Автор: Лаврентьев Б.Ф.
Теги: электротехника учебники и учебные пособия по радиоаппаратуре схемотехника радиоэлектроника учебное пособие
ISBN: 978-5-7695-5898-6
Год: 2010
Текст
Б. Ф. Лаврентьев
СХЕМОТЕХНИКА
ЭЛЕКТРОННЫХ
СРЕДСТВ
Учебно* пособие
УДК 621.396.6(075.8)
ББК32.844я73
Л135
Рецензенты:
зав. кафедрой ИТП ЭВ С Казанского государственного технического университета
им. А. Н.Туполева, д-р техн, наук, проф. О. Ш. Даутов}
зав. кафедрой электроснабжения Марийского государственного университета,
канд. техн, наук, проф. Л. М. Рыбаков}
канд. физ.-мат. наук, проф. Ю.П.Демаков
(Ижевский государственный технический университет)
Лаврентьев Б. Ф.
Л135 Схемотехника электронных средств : учеб, пособие для
студ. высш. учеб, заведений / Б. Ф. Лаврентьев. — М. : Из-
дательский центр «Академия», 2010. — 336 с.
ISBN 978-5-7695-5898-6
Рассмотрена элементная база электронных приборов. Приведены основ-
ные принципы построения аналоговых, импульсных и цифровых устройств.
Особое внимание уделено запоминающим устройствам и преобразователям
информации. В отдельном разделе рассмотрены микропроцессорные комп-
лексы и устройства.
Для студентов высших учебных заведений.
УДК 621.396.6(075.8)
ББК 32.844я73
Оригинал-макет данного издания является собственностью
Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом
без согласия правообладателя запрещается /
© Лаврентьев Б.Ф., 2010
© Образовательно-издательский центр «Академия», 2010
ISBN 978-5-7695-5898-6 © Оформление. Издательский центр «Академия», 2010
ПРЕДИСЛОВИЕ
В учебном пособии изложены основные разделы курса «Схе-
мотехника электронных средств», рассмотрены принципы функ-
ционирования, выбора и практической реализации электронных
устройств различного назначения, методы их анализа и расчета.
Учебное пособие состоит из восьми глав и шести приложений.
В главе 1 приведена информация по пассивным компонентам
электронных устройств. Дана классификация резисторов, кон-
денсаторов и индуктивностей по различным признакам. Особое
внимание уделено правильному выбору пассивной элементной
базы в зависимости от технического задания на проектируемую
аппаратуру.
В главе 2 рассмотрены электровакуумные приборы, применя-
емые в электронных устройствах и, в частности, электронные
лампы. Дана их классификация и область применения.
В главе 3 приведена информация о полупроводниковых при-
борах, в том числе о явлениях в р—«-переходах; подробно опи-
саны различные типы полупроводниковых диодов и особенности
их использования при проектировании электронной аппаратуры.
Рассмотрены полупроводниковые транзисторы, полупроводнико-
вые резисторы, индикаторные элементы, интегральные микросхе-
мы, приводятся их классификация, условные обозначения, обла-
сти применения.
В главе 4 дана информация по оптоэлектронным приборам.
Рассмотрены источники излучения световых потоков и фотопри-
емники. Отдельный подраздел посвящен оптопарам и практиче-
ским схемам их использования.
В главе 5 рассмотрены схемотехника аналоговых электронных
устройств, методы их расчета, классификация усилителей, их ос-
новные характеристики и параметры. Подробно описаны различ-
ные виды усилителей и особенности их построения. В отдельных
подразделах рассмотрены операционные усилители, активные
фильтры, аналоговые компараторы, стабилизаторы напряжения,
генераторы электрических колебаний.
Глава 6 посвящена схемотехнике импульсных и цифровых ус-
тройств. В ней приведена информация по импульсным устрой-
ствам, таймерам, базовым логическим элементам; даны класси-
3
фикация цифровых устройств и области их применения. В от-
дельных подразделах приведена практическая реализация цифро-
вых устройств на базе интегральных микросхем.
В главе 7 дана информация по цифровым запоминающим ус-
тройствам и устройствам преобразования сигналов. Особое вни-
мание уделено цифроаналоговым и аналогоцифровым преобра-
зователям. Приведена практическая схема аналогово-цифрового
преобразователя двойного интегрирования.
В главе 8 рассмотрены вопросы микропроцессорной техники.
В отдельных подразделах приводится информация по однокрис-
тальным функциональным процессорам, по однокристальным
микроЭВМ, по сигнальным микропроцессорам, Р1С-контролле-
рам, медийным микропроцессорам, нейропроцессорам.
В учебном пособии даны практические схемы реализации раз-
личных электронных устройств на современной элементной базе.
В приложениях приведена информация по элементной базе
электроники, позволяющая правильно выбрать элементы при
проектировании электронных устройств.
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИИ
АЛУ — арифметико-логическое устройство
АУН — автоматическая установка нулей
АФ — арифметическое устройство
АЦП — аналого-цифровой преобразователь
АЧХ — амплитудно-частотная характеристика
БЗУ — буферное запоминающее устройство
ВАХ — вольт-амперная характеристика
ВЛИ — вакуумные люминесцентные индикаторы
ВПД — внутренняя память данных
ВПП — внутренняя память программ
ВОс — коэффициент передачи в цепи обратной связи
ЖКИ — жидкокристаллический индикатор
ЗУ — запоминающее устройство
3 — затвор
ИФ — интерфейс
И — исток
ИС — интегральная схема
МДП — полевые транзисторы с изолированным затвором
МП — микропроцессор
МПЗУ — масочные ПЗУ
МПК — микропроцессорный комплект
МПУ — микропроцессорное устройство
МПС — микропроцессорная система
ОЗУ — оперативное запоминающее устройство
ОУ — оперативный усилитель
ООС — отрицательная обратная связь
ОС — обратная связь
ОЭВМ — однокристальные микроЭВМ
ПАВ — поверхностные акустические волны
ПДП — прямой доступ к памяти
ПЗУ — постоянное запоминающее устройство
ПЗС — прибор с зарядной связью
ПК — персональный компьютер
ППЗУ — программируемые ПЗУ
ПМ-резисторы — резисторы для поверхностного монтажа
ПМ-конденсатор — конденсатор для поверхностного монтажа
5
ПОС — положительная обратная связь
ПУ — периферийное устройство
СБИС — сверхбольшая ИС
С — сток полевого транзистора
СМ — сумматор
ТМП — тонкие магнитные пленки
УПТ — усилитель постоянного тока
ФЭ — фотоэлемент
ЦАП — цифро-аналоговые преобразователи
ЦП — центральный процессор
ЦСП — цифровые сигнальные процессоры
ЭУ — электронные устройства
ЭЛТ — электронно-лучевая трубка
CS — сигнал «Выбор ИС»
D — информационные данные
DI — входные данные
DO — выходные данные
DIO — совмещенные входы-выходы данных
W/R — управляющая шина записи-чтения
ВВЕДЕНИЕ
Важной особенностью развития человеческого общества в на-
стоящее время является все возрастающая роль электроники во
всех сферах жизни и деятельности людей. Достижения в области
электроники в значительной мере способствуют успешному ре-
шению сложнейших научно-технических проблем, повышению
эффективности научных исследований, созданию новых видов
машин и оборудования, разработке эффективных технологий и
систем управления, получению материалов с уникальными свой-
ствами, совершенствованию процессов сбора и обработки ин-
формации и др.
В своем развитии электроника опирается на достижения в раз-
личных областях знаний. При этом, с одной стороны, электрони-
ка ставит перед другими науками и производством новые задачи,
стимулируя их дальнейшее развитие, а с другой — вооружает их
качественно новыми техническими средствами и методами иссле-
дований.
Предметом научных исследований электроники является изу-
чение законов взаимодействия электронов и других заряженных
частиц с электромагнитными полями и разработка методов созда-
ния электронных приборов, в которых это взаимодействие ис-
пользуется для преобразования электромагнитной энергии для
передачи, обработки и хранения информации, автоматизации
производственных процессов, создания энергетических уст-
ройств, контрольно-измерительной аппаратуры, средств научного
эксперимента и др.
Существуют два основных направления в развитии электрони-
ки. Первое направление связано с созданием электронных при-
боров различного направления, технологией их производства и
промышленным выпуском, второе направление связано с созда-
нием на основе электронных приборов различных видов аппара-
туры, систем и комплексов для решения конкретных задач в об-
ласти вычислительной техники, информатики, связи, радиолока-
ции, телевидения и многих других областях научной и практичес-
кой деятельности человека.
Электроника включает в себя три основные области исследо-
ваний: вакуумную, твердотельную и квантовую электронику.
7
Каждая из этих областей объединяет исследования различных
физико-химических явлений и процессов при разработке тех или
иных электронных приборов. К важнейшим направлениям иссле-
дований в области вакуумной электроники относится широкий
круг вопросов, охватывающих такие проблемы, как электронная
эмиссия, формирование потоков электронов или ионов; управ-
ление этими потоками; формирование электромагнитных полей
с помощью резонаторов; физика и техника высокого вакуума; фи-
зико-химические процессы на поверхности электродов и изоля-
торов и др. Это направление связано с созданием электровакуум-
ных приборов: электронных ламп, высокочастотных приборов,
электронно-лучевых и фотоэлектронных приборов, газоразряд-
ных приборов, рентгеновских трубок и др.
Твердотельная электроника решает задачи, связанные с изу-
чением свойств твердотельных материалов (полупроводниковых,
диэлектрических, магнитных и др.), влиянием на эти свойства
примесей; изучением свойств поверхностей и границ раздела
между слоями различных материалов; получением в кристалле об-
ластей с различными типами проводимости; образованием пле-
нок на полупроводниковых материалах; созданием функциональ-
ных устройств с микронными размерами. Основным направлени-
ем твердотельной электроники является полупроводниковая
электроника, связанная с разработкой и изготовлением различ-
ных полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тири-
сторов, аналоговых и цифровых интегральных схем (ИС) различ-
ной степени интеграции, оптоэлектронных приборов. Отдельны-
ми областями твердотельной электроники являются: оптоэлект-
роника, акустоэлектроника, магнитоэлектроника, криоэлектро-
ника и пьезоэлектроника.
Квантовая электроника охватывает широкий круг проблем,
связанных с разработкой методов и средств усиления и генерации
электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного
излучения атомов, молекул и твердых тел. Наиболее важные на-
правления квантовой электроники — создание оптических кван-
товых генераторов (лазеров), квантовых усилителей, молекуляр-
ных генераторов и др.
Высокая стабильность частоты колебаний, низкий уровень
собственных шумов и большая мощность импульсного излучения
позволяют использовать квантовые генераторы для создания вы-
сокоточных дальномеров, квантовых стандартов частоты, кванто-
вых гироскопов, систем оптической многоканальной связи, даль-
ней космической связи и т. д.
Достижения в электронике широко используются во всех без
исключения областях человеческой деятельности. Ускоренными
темпами электроника внедряется в научные исследования, про-
8
мышленность, транспорт, связь, сельское хозяйство, здравоохра-
нение, культуру, быт, безопасность страны и т.д. Средства элек-
тронной техники стали неотъемлемой частью сложных приборов,
устройств и комплексов самого широкого назначения. Особое
место среди них занимают микропроцессоры, созданные на базе
больших интегральных схем. Современный микропроцессор
представляет собой полупроводниковый кристалл, на котором
формируются сотни тысяч и десятки миллионов активных и пас-
сивных электронных приборов, образующих сложную электрон-
ную систему с программным управлением. Внедрение микропро-
цессоров и микроЭВМ в управление технологическими процес-
сами рассматривается как новый этап промышленной револю-
ции. На их основе развивается производство промышленных ро-
ботов, станков с программным управлением, гибких автоматизи-
рованных производств, ориентированных на выпуск широкой
номенклатуры изделий.
Микропроцессоры являются основой для компьютерных тех-
нологий, в том числе при производстве персональных компьюте-
ров (ПК). Уже сейчас создаются молекулярные, биологические,
квантовые компьютеры, которые по своим функциональным воз-
можностям и производительности в десятки тысяч раз будут пре-
восходить существующие ныне компьютеры.
Как наука электроника сформировалась в начале XX в. после
изобретения лампового диода, трехэлектродной лампы-триода и
электронно-лучевой трубки.
В зависимости от применяемой элементной базы можно вы-
делить четыре основных этапа развития электроники:
первое поколение (1904— 1950) характеризуется тем, что осно-
ву элементной базы электронных устройств составляли электро-
вакуумные и газоразрядные приборы. К ним относятся электрон-
ные лампы, электронно-вакуумные трубки, газоразрядные инди-
каторы и др.;
второе поколение (1950 — начало 1960-х гг.) характеризуется
применением дискретных полупроводниковых приборов (диодов,
транзисторов, тиристоров и т.д.);
третье поколение (1960— 1980) связано с бурным развитием
микроэлектроники и созданием интегральных схем различной
степени интеграции, а также микросборок. На этом этапе элек-
тронные устройства характеризуются резким увеличением на-
дежности, уменьшением габаритных размеров, массы, энерго-
потребления;
четвертое поколение (с 1980-х гг. по настоящее время) харак-
теризуется дальнейшей микроминиатюризацией электронных ус-
тройств с использованием больших и сверхбольших интегральных
схем.
9
Электронные устройства (ЭУ) по способу формирования и пе-
редачи сигналов управления подразделяются на два класса: ана-
логовые и дискретные.
Аналоговые ЭУ предназначены для приема, преобразования
и передачи сигналов, которые изменяются по закону непрерыв-
ной (аналоговой» функции. Аналоговые ЭУ отличаются просто-
той, быстродействием, однако имеют низкую помехоустойчивость
и нестабильность параметров при воздействии внешних дестаби-
лизирующих факторов, например температуры, влажности, вре-
мени и т. д.
К аналоговым ЭУ относятся электронные и операционные
усилители, коммутаторы, компараторы, стабилизаторы напряже-
ния и т. д.
Дискретные ЭУ предназначены для приема, преобразования
и передачи электрических сигналов, представленных в дискрет-
ной форме. Такие устройства отличаются высокой помехоустой-
чивостью, небольшой потребляемой мощностью и стоимостью.
Различают импульсные и цифровые ЭУ.
Импульсные ЭУ формируют импульсную последовательность
сигналов. Процесс преобразования аналоговой информации в
последовательность импульсов носит название импульсной моду-
ляции. На практике широко используются амплитудная, широт-
но-импульсная и фазово-импульсная модуляции.
В цифровых ЭУ происходит кодирование сигнала, т. е. преоб-
разование его в определенную последовательность однотипных
импульсов.
Цифровые ЭУ в настоящее время получили очень широкое
распространение благодаря высокой надежности, помехоусто!1чи-
вости, возможности длительного хранения информации без ее
потери; энергетической совместимости и интегральной техноло-
гичности элементной базы.
К импульсным ЭУ относятся мультивибраторы, одновибрато-
ры, триггеры блокинг-генераторы, генераторы пилообразного
напряжения и т.д.
К цифровым ЭУ относятся логические элементы, триггеры,
регистры, счетчики, дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры,
демультиплексоры, сумматоры и т.д.
В ряде ЭУ имеет место аналоговая и дискретная ( цифровая)
информации. Такие устройства относятся к комбинированным
ЭУ К комбинированным ЭУ относятся: аналого-цифровые пре-
образователи и цифро-аналоговые преобразователи, системы ав-
томатического управления и связи.
Промышленность выпускает все функциональные электрон-
ные узлы, необходимые для создания устройств измерительной и
вычислительной техники, а также систем автоматики.
Глава 1
ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ
УСТРОЙСТВ
1.1. Резисторы
ч-
Компоненты электронных устройств условно можно подразде-
лить на две группы: активные и пассивные.
К активным относятся электровакуумные приборы, полупро-
водниковые приборы и другие, которые усиливают, преобразуют,
генерируют электрические сигналы.
К пассивным компонентам относятся резисторы, конденсато-
ры, индуктивности, трансформаторы, дроссели, переключатели и
другие, которые обеспечивают заданные режимы работы элект-
ронных схем.
Отдельную группу электронных компонентов составляют ин-
тегральные схемы, в состав которых входят как активные, так и
пассивные компоненты.
Резистор — устройство на основе проводника с нормирован-
ным постоянным или регулируемым активным сопротивлением,
используемое в электрических цепях для обеспечения требуемо-
го распределения токов и напряжений между отдельными участ-
ками цепи.
Общая классификация резисторов (рис. 1.1) составлена по
ряду признаков, присущих многим изделиям электронной тех-
ники: назначению, способу защиты, характеру изменения со-
противления и т. п. В основу классификации, приведенной на
рис. 1.2, положен материал резистивного (токопроводящего)
элемента.
По назначению различают резисторы общего назначения
и специальные (прецизионные, сверхпрецизионные, высокоча-
стотные, высоковольтные, высокомегаомные, терморезисторы
и др.).
Резисторы общего назначения изготовляются с диапазоном
номинальных сопротивлений от 0,47 Ома до 10 МОм на номи-
нальные мощности 0,062... 100 Вт.
I7рецизионные и сверхпрецизионные резисторы характеризу-
ются высокой стабильностью параметров при эксплуатации и
большой точностью номинального значения при изготовлении
11
Рис. 1.1. Общая классификация резисторов
•допуск от ±0,0005 до 0,5 %). Они имеют высокую стоимость и
применяются в основном в измерительных приборах, вычисли-
тельной технике и системах автоматики.
Высокочастотные резисторы отличаются малой собственной
индуктивностью и емкостью, предназначены для работы в высо-
кочастотных цепях, кабелях и волноводах. Непроволочные высо-
кочастотные резисторы работают до частот в сотни мегагерц и
более, а проволочные — до сотен килогерц.
Высоковольтные резисторы рассчитаны на рабочие напряже-
ния от единиц до десятков киловольт.
Высокомегаомные резисторы имеют диапазон номинальных
сопротивлении от десятков мегаом до единиц тераом и рассчиты-
ваются на небольшие рабочие напряжения. Мощности рассеива-
ния таких резисторов небольшие. Высокомегаомные резисторы
применяются в электрических цепях с малыми токами.
12
Рис. 1.2. Классификация резисторов по материалу резистивного элемента
Терморезисторы, магниторезисторы, варисторы, фоторези-
сторы изменяют свои параметры при воздействии внешних фак-
торов, например под воздействием температуры, электрического
илй магнитного полей, электромагнитного излучения. Информа-
ция о таких резисторах приведена в гл. 4.
По способу защиты от внешних воздействующих факто-
ров резисторы конструктивно выполняются изолированными,
неизолированными, герметизированными и вакуумными.
Неизолированные резисторы не допускают касания своим
корпусом шасси аппаратуры. Напротив, изолированные резисто-
ры имеют достаточно хорошие изоляционные покрытия лаки,
компаунды, пластмассы и т.п.) и допускают касания корпусом
шасси или токоведущих частей аппаратуры.
По характеру изменения сопротивления все ре-
зисторы подразделяют на постоянные и переменные. Последние
в свою очередь делятся на регулировочные и подстроечные. Ус-
ловные обозначения резисторов приведены на рис. 1.3.
Переменные регулировочные резисторы обычно размещают-
ся на лицевых панелях приборов и их сопротивление изменяется
во время функционирования аппаратуры.
Рис. 1.3. Условные обозначения резисторов.
а — постоянные; б — подстроечные; в — регули-
ровочные; г — терморезисторы; д — варисторы
13
Таблица 1.1
Номинальные значения сопротивлений по ряду Е6, Е12, Е24
Е6±20 % Е12±10 % Е24±5 % Е6±20 % Е12±10 % Е24±5 %
1,0 1,0 1,0 3,3 3,3 3,3
——- 1,1 — ' — 3,6
—1,11 1,2 1,2 — 3,9 3,9
1,3 4,3
1,5 1,5 1,5 4,7 4,7 4,7
- 1,6 5,1
— 1,8 1,8 5,6 5,6
— —— 2,0 - - 6,2
2,2 2,2 2,2 6,8 6,8 6,8
- — 2,4 - 7,5
2,7 2,7 - - 8,2 8,2
- — — 3,0 — — 9,1
Переменные подстроечные резисторы обычно размещаются
внутри корпуса приборов и их сопротивление изменяется только
при регулировке или ремонте аппаратуры.
Резисторы изготовляют различных номиналов. Согласно
ГОСТ 2825—67 установлено шесть рядов номиналов сопротивле-
ний: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Переменные сопротивления
имеют ряды номиналов Е6, Е12, Е24. Числовые значения первых
трех наиболее употребляемых рядов приведены в табл. 1.1.
Разница между номинальным и действительным сопротивле-
ниями, выраженная в процентах по отношению к номинально-
му сопротивлению, называется допуском. Классификация рези-
сторов по величине допуска приведена в табл. 1.2.
Справочные данные по постоянным резисторам приведены в
Приложении 1.
Сокращенное условное обозначение резисторов состоит из
следующих элементов:
первый элемент — буква или сочетание букв, обозначающее
подкласс резисторов (Р — резисторы постоянные; РП — резис-
торы переменные, HP — набор резисторов);
второй элемент — цифра, обозначающая группу резисторов по
материалу резистивного элемента (1 — не проволочные; 2 — про-
волочные);
14
Таблица 1.2
Допуски резисторов
До- пуск ±0,001 ±0,002 ±0,005 ±0,01 ±0,02 ±0,5 ±0,1 ±0,25 ±0,5 ±1 ±2 ±5 ±10 ±20 ±30
Код Е R Р и X в С D у? G I М N
третий элемент — регистрационный номер конкретного типа
резистора.
Далее для постоянных резисторов указывается номинальная
мощность рассеивания, номинальное сопротивление и буквенное
обозначение единиц измерений (Ом, кОм, МОм, ГОм), допусти-
мое отклонение сопротивления в процентах, группа по уровню
шумов и ТКС.
Например, Р1-4-0,25-10 кОм ±5 % А-Б-В ОЖО.467.157 ТУ -
постоянный непроволочный резистор с регистрационным номе-
ром 4, номинальной мощностью 0,25 Вт, номинальным сопротив-
лением 10 кОм и допуском ±5 %, группа по уровню шумов А,
группа ТКС — Б, всеклиматического исполнения В.
Переменный непроволочный резистор с номинальной мощно-
стью 0,125 Вт, номинальным сопротивлением 1 кОм, с регистра-
ционным номером 33, вариант конструктивного исполнения А
обозначается
РП1-33-0,125-1 кОм ±10 % А.
По существующей ранее системе (до 1975 г.) буквы обознача-
ли: С — резистор постоянный, СП — резистор переменный. Чис-
ло, стоящее после букв, обозначало разновидность резистора в за-
висимости от материала резистивного элемента: 1 — непроволоч-
ные тонкослойные углеродистые; 2 — непроволочные тонкослой-
ные металлодиэлектрические и металлоокисные; 3 — непрово-
лочные композиционные пленочные; 4 — непроволочные компо-
зиционные объемные; 5 — проволочные; 6 — непроволочные
тонкослойные металлизированные.
Например: С2-33-0,25-10к ±10% — постоянный непроволоч-
ный тонкослойный металлодиэлектрический, регистрационный
номер 33, мощность — 0,25 Вт, номинал Юк, допуск ±10 %.
Переменный непроволочный композиционный пленочный
резистор, регистрационный номер 30, мощностью 0,5 Вт обозна-
чается: СПЗ-30-0,5-1 кОм ±10 % А.
Для резисторов, разработанных до 1968 г., начальные буквы
обозначения соответствовали материалу резистивного элемента.
Например:
МЛТ-0,25-Зк ±5 % — металлодиэлектрические;
15
Рис. 1.4. Зависимость относительного изме-
нения сопротивления от угла поворота:
А — линейная; Б — логарифмическая; В — ат|-
тилогарифмическая
ОМЛТ-0,25-Зк ±5 % — металлодиэлектрические;
ВС-0,125-Зк ±5 % — углеродистые;
БЛП-0,25-10 ±1 % — буроуглеродистые;
ПЭВ-10-10 ±5 % — проволочные и т.д.
Переменные резисторы по характеру зависимости сопротивле-
ния от положения подвижного контакта подразделяются на ли-
нейные — типа А и нелинейные — типа Б, В (рис. 1.4).
Характер нелинейной зависимости определяется схемными за-
дачами, для решения которых предназначен резистор. Наиболее
распространенные нелинейные зависимости логарифмические
(Б) и обратнологарифмические (В). Резисторы с такими зависи-
мостями используются для регулировок громкости и тембра зву-
ка, яркости свечения индикаторов и т.п. Применяются также ре-
зисторы с синусоидальными и косинусоидальными зависимостя-
ми, используемыми в устройствах автоматики и вычислительной
техники.
При проектировании электронной аппаратуры от правильно-
го выбора резистора и режима его работы в значительной степе-
ни зависит надежность аппаратуры в целом.
1.2. Конденсаторы
Конденсаторы, как и резисторы, являются наиболее распрост-
раненными элементами электронных цепей. Конструктивно кон-
денсатор представляет собой две обкладки, между которыми на-
ходится диэлектрик.
Конденсаторы бывают постоянной и переменной емкости.
В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы постоянной
емкости бывают: керамические, слюдяные, стеклокерамические,
пленочные, бумажные, металлобумажные, фторопластовые, элек-
тролитические, вакуумные и т.п. Условные обозначения конден-
саторов показаны на рис. 1.5.
Общая классификация конденсаторов приведена на рис. 1.6.
16
Рис. 1.5. Условные обозначения конденсаторов:
а — постоянной емкости; б — электролитический полярный; в — переменной
емкости; г — подстроечный; д — многосекционный; е — варикап
Конденсаторы с органическим диэлектриком изготовляют-
ся обычно намоткой тонких длинных лент конденсаторной бума-
ги или пленок с металлизированными или фольговыми электро-
дами. Их можно подразделить на низкочастотные и высокочас-
тотные.
К низкочастотным конденсаторам относятся бумажные, ме-
таллобумажные, лакопленочные, поликарбонатные и др. Тангенс
угла диэлектрических потерь таких конденсаторов имеет резко
выраженную зависимость от частоты. Они способны работать до
частоты 104... 105 Гц.
Рис. 1.6. Общая классификация конденсаторов
17
К высокочастотным относятся полистирольные и фторопла-
стовые конденсаторы, которые допускают работу на частотах до
1О5...1О7 Гц.
Высоковольтные конденсаторы можно подразделить на вы-
соковольтные постоянного напряжения и высоковольтные им-
пульсные. В качестве диэлектрика у высоковольтных конденсато-
ров постоянного напряжения используют бумагу, полистирол,
фторопласт и сочетание бумаги и синтетических пленок. Высо-
ковольтные импульсные конденсаторы в большинстве случаев
делают на основе бумажного и комбинированного диэлектриков.
Помехоподавляющие конденсаторы предназначены для ос-
лабления электромагнитных помех в широком диапазоне. Они
имеют малую собственную индуктивность и высокую электричес-
кую прочность изоляции. Помехоподавляющие конденсаторы
бывают бумажные, комбинированные и пленочные.
Конденсаторы с неорганическим диэлектриком можно раз-
делить на три группы: низковольтные, высоковольтные и поме-
хоподавляющие. В качестве диэлектрика в них используются ке-
рамика, стекло, стеклоэмаль, стеклокерамика, слюда. Обкладка
выполняется в виде тонкого слоя металла, нанесенного на ди-
электрик путем непосредственной его металлизации, или в виде
тонкой фольги.
Группа низковольтных конденсаторов включает в себя низ-
кочастотные и высокочастотные конденсаторы.
По назначению конденсаторы подразделяются на три типа:
тип 1 — конденсаторы, предназначенные для использования в
резонансных контурах или других цепях, где малые потери и вы-
сокая стабильность емкости имеют существенное значение;
тип 2 — конденсаторы, предназначенные для использования в
цепях фильтров, блокировки и развязки или других цепях, где
малые потери и высокая стабильность емкости не имеют суще-
ственного значения;
тип 3 — керамические конденсаторы с барьерным слоем, пред-
назначенные для работы в тех же цепях, что и конденсаторы типа
2, но имеющие несколько меньшее значение сопротивления изо-
ляции и большие потери.
Обычно конденсаторы типа 1 считаются высокочастотными, а
типов 2 и 3 — низкочастотными. Высокочастотные конденсато-
ры работают в цепях с частотой до сотен мегагерц и выше.
Слюдяные и стеклоэмалевые (стеклянные) конденсаторы от-
носятся к конденсаторам типа 1, стеклокерамические могут быть
как типа 1, так и типа 2, керамические — всех трех типов.
Высоковольтные конденсаторы делаются в основном с диэлек-
триком из керамики и слюды. По назначению они могут быть ти-
пов 1 и 2 и подразделяются на высокочастотные и низкочастотные.
18
Помехоподавляющие конденсаторы с неорганическим кера-
мическим диэлектриком подразделяются на опорные и проход-
ные. Их основное назначение — подавление индустриальных и
высокочастотных помех.
Конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитиче-
ские) подразделяются на конденсаторы общего назначения, не-
полярные, высокочастотные, импульсные, пусковые. В качестве
диэлектрика в них используется оксидный слой, образуемый элек-
трохимическим путем на аноде — металлической обкладке из не-
которых металлов.
В зависимости от материала анода различают алюминиевые,
танталовые и ниобиевые оксидные конденсаторы.
Конденсаторы с оксидным диэлектриком отличаются больши-
ми емкостями, но имеют большие потери. Они используются в
фильтрах источников электропитания, цепях развязки, шунтиру-
ющих и переходных цепях полупроводниковых устройств на низ-
ких частотах.
Конденсаторы общего назначения имеют одностороннюю
проводимость, вследствие чего их эксплуатация возможна толь-
ко при положительном потенциале на аноде.
Неполярные конденсаторы с оксидным диэлектриком могут
включаться в цепь постоянного или пульсирующего тока без учета
полярности, а также допускать смену полярности в процессе эк-
сплуатации. К ним относятся танталовые и оксидно-полупровод-
никовые конденсаторы.
Высокочастотные конденсаторы (алюминиевые жидко-
стные и танталовые оксидно-полупроводниковые) широко при-
меняются в источниках вторичного электропитания, в качестве
накопительных и фильтрующих элементов в цепях развязок в
диапазоне частот пульсирующего тока от десятков герц до сотен
килогерц.
Импульсные конденсаторы используются в электрических
цепях с относительно длительным зарядом и быстрым разрядом,
например, в устройствах фотовспышек и др. Такие конденсато-
ры должны быть энергоемкими, иметь малое полное сопротивле-
ние и большое рабочее напряжение. Этому требованию удовлет-
воряют оксидно-электролитические алюминиевые конденсаторы
с напряжением до 500 В.
Пусковые конденсаторы используются в асинхронных двига-
телях, в которых емкость включается только на момент пуска дви-
гателя. Такие конденсаторы должны быть неполярными.
Основные параметры конденсаторов:
• номинальная емкость. Номинальные значения емкости стан-
дартизированы и выбираются из определенных рядов путем ум-
ножения или деления их на 10", где п — целое положительное или
19
Таблица 1.3
Наиболее употребляемые ряды номинальных значений емкостей
ЕЗ Е6 Е12 Е24 ЕЗ Е6 Е12 Е24
1 1 1 1 3,3 3,3 3,3
- 1,1 — 3,6
—— 1,2 1,2 3,9 3,9
— —— — - 1,3 — — 4,3
—— 1,5 1,5 1,5 4,7 4,7 4,7 4,7
1 " - 1,6 — — 5,1
—- — 1,8 1,8 — — 5,6 5,6
— ' — 2 — ' 6,2
2,2 2,2 2,2 2,2 —— 6,8 6,8 6,8
1 — — 2,4 — — — 7,5
— 2,7 2,7 — — 8,2 8,2
—— 3 — - — 9,1
отрицательное число. Наиболее употребляемые ряды номиналь-
ных емкостей приведены в табл. 1.3;
• допустимое отклонение емкости. Значения допускаемых от-
клонений приведены в табл. 1.4;
• номинальное напряжение (С7Н). Это напряжение, при котором
конденсатор может работать в заданных условиях в течение сро-
ка службы с сохранением параметров в допустимых пределах;
• тангенс угла потерь (tg). Характеризует активные потери энер-
гии в конденсаторе. Значение тангенса угла потерь у керамических
высокочастотных, слюдяных, полистирольных и фторопластовых
конденсаторов лежит в пределах (10... 15) • 10^, керамических низ-
кочастотных 0,035, оксидных конденсаторов 0,05... 0,35;
• сопротивление изоляции и ток утечки. Наиболее высокое со-
противление изоляции у фторопластовых, полистирольных и по-
Допускаемые отклонения емкости от номинального значения
Класс 0,01 0,02 0,05 00 0 1 2 3 4 5 6 7
Допуск, % ±0,1 ±0,2 ±0,5 —I— J ±2 ±10 ±20 -10 +20 -20 +30 -20 +50 -20 +80
20
Таблица 1.5
Значения ТКЕ керамических конденсаторов и их условные
обозначения
Обозна- чение групп ТКЕ Номиналь- ное значение ТКЕ, 10-6 1/°С Цветовой код
Новое обозначение Старое обозначение
Цвет конденсатора Маркировочная точка
П100 +100 Красный + фиолетовый Синий Синяя
П60 +60 Красный Синий Черная
ПЗЗ +33 Серый Серый Серая
МПО 0 Черный Голубой Черная
МЗЗ -33 Коричневый Г олубой Коричневая
М47 -47 Голубой + красный Голубой Г олубая
М75 -75 Красный Г олубой Красная
М150 -150 Оранжевый Красный Оранжевая
М220 -220 Желтый Красный Желтая
МЗЗО -330 Зеленый Красный Зеленая
М470 -470 Г олубой Красный Синяя
М750 -750 Фиолетовый Красный Красная
М1500 -1500 Оранжевый + оранжевый Зеленый Зеленая
М2200 -2200 Желтый + оранжевый Зеленый Желтая
липропиленовых конденсаторов, несколько ниже у высокочастот-
ных керамических;
• температурный коэффициент емкости (ТКЕ). Определяет от-
носительное изменение емкости от температуры при изменении
ее на 1 °C.
Слюдяные и полистирольные конденсаторы имеют ТКЕ в пре-
делах 10-6 (50...200) 1/°С. Значения ТКЕ керамических конденса-
торов и их условные обозначения приведены в табл. 1.5.
Условное обозначение конденсаторов может быть сокращен-
ным и полным.
21
Таблица 1.6
Условное обозначение конденсаторов в зависимости от материала
диэлектрика
Подкласс конденсаторов Группа конденсаторов Обозначение группы
Конденсаторы постоянной емкости Керамические на номинальное напряже- ние ниже 1600 В Керамические на номинальное напряже- ние 1600 В и выше Стеклянные Стеклокерамические Тонкопленочные с неорганическим диэ- лектриком Слюдяные малой мощности Слюдяные большой мощности Бумажные на номинальное напряжение ниже 2 кВ, фольговые Бумажные на номинальное напряжение 2 кВ и выше, фольговые Бумажные металлизированные Оксидно-электролитические алюминиевые Танталовые, ниобиевые и др. Объемно-пористые Оксидно-полупроводниковые С воздушным диэлектриком Вакуумные Полистирольные Фторопластовые Полиэтилентерефталатные Комбинированные Лакопленочные Пол и карбонатные Полипропиленовые 10 15 21 22 26 31 32 40 41 42 50 51 52 53 60 61 71 72 73(74) 75 76 77 78
22
Окончание табл. 1.6
Подкласс Группа конденсаторов Обозначение
конденсаторов группы
Подстроечные Вакуумные 1
конденсаторы С воздушным диэлектриком 2
С газообразным диэлектриком 3
С твердым диэлектриком 4
Конденсаторы Вакуумные , 1
переменной С воздушным диэлектриком 2
емкости
С газообразным диэлектриком 3
С твердым диэлектриком 4
Сокращенное условное обозначение состоит из букв и цифр:
первый элемент — буква или сочетание букв, обозначающие
подкласс конденсатора:
К — постоянной емкости; КТ — подстроечные; КП — пере-
менной емкости;
второй элемент — обозначает материал диэлектрика в соответ-
ствии с табл. 1.6;
третий элемент — пишется через дефис и обозначает регист-
рационный номер конденсатора.
Далее пишется группа ТКЕ (для электролитических конденса-
торов — номинальное напряжение); номинальная емкость: допу-
стимое отклонение емкости и другие дополнительные характери-
стики.
Например, К10-7В-М47-27пФ ±10% ГОСТ 5.621-70 - кон-
денсатор керамический, всеклиматического исполнения В, груп-
па ТКЕ М47, номинальной емкостью 27 пФ, с допуском ±10 %,
поставляемый по ГОСТ 5.621—70.
Например, К50-7а-250В-100мкФ В ГОСТ 5.635—70 — конден-
сатор оксидно-электролитический алюминиевый К50-7, конст-
руктивного варианта а, на номинальное напряжение 250 В, номи-
нальной емкостью 100 мкФ, всеклиматического исполнения В.
Приведенная система не распространяется на условные обо-
значения старых типов конденсаторов, в основу которых брались
различные признаки: конструктивные, технологические, эксплу-
атационные и т. п.
Например:
КД — конденсаторы дисковые;
КМ — керамические монолитные;
КЛС — керамические литые секционные;
23
КСО — конденсаторы слюдяные опрессованные;
С ГМ — слюдяные герметизированные малогабаритные;
КБГИ — конденсаторы бумажные герметизированные изоли-
рованные;
МБГЧ — металлобумажные герметизированные частотные;
КЭГ — конденсаторы электролитические герметизированные;
ЭТО — электролитические танталовые объемно-пористые;
КПК — конденсаторы подстроечные керамические.
Работоспособность и надежность проектируемых электронных
приборов в значительной степени зависит от правильного выбо-
ра конденсаторов и их режима работы.
В приборах, где требуется высокая стабильность параметров в
широком интервале температур, необходимо применять конден-
саторы с минимальным тангенсом угла потерь (tg) и минималь-
ным ТКЕ. В фильтрах источников питания используются, как
правило, электролитические конденсаторы.
Справочные данные по конденсаторам приведены в Приложе-
нии 2.
1.3. Индуктивности
К индуктивностям относятся: катушки индуктивности, транс-
форматоры и дроссели.
Катушки индуктивности в основном применяются в качестве
составной части индуктивно-емкостных контуров в генераторах
или высокочастотных схемах. Поэтому важно, чтобы катушки
индуктивности обладали достаточной стабильностью при прием-
лемых размерах.
Для катушек с относительно малой индуктивностью достаточ-
но одного слоя провода, намотанного вокруг каркаса. Чтобы по-
лучить более высокие значения индуктивности при меньших га-
баритных размерах используют многослойные катушки.
Зачастую для изготовления катушек индуктивности большого
номинала применяют ферритовые сердечники — это позволяет
наматывать меньшее количество витков для получения заданной
величины индуктивности.
Трансформаторы применяются для изменения амплитуды
сигнала переменного тока. Все трансформаторы условно могут
быть разделены на три класса: силовые, согласующие и импуль-
сные. Силовые трансформаторы преобразуют напряжения пере-
менного тока в источниках вторичного питания. Согласующие
трансформаторы используются для межкаскадной связи в усили-
телях. Импульсные трансформаторы применяют в импульсных
устройствах.
24
Дроссели являются одной из разновидностей катушек индук-
тивности.
В зависимости от частотного диапазона использования дрос-
селей они бывают низкочастотными и высокочастотными.
Дроссели низкой частоты используются в выпрямительных
устройствах в качестве фильтров для получения малых пульсаций
постоянного напряжения при большом токе нагрузки. Для ис-
ключения насыщения магнитной цепи магнитопровода протека-
емым постоянным током в магнитопроводе делается воздушный
зазор толщиной 0,05...0,1 мм.
Дроссели высокой частоты предназначены для работы в вы-
сокочастотных электронных цепях. Они должны обладать мини-
мально возможной емкостью.
Кроме того, на основе подвижных ферритовых сердечников
изготовляются катушки регулируемой индуктивности. При пере-
мещении ферритового сердечника изменяется магнитная прони-
цаемость, а следовательно, индуктивность катушки. Изменение
индуктивности составляет всего несколько процентов, но этого
достаточно для подстройки резонансного контура.
Катушки индуктивности классифицируются по различным
признакам:
• наличию или отсутствию сердечника;
• числу витков;
• количеству обмоток;
• рабочей частоте и т. д.
Обычно катушки имеют значительные размеры и поэтому пло-
хо согласуются с интегральными схемами.
Качество катушки индуктивности, используемой в колебатель-
ном контуре, определяется ее добротностью. Добротность опре-
деляется отношением реактивного сопротивления к активному:
G = —,
Rl
где со — частота; L — индуктивность катушки; RL — сопротивле-
ние катушки.
Значение добротности зависит от частоты. При отсутствии
ферромагнитного магнитопровода и малой собственной емкости
С добротность зависит от соотношения между индуктивностью L
и активным сопротивлением провода 7?пр. Для снижения актив-
ного сопротивления провода обмотки катушек наматывают до-
статочно толстым проводом, применяя специальный многожиль-
ный провод, а для работы на высоких частотах его покрывают
серебром. Свойства катушек индуктивности характеризуются
25
температурным коэффициентом индуктивности ТКИ, который
определяется как изменение индуктивности к интервалу темпе-
ратур АТ, вызвавшему это изменение.
1.4. Пассивные электронные компоненты
для поверхностного монтажа
Поверхностный монтаж благодаря своим достоинствам широ-
ко применяется в современной электронике, так как существен-
но уменьшает размеры печатных плат. По электрическим харак-
теристикам электронные компоненты для поверхностного мон-
тажа (ПМ) в большинстве случаев соответствуют своим аналогам
обычного исполнения, отличаясь только конструкцией.
Наибольший интерес представляют элементы с двумя вывода-
ми — ПМ-резисторы и ПМ-конденсаторы — поскольку они не
вызывают никаких проблем при изготовлении печатных плат.
Внешний вид постоянного ПМ-резистора показан на рис. 1.7
(выводы выделены серым цветом). Обозначение типоразмера со-
стоит из четырех цифр. Две первые цифры соответствуют округ-
ленно длине L (табл. 1.7).
Для обозначения номинала сопротивления обычно использу-
ют широко распространенную цифровую маркировку, в которой
первые цифры — значение, а последняя служит множителем (по-
казателем степени числа 10). Резисторы с допуском ±20, ±10 и
±5 % маркируются тремя цифрами, а с допуском ±1 % и более точ-
ные — четырьмя. Для резисторов сопротивлением менее 10 Ом
с допуском ±5 % и более достаточно двух цифр, причем между
ними ставят букву R; если допуск резистора ±1 % и менее, то не-
обходимы три цифры и букву R ставят перед последней из них.
Например:
513 = 51 • 103 = 51 кОм; 6А2 = 6,2 Ом;
3482 = 348 • 102 = 34 800 Ом; 24А2 = 24,2 Ом.
105 = 10 • 105 Ом = 1 МОм;
Подстроечные ПМ-резисторы по конструкции почти не от-
личаются от обычных. На изоляционное основание нанесена ре-
Рис. 1.7. Внешний вид ПМ-резистора
26
Таблица 1.7
Типоразмеры ПМ-резисторов
Типоразмер Размеры и допуски, мм
дюймо- вый метри- ческий L W D Т
0402 1005 1+0,1 0,5+0,05 0,35+0,05 0,25+0,1 0,2+0,1
0603 1608 1,6+0,1 0,85+0,1 0,45+0,05 0,3+0,2 0,3+0,2
0805 2012 2,1+0,1 1,3+0,1 0,5+0,5 0,4+0,2 0,4+0,2
1206 3216 3,1+0,1 1,6+0,1 0,55+0,05 0,5+0,25 0,5+0,25
1210 3225 3,1+0,1 2,6+0,1 0,55+0,05 0,4+0,2 0,5+0,25
2010 5025 5+0,1 2,5+0,1 0,55+0,05 0,4+0,2 0,6+0,25
2512 6332 6,35+0,1 3,2+0,1 0,55+0,05 0,4+0,2 0,6+0,25
зистивная дорожка в виде незамкнутого кольца из проводящего
состава. По кольцам дорожки укреплены выводы в виде тонких
металлических полос, охватывающих край основания. Эти выво-
ды при монтаже припаивают к проводникам печатной платы. По
резистивной дорожке скользит контакт, установленный на рото-
ре — движке, который вращают специальной миниатюрной от-
верткой (рис. 1.8). Угол ротора движка от упора до упора у рези-
сторов различных типов находится в пределах 210...270°.
Маркировка номиналов — кодовая, код такой же, как у посто-
янных ПМ-резисторов: первые две цифры значащие, а третья —
число нулей.
Для поверхностного монтажа выпускаются керамические и
оксидные ПМ-конденсаторы.
Рис. 1.8. Конструкция подстроечных ПМ-резисторов фирмы Bourns —
3303W (а) и 3314Z (б)
27
Рис. 1.9. Внешний вид керамического ПМ-
конденсатора
Внешний вид керамического ПМ-конденсатора представлен
на рис. 1.9, а их типоразмеры в табл. 1.8.
Принцип маркировки керамических конденсаторов такой же,
как и у резисторов, следует лишь в результат вместо омов подста-
вить пикофарады. На практике большинство выпускаемых посто-
янных керамических ПМ-конденсаторов маркировки не имеют.
Оксидные конденсаторы поверхностного монтажа представле-
ны двумя группами — танталовыми и алюминиевыми.
Танталовые ПМ-конденсаторы оформлены в корпусе пря-
моугольной формы (рис. 1.10). Плюсовой вывод с лицевой сторо-
ны корпуса отмечен контрастной полосой, нанесенной поперек
корпуса. Типоразмеры конденсаторов и их обозначения приведе-
ны в табл. 1.9.
Емкость танталовых ПМ-конденсаторов — 0,1... 100 мкФ (ряд
Е6), допустимое отклонение от номинала ±20 %. Номинальное
напряжение — 4; 6,3; 10; 16; 20; 25; 35 и 50 В.
Таблица 1.8
Типоразмеры ПМ-конденсаторов
Типоразмер Размеры, мм
ДЮЙМОВЫЙ метрический L W и а
0402 1005 1 0,5 0,55 0,2
0603 1608 1,6 0,8 0,9 0,4
0805 2012 2 1,25 1,3 0,5
1206 3216 3,2 1,6 1,5 0,75
1210 3225 3,2 2,5 1,7 0,75
1812 4532 4,5 3,2 1,7 —
1825 4564 4,5 6,4 1,7 ——
2220 5650 5,6 5 1,8
2225 5664 5,6 6,3 2
28
Рис. 1.10. Внешний вид танталово-
го ПМ-конденсатора
Рис. 1.11. Внешний вид алюмини-
евого ПМ-конденсатора
Таблица 1.9
Типоразмеры танталовых ПМ-конденсаторов
Обозна- чение Типоразмер Размеры, мм
ДЮЙМОВЫЙ метриче- ский L W н 5 к
1206 3216 3,2 1,6 1,6 1,2 0,9
в — 3528 3,5 2,8 1,9 2,2 1,1
с 6032 6 3,2 2,5 2 1,4
D 7343 7,3 4,3 2,9 2,4 1,5
Е 7343Н 7,3 4,3 4,1 2,4 1,5
Внешний вид алюминиевых
конденсаторов приведен на
рис. 1.11. Их классифицируют
по диаметру D (табл. 1.10).
Емкость и номинальное на-
пряжение наносят обычно на
корпус прямой записью, на-
пример: 10.16V соответствует
Ю мкФ, 16 В. Иногда вместо
этого используют кодовое обо-
значение, состоящее из буквы
и трех цифр. Буква указывает
напряжение (G —4 В; j —6,3 В;
А-10 В; С-16 В; D-20 В;
е-25 В; V-35 В; Т-50 В),
Первые две цифры — емкость в
пикофарадах, третья — степень
Множителя 10.
Таблица 1.10
Тйпоразмеры алюминиевых
ПМ-конденсаторов
Размеры, мм
D Н W а*
4 5,4 4,3 1
5 5,4 5,3 1,3
6,3 5,4 6,6 2,2
10 10 10,3 4,6
12,5 13,5 13,6 8
* Расстояние между выводами со
стороны, прилегающей к плате.
29
Например, маркировка А476 означает емкость 47 мкФ и напря-
жение 10 В.
Алюминиевые ПМ-конденсаторы выпускаются емкостью от
0,1 до 1000 мкФ (ряд Е6) с допустимым отклонением от номи-
нальной ±20 %; номинальные значения — 4; 6,3; 10; 16; 25; 35 и
50 В.
Контрольные вопросы
1. Какие компоненты электронных устройств относятся к пассив-
ным?
2. На какие группы делятся резисторы по характеру изменения со-
противления?
3. На какие группы делятся резисторы по назначению?
4. Что представляет собой конденсатор?
5. На какие основные группы делятся конденсаторы по виду диэлек-
трика?
6. На какие группы делятся конденсаторы по характеру изменения
емкости?
7. Назовите основные параметры резисторов.
8. Назовите основные параметры конденсаторов.
9. Назовите область применения дросселей.
10. Для каких целей используются резисторы?
И. В чем отличие резисторов общего назначения от прецизионных?
12. Что означает маркировка элемента Р1-4-0,5-12кОм±Ю%?
13. Что означает маркировка элемента ОМЛТ-1-ЮкОм±5%?
14. В чем отличие низкочастотных дросселей от высокочастотных?
15. Как определяется добротность катушки индуктивности, и какие
вы знаете способы ее увеличения?
Глава 2
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ
2.1. Классификация электровакуумных приборов
К электровакуумным приборам относятся электронные лам-
пы, электронно-лучевые трубки, электровакуумные фотоэлект-
ронные приборы, вакуумные люминесцентные индикаторы и др.
Принцип действия электровакуумных приборов основан на
создании электронного потока и управлении этим потоком сво-
бодных электронов с помощью электрических или электромаг-
нитных полей. Для получения потока свободных электронов ис-
пользуется специальный металлический или полупроводниковый
электрод, называемый катодом. Процесс выхода электронов из
катода называется электронной эмиссией. Как известно, выходу
электронов из катода препятствуют силы двойного'электрическо-
го слоя у его поверхности. Для преодоления тормозящего дей-
ствия этих сил электронам необходимо сообщить дополнитель-
ную энергию. В зависимости от способа сообщения электронам
дополнительной энергии различают следующие виды электрон-
ной эмиссии:
• термоэлектронную, при которой дополнительная энергия со-
общается электронам при нагреве катода;
• вторичную электронную, которая возникает при бомбарди-
ровке катода потоком электронов или ионов, двигающихся с
большой скоростью;
• фотоэлектронную, при которой на поверхность катода воз-
действует электромагнитное излучение;
• электростатическую, при которой выход электронов из ка-
тода обеспечивается сильным электрическим полем у его поверх-
ности.
В современных электронных приборах широкое распростране-
нИе получили катоды с термоэлектронной эмиссией прямого и
Косвенного накала. В катодах прямого накала ток проходит не-
п°средственно по катоду, нагревая его. Обычно они изготовляют-
ся из вольфрамовой проволоки и нагреваются до температуры
солее 2 000 °C. Для увеличения количества электронов, выходя-
щих из катода, последний покрывается активным слоем, напри-
31
мер торием. Катоды прямого накала отличаются большим уров-
нем шумов, что приводит к нарушению нормального режима ра-
боты электровакуумных приборов. Поэтому чаще используются
катоды косвенного накала, представляющие собой полый ци-
линдр, внутри которого размещается спираль нагревателя, изоли-
рованная от катода. Наружная поверхность цилиндра покрыта
активным слоем. Катоды косвенного накала применяются в элек-
тронных лампах, в электронно-лучевых трубках, а катоды прямо-
го накала — в вакуумных люминесцентных индикаторах и других
приборах, в которых уровень собственных шумов неограничен.
2.2. Электронные лампы
В зависимости от числа электродов различают лампы двух-
электродные — диоды, трехэлектродные — триоды, четырехэлек-
тродные — тетроды, пятиэлектродные — пентоды и др. В ряде
случаев в одном корпусе размещаются две лампы, например диод
и пентод.
Электровакуумный диод представляет собой стеклянный или
металлический баллон, в котором создан высокий вакуум. Внут-
ри баллона располагаются два электрода: анод и катод. При на-
гревании катода энергия электронов возрастает, и часть из них
вылетает с поверхности катода. Если к аноду приложить положи-
тельный потенциал, то между анодом и катодом возникает уско-
ряющее поле и протекает электрический ток. Если изменить по-
лярность приложенного напряжения, то возникает тормозящее
электрическое поле и протекание тока 1а через диод прекращается
(рис. 2.1). Таким образом, диоды обладают односторонней про-
водимостью.
Основными статическими параметрами любого диода явля-
ются:
• крутизна анодной характеристики
S^dlJdU^blJbU*-
• дифференциальное сопротивление
Rt = dUJdIa « A C4/AZa;
• сопротивление при постоянном токе
Д) = ^аО/До,
где А/а, At/a — конечные приращения тока и напряжения вблизи
рабочей точки; £/аО, /аО — напряжение и ток в точке О.
32
Рис. 2.1. Включение диода в электрическую
сеть
Указанные параметры определяются по вольт-амперной харак-
теристике диода (ВАХ) (рис. 2.2), которая приводится в справоч-
ной литературе.
Если во внешнюю цепь диода включить резистор RH (см. рис.
2.1), то электрические свойства схемы описываются вторым зако-
ном Киргофа:
Это уравнение представляет собой уравнение прямой и называ-
ется линией нагрузки (рис. 2.3). Линия нагрузки строится по двум
точкам: 1а = 0, Ua = t/BX (точка А) и Ua = 0, Z' (точка Б).
R^
По линии нагрузки (см. рис. 2.3) можно определить ток в цепи
/а для любого резистора RH, а также напряжение на диоде Ua и на-
грузке ин.
Такой метод расчета электрических цепей называется графо-
аналитическим .
Электровакуумные диоды используются в схемах выпрямите-
лей переменного тока, детекторах, формирователях, генераторах
импульсов специальной формы и т. д.
Рис. 2.2. Определение статических
параметров диода
Рис. 2.3. Вольт-амперная характе-
ристика диода
2 Лаврентьев
33
Рис. 2.4. Схема включения триода (а), анодная (5) и анодно-сеточная (в
характеристики триода I
Электровакуумные триоды имеют в своем составе дополни-!
тельную управляющую сетку, расположенную вблизи катода. Из-|
меняя напряжение Uc на управляющей сетке, можно управлять!
анодным током. Поэтому триод можно использовать в качестве!
усилительного элемента. 1
Работа триода в статическом режиме характеризуется семей-1
ством анодных /а = /(Ua) при Uc = const и анодно-сеточных харак-1
теристик /а = f(U^) при Ua = const (рис. 2.4). I
Основными параметрами триодов являются:
• крутизна 1
Si = dIJdUc ~ AIJAUC при Ua = const;
• внутреннее динамическое сопротивление
= dUa/dIa ~ AUa/AIa при Uc = const;
• статический коэффициент усиления I
ц = dUJdUc ~ AUJAUC при /а = const, I
где AUa, A Uc, А/а — конечные приращения тока /а и напряжений !
Ua и Uc вблизи рабочей точки.
Параметры триода можно определить по анодным и анодно-
сеточным характеристикам. Особенностью анодной характери-
стики триода является большая зависимость анодного тока Та от
напряжения на аноде Ua. I
Электровакуумные триоды применяются в усилителях высокой
и низкой частоты, генераторах колебаний, стабилизаторах напря-
жений и тока, в импульсных системах и т.д. Основными недостат-
ками триода являются значительная межэлектродная емкость
34 I
между сеткой и анодом и сравнительно невысокий коэффициент
усиления.
Для повышения коэффициента усиления, уменьшения проход-
ной емкости и расширения функциональных возможностей в со-
став ламп вводятся дополнительные сетки. Лампа, имеющая две
сетки — управляющую и экранирующую, — называется тетрод.
Экранирующая сетка располагается между анодом и управляющей
сеткой и выполняется в виде густой спирали. На экранную сетку
подается положительное напряжение, равное U3 ~ (0,4...0,8)(7п-
Экранирующая сетка эффективно ослабляет воздействие анод-
ного напряжения на электроны, вылетающие с катода, и при этом
значительно повышается коэффициент усиления. Недостатком
тетродов является возможность появления вторичной эмиссии с
анода на экранную сетку. Для исключения вторичной эмиссии
между анодом и экранной сеткой устанавливают дополнительную
сетку (антидинатронную), на которую подают напряжение U= 0.
Эта лампа получила название пентод.
Тетрод и пентод имеют пологие рабочие участки анодной ха-
рактеристики, поэтому указанные приборы обладают высоким
внутренним сопротивлением и большим коэффициентом усиле-
ния. На рис. 2.5 приведена схема усилителя на пентоде и его анод-
ная характеристика.
Промышленностью выпускаются также и комбинированные
электровакуумные лампы, у которых в одном корпусе размеща-
ются две лампы, например пентод и триод.
Кроме комбинированных ламп используется большая группа
специальных ламп. К специальным относятся лампы, у которых
кроме анода и катода имеется четыре, пять и более сеток. Лампа
с пятью сетками называется гептодом, с шестью — октодом.
Рис. 2.5. Пентод (а) и его анодная характеристика (б)
35
В настоящее время разработано много специальных ламп
сверхминиатюрного исполнения. Малые размеры и масса, низкие
рабочие напряжения, высокая надежность и долговечность обес-
печивают им конкурентоспособность с полупроводниковыми
приборами при решении целого ряда задач.
Маркировка ламп включает несколько цифровых и буквен-
ных элементов. Первый элемент — число, указывающее напряже-
ние накала в вольтах (округленно). Второй элемент — буква, ха-
рактеризующая тип лампы: Д — диод; Ц — кенотрон; Н — три-
од; ПЖ — пентод; Ф — триод-пентод и т.д. Третий элемент —
порядковый номер данного типа лампы. Четвертый элемент —
буква, характеризующая конструктивное оформление лампы: С —
в стеклянном баллоне с диаметром более 22,5 мм; П — пальчи-
ковые; Б — сверхминиатюрные с диаметром от 6 до 10,5 мм.
Например: 6П1П — пентод пальчиковый с напряжением нака-
ла ~6,3 В, 6Д6Б — диод с напряжением накала 6,3 В, сверхмини-
атюрный с диаметром до 10 мм.
Электронные лампы широко применялись в электронной ап-
паратуре первого поколения. В настоящее время они успешно
вытесняются полупроводниковыми приборами: диодами, транзи-
сторами, интегральными схемами. Основными недостатками
электронных ламп являются: большие габаритные размеры, низ-
кая надежность и тепловое излучение. Однако и сейчас в ряде
случаев они незаменимы, например для приборов, работающих
в условиях радиации. Из электровакуумных приборов в настоя-
щее время широко применяются электронно-лучевые трубки,
электровакуумные фотоэлектронные приборы, вакуумные люми-
несцентные индикаторы и другие. Они рассматриваются в других
разделах настоящего учебного пособия.
Газоразрядные приборы отличаются от электровакуумных
тем, что в их работе используются как электроны, так и ионы
газа. В них используются явления, происходящие в газе или па-
рах ртути при прохождении через них электрического тока.
В настоящее время газоразрядные приборы применяются в ос-
новном в качестве индикаторных элементов.
Контрольные вопросы
1. Какие виды электронных эмиссий вы знаете?
2. Какие приборы относятся к электровакуумным?
3. Какие виды эмиссий используются в электронных лампах?
4. В чем отличие катода прямого накала от катода косвенного накала?
5. Назовите область применения электровакуумных диодов.
6. Перечислите основные статические параметры электровакуумных
диодов и триода.
7. Зачем надо знать анадно-сетчатые и анодные характеристики три-
ода?
8. В чем различие электровакуумных триодов и пентодов??
9. Как маркируются электронные лампы?
10. Может ли в одном корпусе конструктивно размещаться несколь-
ко ламп?
11. На какие основные группы делятся лампы по конструктивному
исполнению?
12. Какую роль играет в пентоде антидинатронная сетка?
13. Что представляет собой гептод?
14. Чем отличаются электровакуумные приборы от газоразрядных?
Глава 3
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ
ПРИБОРЫ
3.1. Электронно-дырочный переход и его свойства
Важнейшим свойством твердых тел является электропровод-
ность. Она определяется движением свободных электронов. Та-
кие электроны могут перемещаться между атомами и взаимодей-
ствовать с другими электронами, ядрами и электрическими по-
лями. По электропроводности все вещества условно подразделя-
ются на проводники, полупроводники и диэлектрики. Полупро-
водниковые материалы в свою очередь подразделяются на соб-
ственные и примесные.
Собственные полупроводники не имеют примесей, влияющих
на их электропроводность.
Примесные полупроводники, электропроводность которых оп-
ределяется примесями, обладают резко выраженной электронной
или дырочной электропроводностями. Эффект повышения элек-
трической проводимости объясняется присутствием в кристалле
полупроводника атомов элементов иной валентности. Примеси с
валентностью больше четырех, дающие избыток свободных элек-
тронов, называют донорными; примеси с валентностью меньше
четырех, увеличивающие количество дырок, называются акцеп-
торными .
