Электроника - Лачин В.И., Савёлов Н. С.

Автор: Лачин В.И. Савёлов Н. С.

Теги: электротехника электроника

ISBN: 978-5-222-11812-2

Год: 2007

Похожие

Электроника

Из истории электроники

Основы электроники

Основы твердотельной электроники

Текст

Высшее образование
В. И. Лачин, Н. С. Савёлов
ЭЛЕКТРОНИКА
Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов
Российской Федерации по образованию в области радиотехники,
электроники, биомедицинской техники и автоматизации
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по направлению подготовки
220200 «Автоматизация и управление»
Издание шестое, переработанное и дополненное
Ростов-на-Дону
«Феникс»
2007
УДК 621.38 (075.8)
ББК 32.85я73
КТК 222
Л 31^
Рецензенты:
кафедра автоматики и компьютерных систем Том-
ского политехнического университета (зав. кафедрой
д.т.н., проф. Г. П. Цапко);
зав. кафедрой автоматики и управления в техничес-
ких системах Самарского государственного техничес-
кого университета д.т.н., проф. Э. Я. Рапопорт
Лачин В. И., Савёлов Н. С.
Л 31 Электроника: учеб, пособие / В. И. Лачин, Н. С. Савё-
лов. — Изд. 6-е, перераб. и доп. — Ростов н/Д : Фе-
никс, 2007. — 703, [1] с. — (Высшее образование).
ISBN 978-5-222-11812-2
В учебном пособии рассмотрены все основные, включая силовые,
полупроводниковые приборы и наиболее широко используемые ус-
тройства аналоговой, цифровой и силовой электроники?Описаниям
характеристик и параметров приборов предшествуют необходимые
сведения по физическим явлениям, учитываемые при математичес-
ком моделировании. Изучаемый материал ориентирован на прак-
тическое применение.
Предназначено для студентов высших технических учебных за-
ведений.
ISBN 978-5-222-11812-2
УДК 621.38 (075.8)
ББК 32.85я73
© Лачин В. И., Савёлов Н. С., 2007
© Оформление, изд-во «Феникс», 2007
Предисловие
Учебное пособие систематически излагает основы элект-
роники — динамично развивающейся области науки и техни-
ки, играющей особую роль в современном мире. Оно может
использоваться студентами различных специальностей, пред-
полагающих в будущей профессиональной деятельности раз-
работку и применение электронных устройств, а также сис-
тем автоматического и автоматизированного управления.
В настоящее время вполне определенно проявился ис-
ключительно сильный фактор, который все более насто-
ятельно требует изменения подходов к изучению, анали-
зу и синтезу электронных устройств. Этим фактором
является математическое моделирование устройств элек-
троники. Современные системы схемотехнического моде-
лирования (Micro-Cap V, Design Center и др.) существенно
изменили характер и повысили эффективность инженер-
ной деятельности при разработке таких устройств.
Признанным становится тот факт, что традиционная
методика изложения материала, ориентированная на без-
машинные методы анализа и синтеза электронных уст-
ройств, все меньше соответствует современным достиже-
ниям в области математического моделирования.
Важной задачей является правильная ориентация буду-
щего специалиста уже на стадии первоначального изучения
электроники. Авторами предпринята попытка изложить
материал так и в таком объеме, чтобы подготовить читате-
ля к систематическому и самбстоятельному изучению со-
временных систем моделирования и проектирования.
Традиционно в начальных разделах книг по электрони-
ке описываются физические процессы, имеющие место в
электронных приборах. Существуют два диаметрально
противоположных подхода, один из которых отличается
глубоким, а второй — нарочито поверхностным уровнем
такого описания. Авторы придерживались точки зрения,
что одним из наилучших ориентиров служит современный
уровень систем схемотехнического моделирования. По-
Электроника --------------------------- 4
этому с необходимой детализацией описаны те физичес-
кие процессы, которые непосредственно учитываются при
математическом моделировании. Для основных электрон-
ных приборов (диодов и транзисторов) дано достаточно
подробное описание их математических моделей.
При описании конкретных устройств электроники чи-
татель также ориентируется на использование для их ана-
лиза и расчета моделирующих систем.
Учебное пособие написано на основе многолетнего
опыта чтения курса лекций по электронике для студентов
специальности 21.01 «Управление и информатика в техни-
ческих системах» в Южно-Российском государственном
техническом университете (Новочеркасском политехни-
ческом институте). Основу систем управления и инфор-
матики составляют электронные устройства, поэтому курс
является основательным и отличается практической на-
правленностью.
Чтобы описание было предметным и давало специали-
сту необходимые сведения о реальных характеристиках и
параметрах, в качестве основы изложения широко исполь-
зуются конкретные элементы схем. Приводятся примеры
расчетов. Дается информация по конкретным интеграль-
ным микросхемам. Из большого многообразия электрон-
ных устройств для изучения отобраны наиболее важные,
составляющие основу современной электроники.
В третье издание внесены следующие основные изме-
нения:
— введен раздел по современным силовым полупро-
водниковым приборам с описанием устройства, ос-
новных физических процессов и характеристик;
дана сравнительная характеристика силовых прибо-
ров;
— существенно дополнена глава по цифровой электро-
нике: введен раздел по алгебре логики (булевой ал-
гебре); расширены разделы по логическим элемен-
там, комбинационным и последовательностным
устройствам; существенно переработан и расширен
раздел по цифровым запоминающим устройствам;
5 --------------------------- Предисловие
введен раздел по программируемым логическим
интегральным схемам.
В пятое издание внесены следующие основные изме-
нения и дополнения:
— существенно дополнена глава по цифровой электро-
нике: введен раздел по арифметическим устрой-
ствам, в котором рассмотрены последовательный и
накапливающий сумматоры, двоичные умножители
и арифметико-логические устройства;
— существенно переработан и дополнен раздел по
цифроаналоговым и аналого-цифровым преобразо-
вателям;
— введен раздел по устройствам выборки и хранения
аналоговых сигналов;
— введен раздел по формирователям импульсов;_
— существенно дополнен раздел по генераторам им-
пульсных сигналов;
— введена глава по силовой электронике, в которой
описана ее все возрастающая роль в современном
мире, изложены общие подходы к построению сило-
вых электронных устройств, рассмотрены основные
устройства силовой электроники (прерыватели, вып-
рямители, инверторы, преобразователи частоты, им-
пульсные преобразовательные устройства), изложены
принципы построения систем управления и защиты.
Введение
Электроника является универсальным и исключитель-
но эффективным средством при решении самых различ-
ных проблем в области сбора и преобразования информа-
ции, автоматического и автоматизированного управления,
выработки и преобразования энергии. Знания в области
электроники становятся необходимыми все более широ-
кому кругу специалистов.
Сфера применения электроники постоянно расширя-
ется. Практически каждая достаточно сложная техничес-
кая система оснащается электронными устройствами.
Трудно назвать технологический процесс, управление ко-
торым осуществлялось бы без использования электрони-
ки. Функции устройств электроники становятся все более
разнообразными [1].
Обратимся к идеализированной системе управления
некоторым объектом (рис. 1). Электрические сигналы, со-
держащие информацию о контролируемых величинах, вы-
рабатываются соответствующими датчиками. Эти сигналы
фильтруются, усиливаются и преобразуются в цифровую
форму с помощью аналого-цифровых преобразователей
(АЦП). Затем они обрабатываются микропроцессором,
который может взаимодействовать с ЭВМ. Формируемые
микропроцессором сигналы управления преобразуются в
аналоговую форму с помощью цифро-аналоговых преоб-
разователей (ЦАП), усиливаются и подаются на силовые
электронные устройства, управляющие исполнительными
устройствами, непосредственно воздействующими на
объект.
Рассмотренная система содержит электронные устрой-
ства, работающие с аналоговыми сигналами (фильтры,
усилители, силовые электронные устройства), цифровыми
сигналами (микропроцессор, ЭВМ), а также устройства,
Рис. 1
осуществляющее преобразование сигналов из аналоговой
формы в цифровую и обратно. В данном курсе изучаются
все основные элементы, из которых строятся вышеназван-
ные устройства. Некоторые представления об электрон-
ных устройствах имеет каждый: радиоприемники, магни-
тофоны, телевизоры, калькуляторы состоят в основном из
Жает Электроника------------------------------ 8
электронных элементов. Характеристики электронных
устройств определяются прежде всего характеристиками
составляющих их элементов.
Роль электроники в настоящее время существенно воз-
растает в связи с применением микропроцессорной тех-
ники для обработки информационных сигналов и сило-
вых полупроводниковых приборов для преобразования
электрической энергии.
Электроника имеет короткую, но богатую событиями
историю, которая составляет чуть более 100 лет. Первый
ее период связан с эпохой вакуумных ламп и с появлени-
ем чуть позже ионных приборов. На этой основе были
разработаны электронные устройства, а затем долгие годы
их совершенствовали.
К концу Второй мировой войны масса электронного
оборудования тяжелых самолетов приближалась к 1000 кг
(без учета энергетического оборудования, необходимого
для питания электронной аппаратуры) [2]. Так, например,
электронная аппаратура одной только системы вооруже-
ния на самолетах американской фирмы «Боинг» за деся-
тилетие с 1949 по 1959 г. усложнилась в 50 раз: на самоле-
тах выпуска 1959 г. электронная схема этой системы
содержала уже 100 000 элементов.
Основным показателем совершенства электронной
аппаратуры является плотность упаковки, т. е. количество
элементов схемы в 1 см3 действующего устройства. Если,
например, основным элементом электронного устройства
являются лампы, то можно достигнуть плотности 0,3 эл/см3.
С учетом этого для размещения современной ЭВМ потре-
буется объем в несколько тысяч кубических метров. Кро-
ме того, нужна мощная энергетическая установка для пи-
тания такой машины.
Создание в конце 40-х годов первых полупроводнико-
вых элементов (диодов и транзисторов) привело к появ-
лению нового принципа конструирования электронной
аппаратуры — модульного. Основой при этом является
9 -------------------------------- ‘В&еде.нш
элементарная ячейка-модуль, стандартный по размерам,
способу сборки и монтажу. При этом плотность упаковки
возросла до 2,5 эл/см3.
Дальнейшее совершенствование полупроводниковых
приборов, резисторов, конденсаторов и других элементов,
уменьшение их размеров привели к созданию микромо-
дулей. Плотность упаковки при этом превышала 10 эл/см3.
Микромодули завершили десятилетнюю эпоху транзис-
торной электроники и привели к возникновению инте-
гральной электроники или микроэлектроники.
В схемотехническом отношении интегральная электро-
ника часто не отличается от транзисторной, так как в ин-
тегральной схеме можно выделить все элементы принци-
пиальной схемы устройства, но размеры этих элементов
очень малы (примерно 0,05—1 мкм). Технология изготов-
ления интегральных схем позволила резко повысить плот-
ность упаковки, доведя ее до миллионов и более элемен-
тов в 1 см3.
В курсе электроники будут рассмотрены элементы
электронных устройств, аналоговые электронные устрой-
ства, устройства цифровой и импульсной электроники,
устройства силовой электроники и современные подходы
к анализу и синтезу электронных устройств.
1
ЭЛЕМЕНТЫ
ЭЛЕКТРОННЫХ
СХЕМ
В данной главе рассматриваются следующие элементы
электронных схем, указанные на рис. 1.1.
Много места отведено описанию устройства и основ-
ных физических процессов, характеристикам и парамет-
рам элементов. Приводятся и математические модели этих
элементов, дается анализ схем с рассматриваемыми эле-
ментами. Указываются особенности практического приме-
нения этих элементов.
Рис. 1.1
11
Элементы электронные сеем
1.1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ диоды
1.1.1. Краткое описание
полупроводниковых материалов
Полупроводниковые материалы (германий, кремний)
по своему удельному электрическому сопротивлению р за-
нимают место между проводниками и диэлектриками
(р = 10“3... 108 Ом • см). Разная величина проводимости у
металлов, полупроводников и диэлектриков обусловлена
разной величиной энергии, которую надо затратить на то,
чтобы освободить валентный электрон от связей с атома-
ми, расположенными в узлах кристаллической решетки.
Причем проводимость полупроводников в значительной
степени зависит от наличия примесей и температуры.
В полупроводниках присутствуют подвижные носите-
ли заряда двух типов: отрицательные электроны и поло-
жительные дырки.
Чистые (собственные) полупроводники в полупровод-
никовых приборах практически не применяются, так как
обладают малой проводимостью и не обеспечивают одно-
сторонней проводимости. Подвижные носители заряда в
собственных полупроводниках возникают обычно в
результате термогенерации. Техническое применение по-
лучили так называемые примесные полупроводники, в ко-
торых в зависимости от рода введенной примеси пре-
обладает либо электронная, либо дырочная проводимость.
Если в кристаллическую решетку 4-валентного крем-
ния ввести примесь 5-валентного элемента (фосфора Р,
сурьмы Sb, мышьяка As), то четыре валентных электрона
каждого примесного атома примут участие в образовании
ковалентных связей с четырьмя соседними атомами крем-
ния, а пятый валентный электрон окажется избыточным.
Он слабо связан с атомом и легко превращается в свобод-
ный. При этом атом примеси превращается в положитель-
Электроника ---------------------------- 12
ный неподвижный ион. Увеличение концентрации сво-
бодных электронов увеличивает вероятность рекомбина-
ции, поэтому концентрация дырок уменьшается. При
нормальной температуре практически все атомы приме-
си превращаются в положительные неподвижные ионы, а
число свободных электронов значительно превышает число
дырок. Основными носителями заряда в таких полупровод-
никах являются электроны, поэтому такой полупроводник
называется полупроводником w-типа (электронного типа).
Неосновными носителями заряда в нем являются дырки.
Примеси, атомы которых отдают электроны, называют
донорами.
При введении примеси 3-валентного элемента (бора В,
индия In, алюминия А1) три валентных электрона каждо-
го атома примеси принимают участие в образовании толь-
ко трех ковалентных связей, а для четвертой связи атом
примеси забирает электрон из какой-либо другой связи
между атомами кремния, образуя при этом дырку. Атом
примеси превращается в отрицательный неподвижный
ион. Таким образом, 3-валентная примесь увеличивает
концентрацию дырок, что в свою очередь уменьшает кон-
центрацию электронов. Основными носителями заряда
таких полупроводников являются дырки, поэтому полу-
проводник называется полупроводником p-типа (дыроч-
ного типа). Неосновными носителями заряда являются
электроны. Вещества, отбирающие электроны, называют-
ся акцепторами.
Чтобы примесная электропроводность преобладала над
собственной, концентрация атомов примеси N должна
превышать концентрацию электронов rtf и дырок в соб-
ственном полупроводнике =р^._ Практически всегда N
гораздо больше л,- и pt.
Концентрация неосновных носителей уменьшается во
столько раз, во сколько раз увеличивается концентрация
основных носителей. Это объясняется увеличением веро-
13 -------------- Элементы электронных схем
ятности рекомбинации. Для примесного полупроводника
справедливо равенство
np=nipi = ni2 = pi2,
где п, р — концентрация электронов и дырок в примесном
полупроводнике.
Число атомов примеси мало по сравнению с числом
атомов полупроводника. Если использовать фосфор Р,
атомный вес которого примерно равен атомному весу
кремния, и добавить в 1 кг расплава кремния только 20 мкг
фосфора, то эта добавка увеличит число свободных элек-
тронов на 5 порядков. На столько же порядков уменьшит-
ся концентрация неосновных носителей.
Концентрация основных носителей определяется кон-
центрацией примеси и практически не зависит от темпе-
ратуры, так как уже при комнатной температуре все атомы
примеси ионизированы, а число основных носителей, воз-
никающих за счет генерации пар элекгрон-дырка, пре-
небрежимо мало по сравнению с общим числом основных
носителей. В то же время концентрация неосновных носи-
телей мала и сильно зависит от температуры, увеличиваясь
в 2—3 раза при увеличении температуры на каждые 10°С.
1.1.2. Устройство и основные
физические процессы
Полупроводниковым диодом называется электропре-
образовательный полупроводниковый прибор с одним
выпрямляющим электрическим переходом, имеющий
2 вывода.
Структура полупроводникового диода с электронно-
дырочным переходом и его условное графическое обозна-
чение приведены на рис. 1.2, а, б.
Буквамирип обозначены слои полупроводника с про-
водимостями соответственно p-типа и л-типа.
Электроника
14
Анод (А)
-Область ^-//-перехода
Катод (К)
Невыпрямляющие контакты
металл—полупроводник
(омические контакты)
А^К
б
Рис. 1.2
Обычно концентрации основных носителей заряда
(дырок в слое р и электронов в слое л) сильно различают-
ся. Слой полупроводника, имеющий большую концентра-
цию, называют эмиттером, а имеющий меньшую концен-
трацию, — базой.
Далее рассмотрим основные элементы диода (р-л-пе-
реход и невыпрямляющий контакт металл-полупровод-
ник), физические явления, лежащие в основе работы ди-
ода, а также важные понятия, использующиеся для
описания диода. Глубокое понимание физических явле-
ний и владение указанными понятиями необходимо не
только для того, чтобы правильно выбирать конкретные
типы диодов и определять режимы работы соответствую-
щих схем, выполняя традиционные расчеты по той или
иной методике. В связи с быстрым внедрением в практи-
ку инженерной работы современных систем схемотехни-
ческого моделирования эти явления и понятия приходит-
ся постоянно иметь в виду при выполнении математического
моделирования. Системы моделирования быстро совершен-
ствуются, и математические модели элементов электронных
схем все более оперативно учитывают самые «тонкие» фи-
зические явления. Это делает весьма желательным постоян-
ное углубление знаний в описываемой области и необходи-
мым понимание основных физических явлений, а также
использование соответствующих основных понятий.
15
Элементы электронные с%еМ
Приведенное ниже описание основных явлений и по-
нятий, кроме прочего, должно подготовить читателя к
систематическому изучению вопросов математического
моделирования электронных схем.
Рассматриваемые ниже явления и понятия необходи-
мо знать при изучении не только диода, но и других при-
боров.
Структурар-п-перехода. Вначале рассмотрим изолиро-
ванные друг от друга слои полупроводника (рис. 1.3).
Пары электрон—дырка, возникшие
в результате термогенерации
Рис. 1.3
Изобразим соответствующие зонные диаграммы (рис. 1.4).
Ширина
запрещенной эоны
Рис. 1.4
Электроника----------------------------- 16
В отечественной литературе по электронике уровни
зонных диаграмм и разности этих уровней часто характе-
ризуют потенциалами и разностями потенциалов, измеряя
их в вольтах, например, указывают, что ширина запрещен-
ной зоны фз для кремния равна 1,11 В.
В то же время зарубежные системы схемотехнического
моделирования реализуют тот подход, что указанные уров-
ни и разности уровней характеризуются той или иной энер-
гией и измеряются в электронвольтах (эВ), например, в
ответ на запрос такой системы о ширине запрещенной зоны
в случае кремниевого диода вводится величина 1,11 эВ.
В данной работе используется подход, принятый в оте-
чественной литературе.
Теперь рассмотрим контактирующие слои полупровод-
ника (рис. 1.5).
Рис. 1.5
В контактирующих слоях полупроводника имеет мес-
то диффузия дырок из слоя р в слой п, причиной которой
является то, что их концентрация в слое р значительно
больше их концентрации в слое п (существует градиент
концентрации дырок). Аналогичная причина обеспечива-
ет диффузию электронов из слоя п в слой р. Диффузия
дырок из слоя р в слой п, во-первых, уменьшает их кон-
центрацию в приграничной области слоя р и, во-вторых,
уменьшает концентрацию свободных электронов в при-
граничной области слоя п вследствие рекомбинации. По-
17
Элементы, электронные с^еМ
с жж
добные результаты имеет и диффузия электронов из слоя
п в слой р.
В итоге в приграничных областях слоя р и слоя п воз-
никает так называемый обедненный слой, в котором мала
концентрация подвижных носителей заряда (электронов
и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное со-
противление. Ионы примесей обедненного слоя не ком-
пенсированы дырками или электронами. В совокупности
ионы образуют нескомпенсированные объемные заряды,
создающие электрическое поле с напряженностью Е, ука-
занной на рис. 1.5. Это поле препятствует переходу дырок
из слоя р в слой п и переходу электронов из слоя п в слой
р. Оно создает так называемый дрейфовый поток подвиж-
ных носителей заряда, перемещающий дырки из слоя п в
слой р и электроны из слоя р в слой п. В установившемся
режиме дрейфовый поток равен диффузионному, обуслов-
ленному градиентом концентрации. В несимметричном
р-л-переходе более протяженным является заряд в слое с
меньшей концентрацией примеси, т. е. в базе.
Изобразим зонную диаграмму для контактирующих сло-
ев (рис. 1.6), учитывая, что уровень Ферми для них являет-
ся единым.
Зона проводимости
Уровень
Ферми
Фг
Рис. 1.6
Электроника -----------------------------18
' Рассмотрение структуры р-л-перехода и изучение зон-
ной диаграммы (рис. 1.6) показывают, что в области пе-
рехода возникает потенциальный барьер. Для кремния
высота Аф потенциального барьера примерно равна 0,75 В.
Примем условие, что потенциал некоторой удаленной
от перехода точки в слое р равен нулю. Построим график
зависимости потенциала ф от координаты х соответству-
ющей точки (рис. 1.7). Как видно из рисунка, значение ко-
ординаты х = 0 соответствует границе слоев полупровод-
ника.
Важно отметить, что представленные выше зонные
диаграммы и график для потенциала ф (рис. 1.7) строго
соответствуют подходу, используемому в литературе по
физике полупроводников, согласно которому потенциал
определяется для электрона, имеющего отрицательный
заряд.
В электротехнике и электронике потенциал определя-
ют как работу, совершаемую силами поля по переносу еди-
ничного положительного заряда.
Построим график зависимости, потенциала ф5, опреде-
ляемого на основе электротехнического подхода, от коор-
динаты х (рис. 1.8).
Ниже индекс «э» в обозначении потенциала будем
опускать и использовать только электротехнический под-
ход (за исключением зонных диаграмм).
Прямое и обратное включение р-п-перехода. Идеализиро-
ванное математическое описание характеристики перехода.
Рис. 1.7
Рис. 1.8
19 -------------- Элементы электронных схем Жавг
Подключим к р-л-переходу внешний источник напряжения
так, как это показано на рис. 1.9. Это так называемое пря-
мое включение р-л-перехода. В результате потенциальный
барьер уменьшится на величину напряжения и (рис. 1.10),
дрейфовый поток уменьшится, р-л-переход перейдет в
неравновесное состояние, и через него будет протекать так
называемый прямой ток.
Подключим к р-л-переходу источник напряжения так,
как это показано на рис. 1.11. Это так называемое обрат-
ное включение р-л-перехода. Теперь потенциальный ба-
рьер увеличится на напряжение и (рис. 1.12). В рассмат-
риваемом случае ток через р-л-переход будет очень мал.
Это так называемый обратный ток, который обеспечива-
ется термогенерацией электронов и дырок в областях,
прилегающих к области р-л-перехода.
Обозначим через и напряжение на р-л-переходе, а че-
рез i — ток перехода (рис. 1.13). Для идеального р-л-пе-
рехода имеет место следующая зависимость тока i от на-
пряжения и:
20
Рис. 1.13
i = is • (е9т -1), причем срт = —,
где is— ток насыщения (тепловой ток), индекс 5 — от ан-
глийского saturation current, для кремниевых диодов обыч-
но is= 1О-15...1О-13 А;
к — постоянная Больцмана, к=1,38-10~23 Дж/К =
= 8,62 • 10~5 эВ/К;
Т — абсолютная температура, К;
q — элементарный заряд, q = 1,6-10-19 Кл;
(рг— температурный потенциал, при температуре 20 °C
(эта температура называется комнатной в отечественной
литературе) фг« 0,025 В, при температуре 27°С (эта тем-
пература называется комнатной в зарубежной литературе)
(рг« 0,026 В.
Изобразим график зависимости тока i от напряжения
и, которую называют вольт-амперной характеристикой
р-л-перехода (рис. 1.14).
Полезно отметить, что, как следует из приведенного
выше выражения, чем меньше ток is, тем больше напря-
жение и при заданном положительном (прямом) токе.
Учитывая, что ток насыщения кремниевых (Si) переходов
обычно меньше тока насыщения германиевых (Ge) пере-
ходов, изобразим соответствующие вольт-амперные харак-
теристики (рис. 1.15).
Пробой р-п-перехода. Пробоем называют резкое изме-
нение режима работы перехода, находящегося под обрат-
ным напряжением. Характерной особенностью этого из-
менения является резкое уменьшение дифференциального
сопротивления перехода гдиф, которое определяется выра-
жением
du
№ и — напряжение на переходе;
i — ток перехода (см. рис. 1.13).
После начала пробоя незначительное увеличение об-
ратного напряжения сопровождается резким увеличени-
ем обратного тока. В процессе пробоя ток может увели-
чиваться при неизменном и даже уменьшающемся (по
модулю) обратном напряжении (в последнем случае диф-
ференциальное сопротивление оказывается отрицатель-
ным). Изобразим соответствующий участок вольт-ампер-
ной характеристики р-л-перехода (рис. 1.16).
В основе пробоя р-л-перехода лежат три физических
явления:
• туннельного пробоя ^-л-перехода (эффект, явление
Зенера);
• лавинного пробоя р-п -перехода;
• теплового пробоя р-л-перехода.
22
Термин «пробой» используется для описания всей со-
вокупности физических явлений и каждого отдельного
явления.
И туннельный, и лавинный пробой принято называть
электрическим пробоем.
Рассмотрим все три вида пробоя.
Туннельный пробой. Его называют также зенеровским
пробоем по фамилии (Zener) ученого, впервые описавше-
го соответствующее явление в однородном материале.
Ранее явлением Зенера ошибочно объясняли и те процес-
сы при пробое перехода, в основе которых лежал лавин-
ный пробой.
В иностранной литературе до сих пор называют диода-
ми Зенера стабилитроны (диоды, работающие в режиме
пробоя), независимо от того, используется туннельный
или лавинный пробой. Напряжение, при котором начи-
нается пробой, называют напряжением Зенера. Для объяс-
нения механизма туннельного пробоя схематически изо-
бразим соответствующую зонную диаграмму р-л-перехода
(рис. 1.17).
Если геометрическое расстояние между валентной зо-
ной и зоной проводимости (ширина, толщина барьера)
23
Элементы электронных схем
Зона проводимости
Валентная зона
Рис. 1.17
достаточно мало, то возникает туннельный эффект — яв-
ление прохождения электронов сквозь потенциальный
барьер. Туннельный пробой имеет место в р-л-переходах
с базой, обладающей низким значением удельного сопро-
тивления.
Лавинный пробой. Механизм лавинного пробоя подобен
механизму ударной ионизации в газах, схематично явле-
ние лавинного пробоя изобразим на рис. 1.18.
Лавинный пробой возникает, если при движении до
очередного соударения с атомом дырка (или электрон)
Рис. 1.18
Электронику----------------------------- 24
приобретает энергию, достаточную для ионизации атома.
Расстояние, которое проходит носитель заряда до соуда-
рения, называют длиной свободного пробега. Лавинный
пробой имеет место в переходах с высокоомной базой (име-
ющей большое удельное сопротивление).
Тепловой пробой. Увеличение тока при тепловом пробое
объясняется разогревом полупроводника в области р-п-пе-
рехода и соответствующим увеличением удельной прово-
димости. Тепловой пробой характеризуется отрицательным
дифференциальным сопротивлением. Если полупровод-
ник — кремний, то при увеличении обратного напряжения
тепловой пробой обычно возникает после электрического
(во время электрического пробоя полупроводник разогре-
вается, а затем начинается тепловой пробой). После элек-
трического пробоя р-л-переход не изменяет своих свойств.
После теплового пробоя, если полупроводник успел на-
греться достаточно сильно, свойства перехода необрати-
мо изменяются (соответствующий полупроводниковый
прибор выходит из строя).
Явление изменения нескомпенсированных объемных заря-
дов в области р-п-перехода. Барьерная емкость. Как уже
отмечалось, вследствие диффузии электронов и дырок че-
рез р-н-переход в области перехода возникают нескомпен-
сированные объемные (пространственные) заряды иони-
зированных атомов примесей, которые закреплены в узлах
кристаллической решетки полупроводника и поэтому не
участвуют в процессе протекания электрического тока.
Однако объемные заряды создают электрическое поле,
которое в свою очередь самым существенным образом
влияет на движение свободных носителей электричества,
т. е. на процесс протекания тока.
При увеличении обратного напряжения область про-
странственных зарядов (главным образом за счет базы) и
величина заряда в каждом слое (рил) полупроводника
увеличиваются. Это увеличение происходит непропорци-
онально: при большом по модулю обратном напряжении
25
Элементы, электронные сеем
заряд увеличивается при увеличении модуля напряжения
медленнее, чем при малом по модулю обратном напряже-
нии.
Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.19), где ис-
пользуем обозначения:
Q — пространственный заряд в слое п полупроводника;
и — внешнее напряжение, приложенное кр-л-переходу.
Обозначим через f функцию, описывающую зависи-
мость Q от и. В соответствии с изложенным Q = /(и).
В практике математического моделирования (и при руч-
ных расчетах) удобно и поэтому принято пользоваться не
этим выражением, а другим, получаемым из этого в резуль-
тате дифференцирования. На практике широко использу-
ют так называемую барьерную емкость Сбор р-л-перехода,
причем по определению С&/, = |dQ/d«|. Изобразим графи-
ки для Q (рис. 1.20) и Сбар(рис. 1.21).
Явление возникновения и изменения объемного заряда не-
равновесных носителей электричества. Диффузионная ем-
кость. Если напряжение внешнего источника напряжения
смещает р-л-переход в прямом направлении (и > 0), то
начинается инжекция (эмиссия) — поступление неоснов-
ных носителей электричества в рассматриваемый слой
полупроводника. В случае несимметричного р-л-перехо-
да (что обычно бывает на практике) основную роль игра-
ет инжекция из эмиттера в базу.
Далее предполагаем, что переход несимметричный и
что эмиттером является слой р, а базой — слой п. Тогда ин-
жекция — это поступление дырок в слой п. Следствием
инжекции является возникновение в базе объемного за-
ряда дырок.
Известно, что в полупроводниках имеет место явление
диэлектрической релаксации (релаксации Максвелла),
которое состоит в том, что возникший объемный заряд
практически мгновенно компенсируется зарядом подо-
шедших свободных носителей другого знака. Это проис-
ходит за время порядка 10-12 с или 10-11 с.
В соответствии с этим поступивший в базу заряд ды-
рок будет практически мгновенно нейтрализован таким же
по модулю зарядом электронов.
Используем обозначения:
Q — объемный заряд неравновесных носителей в базе;
и — внешнее напряжение, приложенное к р-л-переходу;
f — функция, описывающая зависимость Q от и.
Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.22).
В соответствии с изложенным Q = f (и). На практике
удобно и принято пользоваться не этим выражением, а
другим, получаемым из этого в результате дифференциро-
вания. При этом используют понятие диффузионной
емкости С^р-л-перехода, причем по определению С!)иф =
— dQ/du. Емкость называют диффузионной, так как рас-
27
Элементы электронные о&М

