- •«Национальный исследовательский
- •I. Основы АнАлоговой электроники
- •1. Задачи, решаемые электронной техникой, и элементы, необходимые для их решения
- •1.1. Электрические сигналы. Временное и спектральное представление
- •1.2. Усиление электрических сигналов
- •1.3. Модуляция сигналов
- •1.3.1. Амплитудная модуляция
- •1.3.2. Импульсно-кодовая модуляция
- •1.3.3. Широтно-импульсная модуляция
- •А б Рис. 1.19. Компаратор: а – схема; б – временные диаграммы при шим1.4. Фильтрация сигналов
- •1.5. Хранение и отображение информации
- •1.6. Преобразование электрической энергии
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты первой главы
- •2. Математический аппарат описания электронных элементов
- •2.1. Описание нелинейных элементов
- •2.2. Линеаризация нелинейных уравнений
- •2.3. Частотный анализ линеаризованных цепей
- •2.4. Временной анализ линеаризованных цепей
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты второй главы
- •3. Полупроводники – основа современной элементной базы электроники
- •3.1. Преимущества полупроводниковых элементов перед электровакуумными
- •3.2. Физические основы электропроводности полупроводников
- •3.3. Электропроводность беспримесного (собственного) полупроводника
- •3.4. Электропроводность примесных полупроводников
- •3.4.1. Донорная примесь
- •3.4.2. Акцепторная примесь
- •3.6. Инерционностьp-n-перехода
- •3.6.1. Зарядная емкостьp-n-перехода
- •3.6.2. Диффузионная емкость
- •3.7. Пробой p-n-перехода
- •3.7.1. Тепловой пробой
- •3.7.2. Электрический пробой
- •3.8. Математическая модельp-n-перехода
- •3.9. Переходметалл – полупроводник
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты третьей главы
- •4. Многопереходные электронные элементы
- •4.1. Полупроводниковые триоды (биполярные транзисторы)
- •4.2. Активный режим работы биполярного транзистора
- •4.3. Статические характеристики биполярного транзистора для активного режима
- •4.4. Инерционность биполярного транзистора
- •4.5. Пробой коллекторного перехода
- •4.7. Нелинейная модель биполярного транзистора
- •4.8. Линеаризованная модель биполярного транзистора
- •4.9. Ключевой режим биполярного транзистора
- •4.10. Полевые транзисторы
- •4.11. Полевые транзисторы с управляющимp-n-переходом
- •4.12. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •4.13. Ключевой режим работы полевых транзисторов
- •4.14. Тиристоры
- •4.15. Элементы оптоэлектроники
- •4.15.1. Управляемые источники излучения
- •4.15.2. Фотоприемники
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты четвертой главы
- •5. Основы теории электронных усилителей
- •5.1. Общие положения
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.2. Обратная связь в усилительных устройствах
- •5.2.1. Влияние обратной связи на коэффициент усиления.
- •5.2.2. Влияние обратной связи на нестабильность усилителя
- •5.2.3. Влияние обратной связи на нелинейные искажения и шумы усилителя
- •5.2.4. Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления усилителя
- •5.2.5. Устойчивость усилителей с обратной связью
- •5.2.6. Коррекция частотных характеристик для обеспечения устойчивости усилителя
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.3. Принципы построения усилительных каскадов
- •5.3.1. Цепи задания и стабилизации режима покоя
- •5.3.2. Элементы связи усилительных устройств
- •К Рис. 5.34. Оптическая связь онтрольные вопросы и задания
- •5.4. Операционные усилители
- •5.4.1. Модели оу
- •5.4.2. Масштабирующий инвертирующий усилитель
- •5.4.3. Масштабирующий неинвертирующий усилитель
- •5.4.4. Суммирующий усилитель
- •5.4.5. Вычитающий усилитель
- •5.4.6. Интегрирующий усилитель
- •5.4.7. Нелинейные функциональные преобразователи сигналов
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.5. Усилители мощности
- •5.5.1. Линейные усилители мощности
- •5.5.2. Усилители мощности ключевого типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты пятой главы
- •6. Автогенераторы
- •Основные результаты шестой главы
- •7. Источники вторичного электропитания электронных устройств
- •7.1. Классическая схема вторичного источника (без преобразования частоты сети)
- •7.2. Функциональные элементы вторичных источников электропитания
- •7.2.1. Преобразователи переменного напряжения
- •7.2.2. Стабилизаторы постоянного напряжения
- •7.3. Вторичные источники с преобразованием частоты сети
- •Vd Схема упр.