Электропроводность полупроводника с донорной примесью
называется электронной проводимостью или электропроводно-
стью w-типа. Электропроводность полупроводника с акцепторной
примесью называется дырочной или электропроводностью р-
типа.
Электронно-дырочным переходом называют тонкий слой
между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором
одна часть имеет электронную, а другая — дырочную электропро-
водности. Технологический процесс создания электронно-дыроч-
ного перехода может быть различным: сплавление (сплавные ди-
оды), диффузия одного вещества в другое (диффузионные дио-
ды), эпитаксия — ориентированный рост одного кристалла на по-
верхности другого (эпитаксиальные диоды) и др. По конструкции
электронно-дырочные переходы бывают симметричными и не-
38
симметричными, резкими и плавными, плоскостными и точеч-
ными и др. Однако для всех типов переходов основным свойством
является несимметричная электропроводность, при которой в од-
ном направлении кристалл пропускает ток, а в другом — не
пропускает.
Схема электронно-дырочного перехода показана на рис. 3.1, а.
Одна часть этого перехода легирована донорной примесью и име-
ет электронную проводимость (TV-область). Другая часть, легиро-
ванная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость
(Д-область). Концентрация электронов в одной части и концен-
трация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в
обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных но-
сителей.
Электроны в TV-области стремятся проникнуть в P-область, где
концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дыр-
ки из P-области перемещаются в TV-область. В результате встреч-
ного движения противоположных зарядов возникает так называ-
емый диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через
границу раздела, оставляют после себя противоположные заряды,
которые препятствуют дальнейшему прохождению диффузионно-
го тока. В результате на границе устанавливается динамическое
равновесие и при замыкании TV- и P-областей ток не протекает.
Распределение плотности объемного заряда в переходе приведе-
но на рис. 3.1, б. При этом внутри кристалла на границе раздела
возникает собственное электрическое поле РСОбств? направление
которого показано на рис. 3.1 б. Напряженность этого поля мак-
симальна на границе раздела, где происходит скачкообразное
изменение знака объемного заряда. На некотором удалении от
TV-область
/•-область
собств
рис. 3.1. Электронно-дырочный переход (<?) и распределение объемно-
го заряда (#)
39
границы раздела объемный
является нейтральным.
заряд
отсутствует и
полупроводник
Высота потенциального барьера на р—«-переходе определяет-
ся контактной разностью потенциалов N- и Р-областей. Контакт-
ная разность потенциалов \|/к, в свою очередь, зависит от концен-
трации примесей в этих областях:
Ук=<Рт1п
где (рт — тепловой потенциал, <рт = kT/q; Nnvt Рр — концентрация
электронов и дырок в N- и Р-областях; «, — концентрация носи-
телей в нелегированном полупроводнике.
Контактная разность потенциалов для германия составляет
0,6...0,5 В, а для кремния — 0,9... 1,2 В. Высоту потенциального
барьера можно изменять приложением внешнего напряжения
к р — «-переходу. Если внешнее напряжение создает в ^-«-пе-
реходе поле, которое совпадает с внутренним, то высота потен-
циального барьера увеличивается, при обратной полярности при-
ложенного напряжения высота потенциального барьера уменьша-
ется. Если приложенное напряжение равно контактной разности
потенциалов, то потенциальный барьер исчезает полностью.
Вольт-амперная характеристика р — «-перехода представляет
собой зависимость тока при изменении полярности от прило-
женного напряжения. Если приложенное напряжение снижает
потенциальный барьер, то оно называется прямым, а если повы-
шает его — обратным. Приложение прямого и обратного напря-
жения к р — «-переходу показано на рис. 3.2.
Обратный ток в р—«-переходе вызывается неосновными но-
сителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом
поле области объемного заряда, попадают в область, где они уже
являются основными носителями. Поскольку концентрация ос-
Рис. 3.2. Приложение обратного («) и прямого (б) напряжений кр—п-
2V ^собств F Р ^внеш
пр
переходу
цовных носителей существенно превышает концентрацию не-
основных, то появление незначительного дополнительного коли-
чества основных носителей практически не изменит равновесно-
го состояния полупроводника. Таким образом, обратный ток за-
висит только от количества неосновных носителей, появляющих-
ся на границе области объемного заряда. Внешнее приложенное
напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из
одной области в другую, но не число носителей, проходящих че-
рез переход в единицу времени. Следовательно, обратный ток
через переход является током проводимости и не зависит от вы-
соты потенциального барьера, т. е. он остается постоянным и при
изменении обратного напряжения на переходе. Этот ток называ-
ется током насыщения и обозначается /обр = Is.
При поступлении прямого напряжения на р—«-переход появ-
ляется диффузионный ток, вызванный диффузией основных но-
сителей, преодолевающих потенциальный барьер. Пройдя р-п-
переход, эти носители попадают в область полупроводника, для
которой они являются неосновными носителями. Концентрация
неосновных носителей при этом может существенно возрасти по
сравнению с равновесной концентрацией. Такое явление носит
название инжекции носителей.
Таким образом, при протекании прямого тока через переход из
электронной области в дырочную будет происходить инжекция
электронов, а из дырочной области — инжекция дырок. Диффу-
зионный ток /диф зависит от высоты потенциального барьера и по
мере ее снижения увеличивается экспоненциально:
т
где U — напряжение на р — «-переходе.
Прямой ток, проходящий через/? —«-переход при прямом сме-
щении
/пр=Аиф-/5(ес//ч,’-1).
Это уравнение называется уравнением Эберса — Молла, а со-
ответствующая ему ВАХ/? —«-перехода приведена на рис. 3.3.
Дифференциальное сопротивление /? —«-перехода можно оп-
ределить по формуле
ДИФ JT г
пр * диф
; ^сдельное значение напряжения на р — «-переходе при пря-
м смещении не может превышать контактной разности потен-
41
Рис. 3.3. Вольт-амперная характеристика
р—«-перехода
циалов (рк. Обратное напряжение ограничивается пробоем р — п-1
перехода. Пробой р — «-перехода возникает за счет лавинного j
размножения неосновных носителей и называется лавинным про-’
боем. При лавинном пробое р — «-перехода ток через переход!
неограниченно возрастает при неизменном напряжении на нем,1]
как показано на рис. 3.3. I
Полупроводниковый р — «-переход характеризуется емкостью]
перехода, которая в общем случае определяется как отношение
приращения заряда на переходе к приращению напряжения на]
нем, т. е. С = dq/dU. I
Емкость перехода зависит от значения и полярности внешне-'
го приложенного напряжения. Емкость перехода при обратном
напряжении называется барьерной Сбар и рассчитывается по фор- ]
муле I
с _ Сбар(0) 1
6ар ’
где фк — контактная разность потенциалов; U — обратное на-
пряжение на переходе; Сбар(0) — значение барьерной емкости'
при U= 0, которое зависит от площади р — «-перехода и свойств!
полупроводникового кристалла.
Теоретически барьерная емкость существует и при прямом на-
пряжении нар —«-переходе, однако она значительно уменьшает-
ся из-за шунтирования низким дифференциальным сопротивле-
нием гДИф. При прямом смещении р — «-перехода значительно!
большее влияние оказывает диффузионная емкость Сциф, которая!
зависит от значения прямого тока и времени жизни неосновных^
носителей тр: |
Полная емкость перехода при прямом смещении определяет-
ся суммой барьерной и диффузионной емкостей.
42
3.2. Полупроводниковые диоды
Полупроводниковым диодом называется прибор с двумя выво-
дами и однимр-п-переходом. Принцип работы полупроводни-
кового диода основан на использовании односторонней прово-
димости, электрического пробоя и других свойств р—«-перехода.
Диоды различают по технологии изготовления, конструктивному
исполнению, материалу, мощности и другим признакам.
В зависимости от технологии изготовления разли-
чают точечные диоды, сплавные, микросплавные, эпитаксиаль-
ные и др.
По функциональному назначению диоды подраз-
деляются на выпрямительные, универсальные, импульсные, сме-
сительные, СВЧ, стабилитроны, стабисторы, варикапы, динисто-
ры, тиристоры, симисторы, фотодиоды, светодиоды и т.д.
По конструктивному исполнению диоды бывают
плоскостные и точечные.
По используемому материалу различают кремние-
вые, германиевые, арсенидгаллиевые диоды.
Диоды обладают односторонней проводимостью и служат для
выпрямления переменного тока, стабилизации тока и напряжения,
формирования импульсов, регулирования мощностей и т.д.
Выпрямительные диоды применяются для преобразования
переменного тока в постоянный. Они делятся на маломощные (до
0,3 А), средней мощности (до 10 А), мощные (более 1 000 А), низ-
кочастотные (до 1 кГц) и высокочастотные (до 100 кГц).
Рис. 3.4 Условное обозначение выпрямительного полупроводникового
анода (о), его структура (6) и вольт-амперная характеристика (в):
А — анод; К — катод
Рис. 3.5. Параллельное включение
диодов
о-------
Рис. 3.6. Диодный мост
Свойства выпрямительных диодов характеризуются ВАХ и па-
раметрами, которые приводятся в справочной литературе.
Основные параметры выпрямительных диодов (рис. 3.4): <
• средний выпрямленный ток /ср;
• прямое падение напряжения £7пр;
• обратный ток диода при заданной температуре /обр;
• напряжение отсечки Сотс;
• мощность рассеивания Ррас;
• рабочая частота/р и др.
В ряде случаев для увеличения тока используется параллельное
включение диодов. Для выравнивания токов через диоды после-
довательно с диодами включаются резисторы (рис. 3.5).
Наряду с выпрямительными диодами для выпрямления пере-
менного тока используются мосты (рис. 3.6) и диодные столби-
ки. Выпрямительные мосты состоят из четырех диодов, разме-
щенных в корпусе и залитых эпоксидной смолой. Диодные стол-
бики представляют собой набор из последовательно соединенных
а
Рис. 3.7. Вольт-амперная характеристика одноанодного (а) и двуханод
ного (б) стабилитронов
44
диодов и предназначены для выпрямления высоковольтных на-
пряжений.
Высокочастотные диоды предназначены для преобразования
и обработки высокочастотных сигналов (до десятков гигагерц).
Обычно это точечные диоды с минимальными паразитными па-
раметрами. Используются в СВЧ-аппаратуре.
Импульсные диоды нашли применение в импульсных схемах,
например в формирователях импульсных сигналов, схемах авто-
матического регулирования, вычислительных устройствах. Им-
пульсные диоды обладают высоким быстродействием и мини-
мальным временем восстановления.
Стабилитроны — разновидность диодов, предназначенных
для стабилизации напряжения. ВАХ стабилитронов изображена
на рис. 3.7. Рабочий участок характеристики АВ лежит в области
электрического пробоя диода и характеризуется малым изменени-
ем напряжения С7ст при значительных изменениях тока.
Стабилитроны могут быть одноанодные, двуханодные, универ-
сальные, импульсные и прецизионные. Двуханодные стабилитро-
ны обеспечивают стабилизацию двуполярных напряжений.
Обычно они представляют собой два одноанодных стабилитрона,
включенных последовательно навстречу друг другу (рис. 3.7, б).
В схеме стабилизации напряжения стабилитрон включается в
обратном направлении параллельно нагрузке. Последовательно
со стабилитроном подключается балластный (ограничительный)
резистор.
Основные параметры стабилитрона:
• напряжение стабилизации £/ст;
• минимальный ток стабилизации /ст min;
• максимальный ток стабилизации /стгп •
' Cl 11 IdX '
• дифференциальное сопротивление гдиф =--—;
А-*ст
• допустимая мощность рассеивания;
• температурный коэффициент напряжения стабилизации;
• предельные эксплуатационные параметры.
Напряжение стабилизации зависит от температуры. Стабили-
троны с UCT > 5 В имеют положительный температурный коэффи-
циент напряжения (ТКН), а при UCT< 5 В — отрицательный. Для
кремниевых стабилитронов ТКН лежит в пределах от 0,0005 до
Зависимость ТКН стабилизации от напряжения стабилизации
показана на рис. 3.8. Для уменьшения значения ТКН последова-
1 ельно со стабилитроном включают полупроводниковые диоды в
прямом направлении или терморезисторы с ТКС противополож-
но знака.
45
Рис. 3.8. Зависимость ТКН от напряжения
стабилизации
Для уменьшения ТКН стабилизации используют прецизион-
ные стабилитроны, у которых имеются три последовательно со-
единенных р — «-перехода. Один из них — стабилизирующий
включен в обратном направлении, а два других — термокомпен-
сирующие включены в прямом направлении. Промышленностью
выпускаются прецизионные стабилитроны в виде законченных
компонентов, например 2С191, КС211, КС520 и др.
Для стабилизации и ограничения коротких импульсов напря-
жения применяются импульсные стабилитроны. Они должны об-
ладать большим быстродействием, которое определяется време-
нем перезарядки барьерной емкости. Примером таких стабили-
тронов являются: 2С175Е, 2С182Е, 2С191Е, 2С210Е, 2С211Е,
2С213Е.
Двуханодные стабилитроны используются в схемах стабилиза-
ции и двухстороннего ограничения напряжения, устройствах за-
щиты электрических цепей от перенапряжений обеих полярнос-
тей. Они имеют два р—//-перехода, включенных встречно, а их
внешние выводы сделаны от P-областей. К ним относятся
2С162А, 2С191А, 2С168В, 2С175А, 2С182А, 2С210Б, 2С2ПИ,
2С213Б, 2С170А.
Все стабилитроны подразделяются на маломощные, средней
мощности и мощные. Условное обозначение стабилитрона вклю-
чает материал полупроводника (К — кремний); обозначение под-
класса стабилитрона (букву С); цифру, указывающую на мощ-
ность стабилитрона; две цифры, соответствующие напряжению
стабилизации, и букву, указывающую особенность конструкции
или корпуса.
Условные обозначения стабилитрона приведены в табл. 3.1.
Стабисторы, как и стабилитроны, предназначены для стаби-
лизации напряжения. Однако в отличие от последних, рабочим
участком у них является прямая ветвь ВАХ. Стабисторы работа-
ют при прямом напряжении и позволяют стабилизировать малый
напряжения (0,35... 1,9 В). Основные параметры и условные обо-
значения у стабисторов такие же, как и у стабилитронов. Схема
включения стабилитрона и стабистора приведена на рис. 3.9. |
46
Таблица 3.1
Условные обозначения стабилитронов
Мощность стабилитрона Обозначение Напряжение стабилизации, В Пределы изменения напряжения стабилизации, В
Малая КС 133А 3,3 0,5...9,9
КС 213А 13 10...99
КС ЗЗЗА 133 100... 199
Средняя КС 456А 5,6 0,5...9,9
КС 515А 15 10...99
КС 620А 120 100... 199
Большая КС 756А 5,6 0,5...9,9
КС 815А 15 10...99
КС 920А 120 100... 199
Наша промышленность выпускает стабисторы: Д219С, Д220С,
Д223С, 2С107А, 2С113А, 2С119А.
Варикапы — специальные полупроводниковые диоды, кото-
рые используются в качестве электрически управляемой емкости.
Они находят применение для автоматической подстройки часто-
ты радиоприемников, в частотных модуляторах, параметрических
схемах усиления, системах автоматического управления. Принцип
работы варикапа основан на зависимости емкости р — «-перехо-
да от внешнего напряжения. Используется барьерная емкостьр —
^-перехода, величина которой зависит от значения приложенно-
го к диоду обратного напряжения. На рис. 3.10 приведена вольт-
Фарадная характеристика варикапа и схема его включения.
При изменении напряжения смещения UCM, подаваемого на
Дарикап с помощью потенциометра R1, изменяется емкость ди-
ода. Изменение емкости варикапа приводит к изменению часто-
вх
вх
Рис. 3.9. Схема включения стабилитрона (а) и стабистора (б)
47
в max
Рис. 3.10. Вольт-фарадная характеристика варикапа (а) и схема его вклю-
чения (б)
ты колебательного контура. Резистор R2 исключает шунтирова-
ние колебательного контура источником напряжения, С » Св.
Основные параметры варикапа:
• емкость при заданном обратном напряжении;
• минимальная емкость CBmin при заданном максимальном об-
ратном напряжении;
• коэффициент перекрытия по емкости К- Св max/CB min;
• температурный коэффициент емкости ТКЕ;
• добротность QB.
Добротность варикапа показывает относительные потери ко-
лебательной мощности в нем.
Промышленность выпускает большое число варикапов:
2В101А, 2В102А, 2В103А, 2В104, 2В105, 2В106, 2В107 и т.п.
Динисторы (диодные тиристоры) представляют собой четы-
рехслойную структуру и имеют трир — ^-перехода. ВАХ динисто-
ра приведена на рис. 3.11.
При повышении напряжения на аноде Ua динистора ток Ia
растет медленно (участок I). При Ua = Uv
ческий пробой р—п-перехода, сопротивление динистора падает
(участок II), и ток Zo определяется, в основном, нагрузочным ре-
зистором в цепи анода. Отключение динистора происходит толь-
вкл возникает электри-
ки 102 А
а
п
п
Рис. 3.11. Условное обозначение динистора (а), его структура {б)
вольт-амперная характеристика (в)
48
ко при уменьшении тока /а« 1уаерх. Динисторы применяются в
формирователях импульсов, преобразователях, системах автома-
тического регулирования.
Тиристоры (тринисторы) представляют собой многослойную
структуру, имеют три вывода: анод, катод и управляющий элект-
род. ВАХ тиристора приведена на рис. 3.12. На управляющий
электрод поступает управляющий ток /упр, снижающий напряже-
ние включения UBKJl.
Тиристоры делятся на запираемые и незапираемые. Запирае-
мые тиристоры способны переключаться из открытого состоя-
ния в закрытое при подаче на управляющий электрод сигнала от-
рицательной полярности. Незапираемые тиристоры отключа-
ются только при снижении анодного тока до уровня Za < /удерж.
Таким образом, тиристор имеет два устойчивых состояния и ис-
пользуется в формирователях импульсов и в схемах автоматиче-
ского управления.
Симисторы (симметричные тиристоры) имеют пятислойную
структуру, три электрода и симметричную ВАХ (рис. 3.13). Откры-
тие симистора происходит при помощи управляющих сигналов.
Симисторы, в отличие от тиристоров, могут проводить ток в двух
направлениях, поэтому на них можно подавать переменное на-
пряжение. Симисторы, как и тиристоры, могут применяться в
формирователях, коммутаторах, регуляторах тока и напряжения.
На рис. 3.14 приведена структурная схема тиристорного регу-
лятора тока и временная диаграмма его работы. Схема управле-
ния формирует токовый сигнал для открытия тиристора. С помо-
щью сигнала «Регулировка» можно перемещать сигнал /упр и тем
самым изменять момент открывания тиристора. При этом меня-
ется средний ток нагрузки 7ср н от 0 до /ср н тах.
КУ202Н
КУ103А
Рис. 3.12. Условное обозначение незапираемого (а) и запираемого (б)
тиристор; структура (в) и вольт-амперная характеристика (г) тиристора:
А — анод; К — катод
49
Рис. 3.13. Условное обозначение симистора (а) и его вольт-амперная ха-
рактеристика (б):
А — анод; К — катод
Все тиристоры изготавливаются только из кремния, имеют
малый обратный ток и, следовательно, обладают малой мощно-
стью рассеивания в закрытом состоянии. Все это позволяет по-
лучать тиристоры с большим напряжением включения и большим
допустимым обратным напряжением, работающие в широком
температурном диапазоне от -60 до +125 °C.
Примеры обозначения тиристоров: КН102И — динистор,
КУ202Н — тиристор.
Основным отличием и достоинством тиристорных приборов
по сравнению с транзисторами является то, что тиристор обла-
дает свойством памяти. Достаточно кратковременным сигналом
переключить его в проводящее состояние, он остается в этом со-
Рис. 3.14. Структурная схема тиристорного регулятора тока (а) и времен-
ная диаграмма его работы (б)
б
стоянии до тех пор, пока ток, проходящий через него, не станет
меньше тока удержания 7удерж. В то же время для управления тран-
зистором на его входе необходимо поддерживать сигнал управле-
ния. В тиристорных схемах из-за лавинообразного переключения
тиристора форма выходного сигнала практически не зависит от
величины и формы входного сигнала. Все это позволяет получить
в тиристорных схемах большой коэффициент усиления по мощ-
ности, крутые фронты импульсов сигнала и большой КПД. Па-
раметры, характеризующие тиристоры, следующие:
• напряжение включения С4кл — минимальное прямое анодное
напряжение, при котором тиристор переходит из закрытого со-
стояния в открытое при разомкнутой управляющей цепи;
• ток включения /вкл — значение прямого анодного тока, про-
текающего через тиристор, выше которого он переходит в откры-
тое состояние при разомкнутой управляющей цепи;
• ток удержания /удерж — значение прямого тока, протекающе-
го через тиристор, ниже которого тиристор выключается;
• остаточное напряжение С/пр — падение напряжения в тири-
сторе в открытом состоянии;
• максимально допустимый ток в открытом состоянии /пр тах;
• обратное напряжение £7обр — напряжение, при котором тири-
стор может работать без нарушения его работоспособности;
• обратный ток /обр — наибольшее значение обратного тока,
протекающего через тиристор при С/обр;
• отпирающий ток управления /у ькл;
• время включения /вкл;
• время отключения /выкл;
• рассеиваемая мощность и др.
Туннельные диоды занимают особое место среди полупровод-
никовых диодов благодаря свойственной им положительной внут-
ренней обратной связи по напряжению и хорошим динамическим
свойствам. ВАХ туннельных диодов имеет участок отрицательного
дифференциального сопротивления (на рис. 3.15, б участок CD).
Туннельный диод, благодаря своей ВАХ, нашел широкое при-
менение в качестве ключевого тензодатчика и генератора высо-
кой частоты.
Частота колебаний сор в схеме (рис. 3.15, в) определяется по
формуле
где L — индуктивность выводов; С — общая емкость диода в точ-
ке минимума ВАХ; G — отрицательная проводимость на падаю-
щем участке ВАХ.
51
Д АИ201А
Рис. 3.15. Условное обозначение туннельного диода (а), вольт-амперная
характеристика (б), схема генератора на туннельном диоде (<?)
а
Чтобы колебания не содержали гармоники, необходимо, что-
бы их амплитуда не превышала 0,1 Un. Поэтому в генераторах на
туннельных диодах амплитуда колебаний обычно составляет
примерно 10...20 мВ. Максимальная амплитуда колебаний рав-
на U2 - U} ~ 100 мВ. Рабочая частота генератора на туннельном
диоде обычно превышает 1 ГГц.
Излучающие диоды представляют собой полупроводниковые
диоды, излучающие из области р — «-перехода кванты энергии.
Излучение происходит через прозрачную стеклянную пластину,
размещенную в корпусе диода. По характеристике излучения ди-
оды делятся на две группы: диоды с излучением в видимой об-
ласти спектра, получившие название светодиоды, и диоды с из-
лучением в инфракрасной области спектра, получившие назва-
ние И К-диоды.
Светодиоды применяются в качестве световых индикаторов, а
ИК-диоды в качестве источников излучения в оптоэлектронных
приборах и первичных преобразователей информации.
Маркировка полупроводниковых диодов предусматривает
шесть символов:
первый символ — буква (для приборов общего применения)
или цифра (для приборов специального назначения), указыва-
ющая исходный полупроводниковый материал, из которого из-
готовлен диод: Г(1) — германий, К(2) — кремний, А(3) — арсе-
нид галлия;
второй символ — буква, обозначающая подкласс диода: Д —
выпрямительные, высокочастотные и импульсные; В — варика-
пы, С — стабилитроны и стабисторы; Н — динисторы; У — ти-
ристоры; Л — излучающие диоды и т.д.;
третий символ — цифра, указывающая назначение диода, на-
пример: 1 — маломощные выпрямительные диоды, 2 — выпрями-
тельные диоды средней мощности, 3 — мощные выпрямительные
диоды, 4 — диодные мосты, 5 — импульсные, 6 — диоды сверх-
высоких частот и т. д.;
52
четвертый и пятый символы — двухзначное число, указываю-
щее порядковый номер разработки (у стабилитронов — номи-
нальное напряжение стабилизации);
шестой символ — буква, обозначающая параметрическую
группу прибора.
Например: КД521А — кремниевый импульсный диод, номер
разработки 21, группа А, общего применения.
3.3. Полупроводниковые транзисторы
*
Все полупроводниковые транзисторы делятся на две группы:
биполярные и униполярные (полевые) транзисторы. Основное
различие заключается в том, что биполярные транзисторы управ-
ляются током, а полевые — напряжением (электрическим полем).
Биполярным транзистором называется полупроводниковый
прибор с двумя взаимодействующими р—п-переходами. Биполяр-
ные транзисторы различаются по структуре. В зависимости от
чередования областей различают биполярные транзисторы типа
р — п—р и п—р — п (рис. 3.16). Транзисторы имеют три вывода:
эмиттер (Э), базу (Б) и коллектор (К). В биполярных транзисто-
рах типа п—р — п положительная полярность источника питания
Ек подключается к коллектору, а в транзисторах типа р — п —р —
к эмиттеру.
а
Рис. 3.16. Биполярные транзисторы типа п—р — п (а) ир — п—р (б)
53
Биполярные транзисторы классифицируются по двум парамет-
рам: мощности и частотным свойствам. По мощности они под-
разделяются на маломощные (Рвьтх< 0,3 Вт), средней мощности
(0,3 Вт < Рвых< 1,5 Вт) и мощные (Рвых> 1,5 Вт); по частотным
свойствам — на низкочастотные (fa < 0,3 МГц), средней частоты
(0,3 МГц <fa< 3 МГц), высокой частоты (3 МГц <_/«< 30 МГц) и
сверхвысокой частоты (fa> 30 МГц).
Принцип действия биполярного транзистора основан на ис-
пользовании физических процессов, происходящих при перено-
се основных носителей электрических зарядов из эмиттерной об-
ласти в коллекторную через базу:
где /э, /к, /б — токи соответственно в цепи эмиттера, коллекто-
ра, базы.
Важнейшими параметрами, характеризующими качество тран-
зистора, являются дифференциальный коэффициент передачи
тока из эмиттера в коллектор — а и дифференциальный коэффи-
циент передачи тока из базы в коллектор — р:
Л/ к тг 4-0 Д-7 к 1
« = —- при Гк_э= const; р = —— = -------»1.
Д7Э Д/б 1-а
Современные транзисторы имеют а = 0,9...0,99 и р = 4... 10 000.
Основными параметрами, характеризующими транзистор как
активный нелинейный четырехполюсник (рис. 3.17), являются:
• коэффициент усиления по току
• коэффициент усиления по напряжению
• коэффициент усиления по мощности
вх
{/вх
вых
вых
Рис. 3.17. Четырехполюсник
54
входное сопротивление
• выходное сопротивление
вых
A U ВЫХ
вых
Обычно транзисторы включаются в электрическую схему та-
ким образом, чтобы один из его электродов был входным, вто-
рой — выходным, а третий — общий для входа и выхода. В зави-
симости от этого различают три способа включения транзистора:
с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллек-
тором (ОК). Рассмотрим особенности каждой схемы.
В с х е м е с ОБ (рис. 3.18) входной сигнал поступает на эмит-
тер, а выходной снимается с коллектора. Входным сопротивлени-
ем схемы Авх является сопротивление открытого эмиттерного
р — «-перехода, которое составляет десятки ом. Выходное сопро-
тивление определяется обратным включенным коллекторным пе-
реходом. Поэтому Авых» Авх.
Коэффициент усиления транзистора с ОБ по току соответству-
ет примерно коэффициенту передачи а:
«а = 0,95...0,99.
Коэффициент усиления транзистора по напряжению
где Авх б — входное сопротивление открытого эмиттерного пере-
хода.
Поскольку Лн» /?вх.б, ТО KU > 1-
Рис. 3.18. Включение транзистора с ОБ
55
Рис. 3.19. Включение транзистора с ОЭ
Таким образом, схема включения транзистора с ОБ не обеспе-
чивает усиление по току, однако усиливает входной сигнал по
напряжению и мощности.
В с х е м е с ОЭ (рис. 3.19) входной сигнал поступает на входы
база—эмиттер, а выходной снимается с коллектора.
Входное сопротивление 7?вхэ схемы значительно больше, чем в
схеме с ОБ:
_А£/ э—б
А/б
Р/^ВХ.б’
Входное сопротивление Авхэ обычно составляет 1 ...3 кОм.
Выходное сопротивление схемы с ОЭ определяется обратным
включенным коллекторным переходом и составляет сотни кило-
ом, поэтому Авых » Авх.
Коэффициент усиления схемы по току
Коэффициент усиления схемы по напряжению
ВЫХ — K1VH
вх А/бЛ ВХ.Э
ВХ.Э
Коэффициент усиления схемы по мощности равен произведе-
нию коэффициентов Kt и Ку.
Схема с ОЭ обеспечивает усиление входного сигнала по току,
напряжению и мощности, используется в усилителях, генерато-
рах, формирователях и является самой распространенной.
В схеме с ОК (рис. 3.20) входной сигнал подается на вхо-
ды база —коллектор, а выходной сигнал снимается с эмиттера.
56
Рис. 3.20. Включение транзистора с ОК
=ад+о.
Входное сопротивление схемы Авх велико и равно Лвх
Коэффициент усиления схемы с ОК по току
Коэффициент усиления схемы с ОК по напряжению
Коэффициент усиления схемы с ОК по мощности
- KjKv
Входное сопротивление схемы с ОК велико и примерно рав-
но Явх ~ рЛн, а выходное АВЬ1Х составляет десятки ом, т. е. Авх »
JVBbIX-
Схему с ОЭ часто называют эмиттерным повторителем, так
как нагрузка включена в цепь эмиттера. Схема обеспечивает уси-
ление по току, мощности, имеет коэффициент усиления по на-
пряжению меньше единицы (Kv ~ 0,9...0,99), отличается боль-
шим входным сопротивлением и малым выходным Лвх» Авых и
широко используется в качестве согласующего каскада.
Эмиттерный повторитель широко применяется в качестве
входных или выходных каскадов в усилителях, в частности при
работе на емкостную нагрузку или линию связи.
Статические характеристики транзисторов
представляют собой графические зависимости между токами,
протекающими в цепях транзистора, и напряжениями на их вхо-
дах и выходах. Эти характеристики приводятся в справочной ли-
тературе и используются при анализе и расчете электронных схем.
Различают входные и выходные статические характеристики
транзисторов.
Входные характеристики показывают зависимость входного
тока от входного напряжения при постоянном напряжении на
коллекторе. Выходные характеристики показывают зависимость
57
4=/(^б-э) при Ьтк_э = const
а
Рис. 3.21. Статические входные (а) и выходные (б) характеристики тран-
зистора с ОЭ
при /б = const
Iq - 400 мкА
/б = 300 мкА
/б = 200 мкА
7б= 100 мкА
/б = 0 мкА
С/К_э, В
выходного тока от напряжения на коллекторе при постоянном
входном токе или напряжении. На рис. 3.21 приведены статичес-
кие характеристики лля схемы с ОЭ.
На выходной характеристике можно выделить три зоны, свой-
ственные трем режимам работы транзисторов (см. рис. 3.21, б):
область I — режим отсечки;
область II — режим усиления;
область III — режим насыщения.
Динамические характеристики транзисторов
определяют режим их работы, в выходной цепи которого имеет-
ся нагрузка, а на вход подается усиливаемый сигнал (рис. 3.22).
В схеме с ОЭ увеличение тока базы вызывает возрастание тока в
цепи коллектора и уменьшение напряжения на коллекторе. Ток
и напряжение на коллекторе связаны между собой уравнением
UK_ э = Un — 1„ Кк.
Рис. 3.22. Схема усилителя с ОЭ («) и его выходная характеристика (б)
58
Такой режим работы транзисторов называется динамическим,
динамические характеристики (рис. 3.22, 6) строятся на семей-
стве статических при заданных напряжениях источника питания
у и сопротивления нагрузки /?к. Для построения динамической
характеристики используется уравнение, которое представляет
собой уравнение прямой (АБВ).
Динамические характеристики используются для графоанали-
ического расчета усилительных каскадов.
Биполярные транзисторы могут работать в линейном или клю-
чевом режимах. В линейном режиме работают усилительные кас-
кады, в ключевом — импульсные схемы. Важным вопросом при
проектировании таких схем является правильный выбор транзи-
сторов. В импульсных схемах транзисторы должны иметь малое
напряжение насыщения, малое время рассасывания и большое
быстродействие. Для ключевых режимов очень важным является
время переключения транзистора из одного состояния в другое.
В то же время для усилительного режима более важным являют-
ся его свойства, которые показывают возможность транзистора
усиливать сигналы различных частот. Процессы включения и
выключения транзисторного ключа показаны на рис. 3.23. При
включении транзистора (рис. 3.23, а) в его базу подается прямо-
угольный импульс тока положительной полярности с крутым
фронтом. Ток коллектора достигает установившегося значения
не сразу после подачи тока в базу. Имеется некоторое время
задержки /зад, спустя которое появляется ток в коллекторе. Затем
^Ис- 3.23. Процесс при включении биполярного транзистора (а) и при
его отключении (б) в ключевом режиме
59
ток в коллекторе плавно нарастает и после времени /нар достига-
ет установившегося значения 7К вкл,
t — t + t
'вкл гзад “ гнар?
где /вкл — время включения транзистора.
При выключении транзистора на его базу подается обратное
напряжение, в результате чего ток базы меняет свое направление
и становится равным /б,ВЬ1КЛ. Пока происходит рассасывание не-
основных носителей в базе, этот ток не меняет своего значения.
Это время называется временем рассасывания грас. После окон-
чания процесса рассасывания происходит спад тока базы, кото-
рый продолжается в течение времени /сп. Таким образом, время
выключения транзистора равно: )1КЛ = /рас + /сп.
Следует отметить, что при выключении транзистора, несмот-
ря на изменение направления тока базы, транзистор в течение
времени грас остается включенным и коллекторный ток /(СВЮ1 не
меняет своего значения. Спад тока коллектора начинается одно-
временно со спадом тока базы, и заканчиваются они практиче-
ски одновременно.
Время рассасывания сильно зависит от степени насыщения
транзистора перед его выключением. Минимальное время вы-
ключения получается при граничном режиме насыщения. Для ус-
корения процесса рассасывания в базу пропускают обратный ток,
который зависит от обратного напряжения на базе.
Если к базе транзистора в процессе запирания не приклады-
вается обратное напряжение, то такое запирание транзистора на-
зывается пассивным. При пассивном запирании время рассасы-
вания значительно увеличивается, а обратный ток базы уменьша-
ется. Форма тока коллектора при подаче в базу прямоугольного
импульса тока показана на рис. 3.24. На рисунке видно, что фор-
ма импульса тока коллектора не только изменяется за счет рас-
тягивания длительности фронтов, но и сам импульс увеличива-
ется по длительности на время /рас. В справочных данных на тран-
зисторы приводят времена включения, спада и рассасывания. Для
наиболее быстрых транзисторов время рассасывания имеет зна-
чение 0,1... 0,5 мкс, однако для многих силовых транзисторов оно
достигает 10 мкс.
Изменение температуры окружающей среды влияет
на параметры транзисторов и их статические и динамические ха-
рактеристики. Это может привести к нарушению выбранного ре-
жима работы. Поэтому применяются различные методы темпера-
турной стабилизации работы транзисторов.
Эквивалентные схемы транзисторов применяют-
ся для анализа цепей, содержащих транзисторы. Как известно,
транзистор представляет собой совокупность двух встречно вклю-
60
*вкл
Рис. 3.24. Изменение формы импульса коллекторного тока при работе
транзисторного ключа
ченных взаимодействующих р—п-переходов. Обычно транзистор
заменяется четырехполюсником (рис. 3.25). Параметры эквива-
лентной схемы могут быть определены либо расчетным, либо эк-
спериментальным путем.
В настоящее время чаще всего применяются малосигнальные
эквивалентные схемы в Л-параметрах. Такая эквивалентная схе-
ма отражает зависимость выходного тока Т2 и входного напряже-
ния L\ от входного тока Ц и выходного напряжения U2 транзис-
тора.
Эта зависимость определяется системой уравнений:
где ACT] и АС72 — изменение входного и выходного напряжений;
и Д/2 — изменения соответствующих токов.
а б
^Ис. 3.25. Схема четырехполюсника (а), эквивалентная схема транзис-
тора для включения с ОЭ (б)
61
Для малых сигналов можно записать:
Все Л-параметры имеют физический смысл:
An = U\/Ix — входное сопротивление транзистора при коротко-
замкнутом выходе (U2 = 0);
hn~ UJU2 — коэффициент обратной связи по напряжению
при разомкнутом по переменному току входе {Ц = 0);
^21 = Л/Л ~ коэффициент передачи тока при короткозамкну-
том выходе (U2 = 0);
/г22= Л/^Л —• выходная проводимость при разомкнутом по пе-
ременному току входе (Л = 0).
Коэффициенты h зависят от схемы включения транзисторов
(ОБ, ОЭ, ОК).
Для транзисторов, включенных с ОЭ,
ВХ.Э
—^вх.бФ+1);
Для высокочастотных схем используется эквивалентная схема
в у-параметрах.
Маркировка
биполярных транзисторов преду-
сматривает шесть символов:
первый символ — буква (для приборов общего применения)
или цифра (для приборов специального назначения), указываю-
щая исходный полупроводниковый материал, из которого изго-
товлен транзистор: Г(1) — германий, К(2) — кремний, А(3) —
арсенид галлия;
второй символ —
буква «Т»,
означающая биполярный транзи-
стор;
третий символ — цифра, указывающая мощность и частотные
свойства транзистора (табл. 3.2);
четвертый и пятый символы — двухзначное число, указываю-
щее порядковый номер разработки;
шестой символ — буква, обозначающая параметрическую
группу прибора.
62
Таблица 3.2
Классификация транзисторов
Транзисторы Частота
низкая средняя высокая
Малой мощности КТ1... КТ2... ктз...
Средней мощности КТ4... КТ5... КТ6...
Мощные КТ7... КТ8... КТ9...
Например: КТ315А — транзистор биполярный, высокочастот-
ный, малой мощности, широкого применения, группа А;
2Т935А — транзистор биполярный, высокочастотный, специаль-
ного применения, большой мощности, группа А.
Полевым транзистором называется транзистор, в котором
между двумя электродами образуется проводящий канал, по ко-
торому протекает ток. Управление этим током осуществляется
электрическим полем, создаваемым третьим электродом. Элект-
род, с которого начинается движение носителей заряда, называ-
ется истоком (И), а электрод, к которому они движутся, стоком
(С). Электрод, создающий управляющее электрическое поле, на-
зывается затвором (3).
Различают два типа полевых транзисторов: с управляющим р —
«-переходом и с изолированным затвором (МДП-транзисторы).
По типу электропроводности полевые транзисторы подразделя-
ются на транзисторы с каналами р- и «-типов.
Транзистор с управляющим р — п-переходом представляет
собой пластину из полупроводникового материала, имеющего
электропроводность определенного типа, на концах которой сде-
ланы два вывода — исток и сток (рис. 3.26). Вдоль пластины сде-
лан р — «-переход, от которого идет третий вывод — затвор.
Если к электродам подключить напряжение питания, то меж-
ду стоком и истоком будет протекать ток. Сопротивление кана-
ла, а следовательно, и ток, проходящий через канал, зависят от
напряжения на затворе. Напряжение на затворе, при котором ток
истока минимален, называется напряжением отсечки С73_и отс-
леди на затвор подать переменный сигнал, то ток стока 1С также
будет изменяться по тому же закону.
Статические характеристики транзистора с управляющим р —
^-переходом приведены на рис. 3.27. Для полевых транзисторов
Вх°Дная характеристика (зависимость Т3 от С73_и при £7С_И= const)
не имеет практического применения и при расчетах используют
т°лько передаточные и выходные ВАХ.
63
Рис. 3.26. Полевой транзистор с управляющим/?—«-переходом (а) и его
условное обозначение (б)
канал
«-типа
канал
р-типа
Максимальный ток стока 1С будет при нулевом напряжении на
затворе. При уменьшении напряжения на затворе ток стока
уменьшается и при £73-и = ^з-и отсЛ ~
Полевые транзисторы характеризуются следующими парамет-
рами:
• крутизной характеристики
^3-и Д^з-и
при Uc_^ = const;
• коэффициентом усиления по напряжению
Д^С-И
А^з-и
при /с = const;
4=/(^з-и) при ис_и = const
Ic=f(Uc-n) при Ц_и = const
б
Рис. 3.27. Передаточная {а) и выходная (б) характеристики полевого
транзистора с управляющимр — «-переходом
64
• выходным сопротивлением
при из_и = const;
входным сопротивлением
Д^з-И
дД
• напряжением отсечки /73_и отс;
• максимальным током стока 7С тах;
• коэффициентом шума;
• входной емкостью;
• максимальной мощностью рассеяния.
Входное сопротивление 7?вх полевого транзистора очень вели-
ко (мегаомы), поскольку значение тока затвора /3 очень мало.
Транзисторы с изолированным затвором {МДП-транзисто-
ры) в отличие от рассмотренных ранее имеют затвор, изолиро-
ванный от канала слоем диэлектрика. В связи с этим МДП-тран-
зисторы имеют очень большое входное сопротивление — до
1012... 1014 Ом.
Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте
изменения проводимости приповерхностного слоя полупровод-
ника на границе с диэлектриком под воздействием электрическо-
го поля.
МДП-транзисторы подразделяются на транзисторы с встроен-
ным каналом и на транзисторы с индуцированным каналом.
Транзисторы имеют четвертый электрод, называемый подложкой,
который выполняет вспомогательную роль. МДП-транзисторы
могут быть с каналами п- или /?-типа.
На рис. 3.28 приведена конструкция МДП-транзистора со
встроенным каналом. В таких транзисторах токопроводящий ка-
нал создается технологическим путем в виде тонкого слаболеги-
рованного полупроводникового слоя. Поэтому при из_И = 0 канал
существует.
МДП-транзисторы с индуцированным каналом отличаются от
Других тем, что проводящий канал здесь не создается, а образу-
ется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупро-
водниковой пластины при приложении к затвору напряжения по-
ложительной (отрицательной) полярности относительно истока.
счет притока электронов в приповерхностном слое возникает
токопроводящий канал, соединяющий области стока и истока.
При изменении напряжения на затворе изменяется сопротивле-
ние канала.
a
я-типа
/j-типа
я-p-типа с выводом
с подложки
б
k=J\U3_^ при {7С_И=const
4=/(^с-и) при 1/3_и-const
Рис. 3.28. Конструкция (а), условные обозначения {б), передаточная (в) и
выходная (г) характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом
На рис. 3.29 приведена конструкция и статические характе-
ристики МДП-транзистора с индуцированным каналом. Осо-
бенностью этого транзистора является то, что управляющий
сигнал из_и совпадает по полярности с напряжением С/с-и-
Полевые транзисторы, так же как и биполярные, могут быть
включены в цепь по схеме с общим затвором (ОЗ), общим исто-
ком (ОН) и общим стоком (ОС).
Отличительным свойством полевых транзисторов является то,
что управляющим сигналом является не ток, а напряжение. Это
делает их похожими на электровакуумные лампы.
Полевые транзисторы широко применяются в различных
усилительных и переключающих устройствах, они часто ис-
пользуются в сочетании с биполярными транзисторами. На
базе полевых транзисторов построены многие интегральные
микросхемы.
Полевые транзисторы обозначаются аналогично биполярным,
только вторым элементом является буква П, например КП306А "
кремниевый полевой транзистор малой мощности, высокочастот-
ный, номер разработки 06, группа А. Необходимая информация
по транзисторам приводится в справочной литературе. |
Чтобы обеспечить надежную и безотказную работу радиоэлек-
тронной аппаратуры, необходимо учесть характерные особенно-
сти транзисторов на этапе разработки аппаратуры, а также обес-
печить соответствующие условия ее эксплуатации и хранения.
Для повышения надежности транзисторов в эксплуатации не-
обходимо выбирать рабочие режимы с коэффициентами нагруз-
ки по напряжению и мощности в диапазоне 0,7... 0,8. Однако сле-
дует учесть, что уменьшение рабочих токов может привести к сни-
жению устойчивости их работы в диапазоне рабочих температур.
Использование более высокочастотных типов транзисторов в
низкочастотных схемах нежелательно, так как они склонны к са-
мовозбуждению и имеют более высокую стоимость.
При применении мощных транзисторов необходимо обеспе-
чить правильный тепловой режим работы, чтобы температура
корпуса транзисторов не превышала допустимую, поскольку мо-
жет возникнуть тепловой пробой р — «-перехода. Обеспечение
оптимального теплового режима транзисторов играет первосте-
пенную роль при создании надежной аппаратуры.
Для увеличения коэффициента усиления транзисторов ис-
пользуется их каскадное включение. Такие транзисторы на-
k=f(U3^) при С/с_и=const
С каналом
и-типа
С каналом
р-типа
б
Л=/(^с-и) при (/3_и = const
з-и отс
Ис- 3.29. Конструкция (а), условные обозначения (6), входная (в) и вы-
ХоДная (г) характеристики МДП-транзистора с индуцированным ка-
налом
67
VT1
VT1
Рис. 3.30. Схема Дарлингтона (<з), коллекторная схема Дарлингтона (б),
схема Дарлингтона с использованием полевого и биполярного транзи-
сторов (в) ,
зываются составными транзисторами, или схемами Дарлингтона
(рис. 3.30). I
Для схемы Дарлингтона коэффициент усиления по току 0 =
= 0102» где 0! и 02 — соответственно коэффициенты усиления пер-
вого и второго транзисторов. 1
Структура составного транзистора может быть построена с ис-
пользованием как полевых, так и биполярных транзисторов. На
рис. 3.30, в приведена схема составного транзистора, который от-
личается большим входным сопротивлением и коэффициентом
усиления по току, что обеспечивает возможность управления
мошной нагрузкой непосредственно от маломощного источника
сигнала. I
Промышленность выпускает составные транзисторы в одном
корпусе, например: КТ825А, КТ829А и др. I
3.4. Полупроводниковые резисторы
Полупроводниковые резисторы нашли широкое применение в
электронных приборах. К ним относятся терморезисторы, магни-
торезисторы, варисторы, фоторезисторы. Принцип действия этих
приборов основан на изменении свойств полупроводниковых ма-
териалов при воздействии на них температуры, магнитного и
электрического полей, электромагнитного излучения. Я
Полупроводниковый терморезистор — прибор, сопротивле-
ние которого изменяется при изменении температуры. Зависи-
мость сопротивления от температуры имеет вид
RT=Aexp(B/T),
где Л, В — постоянные, определяемые свойствами полупроводни-
кового материала и конструкцией терморезистора; Т — темпера-
тура.
68
С увеличением температуры сопротивление терморезистора
уменьшается. Температурный коэффициент сопротивления тер-
морезистора составляет 2...8,5 % на 1 °C.
Полупроводниковые терморезисторы выгодно отличаются от
проволочных приборов не только большими собственными со-
противлениями и большими ТКС, но и малыми размерами.
Недостатком полупроводниковых терморезисторов является
нелинейная зависимость сопротивления от температуры и значи-
тельный разброс параметров. Терморезисторы могут быть выпол-
нены в виде цилиндрических стержней, дисков, бусинок, плос-
ких прямоугольников. Для защиты от внешней среды их покры-
вают лаками и эмалями.
В качестве терморезисторов могут использоваться полупровод-
никовые диоды и транзисторы при прямом или обратном вклю-
чении. Реальное значение ТКН диода составляет 2...3 мВ/°C.
Использование биполярных транзисторов позволяет значи-
тельно улучшить характеристики термопреобразователей. На
практике широкое распространение получил датчик температу-
ры на двух транзисторах, технологически выполненных на одном
кристалле. Этот датчик хотя и обладает меньшей чувствительно-
стью, чем датчик на одиночном транзисторе, но выгодно отлича-
ется от него меньшей нелинейностью преобразования.
В настоящее время промышленностью выпускаются терморе-
зисторы типа ММТ (медно-марганцевые) и КМТ (кобальто-мар-
ганцевые).
Выпущено новое поколение РТС датчиков на основе полупро-
водников. Они имеют высокую стабильность, линейную зависи-
мость, положительный температурный коэффициент, миниатюр-
ное исполнение. К таким датчикам относятся КТУ10, КТУ11,
КТУ13, КТУ21, предназначенные для измерения температуры в
Диапазоне-50...+150 °C.
Герморезисторы применяются в качестве первичных преобра-
зователей температуры для контроля и регулирования температу-
ры, а также в схемах температурной компенсации.
Магниторезистор — полупроводниковый прибор, электри-
ческое сопротивление которого зависит от воздействия на него
Магнитного поля. Магниторезисторы позволяют обеспечить хоро-
шУю гальваническую развязку. Для формирования магнитного
поля можно использовать постоянный магнит или электромагнит.
Зависимость сопротивления магниторезистора от величины
Ма. нитного поля нелинейна. С увеличением величины магнитно-
г° поля сопротивление возрастает (рис. 3.31).
Основными параметрами магниторезистора являются:
• номинальное сопротивление при отсутствии магнитного
Поля;
69
Рис. 3.31. Зависимость А = f(H)
для магниторезистора
Рис. 3.32. Зависимость Rn= f(U)
для варистора
• мощность рассеяния;
• ТКС;
• зависимость «в =ЛН).
При увеличении магнитной индукции от 0 до 1 Тл сопротив-
ление магниторезистора увеличивается в 10—15 раз.
Магниторезисторы нашли применение в коммутационной
технике: бесконтактных выключателях, реле, контактах управле-
ния.
В настоящее время в приборостроении широко используют-
ся магнитодиоды, магнитотранзисторы, магнитотиристоры, ко-
торые представляют собой полупроводниковые приборы ср-п-
переходами, параметры которых чувствительны к магнитному
полю. I
Варисторы — полупроводниковые резисторы, сопротивление
которых зависит от приложенного напряжения. Зависимость со-
противления от напряжения нелинейная и имеет вид, представ-
ленный на рис. 3.32. Сопротивление уменьшается при увели-
чении приложенного напряжения. Варисторы применяются для
защиты от перенапряжений, защиты от помех, искрогашения в
электрических машинах. Они ограничивают возникающее напря-
жение, особенно при коммутации индуктивной или емкостной
нагрузки, и тем самым позволяют значительно повысить срок
службы контактов реле и т. д.
Фоторезисторы — полупроводниковые приборы, сопротивле-
ние которых зависит от электромагнитного излучения.
3.5. Приборы с зарядовой связью
Приборы с зарядовой связью (ПЗС) представляют собой по-
лупроводниковый прибор, имеющий большое число близко рас
положенных и изолированных от подложки затворов
70
структуры), под которыми может происходить перенос к стоку
иНформационных пакетов неосновных носителей заряда, либо
поступающих из истока, либо возникающих в подложке при воз-
действии оптического излучения. ПЗС — прибор, представляю-
щий собой семейство полевых транзисторов. Однако принцип его
работы подобно биполярным приборам основан на движении
неосновных носителей заряда. Поскольку единый проводящий
канал между истоком и стоком отсутствует, а движение заряда
происходит от затвора к затвору, то для реализации такого дви-
жения на затворы необходимо подавать соответствующие такто-
вые напряжения. Поэтому в отличие от всех ранее рассмотренных
полупроводниковых приборов ПЗС являются динамическими,
функционирование которых возможно только при подаче такто-
вых управляющих сигналов на затворы.
Структурная схема ПЗС с тремя секциями затворов переноса
носителей заряда и временные диаграммы, поясняющие его ра-
боту, приведены на рис. 3.33. Прибор выполнен на подложке из
«-кремния и имеет две высоколегированные />+-области, которые
представляют собой соответственно исток и сток. Между истоком
^Ис- 3.33. Структура ПЗС (а) и временные диаграммы изменения напря-
жения на его выводах (б— д)
71
и стоком расположено семь затворов. Затвор, расположенный
непосредственно рядом с истоком, является управляющим, ос-
тальные шесть затворов необходимы для переноса неосновных
носителей от истока к стоку. Как видно из рис. 3.33, затворы по-
парно соединены между собой через два затвора, образуя три
секции переноса. Таким образом, прибор, кроме традиционных
для полевого транзистора выводов (исток, затвор, сток), снаб-
жены еще тремя управляющими (динамическими) выводами.
Для нормального функционирования на секции переноса пода-
ются ступенчатые напряжения, причем уровень одного из них
меньше порогового напряжения Z7nop МДП-структуры, а уровень
двух других — больше. Уровни напряжения на управляющих вы- <
водах циклически изменяются, создавая в структуре я-проводни-
ка сдвигающуюся потенциальную яму. Эта яма увлекает за собой
неосновные для подложки носители заряда (в данном случае —
дырки). I
Предположим, что в некоторый момент времени на управля-
ющий затвор ПЗС подано напряжение С7упр, достаточное для об-
разования под ним проводящего канала, а на первую секцию зат-
воров переноса подано максимальное напряжение переноса, |
большее по абсолютному значению чем С/пор, т. е. I
упр
пор •
В этом случае под затвором первой секции переноса возника-
ет потенциальная яма, в которую через канал, образованный уп-
равляющим затвором, из области истока будут перемещаться не-
основные носители заряда — дырки. я
Под левым затвором секции переноса будет накапливаться не-
который положительный заряд. Этот заряд пропорционален на-
пряжению Ux (рис. 3.33, б). Во втором такте напряжение на за-
творах ПЗС изменяется следующим образом: 1
пор •
При этом канал между истоком и потенциальной ямой запи-
рается и объемный заряд, накопленный под затвором первой сек-
ции, будет перетекать в потенциальную яму, образовавшуюся под
затвором второй секции. При этом дополнительная подпитка это-
го заряда со стороны истока будет отсутствовать, так как прово-
дящий канал заперт £7упр
вор третьей секции препятствует напряжение Ц, которое мень-
ше порогового U3
пор , а перетеканию заряда под зат-
(рис. 3.33, в). Таким образом, во вто-
пор
72
, ,ом такте весь объемный заряд, накопленный в первом такте под
затвором первой секции, переместится под затвор второй секции.
При следующих тактах произойдет перемещение заряда к сле-
дующей секции и т.д. На шестом такте произойдет перенос за-
ряда в область стока и на выходе стока появится импульсный
сигнал.
Таким образом, прибор способен передавать фиксированные
порции электрического заряда от истока к стоку, причем величи-
на этого заряда определяется значением управляющего напряже-
ния С/упр, а время задержки передачи зависит от частоты сигнала
на управляющих затворах секций переноса. Реальная частота сиг-
нала имеет ограничение как сверху, так и снизу и лежит в диапа-
зоне от десятков килогерц до десятков мегагерц.
Современные ПЗС представляют собой схемы с большой сте-
пенью интеграции (более миллиона элементов).
Можно назвать три основные области применения ПЗС: пре-
образование излучения в электрический сигнал — фоточувстви-
тельные ПЗС (ФПЗС); аналоговую обработку информации — ли-
нии задержки, фильтры; запоминающие устройства ПЗУ (ЗУ).
Наибольшее развитие и практическое применение в настоящее
время получили ФПЗС, особенно в телевидении. Впервые в те-
левидение пришли твердотельные преобразователи излучения в
видеосигнал, способные не только заменить вакуумные электрон-
но-лучевые трубки, но и принести с собой новые качества.
3.6. Полупроводниковые лазеры
Лазер, или оптический квантовый генератор, представляет со-
бой резонатор, в который помещена активная среда, содержащая
атомы в возбужденном состоянии. Для получения активных ато-
мов используется вспомогательный источник энергии — генератор
накачки. Механизм накачки может быть самым разнообразным —
подсветка вещества вспомогательным излучением, возбуждение
электронным потоком, ионизация и др. В качестве активной сре-
ды может использоваться газ, жидкость или твердое тело. Под
Действием накачки в веществе активной зоны возникает состо-
яние инверсной заселенности, при котором число атомов на
Верхнем уровне превышает число атомов на нижнем энергети-
ческом уровне. До начала процесса накачки большинство ато-
мов активной среды находится на низких уровнях, а верхние
Уровни являются незаполненными, при накачке атомы переходят
возбужденное состояние, в результате чего на верхних уровнях
°зникает избыточная заселенность по сравнению с нижними
й°внями. Лавинообразный процесс светового излучения начи-
73
нается в тот момент, когда, по крайней мере, один возбужден- J
ный атом спонтанно излучает фотон, параллельный оси резона-
тора. Этот фотон вынуждает другой возбужденный атом испус-
кать второй фотон и т.д. ]
В зависимости от вида активной среды различают га-
зовые, жидкостные и твердотельные лазеры. Разновидностью
твердотельных лазеров являются полупроводниковые лазеры. |
Генерация вынужденного излучения в полупроводнике обус-
ловлена квантовыми переходами электронов как между энерге- j
тическими уровнями зоны проводимости и энергетическими
уровнями валентной зоны, так и с участием примесных уровней.
По способу накачки полупроводниковые лазеры мож- I
но подразделить на четыре группы: |
инжекционные лазеры на р — «-переходах; 1
с возбуждением (накачкой) электронным пучком; Л
с оптической накачкой; |
стримерные лазеры.
В инжекционных лазерах излучение возникает в результате
рекомбинации электронов и дырок вр — «-переходе при прохож- j
дении через него тока в прямом направлении. Простота, малые
размеры, высокая надежность сделали инжекционные полупро-
водниковые лазеры самыми массовыми приборами квантовой
электроники. 1
Принцип действия полупроводникового лазера с возбужде-
нием электронным пучком состоит том, что быстрые электро-
ны при прохождении через кристалл ионизируют атомы решет-
ки, образуя быстрые вторичные частицы, которые, в свою
очередь, образуют третичные частицы и т.д. Электронные
пучки могут иметь энергию, достаточную для возбуждения
значительной толщины образца. Однако эти лазеры имеют
низкий КПД. 1
В полупроводниковых лазерах с оптической накачкой для >
раскачки используется световая энергия. При поглощении кри-
сталлом кванта света в валентной зоне образуется «горячая»
дырка, а в зоне проводимости — электрон. Дальнейшие процес-
сы, приводящие к генерации вынужденного излучения, анало-
гичны рассмотренному выше случаю накачки электронным пуч-
ком. fl
В стримерных полупроводниковых лазерах электронно-ды- ;
рочная плазма возникает в результате лавинного пробоя под дей-
ствием электрического поля при приложении к кристаллу им-
пульса высокого напряжения. 1
Лазеры нашли широкое применение в различных областях на-
уки и техники. Основными областями применения полупровод-
никовых лазеров являются: fl
74
4
Рис. 3.34. Схема проекционного лазерного телевизора:
/ — электронная пушка; 2 — фокусирующая и отклоняющая система; 3 —
полупроводниковый кристалл-резонатор; 4 — ббъектив; 5 — экран
• оптическая связь (многоканальные стационарные линии
связи);
• оптическая локация и специальная автоматика (дальномерия,
автоматическое слежение за объектами и т.д.);
• оптоэлектроника (излучатель в оптроне, логические схемы,
адресные устройства, голографические системы памяти);
• техника специального освещения (скоростная фотография,
оптическая накачка и др.);
• обнаружение загрязнений и примесей в различных средах;
• проекционное лазерное телевидение (рис. 3.34);
• производство интегральных схем (изготовление фотошабло-
нов, подгонка резисторов, лазерное скрайбирование, заварка
корпусов ИС и др.).
Мощные лазеры применяются для сварки, закалки, резки,
сверления различных материалов без возникновения в них меха-
нических напряжений. Большие возможности открываются перед
лазерной техникой в биологии и медицине.
3.7. Интегральные схемы
Интегральные схемы (ИС) в настоящее время являются наи-
более распространенной элементной базой при проектировании
электронной аппаратуры. Согласно ГОСТ 17021—88, интеграль-
ная микросхема — микроэлектронное изделие, выполняющее оп-
ределенную функцию преобразования, обработки сигнала или
накопления информации и имеющее высокую плотность упаков-
ки электрически соединенных элементов и кристаллов, которые
Рассматриваются как единое целое.
В зависимости от технологии изготовления интегральные
микросхемы бывают полупроводниковыми, пленочными и гиб-
ридными.
75
Полупроводниковая микросхема — микросхема, в которой все
элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на
поверхности полупроводника.
Пленочная микросхема — микросхема, в которой все элемен-
ты и межэлементные соединения выполнены в виде пленок про-
водящих и диэлектрических материалов. Различают тонкопленоч-
ные и толстопленочные ИС.
Гибридная микросхема — микросхема, в которой пассивные
элементы выполнены в виде пленок, нанесенных на диэлектри-
ческую подложку, а активные элементы являются навесными.
В качестве активных элементов обычно используют бескорпусные
диоды, транзисторы или ИС.
В зависимости от функционального назначения интегральные
микросхемы делятся на аналоговые и цифровые. Аналоговые ИС
предназначены для преобразования и обработки аналоговых сиг-
налов, т. е. сигналов, изменяющихся по закону непрерывной фун-
кции. Цифровые ИС предназначены для преобразования и обра-
ботки дискретных сигналов.