Q (заряд дырок)
сматриваемый заряд Q лежит в основе диффузии носите-
лей в базе. Сдиф удобно и принято описывать не как фун-
кцию напряжения и, а как функцию тока i ^-«-перехода.
Сам заряд Q прямо пропорционален току i (рис. 1.23, а).
В свою очередь ток i экспоненциально зависит от напря-
жения и (соответствующее выражение приведено выше),
поэтому производная d//d« также прямо пропорциональ-
на току (для экспоненциальной функции ее производная
тем больше, чем больше значение функции). Отсюда сле-
дует, что емкость Сдиф прямо пропорциональна току i
(рис. 1.23, б):
с -L1
Сд“Ф ~ т >
Фт
где фг— температурный потенциал (определен выше);
т — среднее время пролета (для тонкой базы), или вре-
мя жизни (для толстой базы).
Среднее время пролета — это время, за которое инжек-
тируемые носители электричества проходят базу, а время
жизни — время от инжекции носителя электричества в
базу до рекомбинации.
Общая емкость р-п-перехода. Эта емкость Спер равна
сумме рассмотренных емкостей, т. е. Спер = Сбар + Сдиф.
При обратном смещении перехода (и < 0) диффузион-
ная емкость практически равна нулю и поэтому учитыва-
Электроника
28
ют барьерную емкость. При прямом смещении обычно
^диф > ^бар'
Невыпрямляющий контакт металл-полупроводник. Для
подключения внешних выводов в диодах используют так
называемые невыпрямляющие (омические) контакты ме-
талл-полупроводник. Это такие контакты, сопротивление
которых практически не зависит ни от полярности, ни от
величины внешнего напряжения.
Получение невыпрямляющих контактов — не менее
важная задача, чем получение р-п-переходов. Для кремни-
евых приборов в качестве металла контактов часто ис-
пользуют алюминий. Свойства контакта металл-полупро-
водник определяются разностью работ выхода электрона.
Работа выхода электрона из твердого тела — это прираще-
ние энергии, которое должен получить электрон, находя-
щийся на уровне Ферми, для выхода из этого тела.
Обозначим работу выхода для металла через А„, а для
полупроводника — через А„. Разделив работы выхода на
заряд электрона q, получим соответствующие потенциа-
лы: фя = ЛЛ/?,(ря=Л„/?.
Введем в рассмотрение так называемую контактную
разность потенциалов фи„: <рмп= фи — ф„. Для определен-
ности обратимся к контакту металл-полупроводник
л-типа. Для получения невыпрямляющего контакта необ-
ходимо выполнение условия фЛп< 0.
Изобразим соответствующие зонные диаграммы для
неконтактирующих металла и полупроводника (рис. 1.24).
Как следует из диаграммы, энергетические уровни в
полупроводнике, соответствующие зоне проводимости,
заполнены меньше, чем в металле. Поэтому после соеди-
нения металла и полупроводника часть электронов перей-
дет из металла в полупроводник. Это приведет к увеличе-
нию концентрации электронов в полупроводнике типа п.
Таким образом, проводимость полупроводника в обла-
сти контакта окажется повышенной и слой, обедненный
свободными носителями, будет отсутствовать. Указанное
29
— Элементы электронные сееМ
Уровень вакуума
Металл
фм
Уровень Ферми
металла
Полупроводник л-типа
Зона проводимости
. Уровни доноров
фгп - уровень Ферми
полупроводника
Валентная зона
Рис. 1.24
явление оказывается причиной того, что контакт будет не-
выпрямляющим. Для получения невыпрямляющего кон-
- такта металл-полупроводник p-типа необходимо выполне-
ние условия > 0.
1.1.3. Характеристики-и параметры
полупроводникового диода
Волып-амперная характеристика (ВАХ) полупроводнико-
вого диода на постоянном токе (статическая характерис-
тика). Вольт-амперная характеристика — это зависимость
тока I, протекающего через диод, от напряжения и, при-
ложенного к диоду (рис. 1.25). Вольт-амперной характе-
ристикой называют и график этой зависимости.
Вначале будем полагать (см. рис. 1.25), что обратное на-
пряжение (и < 0) по модулю меньше напряжения пробоя
/>-л-перехода. Тогда в первом приближении можно счи-
тать, что вольт-амперная характеристика диода определя-
ется уже рассмотренным идеализированным описанием
характеристики р-л-перехода:
30
и
Рис. 1.25
и
Тепловой ток is обусловлен генерацией неосновных
носителей в областях, прилегающих к области р-п-пере-
хода. Однако часто это идеализированное описание дает
неприемлемую погрешность. Особенно большая погреш-
ность возникает при вычислении тока диода, включенного
в обратном направлении (к < 0, i < 0). Вычисленный по
рассматриваемому выражению ток (/ ~ —is при |и| » Фт)
для кремниевых диодов оказывается на несколько поряд-
ков меньше реального. В то же время стоит отметить, что
в некоторых расчетах обратным током вообще можно пре-
небречь.
Укажем причины отличия характеристик реальных ди-
одов от идеализированных. Обратимся к прямой ветви
вольт-амперной характеристики диода (и >0, i > 0). Она
отличается от идеализированной из-за того, что в реаль-
ном случае на нее влияют :
• сопротивления слоев полупроводника (особенно
базы);
• сопротивления контактов металл-полупроводник.
Важно отметить, что сопротивление базы может суще-
ственно зависеть от уровня инжекции (уровень инжекции
показывает, как соотносится концентрация инжектиро-
ванных неосновных носителей в базе на границе перехо-
да с концентрацией основных носителей в базе). Влияние
31
Элементы электронные а&М
указанных сопротивлений приводит к тому, что напряжение
на реальном диоде при заданном токе несколько больше
(обычно на доли вольта), чем это следует из формулы.
Обратимся к обратной ветви (и <0, i < 0). Основные
причины того, что реально обратный ток обычно на не-
сколько порядков больше тока is, следующие:
• термогенерация носителей непосредственно в обла-
сти р-п-перехода;
• поверхностные утечки.
Термогенерация в области р-п-перехода оказывает су-
щественное влияние на ток потому, что область перехода
обеднена подвижными носителями заряда, и процесс ре-
комбинации (обратный процессу генерации и в опреде-
ленном смысле уравновешивающий его) здесь замедлен.
При комнатной температуре для кремниевых приборов
ток термогенерации обычно существенно превышает теп-
ловой ток is.
Для ориентировочных расчетов можно считать, что с
повышением температуры ток is удваивается примерно на
каждые 5°С, а ток термогенерации удваивается примерно
на каждые Ю’С. При температуре около 100’С ток is срав-
нивается с током термогенерации.
Поверхностные утечки часто составляют подавляющую
долю обратного тока. Их причинами являются:
• поверхностные энергетические уровни, обеспечива-
ющие активные процессы генерации и рекомбина-
ции;
• молекулярные и ионные пленки, шунтирующие
р-и-переход.
При увеличении модуля обратного напряжения ток
утечки вначале изменяется линейно, а затем более быст-
ро. Ток утечки характеризуется так называемой «ползуче-
стью» — изменением в течение времени от нескольких се-
кунд до нескольких часов.
Электроника --------------------------- 32
При практических ориентировочных расчетах иногда
принимают, что общий обратный ток кремниевого диода
увеличивается в 2 раза или в 2,5 раза на каждые 10°С.
Для примера изобразим характеристики выпрямитель-
ного кремниевого диода Д229А при различных темпера-
турах (максимальный средний прямой ток — 400 мА, мак-
симальное импульсное обратное напряжение — 200 В).
Прямые ветви характеристик представлены на рис. 1.26,
а обратные (до режима пробоя) — на рис. 1.27.
Обратимся к режиму пробоя полупроводникового ди-
ода и соответствующему участку обратной ветви вольт-
амперной характеристики (на рис. 1.27 этот участок не
показан).
Диоды многих конкретных типономиналов не предназ-
начены для работы в режиме пробоя. Для них этот режим
работы — аварийный. Если при пробое ток в цепи не ог-
раничивается (например, внешним сопротивлением), то
диод выходит из строя. В таких приборах при чрезмерном
увеличении обратного напряжения (по модулю) практи-
чески сразу же начинается тепловой пробой (участок элек-
трического пробоя практически отсутствует).
Напряжение начала пробоя для рассматриваемых дио-
дов — величина нестабильная (пробой начинается при
и = —ипро6, где ипроб — так называемое напряжение пробоя
— положительная величина). Изобразим соответствую-
щую вольт-амперную характеристику (рис. 1.28).
33
Элементы электронных схем
Диоды некоторых конкретных типов спроектированы
с расчетом на работу в режиме лавинного пробоя в тече-
ние некоторого короткого времени. Такие диоды называ-
ют лавинными. Если отрезок времени, в течение которо-
го диод находится в режиме лавинного пробоя, невелик,
то его р-п -переход не успевает перегреться и диод не вы-
ходит из строя. Иначе лавинный пробой перейдет в теп-
ловой и диод выйдет из строя. Изобразим вольт-амперную
характеристику для лавинного диода (рис. 1.29).
Лавинные диоды, как правило, более надежны в срав-
нении с обычными (кратковременные перенапряжения не
выводят лавинный диод из строя).
Для некоторых конкретных типов диодов режим про-
боя является основным рабочим режимом. Это так назы-
ваемые стабилитроны, рассматриваемые ниже.
Зависимость барьерной емкости диода от напряжения.
Приведем график зависимости общей емкости Сд крем-
ниевого диода 2Д212А от обратного напряжения (основ-
ной вклад в общую емкость вносит барьерная емкость)
(рис. 1.30). Для этого диода максимальный постоянный
(средний) прямой ток — 1 А, максимальное постоянное
(импульсное) обратное напряжение — 200 В.
Временные диаграммы тока и напряжения диода при его
переключении. Обратимся к схеме на рис. 1.31. Предпола-
гается, что вначале ключ К подключает источник напря-
2 Электроника
Электроника
34
жения мь а затем, в момент времени t = 0, источник на-
пряжения и2.
Предполагается также, что напряжения их и w2 значитель-
но больше прямого падения напряжения на диоде. Изобра-
зим соответствующие временные диаграммы (рис. 1.32).
До момента времени t=0 протекает ток it, который с уче-
том принятого условия Uj» и определяется выражением
Сразу после переключения ключа Кив течение так
называемого времени рассасывания tpac протекает ток i2,
Рис. 1.32
35
Элементы электронные скеМ
который ограничивается практически только сопротивле-
нием R, т. е.
В этот отрезок времени в базе диода уменьшается (рас-
сасывается) заряд накопленных при протекании тока it
неравновесных носителей. Заряд уменьшается в результате
рекомбинации и перехода неосновных носителей в эмит-
тер.
По истечении времени tpac концентрация неосновных
носителей в базе на границе ^-«-перехода становится рав-
ной равновесной. В глубине же базы неравновесный за-
ряд еще существует. Длительность времени рассасывания
прямо пропорциональна среднему времени жизни не-
основных носителей в базе и зависит от соотношения то-
ков ix и 12 (чем больше по модулю ток /2, тем меньше, при
заданном токе zb время рассасывания).
В момент времени Г, напряжение на диоде начинает
быстро возрастать по модулю, а ток / уменьшаться по мо-
дулю (спадать). Соответствующий отрезок времени tc„ на-
зывают временем спада. Время спада отсчитывают до того
момента /2, которому соответствует достаточно малое (по
модулю) значение тока /3. Время спада зависит от времени
жизни носителей, а также от барьерной емкости диода и от
сопротивления R схемы. Чем больше указанные емкость и
сопротивление R, тем медленнее спадает ток.
Отрезок времени teoc = tpac + tcn называется временем
восстановления (временем обратного восстановления).
После завершения переходного процесса (момент вре-
мени /3) через диод течет ток io6pycm — обратный ток в ус-
тановившемся режиме (определяемый по статической
вольт-амперной характеристике диода).
Для упомянутого выше диода 2Д212А типовое время
восстановления — 150 нс (150 • 10-9с) при z, = 2 А (им-
пульсный ток) и /2 = 0,2 А.
Электроника --------------------------- 36
* Параметры диодов. Для того, чтобы количественно оха-
рактеризовать диоды, используют большое количество
(измеряемое десятками) различных параметров. Некото-
рые параметры характеризуют диоды самых различных
подклассов. Другие же характеризуют специфические
свойства диодов только конкретных подклассов.
Укажем наиболее широко используемые параметры,
применяемые к диодам различных подклассов:
/ир мтсс — максимально допустимый постоянный пря-
мой ток;
U„p — постоянное прямое напряжение, соответствую-
щее заданному току;
^обр.макс ~ максимально допустимое обратное напряже-
ние диода (положительная величина);
1обр макс ~ максимально допустимый постоянный об-
ратный ток диода (положительная величина; если реаль-
ный ток больше, чем ма1СС, то диод считается непригод-
ным к использованию);
— дифференциальное сопротивление диода (при
заданном режиме работы).
В настоящее время существуют диоды, предназначен-
ные для работы в очень широком диапазоне токов и на-
пряжений. Для наиболее мощных диодов 1„р макс состав-
ляет килоамперы, a Uo6p макс — киловольты.
1.1.4. Использование вольт-амперной
характеристики диода
для определения его режима
работы
Рассмотрим следующий пример.
В схеме, изображенной на рис. 1.33, необходимо опре-
делить ток, протекающий через диод, напряжение на ди-
оде и напряжение на резисторе.
37
Элементы электронные с^еМ
Здесь ии — напряжение источника напряжения (извест-
ная величина). Запишем уравнение по 2-му закону Кирх-
гофа для указанной на рисунке ориентации контура:
-ии+uR+ид= 0.
Отсюда
-ии+ id- R+ ид= О,
_ии-ид
д R ‘
Графиком этой линейной зависимости тока id от напря-
жения ид является прямая линия — так называемая линия
нагрузки. Сама зависимость называется уравнением линии
нагрузки, это одно из уравнений, необходимых для опре-
деления двух неизвестных: id и ид. Уравнение линии на-
грузки показывает, как связаны ток id и напряжение ид в
рассматриваемой схеме.
Второе необходимое уравнение — нелинейное — зави-
симость тока id от напряжения ид в форме вольт-амперной
характеристики. Эта зависимость показывает, как связа-
ны ток id и напряжение ид для конкретного рассматрива-
емого диода.
Практический анализ электронных схем в настоящее
время рекомендуется выполнять на ЭВМ с помощью мо-
делирующих программ. Но при первом знакомстве с по-
добной схемой очень поучительно выполнить ее графи-
ческий анализ. Пусть ии — ЗВ, R = 10 Ом и используется
Электроника ----------------------------- 38
диод Д229А при температуре 25°С. Выполним соответству-
ющие графические построения (рис. 1.34).
Искомый ток диода i'd = 230 мА, искомое напряжение
на диоде и*д = 0,7 В.
Легко заметить, что отрезок ab — это искомое напря-
жение и х на резисторе R (и R = ии — и д = 2,3 В).
1.1.5. Математические модели диодов
и их использование для анализа
электронных схем
При анализе электронных схем на ЭВМ все электрон-
ные приборы, в том числе и диоды, заменяются их мате-
матическими моделями.
Математическая модель диода — это совокупность эк-
вивалентной схемы диода и математических выражений,
описывающих элементы эквивалентной схемы. Кратко
рассмотрим математическую модель диода, используемую
в пакете программ для анализа схем MicroCap-2. Это одна
из наиболее простых моделей. Изобразим эквивалентную
схему диода (рис. 1.35). Постоянное сопротивление R
включено в схему с целью учета тока утечки. Емкость С
моделирует барьерную и диффузионную емкости диода.
к<?
Рис. 1.35
39
Элементы элекгпроннизсс^еМ
Управляемый источник тока iy моделирует статическую
вольт-амперную характеристику. Математическое описа-
ние тока iy и емкости С достаточно громоздкое, но осно-
вано на учете уже рассмотренных выше физических явле-
ний в диоде.
Модель является универсальной и хорошо моделирует
диод как в статическом (на постоянном токе), так и в ди-
намическом (в переходных процессах) режиме, учитыва-
ет влияние температуры на свойства диода.
В простейших случаях, например при ориентировоч-
ных ручных расчетах, иногда используют несложные ма-
тематические модели диодов. При этом часто пользуются
кусочно-линейной аппроксимацией вольт-амперной ха-
рактеристики диода.
Изобразим вольт-амперную характеристику диода
(рис. 1.36), выполним линейную аппроксимацию прямой
и обратной ветвей и изобразим соответствующие эквива-
лентные схемы диодов для прямого (рис. 1.37) и обратно-
го включений (рис. 1.38).
Рассмотрим в качестве примера расчет тока и напряже-
ний в простейшей схеме (рис. 1.39).
Электроника
40
Ао—[Жок
Гдиф. пр. Uq
Рис. 1.37
Ао--^—ОК
Рис. 1.38
Поскольку диод смещен в прямом направлении, то
используем эквивалентную схему для прямого включения
диода и получим линейную схему постоянного тока, пред-
ставленную на рис. 1.40.
Выполним анализ этой цепи:
E = ur + ид;
Е i'(R + г$иф Пр ) + Ug,
откуда
Е~ио
Е + Гдиф.пр ’
Е-иа
ud=E—uR=E — -г—---R,
к + 'диф. пр
£-w0
+ 'диф. пр
При приближенном анализе схемы с диодом иногда
можно пренебречь величинами гдифпр и иа и заменить
включенный диод идеальным источником напряжения с
нулевой величиной напряжения, т. е. так называемой «за-
короткой», а также пренебречь обратным током i0 (близ-
41 •------------- Элементы, электронных схем Жааг
ким к нулю) и сопротивлением гдифобр (близким к беско-
нечности) и заменить выключенный диод разрывом. Это
соответствует замене реального диода идеальным, облада-
ющим вольт-амперной характеристикой, представленной
на рис. 1.41.
Изобразим эквивалентные схемы идеального диода для
прямого (рис. 1.42) и обратного включений (рис. 1.43).
-Ob» .
R
Рис. 1.39
Z ‘k ’ Характеристика
г реального диода
Характеристика---- \/
идеального диода /
Рис. 1.42 Рис. 1.43
Рис. 1.41
1.1.6. Разновидности
полупроводниковых диодов
Стабилитрон. Это полупроводниковый диод, сконст-
руированный для работы в режиме электрического про-
боя. Условное графическое обозначение стабилитрона
представлено на рис. 1.44, а.
Электроника
42
И
а
#1—й—й
в г д
Рис. 1.44
В указанном режиме при значительном изменении тока
стабилитрона напряжение изменяется незначительно. Го-
ворят, что стабилитрон стабилизирует напряжение. Изоб-
разим для примера вольт-амперные характеристики крем-
ниевого стабилитрона Д814Д (рис. 1.45).
В стабилитронах может иметь место и туннельный, и
лавинный, и смешанный пробой в зависимости от удель-
ного сопротивления базы. В стабилитронах с низкоомной
базой (низковольтных, до 5,7 В) имеет место туннельный
пробой, а в стабилитронах с высокоомной базой (высоко-
вольтных) — лавинный пробой.
Основными являются следующие параметры стабили-
трона:
Ucm — напряжение стабилизации (при заданном токе в
режиме пробоя);
1ст.мин~ минимально допустимый ток стабилизации;
1ст.макс ~ максимально допустимый ток стабилизации;
гст — дифференциальное сопротивление стабилитрона
(на участке пробоя), rcm = du/di;
43
Элементы электронные с^ем
а^СТКН) — температурный коэффициент напряже-
ния стабилизации.
Величины Ucm, 1ст мин и 1стмакс принято указывать как
положительные.
Не рекомендуется использовать стабилитрон при об-
ратном токе, меньшем по модулю, чем IcmjdUH, так как ста-
билизация напряжения при этом будет неудовлетворитель-
ной (дифференциальное сопротивление будет чрезмерно
большим). Если же обратный ток по модулю превысит
1стмакс, то стабилитрон может перегреться, начнется теп-
ловой пробой и прибор выйдет из строя. Чем меньше ве-
личина гст, тем лучше стабилизация напряжения.
По определению aUcm — это отношение относительно-
го изменения напряжения стабилизации к абсолютному
изменению температуры окружающей среды при постоян-
ном токе стабилизации.
Пусть при температуре напряжение стабилизации
было равно ист]. Тогда при температуре t2 напряжение ста-
билизации ист2 можно в соответствии с определением aUcm
вычислить по формуле
“cm2 = “cml + «™1 ’ ^Ucm ’ (<2 ~ А) •
У стабилитронов с туннельным пробоем коэффициент
а^ст отрицателен: ®-ист < 0. У стабилитронов с лавинным
пробоем коэффициент aUcm положителен: aUcm > 0.
Иногда стабилитрон с лавинным пробоем включают
последовательно с диодом, работающим в прямом направ-
лении. У диода соответствующий температурный коэффи-
циент отрицательный, и он компенсирует положительный
коэффициент стабилитрона.
Для стабилитрона Д814Д (при t = 25°С)
^ст.мин мА, 1Сщ.макс 24 мА,
гсот — не более 18 Ом,
не более 0,00095 1/°С.
Электроника. ---------------------------- 44
’ Для примера применения стабилитрона обратимся к
схеме так называемого параметрического стабилизатора
напряжения (рис. 1.46). Легко заметить, что если напря-
жение ивх настолько велико, что стабилитрон находится в
режиме пробоя, то изменения этого напряжения практи-
чески не вызывают изменения напряжения ивых (при из-
менении напряжения ивх изменяется только ток i, а также
напряжение «л= /• R).
В режиме пробоя отсутствует инжекция неосновных
носителей, и поэтому нет накопления избыточных зарядов.
Вследствие этого стабилитрон является быстродействую-
щим прибором и хорошо работает в импульсных схемах.
Стабистор. Это полупроводниковый диод, напряже-
ние на котором при прямом включении (около 0,7 В) мало
зависит от тока (прямая ветвь на соответствующем участ-
ке почти вертикальная). Стабистор предназначен для ста-
билизации малых напряжений.
Диод Шоттки. В диоде Шоттки используется не
р-л-переход, а выпрямляющий контакт металл-полупро-
водник. Условное графическое обозначение диода Шоттки
представлено на рис. 1.44, б.
45
Элементы электронные cifeM
Обратимся к соответствующей зонной диаграмме (рис.
1.47), которую полезно сравнить с зонной диаграммой для
невыпрямляющего контакта. Для выпрямляющего контак-
та металл-полупроводник «-типа характерно то, что кон-
тактная разность потенциалов флл = Фл — Фл положитель-
на: Ф.ил > 0.
Энергетические уровни, соответствующие зоне прово-
димости, в полупроводнике заполнены больше, чем в ме-
талле. Поэтому после соединения металла и полупровод-
ника часть электронов перейдет из полупроводника в
металл. Это приведет к уменьшению концентрации элек-
тронов в полупроводнике «-типа. Возникнет область по-
лупроводника, обедненная свободными носителями
электричества и обладающая повышенным удельным
сопротивлением. В области перехода появятся объемные
заряды и образуется потенциальный барьер, препятству-
ющий дальнейшему переходу электронов из полупровод-
ника в металл.
Если подключить источник внешнего напряжения
плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику и-типа,
Уровень вакуума
Металл
Полупроводник л-типа
Зона проводимости
V П
Уровень Ферми
МСТЗЛЛЗ фр од ,
. Уровни доноров
<pFn - Уровень Ферми
полупроводника
Валентная зона
Рис. 1.47
Электроника --------------------------- 46
то потенциальный барьер понизится и через переход нач-
нет протекать прямой ток. При противоположном под-
ключении потенциальный барьер увеличивается и ток
оказывается очень малым.
При работе диода Шоттки отсутствуют инжекция не-
основных носителей и соответствующие явления накоп-
ления и рассасывания, поэтому диоды Шоттки — очень
быстродействующие приборы, они могут работать на ча-
стотах до десятков гигагерц (1ГГц = 1 • 109 Гц). У диода
Шоттки может быть малый обратный ток и малое прямое
напряжение (при малых прямых токах) — около 0,5 В, что
меньше, чем у кремниевых приборов. Максимально допу-
стимый прямой ток может составлять десятки и сотни
ампер, а максимально допустимое напряжение — сотни
вольт.
Для примера изобразим прямые ветви вольт-амперных
характеристик (рис. 1.48) кремниевого диода КД923А с
барьером Шоттки (диода Шоттки), предназначенного для
работы в импульсных устройствах. Для него /„f „„^=100 мА,
^обрмакс = 14 В (при t < 35°С), время жизни носителей за-
ряда — не более 0,1 нс, постоянный обратный ток при
^обр~ Ю В и t = 25’С — не более 5 мкА.
Рис. 1.48
47
Элементы электронные с%еМ
Варикап. Это полупроводниковый диод, предназначен-
ный для работы в качестве конденсатора, емкость которо-
го управляется напряжением. Условное графическое обо-
значение варикапа представлено на рис. 1.44, в.
На варикап подают обратное напряжение. Барьерная
емкость варикапа уменьшается при увеличении (по моду-
лю) обратного напряжения. Характер изменения емкости
у варикапа такой же, как и у обычного диода.
Туннельный диод. Это полупроводниковый диод, в ко-
тором используется явление туннельного пробоя при
включении в прямом направлении. Характерной особен-
ностью туннельного диода является наличие на прямой
ветви вольт-амперной характеристики участка с отрица-
тельным дифференциальным сопротивлением. Условное
графическое обозначение туннельного диода представле-
но на рис. 1.44, г.
Для примера изобразим (рис. 1.49) прямую ветвь вольт-
амперной характеристики германиевого туннельного уси-
лительного диода 1И104А (/^. „^ = 1 мА — постоянный
прямой ток, Uo6pJtaKC= 20 мВ), предназначенного для уси-
ления в диапазоне волн 2... 10 см (это соответствует час-
тоте более 1 ГГц).
Рис. 1.49
Электроника. --------------------------- 48
1 Общая емкость диода в точке минимума характеристи-
