образом, подача на любой из входов сигнала, соответствующего логической единице, приводит к появлению на выходе кода «1», что характеризует логический элемент ИЛИ.
Итак, один и тот же логический элемент в зависимости от типа логики выполняет или логическую функцию И, или логическую функцию ИЛИ.
Аналогично рассмотренной работает схема, приведенная на рис. 7.1, б.
Недостатки простейших диодных ЛЭ (снижение выходного напряжения по отношению к входному за счет его падения на открытом диоде, нестабильность уровней выходных напряжений) устраняются введением электронного усилителя по рис. 7.2. Выходной сигнал имеет низкий уровень U0вых при открытом транзистореQ3и высокийU1выхв тех случаях, когдаQ3заперт. Для открывания транзистораQ3
Рис. 7.2. Диодно-транзисторная логика, операция «И–НЕ»
необходимо, чтобы потенциал эмиттера Q1был больше напряжения стабилизации стабилитронаD5. Для этого ко всем диодамD1-D4 должно быть приложено напряжение высокого уровня, при котором они будут заперты. При низком уровне любого из входных сигналов потенциал эмиттера транзистораQ1мал, ток черезD5 близок к нулю и транзисторQ3заперт. Микросхема позволяет реализовать функцию И–НЕ.
На основе подобных ЛЭ выполняют высокопороговую логику, примером которой может служить серия 511. Эта серия отличается большими уровнями входных и выходных сигналов и высокой помехоустойчивостью.
Транзисторно-транзисторные логические элементы (ТТЛ) широко распространены из-за большого быстродействия, высокой помехоустойчивости, умеренного потребления энергии, хорошей нагрузочной способности и малой стоимости. Их особенностью является наличие на входе многоэмиттерных транзисторов (МЭТ), с помощью которых реализуется требуемая логическая функция. МЭТ является эквивалентом нескольких транзисторов, у которых выводы баз и коллекторов по отдельности объединены. На рис. 7.3 приведена схема базового ЛЭ серии ТТЛ, в которой МЭТ Q1 выполнен в виде схемы замещения из четырех транзисторов ввиду отсутствия в элементной базе моделирующей программы многоэмиттерных транзисторов.
Рис. 7.3. Транзисторно-транзисторная логика, операция «И–НЕ»
Если на один или на все эмиттеры МЭТ подано низкое напряжение (код «0» в положительной логике), то соответствующие эмиттерные переходы Q1 будут открыты. Через них протекает базовый токQ1, замыкающийся на землю через источники входных сигналовХ1, …,Х4, которые имеют близкие к нулю внутренние сопротивления. ТранзисторQ1 находится в состоянии глубокого насыщения, и падение напряжения на нем близко к нулю, поэтому базаQ2находится под низким потенциалом и транзисторQ2закрыт. Ток его эмиттера близок к нулю. Напряжение на базеQ4также близко к нулю, и он заперт. Напряжение на базе транзистораQ3близко к напряжению источника питания, поэтомуQ3открыт, и высокий уровень напряжения питания подается на выход схемы. Этот высокий уровень напряжения соответствует коду «1».
Если на все входы Х1, …, Х4 подан высокий уровень напряжения, то все эмиттеры Q1 оказываются смещенными в обратном направлении и не пропускают электрический ток. Тогда ток потечет через коллекторный переход Q1 и эмиттерный переход Q2, открывая Q2 и уменьшая потенциал его коллектора. Открывается транзистор Q4. В итоге всех переключений транзистор Q3 будет заперт, а транзистор Q4 открыт. На выходе схемы напряжение будет определяться напряжением коллектора насыщенного транзистора Q4. Это соответствует коду «0» в положительной логике. ЛЭ реализует функцию И–НЕ, так как код «0» появляется на выходе только тогда, когда на все входы Q1 поданы коды логической единицы.
Преимуществами ЛЭ на МОП-транзисторах перед ЛЭ на биполярных транзисторах являются большое входное сопротивление, простота технологического процесса изготовления, сравнительно низкая стоимость и малая потребляемая мощность. Однако по быстродействию даже лучшие ЛЭ на МОП-транзисторах уступают схемам на биполярных транзисторах. Это обусловлено наличием у МОП-транзисторов сравнительно больших входных емкостей, на перезарядку которых затрачивается определенное время. Кроме того, выходное сопротивление у открытого МОП-транзистора обычно больше, чем у биполярного, что увеличивает время зарядки конденсаторов нагрузки.
Наиболее перспективными являются ЛЭ на комплементарных МОП-транзисторах, содержащих в составе КМОП-элемента два МОП-транзистора с разной электропроводностью каналов. Такие структуры успешно работают при изменении в широких пределах напряжения источника питания (от 3 до 15 В). В статическом режиме они почти не потребляют мощность.
На рис. 7.4 приведена принципиальная схема ЛЭ КМОП, выполняющая функцию 3И–НЕ. В нем использованы транзисторы с индуцированным каналом. Транзисторы Q1, …, Q3 имеют канал p-типа и открыты при напряжении затвора, близком к нулю. Транзисторы Q4, …, Q6 имеют канал n-типа и открыты при напряжении затвора, большем порогового значения.
При нулевом входном сигнале хотя бы на одном из входов ЛЭ один из транзисторов Q1, …, Q3 открыт и выходное напряжение равно Е. И только в том случае, если на всех входах есть сигнал логической единицы (обычно равный Е), все транзисторы Q1, …, Q3 закрыты, а ярусно включенные транзисторы Q4, …, Q6 открыты. Выходное напряжение равно потенциалу общей шины (логический нуль). Таким образом, сочетание ярусного включения транзисторов с каналами, имеющими один тип электропроводности, и параллельного соединения транзисторов с каналами другого типа электропроводности позволило реализовать функцию И–НЕ.
Рис. 7.4. Элемент «И–НЕ» на КМОП-транзисторах
Если группы ярусно и параллельно включенных транзисторов поменять местами, то будет реализован элемент, выполняющий функцию ИЛИ–НЕ (рис. 7.5). Он работает аналогично предыдущему. ТранзисторыQ1, …, Q3открыты в том случае, если на их затворы подана логическая единица, и заперты при входных сигналах логического нуля.
Рис. 7.5. Элемент «ИЛИ–НЕ» на КМОП-транзисторах
Из рассмотренных схем видно, что в статическом режиме один из транзисторов, включенных последовательно, всегда закрыт, а другой открыт. Так как закрытый транзистор имеет большое сопротивление, то ток в цепи определяется только малыми значениями токов утечек, и микросхема практически не потребляет электрическую мощность.
Рис. 7.6. Элемент «НЕ» на КМОП-транзисторах (а) и ЛЭ «НЕ» с тремя устойчивыми состояниями (б)
В качестве базового инвертора, устанавливаемого на входе ЛЭ, обычно используют цепь (рис. 7.6, а). Диоды используются для предотвращения пробоя пленки оксида под затворами МОП-транзисторов. При попадании в цепь входа статических напряжений той или иной полярности соответствующие диоды открываются и закорачивают на цепь источника питания источник статического заряда.
По рис. 7.6, б реализуются ЛЭ с тремя устойчивыми состояниями. Последовательно с транзисторами инвертора включаются два комплементарных транзистора Q1, Q4, управляемые инверсными сигналами. Если при их подаче транзисторы Q1, Q4 закрыты, то выходное сопротивление инвертора имеет большое значение (третье высокоимпедансное состояние).