В зависимости от числа элементов и компонентов, входящих
в ИС, различают:
• ИС малой степени интеграции (МИС) — до 50 элементов;
• ИС средней степени интеграции (СИС) — до 500 элемен-
тов; I
• ИС большой степени интеграции (БИС) — до 10 000 элемен-
тов;
• ИС сверхбольшой степени интеграции (СБИС) — более
10 000 элементов.
Современные СБИС содержат до 80 млн элементов.
Интегральные микросхемы могут быть построены на базе би-
полярных транзисторов и на базе МДП-транзисторов (полевых).
Последние отличаются минимальными потребляемыми мощно-
стями при статических режимах работы и высокой помехоустой-
чивостью.
Корпуса микросхем изготовляются из стекла, металлостеклян-
ных и металлокерамических композиций, а также из пластмасс и
керамики. Наибольшее распространение получили металлокера-
мический, металлостеклянный, стеклокерамический и пластмас-
совый корпуса. Корпуса имеют от четырех до нескольких сотен
выводов.
Интегральные микросхемы выпускаются в виде серий. Каждая
серия содержит несколько микросхем, выполняющих определенные
функции, однако они имеют единое конструктивно-технологиче-
кое исполнение и предназначены для совместного применения.
Условное обозначение интегральных схем включает буквы и
цифры (рис. 3.35):
76
Серия
К Р 140
УД 1
Номер разработки в данной серии
Функциональное назначение
Порядковый номер разработки
Конструктивно -технологическое исполнение
Материал корпуса
Область применения
Рис. 3.35. Условное обозначение ИС
• первый символ — буква «К» означает, что ИС общего приме-
нения. Отсутствие буквы «К» означает, что ИС специального при-
менения;
• второй символ — буква означает материал и тип корпуса:
Р — пластмассовый, М — керамический типа 2, А — пластмас-
совый типа 4;
• третий и четвертый символы — три или четыре цифры — се-
рия. Первая цифра в серии означает конструктивно-технологи-
ческое исполнение:
1, 5, 7 — полупроводниковые (7 — полупроводниковые бескор-
пусные),
2, 4, 6, 8 — гибридные, 3 — прочие;
пятый и шестой символы — функциональное назначение схемы:
УД — операционный усилитель,
ЛА — логический элемент И—НЕ,
ИР — регистр,
ИЕ — счетчик,
ИД — дешифратор,
ЕН — стабилизатор напряжения и т.д.
Последние цифры — номер разработки в данной серии.
Применение ИС вместо дискретных элементов в качестве
электронной базы электронных устройств дает значительные пре-
имущества по надежности, габаритам, стоимости и другим пока-
зателям. Это связано с тем, что при использовании ИС резко
Уменьшается количество паяных соединений — основного фак-
тора ненадежности, значительно сокращаются габаритные разме-
ры и масса проектируемых электронных устройств, существенно
снижается стоимость электронных приборов, прежде всего за счет
Небольшой стоимости ИС, снижения трудоемкости изготовления
ппаратуры и использования автоматизированных систем проек-
тирования.
77
3.8. Индикаторные приборы I
Индикаторные приборы предназначены для визуального ото- I
бражения информации. I
По способу светоотдачи все индикаторы подразделя- ]
ются на две группы: пассивные и активные. По виду о т о б р а- I
жаемой информации индикаторы подразделяются на
единичные (точка, запятая, круг и др.); цифровые для отобра- I
жения цифр; буквенно-цифровые; шкальные; мнемонические, I
графические. В зависимости от значений питающих!
напряжений различают низковольтные (U< 5 В), средневольт- |
ные (U< 30 В) и высоковольтные (U> 70 В) индикаторы. I
Пассивные индикаторы характеризуются отсутствием соб- I
ственного излучения. Принцип их работы основан на отражении I
или преломлении внешнего светового потока. К пассивным ин- I
дикаторам относятся электромагнитные и жидкокристаллические
индикаторы. I
Принцип работы электромагнитных индикаторов основан I
на отражении внешнего рассеянного освещения, падающего на
информационное табло. Основным элементом такого индикато- .
ра является подвижный элемент — шторка, на одну сторону ко-
торой нанесено светоотражающее покрытие, а на другую — све- |
топоглощающее.
При изменении вектора магнитного поля шторка поворачива-
ется на 180°, обращаясь к внешнему освещению одной или дру-1
гой стороной. Совокупность элементов образует соответствую-
щий символ. Такие индикаторные табло широко используются на
железнодорожных вокзалах и в аэропортах. я
Достоинством электромагнитных индикаторов является про-
стота и малая потребляемая мощность. I
Принцип работы жидкокристаллических индикаторов
(ЖКИ) основан на свойстве некоторых веществ изменять свои
оптические показатели (отражение, преломление и др.) под вли-
янием внешнего электрического поля. Вследствие модуляции па-
дающего света изменяется цвет участка, к которому приложено
электрическое поле, и на поверхности вещества появляется ри-
сунок требуемой конфигурации. В качестве веществ, имеющих I
подобные свойства, используют жидкие кристаллы. I
По способу использования внешнего освещения ЖКИ подраз-
деляются на индикаторы, работающие на просвет и на отражение. I
ЖКИ состоит из двух параллельно расположенных стеклянных
пластин, на внутренних сторонах которых нанесены пленочные!
электроды (рис. 3.36). Межэлектродное пространство заполнено а
жидкокристаллическим веществом. Один из электродов выпол-
няется в виде рисунка отображаемого знака, а второй является!
78
Световой поток
а
Световой поток
рис. 3.36. Конструкции ЖКИ,
работающих на просвет (а) и на отраже-
ние (б):
1,3 — стеклянные пластины; 2 — клеевое соединение; 4 — передний прозрач-
ный электрод; 5 — жидкокристаллическое вещество; 6 — задний прозрачный
электрод; 7 — задний отражающий электрод
общим. У ЖКИ, работающего на просвет, оба электрода прозрач-
ны, а у ЖКИ, работающего на отражение, внутренний общий
электрод имеет зеркальную поверхность. При подаче напряжения
на общий электрод и выбранные прозрачные сегментные элект-
роды под соответствующим сегментом появляется полоса, цвет
которой резко отличается от окружающего фона.
В настоящее время промышленностью выпускаются однораз-
рядные и многоразрядные индикаторы, а также шкальные инди-
каторы и информационные табло ЖКИ питаются импульсным
напряжением 3... 24 В. Информационные табло на жидких крис-
таллах широко применяются в качестве дисплеев измерительных
приборов и ПЭВМ.
Основными преимуществами ЖКИ являются сверхмалое по-
требление энергии, хорошие яркость и контрастность изображе-
ния при сильном внешнем освещении, простота конструкции и
высокая долговечность. К недостаткам относятся малый интервал
рабочих температур и большая инерционность.
Активные индикаторы характеризуются собственным элект-
ромагнитным излучением. К ним относятся электронно-лучевые
тРУбки, накальные индикаторы, вакуумные люминесцентные, га-
зоразрядные, светодиодные индикаторы и др.
Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) широко используются для
соображения информации в вычислительной технике, в радиоло-
кации, телевидении, в измерительной технике. В таких приборах
Формируется тонкий электронный луч, который направляется на
ЭкРан, покрытый люминофором для получения оптического
изображения. В общем случае ЭЛТ состоит из электронной пуш-
Ки, отклоняющей системы и экрана. Электроны, попадая на лю-
м'" 'эфор, возбуждают его атомы. Яркость свечения экрана про-
порциональна числу электронов и их энергии. Свечение наблю-
дается со стороны, противоположной электронной бомбардиров-
ке, поэтому корпус трубки стеклянный. Электронная пушка обес-
печивает фокусировку луча до диаметра менее 0,1 мм. Для управ-
ления перемещением электронного луча используются отклоня-
ющие системы, которые также могут быть электростатическими
и магнитными. Первые применяются, как правило, в ЭЛТ, а вто-
рые — в кинескопах. Отклоняющие системы характеризуют чув-
ствительность. Для трубок с электростатическим отклонением чув-
ствительность определяется отклонением смещения h (мм) светя-
щегося пятна на ее экране к отклоняющему напряжению £7упр:
Цвет свечения экрана определяется химическим составом лю-
минофора и может быть зеленым, оранжевым, синим и т.д.
На рис. 3.37 изображена ЭЛТ, в которой используется элект-
ростатическая фокусировка и электростатическое отклонение
луча. Система электродов ЭЛТ помещена в стеклянный баллон,
из которого откачан воздух. В торце баллона расположен катод
косвенного накала, предназначенный для формирования элект-
ронного потока. Далее идет модулятор, представляющий собой
цилиндр с отверстием, из которого вылетают электроны. На мо-
дулятор подается напряжение, которое с помощью резистора
может изменяться относительно катода. При этом меняется ин-
тенсивность электронного потока и изменяется «яркость» свече-
ния изображения на экране. Ускоряющий электрод, первый и
Ускоряющий
Отклоняющие
Экран
Рис. 3.37. ЭЛТ с электростатическим отклонением
—С_MZZH—CZ—I----CZZH’
Яркость Фокус
80
второй аноды образуют электронную линзу, под действием кото-
рой электронный луч на экране фокусируется в точку. Резистор
R3 обеспечивает «фокусировку» луча. Для отклонения луча ис-
пользуются две пары отклоняющих пластин Xи Y. Напряжение,
подаваемое на эти пластины, создает электрическое поле, кото-
рое отклоняет электронный луч. Чувствительность ЭЛТ составля-
ет 0,1 ...0,4 мм/В. Чтобы электроны не скапливались около экра-
на и не искажали изображение, стенки баллона вблизи экрана
покрыты графитовым слоем — аквадагом. Электроны с аквадага
стекают на второй анод. Основными достоинствами ЭЛТ с
электростатическим управлением являются: простота конструк-
ции, малая инерционность.
Кинескопы, в отличие от рассмотренных ранее ЭЛТ, имеют
магнитную систему отклонения луча. Она образована двумя па-
рами отклоняющих катушек, расположенных на горловине труб-
ки перпендикулярно друг другу и к оси трубки. Токи, проходящие
через катушки, создают магнитное поле, которое и вызывает от-
клонение луча. В современных телевизионных приемниках ис-
пользуются кинескопы с прямоугольной формой экрана и корот-
кой горловиной. С помощью электромагнитной отклоняющей
системы обеспечивается широкий угол отклонения луча (до 114°),
что позволяет создать короткие трубки с большим размером экра-
на. Благодаря магнитной отклоняющей системе в кинескопах обес-
печиваются хорошая фокусировка и достаточная яркость, одна-
ко они имеют значительную инерционность, что не позволяет ис-
пользовать их для наблюдения быстропротекающих процессов.
Рассмотренные выше ЭЛТ обеспечивают монохроматический
режим отображения информации. В настоящее время все боль-
шее распространение находят ЭЛТ с цветным изображением.
В электронно-лучевых трубках с цветным изображением
(рис. 3.38) реализуется принцип получения цветных изображений
как суммы изображений красного, зеленого и синего цветов. Из-
меняя относительную яркость каждого из них, можно изменять
цвет воспринимаемого изображения. Поэтому конструктивно
такие трубки содержат три самостоятельные электронные пушки,
в плоскости пересечения лучей расположена цветоотделительная
маска — тонкая металлическая пластина с большим числом от-
верстий, диаметр которых не превышает 0,25 мм. Экран цветовой
ЭЛТ неоднороден и состоит из множества люминесцирующих
ячеек, число которых равно числу отверстий маски. Ячейка со-
стоит из трех круглых элементов люминофора, светящихся крас-
ным, зеленым и синим цветом. Например, цветной кинескоп с
Размером экрана по диагонали 59 см имеет маску с полумиллио-
ном отверстий, при этом общее число люминесцирующих эле-
ментов экрана превышает 1,5 млн.
81
Синий
Рис. 3.38. Схемотехническое изображение ЭЛТ с цветным изображени-
ем (а) и смешение цветов (б):
1, 2, 3 — электронные пушки получения красного, зеленого и синего цветов
соответственно; 4 — отклоняющая система; 5 — цветоотделительная маска;
6 — экран
Пройдя через отверстия маски, электронные лучи расходятся
и попадают на соответствующие элементы экрана, люминесциру-
ющие определенным цветом. Благодаря малым размерам светя-
щихся элементов экрана глаз человека воспринимает суммарное
свечение всех ячеек как цветное изображение.
В накальных индикаторах в качестве излучающего элемента
используется вольфрамовая нить, нагретая до температуры
~2 500 °C, помещенная в стеклянную колбу с вакуумом. Различа-
ют точечные и цифровые индикаторы. Точечные индикаторы мо-
гут использоваться для построения информационных табло.
Принцип работы вакуумных люминесцентных индикаторов
(ВЛИ) основан на способности некоторых веществ-люминофо-
ров преобразовывать кинетическую энергию электронов в свето-
вую. Яркость свечения зависит от плотности электронного потока
и скорости электронов.
Рис. 3.39. Вакуумный
люминесцентный
индикатор ИВ-4
ВЛИ представляет собой триод с ано-
дом, покрытым люминофором, управляю-
щей сеткой и катодом, выполненным в
виде нити накала (рис. 3.39).
При нагревании с катода вылетают
электроны, под воздействием электричес-
кого поля они приобретают скорость и по-
падают на анод, который начинает светить-
ся. Форма анода соответствует индицируе-
мому элементу.
Различают символьные, цифровые и бук-
венно-цифровые; одноразрядные и много-
разрядные, шкальные, матричные и моза-
ичные индикаторы.
Одноразрядные цифровые индикаторы
имеют катод в виде нити накала, управля-
82
ющую сетку и семь анодов. Цвет свечения индикаторов зависит
от химического состава люминофора и может быть красным,
желтым, зеленым, синим и т.д. Напряжение питания составляет
27 В. Достоинством ВЛИ является высокая яркость и большая
долговечность.
Принцип работы газоразрядных индикаторов основан на из-
лучении газового разряда при прохождении электрического тока
в замкнутом объеме. Во всех газоразрядных индикаторах исполь-
зуется режим тлеющего разряда с холодным катодом при напря-
жении 60...200 В.
Яркость и цвет свечения индикатора зависят от газа-наполни-
теля.
Газоразрядные индикаторы можно подразделить на четыре
группы: неоновые лампочки, газоразрядные цветные сигнальные
индикаторы, знаковые газоразрядные индикаторы и газоразряд-
ные индикаторные панели.
Неоновая лампа содержит два электрода: анод и катод, выпол-
ненные в виде дисков или цилиндров, помещенные в герметич-
ный стеклянный сосуд, заполненный газом неоном.
При увеличении напряжения на аноде до величины, равной
С/зажиг, возникает тлеющий разряд в газе, и поверхность катода
начинает светиться. Для нормальной работы индикаторы долж-
ны включаться в цепь последовательно с балластным резистором.
Неоновые лампочки используются для индикации наличия высо-
кого напряжения, например «Сеть вкл.» (рис. 3.40).
Газоразрядные цветные сигнальные индикаторы представля-
ют собой стеклянную колбу, на внутреннюю поверхность которой
наносится слой люминофора. Колба наполнена инертным газом
и содержит два электрода — анод и катод. При подаче напряже-
ния на анод возникает тлеющий разряд и ультрафиолетовое из-
Рис. 3.40. Конструкция неоновой лампы ТН-30 (а) и ее вольт-амперная
характеристика (б):
А — анод; К — катод
83
лучение, под воздействием которого люминофор светится. Цвет
свечения зависит от газа и люминофора. Например, индикатор
ТЛГ-1-2 — тлеющий, люминофор голубой, ток 1 мА.
Знаковые газоразрядные индикаторы предназначены для ото-
бражения символов или цифр. Они представляют собой стеклян-
ную колбу, внутри которой расположены полупрозрачный анод и
10 катодов, изготовленных из молибденовой проволоки в виде
цифр. При подаче напряжения между анодом и одним из катодов
возникает тлеющий разряд, охватывающий всю поверхность дан-
ного катода, в результате отображается соответствующая цифра.
Газоразрядные индикаторы отличаются хорошей яркостью и
контрастностью, но требуют высокого напряжения питания.
Маркировка знаковых индикаторов включает две буквы ИН и
цифру, означающую номер модификации, например, ИН-8,
ИН-12, ИН-8 и т.д.
Газоразрядные панели предназначены для создания информа-
ционных табло. Каждая панель содержит 10 000 неоновых элемен-
тов и электронное управление. Отдельные панели собираются в
информационные табло, на которое выводится оперативная ин-
формация.
Полупроводниковые светодиодные индикаторы выполняются
на основе светоизлучающих диодов. Различают точечные, цифро-
вые, буквенно-цифровые, шкальные, мозаичные и другие свето-
излучающие индикаторы. Используя различный материал, мож-
но получить индикаторы с различным цветом свечения. Для ви-
зуального увеличения размеров индикаторов используются фоку-
сирующие и увеличительные линзы. В настоящее время созданы
светодиоды повышенной яркости, на основе которых проектиру-
ются различные информационные табло. Такие табло устанавли-
ваются на площадях, вокзалах, в общественных помещениях,
концертных залах.
В микрокалькуляторах широко используются многоразрядные
светодиодные индикаторы на 4 — 16 разрядах. Рабочее напряже-
ние светодиода составляет 1,2...2,5 В, а ток — 3...20 мА.
Для управления работой индикаторов разработаны специаль-
ные микросхемы. Обычно это преобразователи кода с формиро-
вателями выходных сигналов.
Для управления ВЛИ используются микросхемы серии К161 и
микросхемы из серии К176. Для цифровых газоразрядных инди-
каторов применяется микросхема К155ИД1.
Существуют два принципа управления работой индикаторов:
статический и динамический. В первом случае каждый индика-
тор управляется своей схемой. Во втором случае каждая цифра
подключается поочередно с частотой более 30 Гц. При этом из-
за инерционности глаза изображение выглядит неподвижно.
84
При динамическом управлении и большом количестве разря-
дов значительно уменьшается количество выводов с индикатор-
ного табло. Обычно при количестве разрядов меньше четырех
используется статический принцип управления, а если больше
четырех — динамический.
Контрольные вопросы
1. Чем определяется высота потенциального барьера на р — «-пере-
ходе?
2. Что представляет собой ВАХ р—«-перехода?
3. Назовите область применения выпрямительных диодов.
4. Назовите область применения стабилитронов и варикапов.
5. Как определить статическое и динамическое сопротивление полу-
проводниковых диодов?
6. В чем заключается отличие стабилитронов от стабисторов?
7. Чем отличается запираемый тиристор от незапираемого?
8. Чем отличается биполярный транзистор от полевого?
9. Чем отличается ВАХ туннельного диода от ВАХ выпрямительного
диода?
10. Что представляет собой МДП-транзистор?
11. Чему равен коэффициент усиления схемы по напряжению Ки у
эмиттерного повторителя?
12. Чему равны коэффициенты усиления схемы Kv, Kt, КРдля тран-
зисторного каскада с общим эмиттером?
13. Что представляет собой схема Дарлингтона?
14. Назовите область применения терморезисторов.
15. Назовите область применения магниторезисторов.
16. В каких приборах могут применяться приборы с зарядовой связью?
17. Что представляют собой интегральные схемы?
18. Расшифруйте маркировку интегральной схемы К176ЛА7.
19. Поясните принцип работы жидкокристаллических индикаторов.
20. На какие две группы подразделяются индикаторные приборы?
21. Где используются жидкокристаллические индикаторы?
22. Какие индикаторы относятся к активным?
23. Поясните принцип работы ЭТЛ с электростатическим управле-
нием.
24. В чем заключается отличие ЭЛТ от кинескопов?
25. Что такое неоновые лампы, и какова область их применения?
26. Поясните принцип работы газоразрядных индикаторов, дайте их
классификацию. Какова область их применения?
27. Назовите два принципа управления многоразрядными индикато-
рами.
28. Расшифруйте маркировку элемента АЛС304А.
29. Расшифруйте маркировку элемента КС433Б, КТ935А, КП102А.
Глава 4
ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
4.1. Источники оптического излучения
Оптоэлектроника — раздел электроники, где в качестве носи-
теля информации используются электромагнитные волны опти-
ческого диапазона. Длина волн оптического диапазона лежит в
диапазоне от 10 нм до 1 мм. Оптический диапазон волн по фи-
зическим свойствам неоднороден и делится на поддиапазоны,
у которых физические свойства одинаковы: ультрафиолетовое из-
лучение X = 0,01 ...0,4 мкм, видимое излучение Х = 0,38...0,78 мкм,
инфракрасное излучение X = 0,78... 1000 мкм. Длина волны оп-
ределяет степень передачи и поглощения в различных светопро-
водящих средах.
Световой луч в оптоэлектронике выполняет те же функции
управления, преобразования и связи, что и электрический сигнал
в электрических цепях.
В оптических цепях носителями сигналов являются электри-
чески нейтральные фотоны, которые в световом потоке не взаи-
модействуют между собой, не смешиваются и не рассеиваются.
Оптические цепи не подвержены влиянию электрических и маг-
нитных полей. Использование в качестве носителей информации
электрически нейтральных фотонов обеспечивает идеальную
электрическую развязку входных и выходных цепей оптоэлект-
ронных элементов связи; однонаправленность передачи и отсут-
ствие влияния приемника на передатчик; высокую помехозащи-
щенность каналов связи вследствие невосприимчивости фотонов
к воздействию электрических и магнитных полей; отсутствие вли-
яния паразитных емкостей на длительность переходных процес-
сов в канале связи и отсутствие паразитных связей между кана-
лами; хорошее согласование цепей с разными входными и выход-
ными сопротивлениями.
Невосприимчивость оптического излучения к различным
внешним воздействиям и электронейтральность фотона являют-
ся не только достоинством, но и недостатком, так как затрудня-
ют управлейие интенсивностью и распространением светового
потока.
86
В устройствах оптоэлектроники передача информации от уп-
равляемого источника света к фотоприемнику осуществляется
через светопроводящую среду или световоды, выполняющие роль
проводника оптического излучения. Световодные линии харак-
теризуются большой пропускной способностью, возможностью
совмещать в одном световоде большое количество каналов связи
при очень большой скорости передачи, достигающей Гбит/с. Оп-
тическое излучение легко разделяется по длинам волн, что позво-
ляет в одном световоде объединить много каналов связи.
Оптоэлектронные приборы могут быть изготовлены по инте-
гральной технологии. Оптические ИС обладают широкой поло-
сой пропускания, имеют высокую помехоустойчивость, повышен-
ную надежность, малые размеры и вес.
Источники оптического излучения преобразуют электриче-
скую энергию в энергию оптического излучения с определенной
длиной волны или в узком диапазоне длин волн. В основе рабо-
ты управляемых источников оптического излучения лежит одно
из следующих физических явлений: температурное свечение, га-
зоразрядное излучение, электролюминесценция, индуцирован-
ное излучение.
Источники излучения бывают когерентными и некогерентны-
ми. Некогерентными источниками излучения являются: лампы
накаливания, газоразрядные лампы, электролюминесцентные
элементы, инжекционные светодиоды. Когерентными источни-
ками излучения являются лазеры.
Одним из наиболее распространенных источников света явля-
ется светодиод — полупроводниковый прибор с одним или не-
сколькими — и-переходами, преобразующий электрическую
энергию в энергию обычного некогерентного светового излуче-
ния. На рис. 4.1 показана конструкция плоского и полусфериче-
ского светодиодов.
Рис. 4.1. Конструкция плоского (а) и полусферического (б) светодиодов
87
При приложении прямого напряжения Uu возникает прямой
ток через р—«-переход. При этом происходит инжекция неоснов-
ных носителей заряда в базовую область диодной структуры. Ин-
жектированные неосновные носители заряда рекомбинируют.
При этом они переходят с более высокого энергетического уров-
ня на более низкий, а избыточная энергия выделяется в виде
кванта света. Длина волны излучения связана с изменением энер-
гии электрона
Е = he/Eg,
где h — постоянная Планка; с — скорость света.
Обычно значение Е почти равно энергетической ширине за-
прещенной зоны Eg полупроводника, на основе которого изго-
товлен диод.
Диапазон длин волн видимого глазом света составляет 0,45 мкм <
<Х < 0,68 мкм, поэтому для светоизлучающих диодов использу-
ются полупроводниковые материалы с большой шириной за-
прещенной зоны: Её > 1,8 эВ. Основными материалами, приме-
няющимися в настоящее время для изготовления светоизлучаю-
щих диодов, являются фосфид галлия, карбид кремния и твердые
растворы, имеющие состав: галлий — мышьяк — фосфор и гал-
лий — мышьяк—алюминий.
Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет по-
лучить свечение различного цвета (красного, зеленого, желтого,
голубого). Существуют светодиоды переменного цвета свечения
с двумя светоизлучающими переходами (рис. 4.2), один из кото-
рых имеет максимум спектральной характеристики в красной
части спектра, а другой — в зеленой. Светодиод имеет три выво-
да, что позволяет осуществлять раздельное управление током
каждого р—«-перехода.
а
2
о
Зеленый Красный
Рис. 4.2. Структурная схема светодиода с управляемым цветом («) и его
электрическая схема (б/.
1, 2, 3 — выводы светодиода
88
Изменяя токи переходов, можно изменять цвет от желто-зеле-
ного до красно-желтого.
Основные параметры светодиодов:
• сила света Ц — световой поток, приходящийся на единицу
телесного угла в заданном направлении, выражается в канделах
(КД);
• яркость L — величина, равная отношению силы света к пло-
щади светящейся поверхности. Измеряется в канделах на квад-
ратный метр (сантиметр) при заданном значении тока через диод;
• постоянное прямое напряжение на диоде;
• максимально допустимый постоянный ток диода. Определя-
ет максимальную яркость излучения;
• максимально допустимое обратное постоянное напряжение
на диоде <7обр тах.
Основными характеристиками светодиодов являются: вольт-
амперная, яркостная и спектральная:
• вольт-амперная характеристика светодиода (ВАХ) /пр = /( £7пр)
характеризуется относительно малым предельно-допустимым об-
ратным напряжением, что объясняется относительно малой тол-
щиной р—«-перехода (рис. 4.3). Однако светодиоды работают
преимущественно при прямом включении. При работе в схемах
с большими обратными напряжениями последовательно со све-
тодиодами необходимо включить обычный диод с большим допу-
стимым обратным напряжением;
• яркостная характеристика L = /(/пр) ~ зависимость яркости
свечения от прямого тока через диод. В начале и в конце харак-
теристика имеет нелинейность;
• спектральная характеристика Pg = f(k) — зависимость мощ-
ности излучения от длины волны излучаемого света.
Излучение светодиода характеризуется диаграммой направлен-
ности, которая определяется конструкцией диода, наличием лин-
зы, оптическими свойствами корпуса диода.
Рис. 4.3. Вольт-амперная (а), яркостная (б), спектральная (<?) характе-
ристики светодиода
89
Рис. 4.4. Переходная характеристика
светодиода
Существенным недостатком светодиодов является зависимость
их параметров от температуры и продолжительности эксплуата-
ции. С повышением температуры яркость и сила света уменьша-
ются, и несколько увеличивается длина волны излучения.
Светодиоды обладают большим быстродействием, которое ха-
рактеризуется переходной характеристикой (рис. 4.4). Излучение
нарастает за время менее 10-8 с после подачи импульса прямого
тока. Светодиоды в основном применяются как элементы инди-
кации одиночных сигналов, а также в составе информационных
табло.
Наряду со светодиодами, работающими в диапазоне видимо-
го излучения, выпускаются светодиоды инфракрасного излучения
(ИК-диоды), которые изготовляются преимущественно из арсе-
нида галлия. ИК-диоды применяются в фотореле, различных дат-
чиках и при создании некоторых оптронов.
Обозначение оптронов предполагает использование двух или
трех букв и трех цифр. Первая буква указывает материал, вторая
и третья — конструктивное исполнение: Л — единичный свето-
диод, ЛС — несколько светодиодов. Последующие цифры обозна-
чают номер разработки.
а
1 2 4 5 6 7 9 10
б
Рис. 4.5. Условное обозначение знакового светодиода АЛС314А (а) и его
электрическая схема (б)
Например: АЛ307А — арсенид-галлиевый единичный светоиз-
лучающий диод красного цвета. АЛС314А — арсенид-галлиевый
знаковый индикатор, содержащий восемь светодиодов (рис. 4.5).
В ряде случаев в качестве управляемых источников света при-
меняются инжекторные лазеры. Они отличаются от светодиодов
тем, что их излучение сконцентрировано в узкой спектральной
области и является когерентным. Лазеры имеют высокий КПД и
большое быстродействие.
«
4.2. Фотоэлектрические приемники излучения
Фотоприемники — оптоэлектронные приборы, предназначен-
ные для преобразования энергии оптического излучения в элек-
трическую. Для получения максимального преобразования опти-
ческого излучения в электрический сигнал необходимо иметь со-
гласованные спектральные характеристики фотоизлучателей и
фотоприемников.
Работа фотоприемников основана на одном из видов электри-
ческих явлений:
• внутренний фотоэффект;
• изменение электропроводности при его освещении;
• внешний фотоэффект — испускание веществом электронов
под действием света;
• фотоэффект в запирающем слое — возникновение ЭДС на
границе двух материалов под воздействием света.
Все фотоприемники можно разделить на две группы:
• с внешним фотоэффектом;
• с внутренним фотоэффектом.
К приборам с внешним фотоэффектом относятся вакуумные
и газоразрядные фотоэлементы (ФЭ) и фотоэлектронные умно-
жители (ФЭУ).
Фотоэлемент (ФЭ) — электровакуумный или газоразрядный
диод, в стеклянном баллоне которого установлены фотокатод
и фотоанод (рис. 4.6).
Фотокатод представляет собой слой, покрывающий внутрен-
нюю поверхность колбы, выполненный из полупроводникового
материала, чувствительного к внешнему излучению. Анод выпол-
нен в виде кольца или рамки и размещен внутри колбы. ФЭ раз-
деляются на вакуумные и газоразрядные.
При отсутствии излучения анодный ток равен нулю. При ос-
вещении фотокатода возникает фотоэмиссия и в цепи анода про-
текает ток.
Фотоэлементы используются в первичных преобразователях
информации.
91
Фотокатод
Стеклянный
баллон
Рис. 4.6. Фотоэлемент:
А — анод; К — катод
Фотоэлектронный умножитель представляет собой электрова-
куумный прибор, преобразующий энергию электромагнитного
излучения в электрические сигналы с использованием вторичной
электронной эмиссии. Он состоит из стеклянного баллона, внут-
ри которого расположены ускоряющие электроды, умножитель-
ные электроды и анод. При освещении фотокатода возникает
электронный поток, который фокусируется и направляется на ум-
ножительные электроды, где за счет вторичной эмиссии он уси-
ливается и попадает на анод.
Приборы, использующие внешний фотоэффект, имеют боль-
шие размеры, высокую стоимость, трудно сопрягаются с элект-
ронными схемами и поэтому в настоящее время применяются
редко.
К приборам с внутренним фотоэффектом относятся фото-
резисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. При
внутреннем фотоэффекте происходит возбуждение электронов
вещества, они переходят на более высокий энергетический уро-
вень, что приводит к изменению концентрации свободных носи-
телей заряда и электрических свойств вещества.
Фопгорезистор — полупроводниковый прибор, сопротивление
которого зависит от освещенности. На рис. 4.7 показана конст-
рукция фоторезистора и зависимость его сопротивления от све-
Рис. 4.7. Конструкция фоторезистора (а), его условное обозначение (б)
и зависимость R =/(Ф) (в):
1 — электрод; 2 — корпус; 3 — диэлектрик; 4 — полупроводник
92
Рис. 4.8. Вольт-амперная характеристика
фоторезистора
Ф3
тового потока. Эта зависимость нелинейная. Фоторезисторы име-
ют высокую инерционность и многие из них не способны рабо-
тать на частотах более 100 Гц.
Поверхность полупроводникового фоточувствительного слоя,
расположенного между электродами, называется рабочей пло-
щадкой. При отсутствии освещенности рабочей площадки фото-
резистор имеет максимальное сопротивление, называемое темно-
вым, которое составляет 104... 107 Ом. По цепи протекает малый
темновый ток /т, обусловленный наличием в неосвещенном по-
лупроводнике некоторого количества свободных носителей заря-
да. Темновый ток зависит от температуры окружающей среды и
свойств полупроводникового материала. Обычно он не превыша-
ет долей миллиампера.
Под действием света в полупроводнике генерируются избыточ-
ные носители, которые изменяют проводимость полупроводни-
ка. ВАХ фоторезистора приведена на рис. 4.8. В рабочем диапа-
зоне напряжений вольт-амперная характеристика фоторезисторов
при различных значениях светового потока практически линей-
ная.
Фоторезистор характеризуется следующими параметрами:
• темновое сопротивление — сопротивление фоторезистора
при отсутствии освещения;
• удельная интегральная чувствительность;
• граничная частота/^ — частота синусоидального сигнала, мо-
дулирующего световой поток, при котором чувствительность фо-
торезистора уменьшается в V~2 раз по сравнению с чувствительно-
стью немодулированного светового потока, ~ 103... 105 Гц;
• температурный коэффициент фототока;
• рабочее напряжение.
Фоторезисторы применяются в системах автоматики, модулято-
рах и других электронных приборах с низким быстродействием.
Фотодиод — полупроводниковый прибор с р — «-переходом,
в котором используется внутренний фотоэффект. Устройство фо-
тодиода аналогично устройству обычного плоскостного диода.
93
Отличие состоит в том, что его р— «-переход с одной стороны
обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет, и за-
щищен от воздействия света с другой стороны (рис. 4.9, а).
Основным физическим явлением в фотодиодах является гене-
рация пар электрон—дырка в области р—«-перехода и в приле-
гающих к нему областях под действием излучения. Генерация пар
электрон—дырка приводит к увеличению обратного тока диода
при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения
UaK между анодом и катодом при разомкнутой цепи.
Фотодиоды удобно характеризовать семейством ВАХ, соответ-
ствующих различным световым потокам Ф (рис. 4.9, в).
Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов:
• фотогенератора;
• фотопреобразователя.
Режим фотогенератора имеет место при U> 0 и i < 0 (см. рис.
4.9, в IV квадрат). При этом диод отдает энергию во внешнюю
цепь. В этом режиме работают солнечные элементы. С одного
квадратного метра площади солнечных батарей можно получить
до 100 Вт мощности.
Режиму фотопреобразователя соответствует U < 0 и i < 0 (см.
рис. 4.9, в, III квадрат). В этом режиме фотодиод потребляет
энергию.
При освещении фотодиода пропорционально световому пото-
ку увеличивается обратный ток диода, а, следовательно, уменьша-
ется его сопротивление.
Фотодиоды используются в электрических цепях измеритель-
ной аппаратуры, системах автоматики и аппаратуре передачи дан-
Ш Ф2>Ф1 iv
в
Рис. 4.9. Конструкция («), условное обозначение (б) и ВАХ (в) фото-
диода:
А — анод; К — катод
94
Рис. 4.10. Схема с фотодиодом
них. Они относятся к быстродействующим приборам и работают
на частотах до 107... 1010 Гц.
На рис. 4.10 приведена схема с фотодиодом. При отсутствии
светопотока Ф обратный ток фотодиода мал и его сопротивление
велико, транзистор VT закрыт и UBhlx = Un. При поступлении све-
тового потока сопротивление светодиода резко уменьшается,
а транзистор VT открывается и ивых --Un.
Основными характеристиками светодиода являются: световая,
вольт-амперная и спектральная.
Недостатком фотодиодов является их низкий КПД, который
не превышает 10 %.
Фототранзистор — прибор с двумя р—«-переходами, управ-
ляемый оптическим излучением. Фототранзисторы, как и обыч-
ные транзисторы, бываютр-п—р- и п— р — «-типа. Конструк-
тивно фоторезистор выполнен так, что световой поток облучает
область базы.
Наибольшее практическое применение получила схема фото-
транзистора с ОЭ, в которой нагрузка включается в коллекторную
цепь. Входным сигналом фототранзистора является модулирован-
ный световой поток, а выходным — изменение на резисторе на-
грузки в коллекторной цепи.
Существуют две схемы включения фототранзистора (рис. 4.11):
с подключенной базой («) и с плавающей базой (d). У фототран-
зистора по сравнению с фотодиодом в (р + 1) раз больше чувстви-
тельность, что является его главным преимуществом.
Для обеспечения температурной стабильности фототранзисто-
ра одновременно с оптическим управлением используется пода-
ча напряжения смещения на его базу для выбора рабочей точки
на входной и выходной характеристиках транзистора.
Вольт-амперные характеристики фототранзистора аналогичны
характеристикам биполярного транзистора, включенного по схе-
ме с ОЭ.
Основные параметры фототранзистора следующие: рабочее
напряжение, темновый ток, рабочий ток, максимально допусти-
95
Рис. 4.11. Схема включения фототранзистора с подключенной базой (а),
с плавающей базой (б) и вольт-амперная характеристика (в)
мая мощность рассеивания, статический коэффициент усиления
по фототоку, интегральная чувствительность, граничная частота.
Фототиристор — четырехслойная полупроводниковая струк-
тура, управляемая световым потоком подобно тому, как триодные
тиристоры управляются напряжением, подаваемым на управля-
ющий электрод. На рис. 4.12 приведена структурная схема фото-
тиристора и его ВАХ.
Рис. 4.12. Структурная схема фототиристора (а) и его вольт-амперная ха-
рактеристика (б):
А — анод; К — катод
96
Световой сигнал, попадая на базовые области, вызывает гене-
рацию неравновесных носителей, и меняет напряжение включе-
ния фототиристора. Чем больше световой поток, тем при мень-
шем напряжении включается фототиристор (рис. 4.12, б). Досто-
инствами фототиристоров являются: малое потребление мощно-
сти во включенном состоянии, отсутствие искрения, малые раз-
меры.
Фототиристоры применяются в качестве бесконтактных клю-
чей, управляемых световым сигналом.
4.3. Оптопары
Оптопара — оптоэлектронный полупроводниковый прибор,
содержащий источник и приемник оптического излучения, кото-
рые оптически и конструктивно связаны между собой. Для опто-
пары как входным, так и выходным параметром является элект-
рический сигнал. Особенность оптопар (оптронов) — отсутствие
гальванической связи между входными и выходными цепями.
В качестве излучателя оптопары можно использовать светоизлу-
чающий или инфракрасный диод, электрическую лампочку или
полупроводниковый лазер. В качестве приемника оптопары на-
ходят применение рассмотренные выше фотоэлектрические при-
боры: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототири-
сторы. На рис. 4.13 приведены условные обозначения основных
типов оптопар.
В резистивной оптопаре в качестве фотоприемного элемен-
та используется фоторезистор. Фоторезистор и фотоизлучатель
объединены внутри корпуса оптопары оптически прозрачной
средой с большим сопротивлением изоляции. Резистивные опто-
пары применяются преимущественно для бесконтактной комму-
никации, модуляции, а также в делителях напряжения (рис. 4.14).
В диодной оптопаре фотоприемным элементом является фо-
тодиод на основе кремния. Диодные оптопары могут работать как
в фотогенераторном, так и фотодиодном режиме. Значение об-
Рис. 4.13. Условное обозначение оптопар:
а — резистивная; б — диодная; в — транзисторная; г — тиристорная
4 Лаврентьев
97
Рис. 4.14. Резистивный оптрон в схеме ключа (а) и делителя напряже-
ния (б)
ратного фототока практически линейно возрастает с увеличени-
ем силы света излучаемого диода.
Для описания свойств диодных оптопар обычно используют-
ся входные и выходные ВАХ, передаточные характеристики в фо-
тогенераторном и фотодиодном режимах.
Выходные характеристики оптопары аналогичны обратной
ветви ВАХ диода. Обратный ток практически не зависит от на-
пряжения.
Передаточная характеристика 7ВЫХ = /(/вх) в фотодиодном ре-
жиме, представляющая собой зависимость выходного тока от
входного, практически линейна в широком диапазоне входного
тока.
Передаточная характеристика в фотогенераторном режиме не-
линейна. Фото-ЭДС при увеличении входного тока стремится к
насыщению и не может превышать контактной разности потен-
циалов фотодиода, который составляет 0,5...0,8 В.
Диодные оптопары типа АОДЮ1А... АОДЮ1Д,... АОДЮ7А
АОДЮ7В можно использовать как в фотодиодном, так и в фото-
генераторном режимах. Оптопары АОД112А-1 и ЗОД112А-1 ис-
пользуются только в фотогенераторном режиме.
Диодные оптопары имеют высокое быстродействие, малые
темновые токи в выходной цепи и высокое сопротивление галь-
ванической развязки. Они широко применяются в аппаратуре пе-
редачи данных, в схемах электронного трансформатора, для галь-
ванической развязки блоков и т.д. (рис. 4.15).
Диодные оптопары используются и в фотогенераторном режи-
ме. Для получения сигналов с требуемой амплитудой фотодиоды
нескольких оптопар соединяются последовательно.
Транзисторная оптопара выполняется с фотоприемным эле-
ментом на основе фототранзистора. В ряде случаев применяется
составной фототранзистор, например АОТПОА.
Транзисторные оптопары находят преимущественное приме-
нение в аналоговых и ключевых коммутаторах сигналов, схемах
согласования, гальванической развязки в линиях связи, оптоэлек-
тронных реле. Высокое входное сопротивление и малая емкость
98
оптопары позволяют обеспечить высокую помехоустойчивость
аппаратуры.
В тиристорных оптопарах в качестве приемного элемента ис-
пользуется кремниевый фототиристор. Фототиристор так же, как
и фототранзистор, обладает большим внутренним усилением
фототока.
Для включения тиристорной оптопары достаточно подать на
него короткий управляющий сигнал. Этим достигается суще-
ственное снижение энергии, необходимой для управления тири-
сторной оптопарой.
Тиристорные оптопары наиболее целесообразно использовать
для гальванической развязки логических цепей управления от
высоковольтных цепей большой мощности, для управления мощ-
ными тиристорами, для устройства защиты вторичных источни-
ков питания.
На рис. 4.16 приведены схемы включения нагрузки переменно-
го тока (электронный ключ). Электронный ключ малой мощно-
сти (рис. 4.16, а) обеспечивает ток в нагрузке Ан, равный выход-
ному току фототиристора оптопары. Электронный ключ большой
мощности (рис. 4.16, б) обеспечивает ток в нагрузке Ан, равный
току тиристора VD5. При поступлении на вход оптопары входно-
R1
в
Рис. 4.15. Диодные оптопары:
а — в линиях связи; б — в оптронных формирователях; в — в схемах гальва-
нической развязки
99
a
б
Рис. 4.16. Электронный ключ:
а — малой мощности; б — большой мощности
го тока /вх контакты «+» и «-» диодного моста замыкаются и на-
пряжение сети поступает на нагрузку Ан.
Промышленность выпускает тиристорные оптроны АОУ ЮЗА,
Б, В, Г, АОУ115А, Б.
Отличительным признаком оптопар с открытым оптическим
каналом является возможность управления извне количеством
излучения, попадающим от излучателя к фотоприемнику оптопа-
ры. Излучателями, так же как и в других оптопарах, служат ИК-
диоды, а фотоприемники выполняются на основе фоторезисто-
ров или кремниевых фотодиодов.
Существует две разновидности оптопар с открытым оптиче-
ским каналом: с прямым прохождением лучей от излучателя к
приемнику и с отражением лучей от внешних объектов (рис. 4.17).
В первом случае излучатель и фотоприемник расположены
напротив друг друга. В зазоре между ними помещается светонеп-
роницаемая подвижная преграда, с помощью которой можно
управлять световым потоком. Во втором случае оптические оси
излучателя и фотоприемника расположены под некоторым уг-
лом. При отсутствии отражающего объекта энергия, излучаемая
светодиодом, рассеивается в пространстве, не попадая в окош-
ко фотоприемника. При появлении объекта отраженный луч
направляется в фотоприемник, вследствие чего на выходе появ-
ляется сигнал.
100
Вход =(
1= Выход
Рис. 4.17. Устройство оптопар с открытым оптическим каналом:
а — с прямым прохождением светового луча; б — с отражением сигнала от
внешнего объекта
Маркировка оптронов включает в себя семь символов:
• первый символ обозначает материал: А(3) — арсенид галлия;
• второй символ — буква О — означает оптопара;
• третий символ указывает тип приемника: Д — диод, Т —
транзистор, У — тиристор;
• четвертый, пятый и шестой символы указывают номер раз-
работки;
• седьмой символ — буква означает группу.
Например: АОД130А — диодная оптопара на основе соедине-
ний галлия, номер разработки 130, группа параметров А, общего
применения; ЗОТ110А — транзисторная оптопара на основе со-
единения галлия, номер разработки ПО, группа параметров А,
специального применения.
4.4. Полупроводниковые солнечные батареи
Солнечная батарея — устройство, преобразующее энергию сол-
нечной радиации в электрическую. Она представляет собой не-
сколько фотоэлементов электрически и механически объединен-
ных для совместной работы в качестве источника электроэнергии.
Основные материалы, используемые для изготовления фото-
элементов, — кремний и арсенид галлия. Более высокий КПД
фотопреобразования у арсенида галлия — до 22 %, у кремния он
ниже и не превышает 17 %. Однако кремний дешевле арсенида
галлия и его производство в настоящее время освоено наиболее
хорошо. Поэтому он и является основным материалом для изго-
товления солнечных батарей. Под действием света нар —и-пере-
ходе формируется разность потенциалов и на выводах фотодио-
да появляется напряжение холостого хода. Если к выводам под-
ключить внешнюю нагрузку, то через нее потечет ток.
Конструктивно солнечная батарея представляет собой плоскую
панель, состоящую из размещенных вплотную фотоэлементов и
101
Таблица 4.1
Характеристики солнечных батарей
Наименова- ние солнеч- ной батареи Мощ- ность, Вт Напряже- ние холосто- го хода, В Ток за- мыкания, А Площадь фоточувстви- тельной поверх- ности, м2 Масса,
БСР-10 11 20,9 0,72 0,09 2
БСР-20 22 20,8 1,44 0,18 3,8
БСР-30 33 20,7 2,16 0,27 4,8
БСР-40 44 20,6 2,88 0,36 5,9
БСР-60 66 20,5 4,32 0,54 9,8
БСР-80 88 20,4 5,76 0,72 11,5
БСР-100 НО 20,3 7,2 0,9 16
ОСБ 80 16,5 5,5 0,42 16
ФЭС-60 80 12 6,0 0,84 35
электрических соединений, защищенную с лицевой стороны про-
зрачным твердым покрытием. Число фотоэлементов в батарее
может быть различным, от нескольких десятков до нескольких
тысяч. Площадь панели у больших промышленных солнечных
батарей может достигать тысячи квадратных метров, а максималь-
ная генерируемая мощность — десятков киловатт. Небольшие
солнечные батареи могут служить источником энергии для заряд-
ки аккумуляторов, работы электронной аппаратуры в полевых ус-
ловиях, питания осветительных приборов. Незаменимы солнеч-
ные батареи на космических летательных аппаратах.
Достоинства солнечных батарей — простота, надежность и
долговечность, малая масса и миниатюрность, генерирование
энергии без загрязнения окружающей среды. Основной недоста-
ток сравнительно высокая стоимость. В табл. 4.1 даны характери-
стики некоторых серийных отечественных солнечных батарей
различного назначения.
Кроме солнечных батарей отечественная промышленность вы-
пускает ряд солнечных модулей, из которых можно собирать как
из конструктора источники электрической энергии самой различ-
ной мощности. Соответствующей коммутацией можно изменять
рабочее напряжение и ток в нагрузке.
102
4.5. Акустоэлектронные приборы
Работа акустоэлектронных приборов основана на возбужде-
нии, распространении и приеме акустических волн в твердых
телах. Использование в таких приборах акустических волн, рас-
пространяющихся по поверхности твердого тела, так называемых
поверхностных акустических волн (ПАВ), предпочтительнее, чем
волн, которые распространяются в объеме твердого тела.
Поверхностно-акустические волны обладают меньшими, по
сравнению с объемным, затуханием и рассеиванием, позволяют
отводить часть энергии с любого участка распространения ПАВ
и управлять этими волнами электронным потоком. Кроме того,
технология изготовления приборов на ПАВ хорошо совмещается
с технологией изготовления микросхем.
На основе акустоэлектронных приборов можно создать уст-
ройства частотной селекции или задержки сигналов.
Скорость распространения акустических волн в твердых те-
лах в 105 раз меньше скорости распространения электромагнит-
ных волн в свободном пространстве, благодаря этому можно
уменьшить габаритные размеры акустоэлектронных приборов. К
основным преимуществам таких приборов можно отнести про-
стоту конструкции, хорошую воспроизводимость характеристик,
высокую температурную стабильность и малое потребление
энергии.
Конструктивно акустоэлектронные приборы на ПАВ представ-
ляют собой подложку из кварца, являющуюся звукопроводом и
преобразователем сигналов, которые выполняются в виде двух
металлических изолированных гребенок (рис. 4.18).
Акустоэлектронные приборы используются в виде фильтров,
линий задержки, усилителей и запоминающих устройств. Линии
задержки на ПАВ характеризуются диапазоном рабочих частот
от десятка до тысяч мегагерц, временем задержки от наносекунд
до десятков микросекунд и относительно небольшими потеря-
ми.
Рис. 4.18. Структура прибора на ПАВ:
1 — электроакустические преобразователи; 2 —
подложка
103
4.6. Магнитоэлектронные приборы
В магнитоэлектронных приборах используются электромаг-
нитные процессы на доменном уровне. Они обладаю! высокой
степенью интеграции, обеспечивают большую плотность записи
информации, имеют повышенную надежность и стабильность.
В настоящее время широко используются приборы на цилин-
дрических магнитных доменах.
Среди магнитных материалов с точки зрения миниатюризации
наиболее перспективны ферромагнетики, которые в результате
сильного электростатического магнитного взаимодействия меж-
ду электронами соседних атомов разбиваются на большое коли-
чество областей самопроизвольной намагничиваемое™ (домены).
Домены имеют определенную форму и размеры 10-1... 10-6 см.
Соседние домены разделяются переходными слоями, процесс
перемагничивания ферромагнетиков во внешнем магнитном поле
происходит из-за вращения доменов.
Гонкие магнитные пленки (ТМП) изготавливаются из метал-
лов, сплавов и ферритов. На 1 МП выполняются запоминающие
устройства для ЭВМ.
В приборах на структурах из цилиндрических магнитных до-
менов (ЦМД) применяют монокристаллические пленки из орто-
ферритов или гранатов. Толщины пленок соответствуют размерам
одиночных доменов, которые образуются при воздействии силь-
ных внешних магнитных полей.
Приборы на НМД используются для построения логических или
запоминающих устройств, где единичные цилиндрические магнит-
ные домены служат элементарными носителями информации.
4.7. Криоэлектронные приборы
Работа криоэлектронных приборов основана на явлении
сверхпроводимости, когда скачкообразно уменьшается сопротив-
ление ряда металлов и сплавов при охлаждении их до температур,
близких к абсолютному нулю. Сверхпроводимость наступает, если
охладить образец до температуры, меньше критической. При
этом сопротивление образца будет в 1012 раз меньше, чем при тем-
пературе больше критической. Известно около 30 элементов и
большое число сплавов и соединений, которые могут служить
сверхпроводниками.
Свойства сверхпроводников наиболее сильно изменяются при
воздействии внешнего магнитного поля. При приложении к
сверхпроводнику определенного внешнего магнитного поля
сверхпроводимость нарушается.
104
Элементарным прибором, использу-
ющим свойства сверхпроводимости, яв-
ляется криотрон, который состоит из
вентиля, изготовленного из сверхпро-
водника, и обмотки для создания внеш-
него магнитного поля (рис. 4.19).
Если через обмотку пропустить требу-
емый ток, то на поверхности вентиля
появляется магнитное поле.
Рис. 4.19. Криотрон:
/ — вентиль; 2 — обмотка
В результате вентиль переходит из
состояния сверхпроводимости в состоя-
ние, характеризуемое определенным со-
противлением. При уменьшении тока в
обмотке вентиль снова переходит в режим сверхпроводимости.
Таким образом, криотрон является аналогом обычного электро-
магнитного реле.
На основе криотрона можно изготовить различные электрон-
ные устройства: дешифраторы, сумматоры, запоминающие уст-
ройства и др.
Контрольные вопросы
1. Перечислите основные вопросы, изучаемые в разделе оптоэлект-
роника.
2. Перечислите существующие источники оптического излучения.
3. Что представляет собой светодиод? Нарисуйте его основные харак-
теристики.
4. Может ли светодиод иметь несколько р — «-переходов?
5. Нарисуйте воль-амперную характеристику фотодиода и поясните
его работу в режиме фотогенератора и в режиме фотопреобразователя.
6. В чем отличие светодиода от ЕТС-диодов?
7. На какие две группы делятся фотоприемники?
8. Каким образом изменяется сопротивление фоторезистора при
увеличении освещенности?
9. У какого прибора выше быстродействие: у фотодиода или у фото-
резистора?
10. В каких приборах используется фотодиоды, работающие в режи-
ме фотогенерации?
11. Что такое оптрон? Какие оптроны вы знаете?
12. Нарисуйте схему диодной оптопары в линии связи?
13. Нарисуйте электронные ключи малой и большой мощности с
использованием тиристорных оптронов. В чем основные преимущества
таких ключей?
14. Назовите основные области применения магнитоэлектронных
приборов.
Глава 5
СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ
УСТРОЙСТВ
5.1. Расчет нелинейных электрических цепей
Нелинейным элементом называется элемент, у которого зави-
симость между входными и выходными параметрами носит нели-
нейный характер. Нелинейный элемент характеризуется нелиней-
ностью характеристик (рис. 5.1).
По ВАХ резистора можно определить его статистическое RCT и
динамическое 7?дин сопротивления в точке 77:
где Z7n, 7П — напряжение и ток в точке П; AUn, А7П — конечные
приращения напряжения и тока.
Обычно все электрические цепи, включающие ЭУ, являются
нелинейными. Цепи, в которых нет электронных устройств, мо-
гут быть линейными и нелинейными. Расчет нелинейных элект-
рических цепей достаточно сложен, так как нужно решать систе-
му нелинейных уравнений. Поэтому на практике для расчета не-
Рис. 5.1. Вольт-амперная характеристика нелинейного резистора
106
Рис. 5.2. Вольт-амперная характеристика диода
линейных электрических цепей использу-
ются графоаналитические методы: линеа-
ризации, кусочно-линейной аппроксима-
ции, эквивалентных преобразований и
пересечения характеристик.
Метод линеаризации заключается в
замещении нелинейного элемента линей-
ной схемой, справедливой для ограничен-
ного диапазона тока и напряжения. Такое замещение нелинейно-
го элемента позволяет описывать электрическую цепь с помощью
системы линейных уравнений. На рис. 5.2 представлена прямая
ветвь ВАХ диода, которая замещается прямой АО. В этом случае
можно записать:
где — пороговое напряжение диода; /?дин — динамическое
сопротивление.
Метод кусочно-линейной аппроксимации заключается в
том, что заданная нелинейная характеристика заменяется лома-
ной прямой с несколькими точками излома. Например, ВАХ по-
лупроводникового диода (рис. 5.3) легко поддается кусочно-ли-
нейной аппроксимации. ВАХ диода можно разбить на три обла-
сти: прямой участок (DC), обратное смещение (ЛЕ) и область
Рис. 5.3. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода (а),
эквивалентные схемы участков I...3 (б)
107
пробоя (АВ). Каждая из этих областей близка к линейной. Поэто-
му ВАХ диода может быть представлена тремя отрезками: С'D;
АЕ' и А'В (рис. 5.3, а).
Прямая ветвь может быть аппроксимирована линейной функ-
цией
пр g0 т ^кдин-
Аналогично может быть аппроксимирован линейный участок
в области обратного смещения (участок ЕА) и в области пробоя
(участок А В), когда к диоду приложено обратное напряжение (см.
рис. 5.3, а).
Метод эквивалентных преобразований заключается в замене
группы нелинейных элементов одним нелинейным элементом.
Параметры такого элемента и режим работы могут быть опреде-
лены графическим путем. Например, нужно рассчитать электри-
ческую цепь из последовательно соединенных линейных и нели-
нейных резисторов Rx, R2 и R3 (рис. 5.4). Необходимо определить
ток в цепи 7ВХ и падение напряжения на резисторах Z7(, U2 и U3.
Для схемы согласно закону Кирхгофа можно записать:
4х = Л = /2 = Л; иъх=и] + и2+и3.
Зная ВАХ всех резисторов, входящих в схему, строим ВАХ эк-
вивалентного сопротивления иэкъ(1). Проводим горизонтальную
прямую на уровне Свх до пересечения с ВАХ эквивалентного со-
противления. Точка Л определяет параметры цепи, т.е. ток в цепи
/вх и падение напряжения на резисторах Ux, U2n U3.
Метод пересечения характеристик применяется для анали-
за цепей с двумя последовательно включенными элементами, ко-
торые могут быть линейными и нелинейными. В основу метода
положено то, что суммарное напряжение на последовательно
включенных элементах определяется внешним источником на-
а
Рис. 5.4. Схема с последовательным соединением резисторов (а), экви-
валентная схема (б), вольт-амперная характеристика (в)
Рис. 5.5. Схема расчетной цепи (а), вольт-амперная характеристика нели-
нейных элементов (б), решение методом пересечения характеристик (<?)
пряжения UBK и не зависит от тока, протекающего в цепи. Для
цепи из двух элементов (рис. 5.5) справедливы выражения:
ВХ
Решение задачи заключается в том, что одна из характеристик
(например, Т?2(/)) зеркально развертывается и перемещается от-
носительно начала координат на величину U = UBX. Точка пере-
сечения ВАХ А дает искомый ток в цепи /вх и падение напряже-
ния на элементах Ux и U2.
В качестве примера рассчитаем цепь, содержащую последова-
тельное соединение полупроводникового диода и резистора при
UBX = 5 В и R = 1 кОм (рис. 5.6).
Рис. 5.6. Схема нелинейной цепи {а), решение методом пересечения ха-
рактеристик (б)
Рис. 5.7. Графоаналитический расчет нелинейной цепи
Строим ВАХ диода (7) и нагрузочную прямую 77вх = 7/ц + /вх7?
(2) по двум точкам: 7ВХ = 0 и 77д= 0. Точка пересечения характерис-
тик Л определяет ток в цепи: 7ВХ= 3,4 мА, 77д = 1,2 В и 772 = 3,8 В.
Если на входе нелинейных цепей действуют одновременно
постоянная и переменная составляющие тока, то используется
метод наложения. В этом случае вначале определяется режим по
постоянному току, а затем производится расчет по переменной
составляющей. Например, 7/вх= 7/0+ 7/max sin со/; 770= 5 В, 7/тах= 2 В,
R = 1 кОм (рис. 5.7).
Вначале определяется режим по постоянному току, т. е. [Г ,
о0
I' , UR . Затем на оси 7/ берутся две точки 7/вх miri = 3 В и 77вх тах =
ВХд ? ГХ. (, ~ 15 X 111111 15 X 11ШХ
= 7 В и проводятся две параллельные линии. Места пересечения
характеристик В и С дают 77g max,
g min? ^вхтах? ^вхгшп
5.2. Аналоговые усилители. Классификация.
Основные характеристики и параметры усилителей
Усилителем называется устройство, предназначенное для уси-
ления входных электрических сигналов по напряжению, току
или мощности за счет преобразования энергии источника пи-
тания в энергию выходного сигнала. Усилитель включает в себя
нелинейный элемент, управляемый входным электрическим си-
гналом 7/вх, источник питания 7/п и нагрузочное устройство с со-
противлением ZH.
НО
Рис. 5.8. Структурная схема усилительного
устройства
Входной сигнал t/BX управляет параметрами нелинейного эле-
мента (рис. 5.8). В качестве нелинейного элемента используются
электровакуумные приборы, транзисторы и др.
Усилитель может иметь один или два входа и один или два
выхода. Один из входов-обычно является прямым, а второй —
инверсным.
Классификация усилителей проводится по многим признакам:
• по виду усиливаемого сигнала — усилители гармонических и
импульсных сигналов;
• по типу усиливаемого сигнала — усилители напряжения, тока
и мощности;
• по диапазону усиливаемых частот — усилители постоянного
тока и усилители переменного тока. В свою очередь усилители
переменного тока в зависимости от диапазона усиливаемых час-
тот делятся на усилители низкой частоты (УНЧ), высокой часто-
ты (УВЧ), широкополосные и избирательные. Последние обеспе-
чивают усиление в узком диапазоне частот;
• по виду нагрузки — усилители с активной, активно-индук-
тивной и емкостной нагрузкой.
Усилители могут быть однокаскадными и многокаскадными с
гальванической, емкостной и индуктивной связью.
В зависимости от режима работы можно выделить два класса
усилителей: с линейным режимом работы и с нелинейным режи-
мом работы.
Основными характеристиками любого усилителя являются
(рис. 5.9):
• амплитудная характеристика, которая представляет собой за-
висимость С/вых = ср(/7вх). Для линейных усилителей это прямая,
проходящая через начало координат;
• амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) £/вых = ср(/) от-
ражает зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты.