ки составляет 0,8... 1,9 пФ. Полезно отметить, что проверка
диода тестером не допускается. Туннельные диоды могут
работать на очень высоких частотах — более 1 ГГц.
Наличие участка с отрицательным дифференциальным
сопротивлением на вольт-амперной характеристике обес-
печивает возможность использования туннельных диодов
в качестве усилительного элемента и в качестве основно-
го элемента генераторов.
В настоящее время туннельные диоды используются
именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.
Обращенный диод. Это полупроводниковый диод, фи-
зические явления в котором подобны физическим явле-
ниям в туннельном диоде, поэтому зачастую обращенный
диод рассматривают как вариант туннельного диода. При
этом участок с отрицательным дифференциальным сопро-
тивлением на вольт-амперной характеристике обращенно-
го диода отсутствует или очень слабо выражен.
Обратная ветвь вольт-амперной характеристики обра-
щенного диода (отличающаяся очень малым падением
напряжения) используется в качестве прямой ветви «обыч-
ного» диода, а прямая ветвь — в качестве обратной ветви.
Отсюда и название — обращенный диод.
Условное графическое обозначение обращенного дио-
да представлено на рис. 1.44, д.
Изобразим для примера вольт-амперные характеристи-
ки германиевого обращенного диода 1И104А (рис. 1.50),
предназначенного, кроме прочего, для работы в импульс-
ных устройствах (постоянный прямой ток — не более
0,3 мА, постоянный обратный ток — не более 4 мА (при
t < 35’С), общая емкость в точке минимума вольт-ампер-
ной характеристики 1,2...1,5 пФ).
49
Элементы электронные сеем
1.1.7. Классификация
и система обозначений
Классификация современных полупроводниковых дио-
дов (ПД) по их назначению, физическим свойствам, основ-
ным электрическим параметрам, конструктивно-техноло-
гическим признакам, исходному полупроводниковому
материалу находит отражение в системе условных обозна-
чений диодов и приведена в [3].
Система обозначений ПД установлена отраслевым
стандартом ОСТ 11336.919-81, а силовых полупроводни-
ковых приборов — ГОСТ 20859.1-89. В основу системы
обозначений положен буквенно-цифровой код.
Первый элемент (цифра или буква) обозначает исход-
ный полупроводниковый материал, второй (буква) — под-
класс приборов, третий (цифра) — основные функцио-
нальные возможности прибора, четвертый — число,
обозначающее порядковый номер разработки, пятый эле-
мент — буква, условно определяющая классификацию
Электроника----------------------------- 50
(разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по
единой технологии.
Для обозначения исходного полупроводникового матери-
ала используются следующие символы:
Г, или 1, — германий или его соединения;
К, или 2, — кремний или его соединения;
А, или 3, — соединения галлия;
И, или 4, — соединения индия.
Для обозначения подклассов диодов используется одна
из следующих букв:
Д — диоды выпрямительные и импульсные;
Ц — выпрямительные столбы и блоки;
В — варикапы;
И — туннельные диоды;
А — сверхвысокочастотные диоды;
С — стабилитроны;
Г — генераторы шума;
Л — излучающие оптоэлектронные приборы;
О — оптопары.
Для обозначения наиболее характерных эксплуатаци-
онных признаков приборов (их функциональных возмож-
ностей) используются следующие цифры.
Диоды (подкласс Д):
1 — выпрямительные диоды с постоянным или сред-
ним значением прямого тока не более 0,3 А;
2 — выпрямительные диоды с постоянным или сред-
ним значением прямого тока более 0,3 А, но не свы-
ше 10 А;
4 — импульсные диоды с временем восстановления
обратного сопротивления более 500 нс;
5 — импульсные диоды с временем восстановления
более 150 нс, но не свыше 500 нс;
6 — импульсные диоды с временем восстановления
30... 150 нс;
7 — импульсные диоды с временем восстановления
5...30 нс;
51
Элементы элекзпронныескеМ
8 — импульсные диоды с временем восстановления
1...5 нс;
9 — импульсные диоды с эффективным временем жиз-
ни неосновных носителей заряда менее 1 нс.
Выпрямительные столбы и блоки (подкласс Ц):
1 — столбы с постоянным или средним значением пря-
мого тока не более 0,3 А;
2 — столбы с постоянным или средним значением пря-
мого тока 0,3... 10 А;
3 — блоки с постоянным или средним значением тока
не более 0,3 А;
4 — блоки с постоянным или средним значением пря-
мого тока 0,3... 10 А.
Варикапы (подкласс В):
1 — подстроечные варикапы;
2 — умножительные варикапы.
Туннельные диоды (подкласс И):
1 — усилительные туннельные диоды;
2 — генераторные туннельные диоды;
3 — переключательные туннельные диоды;
4 — обращенные диоды.
Сверхвысокочастотные диоды (подкласс А):
1 — смесительные диоды;
2 — детекторные диоды;
3 — усилительные диоды;
4 — параметрические диоды;
5 — переключательные и ограничительные диоды;
6 — умножительные и настроечные диоды;
7 — генераторные диоды;
8 — импульсные диоды.
Стабилитроны (подкласс С):
1 — стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номи-
нальным напряжением стабилизации менее 10 В;
2 — стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номи-
нальным напряжением стабилизации 10... 100 В;
ЖяЕг Электроника----------------------------- 52
3 — стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номи-
нальным напряжением стабилизации более 100 В;
4 — стабилитроны мощностью 0,3...5 Вт с номиналь-
ным напряжением стабилизации менее 10 В;
5 — стабилитроны мощностью 0,3...5 Вт с номиналь-
ным напряжением стабилизации 10... 100 В;
6 — стабилитроны мощностью 0,3...5 Вт с номиналь-
ным напряжением стабилизации более 100 В;
7 — стабилитроны мощностью 5... 10 Вт с номинальным
напряжением стабилизации менее 10 В;
8 — стабилитроны мощностью 5... 10 Вт с номинальным
напряжением стабилизации 10... 100 В;
9 — стабилитроны мощностью 5... 10 Вт с номинальным
напряжением стабилизации более 100 В.
Генераторы шума (подкласс Г):
1 — низкочастотные генераторы шума;
2 — высокочастотные генераторы шума.
Для обозначения порядкового номера разработки ис-
пользуется двухзначное число от 01 до 99. Если порядко-
вый номер разработки превышает число 99, то в дальней-
шем применяется трехзначное число от 101 до 999.
В качестве квалификационной литеры используются
буквы русского алфавита (за исключением букв 3, О, Ч,
Ы, Ш, Щ, Ю, Я, Ь, Ъ, Э).
В качестве дополнительных элементов обозначения
применяются следующие символы:
цифры 1...9 — ДДЯ обозначения модификаций прибора,
приводящих к изменению его конструкции или
электрических параметров;
буква С — для обозначения сборок — наборов в общем
корпусе однотипных приборов, не соединенных
электрически или соединенных одноименными вы-
водами;
цифры, написанные через дефис, — для обозначения сле-
дующих модификаций конструктивного исполне-
ния бескорпусных приборов:
53 -------------- Элементы электронные скеМ
1 — с гибкими выводами без кристаллодержателя;'
2 — с гибкими выводами на кристаллодержателе (под-
ложке);
3 — с жесткими выводами без кристаллодержателя
(подложки);
4 — с жесткими выводами на кристаллодержателе (под-
ложке);
5 — с контактными площадками без кристаллодержа-
теля (подложки) и без выводов;
6 — с контактными площадками на кристаллодержате-
ле без выводов, буква Р после последнего элемента
обозначения — для приборов с парным подбором,
буква Г — с подбором в четверки, буква К — с под-
бором в шестерки.
Примеры обозначения приборов:
2Д204В — кремниевый выпрямительный диод с посто-
янным и средним значением тока 0,3... 10 А, номер
разработки 04, группа В.
2 Д 2 04 8
Группа прибора
Порядковый номер
разработки
Характерные
эксплуатационные
признаки
Подкласс прибора
Исходный
полупроводниковый материал
Электроника---------------------------- 54
КС620А — кремниевый стабилитрон мощностью
0,5...5 Вт, с номинальным напряжением стабилиза-
ции более 100 В, номер разработки 20, группа А.
ЗИЗО9Ж— арсенидогаллиевый переключательный тун-
нельный диод, номер разработки 09, группа Ж.
До введения в 1982 г. ОСТ 11336.919-81 применялась
иная система условных обозначений. Она включала в себя
два или три элемента (ГОСТ 5461-59).
Первый элемент — буква Д, характеризующая весь
класс полупроводниковых диодов.
Второй элемент — число (номер), определяющее об-
ласть применения:
1...100 — для точечных германиевых диодов;
101...200 — для точечных кремниевых диодов;
201...300 — для плоскостных кремниевых диодов;
301...400 — для плоскостных германиевых диодов;
401...500 — для смесительных СВЧ-детекторов;
501...600 — для умножительных диодов;
601...700 — для видеодетекторов;
701...749 — для параметрических германиевых диодов;
750...800 — для параметрических кремниевых диодов.
1.2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Биполярный транзистор — это полупроводниковый
прибор с двумя ^-«-переходами, имеющий три вывода.
Действие биполярного транзистора основано на исполь-
зовании носителей заряда обоих знаков (дырок и элект-
ронов), а управление протекающим через него током осу-
ществляется с помощью управляющего тока.
Биполярный транзистор является наиболее распрост-
раненным активным полупроводниковым прибором.
55
Элементы элгктроннызссхеМ
1.2.1. Устройство и основные
физические процессы
Устройство транзистора. Биполярный транзистор в
своей основе содержит три слоя полупроводника (р-п-р
или п-р-п) и соответственно два р-л-перехода. Каждый
слой полупроводника через невыпрямляющий контакт
металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.
Средний слой и соответствующий вывод называют ба-
зой, один из крайних слоев и соответствующий вывод на-
зывают эмиттером, а другой крайний слой и соответству-
ющий вывод — коллектором.
Дадим схематическое, упрощенное изображение струк-
туры транзистора типа п-р-п (рис. 1.51, а) и два допусти-
мых варианта условного графического обозначения
(рис. 1.51, б).
Транзистор типа р-п-р устроен аналогично, упрощен-
ное изображение его структуры дано на рис. 1.52, а, бо-
лее простой вариант условного графического обозначе-
ния — на рис. 1.52, б.
Область эмиттерного Область коллекторного
перехода X. У перехода
контакты металл-
полупроводник
а Рис. 1.51
р п р
Э К
а б
Рис. 1.52
Электроника
56
Транзистор называют биполярным, так как в процессе
протекания электрического тока участвуют носители элект-
ричества двух знаков — электроны и дырки. Но в различных
типах транзисторов роль электронов и дырок различна.
Транзисторы типа п-р-п более распространены в сравне-
нии с транзисторами типа р-п-р, так как обычно имеют луч-
шие параметры. Это объясняется следующим образом: ос-
новную роль в электрических процессах в транзисторах типа
п-р-п играют электроны, а в транзисторах типа р-п-р — дыр-
ки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза
большей, чем дырки.
Важно отметить, что реально площадь коллекторного
перехода значительно больше площади эмиттерного пере-
хода, так как такая несимметрия значительно улучшает
свойства транзистора.
Количественное своеобразие структуры транзистора.
Ддя определенности обратимся к транзистору типа п-р-п.
В основе работы биполярного транзистора лежат не какие-
либо новые физические процессы, еще не рассмотренные
при изучении полупроводникового диода: своеобразие
транзистора определяется особенностями его конструкции.
Основными элементами транзистора являются два со-
единенных ^-«-перехода. Это позволяет дать формальное
представление структуры транзистора, представленное на
рис. 1.53.
Для понимания принципа работы транзистора исклю-
чительно важно учитывать, что ^-«-переходы транзисто-
ра сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного
перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Имен-
но это взаимодействие радикально отличает транзистор от
схемы с двумя диодами (рис. 1.54).
В схеме с диодами ток каждого диода зависит только от
напряжения на нем самом и никак не зависит от тока дру-
гого диода.
Указанное взаимодействие имеет исключительно про-
стую главную причину, а именно: очень малое расстояние
57
Элементы электронные. с^еМ
Эмитгерный Коллекторный
о-л-переход Взаимо- /(-«-переход
г действие
Рис. 1.53
Рис. 1.54
между переходами транзистора (от 20—30 мкм до 1 мкм и
менее). Это расстояние называют толщиной базы. Имен-
но эта количественная особенность структуры создает ка-
чественное своеобразие транзистора.
Вообще полезно отметить, что в электронике достаточ-
но часто реализуется следующий способ получения устрой-
ства, обладающего новым качеством: особым образом со-
единяют два одинаковых, уже хорошо изученных элемента.
При изучении дифференциального усилителя станет ясно,
что новое качество можно получить при использовании в
роли таких элементов уже самих двух транзисторов.
Основные физические процессы. Концентрация атомов
примеси (и свободных электронов) в эмиттере сравни-
тельно велика, поэтому этот слой низкоомный. Концен-
трация атомов примеси (и дырок) в базе сравнительно
низка, поэтому этот слой высокоомный. Концентрация
атомов примеси (и свободных электронов) в коллекторе
может быть как больше концентрации атомов примеси в
базе, так и меньше ее.
С помощью источников напряжения сместим эмиттер-
ный переход в прямом, а коллекторный — в обратном
направлении (рис. 1.55). Тогда через эмитгерный переход
потечет ток 1Э, который будет обеспечиваться главным
образом инжекцией электронов из эмиттера в базу. Ин-
жекция дырок из базы в эмиттер будет незначительной
вследствие указанного выше различия в концентрациях
атомов примесей.
Электроплита
58
Из-за малой толщины базы почти все электроны, прой-
дя базу, через так называемое время пролета достигают
коллектора. Только малая доля электронов рекомбиниру-
ет в базе с дырками. Убыль этих дырок компенсируется
протеканием тока базы i6. Из изложенного следует, что
<< h •
Обратное смещение коллекторного перехода способ-
ствует тому, что электроны, подошедшие к нему, захваты-
ваются электрическим полем перехода и переносятся в
коллектор. В то же время это поле препятствует переходу
электронов из коллектора в базу.
Ток коллектора iK лишь незначительно меньше тока
эмиттера, т. е. iK~ i3. Более точно:
*К ~ &ст ^ко>
где аст — так называемый статический коэффициент пе-
редачи эмитгерного тока (термин статический подчер-
кивает тот факт, что этот коэффициент связывает по-
стоянные токи);
/ко — так называемый обратный ток коллектора.
Природа обратного тока коллектора такая же, как и у
обратного тока диода (т. е. тока диода, включенного в об-
ратном направлении). Ток /ко протекает и тогда, когда ток
эмиттера равен нулю.
Различают диффузионные (бездрейфовые) и дрейфо-
вые транзисторы. В диффузионных транзисторах концен-
59 •------------- Элементы- электронных схем ЖаЯг
трация атомов примесеи в базе примерно одинакова во
всех ее частях, поэтому ионы атомов примесей не созда-
ют в базе дополнительное электрическое поле, которое
влияло бы на движение носителей электричества через
базу. При этом движение этих носителей проходит глав-
ным образом в форме диффузии. В дрейфовых транзисто-
рах указанная концентрация различна в различных точках
базы. Это приводит к появлению дополнительного элек-
трического поля, которое оказывает существенное влия-
ние на движение носителей через базу (говорят, что носи-
тели дрейфуют под действием этого поля). Дрейф ускоряет
движение носителей через базу, поэтому дрейфовые тран-
зисторы часто отличаются высоким быстродействием.
1.2.2. Характеристики и параметры
Рассмотрим характерные схемы включения транзисто-
ра и соответствующие характеристики.
Схема с общей базой. Приведенная схема включения
транзистора в электрическую цепь называется схемой с об-
щей базой, так как база является общим электродом д ля ис-
точников напряжения. Изобразим ее с использованием ус-
ловного графического обозначения транзистора (рис. 1.56).
Транзисторы традиционно характеризуют их так назы-
ваемыми входными и выходными характеристиками. Для
схемы с общей базой входной характеристикой называют
зависимость тока i9 от напряжения и6з при заданном на-
пряжении икб, т. е. зависимость вида
где /— некоторая функция.
Входной характеристикой называют и график соответ-
ствующей зависимости (это справедливо и для других ха-
рактеристик).
Электроника ----------------------------- 60
' Выходной характеристикой для схемы с общей базой
называют зависимость тока iK от напряжения икб при за-
данном токе i3, т. е. зависимость вида
f^K6 ) ’
где f — некоторая функция.
Входные характеристики для схемы с общей базой. Каж-
дая входная характеристика в значительной степени оп-
ределяется характеристикой эмиттерного перехода и по-
этому аналогична характеристике диода. Изобразим
входные характеристики кремниевого транзистора
КТ603А (максимальный постоянный ток коллектора —
300 мА, максимальное постоянное напряжение коллектор-
база — 30 В при t < 70°С) (рис. 1.57). Сдвиг характерис-
тик влево при увеличении напряжения икб объясняется
проявлением так называемого эффекта Эрли (эффекта мо-
дуляции толщины базы).
Указанный эффект состоит в том, что при увеличении
напряжения икб коллекторный переход расширяется (как
и всякий обратно смещенный р-и-переход). Если концен-
трация атомов примеси в базе меньше концентрации ато-
мов примеси в коллекторе, то расширение коллекторно-
Рис. 1.57
61 --------------- Элементы электронные сеем Ж|р
го перехода осуществляется в основном за счет базы. В лю-
бом случае толщина базы уменьшается. Уменьшение тол-
щины базы и соответствующее уменьшение ее сопротив-
ления приводит к тому, что при неизменном токе i3
напряжение ибз уменьшается. Как было отмечено при рас-
смотрении диода, при малом по модулю обратном напря-
жении на ^-«-переходе это напряжение влияет на шири-
ну перехода больше, чем при большом напряжении.
Поэтому различные входные характеристики, соответству-
ющие различным напряжениям ик6, независимо от типа
транзистора практически сливаются, если икб > 5 В (или
даже если икб > 2 В).
Входные характеристики часто характеризуют диффе-
ренциальным сопротивлением гдиф, определяемым анало-
гично дифференциальному сопротивлению диода.
Теперь
r _ du6,
диф di3
ij-заданный
uK6=const
Выходные характеристики для схемы с общей базой.
Изобразим выходные характеристики для транзистора
КТ603А (рис. 1.58).
Как уже отмечалось, если коллекторный переход сме-
щен в обратном направлении (икб > 0), то ток коллектора
примерно равен току эмиттера: iK = /э. Это соотношение
сохраняется даже при икб = 0 (если ток эмиттера достаточ-
но велик), так как и в этом случае большинство электро-
нов, инжектированных в базу, захватывается электри-
ческим полем коллекторного перехода и переносится в
коллектор.
Только если коллекторный переход смещают в прямом
направлении (икб < 0), ток коллектора становится равным
нулю, так как при этом начинается инжекция электронов
из коллектора в базу (или дырок из базы в коллектор). Эта
№ser Электроника------------------ 62
инжекция компенсирует переход из базы в коллектор тех
электронов, которые были инжектированы эмиттером.
Ток коллектора становится равным нулю при выполнении
условия |«кб| < 0,75 В.
Режим, соответствующий первому квадранту характе-
ристик (икб >0, iK > 0, причем ток эмиттера достаточно
велик), называют активным режимом работы транзисто-
ра. На координатной плоскости ему соответствует так
называемая область активной работы.
Режим, соответствующий второму квадранту (ик6 < 0),
называют режимом насыщения. Ему соответствует область
насыщения.
Обратный ток коллектора /к0 мал (для КТ603А1К0 < 10
мкА при t < 25°С). Поэтому выходная характеристика, со-
ответствующая равенствам i3 = 0 и iK = аст • i3 + 1К0= 1КО,
практически сливается с осью напряжений.
При увеличении температуры ток 1К0 возрастает (для
КТ603 /ко = 100 мкА при t < 85’С) и все выходные харак-
теристики несколько смещаются вверх.
Режим работы транзистора, соответствующий токам
коллектора, сравнимым с током 1К0, называют режимом
отсечки. Соответствующую область характеристик вбли-
зи оси напряжений называют областью отсечки.
В активном режиме напряжение ик6 и мощность рк =
= iK • выделяющаяся в виде тепла в коллекторном пе-
реходе, могут быть значительны. Чтобы транзистор не пе-
регрелся, должно выполняться неравенство
Рк Ркмакс.’’
где Рк макс — максимально допустимая мощность (для
КТ603А Ркмакс = 500 мВт при t < 50’С).
График зависимости iK= Рк /игК (гипербола) изоб-
ражен на выходных характеристиках пунктиром.
Таким образом, в активном режиме эмиттерный пере-
ход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в
обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в
63
Элементы. электронны^схеМ
прямом направлении, в'режиме отсечки коллекторный
переход смещен в обратном направлении, а эмитгерный
или смещен в обратном направлении, или находится под
очень малым прямым напряжением.
Транзистор часто характеризуют так называемым диф-
ференциальным коэффициентом передачи эмиттерного
тока а, который определяется выражением
Ct — ~тт~ iK — заданный .
ai3 Urf - const
Для приращения тока коллектора AzK и приращения
тока эмиттера А/э можно записать:
A iK « а • Д/э.
Электронику ---------------------------- 64
’ Коэффициент а несколько изменяется при изменении
режима работы транзистора. Важно учитывать, что у раз-
личных (вполне годных) экземпляров транзистора одно-
го и того же типа коэффициент а может заметно отличать-
ся. Для транзистора КТ603А при t = 25°С а = 0,909 ...
0,988.
Наличие наклона выходных характеристик, отражаю-
щее факт увеличения тока коллектора при заданном токе
эмиттера при увеличении напряжения икб, объясняется
проявлением эффекта Эрли: при уменьшении толщины
базы все большее количество электронов, инжектирован-
ных эмиттером, переходит в коллектор.
Наклон выходных характеристик численно определя-
ют так называемым дифференциальным сопротивлением
коллекторного перехода:
_ ^икб
*К Т. и кб-заданное
diK I i3=const
С учетом эффекта Эрли
1
G'CT ’ + Асо + '^кб .
Гк
Схема с общим эмиттером. Очень часто транзистор
характеризуют характеристиками, соответствующими схе-
ме, представленной на рис. 1.59. Ее называют схемой с об-
щим эмиттером, так как эмиттер является общим элект-
родом для источников напряжения.
Для этой схемы входной характеристикой называют за-
висимость тока i6 от напряжения при заданном напря-
жении ию, т. е. зависимость вида
^б бз )| Uia =const ’
где f — некоторая функция.
Выходной характеристикой называют зависимость тока
iK от напряжения икз при заданном токе i6, т. е. зависимость
вида
65
Элементы электронных схем
1к f^UK3^i6=const,
где f — некоторая функция.
Очень важно уяснить следующие два факта.
1. Характеристики для схемы с общим эмиттером не
отражают никакие новые физические эффекты по срав-
нению с характеристиками для схемы с общей базой и не
несут никакой принципиально новой информации о свой-
ствах транзистора. Для объяснения особенностей ха-
рактеристик с общим эмиттером не нужна никакая
информация кроме той, что необходима для объяснения
особенностей характеристик схемы с общей базой. Тем не
менее характеристики для схемы с общим эмиттером
очень широко используют на практике (и приводят в
справочниках), так как ими удобно пользоваться.
2. При расчетах на компьютерах моделирующие про-
граммы вообще никак не учитывают то, по какой схеме
включен транзистор. Программы используют математи-
ческие модели транзисторов, являющиеся едиными для
всевозможных схем включения. Тем не менее, очень полез-
3 Электроника
Ssaer Электроника----------------------------- 66
но уметь определить тип схемы включения транзисто-
ра. Это облегчает понимание принципа работы схемы.
Входные характеристики для схемы с общим эмиттером.
Изобразим характеристики уже рассмотренного транзис-
тора КТ603А (рис. 1.60). Теперь эффект Эрли проявляется
в том, что при увеличении напряжения и^ характеристики
сдвигаются вправо. Дифференциальное сопротивление
теперь определяется выражением
r _du63
диф di6
ig-заданный
икэ=сопз!
Выходные характеристики для схемы с общим эмитте-
ром. Изобразим эти характеристики для транзистора
КТ603А (рис. 1.61).
Обратимся к ранее полученному выражению
&ст 'э + Асо-
В соответствии с первым законом Кирхгофа
(э ~^б
и с учетом предыдущего выражения получим
~ &-ст ' (he + %) + Лсо>
Элементы электронны^с^М'
67 -
откуда
«сг . 1
*к 1-а *б +
* “сг
1 ®ст
КО.
Введем обозначение:
Рсг =
^ст
1— ®СТ
Коэффициент /Зст называют статическим коэффициен-
том передачи базового тока. Его величина обычно состав-
ляет десятки-сотни (это безразмерный коэффициент).
Легко заметить, что
Введем обозначение I +Т)-1К0.
В итоге получаем iK = Дст • i6 + 1КО.
Это выражение в первом приближении описывает вы-
ходные характеристики в области активной работы, не
учитывая наклона характеристик.
Для учета наклона выражение записывают в виде
~ Per ' ^6 ^КО "I ~ U КЗ ,
Г„

