![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Основные законы электричества
- •Разность потенциалов
- •Напряжение на участке цепи
- •Закон Ома для участка цепи, не содержащего э.Д.С.
- •Закон Ома для участка цепи, содержащего э.Д.С.
- •Законы Кирхгофа
- •Действие электрического тока
- •Магнетизм и электромагнетизм
- •Электромагнитная индукция
- •Взаимоиндукция
- •Движение электронов в ускоряющем электрическом поле
- •Движение электронов в тормозящем электрическом поле
- •Движение электронов в поперечном электрическом поле
- •Движение электронов в магнитном поле
- •Лекция 2 Переменный ток
- •Резистор в цепи переменного тока
- •Катушка в цепи переменного тока
- •Конденсатор в цепи переменного тока
- •Закон Ома для электрической цепи переменного тока
- •Постоянная составляющая в сигнале переменного тока
- •Среднеквадратическое значение (действующее) переменного тока
- •Соотношение между пиковыми и среднеквадратическими значениями
- •Среднеквадратическое значение сложных сигналов
- •Лекция 3 Форма сигнала
- •Период (Цикл)
- •Частота
- •Скважность
- •Соотношение между частотой и периодом
- •Звуковые волны
- •Гармоники
- •Высота тона
- •Гармонические составляющие прямоугольного сигнала
- •Гармонические составляющие пилообразного сигнала
- •Лекция 4 Резисторы
- •Обозначения резисторов на электрических схемах
- •Резисторы переменного сопротивления
- •Терморезисторы
- •Варисторы
- •Конденсатор
- •Емкость конденсатора
- •Связь заряда, емкости и напряжения
- •Основные параметры конденсаторов
- •Электролитические конденсаторы
- •Конденсаторы построечные и переменной емкости
- •Условные обозначения конденсаторов
- •Основные параметры катушек индуктивности
- •Лекция 5 Физические основы полупроводниковой электроники
- •Электронные и дырочные полупроводники
- •Виды токов в полупроводниках
- •Электронно-дырочный переход и его свойства
- •Лекция 6 Полупроводниковые диоды
- •Конструкция полупроводниковых диодов
- •Вольтамперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодов
- •Выпрямительные диоды
- •Стабилитроны
- •Варикапы
- •Фотодиоды
- •Фоторезисторы
- •Светодиоды
- •Понятие о лазерах и лазерных диодах
- •Классификация и система обозначений диодов
- •Лекция 7 Биполярные транзисторы
- •Усилительные свойства биполярного транзистора
- •Схемы включения биполярных транзисторов
- •Статические характеристики транзисторов
- •Динамический режим работы транзистора
- •Ключевой режим работы транзистора
- •Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общей базой
- •Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером
- •Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общим коллектором
- •Транзистор как активный четырехполюсник
- •Температурное свойство транзисторов
- •Частотное свойство транзисторов
- •Лекция 8 Полевые транзисторы
- •Характеристики и параметры полевых транзисторов
- •Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •Понятие о igbt
- •Тиристоры
- •Устройство и принцип действия динисторов
- •Тринисторы
- •Симисторы
- •Классификация и система обозначений тиристоров
- •Лекция 9 Оптрон (оптопара)
- •Фототранзистор и фототиристор
- •Усилители
- •Классификация усилителей
- •Коэффициент усиления
- •Входное сопротивление
- •Измерение входного сопротивления
- •Выходное сопротивление
- •Измерение выходного сопротивления
- •Выходная мощность
- •Согласование сопротивлений для оптимальной передачи мощности
- •Согласование сопротивлений для оптимальной передачи тока
- •Характеристики электронных усилителей
- •Амплитудно-частотная характеристика (ачх)
- •Фазовая характеристика
- •Питание цепи базы транзистора по схеме с фиксированным напряжением базы
- •Термостабилизация рабочей точки при помощи терморезистора и полупроводникового диода
- •Термостабилизация рабочей точки при помощи оос по постоянному напряжению
- •Термостабилизация рабочей точки при помощи оос по постоянному току
- •Усилители напряжения
- •Усилители мощности
- •Широкополосный усилитель
- •Усилители радиочастоты (урч)
- •Лекция 10 Обратная связь в усилителях
- •Структурная схема усилителя с обратной связью
- •Отрицательная обратная связь (оос)
- •Последовательное и параллельное включение обратной связи
- •Операционные усилители
- •Схемы включения операционных усилителей
- •Лекция 11 Генераторы гармонических колебаний
- •Кварцевые генераторы
- •Цифровая и импульсная электроника
- •Транзисторные ключи
- •Логические элементы
- •Интегральные микросхемы
- •Литература
Транзисторные ключи
Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники и очень многих устройств силовой электроники. Параметры и характеристики транзисторного ключа в очень большой степени определяют свойства соответствующих схем.