Реально в усилителях из-за наличия паразитных емкостей и ин-
дуктивностей различные частоты усиливаются неодинаково;
• фазово-частотная характеристика UBMX = k(f) отражает зави-
симость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к
фазе входного сигнала;
Линейный
Широкополосный
Рис. 5.9. Характеристики усилителя:
а — амплитудная; б — амплитудно-частотная; в — фазово-частотная; г — пе-
реходная
• переходная характеристика отражает реакцию усилителя на
единичный скачок входного напряжения. Переходная характери-
стика определяется по ее изображению на экране осциллографа
при подаче на вход усилителя входного сигнала прямоугольной
формы. Процесс изменения выходного сигнала может быть коле-
бательным (кривая 7) либо апериодичным (кривая 2) (рис. 5.9, г).
Важнейшими параметрами усилителя являются:
• коэффициенты усиления по току Kh напряжению Ки и мощ-
ности Кр.
где /вх, 7ВЫХ, С7ВХ, t/BbIX, рвх, рвых — действующие значения токов,
напряжений и мощностей на входах и выходах усилителя;
• полоса пропускания усилителя 2Д/(рис. 5.10) характеризует
его частотные свойства. Измеряется на уровне 0,707 от Лт;1Х,
2А/=/в -Л*
Для наглядности в ряде случаев АЧХ строится в относительных
единицах усиления:
W)=
max
112
Рис. 5.10. Амплитудно-частотная характе-
ристика усилителя
где — коэффициент усиления на частоте /; Ктах — макси-
мальный коэффициент усиления;
• входное и выходное сопротивления, которые необходимо учи-
тывать при согласовании с источником входного сигнала и с на-
грузкой. В общем случае значения входного и выходного сопро-
тивлений носят комплексный характер и являются функцией от
частоты:
zm(f) = =
^вь,х(/)/4ых(/);
• выходная мощность усилителя — мощность, которая выделя-
ется на нагрузке;
• искажения сигналов в усилителе — отклонение формы выход-
ного сигнала от формы входного сигнала. Различают два вида
искажений: статические (нелинейные) и динамические (линей-
ные).
Нелинейные искажения возникают в усилителе за счет рабо-
ты его на нелинейном участке ВАХ. Количественно нелинейные
искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искаже-
ний
где Ап — амплитуда л-й гармоники; — амплитуда основной
гармоники выходного сигнала.
Линейные искажения определяются АЧХ усилителя и количе-
ственно оцениваются коэффициентами частотных искажений на
низких и высоких частотах.
Для получения высоких коэффициентов усиления в состав
усилителя входит обычно несколько каскадов. Первым каскадом,
как правило, является предварительный усилитель, затем идут
промежуточный усилитель и усилитель мощности. Предваритель-
ный усилитель обеспечивает связь источника сигнала с усилите -
113
лем. Он должен иметь большое входное сопротивление для того,
чтобы не ослаблять входной сигнал. Промежуточный усилитель
обеспечивает основное усиление, а усилитель мощности обеспе-
чивает заданную выходную мощность.
При построении усилительных устройств наибольшее распро-
странение получили каскады на биполярных и полевых транзис-
торах, включенных с ОЭ (ОИ) или с ОК (ОС).
5.3. Обратная связь в усилителях
Обратной связью (ОС) называется такая связь, при которой
сигнал с выхода усилителя через электрическую цепь поступает на
его входы. ОС изменяет свойства усилителя, поэтому она широко
используется для получения его требуемых параметров.
Структурная схема усилителя, охваченного ОС, приведена на
рис. 5.11.
В общем случае ОС в усилителе может быть положительной и
отрицательной.
Если сигнал ОС по фазе совпадает с входным, то связь назы-
вается положительной. В этом случае:
ВЫХ
^вх + ^ОС^вых ’
вх.сум? вх.сум
где KUq — коэффициент усиления усилителя без ОС; Кц —
коэффициент усиления усилителя с положительной обратной
связью (ПОС); Ьос — коэффициент передачи в цепи ОС.
Полученное выражение показывает, что введение в усилитель
ПОС увеличивает коэффициент усиления.
Рис. 5.11. Структурная схема усилителя с ОС
114
^вх.усил ~ Cxq —
а
Рис. 5.12. Обратная связь по напряжению (а) и току (б)
Отрицательная обратная связь (ООС) возникает, если фа-
зовый сдвиг выходного сигнала относительно входного состав-
ляет 180°:
ВЫХ
вх.сум? вх.сум
^вх ^ОС^вых ’
ос
Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиле-
ния усилителя. По способу получения сигнала ОС принято раз-
личать обратную связь по напряжению и по току (рис. 5.12).
Можно выделить четыре основные типа цепей ОС:
• последовательная по выходному напряжению;
• последовательная по выходному току;
• параллельная по выходному напряжению;
• параллельная по выходному току.
Каждая из указанных ранее цепей может осуществлять как по-
ложительную, так и отрицательную ОС.
В общем случае значение коэффициента передачи цепи ОС
может как зависеть, так и не зависеть от частоты сигнала. В со-
ответствии с этим различают частотозависимую и частотонезави-
симую ОС. Применение частотозависимых цепей ОС позволяет
изменять параметры усилительного устройства только в требуе-
мом диапазоне частот.
В качестве звена передачи сигнала ОС могут быть использова-
ны как линейные, так и нелинейные элементы. Это позволяет
изменять свойства усилителя только для заданных значений вход-
ного сигнала.
115
Рассмотрим более подробно влияние ОС на основные харак-
теристики усилителя.
Коэффициент усиления. В реальных усилительных устрой-
ствах коэффициент усиления зависит как от параметров исполь-
зуемых элементов, так и от условий эксплуатации: изменения
температуры окружающей среды, изменения напряжения пита-
ния, старения элементов и т.п.
Нетрудно показать, что при введении ООС относительное из-
менение коэффициента усиления в (1 + KU(b0C) раз меньше, чем
без нее:
При ПОС относительное изменение коэффициента усиления
усилителя будет больше, чем у исходного усилителя.
Полоса усиливаемых частот. Введение цепи ООС всегда рас-
ширяет полосу усиливаемых частот усилителя в (1+ boc) раз.
В свою очередь, при введении ПОС полоса пропускания усили-
теля уменьшается в (1-Ку Ьос) раз.
Нелинейные искажения. Введение в усилительное устройство
ООС снижает коэффициент нелинейных искажений усилителя и
повышает его помехоустойчивость.
Коэффициент нелинейных искажений определяется соотно-
шением
где Uim — амплитуда /-гармоники.
В предположении, что усилитель является линейной системой,
можно сказать, что напряжение любой гармоники на его выходе
вне зависимости от природы его возникновения складывается из
собственного напряжения этой гармоники и напряжения этой же
гармоники, прошедшей через цепь ООС и повторно через усили-
тель. Следовательно, для произвольной гармоники сигнал на вы-
ходе усилителя
отсюда
Uim ООС ~ Uim imOGc К и
116
Следовательно, любой сигнал, появившийся на выходе усили-
теля, вне зависимости от природы его возникновения будет
уменьшен в (1 +Ас) Раз- Отсюда
нООС _
или
^нООС —
Коэффициент нелинейных искажений при введении в усили-
тель ООС уменьшается в (1+ Ки Ьос) раз.
Рассуждая аналогично, можно прийти к выводу, что при вве-
дении в усилитель цепи ПОС его нелинейные искажения возра-
стут:
^нПОС-^н/0 А/0^Ос)*
Возрастает также и влияние на выходной сигнал усилителя
различных внешних помех, таких как напряжение наводок, фон
переменного тока и т.п.
Входное сопротивление. Изменение входного сопротивления
усилителя, охваченного цепью ОС, зависит только от способа ее
введения во входную цепь устройства.
Для усилителя, охваченного последовательной ООС (рис. 5.13),
для входного сопротивления можно записать
^вх ООС
Рис. 5.13. Структурная схема усилителя с цепью последовательной ООС
117
ООС — Bx vt'() ОС?
^вхООС ^вх0(1 + ^0^Ос),
где ZBXu — входное сопротивление усилителя без цепи ОС.
Таким образом, введение в усилитель последовательной ООС
в (1 + KU(bGC) раз увеличивает его входное сопротивление. Физи-
чески этот фактор можно объяснить следующим образом. При
введении последовательной ООС на выходе усилителя действует
разность напряжений (С/ист - Uooc), что при заданных парамет-
рах источника входного сигнала приводит к фактическому умень-
шению его входного тока, а это эквивалентно увеличению вход-
ного сопротивления усилителя. При наличии ПОС напряжение
ОС, складываясь с напряжением источника входного сигнала,
приводит к увеличению входного тока, что эквивалентно умень-
шению входного сопротивления, т. е.
Азх ПОС _ ^вхо Лэс ) •
Выходное сопротивление. Выходное сопротивление усили-
тельного каскада, охваченного цепью ОС, зависит только от спо-
соба снятия сигнала обратной связи и не зависит от того, каким
образом этот сигнал введен в его входную цепь.
Рассмотрим случай введения цепи ООС по напряжению
(рис. 5.14):
вых ООС
| Д ^вых
Д^ВЫХ
вых
ВЫХ ВЫХ 5
Рис. 5.14. Структурная схема усилительного устройства с цепью ООС по
выходному напряжению
118
Знак «-» говорит о том, что выходное напряжение инвертиро-
вано по отношению к входному напряжению. С учетом изложен-
ного получим:
7 -
вых ООС
Таким образом, введение в усилительное устройство ООС по
выходному напряжению уменьшает его выходное сопротивление
в (1 + ^0/>ос)раз.
Для случая с ПОС по выходному напряжению выходное сопро-
тивление
~ ВЫХ о
вых ПОС 1 1
При увеличении коэффициента передачи цепи ПОС выходное
сопротивление сначала увеличивается, стремясь к бесконечности,
изменяет знак и становится отрицательным.
а при £>ос
На основании этого можно сделать следующие выводы:
• введение цепи ОС может изменять основные параметры уси-
лительного устройства как количественно, так и качественно;
• выбором коэффициента передачи цепи ПОС можно добить-
ся получения отрицательных значений входного и выходного со-
противлений усилителя;
• способы введения и снятия сигналов ОС могут влиять на ха-
рактер воздействия обратной связи на параметры усилителя;
• если в качестве элементов цепи ОС использовать частотоза-
висимые элементы, то можно получить частотозависимые пара-
метры усилительного устройства.
5.4. Усилительный каскад по схеме
с общим эмиттером
Усилительный каскад по схеме с ОЭ может выполнятся как на
транзисторах/?—п —/?-типа, так и на транзисторах п—р — «-типа.
В качестве нагрузочного элемента каскада используется резистор
RK, включенный в коллекторную цепь транзистора, либо допол-
нительный нагрузочный элемент RH, включаемый параллельно
119
Рис. 5.15. Усилительный каскад с ОЭ (а) и временная диаграмма его
работы (б)
выходам коллектора и эмиттера транзистора. В последнем случае
усилительный каскад является инвертируемым.
Основными элементами схемы являются транзистор VTи ре-
зистор в цепи коллектора RK. Остальные элементы играют вспо-
могательную роль. Резисторы R1 и R2 создают напряжение сме-
щения С/см на базе транзистора и тем самым обеспечивают задан-
ный режим работы усилителя. Конденсаторы Cg разделяют пере-
менную и постоянную составляющие входного и выходного сиг-
налов (рис. 5.15).
При отсутствии входного сигнала выходной ток и выходное
напряжение постоянны: /к=/к и ^ВЫх=^вых0- При поступле-
нии на вход сигнала UBK он усиливается в Ки раз и снимается с
выхода в противофазе по отношению к входному сигналу.
Для усилителя с ОЭ входное сопротивление 7?вх определяется
параллельным включением резисторов Rb R2 и Авхэ:
1де Rm_3 — Р^вх.б-
Обычно R{ R2 >(2...5)Авх ,
где 7?вх э не превышает 1... 3 кОм.
Коэффициент усиления по току
Таким образом, каскад с ОЭ имеет большой коэффициент уси-
ления по току, который при RK » RH стремится к р.
Коэффициент усиления по напряжению
120
Коэффициент усиления Kv возрастает с увеличением р и 7?и.
Обычно Ку - 10... 100 и более.
Коэффициент усиления по мощности КР = KyKj составляет
(0,2...5) • 103.
Выходное сопротивление каскада с ОЭ
ВЫХ
Обычно гк_э» RK и Явых ~ RK.
Усилительный каскад с ОЭ осуществляет поворот по фазе на
180° выходного напряжения относительно входного. Емкость Cg
является разделительной, предназначенной для разделения посто-
янной и переменной составляющих сигнала.
Особенностью усилительного каскада с общим эмиттером яв-
ляется то, что он обеспечивает усиление по напряжению, току и
мощности. Поэтому он нашел широкое применение при создании
различных усилителей, генераторов, формирователей, преобразо-
вателей сигналов и т.д.
Основные режимы работы усилителя. В зависимости от ве-
личины смещения на базе транзистора UCM различают следующие
режимы работы усилителя: А, В, АВ, С, D.
Рис. 5.16. Входная {а) и выходная (б) характеристики усилителя в режи-
ме работы А
121
а б
Рис. 5.17. Входная {а) и выходная (б) характеристики усилителя в режи-
ме работы В
Режим А характеризуется выбором рабочей точки на линей-
ном участке входной характеристики (рис. 5.16). В исходном со-
стоянии транзистор открыт напряжением смещения Z7CM и в цепи
коллектора протекает ток /К(.. При поступлении входного сигна-
ла на выходе усилителя появляется выходной сигнал в противо-
фазе по отношению ко входному.
Режим А характерен тем, что форма выходного сигнала £4ых(0
повторяет форму входного сигнала t/BX(Z) за счет работы транзи-
стора в активной зоне без захода в область насыщения и отсеч-
ки. Режим характеризуется минимальными нелинейными искаже-
ниями.
В то же время работа усилителя в режиме А характеризуется
низким КПД, который теоретически не может превышать 0,5, что
объясняется постоянным током /Ко вне зависимости от наличия
или отсутствия входного сигнала. Поэтому такой режим исполь-
зуется только в маломощных каскадах, в которых необходимо
иметь минимальные нелинейные искажения.
На основе характеристик, приведенных на рис. 5.16, можно
пояснить графоаналитический метод расчета усилителя. По гра-
фикам можно определить:
• коэффициент усиления по току
ix _ * кшах ~Л0 _ 4 max .
J т Т
* б min — бр Ч) max
• коэффициент усиления по напряжению
122
вых max .
5
вх max
коэффициент усиления по мощности
Режим В характеризуется тем, что напряжение смещения
UCM = 0, а, следовательно, рабочая точка выбирается в самом на-
чале входной характеристики (рис. 5.17). Особенностью работы
усилителя в режиме В является то, что при отсутствии входного
сигнала отсутствуют базовые и коллекторные токи.
При поступлении входного сигнала ток в коллекторе имеет
пульсирующий характер и протекает в течение половины перио-
да. Режим В характеризуется высоким КПД, который может до-
стигать 70 %, однако выходной сигнал сильно искажается. Поэто-
му такой режим применяется только в двухтактных усилителях.
Режим АВ занимает промежуточное положение между режи-
мами А и В. Он характеризуется небольшим напряжением смеще-
ния С/см и меньшими нелинейными искажениями по сравнению
с режимом В. Режим АВ используется в высококачественных
двухтактных усилителях мощности.
Режим С характеризуется тем, что рабочая точка на входной
характеристике сдвинута влево от начала координат. Следователь-
но, более половины периода транзистор находится в закрытом
а б
Рис. 5.18. Входная (а) и выходная (б) характеристики усилителя в режи-
ме работы D
123
Рис. 5.19. Параметрическая стабилизация с использованием терморези-
стора (а) и полупроводникового транзистора (6)
состоянии. В этом режиме наблюдается высокий КПД, большие
нелинейные искажения. Режим С применяется в генераторах ча-
стоты.
Режим D характеризуется тем, что усилительный элемент мо-
жет находиться в открытом (режим насыщения) либо в закрытом
(режим отсечки) состояниях (рис. 5.18). В режиме насыщения
/ у
базовый ток Z6 = —г—, где у — коэффициент насыщения транзи-
р
стора, который принимается равным 1,5...2.
Таким образом, ток в выходной цепи может принимать толь-
ко два значения: ZKmax= ZHac и /Kmin ~ 0. Скорость перехода из од-
ного состояния в другое характеризует быстродействие усилитель-
ного элемента. Обычно Снас < 1 В, поэтому КПД такого усили-
тельного каскада близок к единице.
Режим работы D, который называют еще ключевым режимом,
применяется в ИС.
Методы стабилизации работы усилителя по схеме с ОЭ.
Основные параметры каскада усилителя с ОЭ зависят от внешних
возмущений и в первую очередь от температуры. При изменении
температуры изменяется обратный ток /к обр, напряжение (7б_э,
коэффициенты аир. Все эти изменения принято характеризо-
вать понятием дрейф нуля усилителя. Внешние воздействия, из-
меняя ток покоя транзистора, выводят транзистор из заданного
режима. Это особенно опасно для усилителей, работающих в ре-
жиме А, так как транзистор может перейти в нелинейную область
характеристики.
Существуют три основных метода стабилизации работы тран-
зисторного каскада: термокомпенсация, параметрическая стаби-
лизация и введение ООС.
124
рис. 5.20. Транзисторный усилитель с ООС
по току
Термокомпенсация заключается в том, что отдельные термо-
зависимые элементы или целиком каскады помещаются в термо-
камеру с постоянной температурой.
Параметрическая стабилизация основана на введении в схе-
му элементов, которые компенсируют изменение параметров схе-
мы при внешних воздействиях среды. Например, воздействие
температуры может быть уменьшено введением в схему полупро-
водниковых элементов или терморезисторов.
Введение ООС является более распространенным. ООС осу-
ществляется за счет введения в цепь эмиттера резистора R3 (рис.
5.20). Ток эмиттера, протекая по резистору Аэ, создает на нем
падение напряжения Uooc - 1ЭВЭ. Это напряжение автоматичес-
ки складывается с напряжением на базе, однако направлено
встречно и компенсирует температурные изменения напряжения
на базе транзистора. Конденсатор Сэ уменьшает ООС по полез-
ному сигналу.
Введение ООС увеличивает входное сопротивление усилитель-
ного каскада, расширяет полосу пропускания, уменьшает линей-
ные и нелинейные искажения, делает работу схемы более устой-
чивой.
Данный метод является универсальным методом стабилизации
параметров не только одиночного транзисторного каскада, но и
всего усилителя в целом. При правильном выборе он способен
компенсировать влияние всех воздействующих на усилитель вне-
шних воздействий.
В некоторых усилителях используются одновременно метод
параметрической стабилизации и введение ООС по току и напря-
жению.
5.5. Усилительный каскад по схеме
с общим коллектором
Усилитель на транзисторе с ОК более часто называют эмиттер-
ным повторителем. Он представляет собой каскад со 100%-й по-
125
Рис. 5.21. Усилительный каскад с ОК
следовательной ООС по току. В отличие от усилителя по схеме с
ОЭ, схема с ОК (рис. 5.21) не инвертирует входной сигнал.
Рассмотрим основные характеристики эмиттерного повтори-
теля:
• коэффициент усиления по току
• коэффициент усиления по напряжению с учетом 100%-й
ООС (Z>oc= 1)
• входное сопротивление
^вхОК
Рис. 5.22. Усилительные каскады с динамической нагрузкой в виде ге-
нератора тока на биполярных (а), полевых (б) и МДП-транзисторах (в)
126
При больших сопротивлениях 7?j и Т?2 входное сопротивление
/?вхок ~ (Р + ||• Обычно в практических схемах Лвх достига-
ет 200...300 кОм при R3 = 10 кОм. Выходное сопротивление по-
вторителя Лвых = /? и составляет десятки ом. Эмиттерные повто-
рители используются в основном в качестве согласующего эле-
мента. На базе транзисторного усилителя с ОК можно построить
источник постоянного тока. Для этого необходимо обеспечить
постоянный базовый ток транзистора или ввести постоянную об-
ратную связь по току.
Для повышения коэффициента усиления транзисторного кас-
када с ОЭ в качестве резистора RK часто используется нелиней-
ный элемент, статическое сопротивление которого значительно
меньше его дифференциального сопротивления. В этом случае
падение напряжения на этом элементе от протекания тока будет
определяться его статистическим сопротивлением, а отклонение
выходного напряжения — динамическим сопротивлением. Роль
нелинейного элемента выполняет транзистор (рис. 5.22).
На рис. 5.22, а приведена схема усилителя на п — р—«-тран-
зисторе VT1, включенном по схеме с ОЭ, у которого в качестве
сопротивления Лк использован источник постоянного тока на
транзисторе VT2р — п —р-типа.
Аналогично могут быть построены усилители и на полевых
транзисторах. Усилительные каскады с динамической нагрузкой
имеют максимальный коэффициент усиления.
Для увеличения коэффициента усиления транзисторов ис-
пользуется их каскадное включение. Такие транзисторы называ-
ются составными транзисторами, или схемами Дарлингтона.
Для схемы Дарлингтона коэффициент усиления по току
где рь р2 — коэффициенты усиления соответственно первого и
второго транзисторов.
Структура составного транзистора может быть построена с ис-
пользованием как полевых, так и биполярных транзисторов. На
Рис. 5.23. Схема Дарлингтона с использованием
полевого и биполярного транзисторов
127
рис. 5.2.3 приведена схема составного транзистора, который отли-
чается большим входным сопротивлением и коэффициентом уси-
ления по току, что обеспечивает возможность управления мощ-
ной нагрузкой непосредственно от маломощного источника сиг-
нала.
5.6. Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель представляет собой мостовые
усилительные каскады параллельного типа. Они обладают высо-
кой стабильностью параметров при воздействии различных де-
стабилизирующих факторов, большим коэффициентом усиления
дифференциальных сигналов и высокой степенью подавления
синфазных помех. Усилитель состоит из двух каскадов, построен-
ных на транзисторах с ОЭ, у которых имеется общий эмиттерный
резистор R3 <рис. 5.24) и два входа — прямой и инверсным.
Элементы схемы образуют мост, в одну диагональ которого
включен источник питания а в другую — сопротивление на-
грузки 7?н.
Для балансировки моста (UBUX = 0) необходимо, чтобы
где RyT1, Rvt2 — выходные сопротивления транзисторов VT1 и
VT2.
Рис. 5.24. Дифференциальным усилительным каскад (а) и его эквива-
лентная схема (б)
128
Таким образом, можно утверждать, что если элементы схемы
будут полностью идентичны, то выходное напряжение будет ос-
таваться постоянным при воздействии внешних дестабилизиру-
ющих факторов:
£7 = АД RK - Д 7 R .
ВЫХ К| К| К2 К 2
Дифференциальный усилитель имеет два входа и два выхода,
поэтому для выходного напряжения можно записать
ВЫХ
BblXj
вых2
ВХ]
где К{, К2-— коэффициенты усиления каскадов соответственно на
транзисторах VT1 и VT2.
В общем случае:
=2СГ ;
U =-U
BXt ВХ;
где Kgy — коэффициент усиления дифференциального усилителя,
В отличие от полезного сигнала, который поступает на входы
дифференциального усилителя в противофазе, на входы усилите-
ля действуют сигналы, совпадающие по фазе. Такие сигналы на-
зываются синфазными. Появление этих сигналов обусловлено
действием различных дестабилизирующих факторов, например,
изменением температуры окружающей среды, изменением питаю-
щих напряжений, наводками внешних электромагнитных полей.
Для идеального дифференциального усилителя синфазные сигна-
лы полностью подавляются. В реальных усилителях из-за неиден-
тичности каскадов подавление будет неполным и характеризует-
ся коэффициентом подавления синфазных помех Ки сф.
Значение Кп сф в современных дифференциальных усилителях
достигает 104... 106. Коэффициент Л?псф в значительной степени
характеризует дрейф нуля усилителя, т. е. изменение выходного
напряжения при постоянном входном сигнале. Для снижения
дрейфа нуля производят подбор пар транзисторов с одинаковы-
ми параметрами и увеличение R3. Для увеличения Аэ в эмиттер-
5 Лаврентьев
129
ную цепь ставится не пассивным резистор, а нелинейный двухпо-
люсник, например, транзисторный источник тока на биполярном
или полевом транзисторе. Эти схемы при небольшом статическом
сопротивлении обладают большим дифференциальным сопро-
тивлением.
Для увеличения коэффициента усиления в современных диф-
ференциальных усилителях вместо резисторов RK используют ак-
тивную нагрузку, выполненную на транзисторах. Входное сопро-
тивление дифференциального усилителя может быть существен-
но увеличено при использовании в каскадах полевых транзисто-
ров.
5.7. Многокаскадные усилители
Коэффициент усиления одиночных транзисторных каскадов
не превышает нескольких десятков, поэтому для усиления слабых
сигналов применяются многокаскадные усилители, которые стро-
ятся путем последовательного соединения отдельных усилитель-
ных каскадов (рис. 5.25).
В многокаскадных усилителях выходной сигнал предыдущего
усилителя является входным сигналом для последующего каска-
да. Входное сопротивление многокаскадного усилителя определя-
ется входным сопротивлением первого каскада, а выходное —
выходным сопротивлением последнего каскада. Коэффициент
усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэф-
фициентов усиления всех каскадов, входящих в него:
где KU},Ku^ ..., KUn — коэффициенты усиления отдельных кас-
кадов.
Важными характеристиками многокаскадного усилителя явля-
ются его АЧХ и амплитудная характеристики. Отдельные каска-
ды могут иметь различные АЧХ. Общая АЧХ многокаскадного
усилителя определяется всеми входящими в его состав каскадами.
Рис. 5.25. Структурная схема многокаскадного усилителя
130
Рис. 5.26. Схема многокаскадного усилителя с емкостными связями
Связь отдельных каскадов друг с другом осуществляется с по-
мощью конденсаторов, трансформаторов или непосредственно.
В соответствии с этим различают многокаскадные усилители с
емкостной, индуктивной или гальванической связями.
Ниже приведен пример многоканального усилителя с емкост-
ными связями (рис. 5.26). Усилитель состоит из трех каскадов.
Разделительные емкости Cg не пропускают постоянную составля-
ющую коллекторного напряжения в базовую цепь последующего
каскада. Элементы R3, Сэ стабилизируют работу каскада в широ-
ком интервале температур.
Расчет многокаскадного усилителя производят, начиная с око-
нечного каскада к первому. Оконечный каскад рассчитывается по
обеспечению требуемой мощности или тока (напряжения). Коли-
чество каскадов определяется общим коэффициентом усиления.
В многокаскадных усилителях широко используются ОС, с помо-
щью которых достигаются требуемые технические параметры.
5.8. Усилители постоянного тока
Усилители постоянного тока (УПТ) усиливают не только пе-
ременную составляющую сигнала, но и его постоянную состав-
ляющую. Они должны иметь большой коэффициент усиления,
небольшое напряжение смещения и малый дрейф. Обычно
УПТ состоит из нескольких каскадов с непосредственными
связями.
По принципу действия УПТ подразделяются на два основных
типа: УПТ прямого усиления и УПТ с преобразованием сигнала.
УПТ прямого усиления представляют собой многокаскадный
усилитель с непосредственными связями. Для уменьшения дрей-
фа в качестве первого каскада применяется дифференциальный
усилитель. Для питания УПТ используются, как правило, два раз-
нополярных источника напряжения.
131
б
Рис. 5.27. Блок-схема УПТ с преобразованием сигнала {а) и временные
диаграммы его работы (б)
В УПТ с преобразованием сигнала входной сигнал внача-
ле преобразуется в сигнал переменного тока, который далее
усиливается усилителем низких частот (УНЧ) и демодулирует-
ся. Ввиду того, что усиление сигналов происходит в УНЧ по пе-
ременному току, дрейф практически отсутствует, так как раз-
делительный конденсатор Cg не пропускает постоянную со-
ставляющую.
Блок-схема УПТ с преобразованием сигнала и временные ди-
аграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 5.27. Недо-
статками таких УПТ являются наличие в выходном сигнале пере-
менной составляющей, которую можно снизить установкой допол-
нительного фильтра, и недостаточно широкая полоса пропускания.
К УПТ относятся и операционные усилители, которые явля-
ются основной элементной базой современной аналоговой элек-
троники.
В настоящее время УПТ выполняются в виде интегральных
схем. УПТ широко используются в электронных вычислительных
устройствах, стабилизаторах, системах автоматического управле-
ния.
5.9. Избирательные усилители
Избирательные усилители предназначены для усиления сигна-
лов в узкой полосе частот. По принципу действия различают из-
бирательные усилители: резонансные и усилители с обратной
связью.
132
вых
a
вых max
Рис. 5.28. Схема резонансного усилителя (а) и его АЧХ (6)
В резонансных усилителях в качестве нагрузки применяется
колебательный контур, имеющий большое сопротивление на ре-
зонансной частоте/о и малое для других частот (рис. 5.28).
Избирательные свойства усилителя оцениваются добротностью:
(W)’
где/о — резонансная частота контура; полоса пропускания
контура.
а
Рис. 5.29. Структурная схема избирательного усилителя с частотно-из-
бирательными фильтрами (а) и его АЧХ (б)
Резонансные усилители обладают высокой помехозащищенно-
стью и часто используются в измерительных и приемопередаю-
щих устройствах на высоких и средних частотах. На более низких
частотах избирательные усилители с резонансными контурами
становятся слишком крупногабаритными из-за размеров индук-
тивности L. Усилители с обратной связью обычно используют-
ся на низких частотах. На рис. 5.29 приведена структурная схе-
ма такого усилителя с двойным Т-образным мостом, включен-
ным в цепь ОС усилителя. Резонансная частота такого усилите-
ля определена по формуле
1
,/о " 2лЯС’
На частоте/о сопротивление Т-образного моста максималь-
но, а ООС минимальна. Следовательно, усиление будет макси-
мальным. На частотах, отличающихся от fQi сопротивление мо-
ста уменьшается и за счет ООС усиление усилителя уменьша-
ется.
5.10. Усилители мощности
Усилители мощности обычно являются выходными каскадами
многокаскадных усилителей и предназначены для получения в
нагрузке большой мощности. В связи с этим такие усилители дол-
жны иметь высокий КПД и минимальные нелинейные искаже-
ния. Усилители мощности выполняются на мощных биполярных
и полевых транзисторах, включенных по схеме с ОЭ или с ОК.
По способу включения нагрузки усилители мощности бывают
трансформаторными и бестрансформаторными, а также однотак-
тными и двухтактными. Однотактные усилители работают обыч-
но в режиме А, а двухтактные — в режиме В или АВ. Схема од-
Рис. 5.30. Схема однотактного усилителя
мощности с трансформаторным выходом
134
Kl
a
Рис. 5.31. Схема двухтактного трансформаторного усилителя мощности
(а), входная характеристика для режима В (6), для режима АВ (в)
нотактного усилителя мощности с трансформаторным выходом,
работающего в режиме А, приведена на рис. 5.30.
Однотактный усилитель имеет низкий КПД и используется
редко. Расчет такого каскада производят графоаналитическим
методом с использованием динамических характеристик.
Схема двухтактного трансформаторного усилителя мощности
приведена на рис. 5.31. Усилитель выполнен на двух транзисторах:
VT1 и VT2. В коллекторные цепи транзисторов подключен вы-
ходной трансформатор Тр2. Трансформатор Тр1 обеспечивает
подачу входного сигнала UBX на базы транзисторов. Каскад рабо-
тает в режиме В. Следовательно, при отсутствии сигнала токи в
транзисторах отсутствуют и к коллекторам транзисторов прикла-
дывается напряжение Un.
При поступлении на вход усилителя сигнала WBX каждая полу-
волна открывает поочередно один из транзисторов, и через пер-
вичную обмотку трансформатора Тр2 протекает ток полуволны.
Таким образом, процесс усиления входного сигнала происходит
135
a
Рис. 5.32. Бестрансформаторный усилитель мощности на транзисторах
разной проводимости (<э) и одного типа проводимости (б)
в два такта. КПД двухтактного трансформаторного усилителя по
сравнению с однотактным увеличивается примерно в 1,5 раза и
достигает максимального значения 0,785.
Вследствие нелинейности начального участка входной харак-
теристики возникают нелинейные искажения (рис. 5.31, б). Если
подать на базу транзисторов небольшое напряжение смещения
UCM, то нелинейные искажения можно свести к минимуму (рис.
5.31, в).
Бестрансформаторные усилители мощности позволяют упро-
стить схемы усилителей мощности за счет исключения крупнога-
баритных трансформаторов. Наибольшее распространение полу-
чили две схемы бестрансформаторных усилителей мощности: на
транзисторах разного типа проводимости и на транзисторах од-
ного типа проводимости (рис. 5.32).
Первая схема усилителя (рис. 5.32, а) представляет собой два
последовательно соединенных эмиттерных повторителя. Вторая
схема (рис. 5.32, б) содержит фазорасщепитель VT1 и выходные
усилительные каскады. VT2 и VT3 применяются часто в выход-
ных каскадах интегральных схем ТТЛ-логики.
В микросхемах повышенной мощности в качестве транзисто-
ра VT2 используется составной транзистор. Бестрансформатор-
ные усилители нашли широкое применение при работе на емко-
стную нагрузку, в частности, на линию связи, а также в импуль-
сных устройствах.
5.11. Операционные усилители
Операционный усилитель (ОУ) — это многокаскадный усили-
тель постоянного тока с большим коэффициентом усиления. Для
идеального ОУ Ки -э Авх —> 7?ВЬ1Х —» 0, А/-» оо. ОУ имеет два
136
или три каскада. Первым каскадом является дифференциальный
усилитель, вторым — усилитель напряжения и последним — уси-
литель мощности. Питание ОУ осуществляется от двух разнопо-
лярных источников питания. ОУ имеет два входа (прямой и ин-
версный) и один выход, а также ряд дополнительных выводов для
балансировки и для коррекции АЧХ. Условное графическое изоб-
ражение ОУ приведено на рис. 5.33. Выходное напряжение свя-
зано с входным напряжением UBXl и €/вх? соотношением
Г'вых = (^bxi — ^вх2)>
где KUo — коэффициент усиления ОУ по напряжению.
В настоящее время ОУ выполняются в виде ИС.
ОУ характеризуют следующие параметры:
• коэффициент усиления по напряжению
ВЫХ
вх
Обычно =105 ...107;
• амплитудно-частотная характеристика;
• частота единичного усиления fcn — частота, на которой коэф-
фициент усиления Kv =1;
• входное сопротивление 7?вх. Для повышения входного сопро-
тивления в первом каскаде могут использоваться полевые тран-
зисторы;
• выходное сопротивление Явых, обычно составляет сотни ом;
• входные токи 7вх(_> и /вх(+) — токи, протекающие по входным
шинам;
• разность входных токов
А/Кх
da
. Входные токи
могут отличаться друг от друга на 10... 20 %;
• выходной ток /вых — максимальное значение выходного тока
ОУ, при котором гарантируется его работоспособность;
Рис. 5.33. Графическое изображение ОУ
137
• скорость нарастания выходного сигнала v — характеризует
частотные свойства усилителя при его работе в импульсных схе-
мах. Измеряется в вольтах на секунду;
• напряжение смещения UCM. Численно напряжение смещения
определяется как напряжение, которое необходимо приложить ко
входу усилителя для того, чтобы его выходное напряжение было
равно 0. Обычно Ucu составляет от единиц до десятков милли-
вольт;
• мощность (или ток) потребления;
• дрейф напряжения смещения &UCM/°C;
• дрейф разности входных токов А/ВХ/°С;
• коэффициент подавления синфазных помех.
Кроме перечисленных параметров ОУ характеризуются целым
рядом предельно допустимых основных эксплуатационных пара-
метров.
Применение и классификация ОУ. ОУ, по существу, является
идеальным усилительным элементом и составляет основу всей
аналоговой электроники. Это стало возможным в результате до-
стижений современной микроэлектроники, позволившей реали-
зовать достаточно сложную структуру ОУ в интегральном испол-
нении на одном кристалле и наладить массовый выпуск подоб-
ных устройств. Поэтому ОУ можно рассматривать в качестве про-
стейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзисто-
ру и т. д.
В качестве источника питания ОУ используют двухполярный
источник напряжения (+t/n, -Un). Средний вывод этого источни-
ка, как правило, является общей шиной для входных и выходных
сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ В ре-
альных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне ±3... 18 В. Ис-
пользование источника питания со средней точкой предполага-
ет возможность изменения не только уровня, но и полярности как
входного, так и выходного напряжений ОУ.
Все ОУ имеют либо внутреннюю коррекцию АЧХ, либо вне-
шнюю. В последнем случае к выводам ОУ подключаются пассив-
ные внешние элементы, в качестве которых используются резис-
торы и емкости. Некоторые ОУ имеют защиту от короткого замы-
кания.
В соответствии с ГОСТ 4.465—86 все ОУ подразделяются на
следующие группы по совокупности их параметров и назначению:
• универсальные (или ОУ общего применения) используются
для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную приве-
денную погрешность на уровне 1 %. Характеризуются относи-
тельно малой стоимостью и средним уровнем параметров (на-
пряжение смещения UCM — единицы милливольт, температурный
дрейф ДСсм/ДГ — десятки микровольт на градус Цельсия, коэф-
138
фициент усиления Ки — десятки тысяч, скорость нарастания
г^вых — от Десятых долей до единиц вольт на микросекунду);
• прецизионные (высокоточные) ОУ используются для усиления
малых сигналов и характеризуются малыми значениями напряже-
ния смещения и его температурным дрейфом, большими коэффи-
циентами усиления и высоким коэффициентом подавления син-
фазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким
уровнем шумов. Их основные параметры: напряжения смещения
UCM < 250 мкВ; температурный дрейф АСсм/ЛГ < 5 мкВ/°C; ко-
эффициент усиления К и 200 тыс. Прецизионные ОУ строятся
обычно на принципе модуляции — демодуляции. Например, ОУ
К140УД21, К140У24 и др.;
• мощные и высоковольтные ОУ — усилители с выходными
каскадами, построенными на мощных высоковольтных элементах.
Выходной ток /вых > 100 мА, выходное напряжение {/вых > 15 В.
К таким ОУ относятся К157УД1, К1408УД1, К1422УД1 и др.;
• быстродействующие ОУ используются для преобразования
высокочастотных сигналов. Они характеризуются высокой скоро-
стью нарастания выходного сигнала, малым временем установле-
ния, высокой частотой единичного усиления/с-,. Для таких ОУ
обычно: v > 50 В/мкс, ZycT < 1мкс,/ёя МГц.
Быстродействующие усилители склонны к самовозбуждению,
поэтому для предотвращения генерации в схеме необходимо
уменьшить паразитную емкость между выходом ОУ и его входа-
ми. Для уменьшения указанной паразитной емкости применя-
ют специальные внешние цепи коррекции, состав которых за-
висит от задачи, которую решают ОУ. К быстродействующим ОУ
относятся следующие ИС: К140УД10, К140УД11, К544УД2,
К574УД2;
• микромощные ОУ отличаются минимальными потребляемы-
ми мощностями. Потребляемый ток иногда можно регулировать
с помощью внешнего резистора, поэтому такие ОУ иногда назы-
ваются программируемыми. Микромощные ОУ широко исполь-
зуются в автономной аппаратуре, где важнейшим параметром яв-
ляется минимальная потребляемая мощность. К таким ОУ отно-
сятся ИС: К140УД12, К153УД4, К1401УДЗ;
• многоканальные ОУ представляют собой несколько ОУ
(обычно два или четыре), размещенных в одном корпусе. Приме-
няются для снижения массогабаритных показателей. Например,
К140УД20, К1401УД1, К1407УД2.
Особую группу ОУ составляют усилители с большим входным
сопротивлением. Их входное сопротивление превышает десятки
мегаом, а входной ток /вх не превышает 100 нА. У таких ОУ в
первом каскаде используются полевые транзисторы, например,
ОУ К140УД8, К544УД2 и др. Для получения малого значения вход-
139
Рис. 5.34. Повторитель напряжения
ного тока могут применяться так называемые супер-бета-транзи-
сторы, у которых коэффициент усиления по току превышает 5 000.
В настоящее время ОУ являются основными элементами для
построения аналоговых и импульсных схем. Ниже приведены ос-
новные функциональные схемы, выполненные на базе ОУ.
Преобразователи аналоговых сигналов на ОУ. Обычно
функции, выполняемые ОУ, определяются элементами ОС, в ка-
честве которых используются резисторы, емкости, индуктивно-
сти, полупроводниковые приборы и т. д. На основе ОУ могут быть
построены повторители, масштабные усилители, интеграторы,
сумматоры, функциональные преобразователи, стабилизаторы
тока и напряжения, активные фильтры, усилители переменного
тока, генераторы импульсных сигналов, схемы сравнения и т. д.
Повторитель напряжения (рис. 5.34) представляет собой
усилитель, охваченный 100%-й ООС по выходному напряже-
нию boc = 1. Для повторителя £7ВЫХ = UBX:
где Ку — коэффициент усиления без ООС; R — входное со-
противление ОУ без ООС.
Благодаря большому входному сопротивлению и малому вы-
ходному сопротивлению повторитель используется в качестве со-
гласующего элемента.
Неинвертирующий масштабный усилитель (рис. 5.35). Здесь
коэффициент передачи делителя в цепи ООС определяется выра-
жением
140
Отсюда коэффициент усиления усилителя
оо, получаем
Полагая, что KUq
^оос
На основании последнего выражения можно сделать вывод,
что коэффициент усиления усилителя не зависит от параметров
ОУ и не может быть меньше единицы. Следует отметить, что в
рассматриваемом усилителе фазы входного и выходного напряже-
ний совпадают.
Если сопротивление Zx отсутствует, то неинвертирующий уси-
литель превращается в повторитель напряжения с коэффициен-
том усиления, равным единице. Такой повторитель используется
в качестве элемента согласования между источником сигнала и
нагрузкой. В качестве повторителя напряжения часто применяют-
ся ОУ, у которых в первом каскаде (в дифференциальном усили-
теле) использованы полевые транзисторы.
В инвертирующем усилителе входной сигнал и сигнал ОС по-
дается на инвертирующий вход ОУ (рис. 5.36). В отличие от не-
инвертирующего усилителя входной сигнал попадает на вход ОУ
не непосредственно, а через делитель ZY и Zoc.
Приняв Лвых= 0, можно записать
вх
Рис. 5.35. Неинвертирующий усилитель
141
вх
Рис. 5.36. Инвертирующий усилитель
1 + ^С/0Лэс + ^ОС 1 + ZxKUq
Kv
О ООС
где Кдел
Полагая, что Кщ —> оо? получаем
UООС
Для инвертирующего усилителя фазы входного и выходного
напряжений сдвинуты относительно друг друга на 180°. Входное
сопротивление усилителя практически равно сопротивлению ре-
зистора Z}, так как напряжение на входе ОУ имеет знак «-» за счет
Рис. 5.37. Дифференциальный усилитель
ВХ
142
Рис. 5.38. Интегратор на базе ОУ
действия ООС и стремится к нулю. Следовательно, при любых
входных сигналах разность напряжения между инвертирующими
и неинвертирующими входами стремится к нулю.
В дифференциальном усилителе входной сигнал СЛВХ подает-
ся на прямой и инверсный входы (рис. 5.37). Особенностью та-
кого усилителя является значительное ослабление синфазных по-
мех.
Интегратор представляет собой ОУ, в цепь ОС которого вкдю-
чен конденсатор С (рис. 5.38). Для интегратора С/ВЬ1Х = —
RC о
Для повышения точности интегратора необходимо использовать ОУ
Рис. 5.39. Функциональный преобразователь на ОУ (а) и его передаточ-
ная характеристика (б)
ВЫХ
143
Рис. 5.40. Стабилизатор тока
с малыми значениями UCM, ZBX и Д/вх и ограничить максимальное вре-
мя интегрирования. Известны схемы, в которых выходное напряже-
ние равно интегралу от разности входных напряжений. Эти схемы
строятся на основе дифференциальных усилителей.
Функциональные преобразователи на ОУ обеспечивают не-
линейную зависимость входного и выходного напряжений. Такие
преобразователи представляют собой масштабные усилители,
цепи ОС которых выполнены в виде сложных делителей, содер-
жащих линейные и нелинейные элементы. В качестве примера
рассмотрим схему ОУ с убывающим коэффициентом усиления
(рис. 5.39).
Здесь стабилитроны VD1 и VD2 включены в цепь ООС. При
напряжениях (Uvdia UvdA возникает пробой соответствующих
стабилитронов и скачком изменяется сопротивление обратной
связи 7?оос.
В ряде случаев в цепь ОС включаются более сложные элект-
ронные схемы, например, цифроаналоговые преобразователи.
В таких схемах можно дискретно (ступенчато) изменять коэффи-
циент усиления масштабного усилителя путем подачи соответ-
ствующего цифрового кода. Коэффициент усиления таких усили-
телей можно изменять практически от 0 до 2", где п — разряд-
ность цифрового кода.
Один из возможных вариантов стабилизатора тока приве-
ден на рис. 5.40. Значение тока нагрузки /н устанавливают вход-
ным напряжением С/вх. Транзистор позволяет стабилизировать
выходной ток. Данное устройство можно рассматривать как уси-
литель с последовательной ООС по току. При изменении
изменяется и /н, а, следовательно, и напряжение Z73, которое
через ОУ поступает в противофазе на базу транзистора VT и
изменяет его сопротивление таким образом, что Лн+ RVT~ const.
Ввиду большого коэффициента усиления ОУ Kv , коэффициент
нестабильности по току будет очень небольшим.
Активные фильтры используются для формирования частот-
ной характеристики заданного типа. Данные фильтры представ-
144
R2
I---1
ЕВых = -(А2/Л1)С/вх
Рис. 5.41. ОУ с защитой от короткого замыкания
ляют собой ОУ, в ОС которого включены частотозависимые эле-
менты. Они подразделяются на фильтры низкой и высокой часто-
ты, полосовые и режекторные (заградительные) фильтры.
Режекторными являются фильтры Чебышева, Баттерворда и
Бесселя.
В зависимости от числа частотозависимых цепочек RC актив-
ные фильтры бывают фильтрами первого, второго, третьего и т.д.
порядка.
Особенности использования ОУ. Для питания ОУ применя-
ются два разнополярных источника питания. Эти напряжения по
абсолютному значению не должны отличаться друг от друга бо-
лее чем на 10 %. Обычно ОУ могут работать в широком диапазо-
не изменения питающих напряжений Un = 2... 18 В.
Для предотвращения паразитной генерации в цепях питания
ОУ устанавливаются фильтры в виде керамических конденсато-
ров емкостью (10...68) нФ.
Если ОУ не имеют защиты от короткого замыкания, то после-
довательно с выходом устанавливается резистор R3 = 200 Ом,
включенный последовательно в цепь ОС. Такое включение не по-
вышает величину выходного сопротивления (рис. 5.41).
Изменение коэффициента усиления ОУ возможно путем изме-
нения величины резисторов R{ и R2, однако такая регулировка
Рис. 5.42. ОУ с изменяющимся
коэффициентом усиления
145
Рис. 5.43. Балансировка ОУ
может привести к неустойчивости в работе усилителя. Более пред-
почтительна регулировка, представленная на рис. 5.42. С помо-
щью потенциометра 7?н можно изменять коэффициент усиления
от нуля до максимальной величины
Л
Балансировка ОУ представляет собой операцию по компенса-
ции напряжения смещения в ОУ. Балансировка производится с
помощью многооборотного потенциометра Лб, начало и конец
которого подключены на входы R ОУ, а средний вывод — на ис-
точник питания Un (-t/n) (рис. 5.43). Для балансировки входы ОУ
заземляются, и с помощью потенциометра Лб устанавливается
напряжение t/BbIX= 0. Балансировка позволяет компенсировать
напряжение смещения ОУ в данный момент при действующих де-
стабилизирующих факторах. При изменении параметров питаю-
щих напряжений и внешних факторов, таких как температура и
влажность окружающей среды, балансировка нарушается и ее не-
Рис. 5.44. Схема автоматической установки нулей ОУ (а), временная
диаграмма работы (б)
обходимо периодически повторять. Поэтому в ряде случаев при-
меняется автоматическая установка нулей ОУ (рис. 5.44), которая
очень эффективна при работе в широком диапазоне рабочих тем-
ператур и нестабильных источниках питания.
В состав схемы автоматической установки нулей входит основ-
ной ОУ DA1, вспомогательный ОУ DA2, ключ SA1, который пе-
риодически замыкает вход DA 1 на землю. Во время замыкания
напряжение смещения UCM усиливается вспомогательным ОУ DA1
и заряжает емкость памяти Сп, подключенную к прямому входу
ОУ DA1. Напряжение на емкости Сп стремится к (лч UCM. При
размыкании ключа происходит автоматическая компенсация на-
пряжения смещения. Частота переключения ключа составляет
20...50 Гц. При изменении внешних условий, напряжения пита-
ния и других параметров автоматически производится компенса-
ция напряжения смещения. Для нормальной работы схемы ем-
кость памяти Сп должна иметь высокую добротность, а основной
ОУ выбираться с большим входным сопротивлением.
5.12. Активные фильтры
Активный фильтр представляет собой четырехполюсник, со-
держащий пассивные АС-цепи и активные элементы: транзисто-
ры, электронные лампы или ОУ В отличие от пассивных, актив-
ные фильтры обеспечивают более качественные характеристики.
Активные фильтры можно подразделить на группы по различ-
ным признакам: назначению, полосе пропускаемых частот, типу
усилительных элементов, виду образуемых связей и др.
По пол ос е пропускаемых частот фильтры подразде-
ляются на четыре основные группы: нижних частот, верхних ча-
стот, полосовые и заграждающие.
Фильтры нижних частот пропускают сигналы от постоян-
ного напряжения до некоторой предельной частоты, называемой
частотой среза фильтра. Фильтры верхних частот, наоборот,
пропускают сигналы, начиная с частоты среза и выше. Полосо-
вые фильтры пропускают сигналы в некоторой полосе частот от
до J2, а заграждающие фильтры, наоборот, не пропускают
определенный спектр частот. Как полосовые, так и заграждаю-
щие фильтры могут иметь гребенчатую частотную характерис-
тику, в которой будет несколько полос пропускания и затухания.
По назначению фильтры подразделяются на сглажи-
вающие, заграждающие, для усилителей низкой или высокой ча-
стоты и др.
По типу усилительных элементов можно выделить
транзисторные фильтры, фильтры на ОУ и т.д. Все рассмотрен-
147
148
рис. 5.45. Схема и его АЧХ для активного фильтра нижних частот (я),
верхних частот (б), полосового фильтра (в) и заграждающего фильтра (г)
ные фильтры могут иметь одну или несколько ОС. В связи с этим
различают фильтры с одноконтурной и многоконтурной обрат-
ной связью. Кроме того, различают фильтры по количеству по-
люсов на частотной характеристике — фильтры первого поряд-
ка, второго и более высоких порядков. Фильтры высоких поряд-
ков имеют более крутые границы полос пропускания и затуха-
ния и более плоскую характеристику в области полосы пропус-
кания. К таким фильтрам относятся фильтры Чебышева, Баттер-
ворда, Бесселя и др.
Активный фильтр нижних частот первого порядка и его АЧХ
приведены на рис. 5.45, а.
Модуль передаточной функции по напряжению на синусои-
дальном сигнале рассчитывают по формуле
где KQ — коэффициент передачи фильтра на постоянном напря-
жении,
сос — частота среза фильтра, сос =
Фильтр верхних частот первого порядка (рис. 5.45, б) предназ-
начен для выделения сигналов, частота которых выше некоторой
заданной частоты, называемой частотой среза фильтра.
Коэффициент передачи фильтра определяется по формуле
шЛГ0
/ э 2* ’
Л/
где Ко — коэффициент передачи фильтра при со —>
сос — частота среза фильтра, сос =-.
R2C2
Полосовой фильтр предназначен для выделения сигналов, ча-
стота которых лежит в пределах полосы со01 < со < со02.
Различают двухполюсные (второго порядка) и многополюсные
полосовые фильтры.
Передаточная характеристика фильтра второго порядка опре-
деляется выражением
149
(О (Do
СО0 СО )
где со0 — резонансная частота фильтра; Q — добротность фильт-
(°02 Ю01
Схема и АЧХ заграждающего фильтра приведены на рис. 5.45, г.
На частоте со = со0 усиление Kv= 0, а на постоянном напряжении
0 = 0) ^=Ао.
5.13. Аналоговые компараторы
Аналоговые компараторы предназначены для сравнения двух
аналоговых сигналов между собой или одного входного аналого-
вого сигнала с заданным эталонным уровнем. Компараторы пред-
ставляют собой специализированные ОУ с дифференциальным
входом и высоким коэффициентом усиления и быстродействием
без ООС. Обычно они изготовляются в виде ИС. На входы ком-
паратора поступают аналоговые сигналы, а с выхода снимаются
напряжения, близкие к +£/п или -Un, т.е. снимается 0 или 1.
Основные параметры компараторов можно подразделить на
статические и динамические.
к статическим параметрам относятся:
• пороговая чувствительность — минимальный разностный
сигнал, который можно обнаружить компаратором и зафиксиро-
вать на выходе как логический сигнал;
• напряжение смещения UCM — определяет смещение переда-
точной характеристики компаратора относительно заданного по-
ложения;
• входные токи /вх(+) и Гвх(_) — токи, протекающие через вход-
ные шины компаратора;
• разность входных токов Д/вх = /вх(_) - 7вх(+) — ток, протекаю-
щий через закороченные входы;
• напряжение гистерезиса Ur — разность входных напряжений,
вызывающих срабатывание компаратора при увеличении или
уменьшении входного напряжения;
• коэффициент ослабления синфазного сигнала Косс — отно-
шение синфазного сигнала £/син к дифференциальному сигналу
Д6/Вх, вызывающему срабатывание компаратора:
150
^осс ~ 20 log
СИН
Дб/вх
• входное сопротивление RBX;
• выходные логические уровни — UBBlx и l/JwxJ
• выходной ток 1ВЫХ — ток в выходной шине компаратора.
Гистерезис компаратора проявляется в том, что переход из со-
стояния и^ых в состояние £7BbIX происходит при входном напря-
жении £7ВХ , а возвращение из UBblx в Z7BbIX — при напряжении
UBX . Наличие гистерезиса, как правило, связано с использова-
нием в компараторе ПОС.
Основным динамическим параметром, определяющим быс-
тродействие аналогового компаратора, является время задержки
выходного сигнала относительно входного. С увеличением вход-
ного сигнала UBX быстродействие аналогового компаратора увели-
чивается.
На рис. 5.46 показаны переходные характеристики компара-
тора при различных значениях уровня входного сигнала kUBX =
= 2... 20 мВ. На рис. 5.46 видно, что при изменении входного на-
пряжения время задержки /3 также изменяется.
Интегральные схемы компараторов можно подразделить по
совокупности параметров на три группы:
• общего применения (/3 < 300 нс, Kv< 100 дБ);
• быстродействующие (/3 < 30 нс);
• прецизионные (Kv> 100 дБ, t/CM< 3 мВ, Д7ВХ< 10 нА).
Кроме того, компараторы можно подразделить на стробируе-
мые и нестробируемые, а также с памятью и без памяти.
Рис. 5.46. Переходные характеристики компаратора напряжения {а} и
зависимость времени задержки от уровня входного сигнала (d)
151
a
вых
max
mm
Рис. 5.47. Однопороговый компаратор (а) и его передаточная характе-
ристика (5)
Компараторы общего применения имеют средние характери-
стики. Однако они, как правило, потребляют меньшую мощ-
ность, могут работать при низком напряжении питания и в одном
корпусе располагаются до четырех компараторов. Прецизионные
компараторы отличаются повышенным коэффициентом усиле-
ния, меньшим пороговым напряжением смещения, малыми вход-
ными токами.
В отличие от ОУ, в компараторах практически никогда не при-
меняют ООС, так как она снижает стабильность их работы, од-
нако для устранения «дребезга» выходного напряжения иногда
вводится ПОС.
Компараторы бывают однопороговые и двухпороговые. Схема
однопорогового компаратора и его передаточная характеристика
представлены на рис. 5.47, а схема двухпорогового компаратора,
представляющая собой триггер Шмитта — на рис. 5.48.
Компаратор (рис. 5.48) охватывается ПОС через делитель на-
пряжения R{, R2.
U ‘ ^вых
^ПОР1 С1ОР2
1 ^ВХ
Рис. 5.48. Двухпороговый компаратор (<?) и его передаточная характери-
стика (б)
152
Рис. 5.49. Двухпороговый компаратор {а) и его передаточная характери-
стика при UCM (б)
Меняя соотношение делителя AtA2, можно изменять напряже-
ние срабатывания:
£ЛЫХ ~ +^п ИЛИ -t/
Обычно
При R2 = 0 компаратор становится однопороговым.
Передаточную характеристику можно перемещать влево и
вправо подачей дополнительного напряжения UCM на инверсный
вход компаратора (рис. 5.49).
В качестве компараторов используются микросхемы серий
К521, К554, К597, К1401. Микросхема К521САЗ является преци-
зионным компаратором со стробированием и балансировкой.
Микросхема К521СА1 представляет собой два автономных ком-
паратора с одним общим выходом, она может использоваться для
сравнения двух аналоговых сигналов. Микросхема К1401СА1 от-
носится к многоканальным, в ее корпусе располагаются четыре
компаратора.
5.14. Стабилизаторы напряжения питания
Стабилизатор напряжения — электронное устройство, которое
обеспечивает постоянство выходного напряжения при изменении
входного напряжения или тока нагрузки. Стабилизаторы напря-
жения подразделяются на параметрические, компенсационные и
ключевые.
153
ц>
а
Рис. 5.50. Схема параметрического стабилизатора напряжения (о) и его
вольт-амперная характеристика (d)
Основными параметрами стабилизаторов являются:
• выходное напряжение 14ых5
• выходной ток 7ВЫХ;
• пределы изменения входного напряжения A
• пределы изменения выходного тока А/Вых;
• рассеиваемая мощность Ррас;
• коэффициент нестабильности по напряжению Кни и току Кн1:
ВЫХ вых
100;
• температурный коэффициент напряжения и др.
Параметрические стабилизаторы напряжения строятся на
основе стабилитронов или стабисторов (рис. 5.50).
Схема параметрического стабилизатора состоит из балластного
резистора /?б и стабилитрона VD. При изменении входного на-
пряжения (7ВХ напряжение на выходе стабилизатора будет изме-
няться незначительно, так как оно определяется малоизменяю-
щимся обратным напряжением стабилитрона С/ст. При этом бу-
дет только изменяться ток через стабилитрон /ст. Расчет стаби-
лизатора сводится к тому, чтобы выбрать величину сопротив-
Рис. 5.51. Параметрический стабилизатор
напряжения с эмиттерным повторителем
154
Рис. 5.52.Струкгурная схема компенсационного стабилизатора напряжения
ления /?б, при котором ток через стабилитрон лежит в преде-
лах: LT min ппп < 1СТ< /гттях ппп при изменении напряжения в за-
ППП Д1Л1 U1 Cl 111С1А ДОП л v вА
данных пределах.
Рассмотренная схема параметрического стабилизатора напря-
жения отличается низким КПД и небольшими нагрузочными то-
ками. Нагрузочный ток можно повысить, если на выходе поста-
вить эмиттерный повторитель (рис. 5.51). Транзистор VT выби-
рается исходя из заданного тока нагрузки.
Компенсационный стабилизатор напряжения — устройство
автоматического регулирования. Он включает в себя усилитель и
регулирующий элемент, в качестве которого применяются мощ-
ные транзисторы (рис. 5.52).
Принцип работы компенсационного стабилизатора напряже-
ния заключается в том, что при изменении входного напряжения
С7ВХ или тока нагрузки /и изменяется выходное напряжение С7ВЫХ.
Это изменение AC/BbIX поступает на вход усилителя, усиливается и
изменяет напряжение на регулирующем элементе Up таким обра-
зом, чтобы стабилизировать выходное напряжение UBUX.
Рис. 5.53. Стабилизатор напряжения на ИС К142ЕНЗ
155
Для схемы стабилизатора СЛВХ= Ц>+ Кых- При изменении вход-
ного напряжения на величину Д UBX
и|!У + д и вх — ип + д и „ + и + д ипыу.
ЪЛ DA р JJ ВЫЛ DDlX
Необходимо, чтобы ДЦ>—> а Д6ГВЫХ^ 0. В качестве уси-
лителя могут использоваться транзисторные каскады, ОУ и т.д.
В настоящее время в качестве стабилизаторов напряжения широ-
ко используются ИС серии К142. Они построены на принципе
компенсационных стабилизаторов напряжения и подразделяют-
ся на универсальные стабилизаторы и стабилизаторы с фиксиро-
ванным напряжением.
Универсальные стабилизаторы напряжения имеют внешний
делитель напряжения, с помощью которого выходное напряжение
можно регулировать в широких пределах. К ним относятся мик-
росхемы К142ЕН1, К142ЕН2, К142ЕНЗ, К142ЕН10.