где гк =
-заданное
ig -const

В первом приближении г'к = (1/1+₽ст) • гк (сопротив-
ление гк определено выше).
Часто пользуются так называемым дифференциальным
коэффициентом передачи базового тока р.
По определению
Электроника
68
dic
iK — заданный.
= const
Для приращения тока коллектора А/к и тока базы A/tf
можно записать:
Д4«р-Д^
Для транзистора КТ603А при t = 25’С (3 = 10...80.
Величина р зависит от режима работы транзистора.
Приведем типичный график зависимости Р от тока эмит-
тера (он практически равен току коллектора) для кк5 = 2 В
(рис. 1.62).
Для нормальной работы транзистора на постоянном
токе, кроме рассмотренного выше условия рк < Ркмакс.’
должны выполняться условия
*'к к.макс. «дсэ ^кэ.макс.'
где 1,^ и Цсэ-жакс ~' соответственно максимально допус-
тимый постоянный ток коллектора и максимально допу-
стимое постоянное напряжение между коллектором и
эмиттером.
Для рассмотренного выше транзистора КТ603А
1КМакс= 300 ^кэ.лшкс = 30 В (при t < 70°С).
Изобразим схематически на выходных характеристиках
для схемы с общим эмиттером так называемую область
безопасной работы, в которой указанные условия выпол-
няются (рис. 1.63).
Обычно допустимо предполагать (с той или иной по-
грешностью), что выходные характеристики для схемы с
общим эмиттером расположены на отрезках прямых, рас-
ходящихся веерообразно из одной точки на оси напряже-
ний (рис. 1.64).
Напряжение U3 (это положительная величина) называ-
ют напряжением Эрли. Для транзистора КТ603А U3 « 40 В.
Инверсное включение транзистора. Иногда транзистор
работает в таком режиме, что коллекторный переход сме-
69
Элементы электронныэссхеМ
Рис. 1.63
Рис. 1.62
щен в прямом направлении, а эмитгерный — в обратном.
При этом коллектор играет роль эмиттера, а эмиттер —
роль коллектора. Это так называемый инверсный режим.
Ему соответствует так называемый инверсный коэффици-
ент передачи базового тока РР Из-за отмеченных выше
несимметрии структуры транзистора и различия в концен-
трациях примесей в слоях полупроводника обычно
Pi « 0. Часто Pi = 1.
Изобразим выходные характеристики для схемы с об-
щим эмиттером и для прямого, и для инверсного вклю-
чения (рис. 1.65).
70
1.2.3. Математические модели
биполярного транзистора
Рассмотрим различные математические модели бипо-
лярного транзистора.
Простейший вариант модели Эберса—Молла с двумя ис-
точниками тока, управляемыми токами. Как и для диода,
математическая модель транзистора — это совокупность
эквивалентной схемы и математических выражений, опи-
сывающих элементы этой схемы.
Эбере и Молл предложили в 1954 г. модель, различные
варианты которой с развитием вычислительной техники
и машинных методов анализа электронных схем стали
широко использоваться на практике.
Рассмотрим простейший вариант модели (рис. 1.66),
характерный использованием двух управляемых источни-
ков. Каждый из них является источником тока, управля-
емым током.
Определим еще не описанные величины:
acm J — коэффициент передачи коллекторного тока (т. е.
инверсный коэффициент передачи тока, индекс /означает
инверсное включение);
i„, 4s— соответственно ток насыщения (тепловой ток)
коллектора и эмиттера.
Обратим внимание на то, что тепловой ток обьино зна-
чительно меньше обратного тока соответствующего пере-
хода: ток iKS « 1К0. Это необходимо помнить при исполь-
зовании систем схемотехнического моделирования.
Именно источники тока, управляемые токами, отража-
ют взаимодействие ^-«-переходов транзистора.
Используя первый закон Кирхгофа, можно записать:
^бэ ^бк
цбэ ибк
iK =аст -i3S (е9т -l)-zKJ ’^ч>т ~0-
Исключительно поучительным является детальное изу-
чение этой, казалось бы, элементарной математической
модели, особенно если это изучение включает численные
расчеты по приведенным формулам. Здесь следует учиты-
вать, что для ручного анализа схемы с управляемыми ис-
точниками обычно оказываются кардинально более слож-
ными, чем без них. Часто трудно осознать характер
влияния на режим работы схемы того или иного управля-
емого источника.
Электроника
72
Практически используемые модели дополняются кон-
денсаторами и резисторами. В таких моделях используют
достаточно сложные математические зависимости. Эти
модели хорошо моделируют транзистор и в установивших-
ся, и в переходных режимах, и при прямом, и при инверс-
ном включении.
Вариант модели Эберса—Молла с одним источником
тока, управляемым током. Часто допустимо считать, что
I ’ &-ст ‘ 'аг
Это равенство обосновывают, детально рассматривая
физическую картину процессов в идеальном транзисторе.
Для реальных транзисторов это равенство часто выполня-
ется с большой погрешностью. Обозначим
Ч ~ &ст l '«s ’ 'аг
Из выражения
Рс/и — &ст / G ®ст)
следует, что
acm=Pcm/(l + Pcm).
Обозначим
Pcm I = I / (1 l)*
Коэффициент РСЯ1J называют статическим коэффици-
ентом передачи базового тока для инверсного включения
(обратным коэффициентом усиления тока в схеме с об-
щим эмиттером).
Из последнего выражения следует, что
I ~ Pcm I /О Pan l)‘
Используя выражения для i3 и iK, получим
12> —------------- Элементы электронные с^еМ
С учетом соотношения между аот и рст и между аст j и
рст I получим
• Kfo ибк
-1)-(, И -1);
Рст
цбэ . ^бк
-1).(1+р„,).Ji-.^-1).
Рст!
После преобразований эти соотношения примут следу-
ющий вид:
^бз ^бк ^бз
i, = i,-1)-/, •(> -1)(е’г -1);
Рст
ибз ибк ибк
i, = i, (‘’г -О-''. t’r -О -s—i, -О-
PctI
Последняя система двух уравнений позволяет исполь-
зовать математическую модель транзистора с одним ис-
точником тока, управляемым током, представленную на
рис. 1.67.
Рис. 1.67
Электроника----------------------------- 74
‘ Этот вариант модели лежит в основе более сложных
моделей, широко используемых в практике математичес-
кого моделирования электронных схем (и применяемых в
пакетах программ Micro-Cap, Design Center и др.).
Эквивалентная схема транзистора для расчета схем с
общим эмиттером. Упрощенные математические модели
принято называть эквивалентными схемами.
Рассмотрим эквивалентную схему, которую можно ис-
пользовать только при прямом (не инверсном) включении
в режиме активной работы и режиме отсечки (в режиме
насыщения ее использовать нельзя), и в случае, когда ам-
плитуда переменной составляющей тока коллектора, а
также амплитуда переменной составляющей напряжения
и^ невелика. При выполнении этих условий в первом при-
ближении выходные и входные характеристики транзис-
тора можно считать линейными. Переходя к идеализи-
рованным входным (рис. 1.68) и выходным (рис. 1.69)
характеристикам транзистора, которые показаны пунк-
тирными линиями, получим эквивалентную схему тран-
зистора, представленную на рис. 1.70.
Резистор с сопротивлением г6 отражает факт наличия
сопротивления базового слоя транзистора, а резистор с
сопротивлением г3 — факт наличия сопротивления эмит-
терного слоя.
Рис. 1.68
Рис. 1.69
75
Элементы электронные с^еМ
Иногда вместо резистора гэ включают идеальный диод
D, который во включенном состоянии заменяют закорот-
кой, а в выключенном — разрывом.
Емкость С'к, которую иногда включают в схему при ее
анализе на переменном токе, отражает факт влияния на
ток коллектора переменной составляющей напряжения
между коллектором и эмиттером.
В первом приближении
с; = (1 + р)-ск,
где Ск — барьерная емкость коллекторного перехода.
Остальные элементы эквивалентной схемы соответ-
ствуют уже полученному выражению iK = • i6 + /'ко +
+ l//*z • ц
'' к икэ •
Подобные эквивалентные схемы рекомендуется ис-
пользовать в учебных целях и при простых приближенных
расчетах.
Профессиональные расчеты транзисторных схем реко-
мендуется выполнять с помощью моделирующих про-
грамм, использующих современные математические мо-
дели транзисторов.
Электроника ---------------------------- 76
1.2.4. Анализ схем с транзисторами
Хотя практический анализ электронных схем рекомен-
дуется выполнять на ЭВМ, для лучшего уяснения прин-
ципов работы схем с транзисторами и для проведения
прикидочных расчетов следует ознакомиться с графичес-
ким анализом схем, а также с анализом схем на основе
простейших эквивалентных схем транзистора.
Графический анализ схем с транзисторами. При анали-
зе схем с транзисторами графическим способом исполь-
зуется тот же подход, что и при анализе диодных схем.
Применяются линии нагрузки. Но теперь для анализа схе-
мы используют две линии нагрузки — для входной и вы-
ходной цепей.
Обратимся к рис. 1.71. Уравнение линии нагрузки для
входной цепи имеет следующий вид: Е6= i6- R6+ и6э. Ли-
ния нагрузки для выходной цепи описывается выражени-
ем Ек = iK • RK + икэ.
Построим линии нагрузки для входной (рис. 1.72) и
выходной (рис. 1.73) цепей. При анализе напряжением и6э
часто пренебрегают (если напряжение Е6 достаточно ве-
лико).
Вначале по входной характеристике (часто используют
характеристику для икэ = 5 В) определяют искомый ток
базы Г б, а затем по выходной характеристике, соответству-
ющей этому току, определяют искомый ток коллектора Гк,
искомое напряжение между коллектором и эмиттером и кэ
и искомое напряжение и’^на резисторе RK. Найденную
точку 0 называют начальной рабочей точкой.
Анализ схем с использованием эквивалентных схем тран-
зистора. Заменим транзистор в схеме на рис. 1.71 эквива-
лентной схемой. Получим схему, представленную на
рис. 1.74 (при этом вместо диода в эквивалентной схеме
используется закоротка).
Из схемы на рис. 1.74 следует, что
Элементы электронные се^М

Электроника
78
Рис. 1.74
Eg/(Rg+rg)4 iK ig ко, ию Ек iK RK.
Рассмотрим более сложный пример (рис. 1.75). На схе-
ме, как это принято в электронике, показан только один
полюс источника напряжения Ек. Пусть (Зст = 99; гб =
= 0,5 кОм; г' = о°; 1т = 0,01 мА. Определим ig.
Вначале выполним преобразование схемы, используя
теорему об эквивалентном генераторе. Получим схему на
рис. 1.76. При этом
ЕЗКв ~ Ек = 5 В,
/q +л2
/?« • /?о
Еже = п , D : = кОм.
«1 + к2
Заменим транзистор его эквивалентной схемой и про-
ведем анализ полученной схемы (рис. 1.77).
Вначале определим /'ко: !'„,= (! + рст) • 1^ = 1 мА.
Из схемы рис. 1.77 следует, что
Едкв + Гд) (Рет 1б+ I ко + ^б) Е3.
Отсюда i6= (Еэкв — Гко • R3)/(R3Ke+гб + (1 + 3СЯ)) • R3) =
= 0,137 мА.
79
Элементы, электронные а&М
Рис. 1.75 Рис. 1.76
1.2.5. Три схемы включения транзистора
с ненулевым сопротивлением
нагрузки
Транзисторы часто применяют для усиления перемен-
ных сигналов (которые при расчетах обычно считают си-
нусоидальными), при этом в выходной цепи транзистора
применяется нагрузка с ненулевым сопротивлением.
Электроника ---------------------------- 80
’ Во входной цепи, кроме источника постоянного напря-
жения, необходимого для обеспечения активного режима
работы, также используют источник входного переменно-
го напряжения. Изобразим три характерные схемы вклю-
чения транзистора.
Схема с общей базой (ОБ) (рис. 1.78). Если сопротивле-
ние нагрузки достаточно велико, то амплитуда перемен-
ной составляющей напряжения ивых значительно больше
амплитуды напряжения ивх. Учитывая, что iebix ~ iex, мож-
но утверждать, что схема не обеспечивает усиления тока,
но усиливает напряжение. Входной ток такой схемы дос-
таточно большой, а соответствующее входное сопротивле-
ние малое.
Схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 1.79). Так как
'вых >:> 'вх, а при достаточно большом сопротивлении RH
Рис. 1.79
81
Элементы электронные с%еМ
амплитуда переменной составляющей напряжения ивых зна-
чительно больше амплитуды напряжения ивх, следователь-
но, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения.
Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное
сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.
Схема с общим коллектором (ОК) (рис. 1.80). При оп-
ределении переменных составляющих токов и напряже-
ний источники постоянного напряжения их и «2 заменя-
ют закоротками (закорачивают). После этого к коллектору
оказываются подключенными и источник входного на-
пряжения ивх> и сопротивление нагрузки. Отсюда и назва-
ние — схема с общим коллектором.
Само напряжение ибэ и особенно переменная состав-
ляющая этого напряжения достаточно малы, поэтому
амплитуда переменной составляющей напряжения ивх
примерно равна амплитуде переменной составляющей на-
пряжения ивых. В соответствии с этим усилительные кас-
кады, в которых транзисторы включены по схеме с общим
коллектором, называют эмиттерными повторителями.
Учитывая также, что im « ieblx, отмечают, что схема уси-
ливает ток, но не усиливает напряжение.
Схема отличается повышенным входным сопротивле-
нием, так как при увеличении входного напряжения уве-
Рис. 1.80
82
личению входного тока препятствует увеличение как на-
пряжения ибэ, так и напряжения ивых.
На практике наиболее часто используется схема с об-
щим эмиттером.
1.2.6. h-параметры транзистора
При определении переменных составляющих токов и
напряжений (т. е. при анализе на переменном токе) и при
условии, что транзистор работает в активном режиме, его
часто представляют в виде линейного четырехполюсника
(рис. 1.81). В четырехполюснике условно изображен тран-
зистор, включенный по схеме с общим эмиттером.
Для разных схем включения транзистора токи и напря-
жения этого четырехполюсника обозначают различные
токи и напряжения транзистора. Например, для схемы с
общим эмиттером эти токи и напряжения следующие:
ii — переменная составляющая тока базы;
«1 — переменная составляющая напряжения между ба-
зой и эмиттером;
i2 — переменная составляющая тока коллектора;
и2 — переменная составляющая напряжения между
коллектором и эмиттером.
Транзистор удобно описывать, используя так называе-
мые й-параметры. При этом
ЙцЙ12
“1 = й11«12 , ’1
/2 J 1^21^22 J Lm2
Рис. 1.81
83
Элементы электронные се?М
т. е.
И1 = ' h + ^12 ’ и2;
<2 = Й21 • /] + Й22 «2 •
Коэффициенты hy определяют опытным путем. Напри-
мер, Лн определяют, устанавливая и2= 0 (режим коротко-
. „ , и,
го замыкания на выходе). При этом Лп = —
U2=0
Как легко заметить, коэффициент йп представляет со-
бой входное сопротивление транзистора для переменно-
го сигнала.
Аналогично hl2 = — — коэффициент обратной
“2 ,• =о
связи по напряжению.
Режим работы при /, = 0 называют холостым ходом на
входе.
Далее й21 = . — коэффициент передачи тока,
*1 «2=0
h22 = — — выходная проводимость.
“2 ,-=0
Параметры, соответствующие схеме с общим эмитте-
ром, обозначают буквой «э», а схеме с общей базой — бук-
вой «б».
Можно показать, что
Лнэ я ^+(1+0К ; Л12э = гэ/(2 • гк'); й2|э = р; й22э = 1/ г/.
Для создания математической модели транзистора пол-
ный набор й-параметров часто не требуется.
Ждет Электроника --------------------------- 84
1.2.7. Временные диаграммы токов
транзистора при его вхождении
в активный режим работы
и частотные (динамические)
свойства
Для характеристики инерционных, динамических
свойств транзистора изобразим указанные в заголовке вре-
менные диаграммы (рис. 1.82). При этом предполагается,
что ток эмиттера изменяется скачкообразно.
Наличие задержки при изменении тока iK, характери-
зуемой временем задержки t3, объясняется тем, что элек-
троны, инжектированные эмиттером, достигают коллек-
тора спустя некоторое время. Плавное нарастание тока
коллектора в течение так называемого времени нараста-
ния tH объясняется хаотичностью движения электронов и
их различной средней скоростью.
Непосредственно после начала протекания тока i3 ток
i6 достаточно велик, что объясняется накоплением заря-
дов в базе транзистора. После накопления этих зарядов
ток базы принимает значение, соответствующее коэффи-
циенту^.
Обратимся к режиму работы транзистора, характерно-
му тем, что имеется переменная составляющая тока базы
малой амплитуды. Для анализа таких режимов и раньше
(при ручных расчетах) и теперь (при использовании ма-
тематического моделирования) широко используют
комплексный (символический) метод. Обратимся к это-
му методу.
Пусть jg — комплексное действующее значение (ком-
плекс действующего значения) переменной составляющей
тока базы, а/к — комплексное действующее значение пе-
ременной составляющей тока коллектора. Введем в рас-
85 ------------- Элементы электронные скеМ
смотрение комплексный коэффициент передачи базово-
го тока Р. По определению 0 = 4^.
Ц
На коэффициент р оказывают влияние многие факто-
ры, и в первую очередь частота сигнала и емкости ^-«-пе-
реходов транзистора.
Раньше, при ручных расчетах, частотные свойства
транзистора учитывали, включая в соответствующие экви-
валентные схемы источник тока, управляемый током и
характеризуемый комплексным коэффициентом 0. При
этом обычно использовали несложные формулы, описы-
вающие зависимость коэффициента р от частоты.
Часто в одну и ту же эквивалентную схему включали и
указанный управляемый источник, и некоторые емкости
(например, барьерные емкости переходов).
При современном машинном анализе электронных
схем используют универсальные математические модели
транзисторов, правильно моделирующие самые различные
режимы. В таких моделях используют управляемые источ-
ники с вещественными, а не комплексными коэффици-
ентами р. При этом полное отражение частотных свойств
транзистора достигается включением в его математичес-
кую модель дополнительных элементов, в частности диф-
фузионных емкостей. Изложенное очень полезно осознать
как пример того, насколько сильно развитие методов
вычислений влияет на инженерные подходы при проек-
тировании электронных схем.
Однако использование для представления коэффици-
ента р комплексных чисел очень наглядно, так как позво-
ляет оценить кроме амплитуды выходного сигнала его
сдвиг по фазе по отношению к входному. Этот сдвиг воз-
Электроника.------------------------------t 86
никает на высоких частотах. По-видимому, такое пред-
ставление будет использоваться и в дальнейшем.
Кроме коэффициента Р, в форме комплексных чисел
представляют и другие параметры транзистора (а, гк' и
т. д.). Изобразим график зависимости модуля |01 от часто-
ты /для транзистора КТ603А (рис. 1.83) и дадим более
детальный типичный график зависимости модуля |р| от
частоты (рис. 1.84). Значение коэффициента р на посто-
янном токе Эи,, имеет нулевую мнимую часть, поэтому Рпт=
=|рпт1- На графиках/пра.оэ ~ предельная частота коэффи-
циента передачи тока в схеме с общим эмиттером (часто-
та среза), а /гран.оэ — граничная частота этого коэффици-
ента (частота единичного усиления). В некоторых книгах
в эти термины вкладывают другой смысл.
Для транзистора КТ603А— не менее 200 МГц, а
на частоте 100 МГц выполняется условие |р| > 2.
Рис. 1.82
Рис. 1.84
87
------------ Элементы. электронны^с}(ем
1.2.8. Классификация
и система обозначений
Система обозначений современных типов транзисторов
приведена в [3] и установлена отраслевым стандартом ОСТ
11336.919-81. В основу системы обозначений положен
буквенно-цифровой код.
Первый элемент (цифра или буква) обозначает исход-
ный полупроводниковый материал, на основе которого
изготовлен транзистор, второй элемент (буква) определяет
подкласс (или группу) транзисторов, третий (цифра) —
основные функциональные возможности транзистора,
четвертый (число) — обозначает порядковый номер раз-
работки технологического типа транзистора, пятый (бук-
ва) — условно определяет классификацию по параметрам
транзисторов, изготовленных по единой технологии.
Для обозначения исходного материала используются
следующие символы:
Г, или 1, — германий или его соединения;
К, или 2, — кремний или его соединения;
А, или 3, — соединения галлия (арсенид галлия);
И, или 4, — соединения индия.
Для обозначения подклассов используется одна из двух
букв: Т — биполярные и П — полевые транзисторы.
Для обозначения наиболее характерных эксплуатацион-
ных признаков транзисторов применяются следующие
цифры:
для транзисторов малой мощности (максимальная мощ-
ность, рассеиваемая транзистором, не более 0,3 Вт):
1 — с граничной частотой коэффициента передачи тока
или максимальной рабочей частотой (далее гранич-
ной частотой) не более 3 МГц;
2 — с граничной частотой 3...30 МГц;
3 — с граничной частотой более 30 МГц;
ЙР Электроника -------------------------------- 88
’ для транзисторов средней мощности (0,3... 1,5 Вт):
4 — с граничной частотой не более 3 МГц;
5 — с граничной частотой 3...30 МГц;
6 — с граничной частотой более 30 МГц;
для транзисторов большой мощности (более 1,5 Вт):
7 — с граничной частотой не более 3 МГц;
8 — с граничной частотой 3...30 МГц;
9 — с граничной частотой более 30 МГц.
Для обозначения порядкового номера разработки ис-
пользуют двузначное число от 01 до 99. Если порядковый
номер разработки превышает число 99, то применяется
трехзначное число от 101 до 999.
В качестве классификационной литеры применяются
буквы русского алфавита (за исключением 3, О, Ч, Ы, Ш,
Щ, Ю, Ь, Ъ, Э).
* Стандарт предусматривает также введение в обозначе-
ние ряда дополнительных знаков. В качестве дополнитель-
ных элементов обозначения используют следующие сим-
волы:
цифры от 1 до 9 — для обозначения модернизаций
транзистора, приводящих к изменению его конст-
рукции или электрических параметров;
буква С — для обозначения наборов в общем корпусе
(транзисторные сборки);
цифра, написанная через дефис, для бескорпусных
транзисторов:
1 — с гибкими выводами без кристаллодержателя;
2 — с гибкими выводами на кристаллодержателе;
3 — с жесткими выводами без кристаллодержателя;
4 — с жесткими выводами на кристаллодержателе;
5 — с контактными площадками без кристаллодержа-
теля и без выводов;
6 — с контактными площадками на кристаллодержате-
ле, но без выводов.
89
Элементы электронные сееМ
Примеры обозначения приборов:

К Т 9 37 А -2
Дополнительный
элемент обозначения
Группа прибора
Порядковый номер
разработки______
Характерные
эксплуатационные
признаки
Подкласс прибора
Исходный
полупроводниковый
КТ937А-2 — кремниевый биполярный, большой мощ-
ности, высокочастотный, номер разработки 37, группа А,
бескорпусный, с гибкими выводами на кристаллодержа-
теле.
Биполярные транзисторы, разработанные до 1964 г. и
выпускаемые по настоящее время, имеют систему обозна-
чений, включающую в себя два или три элемента.
Первый элемент обозначения — буква П, характеризу-
ющая класс биполярных транзисторов, или две буквы
• МП — для транзисторов в корпусе, герметизируемом спо-
собом холодной сварки.
Второй элемент — двух- или трехзначное число, кото-
рое определяет порядковый номер разработки и указывает
на подкласс транзистора по роду исходного полупро-
водникового материала, значениям допустимой рассеива-
емой мощности и граничной частоты:
от 1 до 99 — германиевые маломощные низкочастот-
ные транзисторы;
•Электроника ---------------------------- 90
от 101 до 199 — кремниевые маломощные низкочастот-
ные транзисторы;
от 201 до 299 — германиевые мощные низкочастотные
транзисторы;
от 301 до 399 — кремниевые мощные низкочастотные
транзисторы;
от 401 до 499 — германиевые высокочастотные и СВЧ
маломощные транзисторы;
от 501 до 599 — кремниевые высокочастотные и СВЧ
маломощные транзисторы;
от 601 до 699 — германиевые высокочастотные и СВЧ
мощные транзисторы;
от 701 до 799 — кремниевые высокочастотные и СВЧ
мощные транзисторы.
Третий элемент обозначения (у некоторых типов он
может отсутствовать) — буква, условно определяющая
классификацию по параметрам транзисторов, изготовлен-
ных по единой технологии.
1.3. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевой транзистор является очень широко использу-
емым активным (т. е. способным усиливать сигналы) по-
лупроводниковым прибором. Впервые он был предложен
в 1930 г.
Полевыми транзисторами называют активные полу-
проводниковые приборы, в которых выходным током уп-
равляют с помощью электрического поля (в биполярных
транзисторах выходной ток управляется входным током).
В англоязычной литературе эти транзисторы называют
транзисторами типа FET (Field Effect Transistor).
91
Элементы электронные схем
Полевые транзисторы называют также униполярными,
так как в процессе протекания электрического тока уча-
ствуют только основные носители.
Различают два вида полевых транзисторов: с управля-
ющим переходом и с изолированным затвором. Для оп-
ределенности вначале обратимся к так называемому по-
левому транзистору с управляющим р-п-переходом с
каналом р-типа.
1.3.1. Устройство и основные
физические процессы
Устройство транзистора. Дадим схематическое изобра-
жение структуры полевого транзистора с управляющим
переходом и каналом />-типа (рис. 1.85) и условное графи-
ческое обозначение этого транзистора (рис. 1.86, а). Стрел-
ка указывает направление от слоя р к слою п (как и стрелка
в изображении эмиттера биполярного транзистора). В ин-
тегральных микросхемах линейные размеры транзисторов
могут быть меньше 1 мкм.
Рис. 1.85
Электроника
92
з з
ИС ИС
а б
Рис. 1.86
Удельное сопротивление слоя п (затвора) намного
меньше удельного сопротивления слоя р (канала), поэто-
му область р-л-перехода, обедненная подвижными носи-
телями заряда и имеющая очень большое удельное сопро-
тивление, расположена главным образом в слое р.
Если типы проводимости слоев полупроводника в рас-
смотренном транзисторе изменить на противоположные,
то получим полевой транзистор с управляющим р-л-пере-
ходом и каналом л-типа, его условное графическое обо-
значение представлено на рис. 1.86, б.
Основные физические процессы. Подадим положительное
напряжение между затвором и истоком транзистора с ка-
налом p-типа: изи > 0. Оно сместит р-л-переход в обрат-
ном направлении.
При увеличении обратного напряжения на р-л-перехо-
де он расширяется в основном за счет канала (в силу
указанного выше различия в удельных сопротивлениях).
Увеличение ширины р-л-перехода уменьшает толщину
канала и, следовательно, увеличивает его сопротивление.
Это приводит к уменьшению тока между истоком и сто-
ком. Именно это явление позволяет управлять током с
помощью напряжения и соответствующего ему электри-
ческого поля. Если напряжение изи достаточно велико и
равно напряжению отсечки t/3U оотс, канал полностью пе-
рекрывается областью р-л-перехода.
В рабочем (не аварийном) режиме р-л-переход должен
находиться под обратным или нулевым напряжением.
Поэтому в рабочем режиме ток затвора примерно равен
нулю (г3= 0), а ток стока ic примерно равен току истока iu
93
Элементы электронные сеем
Важно учитывать, что на ширину р-и-перехода и тол-
щину канала прямое влияние может оказывать напряже-
ние между истоком и стоком иис
Пусть ию = 0 (между истоком и затвором включена за-
коротка) и подано положительное напряжение иис
(рис. 1.87). Это напряжение через закоротку окажется по-
данным на промежуток затвор — сток, т. е. окажется, что
изс ~ ииси что /’-«-переход находится под обратным напря-
жением.
Обратное напряжение в различных областях р-и-пере-
хода различно. В областях вблизи истока это напряжение
практически равно нулю, а в областях вблизи стока это
напряжение равно величине иис. Поэтому р-п -переход бу-
дет шире в тех областях, которые ближе к стоку. Обычно
считают, что напряжение в канале от истока к стоку уве-
личивается линейно.
Рис. 1.87
Электроника------------------------------- 94
! Можно утверждать, что при иис = отс канал полнос-
тью перекроется вблизи стока. При дальнейшем увеличе-
нии напряжения иис та область канала, в которой он пе-
рекрыт, будет расширяться (рис. 1.88).
Рис. 1.88
1.3.2. Характеристики и параметры
Кратко охарактеризуем различные схемы включения
полевого транзистора и рассмотрим его характеристики и
параметры.
Схемы включения транзистора. Для полевого транзис-
тора, как и для биполярного, выделяют три схемы вклю-
чения. Для полевого транзистора это схемы с общим за-
твором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС).
Наиболее часто используются схемы с общим истоком.
Для понимания особенностей работы некоторого элек-
тронного устройства очень полезно уметь относить конк-
ретное решение к той или иной схеме включения (если
схема такова, что это в принципе возможно).
Моделирующие программы при замене транзистора
математической моделью никак не учитывают способ
включения транзистора. Важно понять, что если даже на
стадии разработки математической модели имеет место
ориентация на конкретную схему включения, то на ста-
дии использования эта модель должна правильно модели-
ровать транзистор во всех самых различных ситуациях.
95
Элементы электронные скеМ
При объяснении влияния напряжения им на ширину
р-л-перехода фактически использовалась схема с общим
истоком (см. рис. 1.87). Рассмотрим характеристики, со-
ответствующие этой схеме (что общепринято).
Так как в рабочем режиме i3 « 0, iu =ic, входными харак-
теристиками обычно не пользуются. Например, для тран-
зистора КП103Л, подробно рассматриваемого ниже, для
тока утечки затвора 1ЗУТ при t < 85°С выполняется усло-
вие 1ЗУТ < 2 мкА.
Изобразим схему с общим истоком (рис. 1.89).
Выходные (стоковые) характеристики. Выходной ха-
рактеристикой называют зависимость вида
f(UUC =const >
где /— некоторая функция.
Изобразим выходные характеристики для кремниево-
го транзистора типа КП103Л с р-л-переходом и каналом
p-типа (рис. 1.90).
Обратимся к характеристике, соответствующей условию
изц = 0. В так называемой линейной области (иас < 4 В) ха-
рактеристика почти линейна (все характеристики этой
96
Линейная область
(крутая область,
область открытого
состояния, «оми-
ческая область»)
Рис. 1.90
области представляют собой почти прямые линии, вееро-
образно выходящие из начала координат). Она определя-
ется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в
линейной области, можно использовать в качестве линей-
ного управляемого сопротивления.
При иис ~ 3 В канал в области стока перекрывается.
Дальнейшее увеличение напряжения приводит к очень
незначительному росту тока ic, так как с увеличением на-
пряжения область, в которой канал перекрыт (характери-
зующаяся очень большим удельным сопротивлением),
расширяется. При этом сопротивление на постоянном
токе промежутка исток-сток увеличивается, а ток ic прак-
тически не изменяется.
Ток стока в области насыщения при изи = 0 и при за-
данном напряжении иис называют начальным током сто-
ка и обозначают через 1С нач. Для рассматриваемых харак-
97 -------------- Элементы, электронные с%еМ
теристик 1снач = 5 мА при иис = 10 В. Для транзистора типа
КП103Л минимальное значение тока 1С Н0Ч равно 1,8 мА, а
максимальное — 6,6 мА. При иис > 22 В возникает пробой
р-л-перехода и начинается быстрый рост тока.
Теперь кратко опишем работу транзистора при различ-
ных напряжениях иж Чем больше заданное напряжение
изи, тем тоньше канал до подачи напряжения иис и тем
ниже располагается характеристика.
Как легко заметить, в области стока напряжение на
р-л-переходе равно сумме иж +иис. Поэтому чем больше
напряжение изи, тем меньше напряжение иис, соответству-
ющее началу пробоя.
Когда изи = 3 В, канал оказывается перекрыт областью
р-и-перехода уже до подачи напряжения иис. При этом до
пробоя выполняется условие /с= 0. Таким образом, U3U отс =
«ЗВ.
Для рассматриваемого типа транзистора минимальное
напряжение отсечки +2 В, а максимальное +5 В. Эти ве-
личины соответствуют условию ic~ 10 мкА. Это так назы-
ваемый остаточный ток стока, который обозначают через
Ц.ост.-
Полевой транзистор характеризуется следующими пре-
дельными параметрами (смысл которых понятен из обо-
значений). UUCJMKC, UXMaKCt Рмакс
Для транзистора КП103Л В, U3rM.. =15 В,
Риак(,=120 мВт (все при t = 85”С).
Графический анализ схем с полевыми транзисторами.
Для лучшего уяснения принципа работы схем с полевы-
ми транзисторами полезно провести графический анализ
одной из них (рис. 1.91). Пусть Ес— 4 В; определим, в ка-
ких пределах будет изменяться напряжение иис при изме-
нении напряжения изи от 0 до 2 В.
При графическом анализе используется тот же подход,
который был использован при анализе схем с диодами и
биполярными транзисторами. Для рассматриваемой схе-
4 Электроника
WsS Электроника. ------------------------------ 98
мы, в которой напряжение между затвором и истоком рав-
но напряжению источника напряжения изи, нет необходи-
мости строить линию нагрузки для входной цепи. Линия
нагрузки для выходной цепи задается выражением
Построим линию нагрузки на выходных характеристи-
ках транзистора, представленных на рис. 1.92. Из рисун-
ка следует, что при указанном выше изменении напряже-
ния изи напряжение иис будет изменяться в пределах от 1
до 2,6 В, что соответствует перемещению начальной рабо-
чей точки от точки А до точки В. При этом ток стока бу-
дет изменяться от 1,5 до 0,7 мА.
Рис. 1.91
Рис. 1.92
Стокозатворные характеристики (характеристики пе-
редачи, передаточные, переходные, проходные характерис-
тики). Стокозатворной характеристикой называют зави-
симость вида
ic=Z(^)|Uuc=C0ns(,
где f — некоторая функция.
Такие характеристики не дают принципиально новой
информации по сравнению с выходными, но иногда бо-
лее удобны для использования. Изобразим стокозатвор-
ные характеристики для транзистора КП103Л (рис. 1.93).
99
Элементы электронные сеем
Для некоторых транзисторов задается максимальное
(по модулю) допустимое отрицательное напряжение изи,
например, для транзистора 2П103Д это напряжение не
должно быть по модулю больше чем 0,5 В.
Параметры, характеризующие свойства транзистора
усиливать напряжение.
Крутизна стокозатворной характеристики S (крутизна
характеристики полевого транзистора): S=
dic
du3U
изи-заданное •
иис -const
Обычно задается u3U=Q. При этом для транзисторов рас-
сматриваемого типа крутизна максимальная. Для КП103Л
S — 1,8...3,8 мА/B при иис = 10В, мзи=0, /= 20°С.
Внутреннее дифференциальное сопротивление Ruc диф
(внутреннее сопротивление) Ruc диф=
duuc
die
uuc — заданное
u3U = const
Для КП103Л Ruc диф « 25 кОм при 1/^= 10 В, изи=0.
Коэффициент усиления
du3u
— заданное
ic = const
100
Электроника -----------------------------
’ Можно заметить, что
М Кис. диф •
Для К.П103Л при 5=2 мА/B и Ruc диф= 25 кОм
= 2 (мА/В) • 25 кОм = 50.
М=
Инверсное включение транзистора. Полевой транзистор,
как и биполярный, может работать в инверсном режиме.
При этом роль истока играет сток, а роль стока — исток.
Прямые (нормальные) характеристики могут отличать-
ся от инверсных, так как области стока и истока различа-
ются конструктивно и технологически.
Частотные (динамические) свойства транзистора. В по-
левом транзисторе в отличие от биполярного отсутствуют
инжекция неосновных носителей и их перемещение по
каналу, и поэтому не эти явления определяют динамичес-
кие свойства. Инерционность полевого транзистора опре-
деляется в основном процессами перезаряда барьерной
емкости р-п -перехода. Свое влияние оказывают также па-
разитные емкости между выводами и паразитные индук-
тивности выводов.
В справочных данных часто указывают значения сле-
дующих дифференциальных емкостей, которые перечис-
лим ниже:
• входная емкость Сзи — это емкость между затвором
и истоком при коротком замыкании по переменно-
му току выходной цепи;
• проходная емкость Сх — это емкость между затво-
ром и стоком при разомкнутой по переменному току
входной цепи;
• выходная емкость Сис — это емкость между истоком
и стоком при коротком замыкании по переменно-
му току входной цепи.
101 --------------- Элементы, электронных схем Жааяг
Для транзистора КП103Л Сзи < 20 пФ, Сзс < 8 пФ при
иис = 10 В и иж = 0.
Крутизну S, как и коэффициент (3 биполярного тран-
зистора, в ряде случаев представляют в форме комплекс-
ного числа S. При этом, как и для коэффициента 0, оп-
ределяют предельную частоту fnped. Это та частота, на
которой выполняется условие:
Н = ^2 ^пт’
где Snm — значение S на постоянном токе.
Для транзистора КШОЗЛ данные по fnped в использован-
ных справочниках отсутствуют, но известно, что его отно-
сят к транзисторам низкой частоты (предназначенным для
работы на частотах до 3 МГц).
1.3.3. Математические модели
полевого транзистора
Рассмотрим две математические модели полевого тран-
зистора.
Универсальная модель.
Опишем с некоторыми несущественными упрощени-
ями модель, использующуюся в пакете программ Micro-
Cap II.
Приведем эквивалентную схему транзистора (рис. 1.94),
где обозначено:
• ги и гс — соответственно объемные сопротивления
истока и стока (это малые величины);
• iy — источник тока, управляемый напряжениями.
Приведем выражения, описывающие управляемый ис-
точник и полученные на основе анализа физических про-
цессов:
Электроника
102
для области отсечки
/у = 0примзи> U3U omc;
для линейной области
ly ~ Р ' (Цзи. отс ~изиУ ^ис ~ ' ^ис
при 0 < Uac < U3U отс изи
где Р — так называемая удельная крутизна;
для области насыщения
= 2 ' Р ' отс~ изи )
при U3U отс изи иис.
Продифференцируем последнее выражение по ызи:
103 --------------- Элементы электронных схем
Отсюда следует, что при U3U отс — им = 1 В Р = 5, что и
объясняет название — удельная крутизна (но следует учи-
тывать, что размерность Р — A/В2 или мА/В2).
В соответствии с приведенными выражениями точки
выходных характеристик, соответствующие началу режи-
ма насыщения, должны лежать на параболе, которая опи-
сывается следующим образом. На границе режима насы-
щения выполняется условие: U3Uomc—u3U=uuc. Из
выражений для тока iy как в линейной области, так и в
2
UC •
области насыщения получим: ic = jy=--[}-u
Дадим графическую иллюстрацию (рис. 1.95).
Для реальных транзисторов такое разграничение ли-
нейной области и области насыщения имеет место не все-
гда (отрицательный пример — транзистор КШОЗЛ).
С учетом сделанного замечания транзистор КШОЗЛ в
первом приближении можно описать приведенными вы-
ражениями при Р = 1,1 мА/В2.
Упрощенная эквивалентная схема для переменных со-
ставляющих сигналов. Для учебных целей, а также имея в
Электроника ------------------------------ 104
ваду простые приближенные расчеты, рассмотрим экви-
валентную схему, которую можно использовать, если из-
вестно, что транзистор работает в режиме насыщения
(которому соответствует область насыщения), и если ам-
плитуда и частота сигнала достаточно малы (рис. 1.96).
Знаком «~» отмечено, что используются переменные со-
ставляющие сигналов.
Знак «минус» в выражении — 5-мзи~ отражает тот факт,
что при увеличении напряжения между затвором и исто-
ком ток стока уменьшается.
1.3.4. Разновидности
полевых транзисторов
Полевые транзисторы с изолированным затвором. В тран-
зисторах этого типа затвор отделен от полупроводника
слоем диэлектрика, в качестве которого в кремниевых
приборах обычно используется двуокись кремния. Эти
транзисторы обозначают аббревиатурой МОП (металл-
окисел-полупроводник) и МДП (металл-диэлектрик-по-
лупроводник). В англоязычной литературе их обычно обо-
значают аббревиатурой MOSFET или MISFET (Metal-
Oxide (Insulator) — Semiconductor FET).
105 ------------- Элементы электронные с^еМ
В свою очередь МДП-транзисторы делят на два типа.
В так называемых транзисторах со встроенным (соб-
ственным) каналом (транзистор обедненного типа) и до
подачи напряжения на затвор имеется канал, соединяю-
щий исток и сток.
В так называемых транзисторах с индуцированным ка-
налом (транзистор обогащенного типа) указанный выше
канал отсутствует.
МДП-транзисторы характеризуются очень большим
входным сопротивлением. При работе с такими транзис-
торами надо предпринимать особые меры защиты от ста-
тического электричества. Например, при пайке все выво-
ды необходимо закоротить.
МДП-транзистор со встроенным каналом. Канал может
иметь проводимость как p-типа, так и л-типа. Для опре-
деленности обратимся к транзистору с каналом р-типа.
Дадим схематическое изображение структуры транзисто-
ра (рис. 1.97), условное графическое обозначение транзи-
стора с каналом p-типа (рис. 1.98, а) и с каналом л-типа
(рис. 1.98, б). Стрелка, как обычно, указывает направле-
ние от слоя р к слою л.
Рассматриваемый транзистор (см. рис. 1.97) может ра-
ботать в двух режимах: обеднения и обогащения.
Режиму обеднения соответствует положительное на-
пряжение w3„. При увеличении этого напряжения концен-
3 3
и п с и п с
Рис. 1.97
а б
Рис. 1.98
Жаж Электроника ------------------------------- 106
тр’ация дырок в канале уменьшается (так как потенциал
затвора больше потенциала истока), что приводит к
уменьшению тока стока.
Если напряжение изи больше напряжения отсечки, т. е.
если u3U > U3U отс, то канал не существует и ток между ис-
током и стоком равен нулю.
Режиму обогащения соответствует отрицательное на-
пряжение изи. При этом чем больше модуль указанного
напряжения, тем больше проводимость канала и тем боль-
ше ток стока.
Приведем схему включения транзистора (рис. 1.99).
На ток стока влияет не только напряжение изи, но и
напряжение между подложкой и истоком ипи. Однако уп-
равление по затвору всегда предпочтительнее, так как при
этом входные токи намного меньше. Кроме того, наличие
напряжения на подложке уменьшает крутизну.
Подложка образует с истоком, стоком и каналом
^-«-переход. При использовании транзистора необходи-
мо следить за тем, чтобы напряжение на этом переходе не
смещало его в прямом направлении. На практике подлож-
ку подключают к истоку (как показано на схеме) или к
точке схемы, имеющей потенциал, больший потенциала
Рис. 1.99
107 .......- Элементы, электронные сееМ
истока (потенциал стока в приведенной выше схеме мень-
ше потенциала истока).
Изобразим выходные характеристики МДП-транзисто-
ра (встроенный p-канал) типа КП201Л (рис. 1.100) и его
стокозатворную характеристику (рис. 1.101).
МДП-транзистор с индуцированным (наведенным) кана-
лом. Канал может иметь проводимость как p-типа, так и
Рис. 1.100
Рис. 1.101
108
л-типа. Для определенности обратимся к транзистору с
каналом p-типа. Дадим схематическое изображение струк-
туры транзистора (рис. 1.102), условное графическое обо-
значение транзистора с индуцированным каналом р-типа
(рис. 1.103, а) и каналом л-типа (рис. 1.103, б).
Рис. 1.102
3
Л
И П С
Рис. 1.103
При нулевом напряжении иж канал отсутствует (рис.
1.102) и ток стока равен нулю. Транзистор может работать
только в режиме обогащения, которому соответствует от-
рицательное напряжение изи. При этом ииз > 0.
Если выполняется неравенство ию > U^nopo* где ^ю.лорог —
так называемое пороговое напряжение, то между истоком
и стоком возникает канал p-типа, по которому может про-
текать ток. Канал p-типа возникает из-за того, что концен-
трация дырок под затвором увеличивается, а концен-
трация электронов уменьшается, в результате чего
концентрация дырок оказывается больше концентрации
электронов. Описанное явление изменения типа проводи-
мости называют инверсией типа проводимости, а слой по-
лупроводника, в котором оно имеет место (и который яв-
ляется каналом), — инверсным (инверсионным).
Непосредственно под инверсным слоем образуется слой,
обедненный подвижными носителями заряда. Инверсный
слой значительно тоньше обедненного (толщина инверс-
109
Элементы, электронные СК$М
ного слоя 1 • 10-9 ...5 • 10-9 м, а толщина обедненного слоя
больше в 10 и более раз).
Изобразим схему включения транзистора (рис. 1.104),
выходные характеристики (рис. 1.105) и стокозатворную
характеристику (рис. 1.106) для МДП-транзистора с ин-
дуцированным ^-каналом КП301Б.
Полезно отметить, что в пакете программ Micro-Cap II
для моделирования полевых транзисторов всех типов ис-
пользуется одна и та же математическая модель (но, есте-
ственно, с различными параметрами).
Рис. 1.105
Рис. 1.106
но
1.3.5. Применение принципа
полевого транзистора
Рассмотрим использование идей, реализованных в по-
левых транзисторах, в более сложных электронных устрой-
ствах.
Ячейка памяти на основе полевого транзистора с изоли-
рованным затвором (флэш-память). Рассмотрим структу-
ру и принцип действия ячейки так называемой флэш-па-
мяти.
Устройства флэш-памяти являются современными бы-
стродействующими программируемыми постоянными за-
поминающими устройствами (ППЗУ) с электрической
записью и электрическим стиранием информации (ЭСП-
ПЗУ; в аббревиатуре нет букв, соответствующих словам
«электрическая запись», так как такая запись подразуме-
вается).
Эти устройства являются энергонезависимыми, так как
информация не стирается при отключении питания.
Ячейки памяти выдерживают не менее 100 000 циклов
записи/стирания.
Изобразим упрощенную структуру ячейки флэш-памя-
ти (рис. 1.107).
Рис. 1.107
111 -------------- Элементы электронные сеем
Слои полупроводника, обозначенные через л+, имеют
повышенную концентрацию атомов-доноров. Изоляция
затворов для упрощения рисунка не показана. Структура
ячейки в некотором отношении подобна структуре
МДП-транзистора с индуцированным каналом л-типа.
Один из затворов называют плавающим, так как он
гальванически не связан с электродами прибора и его по-
тенциал изменяется в зависимости от заряда на нем («пла-
вающий» потенциал).
При записи информации в ячейку памяти электроны
из истока туннелируют через тонкий слой изолирующего
окисла кремния (толщиной около 1 • 10-8 м) и переходят
на плавающий затвор. Накопленный отрицательный заряд
на плавающем затворе увеличивает пороговое напряжение
U3U порог- Поэтому в будущем при обращении к транзисто-
ру такой ячейки он будет восприниматься как выключен-
ный (ток стока равен нулю).
При стирании информации электроны уходят с плава-
ющего затвора (также в результате туннелирования) в об-
ласть истока. Транзистор без заряда на плавающем затво-
ре воспринимается при считывании информации как
включенный.
Длительность цикла считывания (чтения) информации
составляет не более 85 нс. Состояние ячейки памяти мо-
жет сохраняться более 10 лет.
Полупроводниковые приборы с зарядовой связью (ПЗС).
Прибор с зарядовой связью имеет большое число распо-
ложенных на малом расстоянии затворов и соответствую-
щих им структур металл — диэлектрик — полупроводник
(МДП). Изобразим упрощенную структуру прибора с за-
рядовой связью (рис. 1.108).
При отрицательном напряжении на некотором затво-
ре под ним скапливаются дырки, совокупность которых
называют пакетом. Пакеты образуются из дырок, инжек-
тированных истоком или возникающих в результате гене-
рации пар электрон-дырка при поглощении оптического
Элетдпроника
112
и 31 32 33 34 35 36 с
щшг
^1,
20
ШИИИИИИЯ
п
Рис. 1.108
излучения. При соответствующем изменении напряжений
на затворах пакеты перемещаются в направлении от ис-
тока к стоку.
Приборы с зарядовой связью используются:
• в запоминающих устройствах ЭВМ;
• в устройствах преобразования световых (оптичес-
ких) сигналов в электрические.
Классификация полевых транзисторов такая же, как и
биполярных транзисторов, т. е. используется буквенно-
цифровой код, в котором второй элемент — буква П, оп-
ределяющая подкласс [3].
Примеры обозначения приборов:
КП310А — кремниевый транзистор малой мощности,
с граничной частотой более 30 МГц, номер раз-
работки 10, группа А;
2П701Б — кремниевый транзистор большой мощнос-
ти, с граничной частотой не более 30 МГц, номер
разработки 1, группа Б.
113
-- Элементы электронных, схем
1.4. ТИРИСТОРЫ
1.4.1. Устройство и основные
физические процессы
Тиристорами называют полупроводниковые приборы с
двумя устойчивыми режимами работы (включен, выклю-
чен), имеющие три или более ^-«-переходов.
Тиристор по своему принципу — прибор ключевого
действия. Во включенном состоянии он подобен замкну-
тому ключу, а в выключенном — разомкнутому ключу. Те
тиристоры, которые не имеют специальных электродов
для подачи сигналов с целью изменения состояния, а име-
ют только два силовых электрода (анод и катод), называ-
ют неуправляемыми, или диодными, тиристорами (дини-
сторами). Иначе тиристоры называют управляемыми
тиристорами, или просто тиристорами.
Они являются основными элементами в силовых устрой-
ствах электроники, которые называют также устройствами
преобразовательной техники. Типичными представителями
таких устройств являются управляемые выпрямители
(преобразуют переменное напряжение в однонаправлен-
ное) и инверторы (преобразуют постоянное напряжение
в переменное). Динисторы, как правило, используются в
слаботочных импульсных устройствах.
Существует большое количество различных тиристо-
ров. Для определенности вначале обратимся к так назы-
ваемому управляемому по катоду незапираемому тиристо-
ру с тремя выводами (два силовых и один управляющий),
который проводит ток только в одном направлении.
Дадим упрощенное изображение структуры тиристора
(рис. 1.109) и его условное графическое обозначение
(рис. 1.110).
Обратимся к простейшей схеме с тиристором (рис. 1.111),
где использованы следующие обозначения:
Электроники
114
Невыпрямляющие
контакты металл-
полупроводник
Рис. 1.109
К
Рис. 1.110
Рис. 1.111
115 -------------- Элементы злектронни^с^еМ
* ia — ток анода (силовой ток в цепи анод—катод ти-
ристора);
* иак — напряжение между анодом и катодом;
• iy — ток управляющего электрода (в реальных схе-
мах используют импульсы тока);
• иук — напряжение между управляющим электродом
и катодом;
• ипит ~ напряжение питания.
Предположим, что напряжение питания меньше так
называемого напряжения переключения Unep (ипит < U„ep)
и что после подключения источника питания импульс уп-
равления на тиристор не подавался. Тогда тиристор будет
находиться в закрытом (выключенном) состоянии. При
этом р-л-переходы П, и П3 будут смещены в прямом на-
правлении, а переход П2 — в обратном направлении (см.
рис. 1.109), поэтому ток тиристора будет малым (za = 0) и
будут выполняться соотношения иак = ипит, ur~Q (нагруз-
ка отключена от источника питания).
Если предположить, что выполняется соотношение
zznum > Unep или что после подключения источника пита-
ния (даже при выполнении условия ипит < Unef) был подан
импульс управления достаточной величины, то тиристор
будет находиться в открытом (включенном) состоянии.
При этом все три перехода будут смещены в прямом на-
правлении и будут выполняться соотношения иак ~ 1 В,
za = u^/R^, uR = ипит (т. е. нагрузка оказалась подключен-
ной к источнику питания).
Существуют тиристоры, для которых напряжение Unep
больше, чем 1 кВ, а максимально допустимый ток ia боль-
ше, чем 1 кА.
При изучении принципа работы тиристора очень важ-
но понять, что происходит в момент его включения и по-
чему переход П2 во включенном состоянии смещен в пря-
мом направлении. Для соответствующих объяснений
обратимся к условному изображению структуры тиристо-
Электроника----------------------------- 116
ра (рис. 1.112). Можно заметить, что такая структура со-
ответствует схеме на двух транзисторах (рис. 1.113). Вна-
чале рассмотрим процесс включения тиристора при =
= U„ep и iy = 0 (так называемое включение по аноду), од-
нако такой способ включения не рекомендуется исполь-
зовать на практике.
Рис. 1.113
Имеют место соотношения:
i/tl ’ 41 Iко\*
^к2 ^ап2 ' 41 + ко2'>
где а.стЪа.ст2з1ко\з1КО2 ~ соответственно статические
коэффициенты передачи токов эмиттеров и обратные
токи коллекторов транзисторов Т] и Т2.
117 --------------- Элементы электртны^схеМ Ж
Обозначим через 1КО общий обратный ток р-л-пер'ехо-
да П2> тогда
^ко ^ко\ Л:о2>
получим
(э! (э2 "" ^к\ + *к2»
откуда
^ст\ ’ 4i + ^ст2 ’ + ^ко* / \ •
Как уже отмечалось, коэффициенты передачи токов
транзисторов изменяются при изменении режимов рабо-
ты транзисторов.
При малых токах аси,|+ аст2<<1 и через тиристор про-
текает ток ia « /ко. При увеличении напряжения иак ток 1К0
возрастает, и вместе с этим возрастают коэффициенты аст1
и аст2. При приближении суммы асот1+ аст2 к единице ток
ia резко, скачкообразно возрастает и тиристор переходит
в открытое (включенное) состояние, после чего ток в схе-
ме ограничивается только сопротивлением нагрузки Лн.
Время, в течение которого тиристор переходит во вклю-
ченное состояние, составляет доли микросекунды или
единицы микросекунд (это так называемое время вклю-
чения /во).
Так как токи баз транзисторов велики и приближают-
ся по своим значениям к токам коллекторов, оба транзи-
стора находятся в режиме насыщения. Это означает, что
переход П2 тиристора смещен в прямом направлении.
Процесс включения тиристора можно объяснить и не
прибегая к представлению тиристора в виде двух транзи-
сторов. Но и при таком анализе вывод остается прежним:
переход П2 во включенном состоянии смещен в прямом
направлении. Такое состояние перехода П2 обеспечивает-
ся наличием избыточной (по сравнению с выключенным
состоянием тиристора) концентрацией в слоях л, и р2 не-
основных и основных носителей электричества. Это озна-
Электроника
118
чает, что во включенном состоянии в указанных слоях
имеются избыточные заряды.
Динисторы, естественно, могут включаться только по
аноду.
Теперь рассмотрим процесс включения тиристора при
подаче импульса управления и при условии, что иак< Unep
(так называемое включение по управляющему электроду).
Это рекомендуемый способ включения.
Обратимся к эквивалентной схеме на двух транзисто-
рах (см. рис. 1.113). Легко увидеть, что подача положитель-
ного напряжения на управляющий электрод относитель-
