Глава 9 основы цифровой техники

9.1. Электронные ключевые схемы

В аппаратуре связи и радиоэлектронной аппаратуре широкое применение находят устройства, которые под действием внешнего управляющего сигнала замыкают или размыкают электрическую цепь, т.е. осуществляют коммутацию электрической цепи. В качестве таких устройств используются бесконтактные электронные ключи, в которых нелинейными ключевыми элементами являются электронные приборы: диоды, транзисторы. В отличие от механических переключателей электронные ключи обладают большим быстродействием и надежностью. Нелинейной электрический цепью называется цепь, содержащая хотя бы один нелинейный элемент, т.е. элемент, параметры которого зависят от приложенного напряжения или протекающего тока. Электронный ключ в стационарном состоянии находится в одном из двух состояний: разомкнутом или замкнутом. В зависимости от назначения ключевые схемы бывают: цифровые и аналоговые.

В основе цифровых схем лежат простейшие транзисторные ключи – аналоги металлических контактов, и предназначены они для формирования и преобразования последовательностей электрических импульсов, заданных соответствующим кодом.

Аналоговые ключевые схемы подключают или отключают аналоговые сигналы ко входам усилительных и преобразующих устройств.

Цифровые ключи используются в устройствах вычислительной техники, цифровой связи, дискретной автоматики.

Аналоговые ключи используются в аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях, в устройствах измерения и управления, в многоканальных коммутаторах.

С пецифику цифровых и аналоговых схем удобно пояснить с помощью так называемых передаточных характеристик, описывающих зависимость выходной величины от входной , рис 9.1.

Цифрой 1 обозначена характеристика инверти-рующих схем, у которых низким входным напряжениям соответствуют высокие вы-ходные, а цифрой 2 ‑ характеристики неинвертирующих схем, у которых низким входным напряжениям соответствуют низкие выходные.

Инвертирующие схемы имеют большое распространение. Такие же характеристики свойственны и простейшим ключам, и простейшим усилительным каскадам. Однако использование этих характеристик в том и в другом классе схем принципиально различается.

В транзисторном ключе два его устойчивых состояния (разомкнутое и замкнутое) соответствуют пологим участкам (точки А и В). В точке А ключ разомкнут и на нем падает большое напряжение, а в точке В ключ замкнут и падение напряжения на нем близко к нулю. Входные и выходные сигналы (напряжения) в ключе принимают только два значения: либо и , либо и Форма передаточной характеристики между точками А и В несущественна, если она меняется (как показано штриховой линией), то выходные сигналы остаются практически неизменными. Отсюда следует, что ключи, а значит и цифровые схемы мало чувствительны к разбросу (допускам) параметров, к их температурной зависимости, к изменению параметров со временем, а также к внешним электромагнитным помехам (наводкам) и собственным шумам. Последний вывод иллюстрируется (рис. 9.1) тем, что небольшие колебания напряжения около точки В (это могут быть шумы или наводки), практически не меняют значения выходного сигнала, а значит, не влияют на работу ключа.

В усилительных каскадах используется линейный участок передаточной характеристики между точками А и В. Входные и выходные сигналы могут принимать любые значения в пределах этого участка и связаны друг с другом функциональной зависимостью . Очевидно, что любая "деформация" характеристики на участке А‑В, по каким бы причинам она не произошла, будет непосредственно отражаться на указанной функциональной зависимости и на работе схемы. Например, при одном и том же входном сигнале U_вх, выходной сигнал может принимать различные значения. Отсюда следует, что усилительный каскад, то есть аналоговые схемы, чувствительны к разбросу параметров, к их температурному и временному дрейфу, к шумам и наводкам.