Микросхема К142ЕНЗ (рис. 5.53) представляет собой регули-
руемый стабилизатор напряжения с системой защиты от нагрева
и перегрузки по току, который имеет следующие электрические
параметры:
выходное напряжение, В.............................3...30
входное напряжение не более, В.....................45
максимальный выходной ток, А.......................1
максимальная рассеиваемая мощность, Вт.............6
коэффициент нестабильности по току, Кш не более, %.0,25
ток потребления микросхемой не более, мА...........10
Выходное напряжение подбирается делителем Rl, R2.
Расчет универсального стабилизатора производится исходя из
двух условий:
Мощность рассеяния на ИС определяется по формуле
ИС
С/ОСТ’
Например: С/ВЬ1Х = 10 В, ZBbIX = 0,8 А.
Выбираем ИС К142ЕНЗ, задаем ток /дел = 5 мА.
10
Тогда R,+R2=------ = 2-103 = 2 кОм.
- 1 2 5-Ю-3
520 Ом. Выбираем 510 Ом.
156
н
Рис. 5.54. Стабилизатор на ИС К142ЕН5А
= 2 000 - 510 = 1490 Ом. Выбираем 1,5 кОм.
Мощность рассеяния на ИС определяется Рис = J\^Uосу,
где С7ост — остаточное напряжение на ИС > 3.
Рис = 0,8 • 4 = 3,2 Вт. Необходим радиатор.
Мощность рассеяния на резисторах
PR =/2А = (5 10-3)2 1 500 = 0,037 Вт.
Выбираем резистор R1 — ОМЛТ-0,125-1,5 кОм ±5 %.
Для увеличения тока нагрузки параллельно с микросхемой ста-
вят мощный транзистор, например КТ805А, КТ829 и т.д.
Таблица 5.1
Микросхемы с фиксированным напряжением
Маркировка Выходное напряжение, В Маркировка Выходное напряжение, В
К142ЕН5А 5+0,1 К142ЕН9А 20±0,4
К142ЕН5Б 6+0,12 К142ЕН9Б 24±0,48
К142ЕН5В 5+0,18 К142ЕН9В 27±0,54
К142ЕН5Д 6+0,21 К142ЕН9Г 20±0,6
К142ЕН8А 9+0,15 К142ЕН9Д 24±0,72
К142ЕН8Б 12+0,27 К142ЕН9Е 27+0,81
К142ЕН8В 15+0,36 К142ЕН6А ±15±0,3
К142ЕН8Г 9±0,36 К142ЕН6В ±15+0,5
К142ЕН8Д 12+0,48 К1157ЕН5А 5+0,1
К142ЕН8Е 15+0,6 К1157ЕН9А 9±0,2
157
Рис. 5.55. Стабилизатор с повышенным фиксированным напряжением
Микросхемы с фиксированным напряжением имеют внутрен-
ний делитель напряжения и настроены на определенное выход-
ное напряжение. К таким ИС относятся 142 ЕН5, ЕН6, ЕН8 и др.
Схемы имеют защиту от короткого замыкания .рис. 5.54). Выход-
ное напряжение определяется цифрой и буквой в конце марки-
ровки (табл. 5.1).
Микросхема К142ЕН6А, В, Д формирует два разнополярных
напряжения по 15 В для питания ОУ.
В стабилизаторах с фиксированным напряжением можно
повысить выходное напряжение с помощью делителя Rl, R2
(рис. 5.55). Иногда резистор R2 заменяют диодом или стабилит-
роном. Сопротивление резистора определяется по формуле
(ит- иям) я,
2 Г1 + Т R ’
ВЫХ * потр-*\
где /потр — ток, потребляемый микросхемой. Значение резистора
R1 задается.
Методика проектирования компенсационных стабилизаторов
напряжения заключается в выборе необходимых микросхем, рас-
чете делителей и подборе радиаторов для И С. Значения емкост-
ных фильтров Сф1 и Сф2 беругся из справочной литературы. Обыч-
но С д> 10 мкФ. Напряжение на микросхеме должно быть не ме-
нее 2 В, однако увеличение этого напряжения приводит к суще-
ственному снижению КПД стабилизатора и увеличению массо-
Рис. 5.56. Ключевой стабилизатор напряжения
158
габаритных показателей за счет радиаторов. Компенсационные
стабилизаторы напряжения применяются при небольших нагру-
зочных токах.
Ключевые стабилизаторы напряжения обеспечивают зна-
чительно больший КПД за счет того, что транзисторный ключ
работает в ключевом режиме. При этом уменьшаются массога-
баритные характеристики стабилизатора. Однако в ряде случа-
ев такие стаС илизаторы являются источником импульсных по-
мех, что снижает информационную надежность электронной
аппаратуры.
Ключевые стабилизаторы (рис. 5.56) содержат накопительную
индуктивность (дроссель) Z, включенную последовательно с на-
а
ис. 5.57. Схема релейного стабилизатора напряжения (а) и временная
диаграмма его работы (б)
159
грузкой RB. Для сглаживания пульсаций в нагрузке параллельно
ей включен конденсатор Сф. Ключевой транзистор VT включен
между источником питания UBX и накопительной индуктивно-
стью L. Устройство управления включает и выключает транзи-
стор VT в зависимости от значения напряжения на нагрузке UH.
При открытом состоянии транзистора напряжение поступает
на выход, и одновременно энергия запасается в индуктивности.
При отключении транзистора в нагрузке течет ток за счет емко-
сти Сф и самоиндукции индуктивности L.
По виду управления ключевые стабилизаторы подразделяют-
ся на импульсные и релейные. В импульсных стабилизаторах ча-
стота управляющих сигналов постоянна, задается внешним гене-
ратором, однако в процессе работы изменяется скважность.
В релейных стабилизаторах напряжения управляющие сиг-
налы формируются с помощью компаратора и зависят от выход-
ного напряжения (рис. 5.57).
Предположим, в момент времени напряжение Свых выше тре-
буемого, тогда напряжение на выходе DA1 положительное, тран-
зистор VT2 открывается, а транзистор VT1 запирается. Ток дрос-
селя, протекая через диод VD1, отдает накопленную энергию в
нагрузку.
По мере уменьшения энергии дросселя выходное напряжение
стабилизатора уменьшается, и в момент времени t2 компаратор
запирает транзистор VT2. При этом открывается транзистор VT7,
и на вход £фСф поступает напряжение через транзистор VT1.
5.15. Генераторы гармонических колебаний
Генераторы гармонических колебаний строятся на основе уси-
лителей с ПОС, обеспечивающих режим самовозбуждения на тре-
буемой частоте. Структурная схема генератора представлена на
рис. 5.58. Для работы генератора необходимо выполнить два ус-
ловия: баланс амплитуд, баланс фаз.
Генераторы могут выполняться на основе колебательного кон-
тура LC или с частотозависимыми цепями RC. Первые называ-
ются генераторами ZC-типа и предназначены для работы в диа-
Рис. 5.58. Структурная схема генератора
160
рис. 5.59. Схема генератора LC-
типа с трансформаторной связью
пазоне десятков кГц и более, вторые называются генераторами
АС-типа и предназначены для работы в области низких частот.
Схема генератора LC-muna с трансформаторной связью при-
ведена на рис. 5.59. Условия генерации здесь создаются на частоте
резонанса
где £к, Ск — параметры колебательного контура.
Фазовый сдвиг (баланс фаз) обеспечивается соответствующим
подключением вторичной обмотки со2 трансформатора. Баланс ам-
плитуд достигается подачей соответствующей амплитуды сигнала
с коллекторной нагрузки в цепь базы. Выходной сигнал снимает-
ся либо с третьей обмотки со3, либо с коллектора транзистора VT.
Помимо рассмотренной выше схемы с трансформаторной свя-
зью широкое распространение получили трехточечные схемы с
индуктивной автотрансформаторной и емкостной ОС (рис. 5.60).
В генераторе с индуктивной автотрансформаторной связью на-
Рис. 5.60. Генератор £С-типа по схеме трехточки с индуктивной авто-
трансформаторной (а) и емкостной (6) обратными связями
6 Лаврентьев
161
Рис. 5.61. Генератор АС-типа
пряжение на базу подается через емкость Cg с части контурной
катушки со2. Число витков со2 определяет баланс амплитуд.
В схеме с емкостной ОС резонансный колебательный контур
образован конденсаторами С , С и катушкой LK. Напряжение
ОС снимается с конденсатора СК2. Для получения неискаженной
формы выходных сигналов с генератора добротность контура дол-
жна быть высокой.
Генератор RC-muna представляет собой обычный резистив-
ный усилитель, охваченный ПОС (рис. 5.61). Для получения не-
обходимого фазового сдвига применяются фазовращающие це-
почки, которые имеют несколько АС-звеньев и служат для пово-
рота фазы выходного напряжения усилителя на 180°.
Минимальное число звеньев равно трем. Для устойчивой ра-
боты схемы необходимо, чтобы усилитель обладал большим ко-
эффициентом усиления, имел большое входное сопротивление и
малое выходное сопротивление. Обеспечение условий генерации
выполняется подбором элементов в цепи ОС А и С, и инверсив-
ными свойствами усилителя.
В генераторах АС-типа часто используются мосты Вина, кото-
рые включаются в цепь ПОС.
Генераторы могут быть построены на туннельных диодах, на
динисторе и т.д.
На рис. 5.62 показан генератор на туннельном диоде и фор-
ма выходного напряжения. В состав генератора входят туннель-
ный диод, катушка индуктивности L с сопротивлением А и ис-
точник питания Un. ВАХ туннельного диода на участке А—Б име-
ет отрицательное дифференциальное сопротивление. При вклю-
чении питания рабочая точка вначале перемещается по ветви ОА.
Достигнув точки А, из-за наличия в цепи индуктивности рабочая
точка перемещается скачком в точку Б. Если напряжение источ-
ника меньше значения С2, то рабочая точка перемещается из точ-
162
a
Рис. 5.62. Генератор колебаний на туннельном диоде (я) и форма вы-
ходного напряжения (5)
ки Б в точку В, оттуда скачком возвращается в точку Г, и далее
процесс повторяется. Очевидно, что напряжение питания долж-
но выбираться из условия U\< Un< U2. Частота генератора опре-
деляется диодом и индуктивностью. Генератор на динисторе ра-
ботает аналогичным образом.
Особую группу генераторов составляют кварцевые генерато-
ры, в которых вместо колебательного контура используется кри-
сталл кварца. Особенностью кварцевых генераторов является
высокая стабильность их работы, которая достигает 10~4... К) 6.
Конструктивно кварцевый контур выполняется в виде кварце-
вой пластины с нанесенными на нее электродами. На рис. 5.63
приведены схемы кварцевых генераторов.
В схеме, предложенной Пирсом (рис. 5.63 а), кварц включается
между стоком и затвором полевого транзистора VT, т.е. в цепь
Рис. 5.63. Кварцевый генератор по схеме Пирса (а), по схеме Колпит-
ца (б) и на логическом элементе НЕ (в)
163
ООС. Однако на частоте резонанса кварц вносит дополнитель-
ный фазовый сдвиг на 180°, в результате чего ОС становится по-
ложительной. В схеме, изображенной на рис. 5.63, б, емкости С1
и С2 облегчают возбуждение генератора.
- Контрольные вопросы
1. В чем отличие нелинейного элемента от линейного?
2. Какие преимущества у графоаналитических методов расчета не-
линейных цепей?
3. В чем сущность метода эквивалентных преобразований?
4. По каким признакам классифицируются аналоговые усилители?
5. Перечислите основные характеристики и параметры аналоговых
усилителей.
6. Назовите основные режимы работы аналогового транзисторного
усилителя, построенного по схеме с ОЭ.
7. С какой целью в состав аналоговых усилителей включаются цепи
обратной связи?
8. Назовите основные виды обратных связей в аналоговых усилителях.
9. Поясните работу аналогового усилителя в режиме А и В.
10. Чему равен Kv в усилителе с ОЭ?
11. Чему равен Kj в усилителе с ОБ?
12. Чему равен KLI в усилителе с ОК?
13. Чему равен Кг в схеме с ОК?
14. Как уменьшить дрейф нуля у УПТ?
15. Чему равен Киу многокаскадного усилителя?
16. Нарисуйте схему дифференциального усилителя и поясните, по-
чему он обладает высокой стабильностью при воздействии внешних
дестабилизирующих факторов.
17. Возможен ли дрейф нуля у усилителей низкой частоты?
18. Почему в качестве первого каскада УПТ берется, как правило,
дифференциальный усилитель?
19. Поясните принцип работы УПТ с преобразованием сигнала.
20. Какие виды избирательных усилителей вы знаете?
21. Какие основные требования предъявляются к усилителям мощ-
ности?
22. Почему в двухтактных усилителях мощности с трансформатор-
ным выходом нелинейные искажения уменьшаются при переходе с ре-
жима В на режим АВ?
23. Что такое «дрейф» нуля усилителя постоянного тока?
24. Что такое операционный усилитель?
25. Приведите классификацию операционных усилителей и назови-
те области их применения.
26. Какие особые требования предъявляются к прецизионным ОУ?
27. Какой вид обратной связи применяется в повторителях на ОУ?
164
28. Может ли коэффициент усиления по напряжению KL> в неинвер-
тируемом усилителе на ОУ быть меньше единицы?
29. Нарисуйте схему стабилизатора тока на ОУ и поясните его работу.
30. Как обеспечить защиту от короткого замыкания на ОУ?
31. Поясните операцию «балансировка ОУ». Назовите основные не-
достатки «балансировки».
32. В чем основные преимущества автоматической установки нулей
в ОУ перед операцией «балансировка ОУ»?
33. В чем отличие аналоговых компараторов от ОУ?
34. Нарисуйте схему и поясните работу двухпорогового компарато-
ра. Бывает ли у таких компараторов отрицательная обратная связь?
35. Какие два условия необходимо выполнить для работы генерато-
ра гармонических колебаний на транзисторах?
36. В чем состоит основное отличие транзистора /?С-типа от генера-
тора LC-типа?
37. Какие стабилизаторы напряжения вы знаете? Назовите основные
области их применения.
38. Почему ключевые стабилизаторы напряжения имеют более высо-
кие КПД по сравнению с компенсационными или параметрическими?
39. Составьте схему компенсационного стабилизатора напряжения на
ИС К142ЕНЗ для С7ВЫХ = 10 В, t/BX = 15 В, 7ВЫХ = 0,5 А.
40. Приведите схему и рассчитайте компенсационный стабилизатор
напряжения на ИС R142EH3 для СВ1)1Х = П В, С/вх = 15 В, /вых = 3 А.
Глава 6
СХЕМОТЕХНИКА ИМПУЛЬСНЫХ И ЦИФРОВЫХ
УСТРОЙСТВ
6.1. Импульсные электронные устройства
В электронике часто используются импульсные сигналы отри-
цательной или положительной полярностей, близкие по форме к
прямоугольным, пилообразным или экспоненциальным.
Импульсные сигналы (рис. 6.1) характеризуются рядом пара-
метров: длительностью импульса длительностью переднего
фронта /ф, длительностью спада /с. Кроме того параметрами си-
гналов являются период следования импульсов Т, частота повто-
рения /, скважность.
В генераторах импульсов используются, как правило, транзи-
сторы, работающие в ключевом режиме. Обычно транзисторы
включаются по схеме с ОЭ.
К импульсным устройствам относятся мультивибраторы, триг-
геры, одновибраторы, блокинг-генераторы, одновибраторы, гене-
раторы линейно изменяющегося напряжения.
Мультивибратор — электронный узел для формирования им-
пульсов прямоугольной формы с требуемыми параметрами. Он
представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель со
166
Рис. 6.2. Схема мультивибратора (а) и временная диаграмма его рабо-
ты (5)
100%-й ПОС. На рис. 6.2 представлена схема мультивибратора,
выполненная на транзисторах.
Элементами ПОС являются конденсаторы Сб1 и Сб2, которые
соединяют коллекторы транзисторов VT1, VT2 с базами транзи-
сторов VT2, VT1.
В мультивибраторе генерирование импульсов происходит сразу
же после включения питания (рис. 6.2, б). Пусть в момент време-
ни транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2 открывает-
ся. На базе VT2 напряжение U&> > 0, а на базе VT1 UQX < 0 (U6l = -
Un). Емкость Сб1 начинает разряжаться через открытый транзис-
тор VT2. Ток ig2, а, следовательно, и напряжение на 7?б1 уменьша-
ется по экспоненциальному закону. В момент времени t2 напря-
жение С7б1 будет положительным, и транзистор VT1 будет откры-
ваться. При этом появляется ток в коллекторной цепи транзис-
тора VT1 и U^, Ub2^, Uk2\. Происходит лавинообразный про-
цесс, при котором транзистор VT1 открывается, а транзистор VT2
закрывается. Далее начинается процесс разряда емкости Сб2 че-
рез открытый транзистор VT1. В момент времени /3 произойдет
следующий переход и т. д. Длительность формируемых импульсов
определяется постоянной времени R^C^'.
Тх — 0,77?б) Сб1;
— 0,77?б2Сб2;
7 1 + Т2.
Для симметричного мультивибратора: 7?б1 = Аб2; Сб1 = Сб2;
Т= 1,4ЛбСб.
Длительность переднего фронта формируемых импульсов -
= 2 2C,RK. Обычно Л6>3/?к
Мультивибратор может быть построен на базе ОУ с ПОС и
ООС (рис. 6.3). При этом напряжение ООС с выхода ОУ посту-
167
пает на его инверсный вход через резистор 7?Оос, а напряжение
ПОС снимается с делителя 7?П0С1 и ^пос2-
Положительный коэффициент передачи
^пос -
^ПОС2
^ПОС1 + ^ПОС2
ОУ выполняет роль инвертирующего компаратора напряже-
ния. При переключении схемы напряжение на инверсном входе
ОУ изменяется на обратное и конденсатор С перезаряжается до
напряжения
<-чюс
-*Ч~ЮС2
тах п , п ’
ЛПОС1 ^ПОС2
где Umax — максимальное напряжение на выходе ОУ, Umax « Un.
Затем вновь происходит переключение ОУ Период следования
импульсов зависит от величины ПОС и от элементов С и Лоос.
С конденсатора С можно снимать пилообразное напряжение.
Частота сигналов/^ мультивибратора определяется по фор-
муле
Из этой формулы следует, что для увеличения частоты выход-
ного напряжения необходимо уменьшить как постоянную време-
ни цепи ООС, так и коэффициент передачи цепи ПОС (#пос)-
Рис. 6.3. Схема мультивибратора на ОУ (а), временная диаграмма его
работы (б)
168
а
Рис. 6.4. Схема одновибратора (а) и временная диаграмма его работы (б)
Одновибратор (ждущий мультивибратор) имеет одно устой-
чивое состояние и предназначен для формирования прямоуголь-
ных импульсов определенной длительности (рис. 6.4).
В исходном состоянии транзистор VT1 закрыт, a VT2 открыт
за счет положительного напряжения, поступающего на базу VT2
через резистор Rg. Запуск схемы производится импульсом поло-
жительной полярности, поступающим на базу транзистора VT1.
При этом транзистор VT1 открывается, по нему протекает ток /к1,
напряжение напряжения СЛб2Х, , £4 Л- Следовательно,
из-за ПОС через конденсатор Cg транзистор VT1 открывается и
Рис. 6.5. Схема триггера (а) и временная диаграмма его работы (б)
169
переходит в режим насыщения, а транзистор VT2 закрывается.
После этого начинается разряд емкости Cg через Rg и открытый
транзистор VT1. Напряжение на базе VT2 U52 уменьшается по
экспоненциальному закону и в момент времени (U§2 > 0) про-
изойдет обратный перепад напряжения. Длительность формиру-
емого импульса Ти = 0,7RgCg, ~ 2,2CgRKi.
Триггер на транзисторах представляет собой элемент памя-
ти, имеющий два устойчивых состояния (рис. 6.5). Переход из
одного состояния в другое происходит под воздействием внешних
сигналов S и R. В исходном состоянии один из транзисторов на-
ходится в закрытом состоянии, а второй — в насыщенном. При
поступлении положительного сигнала в базу закрытого транзис-
тора триггер переходит во второе устойчивое состояние. Емкос-
ти C6i и Сб2 являются ускоряющими и предназначены для повы-
шения быстродействия схемы.
Генераторы пилообразного напряжения (ГПН) предназна-
чены для формирования линейно-изменяющегося (пилообразно-
го) напряжения. Пилообразное напряжение характеризуется дли-
тельностью прямого и обратного хода, периодом повторения,
максимальным значением напряжения, коэффициентом нели-
нейности £. Практически работа ГПН основана на заряде и раз-
ряде емкости через токостабилизирующий элемент (рис. 6.6).
Известно, что напряжение на конденсаторе
irdt.
Для получения хорошей линейности необходимо, чтобы ток
заряда емкости С был постоянным, тогда
Запуск
о------
Токоста-
билизи-
рующий
элемент
Запуск
Запуск
*- Ключ
Рис. 6.6. Структурная схема ГПН
170
Рис. 6.7. Схема ГНП с транзисторным ста-
билизатором тока
В качестве токостабилизирующего элемента используются
схемы на транзисторах, ОУ и резисторах. На рис. 6.7 представ-
лена схема ГПН с транзисторным стабилизатором тока, в кото-
ром для стабилизации тока применен транзистор VT1 со 100%-й
ООС по току. Очень хорошие параметры имеет ГПН, построен-
ный на базе ОУ.
ГПН широко применяются в измерительной технике, преоб-
разователях информации, телевизионной и радиолокационной
технике, системах автоматического регулирования.
6.2. Таймеры
Таймер — устройство, предназначенное для формирования
импульсных сигналов с регулируемой длительностью и скважно-
стью. Таймеры подразделяются на две группы — однотактные и
многотактные.
Однотактные таймеры применяются для формирования им-
пульсов длительностью от 1 мкс до минут и более. Многотакт-
ные таймеры включают в себя однотактный таймер и счетчик и
предназначены для формирования временных интервалов дли-
тельностью в десятки часов.
Наиболее распространенным типом однотактного таймера яв-
ляется ИС К1006ВИ1 (NE555). Функциональная схема таймера
приведена на рис. 6.8. Таймер состоит из четырех функциональ-
ных устройств: двух компараторов DA1 и DA2, АУ-триггера
DD1, усилителя мощности DA3. Внутренний резистивный дели-
тель задает пороговые напряжения, равные, 2UJ3 для компарато-
ра DA1 и UJ3 для компаратора DA2. Напряжение питания Un =
= 5... 16,5 В, потребляемый ток /п= 0,7 Un. Входные токи таймера
не превышают 0,5 мкА. Максимальная частота 10 МГц. Таймер
имеет второй высокоомный выход (к. 7).
171
Un
Сброс
о
4
Рис. 6.8. Структурная схема однотактного таймера К1006ВИ1
Таймеры широко используются во многих импульсных устрой-
ствах. На основе таймеров можно построить мультивибраторы,
одновибраторы, преобразователи напряжения. Таймеры могут
входить в состав аппаратуры систем автоматического управления.
Особенностью таймеров является высокая стабильность их рабо-
ты в широком интервале температур.
На рис. 6.9 приведена схема одновибратора, выполненная на
таймере К1006ВИ1.
п
а
Рис. 6.9. Схема одновибратора на ИС К1006ВИ1 {а) и временная диа-
грамма его работы (б)
Рис. 6.10. Схема мультивибратора (а) и временная диаграмма его рабо-
ты (б)
Для работы таймера в режиме одновибратора на объединенные
входы к. 7 и 6 подключается цепочка 7?С. При поступлении на
вход 2 запускающего импульса амплитудой, меньше UJ3, триг-
гер DD1 переворачивается, и на выходе 1 формируется прямоу-
гольный импульс. Одновременно запирается транзистор VT1, и
конденсатор С начинает заряжаться через резистор R. Напряже-
ние UC на входах 6, 7 возрастает по экспоненте и в момент вре-
мени t2 достигает уровня 1UJ3.
При этом срабатывает компаратор DA1, триггер DD1 возвра-
щается в первоначальное состояние, открывается транзистор
VT1, конденсатор С разряжается, и формируется задний фронт
импульса на выходе 1. Длительность импульса Ги зависит от по-
стоянной времени RC. Длительность импульса ~ 1,1J?С.
Схема мультивибратора на базе таймера приведена на рис. 6.10.
Здесь входы 2 и 6 объединены и подключены на интегрирующую
цепочку RC. Напряжение на емкости CUc меняется по экспонен-
циальному закону между уровнями Un/3 и 2UJ3. Период импуль-
сов мультивибратора равен Т = 1,4ЛС. Скважность равна 2.
Существует большое число других схем, построенных на базе
таймера К1006ВИ1.
6.3. Математическое описание цифровых устройств
Способы записи чисел цифровыми знаками называются си-
стемами счисления. Различают непозиционные (например,
римская система счисления) и позиционные системы счисле-
ния.
Система называется позиционной, если значение каждой циф-
ры, входящей в запись числа, определяется ее местоположением
173
Таблица 6.1
Числа в различных системах исчисления
<7= 10 q = 8 <7 = 2 q = 16 q = 10 ^ = 8 <7 = 2 <7=16
0 0 -0 0 8 10 1000 8
1 1 1 1 9 11 1001 9
2 2 10 2 10 12 1010 А
3 3 11 11 13 1011 В
4 4 100 4 12 14 1100 С
101 13 15 1101 D
6 6 110 6 14 16 1110 Е
7 7 111 7 15 17 1111 F
16 20 10 000 10
в числе. В цифровой технике нашли применение только позици-
онные системы счисления.
Любое число в позиционной системе счисления можно пред-
ставить в виде суммы:
= Knq" + Kn_xq”~x + ... K{qx + KQcf> + ...,
где Nq — число, записанное в системе счисления q', Кп — разряд-
ные коэффициенты; п — разрядность; q — основание системы
счисления.
Основанием системы счисления q называется общее число
цифр, используемых в данной позиционной системе для записи
чисел. Если принять q - 10, 2, 8, 16 и т.д., то будем иметь соот-
ветственно десятичную, двоичную, восьмеричную, шестнадцате-
ричную системы счисления. В табл. 6.1 приведен натуральный ряд
чисел в различных системах счисления.
Для перевода чисел из одной системы счисления в другую
существуют свои правила. Например, для перевода числа Nq из де-
сятичной системы счисления в систему счисления с основанием q
необходимо осуществить последовательное деление этого числа и
получающихся частных от деления на это основание. Остатки от
деления представляют собой число в системе счисления с осно-
ванием q. Например, перевести число 54 из десятичной системы
счисления в двоичную, восьмеричную, шестнадцатеричную си-
стемы счисления:
174
_54 L2_
54 _27
О 26
младший 1
разряд
12
13 L2
12 _6
1 _6
О
_54 18
48 6
6 старший
| 2 младший Р^РЯД
1 разряд
старший
разряд
54 116
48 3
z старший
младший разряд
разряд
54(10)-> 110110(2)
54(|0) 66(8)
54(ю) 36(16)
Обратный перевод чисел в десятичную систему производится
вычислением суммы:
32 16 8 4 2 1 8 1
1 1 0110(2) = 32 + 16 + 4 + 2 = 54(10), 66(8) = 8 • 6 + 6 • 1 - 54(10),
161
3 6(16) = 16 • 3 +1 • 6 = 54( 10).
Применение двоичной системы счисления в цифровой элек-
тронике обеспечивает более высокую скорость выполнения опе-
раций и более высокую надежность электронной аппаратуры, так
как элементной базой для ее построения служат элементы с дву-
мя устойчивыми состояниями.
В ряде случаев в цифровой технике применяются двоично-де-
сятичные коды. Для преобразования чисел из десятичной систе-
мы в двоично-десятичные коды необходимо каждую цифру в чис-
ле заменить соответствующей тетрадой (эквивалентом):
0 - 0000; 1 - 0001; 2 - 0010; 3 - ООП; 4 - 0100;
5 - 0101; 6 - ОНО; 7 - 0111; 8 - 1000; 9 - 1001.
Например: 2934,5(10) = 0010.1001.0011.0100,0101(2_10).
Над числами в двоичной системе счисления выполняются
арифметические и логические операции. К арифметическим от-
носятся четыре операции: сложение, вычитание, умножение и
деление. Алгоритм выполнения арифметических операций такой
же, как и в десятичной системе счисления. Помимо арифметиче-
ских операций существуют логические операции, которые отно-
сятся к поразрядным (операции выполняются внутри каждого
разряда без переносов и заемов).
Логические операции. Для описания алгоритмов работы
цифровых устройств разработан соответствующий математиче-
ский аппарат, который получил название булевой алгебры, или
алгебры логики. Алгебра логики занимается изучением логиче-
175
ских операций и оперирует с двумя понятиями: высказывание ис-
тинно или ложно. При этом истинное высказывание принимается
за логическую единицу, а ложное — за логический нуль. В алгеб-
ре логики высказывания могут' быть простыми и сложными. Выс-
казывание, значение истинности которого не зависит от значения
истинности других высказываний, называется простым. При ана-
лизе и синтезе логических схем простое высказывание рассмат-
ривается как независимая переменная X, принимающая два зна-
чения: 0 или 1. Сложное высказывание зависит от простых выс-
казываний и также может принимать два значения: 0 или 1. За-
висимость сложного высказывания от простых носит название
логической, или переключательной, функции Y,
=/(%!, х2. •••*„)•
В теории логических функций особое значение имеют функ-
ции одной и двух переменных. Для одной переменной X суще-
ствуют четыре логические функции: 0, 1, переменная Хи ее ин-
версия X (операция НЕ). Первая и вторая функции — это кон-
станты 0 и 1.
Для реализации операции НЕ обычно используют усилитель-
ный каскад с ОЭ.
Для двух переменных Хь Х2 существуют 16 логических функ-
ций, причем шесть операций зависят только от одной перемен-
ной: 0, 1, Xf, Х2, XlfX2 и 10 зависят от двух переменных.
Наиболее важными логическими операциями двух перемен-
ных являются:
• логическое умножение. Эту операцию в математике называ-
ют конъюнкцией, а в схемотехнике операцией И. Обозначается
значком «&» или «Л» (рис. 6.11);
• логическое сложение. Операция носит название дизъюнкция,
а в схемотехнике операция ИЛИ. Обозначается значком «V» или
«1» (рис. 6.12);
а
Y=XxbX2
VD1
Рис. 6.11. Таблица истинности элемента И (а), логический элемент И (б),
схемная реализация элемента (в)
176
а
VD1
VD2
Рис. 6.12. Таблица истинности элемента (а), условное обозначение эле-
мента ИЛИ (б), схема реализации (в)
Рис. 6.13. Условное обозначение и таблица истинности элемента «рав-
нозначность» (а) и «неравнозначность» (б)
а
VD2
в
Рис. 6.14. Таблица истинности (а), условное обозначение (б), схема ре-
ализация элемента И—НЕ (в)
а
• равнозначность. Обозначается значком «=» (рис. 6.13, а);
• неравнозначность. Обозначается значком «®» (рис. 6.13, б);
• операция Шеффера или операция И—НЕ (рис. 6.14);
• операция «Стрелка Пирса» или операция ИЛИ—НЕ (рис.
6.15).
Количество входных сигналов, поступающих на элемент, мо-
жет быть любым.
Способы записи
ункций алгебры логики. Рассмотрим неко-
торое логическое устройство, на входе которого присутствует не-
a
Рис. 6.15. Таблица истинности (а), условное обозначение (б), схема ре-
ализации элемента ИЛИ—НЕ (в)
который «-разрядный двоичный код Х„_{ ...Х\Х0, а на выходе соот-
ветственно m-разрядный двоичный код Zm_}...ZYZQ (рис. 6.16).
Зависимость выходной величины от входных, связанная с по-
мощью операций алгебры логики, называется функцией алгебры
логики (ФАЛ). Очевидно, что для п входных переменных суще-
ствует 2п различных значений выходной функции. Функция на-
зывается полностью определенной, если заданы все 2" ее значе-
ний. Если же часть функций не задана, то она называется частич-
но определенной.
Устройства, поведение которых описывается при помощи
ФАЛ, называются логическими. Для описания ФАЛ могут быть
использованы следующие способы:
• словесное описание;
• описание в виде таблиц истинности;
• описание в виде алгебраических выражений;
• описание в виде последовательности десятичных чисел.
Словесное описание ФАЛ может звучать так: «Логическая функ-
ция трех переменных равна единице», если все три входные пе-
ременные равны единицам». Данный вид описания наиболее ча-
сто применяется для первоначального описания поведения логи-
ческого устройства.
Описание в виде таблицы истинности представляет собой
таблицу, которая содержит все возможные комбинации входных
Логи-
ческое
устрой-
ство
^22-1
Рис. 6.16. Логическое устройство
178
Таблица 6.2
Пример таблицы истинности
Номер строки
0 0 0 0 0
1 0 0 1 0
2 0 1 0 1
3 0 1 1 1
4 1 0 0 0
5 1 0 1 1
6 1 1 0 0
7 1 1 1 1
переменных и соответствующие им значения функций. Таблица
содержит 2" строк и (п + т) столбцов, например, табл. 6.2.
При описании ФАЛ в виде алгебраических выражений воз-
можны две формы ее записи:
1) дизъюнктивная нормальная форма (ДНФ), которая пред-
ставляет собой логическую сумму элементарных логических про-
изведений, в каждое из которых входят входные переменные или
их инверсии один раз. ДНФ может быть получена из таблицы
истинности. Для этого для значений функции Y- 1 записываются
элементарные логические произведения. Для табл. 6.2 имеем:
Y{X2, X}, X0) = X2XlX0 + X'zX^q+X^tX0 + Х2Х}Х0;
2) конъюнктивная нормальная форма (КНФ), которая пред-
ставляет собой логическое произведение элементарных логичес-
ких сумм, в каждую из которых входят входные переменные или
их инверсии только один раз. КНФ может быть получена из таб-
лицы истинности. Для этого для значений функции Y = 0 запи-
сываются элементарные логические суммы входных величин. Для
табл. 6.2 записываем:
Y(X2iX{,XQ) =
— {Х2 + А\ +Х0)-(Х2 +Х\ + Х0)-(Х2 + Х\ + Х.)-(Х2 + Х} + Xq).
Описание ФАЛ в виде последовательности десятичных чисел
можно получить из алгебраических выражений ДНФ и КНФ, на-
пример для нашего случая
ИХ, Х„ Хо) = £(2,3,5,7); ИХ, X, Хо) = П(0,1,4,6).
179
Основные теоремы и аксиомы алгебры логики и миними-
зация ФАЛ. Одним из важнейших положений алгебры логики
является принцип двойственности. Он заключается в том, что
операции логического сложения можно заменить операциями
логического умножения и наоборот.
ЕслиХ1-Аг0= Е, то X}+X0=Y; еслиХ} +Х0= У, то X{-X0=Y.
В свою очередь, все логические функции могут быть записа-
ны в ДНФ и КНФ. Следовательно, любую логическую функцию
можно представить с помощью трех элементарных функций: ин-
версии, дизъюнкции и конъюнкции. Функционально полной си-
стемой логических элементов называется совокупность логиче-
ских элементов, позволяющая реализовать все 16 логических опе-
раций. К таким функционально полным системам относятся си-
стемы: И, ИЛИ, НЕ; И, НЕ; ИЛИ, НЕ; И—НЕ. В качестве при-
мера рассмотрим выполнение операций И, ИЛИ, НЕ на элемен-
тах ИЛИ-HE (рис. 6.17).
Теоремы булевой алгебры отражают связи, существующие меж-
ду операциями, выполняемыми над логическими переменными.
Далее представлены основные теоремы:
^1 '^0 - ^0^1
(Х2. Xt )Х0 = Х2 (X, Хо)
C¥i+A'0).(A'I+A'0) = Хо
Теоремы булевой алгебры применяются при анализе и синте-
зе цифровых устройств. Любую логическую схему можно описать
и представить в совершенной ДНФ или КНФ. Однако получен-
ная таким образом схема не является оптимальной с точки зре-
ния ее практической реализации. Поэтому исходные ФАЛ обыч-
но минимизируют. Целью минимизации является уменьшение
180
Y= AjAA^
Y^VX»
в
Рис. 6.17. Реализация операций И (<?), ИЛИ (б), НЕ (<?) на базе элемен-
тов 2ИЛИ-НЕ
стоимости ее технической реализации. Критерий минимизации
неоднозначен. Наиболее просто задача минимизации решается с
использованием карт Вейча. Этот метод минимизации базирует-
ся на табличном методе представления ФАЛ при числе перемен-
ных меньше пяти.
Карта Вейча — прямоугольная таблица, число клеток в ко-
торой равно 2п, и в каждой клетке имеется набор всех вход-
ных переменных и их инверсий. На рис. 6.18 приведены карты
Вейча для двух, трех и четырех переменных.
Алгоритм минимизации ФАЛ сводится к следующему:
1) исходные данные записываются в виде таблицы истинности;
2) составляется карта Вейча, в квадраты которой записываются
значения функций из таблицы истинности;
А0А4А2 AqAjA^ А0А1А2 AqA^A^
AqA]%2 А0А1А2 AqAiA^ AqAjA^
2ц
Y0A1A2A3 A^iA^A^ АоА^А^Аз |
А0А4А2А3 АоА^А^Аз A0A1A2A3 Ао^цА^Аз
АоАдА^Аз XqX^X^ А^А^А^Аз АфА^Аз
А0А1А2А3 А0А4А2А3 A0AIA2A3 A0A1A2A3 |
в
°ис. 6.18. Карта Вейча для двух (а), трех (б) и четырех (в) переменных
181
Рис. 6.19. Карта Вейча для минимизации
ФАЛ
3) все клетки, содержащие 1, объединяются в замкнутые обла-
сти, причем каждая область должна представлять собой прямо-
угольник с числом клеток 2к, где к = 0, 1, 2... Области могут пе-
ресекаться, и одни и те же клетки могут входить в разные обла-
сти.
Затем производится запись минимизированного выражения в
ДНФ. Допустим, необходимо минимизировать ФАЛ, заданную
табл. 6.2. Составляем карту Вейча, объединяем «1» в две области
и записываем ФАЛ в ДНФ У(Х2Х1Х0) = ХхХ2+Х^Х2 (рис. 6.19).
Полученное выражение может быть реализовано на логичес-
ких элементах И, ИЛИ, НЕ (рис. 6.20, а). ДНФ функции может
быть преобразована в КНФ. Для этого производим двойную ин-
версию и используем принцип двойственности:
Y(A^A^A’q) — Х}Х2 + Х(уХ2 — ХхХ2 +Х0Х2 — Х1Х2 • Х0Х2.
Полученное выражение реализуется на логических элементах
И-НЕ (рис. 6.20, б).
Рис. 6.20. Схема реализации ДНФ (а) и КНФ (б)
182
Технически реализация схемы, изображенной на рис. 6.20, б
проще, так как здесь используется ИС И—НЕ, которых очень
много в каждой серии микросхем.
6.4. Классификация и основные параметры
логических элементов
Цифровые логические элементы на интегральных микросхемах
(ИМС) — микроэлектронные изделия, предназначенные дня пре-
образования и обработки дискретных сигналов. В зависимости от
вида управляющих сигналов цифровые ИМС можно разделить на
три группы: потенциальные, импульсные и импульсно-потенци-
альные.
Подавляющее большинство логических элементов относятся к
потенциальным, в них используются только потенциальные сиг-
налы.
В импульсных цифровых ИМС используются только импуль-
сные сигналы. В таких ИМС управление осуществляется по пе-
репаду потенциала во время импульса. При этом могут исполь-
зоваться как положительные перепады, обозначаемые значком
«/», так и отрицательные, обозначаемые «\».
В импульсно-потенциальных ИМС могут использоваться как
потенциальные, так и импульсные сигналы. При этом импульс-
ные входы, управляемые перепадом напряжения, обозначаются
косой чертой или стрелкой.
К основным параметрам логических элементов относятся:
• набор логических функций;
• число входов по И и по ИЛИ;
• коэффициент разветвления по выходу;
• потребляемая мощность;
• динамические параметры: задержка распространения сигна-
ла или максимальная частота входного сигнала.
Число входов по И и по ИЛИ обычно составляет от 2 до 16.
Если имеющегося числа входов недостаточно, то для их увели-
чения используются интегральные схемы расширителей по
ИЛИ.
6.5. Базовые логические элементы
Основные требования к базовым логическим элементам
"БЛЭ). Интегральные логические элементы, как известно, явля-
ются основной элементной базой для построения цифровых ус-
тройств. Для надежной работы реальных цифровых устройств
183
необходимо, чтобы все входящие в его состав элементы облада-
ли рядом свойств:
• совместимость уровней входных и выходных сигналов;
• нагрузочная способность;
• формирующее свойство;
• помехоустойчивость.
Совместимость уровней входных и выходных сигналов озна-
чает, что входные и выходные уровни сигналов 0 и 1 должны ле-
жать в заданных пределах, при которых не нарушается работо-
способность цифрового устройства. Обычно <U) <Ulmax\
U°- <u° <u°
nun t '-y max •
Нагрузочная способность логического элемента характеризует
его способность получать сигнал от нескольких источников ин-
формации и одновременно быть источником информации для
ряда других элементов. Нагрузочная способность характеризует-
ся коэффициентом объединения по входу ЛГоб, численно равным
максимальному числу выходов однотипных ЛЭ, которые могут
быть подключены ко входу данного ЛЭ, и коэффициентом раз-
деления по выходу, равным максимальному числу входов одно-
типных ЛЭ, которые могут быть подключены к выходу данного
ЛЭ.
Формирующее свойство ЛЭ определяется видом его ампли-
тудно-передаточной характеристики, под которой понимают за-
висимость его выходного напряжения от входного — t/BbIX =
=/(t4x).
Помехоустойчивость ЛЭ определяется способностью ЛЭ
нормально работать при наличии различных помех. Помехи в
цифровых устройствах носят, как правило, характер кратковре-
менных импульсов. Различают внешние и внутренние помехи.
Внешние помехи связаны с работой городского транспорта, элек-
тродвигателей, сваркой и т.д. Уменьшение влияния этих помех
осуществляется экранированием аппаратуры.
Ко вторым относят помехи, амплитуда и длительность которых
зависят от работы самой схемы (помехи по цепям питания, навод-
ки в шинах печатных плат, кабелях и т.д.). Допустимая амплиту-
да помехи зависит от ее длительности. Эта зависимость называ-
ется характеристикой импульсной помехоустойчивости.
На рис. 6.21 видно, что при малых длительностях помехи ЛЭ
перестает быть чувствительным к сигналу помехи.
Классификация и область применения основных типов
БЛЭ. В настоящее время при разработке ИС наибольшее рас-
пространение получили следующие типы БЛЭ:
• транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);
• эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);
184
Рис. 6.21. Характеристика импульсной по-
мехоустойчивости
НОМ
• интегрально-инжекторная логика (И2Л);
• логика на однотипных полевых транзисторах;
• логика на комплементарных полевых транзисторах (КМОП).
В первых трех типах используются биполярные транзисторы,
в последних — полевые транзисторы.
Наиболее распространенными на сегодняшний день являют-
ся ИС, реализующие ТТЛ и ее разновидности (ТТЛШ). Инте-
гральные схемы этого типа обладают средним быстродействием
/тах~ 20...50 МГц) и средней потребляемой мощностью.
Интегральные схемы, реализующие ЭСЛ, являются наиболее
быстродействующими, однако они потребляют большую мощ-
ность и имеют нестандартные уровни входных и выходных сиг-
налов.
Базовые элементы И2Л разработаны для БИС. Их отличает
высокая степень интеграции, низкое напряжение питания, воз-
можность регулировать в широких пределах быстродействие и
потребляемую мощность.
Особенностью ИС, выполненных на полевых транзисторах,
является малая потребляемая мощность и возможность работы в
широких интервалах питающих напряжений. Микросхемы облада-
ют высокой помехоустойчивостью и технологичностью изготовле-
ния. По сравнению с биполярными, полевые транзисторы имеют
меньшие размеры и проще в изготовлении, что позволяет размес-
тить на единице площади кристалла больше элементов. В соответ-
ствии с этими особенностями областью их применения являются
функционально сложные устройства невысокого быстродействия
и малого потребления мощности. Прогнозы показывают, что по
мере совершенствования технологии, направленной на повыше-
ние их быстродействия, этот класс ИС постепенно станет самым
массовым. В настоящее время уже широко используются интег-
ральные серии КМОП К1554 с быстродействием 120... 150 МГц.
Базовый элемент транзисторно-транзисторной логики
(ТТЛ). Большинство ИС, входящих в состав серий ТТЛ, выпол-
нено на основе двух базовых схем: элемента И—НЕ и расшири-
теля по ИЛИ.
185
Рис. 6.22. Логический элемент И—НЕ (а) и расширитель по ИЛИ (б)
Элемент И—НЕ состоит из трех каскадов: входного много-
эмиттерного транзистора VT1, выполняющего функции логичес-
кой операции И, фазорасщепителя VT2 и двухтактного выходного
усилителя мощности VT4, VT5 (рис. 6.22).
Если хотя бы на один эмиттер транзистора VT1 подано напря-
жение лог. О (Xi ~ 0), то он будет находиться в режиме насыще-
ния, и напряжение на базе УТ2 будет также близко к нулю. Тран-
зистор VT2 будет закрыт. При этом VT5 закрыт, УТ4 открыт и на-
пряжение на выходе Y ~ Un. Если на все эмиттеры транзистора
УТ1 подать сигналы лог. 1 (высокий уровень напряжения), то все
эмиттерные переходы VT1 будут заперты, и ток от источника
питания через переход база — коллектор транзистора VT1 по-
ступает в базу транзистора VT2, переводя его в режим насыще-
ния. При этом VT4 закрывается, a VT5 выходит в режим насы-
щения. Напряжение на выходе Y ~ Umc ~ 0.
Нелинейная цепь коррекции R3, R4, VT3 позволяет повысить
быстродействие элемента и приблизить его АПХ к прямоуголь-
ной. Сопротивление этой цепочки зависит от состояния тран-
зистора VT5. Если VT5 закрыт, сопротивление цепи макси-
мально (Ru ~ R3), если открыт — минимально (7?п ~ R4), так как
R3 » R4.
Построение выходного каскада по двухтактной схеме позволя-
ет повысить быстродействие ЛЭ и снизить потребляемый ток.
Резистор R5 ограничивает величину сквозного тока через тран-
зисторы VT4, УТ5.
Диоды VDO... VDn защищают элемент от появления на его вхо-
дах недопустимых напряжений обратной полярности.
186
В состав ИС ТТЛ входят специализированные элементы для
расширения функциональных возможностей:
• ЛЭ И—НЕ с открытым коллектором, отличается от рассмот-
ренного выше элемента тем, что выходной каскад его выполня-
ется по однотактной схеме без нагрузочного сопротивления (рис.
6.23, а).
В отличие от стандартного элемента, элементы ТТЛ с откры-
тым коллектором могут объединяться по выходам. При этом ре-
ализуется логическая операция ИЛИ;
• ЛЭ И—НЕ с повышенной нагрузочной способностью пред-
назначен для формирования выходных сигналов с большим ко-
эффициентом разветвления. Схемотехнически данный элемент
отличается использованием в выходном каскаде составного тран-
зистора VT4;
• элемент И—НЕ с третьим (высокоимпедансным) состоянием
предназначен для совместной работы нескольких ЛЭ на общую
шину. В схему элемента дополнительно ставятся несколько тран-
зисторов. Для перевода в третье состояние на вход Z подают сиг-
нал логической единицы. При этом оба выходных транзистора
переходят в закрытое состояние (рис. 6.24).
В настоящее время широко используются ЛЭ с транзисторно-
транзисторной логикой с диодами Шоттки (ТТЛШ), которые
имеют низкое пороговое напряжение, и в них отсутствует накоп-
ление заряда (рис. 6.25). Поэтому во время действия выходного
сигнала диод Шоттки открывается раньше, чем коллекторный пе-
Рис. 6.23. Логический элемент И—НЕ ТТЛ с открытым коллектором (а)
и с повышенной нагрузочной способностью (б)
187
Рис. 6.24. Логический элемент И—НЕ ТТЛ с третьим состоянием
реход транзистора, предотвращая накопление заряда в его базо-
вой области. В БЛЭ ТТЛШ (см. рис. 6.25) в выходном двухтакт-
ном усилителе используется составной транзистор VT4, работа-
ющий в режиме без насыщения. Операция И выполняется с ис-
пользованием диодных ключей VDO, VDn.
При подаче на входы ключей высокого уровня диоды закры-
ваются, транзисторы VT1 и VT5 входят в режим насыщения, и на
выходе элемента формируется сигнал низкого уровня Y- 0. Если
Рис. 6.25. Схема БЛЭ ТТЛШ серии 555
188
хотя бы на один вход подается сигнал низкого уровня, то ток ре-
зистора R1 замыкается на общую шину, минуя эмиттерные пере-
ходы транзистора VT1. На выходной шине появляется сигнал
высокого уровня (У = 1). ИС с ТТЛШ обеспечивают уменьшение
потребляемой мощности в 5—8 раз без снижения быстродействия.
Поэтому в настоящее время в новых разработках применяются в
основном микросхемы с транзисторно-транзисторной логикой с
диодами Шотки, например ИС серии 555.
Статическими характеристиками БЛЭ ТТЛ являются:
• амплитудная передаточная характеристика С4ых=/(^вх), ко"
торая соответствует характеристике инвертирующего усилителя;
• выходная характеристика САВЫХ
• входная характеристика
Динамические характеристики БЛЭ определяются типовыми
динамическими параметрами: временем задержки распростра-
нения импульса и временем переключения выходного сигнала.
Временем задержки распространения t3 р называется временной
интервал между перепадами входного и выходного напряжений
(рис. 6.26). Различают два времени задержки распространения:
1^ и /01
гз.р 1 * з.р-
Длительностью переключения выходного сигнала называется
временной интервал, в течение которого выходное напряжение
БЛЭ изменяется от 0,1 до 0,9 значения напряжения логического
перепада. Различают длительность фронта /ф и длительность спа-
да /уп*
Все интегральные схемы ТТЛ, выпускаемые промышленостью,
можно разделить на следующие группы:
• стандартные — серии 155, 133;
• быстродействующие с диодами Шоттки — серии 530, 531, 533,
1531;
Гехтах
t
Рис. 6.26. Временные параметры БЛЭ
189
Таблица 6.3
Параметры БЛЭ различных серий ТТЛ
Серии 4р> нс р МВт ПОТр5 ГГ1 г> ВЫХ? ° Г/0 D и ВЫХ? D I ВЫХ? мА /°вых, мА
К155 10 10 >2,4 <0,4 4 16
К531 3 20 >2,7 <0,5 8 20
К555 10 2 >2,7 <0,5 1 8
• маломощные с диодами Шоттки — серии 533, 555, 1533.
Основные различия перечисленных выше серий в их быстро-
действии и потребляемой мощности. Типовые параметры БЛЭ
различных серий ТТЛ приведены в табл. 6.3. Напряжение пита-
ния равно +5±5% или +5±10%.
Базовый элемент эмиттерно-связанной логики (БЛЭ
ЭСЛ). ИС ЭСЛ являются самыми быстродействующими из суще-
ствующих. Быстродействие в них достигается уменьшением логи-
ческого перепада между уровнями 0 и 1. При этом, естественно,
снижается помехоустойчивость элемента.
Основой БЛЭ ЭСЛ является токовый ключ, выполненный на
двух транзисторах (рис. 6.27). На базу транзистора VT2 подано
некоторое постоянное опорное напряжение Uon. На базу второго
транзистора VT1 поступает входной сигнал Хо, который может
быть больше или меньше Uon. В зависимости от этого токи меж-
ду транзисторами VT1 и VT2 перераспределяются, а следователь-
но, и изменяется выходное напряжение YQ, Y,. Ток, потребляемый
ключом, при этом остается постоянным.
Быстродействие токового ключа велико, так как, во-первых,
транзисторы не заходят в область насыщения, и, во-вторых, пере-
пад между значениями лог. О и лог. 1 мал и составляет ~0,6... 0,7 В.
С токового ключа снимаются одновременно два сигнала —
прямой и инверсный: Уо = ^1 =
Рис. 6.27. Токовый ключ БЛЭ ЭСЛ
190
Рис. 6.28. Схема БЛЭ ЭСЛ
Ill
Полная схема БЛЭ ЭСЛ приведена на рис. 6.28.
Функционально схему БЛЭ можно разбить на три узла: токовый
ключ на транзисторах VTO... VTn+l и резисторе 7?л+3, источник эта-
лонного напряжения, выполненный на диодах VD1, VD2, резисто-
рах Rn+5, и эмиттерной повторителя на транзисторе ИТл+2 и
выходные эмиттерные повторители на транзисторах VTn+3, VTn+4.
Если на все входы Х0...Хп подать напряжение, близкое к лог.
О (-1,7 В), то все транзисторы VTO... VTn будут закрыты, и ток ре-
зистора Rn+3 будет протекать через транзистор КГи+1, к базе кото-
рого приложено напряжение Uon. На коллекторе транзистора VTn
напряжение близко к нулевому, и с эмиттерного повторителя
VTn+3 снимается напряжение UY1, равное примерно -0,9 В (лог. 1).
Через резистор R„+2 протекает ток ключа, и на нем падает на-
пряжение UR ~I3Rn+2. Это напряжение поступает на эмиттер-
ный повторитель VTn^. На выходе КГл+4 напряжение /7Г] ~-1,7 В
(лог. 0).
Если на один из входов XQ...Xn подать напряжение лог. 1, то
соответствующий транзистор перейдет в активный режим, и ключ
изменит свое состояние. Это приведет к тому, что на выходе UY1
будет формироваться лог. 0, а на выходе UY[ — лог. 1.
Таким образом, рассмотренная схема реализует по выходу У2
операцию ИЛИ—НЕ, а по выходу У] — операцию ИЛИ:
Yi -(^G) +
^2 -(^ч)+^i
191
Рис. 6.29. Статические характеристики БЛЭ ЭСЛ:
а — передаточная; б — входная; в — выходная
Ax
Для повышения помехоустойчивости БЛЭ ключ и эмиттерные
повторители питаются по раздельным цепям питания. Действи-
тельно, ток, потребляемый ключом, постоянен, а ток, потребля-
емый эмиттерными повторителями, импульсный.
Статические характеристики БЛЭ приведены на рис. 6.29.
Входное напряжение вблизи £7ОП = -1,3 является запрещенным.
Логический перепад выходного напряжения составляет при-
мерно 0,88 В. Выходное сопротивление элемента мало. Основные
серии 100, 500, 1500. Напряжение питания С7П= -5,2±10% В.
Базовый элемент интегрально-инжекторной логики. Этот
элемент применяется в БИС и состоит только из полупроводни-
ковых транзисторов, отличается высокой технологичностью и
низким напряжением питания. Схема БЛЭ приведена на рис.
6.30. Особенностью элемента являются: отсутствие резисторов,
использование импульсного токового принципа питания, малые
логические перепады, что обеспечивает высокое быстродействие.
В состав БЛЭ входит многоколлекторный транзистор VT2 и ге-
нератор базового тока транзистора, выполненного на транзисторе
VT1. Ток инжектора задается внешним резистором R, который
является общим на группу элементов.
Важной особенностью ЛЭ И2Л является возможность изменять
ток инжектора в пределах от 1 нА до 1 мА и тем самым менять его
быстродействие и потребляемую мощность.
Принцип работы схемы И2Л заключается в следующем. Допу-
стим, сигнал на входе элемента присутствует (лог. 1). В этом слу-
чае ток инжектора втекает в базу транзистора VT2, насыщает его
Рис. 6.30. Схема БЛЭ И2Л
192
Рис. 6.31. Реализация логической операции на БЛЭ И2Л
и на его выходах создается лог. 0. Реально выходное напряжение
равно 0,1 ...0,2 В. Если на вход элемента подключить сигнал «0»
(С7ВХ ~ 0,1 ...0,2 В), то транзистор запирается, и ток инжектора не
проходит через эмиттерный переход транзистора VT2. Напряже-
ние на выходе элемента определяется внешними цепями и равно
-(0,6...0,7) В.
Таким образом, для БЛЭ И2Л справедливо С7° = 0,1 ...0,2 В, а
Ux - 0,6...0,7 В. На рис. 6.31 показана схема реализации логиче-
ской операции Y = Хо + Хг.
Ввиду небольшой помехоустойчивости БЛЭ И2Л используют-
ся только в составе БИС и СБИС.
Базовый логический элемент на МДП-транзисторах. Осо-
бенностью этого БЛЭ является то, что нагрузкой ключа является
МДП-транзистор, и в схеме отсутствуют пассивные элементы.
Входное сопротивление транзисторов очень велико — до 1012 Ом.
На рис. 6.32 приведены схемы БЛЭ КМОП-типа, реализующие
логические функции 2И—НЕ и 2ИЛИ—НЕ. На входах элемента
установлены диоды для защиты от обратного напряжения и ста-
тического напряжения. БЛЭ КМОП-типа отличается минималь-
а б
Рис. 6.32. Схема БЛЭ КМОП-типа, реализующая операцию ИЛИ—НЕ
(а) и И-НЕ (б)
7 Лаврентьев
193
ным потреблением в статическом режиме /потрст ~ 0,1 ...0,5 мкА.
Однако потребление резко возрастает при работе в динамическом
режиме (в сотни и тысячи раз). Уровень лог. 0 Uo = 0, а уровень
лог. 1 — U\= Un. Благодаря такому большому перепаду БЛЭ об-
ладает большой помехоустойчивостью. Микросхемы, построен-
ные на основе БЛЭ КМОП-типа, могут работать в широком ин-
тервале напряжения питания (от 3 до 18 В). Основные серии 176,
164, 561, 564, 1561, 1564. Микросхемы этих серий могут работать
друг с другом и отличаются быстродействием. Входные токи со-
ставляют микроамперы, выходные 0,5... 1 мА. Исключение со-
ставляют микросхемы К561ЛН1, К561ЛН2, К561ПУ4, которые
обеспечивают выходной ток до 8 мА. Максимальная рабочая ча-
стота не превышает 5 МГц.
Особый интерес представляют микросхемы серии К1554, ко-
торые относятся к КПОП структурам, но по функциональному
назначению соответствуют серии К555. Микросхемы работают в
диапаоне напряжений 2... 6 В, обеспечивают нагрузочный ток до
24 мА и имеют быстродействие 100... 150 МГц.
В состав БЛЭ на МПД-транзисторах входят транзисторы раз-
ной проводимости. Транзистор л-типа истоком подключается к
общей шине, а транзистор/>-типа подключается к положительной
шине питания.
Особенностями применения микросхем на КМОП-транзисто-
рах являются:
• возможность работы в широком диапазоне питающих напря-
жений;
• напряжение на входных шинах не может быть больше, чем
напряжение питания;
• входные шины не могут «висеть в воздухе».
Область применения микросхем. Микросхемы ТТЛ (ТТЛШ)
пригодны для коммутации больших токов, благодаря чему мик-
росхемы имеют большое быстродействие и применяются для со-
здания быстродействующих узлов аппаратуры. Сверхбыстродей-
ствующие устройства строятся на микросхемах ЭСЛ. Микросхе-
мы на МДП-транзисторах благодаря своей высокой технологич-
ности часто выполняются в виде БИС различного назначения.
Минимальная потребляемая мощность позволила использовать
их в автономной аппаратуре с питанием от аккумуляторов или
гальванических элементов.
Микросхемы КМОП и ТТЛШ могут работать совместно при
напряжении питания +5 В, однако в каждом конкретном случае
необходимо произвести соответствующие расчеты на нагрузоч-
ную способность. Кроме того, в каждой серии имеются схемы
согласования уровней, например, К561ЛН1, К561ЛН2, К561ПУ4
и др.
194
6.6. Классификация цифровых устройств
Цифровые устройства (ЦУ) могут быть классифицированы по
различным признакам.
В зависимости от способа ввода и вывода ин-
формации ЦУ подразделяются на последовательные, парал-
лельные и последовательно-параллельные.
Последовательным называется устройство, в котором входные
сигналы поступают на вход, а выходные сигналы снимаются с
выхода последовательно разряд за разрядом.
Устройство называется параллельным, если входные сигналы
подаются на вход, а выходные сигналы снимаются с выхода од-
новременно в виде параллельного кода.
В последовательно-параллельных устройствах входные и вы-
ходные сигналы представлены в разных формах: либо на вход сиг-
налы поступают последовательно сигнал за сигналом, а с выхода
они снимаются одновременно, либо наоборот.
По принципу действия все ЦУ подразделяются на два
класса: комбинационные и последовательностные (накопитель-
ные) .
Комбинационными цифровыми устройствами (КЦУ) назы-
ваются устройства, выходные сигналы которых определяются
только действующими в данный момент входными сигналами и
не зависят от внутреннего состояния устройства.
Последовательностными устройствами называются ЦУ, вы-
ходные сигналы которых зависят не только от входных сигналов,
но и от внутреннего состояния устройства. Этот тип устройств
часто называют цифровыми автоматами.
6.7. Комбинационные цифровые устройства
К комбинационным ЦУ относятся: дешифраторы, шифрато-
ры, мультиплексоры, демультиплексоры, комбинационные сумма-
торы и арифметико-логические устройства (АЛУ).