Ключи на биполярных транзисторах. Простейший ключ на биполярном транзисторе, включенный по схеме с общим эмиттером, и соответствующая временная диаграмма входного напряжения представлены на рис. 11.9.
Рис.11.9 Ключ на биполярном транзисторе
Рассмотрим работу транзисторного ключа в установившихся режимах. До момента времени t1 эмиттерный переход транзистора заперт и транзистор находится в режиме отсечки. В этом режиме iк = –iб = Iко (Iко – обратный ток коллектора), iэ ≈ 0. При этом uRб ≈ 0; uбэ ≈ –U2; uкэ ≈ Ек.
В промежутке времени t1…t2 транзистор открыт. Для того, чтобы напряжение на транзисторе uкэ было минимальным, напряжение U1 обычно выбирают так, чтобы транзистор находился в режиме насыщения.
Ключи на полевых транзисторах отличаются малым остаточным напряжением. Они могут коммутировать слабые сигналы (в единицы микровольт и меньше). Это следствие того, что выходные характеристики полевых транзисторов проходят через начало координат.
Для примера изобразим выходные характеристики транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа в области, прилегающей к началу координат (рис. 11.10).
Рис.11.10 Полевой транзистор с каналом p - типа
Обратим внимание, что характеристики в третьем квадранте соответствуют заданным напряжениям между затвором и стоком.
В статическом состоянии ключ на полевом транзисторе потребляет очень малый ток управления. Однако этот ток увеличивается при увеличении частоты переключения. Очень большое входное сопротивление ключей на полевых транзисторах фактически обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей. Это позволяет обойтись без трансформаторов в цепях управления.
На рис. 11.11 приведена схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n - типа и резистивной нагрузкой и соответствующие временные диаграммы.
Рис.11.11 Цифровой ключ на полевом транзисторе
На схеме изображена емкость нагрузки Сн, моделирующая емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт и uси = Ес. Если напряжение uвх больше порогового напряжения Uзи, то он открывается и напряжение uси уменьшается.
Логические элементы
Логический элемент (логический вентиль) – это электронная схема, выполняющая некоторую простейшую логическую операцию. На рис.11.12 приведены примеры условных графических обозначений некоторых логических элементов.
Рис.11.12 Логические элементы
Логический элемент может быть реализован в виде отдельной интегральной схемы. Часто интегральная схема содержит несколько логических элементов. Логические элементы используются в устройствах цифровой электроники (логических устройствах) для выполнения простого преобразования логических сигналов.
Классификация логических элементов. Выделяются следующие классы логических элементов (так называемые логики):
резисторно-транзисторная логика (ТРЛ);
диодно-транзисторная логика (ДТЛ);
транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);
эмиттерно-транзисторная логика (ЭСЛ);
транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ);
логика на основе МОП-транзисторов с каналами типа р (р-МДП);
логика на основе МОП-транзисторов с каналами типа n (n-МДП);
логика на основе комплементарных ключей на МДП-транзисторах (КМДП, КМОП);
интегральная инжекционная логика И2Л;
логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs.