- •Vd Схема упр. Ul
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты седьмой главы
- •II. Основы цифровой электроники
- •1. Введение
- •2. Логические функции
- •2.1. Логические функции и способы их представления
- •2.2. Основы алгебры логики
- •2.2.1. Функция не
- •2.2.2. Функция или
- •2.2.3. Функция и
- •2.3. Логические элементы и-не, или-не
- •2.3.1. Элемент и-не (штрих Шеффера)
- •2.3.2. Элемент или-не (стрелка Пирса)
- •2.4. Синтез логических устройств
- •2.5. Выбор системы логических элементов
- •2.6. Минимизация логических функций
- •Контрольные вопросы и задания
- •3. Характеристики и параметры логических элементов, основы схемотехники
- •3.1. Логические уровни, нагрузочная способность
- •3.2. Логические элементы с тремя состояниями
- •3.3. Быстродействие логических элементов
- •3.4. Помехоустойчивость логических элементов
- •3.5. Число входов логических элементов
- •3.6. Специальные типы логических элементов. Логические элементы с открытым коллектором
- •3.6.1. Расширители числа входов
- •3.6.2. Схема согласования уровней
- •3.6.3. Логический элемент с разрешением по входу
- •Контрольные вопросы и задания
- •4. Цифровые устройства комбинационного типа
- •4.1. Преобразователи кодов, шифраторы, дешифраторы
- •4.2. Мультиплексоры
- •4.3. Сумматоры
- •4.4. Цифровые компараторы
- •Контрольные вопросы и задания
- •5. Последовательностные цифровые устройства
- •5.1. Триггеры
- •5.1.5. Триггер Шмитта
- •5.2. Цифровые счетчики импульсов и делители частоты следования
- •5.2.1. Двоичные счетчики
- •5.2.2. Недвоичные счетчики
- •5.3. Регистры
- •Контрольные вопросы и задания
- •6. Генераторы импульСныхСигналов
- •6.1. Автогенераторы прямоугольных импульсов (мультивибраторы)
- •6.2. Ждущий (заторможенный) режим генераторов
- •6.3. Интегральные таймеры
- •6.4. Генераторы линейно изменяющегося напряжения (тока)
- •Контрольные вопросы и задания
- •7. УстройствасОпРяжЕнияцифровых и аналоговых систем
- •7.1. Цифроаналоговые преобразователи
- •7.2. Аналого-цифровые преобразователи
- •7.2.1. Ацп последовательного приближения
- •7.2.2. Ацп параллельного типа
- •7.2.3. Ацп интегрирующего типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •8. Введение в микропроцессорную технику
- •8.1. Арифметическо-логические устройства
- •8.2. Полупроводниковые запоминающие устройства
- •8.3. Программируемые логические интегральные матрицы
- •8.4. Интерфейсные устройства
- •Контрольные вопросы и задания
- •Приложение справочные данные интегральных схем
- •Литература
- •Оглавление
6.2. Ждущий (заторможенный) режим генераторов
В этом режиме в ответ на короткий импульс запуска генератор выдает один импульс, параметры которого (амплитуда и длительность) определяются собственными параметрами генератора. После окончания генерации выходного импульса должно пройти определенное время восстановления исходного состояния. Рассмотрим вариант заторможенного режима генератора на логических элементах (см. рис. 6.6).
В исходном состоянии на входах V, Uа и выходе Uвых выходной уровень напряжения равен 1. Конденсатор С находится между выводами ЛС с одинаково высокими потенциалами, напряжение на нем равно нулю.
При подаче на вход разрешения низкого уровня V = 0 схема переходит в состояние, указанное на рис. 6.6, б. Это состояние удерживается и после прекращения действия запускающего импульса, поскольку разряженный конденсатор теперь задает низкий уровень в точке А. После заряда конденсатора до напряжения U’ за время (длительность импульса) инверторы переключаются в исходное состояние (рис. 6.6,в). Заряженный конденсатор оказывается между одинаковыми потенциалами: слева – напряжение источника питания +Е, справа – высокий уровень выходного инвертора. Происходит разряд за время до исходного нулевого уровня, который является процессом восстановления в исходное состояние: генератор готов к приему очередного запускающего импульса.
а |
г |
б | |
в |
Рис. 6.6. Заторможенный мультивибратор:
а – принципиальная схема; б – этап заряда хронирующего конденсатора; в – этап восстановления исходного состояния; г – временные диаграммы
6.3. Интегральные таймеры
Интегральные таймеры – это многофункциональные элементы в микросхемном исполнении, на основе которых можно решать широкий круг задач: генерировать импульсы в автоколебательном и ждущем режимах в широком интервале длительности (частоты повторения); генерировать линейно-изменяющееся напряжение; преобразовывать напряжение в частоту; регулировать температуру, освещенность (при наличии соответствующих датчиков); преобразовывать постоянное напряжение в постоянное напряжение другого уровня или полярности и т. п. Классическая функциональная схема таймера представлена на рис. 6.7.