Дешифратором называется комбинационная цифровая схема
с несколькими входами и выходами, преобразующая код, подава-
емый на входы, в сигнал на одном из выходов. Если дешифратор,
имеющий п входов, имеет 2п выходов, то такой дешифратор на-
зывается полным. Если количество выходов меньше, то деши-
фратор называется неполным.
Логическая схема дешифратора на четыре выхода приведена на
рис. 6.33. Поведение дешифратора описывается таблицей истин-
ности (рис. 6.33, в).
195
Рис. 6.33. Схема дешифратора (а), условное обозначение (б), таблица
истинности (<?)
Входные сигналы Выходные сигналы
Р0 Pi р2 Рз
0 0 1 0 0 0
0 1 0 1 0 0
1 0 0 0 1 0
1 1 0 0 0 1
в
Используя карту Вейча, получаем
^0 ~ ^2 ~^Г^0’ ^3 ~^г^о-
Дешифраторы выпускаются, как правило, в виде микросхем с
количеством выходов 4, 8, 10, 16, 32. Ряд микросхем имеет инверс-
ные выходы, например К555ИДЗ.
Шифратором называется ЦУ, предназначенное для преобра-
зования чисел из десятичной системы в двоичную. Логическая
схема шифратора на два выхода приведена на рис. 6.34. В соот-
Х3 Х2 Jq Xq
Рис. 6.34. Схема шифратора (а), условное обозначение (б), таблица
истинности (в)
а
Входные сигналы Выходные сигналы
Р1 Ро
0 0 0 1 0 0
0 0 1 0 0 1
0 1 0 0 1 0
1 0 0 0 1 1
в
196
Рис. 6.35. Схема мультиплексора (а), условное обозначение (6), табли-
ца истинности (в), карта Вейча (г)
Входные сигналы Выходные сигналы
0 0 А)
0 1 Di
1 0 d2
1 1 D,
в
ветствии с таблицей истинности, используя карты Вейча, полу-
чаем:
Очевидно, что в шифраторе сигнал, подаваемый на вход Jf0, не
используется. Основное применение шифраторов — введение
первичной информации с клавиатуры (преобразование десятич-
ного кода в двоичный), например, ИС К555ИВЗ.
Мультиплексором называется комбинационное ЦУ, предназ-
наченное для управляемой передачи информации с нескольких
источников в один выходной канал. Мультиплексор можно реа-
лизовать, используя ЛЭ И и дешифратор. Мультиплексор имеет
один выход, информационные входы и адресные или управляю-
щие входы (рис. 6.35). В зависимости от кода, подаваемого в ад-
ресные шины Хо, Xi, один из информационных входов подклю-
чается к выходному каналу.
Функция алгебры логики, описывающая работу мультиплек-
сора, имеет вид:
У - DQXxXQ + DxXxXQ +D2XxXq +D3XxX0.
Демультиплексором называется комбинационное логическое
устройство, предназначенное для управляемой передачи данных
от одного источника информации в несколько выходных каналов
197
ИО
Входные сигналы Выходные сигналы
2Г1 Г) Г1 Yi *3
0 0 D 0 0 0
0 1 0 D 0 0
1 0 0 0 D 0
1 1 0 0 0 D
в
Рис. 6.36. Схема демультиплексора (а), условное обозначение (б), таб-
лица истинности (<?)
(рис. 6. 36). Демультиплексор имеет один информационный вход,
п адресных шин и 2" — выходов. Для данной схемы:
Уо Y^— D-Xx- Х^У2 — DX[ • JT0; Y3 — D-Хх- XQ.
Для микросхем, выполненных на МДП-транзисторах, одни и
те же схемы могут выполнять функции мультиплексора и демуль-
типлексора.
Комбинационный сумматор — ЦУ, предназначенное для
арифметического сложения чисел, представленных в виде двоич-
ных кодов.
Обычно сумматор представляет собой комбинацию однораз-
рядных сумматоров (рис. 6.37). При сложении двух чисел в каж-
дом разряде производится сложение трех цифр: цифры первого
слагаемого ah цифры второго слагаемого bt и цифры переноса из
Рис. 6.37. Структурная схема одноразрядного
сумматора
198
a
Входные сигналы Выходные сигналы
bi Pi 3 Л+1
0 0 0 0 0
0 1 0 1 0
1 0 0 1 0
1 1 0 0 1
0 0 1 1 0
0 1 1 0 1
1 0 1 0 1
1 1 1 1 1
б
Рис. 6.38. Схема одноразрядного сумматора (а), таблица истинности (6),
карта Вейча (в)
младшего разряда Pz. В результате суммирования на выходных
шинах получается сумма Sf- и перенос в старший разряд Р/+1.
На рис. 6.38, б приведена таблица истинности одноразрядно-
го сумматора.
Используя карты Вейча, можно записать ФАЛ, описывающие
работу сумматора, и построить схему сумматора:
Параллельный (многоразрядный) сумматор может быть состав-
лен из одноразрядных сумматоров путем их соединения по сиг-
налам переноса Pz (рис. 6.39).
Сумматоры с поразрядным переносом выпускаются в виде
микросхем на 2 и 4 разряда. Например, К561ИМ1 — сумматор на
4 разряда. Для увеличения разрядности до 8 необходимо взять две
микросхемы и соединить их последовательно по цепи переноса.
Сумматор с поразрядным последовательным переносом наиболее
прост с точки зрения схемной реализации, однако имеет низкое
быстродействие. Время выполнения операции Гоп зависит от раз-
рядности:
199
Рис. 6.39. Многоразрядный сумматор с поразрядным (последователь-
ным) переносом
^ОП ~
где — время распространения переноса в одноразрядном сум-
маторе; п — число разрядов.
Для повышения быстродействия используются сумматоры с
параллельным переносом.
При построении арифметико-логических устройств (АЛ У) не-
обходимо наряду с операцией суммирования выполнять ряд ло-
гических операций. Для этого можно использовать ИС К561ИПЗ,
которая представляет собой четырехразрядное АЛУ, выполняю-
щее 16 логических и арифметико-логических операций.
Цифровые компараторы предназначены для сравнения циф-
ровых кодов. Они определяют равенство двух двоичных чисел А
б
а
Входные сигналы Выходные сигналы
А и В А<В А = В А>В
А<В 1 0 0
А=В 0 1 0
А> В 0 0 1
в
Рис. 6.40. Одноразрядный компаратор (а), ИС К561ИП2 (б), таблица
истинности (в)
200
г-
и В или вид неравенства А > В, А < В. Цифровые компараторы
имеют три выхода.
Схема одноразрядного компаратора на логических элементах
приведена на рис. 6.40, а. Цифровые компараторы выпускаются,
как правило, в виде микросхем.
На рис. 6.40, б изображена ИС К561ИП2, которая является
четырехразрядным компаратором. Микросхема имеет расширяю-
щие входы А < В, А = В, А > В, что позволяет наращивать разряд-
ность обоих чисел. Для восьмиразрядных чисел берут две микро-
схемы, для двенадцатиразрядных — три и т. д.
6.8. Типовые функциональные узлы
последовательностных цифровых устройств
Триггеры. В последовательностных логических устройствах
значение выходного сигнала зависит не только от действия вход-
ных сигналов, но и от внутреннего состояния устройства, т. е. от
тех значений входных переменных, которые действовали в пре-
дыдущие моменты времени. Очевидно, что для функционирова-
ния таких устройств они должны содержать в своем составе эле-
менты памяти. В качестве таких элементов памяти используются
триггеры.
Триггером называется цифровое устройство, которое может
находиться в одном из двух устойчивых состояний и переходит из
одного состояния в другое под действием входных сигналов. Триг-
геры можно классифицировать по способу приема информации,
виду активного сигнала, принципу построения, функциональным
возможностям.
По способу приема информации триггеры подраз-
деляются на асинхронные и синхронные.
Асинхронный триггер изменяет свое состояние в момент при-
хода сигнала на его информационные входы. Синхронные триг-
геры изменяют свое состояние под воздействием входных сигна-
лов только в момент прихода активного сигнала на его синхрони-
зирующий вход С.
По виду активного сигнала, действующего на инфор-
мационных входах, триггеры подразделяются на статические и
динамические. Первые переключаются потенциалом (уровнем на-
пряжения), а вторые — перепадом (передним или задним фрон-
том импульса). Входные информационные сигналы могут быть
прямыми и инверсными.
По принципу построения триггеры со статическим
управлением можно подразделить на одноступенчатые и двух-
ступенчатые. В одноступенчатых триггерах имеется одна ступень
201
запоминания. В двухступенчатых триггерах имеются две ступени
запоминания. Вначале информация записывается в первую сту-
пень, а затем переписывается во вторую и появляется на выходе.
По функциональным возможностям различают:
АЗ’-триггеры, D-триггеры, Т-триггеры, /^-триггеры, VD- и VT-
триггеры.
Триггеры характеризуются быстродействием, чувствительно-
стью, потребляемой мощностью, помехоустойчивостью, функци-
ональными возможностями.
Асинхронный 2?А-триггер имеет две входные информацион-
ные шины R и S и две выходные шины Q и Q. Под действием
входного сигнала Sтриггер устанавливается в состояние 1 (Q = 1,
(2 = 0), а под действием сигнала R — переходит в состояние 0
(2 = 0, 2 = 1).
Таблица истинности и карта Вейча асинхронного ЛА-тригге-
ра приведены на рис. 6.41, а электрическая схема, условное обо-
значение и временная диаграмма работы — на рис. 6.42. В этом
триггере одновременная подача входных сигналов R и S запреще-
на. Из диаграммы Вейча следует:
77’
^S’-триггеры строятся на базе ЛЭ ИЛИ—НЕ или И—НЕ.
Синхронный RS-триггер имеет дополнительный синхронизи-
рующий вход С. Таблица истинности и карта Вейча изображены
на рис. 6.43.
Входные сигналы Выходные сигналы
Sn Сл Qn+i Операция
0 0 0 0 Хранение
0 0 1 1 Хранение
0 1 0 0 Запись «0»
0 1 1 0 Запись «0»
1 0 0 1 Запись «1»
1 0 1 1 Запись «1»
1 1 0 Запрет
1 1 1 Запрет
Рис. 6.41. Таблица истинности (а) и карта Вейча (6) для асинхронного
Аб'-триггера
202
о
а б
Рис. 6.42. Схема {а), условное обозначение (б) и временная диаграмма ра-
боты (в) асинхронного Лб’-триггера, построенного на логических эле-
ментах ИЛИ—НЕ
Работа триггера описывается уравнением
Q„+}=Q„C + CR„Q„+S„ C = Q„C+C(S„+Q„ Rn).
Триггер может быть построен на логических элементах И—НЕ,
ИЛИ—НЕ. На рис. 6.44 приведена схема синхронного /^-триг-
гера на логическом элементе И—НЕ. Здесь переход триггера из
одного состояния в другое происходит только в момент поступ-
ления синхроимпульса С при наличии входных сигналов 5 или R.
При поступлении только синхроимпульсов состояние триггера не
изменяется.
ЛлУ-триггер выпускается в виде микросхем. В одном корпусе
может содержатся несколько триггеров. Обычно RS-триггеры
предназначены для хранения информации.
Входные сигналы Выходные сигналы
sn Qn+\ Операция
0 0 0 Qn Хранение
0 1 0 Qn Хранение
1 0 0 Qn Хранение
1 1 0 Qn Хранение
0 0 1 Qn Хранение
0 1 1 Qn Запись
1 0 1 1 Запись
1 1 1 Запрет
Рис. 6.43. Таблица истинности синхронного /^-триггера {а), карта Вей-
ча (б)
Рис. 6.44. Схема (а), временная диаграмма работы (б) синхронного /йУ-
триггера
P-триггер имеет только один информационный вход D, с ко-
торого информация записывается и выдается на выходные шины
по сигналу синхронизации. Это означает, что P-триггеры могут
быть только синхронными. Таблица истинности и карта Вейча
приведены на рис. 6.45. Работа триггера из карты Вейча описы-
вается выражением
P-триггеры бывают однотактными и двухтактными. Схема од-
ноактного P-триггера и временная диаграмма его работы пред-
ставлены на рис. 6.46, а.
Запись информации производится в момент прихода синхро-
импульса С.
В двухтактном P-триггере (рис. 6.46, б) запись производится
в два такта: в первом такте по сигналу Тi триггер устанавливает-
Входные сигналы Выходные сигналы
D с Qn Qn+i
0 0 0 0
0 0 1 1
0 0 0
0 1 L 1 0
1 0 0 0
1 0 1 1
1 ] 1 0 1
1 1 1 1
а
Рис. 6.45. Таблица истинности (а) и карта Вейча (б) Р-триггера
204
a
Рис. 6.46. Схема и временная диаграмма работы однотактного D-триг-
гера (а) и двухтактного D-триггера (б)
ся в 0, а во втором такте по сигналу Т2 происходит запись инфор-
мации в D-триггер по входу D.
Работа триггеров поясняется временной диаграммой работы.
Разновидностью D-триггера является FD-триггер, который до-
полнительно снабжен входом разрешения работы К При V = 1
триггер функционирует как обычный D-триггер, при V= 0 рабо-
тает в режиме хранения информации.
Триггеры выпускаются в виде ИС. В одном корпусе может быть
2, 4, 8, 16 и более триггеров.
7-триггеры имеют один информационный вход Т и изменя-
ют свое состояние на противоположное при поступлении на этот
вход сигнала Т. Т-триггеры широко используются для построения
Входные сигналы Выходные сигналы
т 1 п Qn+\
0 Qn
1 Qn
а
Рис. 6.47. Таблица истинности (о), карта Вейча (б) для /"-триггера и Т-
триггер на базе D-триггера (в)
различных счетчиков На рис. 4.47 приведена таблица истинно-
сти, карта Вейча для Т-триггера.
Функционирование Т-триггера описывается уравнением
Т-триггер можно построить на базе D-триггера (рис. 6.47, в).
Здесь на входе D сигнал будет иметь значение, противоположное
состоянию триггера. Поэтому входной сигнал Т по входу С пере-
ключает триггер в противоположное состояние.
Более надежны двухступенчатые /’-триггеры, выполненные в
виде двух последовательно соединенных триггеров — ведущего и
ведомого. При этом новая информация вначале записывается в
первый триггер, а затем переписывается во второй. На принци-
пиальных схемах двухступенчатые триггеры обозначаются сдвоен-
ной буквой «ТТ».
.Ж-триггер, в отличие от 7?5-триггера, не имеет запрещенных
комбинаций входных сигналов. При поступлении сигналов на оба
входа J и К триггер изменяет свое состояние на противополож-
ное (рис. 6.48). Уравнение работы асинхронного и синхронного
.Ж-триггеров имеет следующий вид:
Qn+l = JQn +KQn — для асинхронного;
Qn+x=C(JQn+KQn) + CQn — для синхронного.
Входные сигналы Выходные сигналы
Qn Qn+\
0 0 0 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 I 1
1 1 0 1
1 1 1 0
а
Рис. 6.48. Таблица истинности (а) и карта Вейча (б) для асинхронного
.Ж-триггера
На рис. 6.49 приведена схема /^-триггера, построенная на базе
двухступенчатого ЯУ-триггера с запрещенными связями.
206
Рис. 6.49. Схема «/Х-триггера («) и его условное обозначение (б)
является универсальным триггером. На его осно-
ве можно построить RS, D, Т-триггеры.
Триггеры с динамическим управлением отличаются от триг-
геров со статическим управлением тем, что информационные
сигналы на их входах не должны изменяться во всем интервале
действия сигнала С. Переключение триггера происходит в тече-
ние короткого времени вблизи фронта или среза импульса синх-
ронизации.
Если триггер переключается передним фронтом синхроим-
пульса, то он имеет прямой динамический вход, если переключа-
ется задним фронтом — инверсный динамический вход (рис.
6.50).
Таким образом, триггер с динамическим управлением не чув-
ствителен к изменению информационных сигналов при действии
сигналов С = 1 и С = 0. Переключение триггера происходит по
переднему или заднему фронтам синхроимпульса. Строго говоря,
переключение триггера происходит не непосредственно по фрон-
ту или срезу импульса синхронизации. Для гарантированной за-
писи информации она должна оставаться неизменной на инфор-
мационных входах на некотором интервале в окрестности изме-
нения сигнала синхронизации. Ширина этой области определя-
ется реальными задержками в выбранных ЛЭ.
Рис. 6.50. Условные обозначения триггеров с прямым (а) и обратным (б)
динамическим входом синхронизации
207
Среди триггеров с динамическим управлением широкое рас-
пространение получила так называемая схема трех триггеров.
Идея построения структуры такого триггера состоит в запомина-
нии сигналов, действовавших на информационных входах в мо-
мент изменения сигнала на входе синхронизации.
Триггеры входят в состав многих функциональных последова-
тельностных цифровых устройств, таких как регистры, счетчики,
накапливающие сумматоры и т. д.
Регистры. Последовательностное ЦУ, предназначенное для
записи, хранения, выдачи или сдвига информации, называется
регистром. В ряде случаев в регистре могут выполняться логиче-
ские операции или операции преобразования кодов, например,
из параллельного кода в последовательный и обратно. Регистр
представляет собой совокупность триггеров, число которых соот-
ветствует числу разрядов в слове, и вспомогательных схем для вы-
полнения операций.
В параллельных регистрах запись информации производит-
ся параллельным кодом одновременно по всем разрядам (рис.
6.51).
Параллельные регистры применяются для хранения информа-
ции и поэтому называются регистрами памяти. Параллельный
регистр может быть выполнен на RS или D-триггерах. Прием ин-
формации производится по переднему фронту тактового импуль-
са. На входах и выходах триггеров регистра могут стоять логичес-
кие схемы для преобразования кодов в прямые или инверсные
коды.
В сдвигающих регистрах выполняется сдвиг информации
влево или вправо. Информация на регистр может поступать в
последовательном или параллельном коде и выдаваться с выход-
ных шин в последовательном или параллельном коде. Следова-
а
Рис. 6.51. Функциональная схема параллельного регистра (а), условное
обозначение (б)
208
Вход/)
Сдвиг
Рис. 6.52. Функциональная схема сдвигающего регистра (а) и его услов-
ное обозначение (б)
тельно, в сдвигающих регистрах можно преобразовывать коды из
последовательного в параллельный и обратно.
Сдвигающие регистры могут строиться на £>-триггерах (рис.
6.52, а). Если сдвиг в регистре в зависимости от управляющего
сигнала может быть и влево, и вправо, то такие регистры назы-
ваются реверсивными.
В сдвигающих регистрах используются только двухступенчатые
триггеры или триггеры с динамическим управлением. Это гаран-
тирует сдвиг информации на один разряд по каждому импульсу
синхронизации. В настоящее время выпускаются ИС параллель-
ных, сдвигающих и универсальных регистров.
На рис. 6.53 изображена микросхема К555ИР23, представля-
ющая собой 8-разрядный параллельный регистр с динамическим
управлением.
Рис. 6.53. Параллельный регистр ИС К555ИР23
209
% Операция
0 0 Хранение
0 1 Сдвиг —►
1 0 Сдвиг —
1 1 Параллельный прием
На рис. 6.54 приведена микросхема
К155ИР13. В зависимости от сигналов,
подаваемых на управляющие шины 50 и
, микросхема может работать как па-
раллельный регистр и как сдвигающий
со сдвигом влево или вправо.
Счетчики. Последовательностное
ЦУ, предназначенное для подсчета вход-
ных импульсов, называется счетчиком.
Счетчики строятся на триггерах Г-типа и
Рис. 6.54. Универсальный некоторых логических схемах для фор-
регистр ИС К555ИР13 мирования управляющих сигналов.
Основными параметрами счетчика
являются коэффициент пересчета и быстродействие. В зависимо-
сти от коэффициента пересчета (М) счетчики подразделяются на
двоичные (коэффициент пересчета М = 2") и с произвольным ко-
эффициентом пересчета (Л/V 2"). Разновидностью последних яв-
ляются двоично-десятичные счетчики (М = 10).
В зависимости от направления счета счетчики бывают: сумми-
рующие, вычитающие и реверсивные. Последние в зависимости
от управляющего сигнала работают как суммирующие или как
вычитающие.
По способу организации межразрядных связей счетчики под-
разделяются на счетчики с последовательным, параллельным и
параллельно-последовательным переносом. Самые простые и
вместе с тем самые медленные — это счетчики с последователь-
ным переносом. Наибольшим быстродействием обладают счетчи-
ки с параллельным переносом. Двоичные счетчики обеспечивают
коэффициент пересчета М = 2п (рис. 6.55).
Для получения суммирующего двоичного счетчика Т-тригге-
ры должны иметь инверсные динамические входы (должны пере-
ключаться по срезу тактового импульса С). Для получения вычи-
тающего счетчика /"-триггеры должны иметь прямые динамиче-
а
Qi
Qi
Qi
Рис. 6.55. Схема трехразрядного двоичного счетчика с последовательным
переносом (а), временная диаграмма работы (б), условное обозначение (в)
t
ЛЛПШШШ1__
210
ские входы. Таким образом, направление счета можно изменять
путем изменения межразрядных связей. На этом принципе стро-
ятся реверсивные счетчики.
Рассмотренный выше счетчик является счетчиком с последо-
вательным переносом. Его быстродействие тах зависит от коли-
чества разрядов:
Ж max тр?
где 4 тр — время переключения одного счетчика.
Для увеличения быстродействия используются счетчики с па-
раллельным или сквозным переносом (рис. 6.56). Для этого не-
обходимо использовать синхронные Т-триггеры. Триггеры уста-
навливаются в соответствующие состояния одновременно по пе-
реднему фронту синхроимпульса. Очевидно, что быстродействие
схемы, изображенной на рис. 6.55, а, равно времени переключе-
ния одного триггера. В схеме, приведенной на рис. 6.55, б быст-
родействие:
ЙСтах ^Ктр
где /зл — время задержки ЛЭ.
I
к
и
я
ж
Тактовые
импульсы
Тактовые
импульсы
Рис. 6.56. Схемы четырехразрядного счетчика с параллельным (<э) и
сквозным (б) переносом
211
DD1
Рис. 6.57. Схема двоично-десятичного счетчика (а) и временная диа-
грамма его работы (б)
т ппппппппппдпппапппп .
а .. П П П П П П П П П [
Счетчики с произвольным коэффициентом пересчета стро-
ятся на основе двоичных счетчиков с организацией обратной свя-
зи с выходных шин через схему И на вход R счетчика.
На рис. 6.57 приведены схема и временная диаграмма работы
двоично-десятичного счетчика. При поступлении десятого им-
пульса (код 1010) на выходах схемы И формируется сигнал, кото-
рый переводит счетчик в нуль (код 0000). Если на входы микро-
схемы DD2 подать сигналы Q3 и Q4, то получится счетчик с ко-
эффициентом пересчета М = 12 и т.д.
Существует много интегральных схем, в которых счетчик со-
вмещен с другими комбинационными схемами, например счет-
чик-дешифратор К176ИЕ8, К176ИЕ9, счетчик-преобразователь в
семисегментный код К176ИЕЗ, К176ИЕ4. Имеются реверсивные
счетчики К561ИЕ11 (М = 16), К561ИЕ14 (М= 10); программиру-
емые счетчики К561ИЕ15; К561ИЕ19; таймерные счетчики
К176ИЕ12, К176ИЕ13, К176ИЕ17, К176ИЕ18 и др.
На рис. 6.58, а приведена схема делителя на 100, построенная
на микросхемах ДД1, ДД2 К176ИЕ4 (М= 10). Выходы счетчиков
нагружены на семисегментные индикаторы АЛС314А. На рис.
6.58, б приведены схема и временная диаграмма работы распре-
делителя импульсов, построенная на ИС 176ИЕ8.
Микросхема К176ИЕ12 (рис. 6.58, в) представляет собой два
делителя — один с М= 32768 и второй с М = 60. Кроме того, в со-
став микросхемы входит кварцевый генератор с частотой 32768 Гц.
С выходов ИС снимаются сигналы с частотой 32768 Гц, 1024 Гц,
128 Гц, 2 Гц, 1 Гц и 1 мин. Микросхема К176ИЕ11 представляет
собой реверсивный счетчик с М- 16 (рис. 6.57, г). В зависимос-
ти от сигнала на управляющей шине счетчик работает в режиме
суммирования или вычитания. Комбинированные счетчики по-
зволяют значительно упростить аппаратную реализацию проек-
тируемых электронных устройств.
212
DD2
DD1
DD1
К176ИЕ8
Уст. «О»
Управл.
счетом
Счетный
вход
CTW
Вых. О
Вых. 1
Вых. 2
Вых. 3
10 Вых. 4
Вых. 5
Вых. 6
Вых. 7
Вых. 8
11 Вых. 9
12 Перенос Р
Уст.«0» . /
Сч. вх. п I п г п г п п 1 п п к.
Вых. 0 1 ж- /
Вых. 1 f
Вых. 2
Вых. 3 * / у, f
Вых. 4 » W f
Вых. 5 “ 1
Вых. 6 1 -к- f
Вых. 7 t
Вых. 8 t
Вых. 9 1
К1764ИЕ11
6 Q1
11 Q2
14 Q4
2 Q8
7 Перенос
Рис. 6.58. Схема делителя на 100 (о), схема распределителя импульсов
(б), ИС К176ИЕ12 (в) и ИС К176ИЕ11 (г)
213
Накапливающие сумматоры. Они предназначены для после-
довательного суммирования нескольких чисел. Причем в каждом
такте к предыдущей сумме добавляется очередное число.
Накапливающие сумматоры строятся на базе комбинационных
сумматоров и параллельных регистров.
Установка в нуль сумматора происходит при поступлении сиг-
нала на вход R регистра (рис. 6.59). Затем поступает первое чис-
ло Alf и по сигналу «Прием» оно запоминается в регистре и по-
ступает на выходные шины 5 и на вход В сумматора. При этом
на выходе комбинационного сумматора DD1 формируется сумма
двух чисел. В момент времени tx на сумматор поступает второе
число Аг, которое суммируется с числом Л, и по сигналу «При-
ем» запоминается в регистре DD2. Следующее число Л3 склады-
вается с суммой чисел А{ и А2 и т.д., т.е. в регистре накапливает-
ся сумма чисел.
Далее приводятся электрические схемы ряда цифровых уст-
ройств:
• электронные часы (рис. 6.60). Схема включает в себя: квар-
цевый генератор с частотой/= 32 768 Гц, делители частоты DD1,
формирователи минут DD3, DD4, формирователи часов DD5,
DD6, четыре светодиодных индикатора АЛС314, и ЛЭ DD2, DD7.
В рабочем режиме (переключатель SAj в положение «Работа») им-
пульсы с периодом 1 мин через логические схемы DD2.1 и DD2.2
поступают на счетчик минут DD3, DD4 и далее на счетчики ча-
сов DD5, DD6. Для формирования 24 часов используются ИС
DD7.1 и DD7.2. Для установки текущего времени тумблер SA{ ус-
танавливается в положение «Уст. ТВ» и кнопками SA3 и SA4 ус-
Рис. 6.59. Схема накапливающего сумматора (а) и временная диаграм-
ма его работы (б)
б
214
АЛС-314 АЛС-314 АЛС-314 АЛС-314
Рис. 6.60. Электрическая схема часов
215
АЛС-314
АЛС-314
АЛС-314
Рис. 6.61. Секундомер электронный
DD1
Рис. 6.62. Принципиальная схема таймера
Рис. 6.63. Дешифратор на 32 выхода
218
вых
и
вх
вх
мм---------►
t
7И = О, 69 RC
I III —>
t
вых
7=1,38АС
Рис. 6.64. Формирователи и генераторы импульсов:
а — дифференцирующая цепочка по фронту; б — по спаду; в — формирова-
тель импульсов по фронту и спаду; г — одновибратор на ИС К176ТМ2 (2); д —
мультивибратор
219
танавливают минуты и часы частотой f = 2 Гц. При переключе-
нии SAt в положение «Работа» часы начинают отсчитывать вре-
мя. Дифференцирующие цепочки С3А4 и С3/?6 формируют узкие
сигналы по заднему фронту поступающих импульсов;
• секундомер электронный от 0 до 9,99 с и с дискретностью
0,01 с (рис. 6.61). Секундомер включает в себя кварцевый генера-
тор DD1 на 1 кГц, делитель частоты на 10 (DD2), делитель на 999
(DD3, DD4, DD5). Переключатель SAY с фиксацией может нахо-
диться в двух состояниях «Запуск/Останов». В первом состоянии
на к 5 DD2 поступает «0» и микросхема DD2 делит частоту 1кГц
в 10 раз. С выхода микросхемы DD2 к 2 частота 100 Гц поступает
на делитель DD3—DD5. К выходам делителя подключены цифро-
вые индикаторы АЛС314А. Кнопка SA2 устанавливает счетчик в
«0». При нажатии кнопки SA{ счет импульсов прекращается;
• таймер электронный с выдержкой от 0 до 99 с и дискретно-
стью 1 с (рис. 6.62). Таймер предназначен для включения нагруз-
ки Ан на заданное время.
В состав таймера входят: генератор кварцевый с делителем
(DDl), вентиль (DD2.P) счетчик-распределитель на 99 (DD4,
DD5). К выходным шинам микросхем DD4 и DD5 подключены
переключатели на 10 положений 5Л2 и SA3 для установки требу-
емого времени. Перед началом работы переключателями 542 и
&43 выставляют требуемое время и нажимают кнопку «Пуск» SA\.
При этом триггер DD3.1 устанавливается в «1», включает нагрузку
и разрешает прохождение секундных импульсов через вентиль
DD2.1 на вход счетчиков DD4, DD5. Через заданное время на
входах DD2.2 будут единицы и триггер DD3.1 возвращается в ис-
ходное состояние;
• дешифратор на 32 выхода (рис. 6.63);
• формирователи и генераторы импульсов.
В цифровых устройствах на микросхемах большую роль игра-
ют формирователи импульсов и генераторы импульсных сигна-
лов. На рис. 6.64 рассмотрены некоторые примеры построения
таких схем на микросхемах серии КМОП.
Контрольные вопросы
1. Сколько устойчивых состояний у мультивибратора; у одновибра-
тора, у триггера?
2. Поясните основной принцип работы ГПН. От каких параметров
зависит линейность выходного напряжения?
3. Нарисуйте схему и поясните работу мультивибратора на базе тай-
мера К1006ВИ1.
4. Сколько ФАЛ существует для двух переменных Х2 и ХЗ
5. Назовите основные способы записи ФАЛ.
220
6. С какой целью выполняется минимизация ФАЛ? Методика мини-
мизации?
7. В чем различие цифровых комбинационных устройств и последо-
вательностных цифровых устройств.
8. Нарисуйте и поясните работу дешифратора на 8 выходов на логи-
ческих элементах.
9. В чем различие мультиплексора и демультиплексора? Назовите
области их применения.
10. Почему аналоговая микросхема К561КП2 может выполнять роль
мультиплексора и демультиплексора?
11. Спроектируйте одноразрядный сумматор с использованием таб-
лиц истинности, диаграмм Вейча и микросхем серии К561.
12. Нарисуйте комбинационный 12-разрядный сумматор на ИС
К561ИМ1.
13. Нарисуйте синхронный 7?5-триггер на логических элементах
2-2И-НЕ.
14. Нарисуйте 4-разрядный реверсивный счетчик на ИС К561ТМ2.
15. Какие основные операции могут выполняться в сдвигающих ре-
гистрах?
16. Нарисуйте накапливающий сумматор на 8 разрядов и поясните
его работу.
Гл а в a 7
ЦИФРОВЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
И УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ
7.1. Полупроводниковые запоминающие устройства
В цифровых электронных приборах широко применяются за-
поминающие устройства (ЗУ) для хранения и выдачи информа-
ции. В простейшем случае для хранения информации могут ис-
пользоваться триггеры, регистры, магнитные диски и ленты.
В зависимости от выполняемых функций ЗУ
подразделяются на оперативные, постоянные и внешние запоми-
нающие устройства; в зависимости от материала — на полупро-
водниковые и магнитные.
Современные ЗУ в настоящее время выполняются, как прави-
ло, в виде интегральных микросхем.
Основными параметрами ЗУ являются:
• емкость М — максимальное количество информации, кото-
рая может храниться в ЗУ. Емкость измеряется в байтах, килобай-
тах, мегабайтах, битах и т.д.;
• организация, под которой понимают число слов 7V, хранимых
в ЗУ, определенной разрядности п.М= Nn;
• быстродействие — время выполнения операций записи и счи-
тывания. Время выполнения операции включает в себя время по-
иска и записи или считывания информации.
В большинстве ЗУ используется адресный (произвольный) до-
ступ к хранимой информации.
По схемотехническим признакам ИС различают
два класса ЗУ: на биполярных транзисторах и на МДП-транзис-
торах. Электрические параметры микросхем памяти подразделя-
ются на статические и динамические. К статическим параметрам
относятся: напряжение питания Un, потребляемая мощность
Рпотр, уровень напряжения и токи входных сигналов лог. О и лог.
1 (U°BX, 7gX, ГвХ), уровень напряжения и токи выходных сиг-
налов ЛОГ. О И ЛОГ. 1 ("^вых? 7вЫХ) и др. Перечисленные
параметры характеризуют возможность работы ИС памяти со
схемами управления.
Динамические параметры характеризуют временные процессы
в микросхемах при записи, считывании или программировании
222
ИС. Для характеристики динамических параметров ИС памяти в
справочной аппаратуре приведены временные диаграммы их ра-
боты. Условное обозначение полупроводниковых ИС памяти со-
ответствует ГОСТ 1948—74.
Условное обозначение выводов микросхем памяти (рис. 7.1):
А — адрес;
WiR — операция запись-
чтение;
DO — выходные данные;
DI О — совмещенные входы-
выходы;
Рис. 7.1. Условное обозначение ИС памяти:
а — ОЗУ с раздельными информационными шинами записи и чтения; б —
с совмещенными шинами; в — ПЗУ масочное; г — ПЗУ программируемое
223
ОЁ — стробирование по выходу; ER — стирание;
D — данные; 67п — напряжение питания.
DI — входные данные;
На центральном поле микросхемы обозначается выполняемая
функция:
RAM — ОЗУ, ROM — масочное ПЗУ, PROM — программиру-
емое ПЗУ, FROM — репрограммируемое ПЗУ Внизу пишется ем-
кость в битах.
В правом верхнем углу указывается состояние выходных шин:
Ф — выход имеет три состояния: 0, 1, оо;
Q — выходная шина представляет открытый коллектор;
ф — выходная шина представляет открытый эмиттер.
В маркировке ИС после серии: ОЗУ обозначаются — РУ, ма-
сочные ПЗУ — РЕ, программируемые ПЗУ — РТ, репрограмми-
руемые ПЗУ с электрическим стиранием — РР, репрограммиру-
емое ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием — РФ, регистровые —
ИР.
Оперативные ЗУ — применяются для хранения, приема и вы-
дачи оперативной информации, т. е. той информации, которая
может изменяться в процессе работы прибора. Оперативные ЗУ
подразделяются на статические и динамические. В статических
ЗУ элементами памяти являются статические триггеры, а в дина-
мических ОЗУ — конденсаторы.
Статические ОЗУ (рис. 7.2) выполняются с произвольным
доступом к информации. В зависимости от способа поиска ин-
а
Рис. 7.2. Структурная схема статического ОЗУ (<т) и временная диаграм-
ма его работы {б)
Операция Операция
224
формации в накопителе различают структуры с одномерной и
двухмерной адресацией.
Адрес ячейки, в которую надо записать информацию (DF) или
сосчитать ее (DO), поступает на дешифратор адреса. Дешифра-
тор адреса выбирает в накопителе требуемую ячейку. Операция
определяется управляющим сигналом w/r. Микросхемаработа-
ет только при поступлении сигнала «выбор микросхемы» CS. При
отсутствии сигнала CS выходные шины DO находятся в третьем
состоянии (Авы. Оо) .
ОЗУ относятся к энергозависимым системам, т.е. при отклю-
чении питания информация разрушается.
ОЗУ часто строятся на МДП-транзисторах, поскольку они об-
ладают минимальной потребляемой мощностью. Например, се-
рия К537, имеющая более 10 разновидностей ИС, обеспечивает
хранение информации в объемах от 1 до 256 Кбайт и выше. Мик-
росхемы питаются от источника +5 В, согласуются с уровнями
ТТЛ, имеют наименьшее энергопотребление и выходные шины с
тремя устойчивыми состояниями.
Благодаря высокому быстродействию статические ОЗУ широ-
ко используются в персональных ЭВМ в качестве КЭШ-памяти.
КЭШ-память (или буферная память) предназначена для запоми-
нания копий информации, передаваемой между различными ус-
тройствами, и прежде всего между процессором и основной па-
мятью. КЭШ-память имеет небольшую информационную ем-
кость по сравнению с основной памятью, но более высокое быс-
тродействие и особенно эффективна, когда требуется многократ-
ное использование одних и тех же данных.
Динамические ОЗУ — это ОЗУ, в которых информация хра-
нится в виде заряда на конденсаторе. Наличие заряда на конден-
саторе соответствует лог. 1, а отсутствие заряда соответствует лог.
0. Поскольку конденсатор склонен к саморазрядке, то в динами-
ческих ОЗУ имеется операция регенерации. Она заключается в
том, что примерно один раз в 2 мс все конденсаторы восстанав-
ливают свой заряд. Второй особенностью динамических ОЗУ яв-
ляется то, что для уменьшения количества контактов ИС адрес
подается в два такта — сначала младшие разряды по сигналу
RAS, а затем старшие разряды по сигналу С AS (рис. 7.3).
Оперативные запоминающие устройства динамического типа
позволяют реализовать большой объем памяти, они проще ста-
тических ОЗУ, дешевле их, но сложнее в использовании.
Микросхемы динамических ОЗУ отечественного производства
представлены серией К565РУ емкостью от 16 до 1024 Кбайт.
Структура микросхемы — одноразрядная. По сигналу RAS при-
нимаются младшие разряды адреса, а по сигналу CAS — стар-
Лаврентьев
225
Рис. 7.3. Динамическое ОЗУ (а), временная диаграмма его работы (б)
шие. Внутри микросхемы коды адреса строк и столбцов фикси-
руются в регистрах, а затем дешифрируются и осуществляют вы-
борку элементов памяти.
Постоянные ЗУ (ПЗУ) предназначены для хранения посто-
янной информации, т. е. такой информации, которая не меняет-
ся в течение всего времени работы цифрового устройства. В ПЗУ
возможен только режим считывания информации без ее разру-
шения. ПЗУ имеет многоразрядную структуру и адресную выбор-
ку. По способу программирования они подразделяются на три
группы:
• масочные (МПЗУ);
• программируемые (ППЗУ);
• репрограммируемые (РПЗУ).
К масочным ПЗУ относятся устройства, информация в кото-
рые однократно записывается в процессе изготовления ИС. За-
пись информации может выполняться с помощью специально
разработанной маски, формирующей накопитель ПЗУ. Масочные
ПЗУ имеют адресную выборку и предназначены для хранения
стандартной информации, например кодов символов алфавита,
цифр и т.д. Микросхемы отличаются простотой, низкой стоимо-
стью, однако время изготовления таких ИС велико.
Программируемые ПЗУ, как и масочные, имеют адресную вы-
борку, однако программируются один раз непосредственно у по-
требителя.
Операция программирования заключается в пережоге части
плавких перемычек на поверхности кристалла. Перемычки могут
быть изготовлены из нихрома, поликремния и имеют собственное
226
сопротивление в несколько десятков ом. Программирование про-
изводится на специальном программаторе путем пропускания че-
рез перемычки импульсов тока амплитудой =20... 30 мА (рис. 7.4).
Недостатком таких ППЗУ является то, что их повторное про-
граммирование недопустимо.
Репрограммируемые ПЗУ допускают многократное стирание
и запись информации. Их можно разделить на две группы: РПЗУ
с записью и стиранием электрическими сигналами и РПЗУ с за-
писью электрическими сигналами и стиранием ультрафиолето-
вым излучением.
Элемент памяти представляет собой МДП-транзистор с инду-
цированным каналом, имеющий двухслойный диэлектрик под
затвором. Если к затвору относительно подложки приложить по-
ложительное напряжение 30...40 В, то под действием сильного
электрического поля электроны перемещаются к затвору и накап-
ливаются на границе раздела двух диэлектрических слоев. Элек-
трический заряд снижает пороговое напряжение и смещает токо-
вую характеристику влево. Это состояние соответствует записи
лог. 1 (рис. 7.5). Если электрического заряда нет, то это состоя-
ние соответствует лог. 0.
Чтобы уничтожить электрический заряд, необходимо подать на
затвор потенциал отрицательной полярности амплитудой 30...40 В.
При этом электроны вытесняются в подложку и передаточная
функция смещается вправо. Режим вытеснения заряда называется
DOX
DO2
doq
DOn
Рис. 7.4. Программируемые ПЗУ
227
a
Рис. 7.5. Элемент памяти РПЗУ (<т) и его передаточная характеристика (б)
режимом стирания (электрическое стирание). Стирание информа-
ции может производиться путем облучения кристалла ИС ультра-
фиолетовым светом (ультрафиолетовое стирание). После стирания
информации производится запись новой на программаторе.
Гарантированный срок хранения информации в РПЗУ — 5 —
7 лет, число циклов перезаписи для микросхем с ультрафиолето-
вым стиранием около 100 и с электрическим стиранием около
10 000.
В ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием в корпусе микросхемы
имеется специальное прозрачное окошко для облучения кристал-
ла, причем информация стирается со всего кристалла. При элек-
трическом стирании информацию можно стирать не со всего кри-
сталла, а выборочно. Длительность электрического стирания зна-
чительно меньше, чем ультрафиолетового. Отечественная про-
мышленность выпускает большое количество типов микросхем
ПЗУ.
Примеры обозначений:
• микросхема К556РТ16 — однократно программируемое ПЗУ,
выполненное на основе ТТЛШ-структур, по входу и выходу со-
вместима с ТТЛ-структурами, имеющая структуру 8192 — 8 раз-
рядных чисел;
• микросхема К573РФЗ — репрограммируемое ПЗУ с ультра-
фиолетовым стиранием, имеющая структуру 4096 — 8 разрядных
чисел. По входу и выходу эта микросхема совместима с ТТЛ-
структурами. Время хранения информации 50 тыс. ч;
• микросхема КР558РР2А — репрограммируемое ПЗУ с элек-
трическим стиранием, имеющая структуру 2048 — 8 разрядных
чисел, совместимая с ТТЛ.
Для снижения потребляемой мощности в ПЗУ используется
динамический режим питания. При этом напряжение питания на
ИС памяти подается только при обращении к ней. Потребляемая
мощность уменьшается в сотни раз.
228
Флэш-память по принципу работы подобна РПЗУ с электри-
ческой записью и стиранием, однако имеет ряд особенностей, что
позволяет выделить ее в отдельный класс ЗУ. В ней осуществля-
ется стирание или всей записанной информации одновременно
или больших массивов информации, а не стирание отдельных
слов. Основное преимущество флэш-памяти — высокая скорость
доступа и довольно быстрое стирание информации. Ячейка
флэш-памяти представляет собой транзистор с двумя изолиро-
ванными затворами: управляющим и «плавающим». Важная осо-
бенность последнего — способность удерживать электроны, т.е.
заряд. Кроме того, в ячейке имеются электроны, называемые сток
и исток. При программировании между ними, за счет воздействия
положительного поля на управляющем затворе, создается канал —
поток электронов. Некоторые из электронов преодолевают слой
изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут
храниться в течение нескольких лет. Определенное количество
электронов на плавающем затворе соответствует лог. 1, а все, что
больше — лог. 0. При чтении эти состояния распознаются путем
измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания
информации на управляющий затвор подается высокое отрица-
тельное напряжение, и электроны с плавающего затвора перехо-
дят на исток.
Одно из основных направлений производителей флэш-памя-
ти — уменьшение энергопотребления и размеров с одновремен-
ным увеличением объема и быстродействия. Флэш-память широ-
ко используется в миниатюрных многофункциональных мобиль-
ных телефонах, в карманных персональных компьютерах, в циф-
ровых фотоаппаратах, плеерах, в качестве жестких дисков в
ПЭВМ и т.д. Емкость флэш-памяти достигает 32 Гбайт и более
при числе циклов стирания 106.
В настоящее время ведется большая научно-исследовательская
работа по созданию ЗУ пятого поколения с использованием на-
нотехнологий на базе биологических и молекулярных структур.
7.2. Цифроаналоговые преобразователи
Цифроаналоговый преобразователь предназначен для преобра-
зования входной величины, представленной числовым кодом, в
эквивалентную аналоговую величину. Эти преобразователи широ-
ко используются в системах автоматического управления, цифровых
системах обработки информации, вычислительной технике.
В цифроаналоговых преобразователях в качестве входного сиг-
нала используются цифровые коды, а выходным сигналом явля-
ется, как правило, напряжение.
229
Рис. 7.6. Характеристики преобразования
ЦАП:
а — реальная; б — идеальная
Принцип работы ЦАП состоит в суммировании эталонных
значений напряжений (токов), соответствующих разрядам вход-
ного кода, причем в суммировании участвуют только те эталоны,
для которых в соответствующих разрядах стоит «1». В этом слу-
чае входное напряжение определяется следующим образом:
где Uq — опорное (эталонное) напряжение; К — коэффициенты
двоичных разрядов, принимающие значение 0 или 1; п — разряд-
ность входного кода.
Основные характеристики ЦАП подразделяются на статичес-
кие и динамические (рис. 7.6).
К статическим характеристикам относятся:
• разрядность (л);
• абсолютная разрешающая способность ЦАП — минимальное
значение изменения сигнала на выходе, обусловленное изменени-
ем входного кода на единицу (цена младшего разряда), определя-
ется как .
• абсолютная погрешность преобразования в конечной точке
шкалы 5ШК — отклонение значения выходной напряженности от
номинального расчетного, соответствующего конечной точке ха-
рактеристики преобразования (измеряется в единицах младшего
разряда (ЕМР) или в процентах);
• нелинейность преобразования ЪЬ — отклонение реальной ха-
рактеристики преобразования от расчетной (линейной). Величи-
на 6 А измеряется в единицах младшего разряда или в процентах:
5L = -^~ 100,
U
max
где 5£ — абсолютное значение нелинейности.
Из динамических характеристик наиболее существенными
являются:
230
• время установления выходного сигнала /уст — интервал вре-
мени от подачи входного кода до появления входного напряже-
ния;
• максимальная частота преобразования /^реобр — наибольшая
частота дискретизации, при которой все параметры ЦАП соответ-
ствуют заданным значениям.
По совокупности параметров ЦАП принято подразделять на
три группы: общего применения, прецизионные и быстродей-
ствующие. Быстродействующие ЦАП имеют время установления
меньше 100 нс. К прецизионным относятся ЦАП, имеющие по-
грешность нелинейности менее 0,1 %.
При построении ЦАП в качестве эталонов используются
токи или напряжения. Принцип построения ЦАП, реализую-
щих метод суммирования токов, показан на рис. 7.7. Данное ус-
тройство (рис. 7.7, а) содержит п источников тока, которые
подключаются с помощью ключей А к общей нагрузке Rn. На
общей нагрузке Rl{ будут протекать только токи тех разрядов,
в которых значение цифры «1». Если нагрузка 7?н постоянна, то
выходное напряжение С7ВЫХ пропорционально входному коду.
На практике для получения выходного напряжения, пропорци-
онального входному коду, в качестве нагрузки используется
операционный усилитель, играющий роль преобразователя
тока в напряжение. Действительно, в ОУ напряжение между
б
Рис. 7.7. Структурная схема ЦАП с суммированием токов (а) и ее реа-
лизация (б)
231
Jq Iq Iq 4)
Рис. 7.8. ЦАП с матрицей R—2R
входами равно нулю (С/вых - 4^оос)- Выходное напряжение в ОУ
прямо пропорционально входному току ЦАП и не зависит от со-
противления выходной нагрузки.
Недостатком рассмотренной схемы ЦАП является широкий
диапазон величин сопротивлений в резистивной матрице для
формирования разрядных токов. К тому же эти резисторы долж-
ны иметь прецизионную точность изготовления.
Поэтому в современных ЦАП используются резистивные мат-
рицы типа R—2R. Эти матрицы включают в себя резисторы двух
номиналов — R и 2R (рис. 7.8). Отклонение номиналов резисто-
ров друг от друга не превышает 0,001 %. Важным свойством мат-
рицы R—2R является то, что ее входное сопротивление, а, следо-
вательно, и входной ток постоянны и не зависят от состояния
ключей Sf. Это позволяет устанавливать на входе матрицы мно-
гооборотный потенциометр и плавно изменять опорное напряже-
ние С/оп.
В резистивной матрице происходит последовательное деление
тока на два. В результате на выходе матрицы формируется сум-
марный ток, пропорциональный входному цифровому коду. Опе-
рационный усилитель DA1 преобразует суммарный ток в суммар-
ное напряжение, пропорциональное цифровому коду:
где Kv= ROqc/R — коэффициент усиления масштабного усилите-
ля DA1.
Для максимального входного кода N= 1111... 1 выходное напря-
жение
232
т.е. максимальное входное напряжение меньше опорного /7ОП на
величину младшего разряда.
Точность и стабильность параметров ЦАП в основном зависят
от стабильности источника £/оп и точности изготовления резис-
торов R в матрице. В качестве материала для резисторов исполь-
зуют пленку поликремния, обладающую высокой стабильностью
собственного сопротивления.
Для уменьшения погрешностей, возникающих из-за тран-
зисторов токовых ключей, площади транзисторов выполняют-
ся пропорциональными протекающему через них току. ЦАП
выпускаются в виде ИС, обычно с внешним источником Uon
и ОУ.
7.3. Аналого-цифровые преобразователи
Первичная информация о различных физических величинах
и процессах носит, как правило, аналоговый характер. Для об-
работки этой информации в ЭВМ необходимо предварительно
преобразовать ее в цифровую форму. Эту задачу выполняет ана-
лого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП входят в состав
многих информационно-измерительных устройств и комплек-
сов.
Аналого-цифровой преобразователь — устройство, предназна-
ченное для преобразования непрерывно изменяющейся во вре-
мени физической величины в эквивалентные ей значения циф-
ровых кодов. В качестве аналоговой величины могут быть напря-
жение, ток, угловое перемещение, давление газа и т.д.
Процесс аналого-цифрового преобразования предполагает
последовательное выполнение следующих операций:
• выборку значений исходной аналоговой величины в некото-
рые заданные моменты времени, т.е. дискретизация сигнала во
времени;
• квантование (округление до некоторых известных величин)
полученной в дискретные моменты времени последовательности
значений исходной аналоговой величины по уровню;
• кодирование — замена найденных квантовых значений не-
которыми числовыми кодами.
Операция квантования по уровню функции U(t) заключается
в замене бесконечного множества ее значений на некоторое ко-
нечное множество значений называемых уровнями кванто-
вания (рис. 7.9). Для выполнения этой операции весь диапазон
изменения функции D - U(t)max - разбивают на некоторое
число уровней N и производят округление каждого значения фун-
кции U(t) до ближайшего уровня квантования
233
Рис. 7.9. Принцип работы АЦП
Величина h = D/N носит название шага квантования. В ре-
зультате процесса аналого-цифрового преобразования аналоговая
функция U(t) заменяется дискретной функцией
В аналитической форме процесс аналого-цифрового преобра-
зования может быть представлен выражением
U{t\
U(t)i — значение функции U(t) в z-м шаге; h — шаг квантова-
ния; — погрешность преобразования на z-м шаге.
Процесс квантования по уровню связан с внесением некото-
рой погрешности ez, значение которой определяется неравенством
h h
---<Е<+—.
2 2
Погрешность зависит от разрядности.
Основные параметры АЦП подразделяются на статистические
и динамические.
К статистическим параметрам относятся:
• вид преобразуемой величины: напряжение, ток, угловое пе-
ремещение и т.д.;
• диапазон изменения входных величин;
• разрядность;
• абсолютная разрешающая способность;
• абсолютная погрешность преобразования в конечной точке
шкалы 8ШК;
• нелинейность преобразования 8Z.
234
К динамическим параметрам относятся:
• время преобразования 7"пр, обычно определяется как интер-
вал времени от начала преобразования до появления на выходе
АЦП устойчивого цифрового кода;
• максимальная частота дискретизации, при которой погреш-
ность преобразования не выходит за заданные пределы.
В зависимости от принципа действия различают:
• АЦП параллельного преобразования;
• АЦП поразрядного взвешивания (последовательного прибли-
жения);
• следящие АЦП;
• интегрирующие АЦП.
Аналого-цифровые преобразователи параллельного преоб-
разования реализуют метод непосредственного считывания и
являются самыми быстродействующими. В качестве примера рас-
смотрим принцип работы микросхемы К1107ПВ1.
Микросхема имеет шесть разрядов и обеспечивает быстродей-
ствие до 20 МГц (рис. 7.10). Устройство содержит делитель Rx—
R64, 64 компаратора, преобразователь кода и регистр. На входы
компараторов поступают входной сигнал Ux и напряжение с де-
лителя. При этом на выходах компараторов формируется 64-раз-
рядный единичный код. Число единиц в нем равно числу уров-
ней квантования. Полученный единичный код поступает на вход
преобразователя кода, в котором он преобразуется в 6-разрядный
двоичный код, который записывается в регистр и выдается на вы-
ходные шины. В данном АЦП время преобразования занимает
один такт.
Рис. 7.10. Структурная схема параллельного АЦП
235
Аналого-цифровые преобразователи поразрядного взвеши-
вания (или поразрядного кодирования) выполняют одно преоб-
разование за п тактов, где п — количество разрядов.
Основой АЦП является регистр последовательных приближе-
ний. Он представляет собой сдвигающий регистр, в котором по-
следовательно, начиная со старшего разряда, формируется лог. 1.
В зависимости от сигнала 67упр, поступающего на его вход, эта
единица или остается, или заменяется лог. 0. Резистивная матри-
ца формирует аналоговое напряжение, эквивалентное «весу»
цифрового кода, поступающего на матрицу с регистра приближе-
ний. Схема сравнения сравнивает напряжения Ux и UMi ив за-
висимости от их величин формирует сигнал /7упр на уровне лог. 0
или лог. 1 (рис. 7.11).
Рассмотрим пример.
Пусть Ux = 7 В, а С70 = 10 В, тогда в первом такте в старшем п
разряде регистра формируется лог. 1и UM-5 В, UM< Ux; Цпр- 1-
Следовательно, в старшем разряде остается лог. 1.
Во втором такте, в следующем п-1 разряде формируется лог. 1
и UM = 5 В + 2,5 В = 7,5 В; UM > Ux, С7упр = 0. Следовательно, лог. 1
в п—1 разряде заменяется на лог. 0 и UM = 5 В.
В третьем такте в разряд п—2 регистра записывается лог. 1 и
UM = 5 В + 1,25 В = 6,25 В, UM < Ux; = 1. Следовательно, лог. 1
в п—2 разряде остается.
В четвертом такте в разряд п—3 регистра записывается лог. 1
и UM = 5 + 1,25 + 0,625 = 6,875 В, UM < Ux\ Uynp = 1. Следователь-
но, лог. 1 остается в разряде п—3.
Процесс преобразования повторяется п тактов, в результате с
регистра приближений снимается код преобразованной аналого-
вой величины.
АЦП поразрядного взвешивания нашли широкое применение
при разработке ИС ввиду своей простоты и достаточно хороше-
I I I I I I
Цифровой код
Рис. 7.11. Структурная схема АЦП поразрядного кодирования
236
Рис. 7.12. ИС К1113ПВ1 (а) и временная диаграмма ее работы (б)
го быстродействия. Такие ИС могут иметь в своем составе гене-
ратор тактовых импульсов и источник эталонного напряжения
или не иметь их.
В качестве примера рассмотрим АЦП, выполненный на ИС
К1113ПВ1 (рис. 7.12). ИС предназначена для преобразования од-
нополярного или биполярного аналогового напряжения (£7ВХ =
= 0... 10 В или 6ГВХ = -5...+5 В) в десятиразрядный двоичный код.
Нелинейность преобразования ±0,1 %, время преобразования
30 мкс. Для работы ИС требуется два источника питания +5 и
-15 В.
В микросхему встроен внутренний источник опорного напря-
жения и генератор тактовых импульсов.
Запуск АЦП производится лог. 0. Цифровая информация с
выходных шин снимается через 30 мкс после поступления сигнала
«гашение—преобразование». Тпреобр = 30 мкс. Работа АЦП пояс-
няется временной диаграммой его работы (рис. 7.12, б).
Следящие АЦП, в отличие от АЦП поразрядного взвешива-
ния, имеют в своем составе вместо регистра последовательных
приближений реверсивный счетчик.
Работу следящего АЦП поясняет временная диаграмма рабо-
ты, изображенная на рис. 7.13. Управление реверсивным счетчи-
ком производится по управляющей шине «±» в зависимости от
соотношения сигналов Uxm UM. При изменении входного сигна-
ла Ux изменяется код реверсивного счетчика и напряжение с мат-
рицы UM «следит» за Ux.
Интегрирующие АЦП относятся к медленнодействующим
преобразователям. Принцип их действия основан на преобразо-
237
I I I I I I
Цифровой код
Рис. 7.13. Структурная схема следящего АЦП {а) и временная диаграм-
ма его работы (6)
вании аналоговой величины во временной интервал tx и форми-
ровании число-импульсного (единичного) кода путем заполнения
этого интервала импульсами опорной частоты Значение еди-
ничного кода определяется соотношением
Ni = txfQ.
Число-импульсный код поступает на счетчик, на выходе кото-
рого формируется цифровой код. Структурная схема такого АЦП
приведена на рис. 7.14.
Максимальное время преобразования зависит от разрядности
АЦП и определяется следующим образом:
Т - Т г)п
1 пр шах 7 5
где — период частоты кварцевого генератора.
Погрешность интегрирующего АЦП определяется, в основном,
изменением наклона пилообразного напряжения, которое опре-
деляется постоянной времени RC интегратора (генератора пило-
образного напряжения). Под воздействием внешних дестабили-
зирующих факторов, особенно температуры, постоянная време-
ни, а, следовательно, и наклон пилообразного напряжения меня-
ются, что приводит к значительным погрешностям преобразова-
ния. Поэтому в настоящее время для построения интегрирующих
АЦП используют принцип двойного интегрирования.
Принцип работы АЦП двойного интегрирования заключает-
ся в том, что сначала в течение некоторого фиксированного вре-
менного интервала 7\ интегрируется аналоговая преобразуемая
величина Ux, а затем интегрируется эталонное (опорное) напря-
жение противоположной полярности Uon. Временной интервал
Т2 пропорционален преобразуемой величине Ux (рис. 7.15).
238
Действительно, в течение интервала времени 7\ напряжение
на выходе интегратора изменяется по линейному закону:
1 ?1
ИНТ =-----------I U
ВЫХ. ИН 1 х 7
Если Ux постоянно, то £/вых
В течение интервала времени Т2 выходное напряжение на вы-
ходе интегратора изменяется от UBUX инт тах до 0. Поскольку Uon
постоянное напряжение
U
ВЫХ. ИНТ
Рис. 7.14. Структурная схема интегрирующего АЦП (а) и временная
диаграмма его работы (б)
239
ВЫХ. ИНТ
а
б
Рис. 7.15. Структурная схема АЦП двойного интегрирования (а) и вре-
менная диаграмма его работы (б)
Таким образом, интервал времени Т2 зависит от постоянной
величины 7\/Um и переменной Ux и не зависит от параметров
интегратора, что подтверждает рис. 7.16.
Действительно, если изменяется постоянная времени интегра-
тора т то, соответственно, изменяется как скорость возрастания
так и скорость уменьшения напряжения на его выходе, при этом
временной интервал Т2 не изменяется.
Аналого-цифровые преобразователи двойного интегрирования
обеспечивает высокую точность преобразования в условиях про-
мышленных помех в большом диапазоне температур и широко
используется в измерительной технике и автоматизированных си-
стемах управления. Например, основу всех мультиметров состав-
ляет АЦП двойного интегрирования, выполненный на микросхе-
ме К572ПВ2 или К572ПВ5. ИС практически одинаковые, но пер-
вая работает на светодиодные индикаторы, а вторая — на жидко-
кристаллические индикаторы.
Микросхема К572ПВ2 совместно с источником опорного на-
пряжения, несколькими резисторами и конденсаторами выпол-
няет функции АЦП двойного интегрирования с автоматической
установкой нуля ОУ и определением полярности входного сиг-
нала.