но катода вызывает появление тока базы транзистора Т2.
Это приводит к включению транзисторов эквивалентной
схемы, т. е. к включению тиристора, причем чем больше
ток управления, тем при меньшей величине напряжения
иак происходит включение тиристора. После окончания
импульса управления тиристор остается включенным.
Характерной особенностью рассматриваемого незапи-
раемого тиристора, который очень широко используется
на практике, является то, что его нельзя выключить с по-
мощью тока управления.
Для выключения тиристора на практике на него пода-
ют обратное напряжение иак< 0 и поддерживают это на-
пряжение в течение времени, большего так называемого
времени выключения 1выкЛ. Оно обычно составляет едини-
цы или десятки микросекунд. За это время избыточные за-
ряды в слоях я, и р2 исчезают. Для выключения тиристора
напряжение питания ипит в приведенной выше схеме (см.
рис. 1.111) должно изменить полярность.
После указанной выдержки времени на тиристор вновь
можно подать прямое напряжение (иак > 0), и он будет вы-
ключенным до подачи импульса управления.
Тиристор выключается также в случае, когда обратное
напряжение не подается, но ток ia уменьшается до неко-
торой малой величины, называемой током удержания
При этом напряжение на тиристоре увеличивается скач-
119
Элементы электронны^схеМ
кообразно. Такой способ выключения на практике ис-
пользуется редко, так как время выключения при этом
оказывается значительным.
Существуют так называемые запираемые тиристоры,
которые могут быть выключены с помощью тока управ-
ления.
Если на тиристор подано обратное напряжение иак<$,
то переходы П] и П3 смещаются в обратном направлении
и через тиристор протекает малый обратный ток.
Существуют и широко используются так называемые
симметричные тиристоры (симисторы, триаки). Каждый
симистор подобен паре рассмотренных тиристоров, вклю-
ченных встречно-параллельно (рис. 1.114). Дадим услов-
ное графическое обозначение симистора (рис. 1.115).
Lb ж.
Рис. 1.114
Рис. 1.115
1.4.2. Характеристики
Изобразим семейство статических выходных вольт-ам-
перных характеристик тиристора (рис. 1.116).
Различные характеристики соответствуют различным
значениям постоянного тока управления. Но важно по-
мнить, что на практике тиристор обычно включают не по-
стоянным, а импульсным током управления.
При расчете тиристорных схем используют также ха-
рактеристику цепи управления тиристора, т. е. цепи управ-
ляющий электрод—катод. Это зависимость вида iy=f (иук),
120
где f — некоторая функция. Такая характеристика подоб-
на характеристике диода.
В заключение изобразим семейство статических выход-
ных вольт-амперных характеристик симистора (рис. 1.117).
Рис. 1.117
121
Элементы электронные сеем
1.4.3. Графическим анализ схем
с тиристорами
Выполним анализ схемы с тиристором (рис. 1.118).
Составим для выходного контура уравнение линии на-
грузки:
^ак Е ^Н‘
Построим эту линию нагрузки на выходных характери-
стиках тиристора (рис. 1.119). Для определения значений
ia и иак необходимо найти ток управления:
Рис. 1.119
122
Ey Uy Еу
ly Ry *~R^>
так как напряжение uy близко к нулю.
Если iy > iy2, то режим работы тиристора соответствует
точке А (ток ia велик, а напряжение иак мало), т. е. тирис-
тор включен.
Если iy < iyi, то для определения положения рабочей
точки тиристора нужна дополнительная информация о
предыстории его работы. Если он уже был включен, то ре-
жим работы соответствует точке А, если был выключен, то
режим работы соответствует точке В.
1.4.4. Классификация
и система обозначений
Выпускаемые с 1980 г. тиристоры имеют классифика-
цию и систему обозначений, установленные ГОСТ
20859.1-89 и приведенные в [3]. Вместе с тем в эксплу-
атации находятся тиристоры, система обозначений кото-
рых регламентировалась стандартами (ГОСТ 10862-72,
ГОСТ 14069-72 и др.), в настоящее время отмененными.
В основу обозначений тиристоров положен буквенно-
цифровой код, состоящий из четырех элементов (ГОСТ
10862-72):
Первый элемент (буква или цифра) обозначает исход-
ный материал: Г, или 1, — германий; К, или 2, — крем-
ний; А, или 3, — арсенид галлия.
Второй элемент (буква) — вид прибора: Н — диодный
тиристор (динистор); У — триодный тиристор.
Третий элемент (число) обозначает основные функци-
ональные возможности прибора и номер разработки:
от 101 до 199 — диодные и незапираемые триодные ти-
ристоры малой мощности (/ос ср < 0,3 А, 10С Ср — средний
ток в открытом состоянии);
123
Элементы электронные с%ем
от 201 до 299 — диодные и незапираемые триодные ти-
ристоры средней мощности (0,3 А < Цс.ср.^ Ю А);
от 301 до 399 — триодные запираемые тиристоры ма-
лой мощности (1^. ср < 0,3 А);
от 401 до 499 — триодные запираемые тиристоры сред-
ней мощности (0,3 А < 10С.ср^ 10 А);
от 501 до 599 — симметричные незапираемые тиристо-
ры малой мощности (1осср < 0,3 А);
от 601 до 699 — симметричные незапираемые тиристо-
ры средней мощности (0,3 А < 70сс/) < 10 А).
Четвертый элемент (буква) А, Б, В и т. д. обозначает
типономинал прибора.
Буквенно-цифровой код системы в соответствии с ГОСТ
20859.1—89 состоит из следующих элементов:
первый элемент — буква или буквы, обозначающие вид
прибора: Т — тиристор; ТЛ — лавинный тиристор;
ТС — симметричный тиристор (симистор); ТО —
оптотиристор; ТЗ — запираемый тиристор; ТБК —
комбинированно выключаемый тиристор; ТД —
тиристор-диод;
второй элемент — буква, обозначающая подвид тири-
стора по коммутационным характеристикам: Ч —
высокочастотный (быстро включающийся) тирис-
тор; Б — быстродействующий; И — импульсный;
третий элемент — цифра (от 1 до 9), обозначающая
порядковый номер модификации (разработки);
четвертый элемент — цифра (от 1 до 9), обозначающая
классификационный размер корпуса прибора;
пятый элемент — цифра (от 0 до 5), обозначающая кон-
структивное исполнение;
шестой элемент — число, равное значению максималь-
но допустимого среднего тока в открытом состоянии
для тиристоров, лавинных тиристоров, оптотирис-
торов, комбинированно выключаемых тиристоров,
максимально допустимого импульсного тока для
импульсных тиристоров, максимально допустимого
Электронику-
124
действующего тока для симисторов и импульсного
запираемого тока для запираемых тиристоров. Для
тиристоров-диодов шестой элемент состоит из дро-
би, в числителе которой — значение максимально
допустимого среднего тока в открытом состоянии, а
в знаменателе — значение максимально допустимого
среднего тока в обратном проводящем состоянии;
седьмой элемент — буква X для приборов с обратной
полярностью (основание корпуса — катод);
восьмой элемент — число, обозначающее класс по по-
вторяющемуся импульсному напряжению в закры-
том состоянии (сотни вольт);
девятый элемент — группа цифр, обозначающая соче-
тание классификационных параметров: (du^/dt)^
для низкочастотных приборов (аббревиатура «зс»
означает запертое состояние, а аббревиатура «кр» —
критическое значение); (dw3(/d/)Kp и (выкл для высо-
кочастотных приборов; (dw^/dOx/,, teKJ, и 1выкЛ для бы-
стродействующих приборов; для симметричных ти-
ристоров (симисторов) и тиристоров-диодов вместо
(dux/dt)Kp классификационным параметром являет-
ся (dijdt)Kp.
Пример условных обозначений тиристоров по ГОСТ
20859.1-89:
ТЛ171-320-10-6 — тиристор лавинный первой модифи-
кации, размер шестигранника «под ключ» 41 мм, конст-
руктивное исполнение — штыревое с гибким катодным
выводом, максимально допустимый средний ток в откры-
том состоянии 320 А, повторяющееся импульсное напря-
жение в закрытом состоянии 1000 В (10-й класс), крити-
ческая скорость нарастания напряжения в закрытом
состоянии 500 В/мкс.
125 --------- Элементы, электронные cj^M
1.5. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
1.5.1. Общая характеристика
оптоэлектронных приборов
Оптоэлектронными называют приборы, которые чув-
ствительны к электромагнитному излучению в видимой,
инфракрасной и ультрафиолетовой областях, а также при-
боры, производящие или использующие такое излучение.
Излучение в видимой, инфракрасной и ультрафиоле-
товой областях относят к оптическому диапазону спект-
ра. Обычно к указанному диапазону относят электромаг-
нитные волны с длиной от 1 нм до 1 мм, что соответствует
частотам примерно от 0,5 • 1012 Гц до 5 • 1017 Гц. Иногда
говорят о более узком диапазоне частот — от 10 нм до
0,1 мм (=5 • 1012...5 • 1016 Гц). Видимому диапазону соответ-
ствуют длины волн от 0,38 мкм до 0,78 мкм (частота око-
ло, но меньше 1015 Гц).
На практике широко используются источники излуче-
ния (излучатели), приемники излучения (фотоприемни-
ки) и оптроны (оптопары).
Оптроном называют прибор, в котором имеется и ис-
точник, и приемник излучения, конструктивно объеди-
ненные и помещенные в один корпус.
Из источников излучения нашли широкое применение
светодиоды и лазеры, а из приемников — фоторезисторы,
фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.
Широко используются оптроны, в которых применя-
ются пары светодиод—фотодиод, светодиод—фототранзи-
стор, светодиод—фототиристор.
Перечислим основные достоинства оптоэлектронных
приборов:
• высокая информационная емкость оптических ка-
налов передачи информации, что является следстви-
ем больших значений используемых частот;
Электроника ---------------------------- 126
• полная гальваническая развязка источников и при-
емников излучения;
• отсутствие влияния приемника излучения на источ-
ник (однонаправленность потока информации);
• невосприимчивость оптических каналов к электро-
магнитным полям (высокая помехозащищенность).
1.5.2. Излучающий диод (светодиод) _
Излучающий диод, работающий в видимом диапазоне
волн, часто называют светоизлучающим, или светодиодом.
Рассмотрим устройство, характеристики, параметры и
систему обозначений излучающих диодов.
Устройство. Схематическое изображение структуры
излучающего диода представлено на рис. 1.120, о; его ус-
ловное графическое обозначение — на рис. 1.120, б.
Излучение возникает при протекании прямого тока
диода в результате рекомбинации электронов и дырок в
области />-л-перехода и в областях, примыкающих к ука-
занной области. При рекомбинации излучаются фотоны.
Характеристики и параметры. Для излучающих дио-
дов, работающих в видимом диапазоне (длина волны от
б
Рис. 1.120
127
Элементы, электронные сеем
0,38 до 0,78 мкм, частота около, но меньше 1015 Гц), ши-
роко используются следующие характеристики:
• зависимость яркости излучения L от тока диода i
(яркостная характеристика);
• зависимость силы света IN от тока диода /.
Для излучающих диодов, работающих не в видимом
диапазоне, используют характеристики, отражающие за-
висимость мощности излучения Р от тока диода /.
Изобразим яркостную характеристику для светоизлуча-
ющего диода типа АЛ102А (рис. 1.121). Цвет свечения это-
го диода — красный.
кц — кацдела
Изобразим график зависимости силы света от тока для
светоизлучающего диода типа АЛ316А (рис. 1.122) (цвет
свечения — красный).
Изобразим зону возможных положений (рис. 1.123)
графика зависимости мощности излучения от тока для
излучающего диода типа АЛ 119А, работающего в инфра-
красном диапазоне (длина волны 0,93...0,96 мкм).
Приведем для диода типа АЛ 119А его некоторые пара-
метры:
• время нарастания импульса излучения — не более
1000 нс;
Электроника
128
• время спада импульса излучения — не более 1500 нс;
• постоянное прямое напряжение при i = 300 мА — не
более 3 В;
• постоянный максимально допустимый прямой ток
при t < +85’С — 200 мА;
• температура окружающей среды —60...+85’С.
Для информации о возможных значениях коэффици-
ента полезного действия отметим, что излучающие дио-
ды типа ЗЛ115А, АЛ115А, работающие в инфракрасном
129 -------------- Элементы электронных схем Жввг
диапазоне (длина волны около 0,95 мкм, ширина спектра
не более 0,05 мкм), имеют коэффициент полезного дей-
ствия не менее 10%.
Система обозначений. Давно существующая система
обозначений предполагает использование двух или трех
букв и трех цифр, например АЛ316 или АЛС331 и приве-
дена в [3]. Первая буква указывает на материал, вторая
(или вторая и третья) — на конструктивное исполнение:
Л — единичный светодиод, ЛС — ряд или матрица свето-
диодов. Последующие цифры (а иногда буквы) обознача-
ют номер разработки. Нельзя не признать такую систему
несовершенной.
В настоящее время источники излучения обозначают-
ся как частный случай индикаторов. Современные обозна-
чения индикаторов содержат семь элементов.
Первый элемент — буква И, обозначающая принадлеж-
ность прибора к знакосинтезирующим индикаторам
(ЗСИ).
Второй элемент — буква, обозначающая вид индикато-
ра: Н — вакуумные накаливаемые; Л — вакуумные элект-
ролюминесцентные; Ж — жидкокристаллические; П —
полупроводниковые; Э — электролюминесцентные.
Третий элемент — буква, характеризующая отобража-
емую информацию: Д — единичная; Ц — цифровая; В —
буквенно-цифровая; Т — шкальная; М — мнемоническая;
Г — графическая.
Четвертый элемент — число, указывающее на поряд-
ковый номер разработки: номер с 1-го по 69-й — индика-
торы без встроенного управления; с 70-го по 99-й — со
встроенным управлением.
Пятый элемент — буква, обозначающая принадлеж-
ность индикатора к одной из классификационных групп
приборов, изготовленных по общему технологическому
процессу. Используются буквы русского алфавита от А до
Я (не употребляются 3, О, Ы, Ь, Ъ, Ш, Щ).
Электроника -------------------------- 130
Шестой элемент — дробь или произведение, характери-
зующее информационное поле индикатора (кроме единич-
ных индикаторов). Для одноразрядных и многоразрядных
сегментных индикаторов — дробь, числитель которой —
число сегментов, знаменатель — число разрядов. Для од-
норазрядных и многоразрядных матричных индикато-
ров — дробь, числитель которой — число разрядов, зна-
менатель — произведение числа элементов в строке на
число элементов в столбце. Для матричных индикаторов
без фиксированных знакомест — произведение числа
элементов в строке на число элементов в столбце. Для
мнемонических и шкальных индикаторов шестой элемент
указывает число элементов индикатора.
Седьмой элемент — буква, обозначающая цвет свечения.
Для одноцветных индикаторов: К — красный, Л — зеле-
ный, С — синий, Ж — желтый, Р — оранжевый, Г — го-
лубой (для одиночных и полупроводниковых индикаторов
всех видов). Для многоцветных индикаторов всех видов —
буква М.
Обозначение бескорпусных полупроводниковых инди-
каторов содержит цифру — восьмой элемент, определя-
ющий модификацию конструктивного исполнения: 1 —
с гибкими выводами без кристаллодержателя подложки;
2 — с гибкими выводами на кристаллодержателе; 3 —
с жесткими выводами без кристаллодержателя; 4 — с же-
сткими выводами на кристаллодержателе; 5 — с контакт-
ными площадками без кристаллодержателя и выводов; 6 —
с контактными площадками на кристаллодержателе без
выводов, кристалл на подложке; 7 — с жесткими вывода-
ми без кристаллодержателя, не разделенными на общей
пластине; 8 — с контактными пластинами без кристалло-
держателя и выводов, на общей пластине.
Иногда перед буквой И появляется буква К, что обо-
значает прибор широкого общепромышленного при-
менения.
131
Элементы электронные сееМ
1.5.3. Фоторезистор
Фоторезистором называют полупроводниковый рези-
стор, сопротивление которого чувствительно к электро-
магнитному излучению в оптическом диапазоне спектра.
Дадим схематическое изображение структуры фоторези-
стора (рис. 1.124, а) и его условное графическое обозна-
чение (рис. 1.124, б).
Поток излучения
Невыпрямляющие контакты
металл-полупроводник
а
б
Рис. 1.124
Поток фотонов, падающих на полупроводник, вызывает
появление пар электрон-дырка, увеличивающих проводи-
мость (уменьшающих сопротивление). Это явление называют
внутренним фотоэффектом (эффектом фотопроводимости).
Фоторезисторы часто характеризуются зависимостью
тока i от освещенности Е при заданном напряжении на
резисторе. Это так называемая люкс-амперная характери-
стика.
Изобразим такую характеристику для фоторезистора
типа ФСК-Г7, который работает в видимой части спект-
ра (рис. 1.125).
132
Рис. 1.125
Часто используют следующие параметры фоторезисто-
ров:
• номинальное темновое (при отсутствии светового
потока) сопротивление (для ФСК-Г7 это сопротив-
ление равно 5 МОм);
• интегральную чувствительность (чувствительность
называют интегральной, так как ее определяют при
освещении фоторезистора светом сложного спект-
рального состава).
Интегральная чувствительность (токовая чувствитель-
ность к световому потоку) S определяется выражением
где 1ф — так называемый фототок (это разность между то-
ком при освещении и током при отсутствии освеще-
ния);
Ф — световой поток.
Для фоторезистора ФСК-Г7 5 = 0,7 А/лм.
133
Элементы электронные с%ем
1.5.4. Фотодиод
Рассмотрим устройства, основные физические процес-
сы, характеристики и параметры фотодиода.
Устройство и основные физические процессы. Изобразим
упрощенную структуру фотодиода (рис. 1.126, а) и его ус-
ловное графическое обозначение (рис. 1.126, б).
Поток излучения
АО
I I
--------------------
Область р-л-перехода
«К
а
Рис. 1.126
Физические процессы, протекающие в фотодиодах,
носят обратный характер по отношению к процессам,
протекающим в светодиодах. Основным физическим яв-
лением в фотодиоде является генерация пар электрон-
дырка в области р-л-перехода и в прилегающих к нему
областях под действием излучения.
Электрическое поле р-л-перехода разделяет электроны
и дырки. Неосновные носители электричества, для кото-
рых поле является ускоряющим, выводятся этим полем за
переход. Основные носители задерживаются полем в сво-
ей области проводимости.
Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению
обратного тока диода при наличии обратного напряжения
и к появлению напряжения иак между анодом и катодом
при разомкнутой цепи. Причем в соответствии со сделан-
ным замечанием о разделении электронов и дырок иак > О
(дырки переходят к аноду, а электроны — к катоду).
Электроника----------------------------- 134
* Характеристики и параметры. Фотодиоды удобно ха-
рактеризовать семейством вольт-амперных характеристик,
соответствующих различным световым потокам (световой
поток измеряется в люменах, лм) или различным освещен-
ностям (освещенность измеряется в люксах, лк).
Обратимся к вольт-амперным характеристикам (ВАХ)
фотодиода (рис. 1.127). Пусть вначале световой поток ра-
вен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет
ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю,
то фотоны, проникая в область р-я-перехода, вызывают
генерацию пар элекгрон-дырка. Под действием электри-
ческого поля р-я-перехода носители электрода движутся
к электродам (дырки — к электроду слоя р, электроны —
к электроду слоя я). В результате между электродами воз-
никает напряжение, которое возрастает при увеличении
светового потока. При положительном напряжении анод-
катод ток диода может быть отрицательным (четвертый
квадрант характеристики). При этом прибор не потребля-
ет, а вырабатывает энергию.
На практике фотодиоды используют и в так называе-
мом режиме фотогенератора (фотогальванический режим,
вентильный режим), и в так называемом режиме фотопре-
образователя (фотодиодный режим).
135 -------------- Элементы эл&дрроннюса&М
Режим фотогенератора имеет место при и > 0 и / < О
(четвертый квадрант). При этом диод отдает энергию во
внешнюю цепь (и • I < 0). В этом режиме работают солнеч-
ные элементы. В настоящее время коэффициент полезно-
го действия солнечных элементов достигает 20%. Пока
энергия, вырабатываемая солнечными элементами, при-
мерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, не-
фти или урана. Но ожидается, что стоимость энергии,
получаемой с помощью солнечных батарей, будет сни-
жаться.
Режим фотопреобразователя соответствует соотношени-
ям м < 0 и /< 0 (третий квадрант). В этом режиме фотоди-
од потребляет энергию (и • i > 0) от некоторого обязатель-
но имеющегося в цепи внешнего источника напряжения
(рис. 1.128). Графический анализ этого режима выполня-
ется при использовании линии нагрузки, как и для обыч-
ного диода. При этом характеристики обычно условно
изображают в первом квадранте (рис. 1.129).
Рис. 1.128
Рис. 1.129
Фотодиоды являются более быстродействующими при-
борами по сравнению с фоторезисторами. Они работают
на частотах 107—10*° Гц. Фотодиод часто используется в
оптопарах светодиод-фотодиод. В этом случае различные
характеристики фотодиода соответствуют различным то-
кам светодиода (который при этом создает различные све-
товые потоки). Изобразим соответствующие току светоди-
Электроника ---------------------------- 136
ода 20 мА характеристики фотодиода, входящего в опто-
пару АОД112А-1 (рис. 1.130, а).
При этом ток / и напряжение и фотодиода соответству-
ют обычным для диодов условно-положительным направ-
лениям (рис. 1.130, б).
Рис. 1.130
б
1.5.5. Фототранзистор и фототиристор
Выходные характеристики фототранзистора подобны
выходным характеристикам обычного биполярного тран-
зистора, но теперь положение характеристик определяется
не током базы, а уровнем освещенности (или величиной
светового потока).
Свойства фототиристора подобны свойствам обычно-
го тиристора, однако с той лишь особенностью, что вклю-
чение тиристора осуществляется не с помощью импульса
тока управления, а с помощью светового импульса.
137 -----
1.5.6.
-------- Элементы электронные сеем
Оптрон (оптопара)
Оптрон — полупроводниковый прибор, содержащий
источник излучения и приемник излучения, объединен-
ные в одном корпусе и связанные между собой оптичес-
ки, электрически или одновременно обеими связями.
Очень широко распространены оптроны, у которых в ка-
честве приемника излучения используются фоторезистор,
фотодиод, фототранзистор и фототиристор.
В резисторных оптронах выходное сопротивление при
изменении режима входной цепи может изменяться в
1О7...1О8 раз. Кроме того, вольт-амперная характеристика
фоторезистора отличается высокой линейностью и сим-
метричностью, что и обусловливает широкую примени-
мость резисторных оптопар в аналоговых устройствах.
Недостатком резисторных оптронов является низкое бы-
стродействие — 0,01...1 с.
В цепях передачи цифровых информационных сигна-
лов применяются главным образом диодные и транзистор-
ные оптроны, а для оптической коммутации высоковольтных
сильноточных цепей — тиристорные оптроны. Быстро-
действие тиристорных и транзисторных оптронов харак-
теризуется временем переключения, которое часто лежит
в дипазоне 5...50 мкс. Для некоторых оптронов это время
меньше.
Рассмотрим несколько подробнее оптопару светоди-
од-фотодиод. Дадим условное графическое обозначение
этой оптопары (рис. 1.131, о).
Рис. 1.131
Жаег Электроника ------------------------------ 138
’ Напомним, что излучающий диод (слева) должен быть
включен в прямом направлении, а фотодиод — в прямом
(режим фотогенератора) или в обратном направлении (ре-
жим фотопреобразователя).
Воспользуемся общепринятым выбором условно-поло-
жительных направлений для токов и напряжений диодов
оптопары (рис. 1.131, б).
Изобразим зависимость тока ieblx от тока /вх при мвых=0
для оптопары АОДЮ7А (рис. 1.132).
Рис. 1.132
Указанная оптопара предназначена для работы как в фо-
тогенераторном, так и в фотопреобразовательном режиме.
1.5.7. Разновидности индикаторов
К основным типам индикаторов относятся: полупро-
водниковые индикаторы (ППИ), вакуумные люминес-
центные индикаторы (ВЛИ), газоразрядные индикаторы
(ГРИ) и жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ).
Простейшими ППИ являются светодиоды. Помимо
них выпускаются цифровые и буквенно-цифровые, одно-
и многоразрядные, шкальные и матричные ППИ. Они
характеризуются высокой яркостью, большим сроком
службы, низким рабочим напряжением, имеют малую
инерционность и очень стойки к механическим воздей-
ствиям.
139
Элементы электронные. скеМ
ВЛИ представляют собой вакуумный триод, содержа-
щий прямонакальный катод, сетку и несколько анодов,
покрытых люминофором и расположенных в одной плос-
кости. При подаче напряжения накала катод испускает
электроны, которые под действием электрических полей
сетки и анодов устремляются к анодам, и люминофор ано-
дов начинает светиться.
Индикаторы этого типа обладают большой яркостью и
долговечностью, незначительной потребляемой мощнос-
тью и хорошо сопрягаются с микросхемами на МДП-
структурах.
Газоразрядные индикаторы до появления ВЛИ и ППИ
были основными приборами техники индикации. И сей-
час они широко применяются из-за высокой яркости,
малой потребляемой мощности и высокого быстродей-
ствия. Но значительные рабочие напряжения (сотни
вольт) не позволяют подключить ГРИ непосредственно к
микросхемам.
Практически все ГРИ представляют собой газоразряд-
ные диоды, содержащие один или несколько катодов и
анод. При увеличении разности потенциалов между ано-
дом и некоторым катодом ток через такой диод резко воз-
растает, а газ начинает светиться.
ЖКИ имеют небольшие размеры, питаются от источ-
ника с низким напряжением, потребляют очень малую
мощность (не более 100 мкВт) и обеспечивают хорошую
четкость знаков при самом различном наружном освеще-
нии.
Поясним подробнее, что же такое жидкие кристаллы.
Среди большого количества различных веществ, находя-
щихся в жидком состоянии, значительная часть состоит из
молекул, имеющих форму нити. Под воздействием элек-
трического поля и в определенном диапазоне температур
(1О...55вС) в таких веществах возникает специфический
эффект динамического рассеивания, в результате которого
их коэффициент преломления (как для проходящего, так
Электроника --------------------------- 140
и для отраженного света) изменяется, и жидкость, непроз-
рачная в нормальном состоянии, начинает пропускать
свет (она оказывается подобной твердому кристаллу). Та-
ким образом, сами жидкокристаллические индикаторы
света не излучают. Для них необходимы источники посто-
роннего света той или иной длины волны.
1.6. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Операционный усилитель (ОУ) — это высококаче-
ственный усилитель, предназначенный для усиления как
постоянных, так и переменных сигналов. Ранее такие уси-
лители использовали главным образом в аналоговых вы-
числительных устройствах для выполнения математических
операций (сложения, вычитания и т. д.). Это объясняет
происхождение термина «операционный». В настоящее
время очень широко используются операционные усили-
тели в виде полупроводниковых интегральных схем. Эти
схемы содержат большое число (десятки) элементов (тран-
зисторов, диодов и т. д.), но по размерам и стоимости при-
ближаются к отдельным транзисторам. Оказалось, что
операционные усилители очень удобно использовать для
решения самых различных задач преобразования и гене-
рирования маломощных сигналов, поэтому эти усилите-
ли очень широко используются на практике.
При инженерной разработке электронных устройств на
основе операционных усилителей полезно иметь пред-
ставление о внутренней структуре операционных уси-
лителей, особенно об устройстве входных и выходных
каскадов, что помогает правильно решать вопросы согла-
сования операционных усилителей с источниками вход-
ных сигналов и приемниками преобразованных сигналов.
141 --------------- Элементы электронных схем
Однако во многих случаях нет необходимости учиты-
вать особенности электронной схемы, реализованной в
том или ином операционном усилителе. При этом опера-
ционный усилитель рассматривается как «черный ящик»,
который описывается характеристиками и параметрами,
соответствующими токам и напряжениям только внешних
выводов. Особенности электрических процессов во внут-
ренних цепях операционного усилителя при таком подхо-
де не учитываются. Именно поэтому начальные сведения
по операционным усилителям даются в начальном разде-
ле курса электроники, в котором изучают электронные
приборы (диоды, транзисторы и т. д.).
Вообще следует отметить, что при обращении к тому
или иному объекту как электроники, так и других облас-
тей науки и техники всегда можно выделить следующие
две тенденции. Первая тенденция состоит в стремлении
как можно подробнее изучить и учесть внутреннюю струк-
туру и внутренние процессы объекта, а вторая — в стрем-
лении охарактеризовать объект так, чтобы эта структура
и эти процессы учитывались как можно меньше. В отно-
шении операционного усилителя можно сказать, что пред-
ставление его в форме «черного ящика» значительно уп-
рощает анализ электронных схем и обычно дает вполне
приемлемые практические результаты.
1.6.1. Краткое описание
операционного усилителя
Рассмотрим наиболее широко используемые разновид-
ности операционных усилителей, для питания которых
применяются два источника напряжения (обычно +15 В
и —15 В). По-другому это называют питанием от источни-
ка с нулевым выводом или от расщепленного источника
±15 В.
142
Приведем один из вариантов условного графического
обозначения операционного усилителя (рис. 1.133). Обо-
значение общего вывода «0V» расшифровывается как
«ноль вольт». Для уяснения назначения выводов изобра-
зим типичную схему на операционном усилителе — схе-
му инвертирующего усилителя (рис. 1.134).
Инвертирующий вход
Неинвертирующий вход
Выводы для подключения
положительного
и отрицательного
напряжения питания
Общий вывод
Рис. 1.133
Ниже будет показано, что если входное напряжение ивх
достаточно мало по модулю, то выходное напряжение ивых
определяется выражением
Рис. 1.134
143
Элементы, электронные. а&М
и = — и —
"вых ex D .
К1
Часто на схемах выводы +U, — Un 0V не указывают (но,
естественно, подразумевают) и используют упрощенное
условное графическое обозначение (рис. 1.135). При этом
приведенная выше типичная схема приобретает упрощен-
ный вид (рис. 1.136).
Рис. 1.136
Рис. 1.135
В литературе, особенно зарубежной, часто используют
условные графические обозначения, не соответствующие
стандарту, принятому у нас (рис. 1.137).
Инвертирующий вход
Неинвертирующий вход
Выход
Рис. 1.137
Электроника--------------------------- 144
’ Обозначим напряжения на выводах операционного
усилителя (рис. 1.138).
о-
I
Рис. 1.138
Напряжение идиф между инвертирующим и неинверти-
рующим входами называют дифференциальным напряже-
нием (дифференциальным сигналом). Ясно, что
идиф =и+- и_.
Операционные усилители конструируют таким обра-
зом, чтобы они как можно больше изменяли напряжение
«выхпри изменении дифференциального сигнала (т. е. раз-
ности «+ — и_) и как можно меньше изменяли напряже-
ние ивых при одинаковом изменении напряжений и+ и и_.
Пусть идиф = 0. Сделаем обозначение: иСФ= и+ = и_. На-
пряжение исф называют синфазным напряжением (син-
фазным сигналом). Используя этот термин, можно ска-
зать, что операционные усилители конструируют таким
образом, чтобы влияние синфазного сигнала на выходное
напряжение было как можно меньше.
1.6.2. Передаточная характеристика
Операционный усилитель хорошо характеризует его
передаточная характеристика — зависимость вида
“вых f (Идиф)’
где /— некоторая функция.
145 -------------- Элементы электронны^с^еМ
Изобразим график этой зависимости (рис. 1.139)" для
операционного усилителя К140УД1Б (это один из первых
отечественных операционных усилителей). Эта конкрет-
ная характеристика не проходит через начало координат.
У различных экземпляров операционных усилителей од-
ного и того же типа эта характеристика может проходить