В настоящее время наиболее широко используются следующие логики: ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ. Логические элементы и другие цифровые электронные устройства выпускаются в составе серий микросхем: ТТЛ – К155, КМ155, К133, КМ133; ТТЛШ – 530, КР531, КМ531, КР1531, 533, К555, Км555, 1533, КР1533; ЭСЛ – 100, К500, К1500; КМОП – 564, К561, 1564, КР1554; GaAs – К6500.
Наиболее важные параметры логических элементов:
быстродействие характеризуется временем задержки распространения сигнала tзр и максимальной рабочей частотой Fмакс. Время задержки принято определять по перепадам уровней 0,5Uвх и 0,5Uвых. Максимальная рабочая частота Fмакс – это частота, при которой сохраняется работоспособность схемы;
коэффициентом разветвления Краз – максимальное число однотипных логических элементов, которые могут быть подключены к выходу данного логического элемента;
коэффициент объединения по входу Коб – это число логических входов, по которым реализуется ее логическая функция, типичные значения, Коб = 2…8, Краз = 4…10. Для элементов с повышенной нагрузочной способностью Краз = 20…30;
помехоустойчивость в статическом режиме характеризуется напряжением Uпст, которое называется статической помехоустойчивостью. Это такое максимально допустимое напряжение статической помехи на входе, при котором еще не происходит изменение выходных уровней логического элемента;
мощность, потребляемая микросхемой от источника питания. Если эта мощность различна для двух логических состояний, то часто указывают среднюю потребляемую мощность для этих состояний;
напряжение питания;
входные пороговые напряжения высокого и низкого уровня Uвх.1 порог и Uвх.0 порог, соответствующие изменению состояния логического элемента;
выходные напряжения высокого и низкого уровней Uвых1 и Uвых0.
Для конкретной серии микросхем характерно использование типового электронного узла – базового логического элемента. Этот элемент является основой построения самых разнообразных цифровых электронных устройств.
Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И, и сложный инвертор (рис. 11.13).
Рис.11.13 Базовый элемент ТТЛ
Если на один или оба входа одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмитттерный транзистор находится в состоянии насыщения и транзистор Т2 закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т4, т. е. на выходе будет высокий уровень напряжения. Если на обоих входах одновременно действует высокий уровень напряжения, то транзистор Т2 открывается и входит в режим насыщения, что приводит к открытию и насыщению транзистора Т4 и запиранию транзистора Т3, т.е. реализуется функция И-НЕ. Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами или транзисторами Шоттки.
Базовый логический элемент ТТЛШ (на примере серии К555). В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент
И-НЕ (рис. 11.14,а), а на рис. 11.14,б показано графическое изображение транзистора Шоттки.
Рис.11.14 Логический элемент ТТЛШ
Транзистор VT4 – обычный биполярный транзистор. Если оба входных напряжения uвх1 и uвх2 имеют высокий уровень, то диоды VD3 и VD4 закрыты, транзисторы VT1, VT5 открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторы VT1 и VT5 закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами:
напряжение питания +5 В;
выходное напряжение низкого уровня не более 0,4 В;
выходное напряжение высокого уровня не менее 2,5 В;
помехоустойчивость – не менее 0,3 В;
среднее время задержки распространения сигнала 20 нс;
максимальная рабочая частота 25 МГц.
Особенности других логик. Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ, схема которого подобна схеме дифференциального усилителя. Микросхема ЭСЛ питается отрицательным напряжением (–4 В для серии К1500). Транзисторы этой микросхемы не входят в режим насыщения, что является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.
В микросхемах n-МОП и p-МОП используются ключи соответственно на МОП-транзисторах с n-каналами и динамической нагрузкой и на МОП - транзисторах с p-каналом. Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комплементарные МДП - логические элементы (КМДП или КМОП-логика).
Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs характеризуется наиболее высоким быстродействием, что является следствием высокой подвижности электронов (в 3…6 раз больше по сравнению с кремнием). Микросхемы на основе GaAs могут работать на частотах порядка 10 ГГц.