Рис. 7.16. Напряжение на выходе интеграто-
ра при постоянной времени Т] = R\C} (7) и
т2= R2C2{2) при ?!< т2
240
Основные технические параметры ИС:
разрядность, десятичные разряды ...............3,5
входное сопротивление, МОм.....................50
входное напряжение, В..........................±1,999 С/оп
быстродействие, Гц.............................2...9
потребляемый ток, мА...........................1,8
напряжение питания, В..........................9
На рис. 7.17 приведена схема АЦП двойного интегрирования
на ИС К572ПВ2. Работа ИС происходит под воздействием такто-
вых импульсов Х.и внутреннего генератора импульсов в три эта-
па. На первом этапе Тъ длительностью 4 000 периодов про-
ВЫХ. ИНТ
Рис. 7.17. ИС К572ПВ2 (а) и выходное напряжение на выходе генера-
тора (б)
241
исходит интегрирование напряжения Ux, на втором этапе, дли-
тельностью от 0 до 8 000 периодов frM, происходит интегрирова-
ние опорного напряжения Uon и на третьем этапе, длительностью
от 4 000 до 12 000 периодовfTM9 происходит автоматическая уста-
новка нуля ОУ. Весь цикл преобразования занимает 16 000 тактов.
Благодаря автоматической установке нулей ОУ погрешности в
АЦП минимальны.
Аналого-цифровые преобразователи с сигма-дельта-моду-
ляцией широко используются в микропроцессорных устройствах.
Высокая точность таких АЦП объясняется прежде всего большой
разрядностью (12—24 разряда) и линейностью преобразования
без применения многоуровневых пороговых устройств, а также
эффективной фильтрацией преобразуемого сигнала. В АЦП с
сигма-дельта-модуляцией осуществляется дискретизация анало-
гового сигнала с частотой во много раз большей, чем минималь-
ная частота дискретизации.
Известно, что минимальная частота дискретизации должна
быть по меньшей мере в 2 раза выше максимальной частоты в
спектре преобразуемого сигнала. Такая супердискретизация пре-
образуемого сигнала позволяет интерполировать входное анало-
говое напряжение UBX между теми точками данных, где были взя-
ты отсчеты с минимальной частотой дискретизации. На выходе
АЦП при этом формируется импульсный сигнал, содержащий ва-
рьируемое количество единиц и нулей в зависимости от величи-
ны входного сигнала, причем при преобразовании положитель-
ного напряжения количество единиц будет больше, чем нулей, а
при преобразовании отрицательного напряжения будет больше
нулей. Число единиц и нулей определяет величину входного пре-
образуемого сигнала. Поскольку частота дискретизации выбира-
ется очень высокой, то восстановить преобразуемый сигнал мож-
но довольно просто, подавая полученный одноразрядный поток
данных через фильтр низких частот.
Многоканальные АЦП широко используются для преобра-
зования нескольких однотипных аналоговых величин. Такие АЦП
включают в себя аналоговый коммутатор и один из рассмотрен-
ных выше АЦП.
На рис. 7.18 приведены структурная и принципиальная схемы
8-канального АЦП с поразрядным взвешиванием на микросхеме
К1113ПВ1. На ИС DA1 построен аналоговый коммуникатор, на
входы которого поступает восемь преобразуемых аналоговых сиг-
налов. Управление каналами осуществляется счетчиком адреса
каналов DDL С выхода коммуникатора напряжение поступает на
повторитель, выполненный на ОУ DA2. Повторитель обеспечи-
вает согласование входных источников сигналов с усилителем на
ОУ DA3. С выхода усилителя DA3 напряжение поступает на ИС
242
Рис. 7.18. Структурная (а) и принципиальная (б) схемы восьмиканального АЦП
243
К1113ПВ1, где при поступлении сигнала «Запуск АЦП» преобра-
зуется десятиразрядный двоичный код. С помощью потенциомет-
ра R2 производится «балансировка» усилительного тракта, а с по-
мощью потенциометра R6 устанавливается требуемое усиление.
Время преобразования АЦП составляет 30 мкс.
7.4. Источники вторичного электропитания
Источники вторичного электропитания (ИВП) — электронные
устройства, предназначенные для преобразования энергии пер-
вичного источника электропитания в электрическую энергию с
заданными техническими характеристиками. Первичными источ-
никами электропитания могут быть: промышленная сеть пере-
менного тока, автономные источники переменного или постоян-
ного тока, аккумуляторы, химические батареи и т.д. К ИВП от-
носят, как правило, источники постоянного тока для питания
электронной аппаратуры.
В общем случае ИВП состоят из нескольких функционально
законченных блоков: трансформатора для согласования напряже-
ний, выпрямителя, сглаживающего фильтра, стабилизатора на-
пряжения. Стабилизатор в ряде случаев может отсутствовать.
На рис. 7.19 приведены структурные схемы ИВП. Наиболее
распространена схема, изображенная на рис. 7.19, а, которая
включает в себя трансформатор, выпрямитель, фильтр и стабили-
затор напряжения. Схема отличается простотой и надежностью,
однако имеет большие габаритные размеры из-за размеров сило-
вого трансформатора.
Этот недостаток отсутствует у схемы, приведенной на рис. 7.19, б,
в которой первичное напряжение (сеть) сначала выпрямляется и
поступает на генератор высокой частоты 30... 100 кГц. Генератор
нагружен на трансформатор и далее, как и в первой схеме (см.
а
Рис. 7.19. Структурные схемы ИВП
244
рис. 7.19, а), идут выпрямитель, фильтр и стабилизатор напряже-
ния. Благодаря высокой частоте размеры и масса трансформато-
ра и фильтров будут значительно меньше.
Существуют другие структурные схемы ИВП.
К основным параметрам ИВП относятся:
• номинальные уровни входного (7Вх.ном и выходного С7ВЬ1Х.Ном на-
пряжений;
• предельные отклонения входного и выходного напряжений от
номинальных значений At/BX, А/7ВЬ|Х;
• коэффициенты нестабильности выходного напряжения и
тока:
К ни ~
ш-,кн,=
ВЫХ вых
100,
вых
вых
где АС/ВХ— изменение входного напряжения; А£/вых — изменение
выходного напряжения; А/вых — изменение выходного тока;
• выходная мощность (выходной ток);
• коэффициент пульсации
где Umi — амплитуда основной гармоники выпрямительного тока.
Выпрямители предназначены для преобразования энергии пе-
ременного тока в энергию постоянного тока.
В зависимости от источника первичного электропитания ис-
точники бывают однофазные и трехфазные. Кроме того, выпря-
мители могут быть однополупериодные и двухполупериодные.
Схема однофазного однополупериодного выпрямителя при-
ведена на рис. 7.20. На вход выпрямителя поступает синусоидаль-
ное напряжение. В интервале времени от 0 до 772 диод открыт,
и ток в нагрузке повторяет форму входного сигнала. В интервале
времени от Т/2 до Т диод VD закрыт.
Среднее выпрямительное напряжение на выходе выпрямителя
(/) dt =—I UH (t)dt =
' о
тях sin со/dt = —^^cos
UldX m
^ = 0,318t/raax,
о
где C7max — максимальное значение напряжения.
245
VD
Рис. 7.20. Схема однополупериодного выпрямителя (а) и временная
диаграмма его работы (б)
Учитывая, что ^7пейст =—получим C7Hcn = 0,45Z7neWcT.
7 ДСИС1 / J М.ир 7 ДСР1С1
Аналогично получим ZH.cp- 0,318/max = 0,457дейст.
Спектральный состав выпрямительного напряжения имеет вцд
U„ =—Ummi +—С/тях sin со/-------D2^Lcos2coz‘-
л 2 Зп
При этом коэффициент пульсации выходного напряжения
е==_гпах£ = 1 57
U
н.ср
где UmdXi — амплитуда основной гармоники выпрямленного на-
пряжения.
Однополупериодные выпрямители отличаются простотой, но
имеют низкую эффективность и высокий коэффициент пульса-
ции. Частота пульсаций равна частоте выпрямляемого напряже-
ния, т.е. 50 Гц.
Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя
приведена на рис. 7.21. Здесь диоды работают попеременно в
каждом полупериоде. Среднее выпрямительное напряжение на-
грузки равно:
•| 7^ । 2я
^н.ср гр J J ^max (Sitdt О,636£/max,
1 о J о
или Z7H cp =
^5 ^дейСТ
Соответственно средний выпрямленный ток на выходе выпря-
мителя
н.ср
ZH(/)d/ = 0,6367max.
Частота пульсации здесь в 2 раза выше, а коэффициент пуль-
сации в 2 раза меньше: е = 0,67.
Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой
(рис. 7.21, а) имеет два диода, однако требует двух обмоток транс-
форматора. Кроме того, обратное напряжение на диодах равно уд-
военному максимальному входному напряжению С7ОбР.диода = 2 t/max.
Эти недостатки отсутствуют у мостовой схемы (рис. 7.21, б), но
здесь четыре диода и КПД такого выпрямителя немного ниже.
Схема трехфазного однополупериодного выпрямителя при-
ведена на рис. 7.22. Здесь обмотки трансформатора включены по
схеме звезды с выводом от общей точки 0. В течение одного пе-
риода входного напряжения последовательно открываются три
диода Р7Э7... VD3'.
Tpl VD1
VD2
а
Сзх1
б
Рис. 7.21. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя со сред-
ней точкой (а) и мостового (б), диаграмма их работы (в)
247
Рис. 7.22. Схема трехфазного однополупериодного выпрямителя (а) и
временная диаграмма его работы (б)
н.ср
5 тг .71 5л/ЗС7тахф
- U тах л sin — =--------—
71 3 2тг
= 0,827С/тахф
= 1 1777
1, а / действ.ф?
_л R97 7
н.ср м>О2С/^тахф
^3 ^действ, ф *
Частота переменной составляющей выходного напряжения в
три раза превосходит частоту входного напряжения. Для сети 50 Гц
/пульс - 1^0 Гц. Коэффициент пульсации е = 0,25.
Схема трехфазного двухполупериодного выпрямителя (схе-
ма Ларионова, рис. 7.23) содержит шесть диодов. Для обеспече-
ния тока в нагрузке в схеме Ларионова используются обе полувол-
Рис. 7.23. Схема Ларионова (а) и временная диаграмма ее работы (б)
248
ны питающего трехфазного напряжения. Поэтому выпрямленное
напряжение (7Н отличается более высоким качеством.
Для рассматриваемого выпрямителя
н.ср
max л
sin—s 0,955t/maX(h.
7 Illd.A Ip
Частота переменной составляющей выходного напряжения в
шесть раз превосходит частоту входного сигнала. Коэффициент
пульсации выходного напряжения £ = 0,057. Это свидетельствует
о высокой эффективности схемы Ларионова.
Фильтры применяются для уменьшения напряжения пульса-
ции на выходе выпрямителя. В настоящее время наиболее распро-
страненными являются: емкостный, индуктивный и П-образный
фильтры (рис. 7.24).
Емкостный фильтр состоит из конденсатора, подключаемо-
го параллельно нагрузке. Для фильтра необходимо выполнить ус-
ловие:
где Хс — сопротивление емкости.
Индуктивный фильтр представляет собой дроссель низкой
частоты, включенный между выпрямителем и нагрузкой. Для
обеспечения большого коэффициента сглаживания необходимо,
чтобы
Рис. 7.24. Варианты сглаживающих фильтров:
а — емкостный; б — индуктивный; в — Г-образный; г — П-образный
249
%l — соХф » 7?н.
Индуктивность дросселя можно определить по формуле
где q — коэффициент сглаживания;/! — частота первой гармо-
ники.
Недостатком индуктивного фильтра являются большие габа-
ритные размеры и масса дросселя.
Г-образный фильтр сочетает в себе свойства индуктивного
и емкостного фильтров. Его можно рассматривать как делитель
напряжения с частотно-зависимым коэффициентом передачи.
1
Для фильтра необходимо, чтобы СО]£»ЛН»--------. Г-образные
со1С’ф
фильтры используются в выпрямителях большой и средней
мощности.
П-образные фильтры применяются в выпрямителях с боль-
шим внутренним сопротивлением. Они сложные, дорогие, но
обеспечивают высокий коэффициент сглаживания.
ИВП в значительной степени определяют качество, надеж-
ность и технические характеристики электронной аппаратуры.
Поэтому к их проектированию следует относиться с большой от-
ветственностью.
7.5. Инверторы, умножители напряжения
и управляемые выпрямители
Инверторы — устройства, преобразующие напряжение посто-
янного тока в напряжение переменного тока. Принцип работы
таких устройств заключается в том, что с помощью коммутатора
к нагрузке подключается источник постоянного тока, причем по-
лярность такого подключения должна постоянно изменяться. На
рис. 7.25 приведена двухтактная трансформаторная схема инвер-
тора. В схеме обеспечивается режим самовозбуждения. Транзис-
торы VT1 и VT2 работают поочередно на общий трансформатор.
На выходной обмотке трансформатора формируется переменное
напряжение. Для получения необходимой мощности транзисто-
ры выбираются соответствующей мощности.
Умножители напряжения преобразуют переменное напряже-
ние в постоянное, причем выходное постоянное напряжение зна-
чительно превышает амплитуду входного переменного напряже-
250
^вых
^0
Рис. 7.25. Двухтактная трансформаторная схема инвертора
(
ния. Различают симметричные и несимметричные умножители
напряжения.
Схема симметричного удвоителя напряжения приведена на
рис. 7.26, а. Здесь диоды включаются в разные полупериоды вход-
ного напряжения. Если UBX > 0, включается диод VD1 и заряжа-
ется конденсатор С1, если £7ВХ < 0, включается диод VD2 и заря-
жается конденсатор С2. Напряжение на конденсаторах прибли-
жается к максимальному значению входного напряжения UBX max.
Следовательно, L7BbIX ~ 2Z7Bxmax.
Схема несимметричного удвоителя напряжения изображена на
рис 7.26, б. В этой схеме в отрицательные полупериоды входного
напряжения (UBX < 0) через диод VD1 заряжается конденсатор С1
до амплитудного значения входного напряжения, а в положитель-
ные полупериоды (UBX > 0) через диод VD2 под действием суммы
напряжений UBX и UC1 заряжается конденсатор С2 до удвоенного
амплитудного значения входного напряжения.
На рис. 7.27 приведена схема учетверителя напряжения, кото-
рый состоит из двух удвоителей, рассмотренных выше. Заряд кон-
денсаторов С1 и С2 происходит за один период напряжения на
вторичной обмотке трансформатора. За второй период аналогич-
но заряжаются конденсаторы СЗ и С4 до напряжения 2 Umax. Та-
VDI Uci VD2
VD2
а б
Рис. 7.26. Схема симметричного (а) и несимметричного (б) удвоителя
напряжения
251
Рис. 7.27. Учетверитель напряжения
ким образом, полный заряд всех конденсаторов происходит за два
периода входного напряжения, при этом конденсатор Сх заряжа-
ется до напряжения С7тах, а остальные — до 2 £7тах> где Umax — мак-
симальное значение напряжения на вторичной обмотке транс-
форматора. Обратное напряжение на всех диодах равно 2L7max.
Выходное напряжение С/вых = UC3 + UC4 = ^Umax. Емкость конден-
саторов в схемах умножения напряжения зависит от тока нагруз-
ки /н, частоты питающего напряжения fc и допустимой амплиту-
ды пульсации AU'
пул
где у — коэффициент, зависящий от вида схемы умножения и
числа звеньев умножителя.
Умножители напряжения применяются для питания электрон-
но-лучевых трубок, в ионизаторах воздуха и т.д.
Управляемые выпрямители позволяют регулировать выход-
ное напряжение. Обычно они строятся на основе тиристоров или
симисторов, которые включаются в заданные моменты времени.
На рис. 7.28 приведена принципиальная схема и временная диа-
грамма работы управляемого выпрямителя. Здесь VD1—VD4 —
выпрямительный мост, который питает нагрузку Лн. На микро-
схеме DA1 построен усилитель-ограничитель, с выхода которого
снимаются прямоугольные импульсы 1. Эти импульсы поступа-
ют на дифференцирующие цепочки C1R4, C2R5 и ИС DDL На
выходе DD1.2 формируются импульсы в моменты перехода пере-
менного напряжения через нуль (а = 0 и а = л), которые запуска-
ют одновибратор DD2.1. Длительность импульса одновибратора
т(- = 0,69С3 (R6 + R7), (R7 » R6). Резистором R7 можно изменять
длительность импульса от микросекунд до 10 мс. Задним фрон-
том этого импульса запускается второй одновибратор DD2.2,
который формирует импульс запуска тиристора VD5. Эмиттер-
ный повторитель VT1 является усилителем мощности. Изменяя
252
Рис. 7.28. Принципиальная схема управляемого выпрямителя (а) и временная диаграмма его работы (б)
253
длительность импульса одновибратора в пределах от единиц мик-
росекунд до 10 мс можно изменять величину тока нагрузки /н от
/н тах До нуля. Особенностью схемы является ее высокий КПД,
который достигает 99 %.
7.6. Компьютерное моделирование электронных
устройств
Поскольку большинство электронных приборов и устройств
являются нелинейными, то это существенно затрудняет задачи
проектирования таких устройств, а также экспериментальные ис-
следования макета. В таких условиях большое значение приобре-
ли методы математического моделирования электронных уст-
ройств на компьютере. Основными целями такого моделирования
являются:
• предсказание поведения устройств при стандартных и не-
стандартных ситуациях;
• изучение форм сигналов в различных местах электронного
устройства при воздействии на него других сигналов;
• обучение специалистов по разработке и проектированию
электронных устройств.
Компьютерное моделирование электронных устройств позво-
ляет снизить стоимость экспериментального макета, оптимизиро-
вать отдельные параметры элементов устройств по заранее выб-
ранному критерию, широко применять специальные программы
и модели электронных элементов.
Математическое моделирование электронных приборов и ус-
тройств можно разделить на следующие группы:
• линейные и нелинейные;
• статические и динамические;
• с сосредоточенными и распределенными параметрами;
• аналоговые, цифровые и аналого-цифровые.
При исследовании и моделировании линейных элементов и
устройств используют системы линейных алгебраических или
дифференциальных уравнений. При описании нелинейных мо-
делей пользуются нелинейными алгебраическими или дифферен-
циальными уравнениями.
Статические модели обычно используют при расчете и моде-
лировании режимов по постоянному току или напряжению, а
динамические модели находят применение при анализе переход-
ных или частотных характеристик электронных устройств. В мо-
делях с сосредоточенными параметрами используются обыкно-
венные дифференциальные уравнения, а в моделях с распреде-
ленными параметрами — уравнения в частных производных.
254
Кроме того, при моделировании электронных устройств
пользуются моделями отдельных элементов (микромоделями) и
моделями отдельных узлов (макромоделями), в состав которых
входит ограниченное множество элементов, например, модели
операционных усилителей, компараторов, АЦП, ЦАП и т.д.
Библиотека моделей электронных элементов непрерывно рас-
ширяется и совершенствуется.
При моделировании электронных устройств используются три
основных разновидности программ:
• универсальные программы для математических расчетов, та-
кие как MathCAD, MathLAB и др.;
• универсальные программы для моделирования электронных
устройств, такие как Micro-CAPV, P-SPICE A/D, APLAC 7.0;
• специализированные программы, используемые при модели-
ровании определенного класса схем, например, System View.
Контрольные вопросы
1. Приведите классификацию запоминающих устройств и назовите
области их применения.
2. В каких ЗУ информация может изменяться в процессе решения
задачи?
3. В чем отличие динамических ОЗУ от статических?
4. Какие ПЗУ вы знаете? Где применяют ПЗУ?
5. Что означает адресная выборка в ЗУ?
6. В каких устройствах может применяться резистивная матрица R-
2R?
7. Поясните принцип работы ЦАП с резистивной матрицей R-2R.
8. Какие АЦП вы знаете? Какие из них самые быстродействующие?
9. Поясните принцип работы АЦП с поразрядным взвешиванием. От
каких параметров зависит его быстродействие?
10. Поясните работу интегрирующих АЦП. От каких параметров за-
висит быстродействие таких АЦП?
11. Почему АЦП двойного интегрирования нашли широкое приме-
нение в измерительной технике?
12. Нарисуйте структурную схему АЦП двойного интегрирования и
поясните принцип его работы. Почему параметры источника питания
и параметры внешней среды не влияют на точностные характеристики
АЦП?
Глава 8
МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ
И УСТРОЙСТВА
8.1. История развития микропроцессоров
Микропроцессоры появились в начале 70-х годов XIX в. Тол-
чком к их появлению послужила конкурентная борьба между про-
изводителями радиоэлектронной аппаратуры. Известно, что раз-
работка принципиальной схемы любого цифрового устройства,
его макетирование, подготовка конструкторской документации
являются наиболее дорогостоящими и длительными этапами в
создании новой аппаратуры. Применение в электронных устрой-
ствах интегральных схем (особенно БИС) с «жесткой логикой»
требовало создания для каждого устройства своих ИС, что повы-
шало стоимость устройства и удлиняло сроки его внедрения. По-
этому возникла идея создать микросхемы, которые имели бы еди-
ную внутреннюю структуру, а функционирование их определялось
бы программой, составленной под каждое конкретное решение.
Наличие таких микросхем сократило бы сроки и удешевило раз-
работку новых приборов. В 1971 г. фирма Intel сообщила о созда-
нии первого микропроцессора — 4004. Примерно через полгода
о создании подобных приборов сообщили еще несколько фирм.
Эти микропроцессоры (МП) были четырехразрядными, т.е. за
один прием они могли обрабатывать только 4 бита информации.
Длина программы была весьма ограниченной, равно как и набор
команд; у них отсутствовали многие функции, без которых совре-
менные микропроцессоры уже не мыслимы.
В 1972 г. фирма Intel выпустила МП, унаследовавший все ос-
новные черты 4004 и получивший обозначение 8008. Это был
первый 8-разрядный МП. Он вкючал в себя аккумулятор, шесть
регистров общего назначения, восемь регистров адреса и специ-
альные команды для ввода и вывода данных. В конце 1973 г. фир-
мой Intel был разработан новый 8-разрядный МП, получивший
обозначение 8080 (наш аналог К580ВМ80А). Принципы его по-
строения, архитектура, система команд оказались настолько хо-
рошо продуманными, что и сегодня представляют интерес. Мож-
но сказать, что широкое использование микропроцессоров в тех-
нике началось с появлением модели МП 8080.
256
Одновременно фирма Motorola разработала свой МП 6800,
который имел трехшинную архитектуру с 16-разрядной шиной
адреса, хорошо развитые внутреннюю архитектуру и систему
команд. МП 8080 и 6800 стали классическими и оказались ро-
доначальниками двух наиболее известных семейств МП — Intel
и Motorola, представители которых до сих пор конкурируют
между собой. В 1977 г. в фирме Zilog был создан МП Z80, став-
ший лучшим представителем восьмиразрядных микропроцес-
соров второго поколения. По сравнению с МП 8080, он требо-
вал одного напряжения питания, имел мощную и гибкую си-
стему прерываний, втрое более высокую тактовую частоту, два
аккумулятора и двойной набор регистров общего назначения.
В его систему команд вошли все 78 команд МП 8080 и почти
столько же дополнительных команд, поэтому все программы,
написанные для МП 8080, без каких-либо изменений работа-
ют на Z80.
В 1980—90-х гг. фирмой Intel были разработаны программно
совместимые однокристальные МП 8086, 8088, 80186, 80286,
80386, 80486, Pentium I, Pentium II, Pentium III, Pentium IV, кото-
рые широко использовались в современных ПЭВМ.
В начале 1980-х гг. был разработан новый класс МП — одно-
кристальные микроЭВМ, которые нашли широкое применение в
различных устройствах управления.
В настоящее время используются другие виды МП: сигнальные
микропроцессоры, PIC-контроллеры, транспьютеры, нейропро-
цессоры и т. д.
8.2. Основные понятия и определения
Микропроцессор (МП) представляет собой функционально
законченное программно-управляемое устройство цифровой об-
работки данных, выполненное в виде одной или нескольких БИС.
Микропроцессорные БИС относятся к новому классу микросхем,
одной из особенностей которых является возможность программ-
ного управления работой БИС с помощью определенного набо-
ра команд.
Микропроцессорный комплект (МПК) представляет собой
совокупность совместимых БИС, специально разработанных для
построения различных микропроцессорных устройств.
Микропроцессорное устройство (МПУ) — функционально
и конструктивно законченное изделие, в состав которого входят
микросхемы, включая микропроцессоры, предназначенное для
обработки, передачи, преобразования информации или управле-
ния. МПУ имеет унифицированное программное обеспечение и
257
ьев
функционирует, как правило, в составе какой-либо вычислитель-
ной системы.
Микропроцессорная система (МПС) — любая вычислитель-
ная, контрольно-измерительная или управляющая система, пост-
роенная на базе МП. В составе МПС могут находиться другие
микросхемы и радиокомпоненты.
МикроЭВМ представляет собой конструктивно завершенное
вычислительное устройство, реализованное на базе микропроцес-
сорного набора БИС и оформленное в виде автономного прибо-
ра со своим питанием, интерфейсом ввода-вывода и комплексом
программного обеспечения.
Встраиваемая микроЭВМ — микроЭВМ, конструктивно
приспособленная для работы в составе приборов и оборудования.
Микроконтроллер — устройство управления, построенное на
базе микропроцессорных БИС.
Алгоритм — набор предписаний, однозначно определяющих
содержание и последовательность выполнения операций для ре-
шения определенной задачи.
Программа — набор инструкций, реализующих алгоритм.
Программы могут быть написаны в машинных кодах, на языке
ассемблер и на языках высокого уровня.
Микропрограммирование — представление машинной ко-
манды в виде последовательности микрокоманд.
Архитектура микропроцессора — его логическая организа-
ция, определяемая возможностями МП по аппаратной или про-
граммной реализации функций, возлагаемых на МПУ. Архитек-
тура отражает структуру МП, способы представления информа-
ции, форматы данных, набор операций, форматы управляющих
слов, способы обращения ко всем доступным для пользователя
элементам структуры, реакцию МП на внешние сигналы.
Интерфейс — система шин, магистралей, вспомогательной
аппаратуры и алгоритмов, реализованных на этом оборудовании,
предназначенная для организации обмена информацией между
МП, памятью, устройствами ввода-вывода и другими устройства-
ми, входящими в состав МПС или микроЭВМ.
Магистраль — группа линий передачи информации, объеди-
ненных общим функциональным признаком. Различают магист-
раль данных, магистраль адресов, магистраль управления и т.д.
Кэш-память — особая высокоскоростная память процессора.
КЭШ-память используется в качестве буфера для ускорения об-
мена данными между процессором и оперативной памятью, а
также для хранения копий инструкций и данных, которые недав-
но использовались процессором. Значения из кэш-памяти из-
влекаются напрямую, без обращения к основной памяти. Разли-
чают следующие виды памяти:
258
• кэш-память первого уровня, которая находится внутри про-
цессора. Она быстрее всех остальных типов памяти, но меньше по
объему. Хранит совсем недавно использованную информацию,
которая может быть использована при выполнении коротких про-
граммных циклов;
• кэш-память второго уровня также находится внутри процес-
сора. Информация, хранящаяся в ней, используется реже, чем
информация, хранящаяся в кэш-памяти первого уровня, но по
объему памяти она больше. Также в настоящее время в процес-
сорах используется кэш-память третьего уровня;
• основная память намного больше по объему, чем кэш-память,
и значительно менее быстродействующая.
Многоуровневая кэш-память позволяет снизить требования
наиболее производительных микропроцессоров к быстродей-
ствию основной динамической памяти.
8.3. Основные параметры и классификация
микропроцессоров
Микропроцессор (МП) является сложным программно-управ-
ляемым процессором в интегральном исполнении, выполненным
в виде БИС. Поэтому он характеризуется параметрами, присущи-
ми ИС, такими как напряжение питания, потребляемый ток,
уровни входных и выходных сигналов, входные и выходные токи
и т.д., а также параметрами, присущими вычислительным сред-
ствам, такими как разрядность, структура и число команд; чис-
ло внутренних регистров, память данных, память команд, коли-
чество прерываний, состав программного обеспечения и т.д.
Микропроцессоры классифицируются по следующим призна-
кам:
• по технологии изготовления микропроцессорные комплекты
(МПК) подразделяются на ТТЛШ, КМОП, И2Л, ЭСЛ,/>-МОП и
«-МОП;
• по назначению МПК подразделяются на универсальные и
специализированные. Универсальные МП можно использовать
для решения широкого круга разнообразных задач в различных
видах вычислительной техники и цифровой автоматики. Специ-
ализированные МП используются для конкретного применения;
• по виду обрабатываемой информации различают цифровые
и аналоговые МП. Следует помнить, что оба вида МП являются
Цифровыми приборами. При этом в аналоговых МП входные ана-
логовые сигналы передаются в процессор через АЦП, обрабаты-
ваются в цифровой форме и после преобразования в аналоговую
форму в ЦАП поступают на выход. Аналоговые МП представля-
259
ют собой аналоговые функциональные преобразователи сигна-
лов;
• по разрядности различают МП с фиксированной и изменяе-
мой разрядностью слова. При фиксированной разрядности наи-
более распространены МП с разрядностью 4, 8, 16, 32, 64;
• по способу управления различают МП с жестким управлени-
ем и микропрограммным управлением;
• по виду архитектуры МП подразделяются: на однокристаль-
ные МП, секционные МП, однокристальные микроЭВМ.
Однокристальные Л//7 являются программно-управляемыми
устройствами с фиксированной разрядностью и заданным набо-
ром команд, выполненными в одном корпусе БИС.
В состав МПК входят несколько однокристальных МП, каж-
дый из которых выполняет свои заданные функции.
Большое количество однокристальных МП создано фирмой
Intel, например МП 4004, МП 8080, МП 8086, МП 80286, МП
80386, МП 80486, Pentium 1, Pentium II, Pentium III, Pentium IV,
Celeron и др.
Среди освоенных отечественной промышленностью однокри-
стальных МП следует выделить МП серии К580, К1801, К1821
К1810. МП имеют функционально развитую организацию, снаб-
жены наборами разнообразных периферийных БИС, что дает
разработчику широкие возможности при проектировании МПС.
Секционные МП, в отличие от однокристальных МП, имеют
возможность наращивать свою разрядность простым объединени-
ем с однотипными МП секциями для построения законченного
устройства. Основное назначение секционных МПК — создание
высокопроизводительных вычислительных систем различного на-
значения. Требуемая разрядность МПС достигается за счет выбо-
ра соответствующего количества секций. Секционные МПУ мо-
гут менять структуру и число команд.
К этому классу относятся отечественные МПК серий К585,
К588, К589, К1802, К1804 и др.
Однокристальные микроЭВМ представляют собой СБИС, со-
держащие на кристалле, кроме процессора, оперативную и посто-
янную память, схемы ввода-вывода информации, т.е. на одном
кристалле располагаются все структуры ЭВМ.
На базе однокристальных микроЭВМ разрабатываются раз-
личные встраиваемые микроЭВМ для различных приборов, ма-
шин, измерительной техники. К однокристальным микроЭВМ
принадлежат отечественные МП типа К1816ВЕ35, К1816ВЕ48 и
другие, а также зарубежные, семейства однокристальных микро-
ЭВМ с архитектурой iMCS-48, iMCS-51, iMCS-96 и др.
Разновидностью однокристальных ЭВМ являются PIC-кон-
троллеры. Они представляют собой миниатюрные быстродейству-
260
ющие и дешевые электронные устройства, предназначенные для
создания встроенных систем контроля и обработки потоков ин-
формации.
Особый класс МП представляют сигнальные микропроцессоры,
которые рассчитаны на обработку в реальном времени цифровых
потоков, образованных путем оцифровывания аналоговых сигна-
лов. Это определяет их сравнительно малую разрядность и боль-
шую производительность. Сигнальные МП нашли применение при
цифровой обработке сигналов в реальном масштабе времени.
В последние годы появились медийные МП, предназначенные
для обработки аудио- и видеоинформации, а также нейропроцес-
соры и транспьютеры.
8.4. Архитектурные особенности микропроцессорных
устройств
Наиболее распространенной схемой МПУ является персональ-
ная ЭВМ (ПЭВМ) (рис. 8.1).
В состав любой ПЭВМ входят: центральный процессор, сис-
темная память, устройства ввода-вывода, таймер. ПЭВМ содер-
жит также встроенные контроллеры: контроллер прерываний,
контроллер прямого доступа памяти (ПДП), контроллеры внеш-
них устройств, дополнительные модули. Системная память вклю-
чает в себя ОЗУ и ПЗУ и в основном определяет быстродействие
ПЭВМ. Для увеличения быстродействия широко используется
многоуровневая иерархическая архитектура памяти. На верхнем
уровне иерархии расположена быстродействующая кэш-память,
в которую в процессе вычислений помещаются интенсивно ис-
пользуемое фрагменты программного кода и обрабатываемых
данных. В реальных системах используется от первого до четвер-
того уровней кэш-памяти. Причем кэш-память первого уровня,
как правило, располагается на кристалле МП и работает на так-
товой частоте микропроцессора, а кэш-память второго и следу-
ющих уровней располагается вне кристалла МП и строится на
базе быстродействующих статических микросхем памяти. В каче-
стве основной оперативной памяти на нижнем уровне иерархии
памяти используется относительно медленная динамическая па-
мять DRAM (см. гл. 7). В видеоподсистемах ПЭВМ наряду с
обычными микросхемами динамической памяти используются
специализированные типы памяти, ориентированные на поддер-
жку операций с битовыми потоками.
В качестве постоянных ЗУ обычно используются рассмотрен-
ные в подразд. 7.1 полупроводниковые масочные, программиру-
емые и репрограммируемые ПЗУ.
261
Обычно в МПУ используется магистрально-модульная органи-
зация, которая характеризуется тем, что отдельные МП средства
выполняются в виде конструктивно-законченных модулей и эти
модули объединяются в систему посредством общих шин — ма-
гистралей (рис. 8.2). Шины подразделяются на шины адреса
(ША), шины данных (ШД) и шины сигналов управления (ШУ).
Центральный микропроцессор (ЦМП) считывает из памяти
команды, которые образуют программу, и декодирует их. В соот-
ветствии с программой он осуществляет выборку данных из па-
мяти и портов ввода, обрабатывает их и пересылает обратно в
память или порты ввода-вывода.
В МПУ используются унифицированные форматы команд
ввода-вывода и данных, используемые в операции передачи ин-
формации через интерфейс. Периферийные устройства подклю-
чаются к магистралям через контроллеры, которые представляют
собой специализированные микропроцессоры.
Унифицированный интерфейс (ИФ) представляет собой
унифицированный по составу набор линий и шин, унифициро-
ванные сигналы, алгоритмы управления передачей информации
и схемы подключения модулей. Как правило, в составе ИФ име-
ются средства для осуществления системы прерываний с про-
граммно-управляемым приоритетом.
В МПУ используется три способа организации передачи ин-
формации:
• программно-управляемая, инициируемая МП;
• программно-управляемая, инициируемая запросом прерыва-
ния от периферийного устройства;
• прямой доступ в память (ПДП), при котором обмен инфор-
мацией с внешними устройствами происходит, минуя ЦМП.
Интерфейсы можно классифицировать по четырем признакам:
• по способу соединения модулей системы: магистральное, ра-
диальное, цепочечное;
Рис. 8.1. Структурная схема ПЭВМ
262
ЦМП
Контроллер
Контроллер
Контроллер
ПЗУ
ОЗУ
ВЗУ
Рис. 8.2. Магистрально-модульная организация МП
способу передачи информации: параллельная, последователь-
ная и параллельно-последовательная;
• принципу обмена информацией: асинхронный и синхрон-
ный;
• режиму передачи информации: двухсторонняя одновремен-
ная передача (дуплексная), двухсторонняя поочередная передача
(полудуплексная), односторонняя передача (симплексная).
Кроме того различают: машинные (системные) ИФ, ИФ пери-
ферийного оборудования, интерфейсы мультипрограммных сис-
тем, интерфейсы распределенных вычислительных систем.
I Системные интерфейсы предназначены для организации свя-
зи между составными компонентами МПУ и связи с внешней
средой. Системные ИФ определяются количеством и функцио-
нальным назначением выводов БИС МП.
ИФ периферийного оборудования по функциональному на-
значению можно разделить на группы радиальной структуры и
магистральной структуры. ИФ первой группы применяются
для сопряжения устройств ввода-вывода с контроллерами.
Для различных периферийных устройств (ПУ) и МПУ разра-
ботаны стандартные контроллеры, которые обеспечивают связь с
ПУ по стандартному параллельному каналу передачи данных
(ИРПР) или по стандартному последовательному каналу переда-
чи данных (ИРПС). Основу контроллеров ПУ составляют регис-
тры, имеющие свои адреса и называемые портами ввода-вывода.
Регистры входных и выходных данных работают соответственно
в режиме чтения и в режиме записи. Регистр состояния содержит
информацию о текущем состоянии ПУ Регистр управления слу-
жит для приема информации из МПУ для ПУ.
Параллельный интерфейс передачи данных (ИРПР) предназ-
начен для параллельной пересылки информации между МП и
ПУ. При параллельном обмене информацией обеспечивается
высокая скорость передачи данных, которая ограничивается толь-
263
ко быстродействием ПУ. Современные МПС оснащены широким
набором универсальных параллельных интерфейсов. Существуют
также параллельные интерфейсы, выполненные в виде однокри-
стальных БИС (К580ВВ55А).
Последовательный интерфейс применяется при передаче
данных на большие расстояния при небольшой скорости. Здесь
параллельный код данных преобразуется в последовательный для
передачи по магистралям, а затем происходит его обратное пре-
образование.
В настоящее время широкое применение нашли последова-
тельные интерфейсы RS-232 на расстояние до 15 м и RS-485 на
расстояние до 1200 м.
Асинхронная передача данных в магистрали обеспечивает
большое быстродействие. Для ее организации необходимо, что-
бы генераторы передатчика и приемника выдавали одинаковую
частоту, чтобы приемник был информирован, что передача нача-
лась, и перед началом передачи очередного пакета данных было
отведено время для начальной установки приемника. Стандарт-
ные скорости передачи: 1 200; 2 400; 4 800; 9 600; 19 200 бод. Мак-
симальная скорость передачи достигает 2,5 Гбайт/с.
8.5. Архитектура микропроцессоров
В настоящее время МП строятся по следующим типам архи-
тектур: CISC, RISC и MISC.
CISC-процессор предполагает широкий набор инструк-
ций. Некоторые инструкции (например, умножение) требуют
для своего выполнения большое число тактов. Увеличение
производительности такого процессора связано с повышени-
ем тактовой частоты. Поскольку процессоры типа CISC рабо-
тают со сложными инструкциями, требующими много тактов,
это их выполнение характеризуется относительно невысокой
скоростью, хотя в них используется конвейерная обработка ин-
струкций.
RISC-процессор имеет меньший и более простой набор ин-
струкций. Сложная инструкция создается из значительно более
простых. Для эффективной работы RISC-процессора на его кри-
сталле располагается большое число регистров, что сокращает
число обращений к внешней памяти. Архитектура RISC отлича-
ется простотой, которая в сочетании с высокой тактовой часто-
той и более эффективным выполнением инструкций позволяет
создавать на основе RISC-процессора компьютеры с очень боль-
шим быстродействием. Основные мировые производители ком-
пьютерных систем в своих разработках используют архитектуру
264
RISC. Недостатком архитектуры RISC является худшее отноше-
ние цена—производительность.
MISC-процессор — процессор для массовых параллельных
систем. Очевидно, что MISC-процессоры эффективны в облас-
тях применения, в которых можно продуктивно использовать
структурные методы уменьшения времени доступа к оперативной
памяти.
В соответствии с принципами обработки информации разли-
чают:
• супер скалярные процессоры;
• мультискалярные процессоры.
Суперскалярные процессоры в системе команд не имеют ука-
зания на параллельную обработку информации. В современных
МП широко используется принцип конвейерного выполнения от-
дельных элементарных операций. Конвейеризация внутренних
процессов позволяет выполнить команду за каждый процессор-
ный цикл. В суперскалярных МП имеется возможность выпол-
нить несколько команд за один командный цикл. Такой режим
работы стал возможным благодаря наличию в процессоре не-
скольких исполнительных устройств.
Мультискалярные процессоры обеспечивают параллельную об-
работку информации. Здесь программа разбивается на части с по-
мощью аппаратных и программных средств. В состав мультискаляр-
ного МП входят много процессоров, каждый из которых работает
параллельно. Таким образом множество команд выполняются за
один процессорный такт. Мультискалярные процессоры обеспечи-
вают большую производительность, но они сложнее и дороже.
Существуют два вида архитектур МП, позволяющих организо-
вать доступ к системной памяти:
• архитектура фон Неймана, в которой используется одна шина
памяти. Она более дешевая, требует меньшего количества выво-
дов шины и является более простой в использовании, так как
программист может размещать команды и данные в любом мес-
те свободной памяти;
• гарвардская архитектура, которая имеет две физически раз-
деленные шины — одна шина для выборки инструкций (шина ад-
реса), а другая — для выборки данных. Это позволяет осуществ-
лять два доступа к памяти одновременно.
8.6. Однокристальные микропроцессоры
Однокристальные МП представляют собой программно-уп-
равляемые БИС с фиксированной разрядностью и заданным на-
бором команд. На сегодняшний день основным производителем
265
таких МП является фирма Intel, выпускающая микропроцессоры
типа 8086, 80186, 80286, 80386, 80486, Pentium I, Pentium II,
Pentium III и другие, которые являются программно-совместимы-
ми и относятся к архитектуре х86. Родоначальником всех этих
процессоров является, как указывалось выше, МП 8080 (К580).
Помимо компании Intel существует целый ряд других фирм,
которые также занимаются разработкой однокристальных МП.
К ним можно отнести компании AMD, Cyrix, Motorola, HP, DEC
SUN и другие, однако суммарная доля их производства не пре-
вышает 10 % рынка.
В настоящее время в семействе процессоров с архитектурой
х86 есть процессоры с MMX (*SSE) расширением системы команд
для мультимедийных приложений.
На сегодняшний день основные производители МП обладают
примерно равными технологическими возможностями, поэтому
в борьбе за рынок на первое место выходит фактор архитектуры.
Архитектура МП развивается в настоящее время по двум направ-
лениям. Первое направление получило условное название Speed
Daemon. Оно характеризуется стремлением к достижению высо-
кой производительности, главным образом, за счет усложнения
логики планирования вычислений и внутренней структуры про-
цессора.
Общей особенностью большинства рассматриваемых МП яв-
ляется высокоскоростная обработка 64-разрядных операндов с
фиксированной и плавающей точкой. Построение функциональ-
ных узлов таких МП требует сложной схемотехники, что обуслов-
лено большим числом транзисторов на кристалле.
8.7. Однокристальный МПК К580 (8080)
МПК К580 ориентирован для построения вычислительных си-
стем, предназначенных для решения целого ряда задач. МП
К580 представляет собой набор функционально законченных
БИС, ориентированных на модульное проектирование. В его со-
став входят 16 микросхем, в том числе:
К580ВА80А - ЦП;
К580ВВ55А — параллельный интерфейс;
К580ВВ51А — программируемый последовательный интер-
фейс;
К580ВИ53 — программируемый таймер;
К580ВТ57 — программируемый контроллер ПДП;
К580ВЕ75 — программируемый контроллер ЭЛТ;
К580ВВ79 — программируемый контроллер клавиатуры;
К580ГФ24 — генератор кварцевый и т.д.
266
Схемы выполнены по л-МОП-технологии. Входные и выход-
ные сигналы соответствуют уровням микросхем ТТЛ. Тактовая
частота ~2 МГц.
Центральный процессор К580ВМ80А имеет следующие харак-
теристики:
к л разрядность — 8 бит;
• число команд — 78;
• разрядность команд — 8, 16, 24;
• максимальный объем адресуемой памяти — 64 Кбайт;
• максимальное число адресуемых внешних устройств ввода-
вывода — 256;
• число уровней прерываний — 6;
• тактовая частота — 2,5 МГц;
• потребляемая мощность — 1,5 Вт.
Микросхема содержит около 5 тыс. транзисторов, размещает-
ся на кристалле кремния площадью 30 мм2 и заключается в кор-
пусе с 40 выводами.
Микропроцессор может работать с ОЗУ и ПЗУ, суммарная
емкость которых не превышает 64 Кбайт. Структурная схема МП
приведена на рис. 8.3.
Микропроцессор имеет однонаправленный 16-разрядный ка-
нал адреса А15—АО, двунаправленный 8-разрядный канал данных
D7—D0 и 12 шин управления. Канал адреса обеспечивает прямую
адресацию внешней памяти объемом 65 536 байт, 256 устройств
ввода и 256 устройств вывода.
Микросхема рассчитана на выполнение логических и арифмети-
ческих операций с 8-разрядными операндами. В состав МП входят:
• 16-разрядный регистр адреса команды РгАдр;
• 16-разрядный программный счетчик адреса команд PC;
• 16-разрядный указатель стека SP;
• 16-разрядный регистр временного хранения WZ\
• шесть 8-разрядных регистров общего назначения (Р, С, D, Е,
Н, L), которые могут использоваться как три 16-разрядных реги-
стра (PC, DE, HL).
В состав МП входят также регистр команд РгК, дешифратор
команд, блок управления, АЛУ и внутренняя 8-разрядная маги-
страль, которая через буферную схему канала данных подключа-
ется к внешней магистрали данных.
АЛУ выполняет арифметические и логические операции под
воздействием блока управления МП. Оно включает в себя 8-раз-
рядное АЛУ, схему десятичной коррекции, регистр признаков Е,
аккумулятор А и буферный регистр РгА. АЛУ позволяет выпол-
нить арифметические операции сложение и вычитание, а также
основные логические операции и операцию сдвига. При выпол-
нении операции одно из чисел берется из аккумулятора А, а вто-
267
D7—D0
Буферная система
канала данных
Внутренняя шина (8)
МК
АЛУ
SP
\7A15-A0
SW
Микрокоманды
Дешифратор
команд
Синхро- низатор — ф1 — ф2 —► sync
Сброс *— reset
X I £ Управление шиной dbin wr *— ready
О Прерыва- тель *— int —► inte
пдп hold —*• holde
Рис. 8.3. Структурная схема МП К580ВМ80А
рое из буферного регистра РГА, результат формируется в аккуму-
ляторе А. Одновременно в регистре признаков F формируется
один из пяти признаков для формирования условных переходов.
Двунаправленная магистраль данных D7—D0 предназначена
для связи МП с другими ИС, входящими в состав МПУ. Блок
управления предназначен для приема команд, их дешифровки, а
также для формирования внутренних управляющих сигналов
МП. Форматы команд могут быть однобайтовые, двухбайтовые и
трехбайтовые. Байты команд хранятся в ячейках памяти. Первый
байт является кодом операции, второй и третий — кодом адреса.
Все команды можно подразделить на пять групп:
• команды пересылки, по которым пересылаются данные меж-
ду регистрами и памятью;
• арифметические команды, включающие в себя арифметиче-
ские команды сложения и вычитания;
• логические команды, выполняющие операции: И, ИЛИ, Ф,
сравнения, сдвига;
• команды управления (условные и безусловные переходы);
• специальные команды.
Всего имеется 78 команд, и все они представлены в Приложе-
нии 5.
Интерфейс однокристального МП К580ВМ80 не обеспечива-
ет его непосредственное соединение с системной магистралью по
целому ряду причин. Во-первых, состав шин и логика управления
обменом интерфейса МП и системной магистрали отличаются.
Во-вторых, однокристалльные МП имеют малые токовые и емко-
стные нагрузки.
Это объясняется ограничениями, накладываемыми на макси-
мальную рассеиваемую мощность кристалла (обычно 1,5 ...2 Вт).
Кроме того, выходные буферы МП ВМ80 обеспечивают токовую
нагрузку до 1,6 мА и емкостную до 100 пФ, что недостаточно для
больших систем. Поэтому для построения МПУ требуются допол-
нительные БИС, а это прежде всего генератор тактовых импульсов,
системный контроллер, буферные регистры и шинные формиро-
ватели. Схема ЦП на базе БИС серии К580 приведена на рис. 8.4.
Схема содержит три БИС: ЦМП К580ВМ80А, генератор тактовых
импульсов К580ГФ24 и системный контроллер К580ВК38.
Период следования синхроимпульсов ф1, ф2 определяется
кварцевым резонатором ZQX и составляет 2,5 МГц.
Кроме синхроимпульсов, генератор также формирует сигнал
CLCK и сигнал системного сброса INIUT, который предназначен
для исходной установки системы в исходное состояние. Систем-
ный контроллер К580ВК38 формирует базовый набор управляю-
щих стробов магистрали и обеспечивает двунаправленный об-
мен данными МП с системной памятью и устройствами ввода-
вывода. Регистры К580ИР82 обеспечивают передачу 16-разрядно-
го адреса команды в ША с допустимым выходным током до 16 мА.
В состав МПК К580 входят периферийные БИС. Под ПУ по-
нимают любое устройство, обменивающееся информацией с
МПС. Роль физической среды обмена выполняют порты ввода-
вывода. Примерами ПУ могут служить клавиатура, индикаторы,
счетчики/таймеры, преобразователи информации, исполнитель-
ные устройства, цифровые датчики и т.д. Некоторые из этих ус-
тройств или их определенные части могут встраиваться в подси-
стему ввода-вывода.
Периферийные устройства, встроенные в МПС, могут либо
представлять законченные автономные средства, например, си-
стемный таймер, или клавишный регистр, либо образовывать до-
полнительные средства связи с устройствами, расположенными
вне МПС, например дисплей, внешние ЗУ, измерительные при-
боры. Связь с устройствами подобного рода осуществляется с по-
мощью специальных встроенных в МПС промежуточных преоб-
разователей, которые получили название периферийных адапте-
ров и контроллеров.
269
Такие устройства формируют периферийный интерфейс, осу-
ществляют физическое управление внешними ПУ в соответствии
с командами ЦП и другие функции, освобождая ЦП от трудоем-
ких обязанностей низкоуровневого управления устройствами.
Ниже приводятся некоторые однокристальные периферийные
контроллеры МПК К580:
К580ВВ51/ВВ51А — программируемый последовательный
адаптер;
К580ВВ55/ВВ55А — программируемый параллельный адаптер;
К580ВИ53 — программируемый интервальный таймер;
BUSEN *
-12В
GND -
HOLD"*
INT
INIT
18 МГц
HDP
XTAL1
XTAL2
RESET
osc
XACK 30
RDYIN
Ф1
13
TANK
oo
Ф2
--BRESIN
RESET
READY
6 CCLK
12
10
SYNC
STSTBo
28
АО
20
А2
А4
А6
GND
13
HOLD
14
INT
HLDA
RESET
Ф1
Ф2
READY
SYNC
A8
A9
A10
All
A12
WR<>
DBIN -
STB
Рг
Al 4
DBO
DB1
DB2
DB3
DB4
DB5
DB6
DB7
24
27
30
34
40
39
21
18
DIO
Dll
DI2
DI3
DI4
DI5
DI6
DI7
STB
DIO
Dll
DI2
DI3
D14
DI5
DI6
DI7
- HLDA
oBUSEN
<> WR
- DBIN
10 15
_9____77
_8____1_2
7 10
19
21
DBO
DB1
DB2
DB3
DB4
DB5
DB6
DB7
оо
ОО
19
<>STSTB
DOO
DOI
DO2
DO3
DO4
DO5
DO6
DO7
DOO
DOI
DO2
DO3
DO4
DO5
DO6
DO7
DBO
DB1
DB2
DB3
DB4
DB5
DB6
DB7
13 0
14 1
19
12____
13 8
14 9
15 10
18 13
19 14
16
18
20
MEMRH
MEMW<>
I/OR <>
I/OW<>
INTA <>
DA
HLDA
DD
24 ----
—+MRDC
^r+AMWC
y^IORC
^+AIWC
^—INTA
Рис. 8.4. Схема центрального процессора на базе БИС серии К580
270
К580ВТ57 — контроллер прямого доступа к памяти;
К580ВН59 — программируемый контроллер прерываний;
К580ВТ71А — контроллер накопителя на гибких магнитных
дисках;
К580ВГ75 — контроллер дисплея;
К580ВВ79 — контроллер клавиатуры и дисплея.
Перечисленные устройства решают узкоспециальные задачи,
такие как организация параллельного или последовательного ин-
терфейса, распределение интервалов времени, управление клави-
атурой, дисплеем или внешним ЗУ, но они значительно упроща-
ют разработку микропроцессорных устройств и повышают про-
изводительность МПС.
8.8. Однокристальный МПК К1821ВМ85А
Однокристальный МП К1821ВМ85А является усовершенство-
ванным 8-разрядным МП, имеющим полную архитектурную со-
вместимость с К580ВМ80. По сравнению с МП К580ВМ80 он
имеет более высокую производительность, более мощные выход-
ные шины и внутренний генератор тактовой частоты.
С точки зрения программиста, архитектура ВМ85А практи-
чески тождественна архитектуре ВМ80. В нем используется тот
же самый набор программно-доступных регистров аккумулятор-
ного типа, сохранена логическая организация памяти и про-
странства ввода-вывода. Система команд ВМ85А включает весь
набор команд ВМ80 в их старой кодировке, что гарантирует
полную совместимость с ПО микропроцессора ВМ80. Вместе с
тем в состав системы команд ВМ85А введены две новые коман-
ды, что связано с расширением средств обработки прерываний.
Методология построения системы прерываний ВМ85А подчине-
на архитектуре ВМ80, однако число возможных источников пре-
рываний на аппаратном уровне увеличено с одного до пяти.
Структурная схема МП К1821 ВМ85А приведена на рис. 8.5. По
сравнению с МП ВМ80 в схеме ВМ85А используется совмещен-
ная шина адреса и данных AD7—ADQ, по которой передается
младшая часть адресной информации и 8-разрядные данные.
Старшая часть адреса фиксируется в регистре адреса и выводит-
ся на шину Л15—Л8. Существенно изменен набор линий шин
Управлений, которые обеспечивают прямое подключение квар-
цевого генератора, а также управление периферийными БИС
Памяти и ввода-вывода. Расширен и модифицирован состав
физических линий для поддержки системы прерываний. Введен
блок последовательного ввода-вывода. Кроме того, тактовая
частота повышена до 3 МГц.
271
А15—А8
AD7—AD0
Рис. 8.5. Структурная схема МП К1821ВМ85А
Микропроцессор ВМ85А представляет собой практически за-
конченный однокристальный ЦП. Для его запуска необходимо
подключить кварцевый резонатор и сформировать сигнал
RESIN.
8.9. Однокристальные микропроцессоры фирмы Intel
Микропроцессор 4004 появился в 1971 г. и является первым
МП корпорации Intel. Он был 4-битовым, т. е. мог хранить, об'
272
рабатывать и записывать в память или считывать из нее 4-бито-
вые числа; предназначался этот МП для калькуляторов. Чип 4004
оказался средством более мощным чем лучший в мире компью-
тер того времени — EN1AC — компьютер американского прави-
тельства. 4004 мог обрабатывать 60 000 инструкций в секунду, в
сравнении с 5000 инструкций EN1AC, при этом чип легко уме-
щался на кончике пальца — размер его не превышал 1/6 на 1/8
дюйма. ENIAC же занимал площадь в 3 000 фут и весил 30 т.
Микропроцессор 8008 компания Intel выпустила в 1972 г.
Мощность этого процессора, по сравнению с его предшественни-
ком, возросла вдвое. Энтузиаст вычислительных технологий Дон
Ланкастер применил процессор 8008 в разработке прототипа пер-
сонального компьютера.
Микропроцессор 8080 был выпущен в 1974 г. и принес фир-
ме настоящий успех. В нашей стране его аналогом является МП
КР580ИК80. С МП 8080 также связано появление стека внешней
памяти, что позволило использовать программы любой сложно-
сти. Этот процессор стал «мозгом» первого персонального ком-
пьютера «Альтаир».
Микропроцессоры 8086—8088 были первыми 16-битными
МП корпорации, выпущенными в 1978 г. МП 8086 оказался «пра-
родителем» целого семейства, которое называю! семейством
80x86 или х86. На смену МП 8086 пришел МП 8088, архитектур-
но повторяющий МП 8086 и имеющий 16-битные внутренние
регистры, но его внешняя шина данных составляет 8 бит. Круп-
ная партия этих устройств, приобретенная вновь образованным
подразделением корпорации IBM по разработке и производству
персональных компьютеров, сделала процессор 8088 «мозгом»
персонального компьютера IBM-PC.
Микропроцессор К180286 явился следующим крупным ша-
гом в разработке новых идей. Он известен также под обозначени-
ем 80286, выпущен в 1982 г. При разработке были учтены дости-
жения в архитектуре микрокомпьютеров и больших компьютеров.
МП обеспечивал адресацию до 16 Мбайт физической памяти,
имел в своем составе 134 тыс. транзисторов. За счет архитектур-
ных нововведений удалось повысить производительность более
чем в 6 раз при 1 актовой частоте 12,5 МГц.
МП 286 стал первым процессором Intel, способным выполнять
любые программы, написанные для его предшественников. С тех
пор такая программная совместимость остается отличительным
признаком семейства МП Intel.
Микропроцессор К180386 был разработан в 1985 г. и насчи-
тывал уже 275 000 транзисторов, число которых, по сравнению с
первым процессором 4004, увеличилосв более чем в 100 раз. Это
был 32-разрядный процессор с возможноствю одновременного
Ю Лаврентьев
273
выполнения нескольких программ. Несмотря на введение в него
последних достижений микропроцессорной техники, 80386 сохра-
няет программную совместимость.
Микропроцессор Intel 180486 состоит из полного МГ
180386, арифметического сопроцессора 180387 и контроллера
кэш-памяти 182385. СБИС содержит более 1 млн транзисторов
что дает возможность реализовать новые архитектурные реше-
ния и значительно повысить производительность процессора.
Intel 486 стал первым МП со встроенным математическим со-
процессором, который существенно ускорил обработку данных,
выполняя сложные математические действия вместо централь-
ного процессора. Процессор 486 имеет встроенную в микросхе-
му внутреннюю кэш-память для хранения 8 Кбайт команд и
данных.
Микропроцессор Pentium стал одним из главных достижений
фирмы Intel. Разработка процессора Pentium началась еще с июня
1989 г., в процессе его разработки и тестирования принимали ак-
тивное участие все основные разработчики персональных ком-
пьютеров и программного обеспечения, что немало способство-
вало общему успеху проекта. К концу 1991 г. был завершен макет
процессора, инженеры смогли запустить на нем программное
обеспечение. Проектирование в основном было завершено в фев-
рале 1992 г.
Объединяя более чем 3,1 млн транзисторов на одной кремни-
евой подложке, 32-разрядный Pentium процессор характеризует-
ся высокой производительностью. Суперскалярная архитектура
МП Pentium представляет собой совместимую только с Intel двух-
конвейерную индустриальную архитектуру, позволяющую про-
цессору достигать новых уровней производительности посред-
ством выполнения более чем одной команды за один период так-
товой частоты. Другое важнейшее революционное усовершен-
ствование, реализованное в МП Pentium, это введение раздель-
ного кэширования. МП Pentium позволяет выполнять математи-
ческие вычисления на более высоком уровне благодаря исполь-
зованию усовершенствованного встроенного блока вычислений
с плавающей запятой.
Процессор Pentium научил компьютеры работать с атрибутами
«реального мира» — такими, как звук, голосовая и письменная
речь, фотоизображения.
Микропроцессор Pentium Pro выпущен в 1995 г. МП Pentium
Pro выпускались в модифицированных корпусах SPGA с матри-
цей штырьковых выводов, часть из которых расположены в шах-
матном порядке. В одном корпусе (микросхеме) установлено два
кристалла — ядро процессора и вторичный кэш собственного из-
готовления.
274
Процессор Pentium Pro, разрабатывался как мощное средство
наращивания быстродействия 32-разрядных команд для серверов
и рабочих станций, систем автоматизированного проектирова-
ния, программных пакетов, используемых в машиностроении и
научной работе. Все процессоры Pentium Pro оснащаются второй
микросхемой кэш-памяти, еще больше увеличивающей быстро-
действие. Мощнейший МП Pentium Pro насчитывает 5,5 млн
транзисторов.
МП Pentium MMX отличается от своих предшественников тем,
что в нем встроены средства поддержки мультимедиа и реализована
разработанная Intel новая технология, позволяющая повысить
эффективность программ, работающих с различными видами ин-
формации (видео, аудио и т.п.). Разработка этой технологии нача-
лась несколько лет назад в ответ на быстрое развитие вычислитель-
ных систем, связанных с обработкой различных видов информа-
ции: высококачественная графика, видео и звук потребовали про-
цессоров с очень высокой производительностью. Потребность в
более высокопроизводительных процессорах увеличилась также за
счет развития Internet и вызванной этим необходимости доставки
по существующим линиям связи различных видов информации.
Инженеры корпорации Intel разработали 57 новых инструкций,
которые позволили повысить производительность при выполнении
наиболее типичных циклов, требующих интенсивных вычислений
и характерных для приложений данного класса.
Новые процессоры разработаны на основе созданной в Intel
улучшенной КМОП-технологии 0,35 микрометр, которая позво-
ляет получить более высокую производительность при меньшем
потреблении мощности. МП Pentium с технологией ММХ содер-
жит 4,5 млн транзисторов и, кроме инструкций, имеет несколь-
ко архитектурных улучшений. К ним относятся удвоенный объем
размещенной на кристалле кэш-памяти (он теперь равен 32
Кбайт) и более эффективное предсказание условных переходов,
что позволило на 10... 20 % повысить производительность на стан-
дартных эталонных тестах процессора.