Таймер содержит два компаратора – нижнего уровня (К1) и верхнего уровня (К2), управляющий триггер со входом разрешения V = 0, на выходе 3 триггера принудительно устанавливается логический 0, при V = 1 работа таймера разрешена, разрядный ключ (транзистор VТ1) и выходной усилитель мощности ключевого типа (VТ2, VТ3), обеспечивающий ток нагрузки до 200 мА.
При напряжении на входе 2 компаратор К1 устанавливает триггер в состояние1, при этом VТ1 заперт, причем это состояние таймера не зависит от состояния компаратора К2, т. е. К1 обладает приоритетом перед К2.
Рис. 6.7. Функциональная схема таймера
Если на входе 6 напряжение U6UВ, то К2 устанавливает триггер в 0, при этом VТ1 открывается. Таким образом, вход 2 является входом «запуска» таймера, а вход 6 – входом «сброс». Напряжения ,. При таком соотношении уровней обеспечивается минимальная нестабильность интервалов времени.
В качестве примера рассмотрим работу таймера в режиме ждущего мультивибратора (см. рис. 6.8). В исходном режиме триггер удерживается в состоянии 0 высоким уровнем U2. Когда на входе 2 напряжение запускающего импульса U2 UН, то триггер устанавливается в 1, VТ1 запирается , начинается заряд конденсатора С от источника питания Е через резистор R0. При UС UВ триггер устанавливается в 0, VТ1 открывается – происходит быстрый разряд конденсатора до напряжения U0 (напряжение насыщения коллектор-эмиттер VТ1). Длительность импульса рассчитывается по очевидному соотношению
.
а б
Рис. 6.8. Таймер в режиме ждущего мультивибратора:
а – принципиальная схема; б – диаграмма напряжений
Если выполнить условие E>>U0, то стабильность tИ будет полностью определяться стабильностью произведения R0C0, которое может быть сделано достаточно высоким выбором качественных элементов.
Схема таймера, работающего в режиме автоколебаний, приведена на рис. 6.9. В исходном состоянии UС<UН, компаратор K1 удерживает VT1 в запертом состоянии, проходит заряд конденсатора от источника E через резисторы R1 и R2. При UС UВ компаратор K2 переключает триггер в состояние низкого уровня, а VT1 открывается, происходит разряд конденсатора через резистор R2 и VT1 до UС UН, после чего начинается процесс разряда конденсатора. В силу разницы постоянных времени заряда 3=C(R1+R2) и разряда длительность паузыt2 в рассматриваемой схеме получается меньше импульса t1. Такой автогенератор называют несимметричным. На рис. 6.10 изображен вариант использования таймера в качестве датчика, например инфракрасного излучения.
В этой схеме таймер, по аналогии со схемой на рис. 6.9, работает в режиме автогенератора при условии, что сигнал разрешения V имеет высокий потенциал. Значение этого потенциала зависит от сопротивления датчика Rд. При наличии излучения датчик имеет низкое сопротивление, таймер заторможен. При исчезновении излучения таймер начинает генерировать импульсы звуковой частоты, воспроизводимые динамиком. В литературе рассматривается огромное число применений таймера, который по своему функциональному разнообразию не уступает операционному усилителю.
а б
Рис. 6.9. Таймер в режиме автоколебаний:
а – принципиальная схема; б – диаграмма напряжений
Рис. 6.10. Схема датчика инфракрасного излучения
Для получения высокой стабильности временных интервалов используются цифровые таймеры.
В этих устройствах стабильность цифровых интервалов определяется стабильностью кварцевого генератора фиксированной частоты, а длительность генерируемых интервалов (импульсов) изменяется программно путем записи в двоичный счетчик большего или меньшего числа. Принципы построения можно продемонстрировать на упрощенной структурной схеме (см. рис. 6.11).
Таймер построен на вычитающем счетчике. Запись исходного кода, присутствующего на входах Д, производится при наличии высокого потенциала на входе разрешения записи V.
Рис. 6.11. Структурная схема цифрового таймера
В исходном состоянии устройство управления УУ задает V=1. С приходом фронта первого синхроимпульса, генерируемого, например, кварцевым генератором, УУ снимает сигнал разрешения записи V = 0 и счетчик производит по фронтам синхроимпульсов вычитание. Обнуление счетчика регистрируется сигналом переноса P = 1, по которому УУ выставляет V=1, происходит очередная запись кода и т. д. Очевидно, что период выходных импульсов таймера TИ связан с периодом синхроимпульсов T0 соотношением
,
где А – значение входного кода. Тем самым цифровой таймер выдает временные интервалы, стабильность которых практически не отличается от стабильности кварцевого генератора, и в то же время длительность этих интервалов может изменяться в широких пределах программным способом – заданием входного кода.