как слева, так и справа от начала координат. Заранее пред-
сказать точное положение этой характеристики невозмож-
но. Значение напряжения идиф, при котором выполняется
условие ивых = 0, называют напряжением смещения (на-
пряжением смещения нуля) и обозначают через UCM Для
операционного усилителя типа К140УД1 известно только
то, что напряжение UCM лежит в диапазоне от —10 до
+10 мВ. А это означает, что при нулевом напряжении идиф
напряжение ивых может лежать в пределах от минимально
возможного (около —7 В) до максимально возможного
(около +10 В).
Для того чтобы при нулевом усиливаемом сигнале на-
пряжение на выходе было равным нулю, т. е. для того что-
бы передаточная характеристика проходила через начало
координат, предусматривают меры по компенсации на-
пряжения смещения (балансировка, коррекция нуля, на-
Электроника ---------------------------- 146
стройка нуля). В некоторых операционных усилителях (в
том числе и типа К140УД1Б) не предусмотрены специаль-
ные выводы, воздействуя на которые можно было бы
компенсировать напряжение смещения. В этом случае на
входы операционного усилителя, кроме усиливаемого сиг-
нала, нужно подавать напряжение, компенсирующее на-
пряжение смещения. В некоторых операционных усилите-
лях для компенсации напряжения смещения предусмотрены
специальные выводы. Изобразим типовую схему включения
операционного усилителя типа К140УД8А, в котором пре-
дусмотрены такие выводы (рис. 1.140).
Через NC обозначены специальные выводы для балан-
сировки. Цифрами обозначены номера выводов.
Диапазон выходного напряжения, соответствующий
почти вертикальному участку передаточной характеристи-
ки, называется областью усиления. Соответствующий это-
му диапазону режим работы называют режимом усиления
(линейным, активным режимом). В линейном режиме
^вых К ’ Чдиф*
где К — коэффициент усиления по напряжению (коэффи-
циент усиления напряжения, коэффициент усиления
дифференциального сигнала).
147 -------:------ Элементы, электронных схем
Обычно величина К лежит в пределах 10*... 105. К при-
меру, для операционного усилителя типа К140УД1Б
К = 1350...12 000, для операционного усилителя К140УД14А
К не менее 50 000.
Диапазоны выходного напряжения вне области усиле-
ния называются областями насыщения. Соответствующий
этим областям режим называют режимом насыщения.
Обычно считается, что в режиме насыщения выполняет-
ся условие
«вЫХ ~^^пшп ЗВ (при Ыдиф > 0)
или
«вых = ~ипит + 3 В (при идиф < 0),
где +U„um и — Unum — напряжения питания.
В приближенных расчетах иногда считают, что в режи-
ме насыщения ивых = +£/яиш или ивых = -U„um.
Реальные электронные устройства на основе операци-
онного усилителя практически всегда имеют коэффици- '
ент усиления значительно меньше К, так как в них ис-
пользуется отрицательная обратная связь. Пример схемы
с отрицательной обратной связью приведен на рис. 1.134.
Легко заметить, что чем больше коэффициент К при
заданных напряжениях+U„,.„ и — £/ЯИЯ1, тем меньше тот ди-
апазон значений напряжения идиф, который соответству-
ет режиму усиления. Так, если К— 5ООООи+£7яюя = |_^|ЯМЯ1=
= 15 В, то величина не может превышать значения
15 / 50000 = 300 • 10-6 В = 300 мкВ. Если наперед извест-
но, что операционный усилитель работает в режиме уси-
ления, то при практических расчетах обычно принимают,
чтои^-0.
148
1.6.3. Влияние различных факторов
на выходное напряжение
операционного усилителя
При практическом использовании операционного уси-
лителя необходимо учитывать, что различные факторы
могут существенно влиять на его выходное напряжение.
Влияние синфазного напряжения на выходное напряже-
ние. Обратимся к схеме (рис. 1.141), в которой имеется
только синфазный сигнал иСф(идиф— 0). Изобразим типич-
ный график зависимости ивых от исф для операционного
усилителя (рис. 1.142).
Рис. 1.142
149
Элементы электронные с$еМ
Если модуль |ме^| сравнительно мал, то синфазный сиг-
нал слабо влияет на напряжение ивых. Иначе его влияние,
как следует из графика, может быть очень существенным.
Если синфазный сигнал оказывается чрезмерно большим
по модулю, то операционный усилитель может выйти из
строя. Влияние синфазного сигнала при его малых по
модулю значениях характеризуют коэффициентом усиле-
ния синфазного сигнала К.сф и коэффициентом ослабле-
ния синфазного сигнала К^. сф:
и К
тт* _ ивых If
’• ^ос.сф v •
^сф К~сф
Коэффициент К всегда положителен. Коэффициенты
К^ и К^ сф могут быть как положительными, так и отрица-
тельными. Но в справочных данных обычно указывают мо-
дули этих коэффициентов. Модуль коэффициента К^ обыч-
но близок к единице, поэтому модуль коэффициента
обычно такого же порядка, что и коэффициент К. Коэффи-
циент Кос сф часто измеряют в децибелах, обозначая его в
этом случае через Кос сф дБ:
Кос. сф. дБ 20 " log (Кдс с^|.
Например, для операционного усилителя типа
К140УД1Б при напряжении питания ±12,6 В синфазный
сигнал исф должен лежать в пределах —6...+6 В. Для этого
усилителя коэффициент К^. сф дБ не меньше 60 дБ. Это оз-
начает, что модуль (К^ с^| не меньше 1000.
Влияние входных токов ни выходное напряжение. Рас-
смотрим схему с операционным усилителем, во входной
цепи которого включены два резистора (рис. 1.143).
В этой схеме источники входных сигналов отсутству-
ют, однако входные токи /+ и i_ для реальных операцион-
ных усилителей не равны нулю. Эти токи могут быть в
зависимости от типа операционного усилителя и положи-
тельными, и отрицательными. Если во входном каскаде
операционного усилителя используются биполярные
150
транзисторы, то токи /+ i_ обычно лежат в пределах от де-
сятков наноампер до единиц микроампер, а если исполь-
зуются полевые транзисторы, то они обычно лежат в пре-
делах от долей пикоампер до десятков наноампер.
К примеру, для операционного усилителя типа К140УД1Б
токи /+, i_ при t = 85’С не превышают 11 мкА (во входном
каскаде — биполярные транзисторы), а для усилителя
К140УД8А типовое значение этих токов при t = 70°С рав-
но 10 нА (во входном каскаде — полевые транзисторы с
р-л-переходом).
Даже если выполняется равенство i+ = i_, но сопротив-
ления Л+ и R_ различны (R+ * 7?_), разность падений на-
пряжения на этих сопротивлениях будет воспринята
усилителем как дифференциальный сигнал и вызовет по-
явление напряжения на нагрузке. Поэтому стремятся к
тому, чтобы эквивалентные сопротивления цепей, под-
ключенных к инвертирующему и неинвертирующему вхо-
дам, были одинаковыми. К сожалению, токи i+ и /_ не
всегда одинаковы, и это является еще одной причиной на-
рушения режима работы операционного усилителя.
Влияние температуры, напряжения питания и времени
(старения) на выходное напряжение. Влияние указанных
факторов проявляется в том, что под их воздействием из-
меняется напряжение смещения UCM. Для приближенной
151
Элементы электронные сееМ.
оценки этого влияния можно считать, что напряжение
UCM может изменяться следующим образом:
• на единицы — десятки микровольт при изменении
температуры на ГС;
• на единицы — десятки микровольт при изменении
напряжения питания на 1 В;
• на доли — единицы микровольт при увеличении
срока службы схемы на 1 месяц.
1.6.4. Амплитудно-частотная,
фазочастотная характеристики
операционного усилителя и его
эквивалентная схема
При увеличении частоты f уменьшается коэффициент
К и возникает сдвиг по фазе <р между напряжениями идиф
и ивых (предполагается, что эти напряжения синусоидаль-
ные). Для учета этого удобно использовать комплексный
коэффициент усиления по напряжению К:
g _ вых
й диф
где Uвых, Uдиф — соответственно комплексные действую-
щие значения переменных напряжений идиф и ивых.
На практике широко используют графики амплитудно-
частотной и фазочастотной характеристик для К. Каждую
отдельную характеристику или пару этих характеристик
называют диаграммой Боде.
На практике модуль | К | часто измеряют в децибелах,
обозначая его при этом через |К| дБ.
По определению | К |d£ — 20-lg| К |.
Электроника ---------------------------- 152
' Изобразим схематически амплитудно-частотную и фа-
зочастотную характеристики для операционного усилите-
ля типа К140УД8 (рис. 1.144, а, б).
а
По оси ординат будем откладывать как значения |к|,
так и значения |к| дБ.
Обратим внимание на тот факт, что для оси абсцисс
каждого графика используется логарифмический масштаб.
Очень важно отметить, что несмотря на то, что модуль
|к| и сдвиг по фазе начинают уменьшаться уже при очень
малых частотах (около 10 Гц), подобные операционные
усилители могут вполне успешно работать на значитель-
но более высоких частотах (в десятки и сотни килогерц).
153
Элементы электронные сееМ
Дело в том, что в практических схемах, как уже отмеча-
лось, обычно используется отрицательная обратная связь,
а она, как будет показано ниже, значительно улучшает
частотные свойства схем на основе операционных усили-
телей.
У некоторых операционных усилителей частотные ха-
рактеристики таковы, что возможно самовозбуждение
(при этом усилитель на основе операционного усилителя
превращается в генератор). Для необходимого изменения
частотных характеристик используют корректирующие
устройства (конденсаторы или 7?С-цепочки). Выводы опе-
рационного усилителя, предназначенные для подключе-
ния корректирующих цепей, обозначают через FC (от
англ, frequency correction). Операционный усилитель
К140УД8 не требует использования внешних корректиру-
ющих цепей.
Простейшая эквивалентная схема операционного уси-
лителя изображена на рис. 1.145. Она может использовать-
ся только на низких частотах (или на постоянном токе).
Функция отражает особенности передаточной ха-
рактеристики операционного усилителя. Часто принима-
ют, что Rm= °° (i_ = i+ — 0), Reba = 0, АГ—> <».
Выход
"вых
ВХОД
Рис. 1.145
Электроника -------------------------- 154
1.7. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
Интегральные микросхемы часто называют просто ин-
тегральными схемами. По определению интегральная схе-
ма (ИС) — микроэлектронное изделие (т. е. изделие с
высокой степенью миниатюризации), выполняющее оп-
ределенную функцию преобразования и обработки сигна-
ла и имеющее высокую плотность упаковки электрически
соединенных элементов (или элементов и компонентов)
и (или) кристаллов, которое с точки зрения требований к
испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассмат-
ривается как единое целое.
Элемент интегральной схемы — часть интегральной схе-
мы, реализующая функцию какого-либо электрорадио-
элемента (резистора, диода, транзистора и т. д.), причем
эта часть выполнена нераздельно от других частей и не мо-
жет быть выделена как самостоятельное изделие с точки
зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эк-
сплуатации.
Компонент интегральной схемы в отличие от элемента
может быть выделен как самостоятельное изделие с ука-
занной выше точки зрения.
По конструктивно-технологическим признакам интег-
ральные схемы обычно разделяют на:
• полупроводниковые;
• гибридные;
• пленочные.
В полупроводниковой схеме все элементы и межэле-
ментные соединения выполнены в объеме или на поверх-
ности полупроводника. В таких схемах нет компонентов.
Это наиболее распространенная разновидность интеграль-
ных схем.
Интегральную схему называют гибридной, если она
содержит компоненты и (или) отдельные кристаллы по-
лупроводника.
155 -------------- Элементы электронных схем Жауг
В пленочных интегральных схемах отдельные элемен-
ты и межэлементные соединения выполняются на поверх-
ности диэлектрика (обычно используется керамика). При
этом применяются различные технологии нанесения пле-
нок из соответствующих материалов.
По функциональным признакам интегральные схемы
подразделяют на аналоговые (операционные усилители,
источники вторичного электропитания и др.) и цифровые
(логические элементы, триггеры и т. п.).
Краткая историческая справка. Первые опыты по со-
зданию полупроводниковых интегральных схем были осу-
ществлены в 1953 г., а промышленное производство интег-
ральных схем началось в 1959 г. В 1966 г. был начат выпуск
интегральных схем средней степени интеграции (число
элементов в одном кристалле до 1000). В 1969 г. были со-
зданы интегральные схемы большой степени интеграции
(большие интегральные схемы, БИС), содержащие до
10 000 элементов в одном кристалле.
В 1971 г. были разработаны микропроцессоры, а в
1975 г. — интегральные схемы сверхбольшой степени ин-
теграции (сверхбольшие интегральные схемы, СБИС), со-
держащие более 10 000 элементов в одном кристалле. По-
лезно отметить, что предельная частота биполярных
транзисторов в полупроводниковых интегральных схемах
достигает 15 ГГц и более (1 ГГц = 1091ц).
Освоено производство интегральных схем, содержащих
более 100 млн МОП транзисторов в одном кристалле (речь
идет о цифровых схемах).
Система обозначений. Условное обозначение интеграль-
ных микросхем включает в себя основные классификаци-
онные признаки. Оно состоит из четырех элементов и
приведено в [3].
Первый элемент — цифра, соответствующая конструк-
тивно-технологической группе. Цифрами 1, 5, 6 и 7 в пер-
вом элементе обозначаются полупроводниковые интеграль-
ные микросхемы. Гибридным микросхемам присвоены
Электроника -------------------------- 156
цифры 2, 4 и 8. Пленочные, вакуумные и керамические
интегральные микросхемы обозначаются цифрой 3.
Второй элемент, определяющий порядковый номер
разработки серии, состоит из двух (от 00 до 99) или трех
(от ООО до 999) цифр.
Третий элемент, обозначающий подгруппу и вид мик-
росхемы, состоит из двух букв (см. таблицу).
Четвертый элемент, обозначающий порядковый номер
разработки микросхемы данной серии, состоит из одной
или нескольких цифр.
К этим основным элементам обозначений микросхем
могут добавляться и другие классификационные признаки.
Дополнительная буква в начале четырехэлементного
обозначения указывает на особенность конструктивного
исполнения:
Р — пластмассовый корпус типа ДИП;
А — пластмассовый планарный корпус;
Е — металлополимерный корпус типа ДИП;
С — стеклокерамический корпус типа ДИП;
И — стеклокерамический планарный корпус;
Н — керамический «безвыводной» корпус.
К
Р 1 3 4 ЛА 2
Номер разработки
в серии
Функциональное назначение
(И-НЕ)
Порядковый номер серии
Группа по конструктивно-технологическо-
му исполнению (полупроводниковая)
Тип корпуса (пластмассовый)
Характер применения (широкий)
157 -------------- Элементы электронные с%ем
В начале обозначения для микросхем, используемых в
условиях широкого применения, приводится буква К.
Серии бескорпусных полупроводниковых микросхем
начинаются с цифры 7, а бескорпусные аналоги корпусных
микросхем обозначаются буквой Б перед указанием серии.
Через дефис после обозначения указывается цифра,
характеризующая модификацию конструктивного испол-
нения: 1 — с гибкими выводами; 2 — с ленточными (па-
учковыми) выводами, в том числе на полиамидном носи-
теле; 3 — с жесткими выводами; 4 — на общей пластине
(неразделенные); 5 — разделенные без потери ориенти-
ровки (наклеенные на пленку); 6 — с контактными пло-
щадками без выводов.
1.8. СИЛОВЫЕ (МОЩНЫЕ)
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
Осознать значение силовых полупроводниковых при-
боров и вообще силовой электроники будет легче, если
учесть, что в настоящее время именно силовую электро-
нику некоторые эксперты считают наиболее интенсивно
развивающейся и перспективной областью техники.
Выше рассмотрены тиристоры — силовые приборы,
которые в свое время практически не имели конкурентов.
Тиристоры широко используются и в настоящее время. Но
теперь на первый план вышли другие силовые приборы,
которые и изучаются ниже.
1.8.1. Силовые (мощные) биполярные
транзисторы
Силовые транзисторы предназначены для управления
большими токами (в единицы, десятки ампер и более) и
Электроника---------------------------- 158
большими напряжениями (в десятки, сотни вольт и боль-
ше). Силовые транзисторы были разработаны вскоре пос-
ле изобретения в 1948 г. биполярных транзисторов. Совре-
менные силовые биполярные транзисторы обычно
являются кремниевыми.
По принципу действия, характеристикам и параметрам
мощные транзисторы, естественно, подобны маломощ-
ным, однако имеют определенные особенности. Эти осо-
бенности необходимо учитывать при проектировании как
самих силовых устройств, так и их систем управления.
Силовые модули. В схемах силовой электроники часто
используют типовые узлы (фрагменты), состоящие из не-
которого количества (обычно измеряемого единицами)
соединенных определенным образом мощных приборов.
К примеру, часто используют узел, состоящий из транзи-
стора и диода. Оказалось удобным размещать такие узлы
в одном корпусе. Соответствующее устройство принято
называть силовым модулем. Использование силовых моду-
лей часто упрощает конструирование и улучшает многие
параметры различных устройств силовой электроники.
Основная схема включения силового транзистора — схе-
ма с общим эмиттером. Для этой схемы, как следует из
изложенного выше, и входной (управляющий) ток (ток
базы), и входное (управляющее) напряжение (напряжение
между базой и эмиттером) достаточно малы. Поэтому
сравнительно легко формировать необходимый управля-
ющий сигнал.
Составной транзистор (схема Дарлингтона). Часто на
одной полупроводниковой пластине формируют структу-
ры двух транзисторов, включенных по схеме Дарлингто-
на (рис. 1.146).
Эти два транзистора в совокупности называют состав-
ным транзистором. В общих чертах составной транзистор
подобен обычному, но, естественно, имеет и свои Отличия.
Легко заметить, что дифференциальный коэффициент
передачи базового тока 0 для составного транзистора оп-
ределяется равенством
159
Элементы электронные скеМ
Р ~ р, • р2,
где Р|, Р2 — дифференциальные коэффициенты передачи
базового тока соответственно транзисторов Тх и Т2.
Даже для сравнительно небольших значений коэффи-
циентов Pj и Р2 значение коэффициента Р составляет ты-
сячи. Таким образом, для составного транзистора управ-
ляющий ток (ток базы) может быть в тысячи раз меньше
тока нагрузки (тока коллектора). Это значительно упро-
щает управление составным транзистором.
По существу в составном транзисторе силовым являет-
ся только транзистор Т2, так как ток его коллектора во
много раз больше тока коллектора транзистора Т\ (отно-
шение этих токов определяется коэффициентом Р2).
Входное напряжение составного транзистора, обеспе-
чивающее его включенное состояние (режим насыщения),
больше соответствующего напряжения обычного транзи-
стора, так как равно сумме входных напряжений двух
транзисторов. Тем не менее оно остается достаточно ма-
лым (не более нескольких вольт).
Напряжение между коллектором и эмиттером в режи-
ме насыщения составного транзистора также превышает
соответствующее напряжение обычного транзистора.
Причина в том, что по существу в режиме насыщения ра-
ботает только транзистор Тх, а транзистор Т2 остается в
активном режиме. Напряжение между коллектором и ба-
Электроника --------------------------- 160
зой транзистора Т2 (т. е. напряжение между коллектором
и эмиттером транзистора Г,) остается положительным и
в режиме насыщения транзистора 1\. Однако и для со-
ставного транзистора напряжение между коллектором и
эмиттером в режиме насыщения невелико (обычно не бо-
лее 2 В).
Силовые интегральные схемы. Рассматривая составной
транзистор, легко усвоить важное понятие современной
силовой электроники — понятие силовой интегральной
схемы.
В ряде случаев на одной полупроводниковой пластине,
кроме двух транзисторов, формируют дополнительные
элементы (рис. 1.147).
Резисторы R{ и R2 увеличивают максимально допусти-
мое напряжение между коллектором и эмиттером, умень-
шают время выключения.
Диод D обеспечивает протекание тока по направлению
от эмиттера к коллектору составного транзистора при за-
пертых транзисторах 1\ и Т2. Он необходим во многих
схемах силовой электроники.
161
Элементы, электронные а&М Ждет
Подобные устройства силовой электроники, содержа-
щие в одном корпусе и силовые, и слаботочные элемен-
ты, называют силовыми интегральными схемами.
Интеллектуальные силовые интегральные схемы. Сла-
боточные элементы могут образовывать электронные систе-
мы, не уступающие по сложности интегральным микросхе-
мам. Эти системы выполняют многие функции по
управлению, защите и диагностике силовых интегральных
схем. Такие устройства по существу являются устройствами
информативной (информационной) электроники, которые
предназначены не для управления большими токами и на-
пряжениями, а для преобразования и передачи электричес-
ких сигналов, содержащих некоторую информацию.
Силовые интегральные схемы, оснащенные электрон-
ными системами информативной электроники, называют
интеллектуальными (Smart Power Integrated Circuit).
Интеллектуальные приборы. Если в одном корпусе на-
ходится только один силовой прибор (транзистор), допол-
ненный системой информативной электроники, то гово-
рят об интеллектуальном приборе.
Интеллектуальный прибор обладает кардинальными
преимуществами по сравнению с обычным. К примеру,
если интеллектуальный прибор обнаруживает, что он на-
чинает перегреваться, он может «принять решение» вык-
лючиться и тем самым избежать выхода из строя.
Интеллектуальные силовые модули. Системы информа-
тивной электроники, естественно, могут размещаться и в
силовых модулях. Такие модули называют интеллектуаль-
ными (Intelligent Power Modulus).
Особенности режимов работы силовых транзисторов. Си-
ловые транзисторы обычно приходится использовать в тя-
желых режимах, достаточно близких к предельным. В про-
тивном случае стоимость силовых устройств, их вес и
габаритные размеры оказываются чрезмерно большими.
Температура кремниевого кристалла, составляющего
основу транзистора, может достигнуть 200°С и более. Ос-
6 Электроника
Электроника --------------------------- 162
новная доля мощности выделяется в области коллектор-
ного перехода и его температура наибольшая. Максималь-
но допустимая температура коллекторного перехода час-
то указывается в справочниках и используется в тепловых
расчетах. Часто, говоря о температуре коллекторного пе-
рехода, прилагательное «коллекторный» опускают (и по-
этому в справочниках фигурирует температура перехода).
В некоторых устройствах силовой электроники транзи-
стор работает в активном режиме (например, в рассмат-
риваемых ниже усилителях мощности). Однако в этом
режиме и ток коллектора, и напряжение между коллекто-
ром и эмиттером велики, и поэтому велика мощность рк,
выделяющаяся в коллекторном переходе. Это, во-первых,
снижает коэффициент полезного действия устройства, и,
во-вторых, создает проблемы с охлаждением транзистора.
Наиболее эффективным способом снижения мощнос-
ти рк является переход на ключевой режим работы тран-
зистора (режим переключения). При этом транзистор по-
давляющую долю времени или закрыт (работает в режиме
отсечки, причем ток коллектора практически равен нулю),
или полностью открыт (работает в режиме насыщения или
в близком к нему режиме, причем напряжение между кол-
лектором и эмиттером близко к нулю). В обоих случаях
мощность, выделяющаяся в коллекторном переходе, мала.
Только в короткие отрезки времени, соответствующие
переключению, указанные ток и напряжение одновремен-
но велики и мощность значительна. Но среднее значение
мощности остается малым и оно тем меньше, чем более
быстродействующим является транзистор и чем меньше
частота его переключения.
Мощность в режиме отсечки обычно значительно
меньше мощности в режиме насыщения. Поэтому при
расчетах мощность в режиме отсечки часто не учитывают.
Ниже (в главе 3) ключевой режим работы рассмотрен
подробнее.
163 -------------- Элементы электронные с%?М
Конечно, разработчик силовых устройств, ориентиру-
ясь на ключевой режим работы, сталкивается со многими
специфическими проблемами. Однако указанное преиму-
щество режима настолько велико, что только он исполь-
зуется в достаточно мощных устройствах.
Силовые транзисторы, как правило, предназначаются
для работы именно в ключевом режиме. Поэтому для них
важными являются следующие параметры:
• ^кэ.нае ~ напряжение между коллектором и эмитте-
ром в режиме насыщения при заданном токе кол-
лектора и заданном токе базы;
• параметры, определяющие быстродействие, в том
числе время включения и время выключения (под-
робнее рассмотрены в главе 3).
Пробой транзистора. Говоря о пробое транзистора и не
делая уточнений, обычно имеют в виду пробой коллектор-
ного р-л-перехода. Будем следовать этой традиции. Есте-
ственно, принципиально возможен пробой и эмиттерно-
го р-л-перехода. Однако для большинства случаев
практического применения биполярных транзисторов
проблема предотвращения пробоя эмиттерного перехода
является существенно менее сложной (и поэтому ниже не
рассматривается). Так как коллекторный и эмиттерный
переходы сильно взаимодействуют, на процесс развития
пробоя коллекторного перехода сильно влияет режим ра-
боты эмиттерного (т. е. режим работы цепи база-эмиттер).
Ниже этот вопрос рассмотрен подробнее. Но уже здесь
необходимо уяснить, что в общем случае пробой транзи-
стора — это пробой одного перехода (коллекторного),
сильно взаимодействующего с другим (эмиттерным).
В настоящем пункте рассматривается «обычный» про-
бой, подобный уже изученному пробою р-л-перехода ди-
ода. Такой пробой называют также первичным. В бипо-
лярных транзисторах может иметь место и так называемый
вторичный пробой, который описывается ниже.
Электронику----------------------------- 164
Явление пробоя будем рассматривать, главным обра-
зом, применительно к схеме с общим эмиттером - основ-
ной схеме включения силового транзистора.
При чрезмерном увеличении напряжения икз между
коллектором и эмиттером (подавляющая доля которого
приложена к коллекторному переходу, смещенному в об-
ратном направлении) транзистор входит в режим пробоя.
В этом режиме ток коллектора резко возрастает, что мо-
жет привести к выходу транзистора из строя.
Существуют различные механизмы пробоя. Наиболее
распространенными являются лавинный и тепловой (тер-
мический). Эти механизмы пробоя рассмотрены выше при
изучении р-п-перехода.
Обычно вначале возникает лавинный пробой, который
может перейти в тепловой.
Рассмотрим явление возникновения пробоя транзисто-
ра, работающего в режиме отсечки (с малыми токами кол-
лектора) при достаточно низкой температуре коллектор-
ного перехода. В этих условиях обычно имеет место
лавинный пробой.
Предварительно обратимся к схеме (рис. 1.148), по су-
ществу являющейся схемой с общей базой (хотя в ней от-
сутствует источник напряжения в цепи база—эмиттер).
Рис. 1.148
165 --------------- Элементы электронные &&М
В этой схеме режим отсечки обеспечивается тем, что
эмиттер отключен от внешних цепей и ток эмиттера ра-
вен нулю. Эмиттер транзистора такой схемы называют
оборванным.
В схеме с оборванным эмиттером используется только
коллекторный переход. Эмиттерный переход не влияет на
его режим работы и анализ режима пробоя упрощается.
Поэтому такой анализ удобно начинать именно с этой
схемы.
Пробой коллекторного перехода в схеме с оборванным
эмиттером совершенно аналогичен пробою р-л-перехода
диода.
В соответствии с изложенным выше, в рассматривае-
мой схеме, без учета эффекта Эрли, iK = 1К0.
Как следует из первого закона Кирхгофа, при этом
i6 = — iK = —, т. е. ток базы для используемого условно
положительного направления является отрицательным.
Изобразим выходную характеристику для схемы с об-
щей базой, соответствующую оборванному эмиттеру, в
крупном масштабе (рис. 1.149).
Эта характеристика подобна обратной ветви вольт-ам-
перной характеристики диода (но в соответствии с ис-
пользуемыми условно положительными направлениями
Электроника------------------------------ 166
тока iK и напряжения икб расположена не в третьем, а в
первом квадранте).
Через икбо про6 обозначено напряжение пробоя. В обо-
значении буква «о» указывает на оборванный эмиттер.
Вследствие того, что эмиттерный переход не влияет на
режим работы коллекторного, в схеме с оборванным эмит-
тером транзистор выдерживает наибольшее напряжение
Ек источника питания. В этом отношении схему можно
рассматривать как недостижимый идеал для схемы с об-
щим эмиттером, в которой пробой транзистора наступа-
ет при меньших напряжениях Ек.
Теперь обратимся к схеме с общим эмиттером (рис.
1.150), в которой режим отсечки обеспечивается отключе-
нием базы от внешних цепей (т. е. используется оборван-
ная база).
В схеме с оборванной базой взаимодействие коллектор-
ного перехода с эмиттерным проявляется в полной мере.
Как следует из изложенного выше, в рассматриваемой схе-
ме, без учета эффекта Эрли, iK = Гко, причем
1'ко = (Per + О ' 4о >> Не-
полезно вспомнить, что этот результат был получен
формально на основе выражения iK = аст i3 + 1К0, отра-
жающего взаимодействие переходов и связывающего токи
транзистора в схеме с общей базой. Дополнительные рас-
167 --------------- Элементы электронных схем ЖааВг
суждения о физике явления при этом не понадобились.
Основным исходным был тот факт, что коэффициент аСТ
близок к единице (так как почти все электроны, инжек-
тированные эмиттером, достигают коллектора). Вслед-
ствие этого коэффициент Рсг значительно больше едини-
цы (Рсг= аст/(1 ~ аст))-
Естественно, коллекторный и эмитгерный переходы
взаимодействуют и при развитии пробоя, что имеет след-
ствием значительный рост тока коллектора при напряже-
ниях, меньших напряжения
Изобразим выходную характеристику транзистора для
схемы с общим эмиттером с оборванной базой (i6-0) (рис.
1.151). На этой же координатной плоскости условно и в
соответствии со сложившейся традицией изобразим вы-
ходную характеристику для схемы с оборванным эмитте-
ром (/э = 0).
Кроме указанных характеристик на этом же рисунке
изображены выходные характеристики транзистора для
схемы с общим эмиттером при других режимах работы
цепи база—эмиттер. Там же указаны соответствующие на-
пряжения пробоя.
Характеристика X соответствует случаю, когда режим
отсечки создается с помощью напряжения Ех, запираю-
щего эмитгерный переход (рис. 1.152).
Электроника
168
Рис. 1.152
Характеристика К соответствует короткому замыканию
входной цепи (база и эмиттер соединяются закороткой).
Характеристика R относится к схеме, в которой база и
эмиттер соединены резистором с сопротивлением R.
Из рис. 1.151 следует, что в схеме с общим эмиттером
транзистор выдерживает наибольшее напряжение при
использовании запирающего напряжения во входной
цепи. Соответствующее напряжение пробоя может
быть достаточно близким к напряжению
Как напряжение UK3xnpo6, так и другие напряжения про-
боя для схемы с общим эмиттером могут зависеть от вре-
мени действия напряжения нкэ (для более коротких им-
пульсов допустимым является большее напряжение).
Напряжение UK3O npo6, соответствующее оборванной
базе, является наименьшим. Поэтому схему с оборванной
базой не рекомендуется использовать на практике.
Вторичный пробой. Уже в начале практического исполь-
зования транзисторов наблюдались катастрофические от-
казы, которые не находили объяснения. Ситуация обо-
стрилась с появлением мощных транзисторов. В 1958 г.
впервые был описан эффект, ответственный за многие
такие отказы, и введен термин «вторичный пробой».
169 -------------- Элементы электртныэссхеМ