Технология ММХ обеспечивает полную совместимость с архи-
тектурой Intel и, кроме того, полностью совместима с широко
используемыми операционными системами и прикладным про-
граммным обеспечением.
Процессор Pentium II официально был изготовлен в мае
1997 г. и представлял собой Pentium Pro, оснащенный ММХ-тех-
Нологией. В отличие от своего «прародителя», новый процессор
нацелен на применение в сферах малого и среднего бизнеса. Он
предназначен для установки в настольные персональные компью-
теры (ПК), сетевые ПК, рабочие станции и серверы начального
Уровня.
275
Насчитывающий 7,5 млн транзисторов, МП Pentium II исполь-
зует технологию Intel MMX, обеспечивающую эффективную об-
работку аудио, визуальных и графических данных. Кристалл и
микросхема высокоскоростной кэш-памяти помещены в корпус
с односторонним контактом, который устанавливается на систем-
ной плате с помощью одностороннего разъема. Чтобы обеспечить
«мощь Pentium Pro» за сравнительно небольшую цену, Intel при-
шлось перейти на использование относительно дешевой кэш-па-
мяти типа В SRAM.
Процессор дает пользователям возможность вводить в ПК и
обрабатывать цифровые фотоизображения, пересылать их друзь-
ям и родственникам через Internet, создавать и редактировать тек-
сты, музыкальные произведения и даже сценки для домашнего
кино, передавать видеоизображения по обычным телефонным
линиям и по Internet. Основные характеристики МП Pentium II
приведены в Приложении 4.
Микропроцессор Celeron создан для «самых простых» ком-
пьютеров. Ядро процессоров Intel Celeron с тактовой частотой
300 МГц содержит 7,5 млн транзисторов, ядро процессоров с ча-
стотами 500, 433, 400, 366 и 333 МГц содержит 19 млн транзисто-
ров, поскольку включает встроенную кэш-память второго уров-
ня. Все процессоры Intel Celeron производятся по КМОП-техно-
логии 0,25 микрометра и выпускаются в пластиковом корпусе с
матрицей штырьковых выводов.
Кроме того, процессоры Intel Celeron с тактовыми частотами
433, 400, 366, 333 и 300А поставляются в корпусе с односторон-
ним расположением контактов типа S.E.P.P, обеспечивающим
простоту установки и экономичность. Независимо от типа кор-
пуса, процессоры Intel Celeron обладают высоким качеством, на-
дежностью и совместимостью. Это мощные процессоры для ра-
боты с популярными современными офисными программами и
программами доступа к Internet.
Процессор Pentium III (1999 г.) является самым современным
и быстродействующим процессором корпорации Intel для на-
стольных ПК, в котором воплощены последние технологические
достижения, обеспечивающие беспрецедентную производитель-
ность, управляемость и удобство работы с Internet. Основная
инновация для пользователей Internet и информативных мульти-
медиа-приложений — это потоковые SIMD-расширения. Входя-
щие в них 70 новых команд значительно расширяют возможнос-
ти обработки изображений, ЗЭ-графики, звуковых и видеопото-
ков, а также распознавания речи. Благодаря мощности, достаточ-
ной и для следующего поколения Internet-приложений, процес-
сор Pentium III — отличный выбор для пользователей ПК, смот-
рящих далеко в будущее.
276
Все процессоры изготавливаются в массовом порядке на осно-
ве передовой производственной технологии 0,18 микрометров,
которая обеспечивает повышение тактовой частоты, дальнейшее
наращивание производительности благодаря применению ряда
важных новшеств. Эта технология позволяет обрабатывать струк-
туры, размеры которых не достигают и одной пятисотой толщи-
ны человеческого волоса. Выпущенные сегодня процессоры
Pentium III для настольных и мобильных ПК, а также процессо-
ры Pentium III Хеоп для серверов и рабочих станций характери-
зуются рядом принципиально новых технологических особенно-
стей, таких, как кэш-память второго уровня и усовершенствован-
ной системной буферизацией. В новом производственном процес-
се применяются многослойные алюминиевые межсоединения с
низкоемкостными изоляторами из легированного фтором диокси-
да кремния, что позволяет снизить потребляемое напряжение до
1,1 ...1,65 В.
Микропроцессор Pentium IV является последней разработ-
кой корпорации Intel. Существует несколько вариантов этого
МП с тактовой частотой от 2 до 3,4 ГГц, размер кэш первого
уровня 20 Кбайт, второго — 512 Кбайт. Технология производства —
0,13 мкм с использованием медных соединений, номинальное на-
пряжение ядра — 1,525 В, число транзисторов — 55 млн.
Главная особенность Pentium IV — увеличение тактовой час-
тоты, а, следовательно, и производительности. Кроме того, в про-
цессоре существенно расширена система команд.
Успехи, достигнутые за время существования МП, четверть
века назад невозможно было и вообразить. Если так будет про-
должаться и впредь, то, вполне возможно, к 2011 г. микропроцес-
соры Intel будут работать на тактовой частоте 10 ГГц. При этом
число транзисторов на каждом таком процессоре достигнет
1 млрд, а вычислительная мощность — 100 млрд операций в се-
кунду (BIPS). Трудно себе даже представить, насколько возросшая
мощь процессоров расширит сферу их применения, причем не
только в бизнесе и в области коммуникаций. Как дома, так и на
рабочих местах возникнет новая информационная среда, откро-
ются невиданные ранее возможности.
8.10. Основные тенденции развития универсальных
однокристальных микропроцессоров
Основными тенденциями развития однокристальных МП яв-
ляются: повышение тактовой частоты, увеличение объема и про-
пускной способности подсистемы памяти, увеличение количества
Параллельно функционирующих исполнительных устройств. Со-
277
вокупная реализация в одном МП максимальных значений по
всем этим тенденциям невозможна из-за фундаментальных
физических ограничений, а также из-за ограничений технологи-
ческого процесса изготовления и экономических ограничений на
стоимость одного микропроцессора. Поэтому каждый конкрет-
ный тип МП есть результат многих компромиссов, принятых его
создателями.
Повышение тактовой частоты осуществляется с помощью
современного технологического процесса с меньшими проектны-
ми нормами, увеличения числа слоев металлизации, более совер-
шенной схемотехникой меньшей каскадности и с более совер-
шенными транзисторами, а также более плотной компоновкой
функциональных блоков кристалла.
Уменьшение размеров транзисторов, сопровождаемое сни-
жением напряжения питания с 5 до 1,5...2 В и ниже, увеличи-
вает быстродействие и уменьшает выделяемую тепловую энер-
гию. Все производители МП перешли с проектных норм
0,7...0,5 мкм на 0,35 мкм, а сейчас уверенно стремятся к 0,25
и 0,18 мкм.
Проблема уменьшения длины межсоединений на кристалле
решается путем увеличения числа слоев металлизации.
Увеличение пропускной способности подсистемы памяти
включает создание кэш-памяти одного или нескольких уровней,
а также увеличение пропускной способности интерфейсов меж-
ду процессором и кэш-памятью и конфликтующим с этим повы-
шение пропускной способности между процессором и основной
памятью. Совершенствование интерфейсов реализуется как уве-
личением пропускной способности шин, так и введением допол-
нительных шин, повышающих скорость обмена информацией
между процессором, кэш-памятью и основной памятью. В по-
следнем случае одна шина работает на частоте процессора, а
вторая — на частоте работы основной памяти.
Наиболее рациональное решение состоит в размещении на
кристалле отдельной кэш-памяти первого уровня для данных и
команд с возможностью создания внекристальной кэш-памяти
второго уровня. Например, в Pentium II использованы внутрикри-
стальные кэш-памяти первого уровня 16 Кбайт команд и 16 Кбайт
данных, работающие на тактовой частоте процессора, и внекри-
стальный кэш второго уровня, работающий на половинной так-
товой частоте.
Повышение степени внутреннего параллелизма. Каждое се-
мейство МП демонстрирует в следующем поколении увеличение
числа исполнительных устройств и улучшение их характеристик,
как временных, так и функциональных. В настоящее время МГ
могут выполнять до шести операций за такт.
278
В архитектуре современных МП разных компаний-производи-
телей имеется много общего, что ставит вопрос об унификации
архитектур. В настоящее время наибольшие шансы на развитие
имеются у архитектур х86. Это объясняется тем, что процессоры
с архитектурой х86 выпускаются несколькими независимыми
производителями, к числу которых относятся Intel, AMD, Texas
Instruments, National Semiconductors.
8.11. Однокристальные микроЭВМ
Однокристальные микроЭВМ (ОЭВМ) представляют собой
приборы, конструктивно выполненные в виде одной БИС и
включающие в себя все устройства, необходимые для реализации
цифровой системы управления минимальной конфигурации:
процессор, память данных, память команд, тактовый генератор,
программируемый интерфейс для связи с внешней средой.
ОЭВМ, как правило, применяются в МПУ, которые встра-
иваются в приборы, машины и изделия различного назначе-
ния, придавая им более качественные характеристики. Поэто-
му они должны отличаться простотой и достаточно низкой сто-
имостью.
Основным разработчиком ОЭВМ является фирма Intel, кото-
рая в 1977—1979 гг. создала семейство 8-разрядных однокристаль-
ных микроЭВМ iMCS-48. В составе семейства 12 микроЭВМ с
единой базовой архитектурой, но с различными функциональны-
ми возможностями. В 1980 г. фирмой Intel было разработано но-
вое семейство однокристальных микроЭВМ iMCS-51, базовым
представителем которого являлся МП 8051. Новое семейство пол-
ностью совместимо с архитектурой iMCS-48, но имело более ши-
рокое адресное пространство памяти программ и данных, усовер-
шенствованные средства ввода-вывода и поддержку режима ре-
ального времени.
В 1983 г. фирмой Intel было предложено семейство 16-разряд-
ных однокристальных микроЭВМ iMCS-96. В основе семейства —
БИС 8096, содержащая 120 тыс. транзисторов на одном кристал-
ле, что позволило разместить на нем 16-разрядный ЦП 8 Кбайт
программной памяти, 232 байт памяти данных, а также подси-
стему аналогового и цифрового ввода-вывода с развитыми сред-
ствами поддержки режима реального времени, включая скорост-
ной ввод-вывод.
В табл. 8.1 приведен состав однокристальных микроЭВМ фир-
мы Intel.
Использование однокристальных микроЭВМ обеспечивает до-
стижение высоких показателей эффективности при низкой сто-
279
Таблица 8.1
Состав ОЭВМ фирмы Intel
Тип прибора Память программ, байт Память данных, байт Число линии ввода-вывода ИРПС Число и разряд- ность таймеров
внутренняя внешняя внутренняя внешняя внутренних внешних
iMCS-48
8048 1К (ПЗУ) 4К 64 256 27 16 1x8
8748 1К(УСППЗУ) 4К 64 256 27 16 1x8
8035 — 4К 64 256 27 16 1x8
8049 2К (ПЗУ) 4К 128 256 27 16 1x8
8749 2К (У СП ПЗУ) 4К 128 256 27 16 1x8
8039 4К 128 256 27 16 — 1x8
8050 4К (ПЗУ) — 256 256 27 16 • 1 1 1 1x8
8040 • 1 4К 256 256 27 16 1x8
8021 1К (ПЗУ) 64 —— 21 16 1x8
8022* 2К (ПЗУ) ' 1 64 ' 1 26 16 1x8
8041 1К(ПЗУ) 64 ' 1 18+СА 16 — 1x8
8741 1К (УСППЗУ) — 64 18+СА 16 — 1x8
8355 — t 2К (ПЗУ) । ~ — — 16 /
/ 8755 / — 12К (УСППЗУ) — 16 — \
8155 1 256 - 22 1x8
8156 1 — - 256 — - 22 1x8
8243 — 1 — ... — —— 16 — —
1 _ 1MCS-51
805) 4К (ПЗУ) 64 К 128 64К 32 ——— 1 2x16
8751 4К (УСППЗУ) 64К 128 64К 32 ——— 1 2x16
8031 — 64К 128 64К 32 - — 1 2x16
8052 8К (ПЗУ) 64К 256 . 64К 32 — - - L 3x16
8032 1 64К 256 64К 32 — .] 1 3x16
1 8044 4К (ПЗУ) 64К 256 64К 32 j 2х 16
8744 4 К (УСППЗУ) 64К 256 64К 32 — - 1 2x16
8344 — 64К 256 64К 32 — - 1 2x16
1MCS-96
8394, 8396 8К (ПЗУ) 64К 232 64К 40+СВВ - 1 2х 16
unv
282
имости. Отечественная промышленность выпускает однокри-
стальные микроЭВМ семейств iMCS-48 и iMCS-5L Состав оте-
чественных ОЭВМ семейства МК48 приведен в табл. 8.2.
Все ОЭВМ, входящие в семейство МК48, являются полностью
совместимыми по системе команд, назначению, разводке выво-
дов и совокупности основных функций устройства. Существуют
три поколения этого семейства, отличающиеся технологией и ис-
пользованием новых архитектур:
• 1816ВЕ48 и 1816ВЕ35 с частотой 6 МГц;
. 1816ВЕ49 и 1816ВЕ39 с частотой 11 МГц;
• 1830ВЕ48 и 1830ВЕ35 с частотой 6 МГц.
Семейство ВЕ48 является аналогом семейства iMCS-48. В ос-
нову его архитектуры положена организация гарвардского типа,
ориентированная на разделение памяти на память программ и
память данных.
На рис. 8.6 приведена структурная схема ОЭВМ 1816ВЕ48.
В схему введены следующие обозначения:
XI, Х2 — выводы для подключения кварцевого резонатора;
ТО, Т1 — сигналы, опрашиваемые по команде условного пе-
рехода;
-RST — сброс;
SS — для обеспечения пошагового режима при отладке;
INT — запрос прерывания от внешнего источника;
FA — отключения памяти программ ПП;
DR — чтение из внешней памяти данных или устройства вво-
да-вывода;
Таблица 8.2
Состав отечественных ОЭВМЕ семейства МК48
Микро- схема Ана- лог Внутрен- няя память программ Тип памяти про- грамм Внутрен- няя память данных, б Часто- та, МГц Потребля- емый ток, мА
1816ВЕ35 i 8035 Внеш- няя 64 6,0 135
1816ВЕ48 i 8048 1 кВ FROM 64 6,0 135
1816ВЕ39 1 8039 11 ' ' Внеш- няя 128 11,0 ПО
1816ВЕ49 i 8049 2 кБ MROM 128 11,0 ПО
1830ВЕ35 80С35 — Внеш- няя 64 6,0 8
1830ВЕ48 80С48 1 кБ MROM 64 6,0 8
283
Рис. 8.6. Структурная схема ОЭВМ 1816ВЕ48
Устройство управления Г енератор
Управление внешней памятью
Чтение запись
Старт- исполнение
Тест прерывания
Программа
XI
Х2
PSEN
FA
ALS
RD
WR
RST
INT
PROG
WR — запись во внешнюю память данных или устройство
ввода-вывода;
ALE — строб адреса внешней памяти для фиксации адреса
внешней памяти на внешнем регистре;
PSEN — разрешение внешней памяти программ, выдается
только при обращении к внешней памяти программ;
Порт Р\ — 8-битный квазидвунаправленный порт ввода-выво-
да. Каждый разряд порта может быть запрограммирован на ввод
или на вывод по отдельности;
284
Порт Р2 — 8-битный квазидвунаправленный порт ввода-выво-
да, сходный с портом Р1.
Порт BUS — 8-битный двунаправленный порт ввода-вывода
информации.
В состав ВМ48 входит 8-разрядная внутренняя память про-
грамм (ВПП) емкостью 1 Кбайт, внутренняя память данных
(ВПД) на 64 байта, 8-разрядный таймер-счетчик, 8-разрядный
процессор, который включает в себя АЛУ, аккумулятор Л, ре-
гистр Т и регистр признаков PSW. Кроме того, в состав ОЭВМ
входит устройство управления, на которое поступают входные и
выходные управляющие сигналы. Счетчик команд (СК) имеет 12
разрядов, что ограничивает объем ПЗУ до 4 Кб. ПЗУ разделен на
два банка по 2 Кбайт каждый.
Однокристальная микроЭВМ семейства MCS-51
(К1816ВЕ51). Входит в семейство MCS-51, представляющее со-
бой высокопроизводительные 8-разрядные устройства. Семейство
включает 8 модификаций, различающихся количеством портов
ввода-вывода, типом ПЗУ, наличием АЦП, размером памяти про-
грамм и данных, количеством таймеров-счетчиков, типом защи-
ты и т.д. Размер ВПП может измеряться от 4 до 32 Кбайт и до 64
Кбайт внешней.
На кристалле для различных модификаций может содержать-
ся от 128 до 256 байт памяти данных (ВПД). Общий объем памя-
ти (внутренней и внешней) может достигать 128...64 Кбайт для
ПП и 64 Кбайт для ПД.
ОЭВМ имеет все узлы, необходимые для автономной работы:
центральный 8-разрядный процессор, память программ объемом
до 4 Кбайт; память данных объемом от 128 байт; от 32 до 87 ли-
ний ввода-вывода; 16-разрядный многорежимный таймер-счет-
чик; систему прерываний с пятью векторами и двумя уровнями;
последовательный интерфейс; тактовый генератор.
Структурная схема ОЭВМ К1816ВЕ51 представлена на рис. 8.7.
Блок управления предназначен для выработки синхронизиру-
ющих и управляющих сигналов, обеспечивающих координацию
совместной работы блоков ОЭВМ во всех режимах. В блок управ-
ления входят: устройство выработки временных интервалов, ло-
гика ввода-вывода, регистр команд, регистр управления потреб-
лением, дешифратор команд, ПЛМ и логика управления ЭВМ.
На входы XI, Х2 подключается кварцевый резонатор или LC це-
почка.
Регистр команд предназначен для приема и хранения 8-раз-
рядного кода операции выполняемой команды. Код операции с
помощью дешифратора команд преобразуется в 24-разрядный код
Для ПЛМ, из которой выбирается набор микроопераций в соот-
ветствии с микропрограммой, выполняемой команды.
285
Счетчик
команд
Блок
таймеров
впд
Рис. 8.7. Структурная схема ОЭВМ К1816ВЕ51
ВПП
АЛУ
Блок
последнего
интерфейса и
прерываний
ПИП
Блок
управления
XI
Х2
РМБ
RST
DEMA
Регистр управления потреблением используется для установ-
ки режима потребления тока ОЭВМ. При установке в 1 нулевого
разряда этого регистра включается режим холостого хода (функ-
циональные узлы ЦП блокируются, сохраняется состояние ука-
зателя стека, программного счетчика, PSW, аккумулятора, а так-
же внутреннего ОЗУ данных). При установке в 1 первого разря-
да включается режим микропотребления. АЛУ представляет со-
бой 8-разрядное устройство, обеспечивающее выполнение ариф-
метических и логических операций, а также операций логическо-
го сдвига, обнуления, установки и т.п.
АЛУ включает в себя: регистр аккумулятора, ПЗУ констант,
сумматор, аккумулятор, регистр состояния программы, регистр
временного хранения. Регистр аккумулятора и регистр временно-
го хранения представляют 8-разрядные регистры, предназначен-
286
ные для приема и хранения операндов во время выполнения дей-
ствий над ними. Они программно недоступны.
Аккумулятор представляет собой восьмиразрядный регистр
для приема и хранения результата операций.
Блок таймеров-счетчиков (Т/С) предназначен для подсчета
внешних событий, получения программно выполняемых задер-
жек и получения времязадающих функций ОЭВМ.
В состав блока входят: два 16-разрядных регистра Т/Сх и Т/С$,
8-разрядный регистр режимов Т/С, 8-разрядный регистр управ-
ления, схема инкремента, схема фиксаций INTO, I NT 1, ТО, Т1,
схема управления флагами.
Блок последовательного интерфейса и прерываний ПИП
обеспечивает организацию ввода-вывода последовательных
данных и организует систему прерываний программ. В состав
блока входят: буфер ПИП, логика управления ПИП, регистр
управления, буфер передатчика, буфер приемника, приемник-
передатчик последовательного порта, регистр приоритетов пре-
рываний, регистр разрешения прерываний, логика обработки
флагов прерываний, схема выработки вектора.
Счетчик команд (Р С) предназначен для формирования 16-
разрядного адреса программной памяти и 8/16-разрядного адре-
са памяти данных. В состав счетчика команд входят: буфер PC,
регистр указателя данных, регистр PC, схема инкремента, регистр
памяти. Все элементы 16-разрядные. Буфер PC осуществляет
связь между 16-разрядной шиной PC и 8-разрядной магистралью
данных.
Порты РО, Pl, Р2, РЗ имеют организацию, во многом схожую
с организацией портов ВЕ48. Отличие состоит только в выходном
буфере, который значительно модифицирован. Порты Pl, Р2, РЗ
имеют встроенную нагрузку, тогда как для порта РО, выполнен-
ного по схеме с открытым коллектором, требуется внешняя на-
грузка. Каждый вывод портов РО—РЗ может быть использован в
качестве выходного независимо от других.
Память программ (ПП) имеет 16-разрядную адресную шину,
ее элементы адресуются с помощью счетчика команд (PQ или
инструкций, которые вырабатывают 16-разрядные адреса.
Память программ доступна только по чтению и может иметь
объем до 64 К. Для программиста внешняя и внутренняя ПП неот-
личимы — он работает только с одним видом памяти.
Однокристальные микроЭВМ семейства MCS-96. Пред-
назначены для решения задач управления, требующих высокого
быстродействия и точности.
В состав семейства MCS-96 входит около сорока разновидно-
стей л-MON и KMON ИС. Они различаются количеством пери-
ферийных устройств, составом команд и внутренней организаци-
287
ей. Все являются функционально законченными быстродейству-
ющими микроЭВМ с большим количеством периферийных уст-
ройств на кристалле, требующими для работы только подачи
питания, подключения кварцевого резонатора и, при необходи-
мости, дополнительной памяти. К сожалению, ОЭВМ семейства
MCS-96 отечественной промышленностью не выпускаются.
Структурная схема ОЭВМ семейства MCS-96 (рис. 8.8) вклю-
чает в себя: встроенную память программа/данные; таймеры-
Vre AnGnd
Frg Ref
Power Down
ГТИ
АЦП
УВХ
Мульти-
плексор
16
ВПД
ВПП
Кон-
троллер
памяти
16
16
Порт
16
Порт
16
Сторо-
жевой
таймер
WDT
Таймер 1
Таймер 2
16
байт
РАЛУ
16
Внутренняя магистраль 16. D-DUS
ШИМ
Последо-
вательный
порт
Генератор
частоты
передачи
Быстрый
ввод-вывод
порт
Мультиплексор
Порт 2
Порт
О
Порт
Порт
HSI HSO
Рис. 8.8. Структурная схема MCS-96
288
счетчики; порты ввода-вывода; АЦП; генератор широтно-им-
пульсного модулирования сигнала; последовательный порт.
Обработка информации производится в регистровом АЛУ
(РАЛУ). Коммутация с внешней средой производится через кон-
троллер памяти. РАЛУ не использует аккумулятор, а оперирует
непосредственно с регистровым пространством, состоящим из
регистров ВПД и регистров специального назначения (РСН).
Эффективные операции ввода-вывода возможны благодаря
непосредственному управлению или через РСН. Основные пре-
имущества такой структуры: отсутствие самого узкого места — ак-
кумулятора; малое время вычислений и операций ввода-вывода.
ВПД и РАЛУ соединяют специальное управляющее устройство и
две шины: 8-битную шину адреса и 16-разрядную шину данных.
Доступ к ВПП и внешнему ЗУ возможен только через контрол-
лер памяти, внутри которого имеется специальный программный
счетчик, который повторяет те же действия, что и программный
счетчик в ПЗУ.
ВПД содержит 232 байта ОЗУ, в котором могут быть размеще-
ны байты, слова и двойные слова. При этом каждая ячейка мо-
жет использоваться в операциях с РАЛУ, т.е. в сущности это 232
аккумулятора.
РАЛУ содержит: программный счетчик, счетчик циклов, три
встроенных регистра. Регистры имеют разрядность 16 и могут
выполнять простые операции, чтобы разгрузить АЛУ.
Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) имеет один выход,
на котором присутствуют прямоугольные импульсы. Скважность
их имеет 256 градаций. Частота 31,25 или 15,625 кГц.
Последовательный порт имеет три асинхронных и один син-
хронный режимы работы. Асинхронные режимы полностью дуп-
лексные, что означает одновременную передачу и прием. Прием-
ник дважды буферизирован, поэтому прием второго байта может
начаться до того, как первый байт будет считан. Порт функцио-
нально совместим с последовательным портом микроконтролле-
ров семейства MCS-51. Последовательный порт управляется не-
зависимым генератором частоты.
Аналого-цифровой преобразователь имеет 10 разрядов, 8 вхо-
дов и диапазон входного напряжения от 0 до 5 В. На его вход
могут поступать до 8 аналоговых сигналов. Результат преобразо-
вания пропорционален отношению входного напряжения к опор-
ному.
АЦП присутствует только у части ОЭВМ семейства MCS-96.
Порты ввода-вывода в ОЭВМ имеют пять 8-разрядных пор-
тов ввода-вывода. Входной порт 0 может использоваться как ана-
логовый вход для АЦП. Порт 1 — двунаправленный. Порт 2 со-
держит три типа линий: квазидвунаправленные, входные и выход-
289
ные. Порты 3 и 4 — двунаправленные с открытым коллектором;
через них работает шина адреса/данных.
Входные порты соединены с внутренней магистралью через
входные буферы. Выходные порты имеют регистры-защелки для
выходных данных и выходные буферы. Двунаправленные порты
содержат выходной буфер, регистр-защелку и входной буфер.
Кроме функций цифрового ввода каждая линия порта 0 может
быть входом для АЦП.
Сторожевой таймер WDT позволяет восстанавливать нор-
мальную работу при сбоях программы. WDT представляет 8-раз-
рядный счетчик с 8-разрядным предварительным делителем.
Предварительный делитель не синхронизирован, поэтому таймер
будет переполняться между 65 280... 65 535 машинными циклами
после сброса. Когда таймер переполняется, производится форми-
рование сигнала на «сброс».
Сравнительные характеристики MCS-51 и MCS-96. MCS-
96 имеет общее пространство памяти для данных и программ, т. е.
пользователь может выбирать оптимальную конфигурацию.
Шины динамически переключаются с разрядности в 8 бит на 16.
При ожидании поступления данных из медленной памяти про-
цессор может добавлять любое число циклов ожидания. ОЭВМ
MCS-51 не имеет подобных возможностей.
На одинаковой частоте микроЭВМ MCS-96 обеспечивают уве-
личение быстродействия в 2 раза и более, чем MCS-51, причем
формат данных может быть от 1 до 5 байт.
Набор команд семейства MCS-96 по своим возможностям
шире, чем набор команд MCS-51.
По сравнению с MCS-51, MCS-96 предоставляет более широ-
кие возможности как ввода-вывода, так и управления им. Осо-
бенно важно, что MCS-96 имеет АЦП и ШИМ, которых нет у
микроЭВМ MCS-51.
Несмотря на более высокие показатели семейства MCS-96,
многие пользователи предпочитают использовать МП семейства
MCS-51, так как последние значительно проще в применении и
эксплуатации.
г*
8.12. Цифровые сигнальные микропроцессоры
Цифровая обработка сигналов — арифметическая обработка в
реальном времени последовательности значений амплитуды сиг-
налов, поступающих через равные временные промежутки. При-
мерами цифровой обработки являются:
• фильтрация сигнала;
• свертка двух сигналов;
290
• вычисление значений корреляционной функции двух сигна-
лов;
• усиление, ограничение или трансформация сигнала;
• прямое/обратное Фурье-преобразование сигнала.
Аналоговая обработка сигнала, традиционно используемая во
многих радиотехнических устройствах, является во многих случа-
ях более дешевым способом достижения результата, однако тог-
да, когда требуются высокая точность обработки, миниатюрность
устройства, стабильность его характеристик в различных темпе-
ратурных условиях функционирования, цифровая обработка ока-
зывается единственно приемлемым решением.
Для цифровой обработки сигналов используются так называе-
мые цифровые сигнальные микропроцессоры (ЦСП). К их особен-
ностям относятся малоразрядная (менее 40 разрядов) обработка
чисел с плавающей точкой; преимущественное использование чи-
сел с фиксированной точкой разрядностью 32 и менее, а также
ориентация на несложную обработку больших массивов данных.
Отличительной особенностью задач цифровой обработки сиг-
налов является поточный характер обработки больших объемов
данных в реальном режиме времени, требующий от технических
средств высокой производительности и обеспечения возможно-
сти интенсивного обмена с внешними устройствами. Все выше-
перечисленные требования определяют особенности архитекту-
ры сигнальных микропроцессоров.
Сигнальные процессоры обладают высокой степенью специ-
ализации. В них широко используются методы сокращения
командного цикла, характерные для универсальных RISC-про-
цессоров.
В то же время для сигнальных процессоров характерным яв-
ляется наличие аппаратного умножителя, позволяющего выпол-
нять умножение двух чисел за один командный такт. Другой
особенностью сигнальных процессоров является включение в
систему команд таких операций, как умножение с накоплени-
ем МАС (с: - Ах В + С) с указанным в команде числом выпол-
нений в цикле и с правилом изменения индексов используемых
элементов массивов А и В, инверсия бит адреса, разнообразные
битовые операции. В сигнальных процессорах реализуется аппа-
ратная поддержка программных циклов, кольцевых буферов.
Сигнальные процессоры различных компаний-производите-
лей образуют два класса, существенно отличающихся по цене:
более дешевые процессоры обработки данных в формате с фик-
сированной точкой и более дорогие МП, аппаратно поддержива-
ющие операции над данными в формате с плавающей точкой.
В настоящее время сигнальные процессоры выпускаются в
различных вариантах: от 16-разрядных целочисленных процессо-
291
ров до полных 32-разрядных процессоров с плавающей точкой.
Причем все БИС содержат встроенные блоки ОЗУ ПЗУ. В состав
новых сигнальных микропроцессоров вводятся также такие типо-
вые для микроконтроллеров функциональные средства, как по-
следовательные и параллельные порты, счетчики-таймеры, ана-
лого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.
Для повышения производительности ЦСП в АЛУ ставится че-
тырехсловный буферный регистр FIFO, а также четыре аккумуля-
тора и рабочий регистр. Такое число аккумуляторов и наличие
регистра FIFO позволяют процессорному ядру выполнять много
операций без записи данных в основную память, благодаря чему
ускоряются простые вычисления.
Быстродействие памяти увеличивается, во-первых, за счет ис-
пользования нескольких генераторов адреса, что позволяет одно-
временно обращаться к памяти программ и памяти данных; во-
вторых, за счет применения многословной кэш-памяти, что спо-
собствует ускорению выполнения коротких программных циклов.
Важнейшей проблемой архитектуры ЦСП является ввод вне-
шних сигналов для их обработки. Здесь широко используются
высокоскоростные последовательные порты.
Наличие специализированных шин и портов ввода-вывода
важно также для организации многопроцессорных систем. Самые
новые 32-разрядные ЦСП с плавающей точкой содержат большое
число портов ввода-вывода, что значительно повышает произво-
дительность микропроцессорных систем.
Для ЦСП, разработанных для применения в системах с бата-
рейным питанием, важнейшей задачей является снижение по-
требляемой мощности. Для этого предложен оригинальный спо-
соб управляемой выборочной подачи тактовых сигналов на от-
дельные функциональные блоки ИС, что позволило достичь ми-
нимальной мощности потребления в процессе работы. На неис-
пользованные блоки кристалла тактовые сигналы не поступают,
так что потребляется только минимальный статический ток. Пре-
дусматривается также специальный режим ожидания с понижен-
ной мощностью потребления, при котором ЦСП «пробуждается»
только при поступлении сигнала прерывания.
В числе наиболее распространенных сигнальных процессоров
можно назвать изделия следующих компаний: Texas Instruments
(TMS 320 Схх), Motorola (56002, 96002), Intel (i 960), Analog
Devices (21xx, 210xx).
Выбор того или иного процессора зависит от реализации кон-
кретного проекта.
Так, для задач с большим объемом математических вычисле-
ний следует отдать предпочтение ЦСП компании Analog Devices.
В то же время для задач, требующих выполнения интенсивного
292
обмена с внешними устройствами предпочтительнее использо-
вать МП компании Texas Instruments, обладающие высокоскоро-
стными интерфейсными подсистемами. Компания Motorola явля-
ется лидером по объему производства сигнальных МП, большую
часть из которых составляют дешевые и достаточно высокопро-
изводительные 16- и 24-разрядные МП с фиксированной точкой.
Расширенные коммуникационные возможности, наличие доста-
точных объемов внутрикристальной памяти для данных и про-
грамм, возможность защиты программы от несанкционированно-
го доступа, поддержка режима энергоснабжения делают эти про-
цессоры привлекательными для использования не только в каче-
стве специализированных вычислителей, но и в качестве кон-
троллеров в промышленных роботах, бытовых электронных при-
борах, системах беспроводной связи и т.д.
Область применения цифровых сигнальных процессоров ха-
рактеризуется широким набором задач:
• общие задачи цифровой обработки сигналов: цифровой
фильтр, свертка, корреляция, преобразование Гильберта, адап-
тивный фильтр, генерация сигнала;
• управление: управление диском, сервоконтроль, управление
роботом, лазерный принтер, управление двигателем;
• обработка речи: речевая почта, распознавание речи, иденти-
фикация диктора, улучшение речи, синтез речи, преобразование
текст-речь;
• промышленность: робототехника, ЧПУ, засекречивание, кон-
троль ЛЭП, программируемые контроллеры;
• графика/обработка образов: трехмерные повороты, зрение
роботов, преобразование и сжатие изображений, распознавание
образов, улучшение изображения;
• военная область: засекречивание связи, обработка для рада-
ра, обработка для сонара, обработка образов, навигация, наведе-
ние ракет, радиочастотный модем;
• телекоммуникация: эхо-подавление, адаптивные корректоры,
факсимильная связь, цифровая АТС, сотовый телефон, линейные
повторители, громкая связь, уплотнение каналов, цифровая ин-
терполяция речи, модемы от 1 200 до 19 200 Бод, пакетная комму-
тация, широкополосная связь, космическая связь и др.
8.13. PIC-контроллеры и их применение
PIC-контроллеры являются разновидностью однокристальных
микроЭВМ. Они представляют собой миниатюрные, быстродей-
ствующие и дешевые электронные устройства. При помощи Р1С-
контроллеров можно создавать встроенные системы контроля,
293
наличие которых становится обязательным элементом современ-
ного конкурентоспособного товара, начиная от современных бы-
товых систем и кончая элементами сложных автоматических ком-
плексов. Одним из основных производителей Р1С-контроллеров
является фирма Microchip.
PIC-контроллеры имеют следующие общие черты:
• гарвардскую архитектуру с физическим разделением памяти
программ и памяти данных, с использованием двух раздельных
шин доступа к ним и возможностью одновременной работы по
этим шинам;
• RISC-подобную организацию ядра МП;
• все команды имеют длину в одно слово;
• используется концепция регистрового файла. Все PIC-кон-
троллеры обладают встроенными ПЗУ (0,5...4 Кбайт) и ОЗУ
(32...256 байт).
Основная часть контроллеров поставляется с однократно про-
граммируемым ПЗУ.
Кроме того, PIC-контроллеры снабжены таймерами (от 1 до
3 шт.), встроенной системой сброса, системой защиты от сбоев,
внутренним тактовым генератором, который может запускаться
как от кварцевого резонатора, так и от 7?С-цепи в широком диа-
пазоне частот от 0 до 25 Мгц. Они обладают статической памя-
тью и поэтому могут работать на самой низкой частоте. Число
разрядов порта ввода-вывода — от 12 до 33. Каждый из них мо-
жет быть запрограммирован на ввод или вывод. Нагрузочная спо-
собность каждого разряда 25 мА. Некоторые Р1С-процессоры
снабжены внутренним восьмиразрядным АЦП с устройством
выборки-хранения и работают в широком диапазоне напряже-
ний: от 2,5 до 6,6 В. При этом ток потребления составляет 15 мкА
при частоте 32 кГц и 5...7 мА при частоте 16 МГц, а в режиме
микропотребления — 1 ...2 мкА.
Память программ имеет разрядность от 12 до 14 бит в зави-
симости от типа процессора. Благодаря сокращенному числу ко-
манд (33...35) все они имеют одинаковую длину в одно слово.
Время выполнения каждой команды составляет четыре такта.
Оперативное запоминающее устройство представляет собой
регистровый файл с возможностью непосредственной адресации к
любой ячейке. Стек организован аппаратно, и его максимальная
величина равна 2 или 8 в зависимости от типа Р1С-контроллера.
PIC-контроллеры поставляются в трех видах корпусов: DIP,
SOIC и SSOP и имеют рабочие параметры, приведенные в табл. 8.4.
Во всех моделях семейства PIC есть внешний сброс (RESET),
сторожевой таймер и режим пониженного энергопотребления.
Шина данных, как и память данных, может иметь разрядность 12,
14 и 16.
294
Таблица 8.4
Рабочие параметры Р1С-контроллеров
Применение Рабочая температура, °C Рабочее напряжение, В
Коммерческое 0...+70 3,0...5,5
Промышленное -40...+85 3,0...5,5
Для подвижных объектов -40...-125 3,0...5,5
Применение PIC-контроллеров наиболее целесообразно в не-
сложных устройствах с ограниченным током потребления. Нали-
чие системы защиты от сбоев позволяет создавать надежные уст-
ройства для различных условий эксплуатации, например:
• средства связи, сигнализации, измерений, контроля, диагно-
стики, отображения информации;
• системы управления, в том числе управление технологиче-
ским оборудованием, системами энергопитания и т.д.;
• встроенные системы управления бытовыми приборами и ме-
ханизмами, которые должны быть просты по своей схемотехни-
ке, надежны, высокотехнологичны, иметь большие ресурсы мо-
дификации выполняемых функций и низкую стоимость.
Гибкость использования PIC-контроллеров позволяет решать
задачи очень широкого круга.
Всем перечисленным задачам наиболее полно соответствуют
устройства, разработанные на базе МП семейства PIC 16/17, ко-
торые объединяют передовые технологии МП: электрические
программируемые пользователи ППЗУ, минимальное энергопо-
требление, высокую производительность, хорошо развитую
RISC-архитектуру, функциональную законченность и минималь-
ные размеры. Ниже приведен перечень изделий, построенных на
базе Pl С-контроллеров: микро-АТС, автоответчики, АОНы, мо-
бильные телефоны, зарядные устройства, факсы, модемы, пейд-
жеры, таймеры, системы сигнализации, измерительные приборы,
счетчики воды, газа, расхода тепла и электроэнергии, дозиметры,
системы управления, диагностики и защиты транспортных
средств, приборные панели и радары, антирадары, интеллекту-
альные датчики, системы управления электродвигателями, про-
мышленные роботы, регуляторы температуры, влажности, давле-
ния, схемы управления принтерами, плоттерами, сетевые кон-
троллеры, сканеры, схемы управления аудиосистемами, системы
синтеза речевых сообщений, видеоигры, системы дистанционно-
го управления, кассовые аппараты и т.д. Такой широкий спектр
применения стал возможным благодаря оптимальной архитекту-
295
ре PIC-контроллеров и их параметрам, высокой производитель-
ности, малого энергопотребления, высокой надежности, низкой
стоимости и минимально возможным габаритным размерам.
8.14. Медийные микропроцессоры
Медийные МП предназначены для обработки аудиосигналов,
графики, видеоизображений, а также для решения ряда комму-
никационных задач в мультимедиа ПК и т.д.
Существуют два класса МП, обеспечивающих поддержку муль-
тимедиа на аппаратном уровне: мультимедийные МП и универ-
сальные однокристальные МП с мультимедийным расширением
набора команд. Эта классификация отражает, в первую очередь,
ориентацию процессоров на различные области применения.
Там, где мультимедийные операции доминируют над традицион-
ными числовыми операциями, эффективно использование муль-
тимедийных МП. В тех же областях использования, где доля чис-
ловой обработки велика, перспективно применение универсаль-
ных МП с мультимедийным расширением системы команд.
К первому классу относятся МП общего назначения,
адаптированные к требованиям мультимедиа. К этому классу мож-
но отнести МП UlraSPARC компании Sun Microsystem МП с мульти-
медийным расширением системы команд (ММХ) компании
Intel — Pentium MMX, Pentium II, Cyrix — 6x86MX (М2), AMD — K6.
Второй класс представляет собой гибрид традиционных
DAP-процессоров и универсальных микропроцессоров. МП этого
класса — медиапроцессоры предназначены для обработки аудио-
сигналов, графики, видеоизображений и т.д.
Наибольшее внимание привлекает МП Trimedia компании
Philips, который используется в качестве сопроцессора цифровой
обработки сигналов (ДСП). Он разгружает основной процессор
мультимедийной системы. Кроме того, его можно использовать в
качестве универсального процессора разнообразных мультиме-
дийных устройств, таких, как например, игровые приставки, про-
игрыватели видео СД и т. д.
Структура МП изображена на рис. 8.9. Его компонентами яв-
ляются высокоскоростная шина со скоростью передачи данных
400 Мбит/с, связывающая основные узлы микропроцессора: про-
цессорное ядро, видеовход, видеовыход, аудиовход, VLD-декодер
MPEG, сопроцессор обработки изображений и коммуникацион-
ный блок.
МП ядро способно обрабатывать пять RISC-команд за один
такт. В МП используется раздельная кэш-память общей емкостью
48 Кбайт (32 Кбайт для команд и 16 Кбайт для данных).
296
Рис. 8.9. Структура МП Trimedia
Типичной операцией для 3D-графики является создание тек-
стуры изображения на основе покрашенных треугольников. При
тактовой частоте 100 Мгц МП может генерировать до 150 000 тре-
угольников в 1 с.
8.15. Транспьютеры
Транспьютер представляет собой микрокомпьютер с собствен-
ной внутренней памятью и линками (каналами) для соединения
с другими компьютерами. Термин «транспьютер», образованный
в результате объединения слов «транзистор» и «компьютер», от-
ражает основную область его применения — массиво-параллель-
297
ные вычислительные системы, в которых он играет роль базово-
го вычислительного элемента.
Создание массиво-параллельных систем обработки информа-
ции значительно повышает их производительность и надежность.
Первый транспьютер Т 414 был представлен фирмой Inmos в
1983 г. Его основные характеристики:
• разрядность 32 бит;
• объем внутренней памяти 2 Кбайт;
• число коммуникационных каналов (линков) — 4;
• скорость обмена по линку 5, 10, 20 Мбит/с;
• тактовая частота: внешняя — 5 МГц, внутренняя — 15 МГц;
• производительность 10 MIPS.
Позднее были выпущены транспьютеры:
• семейства Е-4 (Е424, Е425) с объемом памяти 4 Кбайт и час-
тотой 20, 25 и 3 МГц;
• семейства Е-2 (Т212, Т222) с разрядностью 16;
• семейства Т-8 (Т800, Е801,Т805) с встроенным устройством
выполнения операций с плавающей запятой.
Высокая степень «функциональной самостоятельности» транс-
пьютера, простота интеграции и наличие периферийных уст-
ройств позволяют в короткие сроки создавать системы на их ос-
нове. Коммуникационные транспьютеры позволяют осуществ-
лять обмен данными одновременно с вычислениями, практичес-
ки не снижая производительности процессора.
Транспьютеры относятся к классу RISC-процессоров. Систе-
ма команд транспьютеров ориентирована на поддержку языка вы-
сокого уровня — ОККАМ (OCCAM). Это — язык параллельного
программирования, позволяющий задавать параллельные вычис-
ления в соответствии с моделью взаимодействующих последова-
тельных процессоров. Программа на языке ОККАМ представля-
ет собой совокупность асинхронных, совместно протекающих
взаимодействующих процессов, выполняющихся асинхронно и
параллельно. В транспьютере модель параллельных вычислений
поддерживается благодаря наличию аппаратно реализованного
диспетчера, обеспечивающего выполнение параллельных процес-
сов в режиме квантования времени. Причем количество одновре-
менно выполняемых процессов не ограничено.
Мультипроцессорная система на базе транспьютеров представ-
ляет собой совокупность транспьютеров, соединенных линиями
связи (непосредственно или через коммутатор).
Обобщенная структурная схема транспьютера Т-800 приведе-
на на рис. 8.10. В зависимости от модели транспьютер состоит из
32- или 16-разрядного центрального процессора, интерфейса
внешней памяти, двух или четырех двунаправленных каналов —
линков, внутреннего ОЗУ емкостью 2 или 4 Кбайт, блока режи-
298
Рис. 8.10. Структура транспьютера Т800
мов работы линков. Некоторые модели могут содержать 64-раз-
рядное устройство операций с плавающей точкой и интерфейс-
ные схемы внешних устройств, такие как НЖМД, ЭЛТ, сетевой
адаптер.
Примером отечественной разработки транспьютера являются
микропроцессоры серии «Квант». Это семейство 32-разрядных
микропроцессоров с оригинальной архитектурой, сочетающей
RISC-подход с методикой длинного командного слова. Семейство
характеризуется высокой степенью внутреннего параллелизма
процессов обработки, конвейерным выполнением команд, гар-
299
вардскои архитектурой памяти, наличием последовательных ком-
муникационных каналов — линков. Было выпущено две модифи-
кации микропроцессоров:
• «Квант 10» по технологии 2,5 мкм на трех полузаказных мат-
ричных кристаллах 1537 XMZ, спроектированных в НИИ «Квант»;
• «Квант 20» по технологии 1,5 мкм на одном кристалле типа
U 1700 фирмы ZMD (ФРГ, Дрезден), спроектированный в НИИ
«Квант» и изготовленный фирмой ZMD.
8.16. Нейропроцессоры
Нейросетевой подход показал свою эффективность при решении
плохо формализованных задач, для которых трудно указать после-
довательность действий, приводящих к желаемому результату.
К таким задачам можно отнести:
• распознавание образов. Задача состоит в отнесении входно-
го набора данных, представляющих распознаваемый объект, к од-
ному из заранее известных классов. В число этих задач входит
распознавание рукописных и печатных символов при оптическом
вводе в ЭВМ, распознавание типов клеток крови, распознавание
речи и др.;
• аппроксимация функций. Имеется набор экспериментальных
данных {(X,, УД, ... (X, УД}, представляющих значения Г} неизве-
стной от аргумента Xh i= 1, ..., п. Требуется найти функцию, аппрок-
симирующую неизвестную и удовлетворяющую некоторым крите-
риям. Эта задача актуальна при моделировании сложных систем и
создании систем управления сложными динамическими объектами;
• предсказание. Имеется набор {у(А), •••, XU}- Требует-
ся по предыдущему поведению системы предсказать ее поведение
т(4+1) в момент времени tn+l. Эта задача актуальна для управления
складскими запасами, систем принятия решений.
Таким образом, нейросетевые вычисления используются там,
где отсутствует формализация, не разработаны математические
модели и не могут быть применены известные алгоритмы.
Одним из преимуществ нейросетей перед программами, бази-
рующимися на правилах, является то, что учет новых факторов
заключается в переобучении сети с их участием, а не в пределах
правил программы и ее переписывании. Настройка нейроновой
сети, как правило, не увеличивает времени ее работы. Чем мень-
ше изучена проблема, тем перспективнее является использование
нейросетевых вычислений.
Общая идея применения нейронных сетей для решения пло-
хо формализованных задач основана не на выполнении предпи-
сания алгоритма, а на запоминании сетью предъявленных ей при-
300
меров на этапе создания сети и выработки результатов, согласо-
ванных с заполненными примерами, на этапе решения задачи.
Практическая реализация этих положений подразумевает, во-
первых, минимизацию объемов памяти, требуемых для запоми-
нания примеров, и, во-вторых, использование новых, нетрадици-
онных элементов памяти. В задачах, эффективно решаемых ней-
росетями, точки многомерного пространства, в котором сформу-
лирована задача, образуют области точек, обладающих одним и
тем же свойством. Нейроновые сети запоминают подобные обла-
сти, а не отдельные точки. Наиболее употребляемые в настоящее
время способы решения задач — выделение областей гиперплос-
костями или покрытие областей гипершарами (рис. 8.11).
Для запоминания одной из ограничивающих областей гипер-
плоскости достаточно сохранение (п + 1) значений, где п — раз-
мерность пространства. Соответственно для запоминания одно-
го гипершара также требуется (п + 1) значение: координаты цен-
тра и радиус. В нейронных сетях для запоминания каждой гипер-
плоскости или гипершара используется отдельный элементарный
вычислитель, называемый нейроном, а для запоминания всех ги-
перплоскостей или гипершаров используется объединение состав-
ляющих нейронов в параллельную структуру — нейросеть. Имен-
но параллельная согласованная работа всех нейронов обеспечи-
вает быстрое решение задачи о принадлежности точки п-мерно-
го пространства, выделяемой при создании сети области.
Аппаратно нейроны выполняются в виде нейрочипов. Нейро-
чипы бывают цифровыми, аналоговыми и гибридными.
Одним из первых цифровых нейрочипов был Micro Devices
MD1220. Этот кристалл интерпретирует 8 нейронов и 8 связей с
16-разрядными, хранящимися во внутрикристальной памяти ве-
сами и одноразрядными входами. Входы имеют одноразрядные
последовательные умножители. Сумматоры в кристалле 16-раз-
рядные. Из этих нейрочипов путем их каскадирования могут быть
построены нейрокомпьютеры.
Нейрочип NLX-420 имеет 16 процессорных элементов, причем
каждый из них имеет 32-разрядный сумматор. Веса и входы за-
гружаются как 16-разрядные слова. Все процессорные элементы
имеют общий вход, что позволяет выполнять одновременно до 16
умножений. После того, как все входы обсчитаны, 16 результатов
в мультиплексном режиме выдаются на задаваемую пользовате-
лем пороговую функцию активизации для вычисления выходов.
Аналоговые нейрочипы используют простые физические эф-
фекты для выполнения нейросетевых преобразований. Аналого-
вые элементы обычно проще цифровых.
Гибридные нейрочипы используют комбинацию аналогового и
цифрового подходов. Например, входы могут быть аналоговыми,
301
Рис. 8.11. Выделение областей в двухмерном пространстве:
а — гиперплоскостями; б — гипершарами
веса загружаться как цифровые, а выходы быть цифровыми. Чип
CLNN-32 содержит 32 нейрона. Входы, выходы и внутренняя
обработка — аналоговые, а 5-разрядные веса — цифровые.
В НТЦ «Модуль» разработан отечественный МП для выпол-
нения логических, целочисленных арифметических операций,
операций сдвига и формирования адресов для обращения в па-
мять, а также векторный процессор VP для обработки двоичных
векторов произвольной разрядности в пределах 1 ...64 битов. При
этом в одном такте VP может выполнять операции над несколь-
кими векторами, вплоть до 64. Скалярный процессор выполняет
всю подготовку данных для работы векторного процессора. В це-
лом нейропроцессор NM6403 характеризуется как процессор с
разнесенной архитектурой.
Для работы с памятью нейропроцессор имеет два одинаковых
интерфейса, каждый из которых адресует 231 32-разрядных слов.
Обмен с памятью выполняется по 64-разрядной шине данных
интерфейса, что поддерживается выборкой при одном обращении
к памяти двух соседних слов. Нейропроцессор имеет два встро-
енных линка, что позволяет компоновать широкий спектр парал-
лельных структур.
Контрольные вопросы
1. Назовите основные причины появления МП.
2. Какие группы МП вы знаете?
3. Каковы основные тенденции развития универсальных однокрис-
тальных МП?
4. Что представляют собой однокристальные микроЭВМ?
5. В каких областях нашли применение Р1С-контроллеры?
6. Поясните принцип работы нейропроцессоров.
7. Почему нейропроцессоры нашли применение для решения плохо
формализованных задач, для которых трудно указать последовательность
действий, приводящих к желаемому результату?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время электроника развивается стремительно, так
как она определяет прогресс во многих отраслях науки и техни-
ки. Особая роль отводится интегральной электронике. Каждый
год разрабатываются все новые и новые микросхемы, улучшают-
ся их характеристики и параметры. Уже созданы большие ИС с
числом полупроводниковых элементов более 70 млн на одном
кристалле. Существуют АЦП с разрядностью 24 и выше. Разра-
ботаны сигнальные МП и ИС, в которых объединены первичные
преобразователи информации со схемами электронного обрамле-
ния.
Однако развитие интегральной электроники сталкивается с
рядом принципиальных проблем, обусловленных предельными
возможностями интегральной электроники — ее быстродействи-
ем. Важнейшей проблемой является проблема межсоединений
элементов в ИС, ограничивающих их быстродействие за счет па-
разитных параметров.
Современные устройства схемотехники электроники имеют
время задержки 10 9... 10 10 с и максимальную скорость обработ-
ки информации 109... Ю10 опций в секунду. Такие характеристи-
ки достаточно эффективны для больших массивов информации
в реальном масштабе времени, решения задач искусственного ин-
теллекта и т.д.
с х Одним из возможных путей дальнейшего развития электрони-
ки может являться использование динамических неоднороднос-
тей в качестве носителя информации при обработке больших
массивов. В устройствах функциональной электроники массив
информационных сигналов может быть обработан целиком, а не
в виде отдельных бит информации, как в схемотехнической элек-
тронике. При этом возможна обработка информации в аналого-
вом и цифровом виде одновременно. Это позволяет достигнуть
производительности более 1015 опций в секунду.
Важным свойством функциональной электроники является
использование в процессах обработки информации элементар-
ных функций высшего порядка, например, Фурье-преобразова-
ние, операции свертки, корреляции и автокорреляции и т.д.
Таким образом, можно предполагать, что дальнейшее развитие
электроники пойдет не только по пути микроминиатюризации
классической схемотехнической электроники, но и по пути раз-
303
вития функциональной электроники, способной решить сложные
вопросы обработки больших массивов информации в реальном
масштабе времени.
На сегодняшний день компьютеризация является одним из
главных направлений научно-технического прогресса и концен-
трированным его выражением. Количество и качество произво-
димых в стране компьютеров, степень насыщения вычислитель-
ной техникой самых разных отраслей становятся одним из основ-
ных критериев экономического и военного потенциала.
В МП — наиболее сложных микроэлектронных устройствах —
воплощены самые передовые достижения научной и инженерной
мысли. В условиях свойственной данной отрасли производства
жестокой конкуренции и огромных капиталовложений выпуск
каждой новой модели МП, так или иначе, связан с очередным
научным, конструкторским, технологическим прорывом.
Изучение такой интенсивно развивающейся и предметной
наукоемкой области, как микроэлектроника и микропроцессор-
ная техника, в частности, задача весьма интересная и сложная,
требующая постоянного совершенствования и пополнения зна-
ний и знакомства со смежными научно-техническими областя-
ми. Для эффективного решения прикладных задач любой совре-
менный специалист, профессионально связанный с электрони-
кой и вычислительной техникой, должен иметь адекватное пред-
ставление о состоянии и перспективах развития элементной
базы.
Среди важных направлений развития электроники следует от-
метить оптоэлектронику (создание оптоэлектронных ИС в моно-
литном исполнении), открывающую перспективы создания трех-
мерных быстродействующих микросхем, приборов отображения
информации для стереоскопического телевидения и т.д.
Ожидается значительный прогресс в развитии электронных
приборов и устройств отображения информации. Наряду с совер-
шенствованием электронно-лучевых приборов и высокояркостных
проекционных приборов получают широкое распространение
плоские экраны на жидких кристаллах, электролюминесцентных
материалах и др.
Одна из тенденций развития электроники — все большее про-
никновение ее методов и средств в биологию и медицину. Возни-
кающие в этих областях знаний проблемы ставят перед электро-
никой задачи выбора оптимальных путей моделирования биоло-
гических процессов, эффективных способов диагностики и лече-
ния болезней.
Достижения в области электроники становятся неотъемлемым
условием успешного развития многих сфер человеческой деятель-
ности.
к
s
s
11 Лаврентьев
305
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие..................................................3
Введение.....................................................5
Список основных сокращений...................................9
Глава 1. Пассивные компоненты электронных устройств........ II
1.1. Резисторы............................................. 11
1.2. Конденсаторы.......................................... 16
1.3. Индуктивности..........................................24
1.4. Пассивные электронные компоненты для поверхностного монтажа ... 26
Глава 2. Электровакуумные приборы...........................31
2.1. Классификация электровакуумных приборов................31
2.2. Электронные лампы......................................32
Глава 3. Полупроводниковые электронные приборы..............38
3.1. Электронно-дырочный переход и его свойства.............38
3.2. Полупроводниковые диоды................................43
3.3. Полупроводниковые транзисторы..........................53
3.4. Полупроводниковые резисторы............................68
3.5. Приборы с зарядовой связью.............................70
3.6. Полупроводниковые лазеры...............................73
3.7. Интегральные схемы.....................................75
3.8. Индикаторные приборы...................................78
Глава 4. Элементы и устройства оптоэлектроники..............86
4.1. Источники оптического излучения........................86
4.2. Фотоэлектрические приемники излучения..................91
4.3. Оптопары...............................................97
4.4. Полупроводниковые солнечные батареи.................. 101
4.5. Акустоэлектронные приборы ........................... 103
4.6. Магнитоэлектронные приборы........................... 104
4.7. Криоэлектронные приборы.............................. 104
Глава 5. Схемотехника аналоговых электронных устройств......106
5.1. Расчет нелинейных электрических цепей................ 106
5.2. Аналоговые усилители. Классификация. Основные характеристики и
параметры усилителей.......................................110
332
5.3. Обратная связь в усилителях...........................114
5.4. Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером.........U9
5.5. Усилительный каскад по схеме с общим коллектором .... J25
5.6. Дифференциальный усилитель........................... 128
5.7. Многокаскадные усилители............................. 130
5.8. Усилители постоянного тока............................131
5.9. Избирательные усилители.............................. 132
5.10. Усилители мощности.................................. 134
5.11. Операционные усилители.............................. 136
5.12. Активные фильтры.................................... 147
5.13. Аналоговые компараторы.............................. 150
5.14. Стабилизаторы напряжения питания.................... 153
5.15. Генераторы гармонических колебаний.................. 160
Глава 6. Схемотехника импульсных и цифровых устройств........ 166
6.1. Импульсные электронные устройства.................... 166
6.2. Таймеры...............................................171
6.3. Математическое описание цифровых устройств............173
6.4. Классификация и основные параметры логических элементов. 183
6.5. Базовые логические элементы.......................... 183
6.6. Классификация цифровых устройств..................... 195
6.7. Комбинационные цифровые устройства................... 195
6.8. Типовые функциональные узлы последовательностных цифровых
устройств..................................................201
Глава 7. Цифровые запоминающие устройства и устройства
преобразования сигналов.................................222
7.1. Полупроводниковые запоминающие устройства.............222
7.2. Цифро-аналоговые преобразователи......................229
7.3. Аналого-цифровые преобразователи......................233
7.4. Источники вторичного электропитания...................244
7.5. Инверторы, умножители напряжения
и управляемые выпрямители..................................250
7.6. Компьютерное моделирование электронных устройств......254
Глава 8. Микропроцессорные комплексы и устройства.... .....256
8.1. История развития микропроцессоров.....................256
8.2. Основные понятия и определения........................257
8.3. Основные параметры и классификация микропроцессоров.....259
8.4. Архитектурные особенности микропроцессорных
устройств..................................................261
8.5. Архитектура микропроцессоров..........................264
8.6. Однокристальные микропроцессоры.......................265
8.7. Однокристальный МПК К580 (8080)...................... 266
8.8. Однокристальный МПК К1821ВМ85А........................270
8.9. Однокристальные микропроцессоры фирмы Intel ..........272
333
8.10. Основные тенденции развития универсальных однокристальных
микропроцессоров..........................................277
8.11. Однокристальные микроЭВМ.............................279
8.12. Цифровые сигнальные микропроцессоры..................290
8.13. PIC-контроллеры и их применение......................293
8.14. Медийные микропроцессоры.............................296
8.15. Транспьютеры.........................................297
8.16. Нейропроцессоры......................................300
Заключение.................................................303
Приложения.................................................305
Учебное издание
Лаврентьев Борис Федорович
Схемотехника электронных средств
Учебное пособие
Редактор Н. Е. Овчеренко
Технический редактор Е. Ф. Коржуева
Компьютерная верстка: Р. Ю. Волкова
Корректоры Т. С. Власкина, А. П. Сизова
Изд. № 101113818. Подписано в печать 30.10.2009. Формат 60x90/16.
Гарнитура «Таймс». Печать офсетная. Бумага офс. № 1. Усл. печ. л. 21,0.
Тираж 1500 экз. Заказ № 29339.
Издательский центр «Академия», www.academia-moscow.ru
Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.99.60.953.Д.007831.07.09 от 06.07.2009.
129085, Москва, пр-т Мира, 101В, стр. 1, а/я 48. Тел./факс: (495)648-0507, 616-0029.
Отпечатано в соответствии с качеством предоставленных издательством
электронных носителей в ОАО «Саратовский полиграфкомбинат».
410004, г. Саратов, ул. Чернышевского, 59. www.sarpk.ru