Для вторичного пробоя характерно резкое уменьшение
напряжения между коллектором и эмиттером при росте
тока коллектора.
Часто вторичный пробой возникает при запирании
транзистора в процессе перехода из режима насыщения в
режим отсечки.
Интересно, что ограничение коллекторного тока с по-
мощью внешних цепей при вторичном пробое часто не
предотвращает выход транзистора из строя.
Явление вторичного пробоя достаточно сложное. Час-
то в качестве причины пробоя указывают неравномерное
распределение электрического тока под эмиттером, вызы-
вающее локальное повышение напряженности электри-
ческого поля. Из-за этого начинается лавинный пробой,
который затем переходит в тепловой. В результате может
произойти даже расплавление полупроводника.
Для вторичного пробоя характерен локальный разогрев
полупроводника, т. е. разогрев малой его области. При
этом образуется так называемый шнур — канал с повышен-
ной температурой и проводимостью, по которому проте-
кает все большая доля всего коллекторного тока.
Рассмотрим явление образования шнура (которое на-
зывают также шнурованием тока) подробнее. Если по ка-
ким-либо причинам плотность тока в некоторой области
коллекторного перехода оказалась повышенной, то это
приведет к повышению температуры этой области. В свою
очередь, рост температуры увеличит проводимость и плот-
ность тока и т. д. Произойдет локальный саморазогрев
полупроводника.
Диаметр шнура очень мал (он может составлять едини-
цы микрометров), поэтому шнур может возникнуть уже
при малом токе и малой мощности, выделяющейся в кол-
лекторном переходе, которой было бы явно недостаточ-
но для разогрева всей полупроводниковой пластины.
Инерционность теплового пробоя при шнуровании тока
также может быть очень незначительной. Пробой может
Электроника --------------------------- 170
развиться в течение времени, меньшего микросекунды.
Лавинный пробой развивается еще быстрее (в течение
наносекунд).
Область безопасной работы. Выше область безопасной
работы была определена без учета явления вторичного
пробоя. Для силовых транзисторов такой учет необходим.
Область безопасной работы для силового транзистора
принято изображать, используя логарифмический масш-
таб как для оси напряжения икз между коллектором и
эмиттером, так и для оси тока iK коллектора.
Легко показать, что в логарифмическом масштабе ли-
ния, ограничивающая область безопасной работы по мак-
симально допустимой мощности Ркмакс, является прямой
(в линейном масштабе эта линия — гипербола).
Линию, ограничивающую область безопасной работы
по вторичному пробою, в логарифмическом масштабе
обычно изображают также в виде прямой.
Максимально допустимое постоянное напряжение
между коллектором и эмиттером, использующееся при
определении области безопасной работы, соответствует
оборванной базе как наиболее опасному случаю. Обозна-
чим это напряжение через .
Изобразим типичную область безопасной работы (рис.
1.153) для статического режима.
Рис. 1.153
171 --------------- Элементы электронные сеем
В импульсном режиме область безопасной работы рас-
ширяется. При сокращении длительности импульсов тока
коллектора отрезок АВ смещается вверх, а отрезки ВС и
CD — вверх и вправо. Для достаточно коротких импуль-
сов область безопасной работы может стать прямоуголь-
ной и ограничиваться только максимально допустимым
импульсным током коллектора и напряжением UK30MaKC.
Иногда область безопасной работы дополняют подоб-
ластью, определяющей допустимые токи и напряжения для
такого режима входной цепи, который обеспечивает режим
отсечки более надежно, чем оборванная база. К примеру,
такая подобласть может соответствовать наличию резис-
тора, соединяющего базу и эмиттер и имеющего сопротив-
ление, не превышающее заданное значение. Изобразим
область безопасной работы с такой подобластью (рис.
1.154).
Рис. 1.154
Выход точки, характеризующей состояние транзистора
(с абсциссой и ординатой iK), за область безопасной ра-
боты вообще нежелателен, но особенно опасен при боль-
ших напряжениях и, соответственно, малых токах (в част-
ности, в области ограничения по вторичному пробою).
Часто к силовому транзистору подключают дополни-
тельные цепи (снабберы — от английского Snubber), ко-
Электроника ---------------------------- 172
торые препятствуют выходу траектории точки за область
безопасной работы при его переключениях.
Параллельное включение транзисторов. Такое включение
приходится использовать при больших токах нагрузки.
Для предотвращения перегрузки током одних транзисто-
ров (при недостаточной загрузке других) рекомендуется в
цепях эмиттеров использовать резисторы (рис. 1.155).
1.8.2. Силовые (мощные)
полевые транзисторы
Полевые транзисторы долгое время оставались мало-
мощными.
Первые промышленные образцы силовых полевых
транзисторов появились в 70-е гг. XX в.
В настоящее время полевой транзистор является одним
из наиболее важных и перспективных силовых приборов
электроники.
Как правило, силовые полевые транзисторы являются
кремниевыми. Перспективными являются транзисторы на
основе арсенида галлия.
173
Элементы электронные сеем
В настоящее время полевые транзисторы очень широко
(опережая в этом биполярные транзисторы) используются
в качестве основы интеллектуальных силовых интеграль-
ных схем, интеллектуальных приборов и интеллектуаль-
ных силовых модулей.
Из всего многообразия полевых транзисторов в сило-
вой электронике наиболее широко используются полевые
транзисторы с изолированным затвором и индуцирован-
ным каналом. Изложение ориентировано именно на эти
транзисторы.
Используются транзисторы как с каналом л-типа, так
и каналом р-типа.
Силовые полев.ые транзисторы, как и биполярные,
обычно работают в ключевом режиме. Поэтому для них,
как и для биполярных транзисторов, важными величина-
ми являются напряжение в открытом состоянии (теперь
это напряжение иис между истоком и стоком), а также вре-
мя включения и время выключения. Рабочая точка тран-
зистора в открытом состоянии находится в линейной
(«омической») области, причем напряжение иис определя-
ется сопротивлением гис цепи исток—сток транзистора.
Поэтому это сопротивление является важным параметром
полевого транзистора. В справочниках оно указывается
для заданного напряжения ииз между истоком и затвором.
Зная ток стока ic, напряжение иис легко вычислить, вос-
пользовавшись законом Ома:
^ис ' ^UC"
Часто говорят не о сопротивлении цепи исток—сток, а
о сопротивлении канала, так как оно составляет значи-
тельную долю сопротивления гис.
Проблема уменьшения сопротивления цепи исток-
сток и, в частности, сопротивления канала в настоящее
время является одной из наиболее актуальных и успешно
решается. Постоянно появляются новые типы силовых
полевых транзисторов со все меньшими значениями этих
сопротивлений.
Злектроиикя----------------------------- 174
Один из путей уменьшения сопротивления канала —
уменьшение его длины. Поэтому силовые транзисторы
имеют короткие каналы.
Многоканальность силовых полевых транзисторов. Для
снижения сопротивления цепи исток—сток и увеличения
максимально допустимого тока стока в силовых транзис-
торах используют многоканальные структуры (число ка-
налов — сотни и тысячи), причем каналы соединяют па-
раллельно.
Параллельное соединение большого количества кана-
лов оказывается возможным потому, что при увеличении
температуры в допустимом диапазоне сопротивление кана-
ла увеличивается. Если по какой-либо причине некоторый
канал окажется перегруженным током, то его температура
возрастет. Это приведет к увеличению сопротивления ка-
нала и к уменьшению его тока. Равномерная загрузка ка-
налов токами восстановится.
Высокая теплостойкость силовых полевых транзисторов.
Свойство канала увеличивать сопротивление при увеличе-
нии температуры является одним из важнейших достоинств
полевого транзистора. Это свойство резко снижает веро-
ятность саморазогрева и вторичного пробоя, описанных
при рассмотрении биполярного транзистора. Оно препят-
ствует дальнейшему росту тока стока при токовых пере-
грузках. Это свойство также позволяет использовать па-
раллельное включение силовых транзисторов без
дополнительных элементов.
Вертикальная структура силового полевого транзисто-
ра. Структуру маломощного полевого транзистора форми-
руют на одной стороне полупроводниковой пластины.
С одной стороны расположены исток, затвор и сток. Та-
кую структуру называют горизонтальной. Иллюстрацией
может служить схематическое изображение структуры
МДП-транзистора с индуцированным каналом, приведен-
ное выше.
175 -------------- Элементы, электронные а&Н.
Силовые полевые транзисторы имеют вертикальную
структуру, для которой характерно то, что исток и затвор
расположены с одной стороны полупроводниковой пласти-
ны, а сток — с другой. Электроны или дырки значительную
часть пути между истоком и стоком движутся в поперечном
направлении по отношению к пластине полупроводника.
Горизонтальный и вертикальный каналы. В силовых
транзисторах (имеющих вертикальную структуру) канал
может располагаться как горизонтально, так и вертикаль-
но (если говорить более точно, то почти вертикально).
Горизонтальный канал формируют параллельно, а верти-
кальный — почти перпендикулярно по отношению к по-
верхности полупроводниковой пластины.
МДП-транзистор, изготовленный методом двойной диф-
фузии (ДМДП-транзистор). Этот транзистор имеет гори-
зонтальный канал. Дадим схематическое изображение
структуры такого транзистора с каналом p-типа (рис. 1.156).
На рисунке показан один элемент структуры, содержащий
один канал.
Рис. 1.156
Подложкой является слой полупроводника л-типа.
Истоком является верхний слой полупроводника
/>-типа.
176
» Электроника
' Подложка соединена с истоком через металлический
контакт. Назначение этого соединения было указано при
описании полевых транзисторов.
Легко увидеть, что структура содержит паразитный
транзистор типа р-п-р и паразитный диод (образованный
подложкой и нижним слоем полупроводника р-типа).
Изобразим эквивалентную схему структуры ДМДП
(рис. 1.157).
В эквивалентную схему входит сопротивление R6 базо-
вой области биполярного транзистора. Это сопротивление
достаточно малое, поэтому в обычных режимах биполяр-
ный транзистор закрыт (соответствующие пояснения
были даны при изучении силового биполярного транзис-
тора) и оказывает слабое влияние на процессы в структу-
ре полевого транзистора.
Однако при быстром нарастании напряжения иис, т. е.
при большом значении производной этого напряжения по
времени duuc/dt через паразитные емкости, не показанные
на эквивалентной схеме, начинает протекать ток базы,
который может открыть биполярный транзистор. Это мо-
жет привести к выходу из строя силового полевого тран-
зистора. Описанный эффект называют эффектом du/dt.
177 -------------- Элементы электронные с%еМ
Диод, в зависимости от особенностей структуры сило-
вого транзистора, включают в эквивалентную схему или
так, как показано сплошной линией, или так, как пока-
зано пунктирной.
Если потенциал истока больше потенциала стока, что
соответствует нормальному включению транзистора, то
диод заперт.
V-образный МДП-транзистор (УМДП-транзистор).
Канал рассматриваемого транзистора — вертикальный.
Приведем схематическое изображение структуры тако-
го транзистора с каналом p-типа (рис. 1.158). Этот рису-
нок соответствует одному элементу структуры, содержа-
щему два канала.
Рис. 1.158
Легко заметить, что структура УМДП-транзистора по-
добна структуре ДМДП-транзистора. Поэтому и эквива-
лентная схема по существу остается прежней.
Эффект Миллера. Этот эффект имеет место и в бипо-
лярном транзисторе, но особые проблемы он создает при
использовании именно полевых транзисторов.
Обратимся к схеме (рис. 1.159) на основе МДП-тран-
зистора с каналом p-типа, на которой показаны емкости
Сж и Сх транзистора (рассмотрены при изучении полевого
транзистора).
Через иист обозначено напряжение, через iucm — ток, а
через Rucm — выходное сопротивление источника входно-
го сигнала.
Когда напряжение иист равно нулю, напряжение ииз
также равно нулю и транзистор находится в режиме отсеч-
ки. При этом ток нагрузки iH равен нулю и поэтому выпол-
няется равенство = Ес (используя второй закон Кирх-
гофа и закон Ома, легко показать, что иш = Ес — iH RH).
Учитывая, что = 0, получаем их = иис = Ес (в соот-
ветствии со вторым законом Кирхгофа их = иис — ииз). Та-
ким образом, проходная емкость Сзс будет заряжена до
напряжения источника питания. Полярность этого напря-
жения показана на рис. 1.159.
При возникновении напряжения иист достаточной ве-
личины транзистор начинает открываться.
Вначале рассмотрим идеализированную ситуацию, ког-
да влияние проходной емкости Сзс несущественно (хотя
179 --------------- Элементы электронных. а(ем 8F
реально именно эта емкость играет основную роль). Йри
этом напряжение на входной емкости Сж (т. е. напряже-
ние миз) будет увеличиваться по экспоненциальному зако-
ну с постоянной времени т, которая определяется выра-
жением т = Rucm Сзи. Чем больше входная емкость Ст, тем
медленнее будет открываться транзистор (что, как отме-
чалось при изучении силовых биполярных транзисторов,
имеет негативные последствия). Полярность напряжения
на входной емкости показана на рис. 1.159.
Теперь перейдем непосредственно к изучению эффек-
та Миллера и рассмотрим влияние проходной емкости Сзс
на процесс заряда входной емкости Сж.
Увеличение тока нагрузки будет приводить к уменьше-
нию напряжения иис (так как иис = Ес — iH • RH) и к умень-
шению напряжения изс (так как изс = иис — ию , причем
напряжение иис уменьшается, а напряжение ит увеличи-
вается). Проходная емкость Сзс начнет разряжаться. На
рисунке указано условно положительное направление для
тока ic этой емкости, соответствующее положительным
значениям тока разряда.
Легко заметить, что ток ic будет препятствовать росту
напряжения ииз. В результате напряжение ииз будет увели-
чиваться значительно медленнее, чем в идеализированной
ситуации.
При запирании транзистора проходная емкость также
будет оказывать вредное влияние, замедляя уже процесс
выключения транзистора.
Для количественной оценки степени влияния проход-
ной емкости вычисляют эквивалентную входную емкость
Сзи экв. Эквивалентная емкость в идеализированной ситу-
ации так же замедляет процесс переключения, как и со-
вместно действующие две емкости в реальной ситуации.
Можно показать, что
^из.экв = Сзи Сзс ' 0>
где Ки — коэффициент усиления по напряжению схемы.
gSr Электроника ---------------------------- 180
Легко показать, что в случае, когда сопротивление RH
не очень большое,
KU=S RH,
где S — крутизна стокозатворной характеристики (рас-
смотрена при изучении полевых транзисторов).
Эквивалентная емкость может многократно превышать
входную емкость Сзи.
Эффект Миллера состоит в увеличении входной экви-
валентной емкости из-за влияния проходной емкости.
Эффект Миллера, с одной стороны, замедляет пере-
ключение транзистора, а с другой - увеличивает ток, по-
требляемый от источника входного сигнала. Иногда этот
ток настолько возрастает, что работа источника входного
сигнала нарушается.
Область безопасной работы. Одним из преимуществ си-
ловых палевых транзисторов по сравнению с биполярными
является расширение области безопасной работы, так как
ограничение по вторичному пробою исчезает (рис. 1.160).
Рис. 1.160
При уменьшении длительности импульсов тока стока
отрезок АВ перемещается вверх, а отрезок ВС — вверх и
вправо. При достаточно коротких импульсах область бе-
зопасной работы становится прямоугольной.
181 ------------- Элементы электронны^схеМ
1.8.3. IGBT — биполярный транзистор
с изолированным затвором
Рассматриваемый транзистор обычно называют, ис-
пользуя именно аббревиатуру, IGBT — от английского
Insulated Gate Bipolar Transistor.
IGBT — гибридный полупроводниковый прибор. В IGBT
совмещены два способа управления электрическим током,
один из которых характерен для полевых транзисторов (уп-
равление электрическим полем), а второй — для биполяр-
ных (управление инжекцией носителей электричества).
Ранее предпринимались попытки (и довольно успеш-
ные) механического объединения структур полевого и
биполярного транзистора в одной полупроводниковой
пластине. В результате были созданы так называемые ком-
бинированные транзисторы. Но только органическое
объединение этих структур, реализованное в IGBT, дало
действительно значительный эффект.
Создание IGBT можно рассматривать как поучитель-
ный пример творчества в электронике.
Устройство IGBT. Основой при создании IGBT послу-
жил силовой МДП-транзистор.
Обычно в IGBT используется структура МДП-транзи-
стора с индуцированным каналом n-типа. Учитывая, что
конкретно такой транзистор не рассматривался, изобра-
зим его схему включения (рис. 1.161).
Рис. 1.161
Электроника -------------------------- 182
* Дадим схематическое изображение структуры силово-
го ДМДП-транзистора указанного типа (рис. 1.162).
Рис. 1.162
Эта структура, как и приводимая ниже эквивалентная
схема, естественно, подобны структуре и схеме, описан-
ным при изучении силового ДМДП-транзистора с кана-
лом р-типа.
Изобразим эквивалентную схему силового транзисто-
ра (рис. 1.163).
Рис. 1.163
183 ------------- Элементы электронных схем Жает
Теперь перейдем непосредственно к изучению IGBT.
Структура этого транзистора отличается от структуры
ДМДП-транзистора дополнительным слоем полупровод-
ника />-типа (рис. 1.164).
Обратим внимание на то, что для обозначения элект-
родов IGBT принято использовать термины «эмиттер»,
«коллектор» и «затвор».
Добавление слоя p-типа приводит к образованию вто-
рой структуры биполярного транзистора (типа р-п-р). Та-
ким образом, в IGBT имеется две биполярные структу-
ры — типа п-р-п и типа р-п-р.
Изобразим эквивалентную схему IGBT (рис. 1.165).
Названия выводов IGBT могут представляться несколь-
ко непривычными (особенно это относится к коллектору,
так как фактически он подключен к эмиттеру транзисто-
ра р-п-р). И тем не менее эти названия общеприняты.
Через RMod обозначено сопротивление нижнего слоя
л-типа, который является слоем базы для транзистора типа
р-п-р. При изменении тока, проходящего через этот слой,
сопротивление RMod изменяется (модулируется).
Электроника
184
Рис. 1.165
Дадим условное графическое обозначение IGBT (рис.
1.166).
Коллектор (К)
Затвор (3)
I Эмиттер (Э)
Рис 1.166
Изобразим схему включения IGBT (рис. 1.167).
Рис. 1.167
185 -------------- Элементы электронных схем Ждет
Эта схема с общим эмиттером. Именно она использу-
ется на практике.
Основные физические процессы. В нормальных услови-
ях работы транзистор Т2 типа п-р-п заперт и практически
не оказывает влияния на работу IGBT. Вообще транзис-
тор Т2 рассматривается как паразитный (как и для струк-
туры силового полевого транзистора).
Главную роль играют транзисторы Т\ и Т3.
Основное назначение дополнительного р-л-перехода
(который является эмитгерным переходом для транзисто-
ра Г3) состоит в инжекции дырок в нижний слой л-типа.
Инжекция значительно уменьшает сопротивление этого
слоя. В результате напряжение икэ между коллектором и
эмиттером IGBT в открытом состоянии значительно
уменьшается по сравнению с соответствующим полевым
транзистором.
Именно меньшее напряжение в открытом состоянии
является основным преимуществом IGBT по сравнению
с полевым транзистором.
Уменьшение напряжения приводит к пропорциональ-
ному снижению мощности, рассеиваемой транзистором.
Преимущество IGBT особенно заметно при коммута-
ции больших напряжений (около тысячи вольт и более),
так как высоковольтные полевые транзисторы имеют по-
вышенное значение сопротивления цепи сток—исток в от-
крытом состоянии.
Однако инжекция дырок приводит к возникновению
объемного заряда неравновесных носителей электричества
в базе транзистора типа р-п-р (т. е. в нижнем слое л-типа).
Это явление рассмотрено выше при изучении диода. Яв-
ление накопления заряда имеет следствием уменьшение
быстродействия IGBT по сравнению с полевым транзис-
тором. Такова плата за снижение напряжения в открытом
состоянии.
Легко заметить, что биполярные транзисторы Т2 и Т3
образуют рассмотренную выше эквивалентную схему ти-
ЖаВЕГ Электроника----------------------------- 186
ристора (часто говорят о тиристорной структуре). Эта схе-
ма может находиться в двух устойчивых состояниях: во
включенном и выключенном.
В аварийном для IGBT режиме работы схема на тран-
зисторах Т2 и Т3 может включиться и после этого IGBT
становится неуправляемым и может выйти из строя.
Эффект включения транзисторов Т2 и Т3 называют
триггерным. Он обычно проявляется при выключении
IGBT. Разработчики IGBT прилагают все усилия для борь-
бы с этим эффектом.
Современные IGBT настолько защищены от триггер-
ного эффекта, что их допустимо моделировать, используя
эквивалентную схему, не содержащую паразитный тран-
зистор типа п-р-п (рис. 1.168).
Характеристики IGBT. Обратимся к выходным харак-
теристикам IGBT для схемы с общим эмиттером. Выход-
ной характеристикой называют зависимость тока коллек-
тора 1К от напряжения между коллектором и эмиттером икэ
при заданном напряжении между затвором и эмиттером
и^, т. е. зависимость вида
187
Элементы электронные скеМ
4с f ^33 = const ’
где f — некоторая функция.
Вначале дадим общий типичный вид выходных харак-
теристик (рис. 1.169) без учета ограничения по максималь-
но допустимой мощности (т. е. для импульсов тока огра-
Теперь изобразим выходные характеристики в области
малых напряжений икэ (рис. 1.170).
Из рисунка следует, что ток коллектора начинает замет-
но расти после некоторого (в доли вольта) порогового зна-
чения напряжения ию . Это объясняется наличием р-п-
перехода в области коллектора IGBT.
188
' Передаточной характеристикой называют зависимость
вида
f 6^33^1 ^кэ — const >
где f — некоторая функция.
Изобразим передаточную характеристику (рис. 1.171).
На рисунке указано пороговое напряжение
IGBT характеризуется также крутизной передаточной
характеристики 5:
о diK
S = ——
du33
изэ — заданное
= const
Высокая теплостойкость IGBT. Как и полевой транзи-
стор, IGBT обладает достоинствами, позволяющими гово-
рить о его тепловой устойчивости.
Область безопасной работы IGBT подобна области бе-
зопасной работы силового полевого транзистора (рассмот-
рена выше).
IGBT устойчив к короткому замыканию нагрузки.- Если
после возникновения режима короткого замыкания тран-
189
Элементы электронныэса&М
зистор своевременно выключить, он не потеряет работо-
способность.
1.8.4. SIT — транзистор
со статической индукцией
Аббревиатура SIT соответствует английскому названию
транзистора — Static Induction Transistor.
По существу SIT — полевой транзистор с управляющим
^-«-переходом. Однако он имеет своеобразное устройство
и, вследствие этого, своеобразные характеристики.
Производятся SIT как с каналом л-типа, так и с кана-
лом р-типа.
Для SIT используются уже рассмотренные условные
графические обозначения полевых транзисторов с управ-
ляющим переходом.
Как и силовой МДП-транзистор, SIT является много-
канальным и имеет вертикальную структуру.
Устройство SIT. Дадим схематическое изображение
структуры SIT с каналом л-типа (рис. 1.172).
О з ри
п
б
Рис. 1.172
Электроника------------------------------ 190
рис. 1.172, а представлен вид спереди, а на рис.
1.172, б — вид сбоку.
Области полупроводника />-типа имеют форму цилин-
дров, диаметр которых составляет единицы микрометров
и более. Эта система цилиндров играет роль затвора. Каж-
дый цилиндр подсоединен к электроду затвора (на рис.
1.172, а электрод затвора условно не показан).
Пунктиром обозначены области ^-«-переходов.
Реально число каналов может составлять тысячи.
Обычно SIT используется в схеме с общим истоком
(рис. 1.173).
Рис. 1.173
Характерной особенностью SIT является очень малая
длина каналов (которая сравнима с диаметром цилиндров).
Физические процессы в SIT достаточно сложны. В от-
дельных моментах они подобны физическим процессам в
изученном полевом транзисторе с управляющим перехо-
дом.
При увеличении запирающего напряжения ииз облас-
ти ^-«-переходов расширяются. В этом отношении SIT
имеет общие черты с «обычным» полевым транзистором.
191
Элементы электронны^схеМ
Однако влияние напряжения иси на ток ic для SIT име-
ет другой характер по сравнению с «обычным» полевым
транзистором.
Для транзистора с «обычным» каналом, как это было
показано выше, увеличение напряжения ыси приводит к
тому, что канал перекрывается в области стока. После это-
го дальнейшее увеличение напряжения «си незначительно
изменяет ток ic. При этом рабочая точка, характеризую-
щая состояние транзистора, оказывается в области насы-
щения.
Падение напряжения в каждом канале SIT, вызванное
протеканием тока стока, невелико благодаря очень малой
длине каналов. Оно достаточно слабо влияет на расшире-
ние областей р-л-переходов. Поэтому увеличение напря-
жения мси не сопровождается уменьшением скорости ро-
ста тока ic (т. е. выходная характеристика при увеличении
напряжения иси не становится более пологой).
Более того, при увеличении напряжения иси уменьша-
ется напряженность электрического поля в области исто-
ка и затвора, тормозящего электроны при их движении от
истока к стоку. Это приводит к тому, что увеличение на-
пряжения иси сопровождается увеличением скорости рос-
та тока стока (т. е. выходная характеристика при увеличе-
нии напряжения «си становится более крутой).
Характеристики. Изобразим типичные выходные ха-
рактеристики SIT (рис. 1.174).
Такие вольт-амперные характеристики типичны и для
электроламповых триодов. Поэтому их называют триодны-
ми. Внутреннее дифференциальное сопротивление Кси,диф,
соответствующее таким характеристикам, невелико.
Изобразим стокозатворную характеристику (рис. 1.175).
Стокозатворные характеристики SIT отличаются про-
тяженными линейными участками. Эта особенность ха-
рактеристик и малое внутреннее сопротивление хорошо
соответствуют требованиям, предъявляемым к транзисто-
ру со стороны усилителей мощности звуковых частот вы-
сокого качества (класса HiFi — High Fidelity). Поэтому SIT
широко используется в этих усилителях.
SIT широко применяется и в других устройствах сило-
вой электроники. При этом он обычно работает в ключе-
вом режиме.
193 --------------- Элементы, электронных схем
Биполярный режим SIT. Если напряжение ииз становит-
ся отрицательным, управляющий ^-«-переход открывается
и SIT переходит в режим работы, подобный режиму ра-
боты биполярного транзистора. В этом режиме затвор игра-
ет роль базы. Достоинством биполярного режима является
малое напряжение между стоком и истоком в открытом со-
стоянии. Но ток затвора при этом значителен. Кроме того,
быстродействие транзистора в этом режиме существенно
уменьшается из-за явления накопления и рассасывания
заряда неравновесных носителей электричества.
1.8.5. Сравнительная характеристика
силовых полупроводниковых
приборов
Перечислим управляемые силовые полупроводниковые
приборы (дискретные или использующиеся в модулях и
силовых интегральных схемах), которые наиболее широ-
ко применяются в настоящее время:
• IGBT;
• МДП-транзистор;
• биполярный транзистор;
• SIT;
• тиристор;
• симистор;
• запираемый тиристор.
Выпускаемые промышленностью отдельные конкрет-
ные типы всех перечисленных выше транзисторов и тири-
сторов имеют высокие значения максимально допустимых
напряжений (сотни вольт) и максимально допустимых
токов (сотни ампер).
Существуют конкретные типы тиристоров, запираемых
тиристоров и IGBT, для которых максимально допустимое
напряжение существенно больше 1000 В, а максимально
допустимый ток существенно больше 1000 А.
7 Электроника
Жвег Электроника------------------------------ 194
Рекордные значения максимально допустимого напря-
жения и максимально допустимого тока по каждому си-
ловому полупроводниковому прибору постоянно растут.
Выбор полупроводникового прибора в качестве основы
устройства силовой электроники является ответственным
этапом. От этого выбора сильно зависят технико-эконо-
мические показатели разрабатываемого устройства.
При выборе прибора часто приходится учитывать боль-
шое число факторов. Из технических факторов обычно
наиболее важными являются значения:
• коммутируемых токов;
• коммутируемых напряжений;
• выходной мощности разрабатываемого устройства;
• частоты коммутации (переключения).
Характерные особенности силовых полупроводниковых
приборов. Эти особенности необходимо учитывать при
выборе прибора.
МДП-транзистор имеет наилучшие динамические свой-
ства. Он обладает неоспоримыми преимуществами при
повышенной (более 100 кГц) частоте коммутации (так как
другие приборы практически неспособны работать на та-
кой частоте). Другими характерными преимуществами
МДП-транзистора являются высокая теплостойкость и
простота формирования сигналов управления.
IGBT обладает хорошими динамическими свойствами
(частота коммутации до 100 кГц). Высоковольтный IGBT
имеет меньшее напряжение в открытом состоянии в срав-
нении с соответствующим МДП-транзистором. IGBT об-
ладает высокой теплостойкостью. Для него несложно
сформировать управляющие сигналы.
Биполярный транзистор характеризуется малым напря-
жением в открытом состоянии. Однако его динамические
свойства невысоки (частота коммутации до 10 кГц).
SIT в некоторых случаях имеет меньшее напряжение в
открытом состоянии в сравнении даже с биполярным тран-
зистором.
195 -------------- Элементы электронные
Тиристор способен коммутировать очень большие токи
и напряжения, однако он может использоваться при дос-
таточно низкой частоте коммутации (десятки, сотни и,
иногда, тысячи герц).
В настоящее время наиболее перспективными силовы-
ми приборами часто называют МДП-транзистор и IGBT
Типовая область применения силового полупроводниково-
го прибора. Для определения области предпочтительного
применения прибора используют координатную плос-
кость, откладывая по оси абсцисс частоту f коммутации,
а по оси ординат — выходную мощность р устройства си-
ловой электроники (рис. 1.176).
В настоящее время IGBT и МДП-транзистор в ряде
случаев вытесняют биполярный транзистор и SIT.
С развитием технологии типовые области применения
силовых приборов быстро изменяются.
2
АНАЛОГОВЫЕ
ЭЛЕКТРОННЫЕ
УСТРОЙСТВА
2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ,
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
Усилитель — это электронное устройство, управляющее
потоком энергии, идущей от источника питания к нагруз-
ке. Причем мощность, требующаяся для управления, на-
много, как правило, меньше мощности, отдаваемой в на-
грузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на
нагрузке) сигналов совпадают (рис. 2.1).
Рис. 2.1
197 -------- Аналоговые электронные устройства
Все усилители можно классифицировать по следую-
щим признакам:
— по частоте усиливаемого сигнала: усилители низкой
частоты (УНЧ) для усиления сигналов от десятков герц до
десятков или сотен килогерц; широкополосные усилите-
ли, усиливающие сигналы в единицы и десятки мегагерц;
избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой
полосы частот;
— по роду усиливаемого сигнала: усилители постоян-
ного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с
частотой от нуля герц и выше; усилители переменного
тока, усиливающие электрические сигналы с частотой,
отличной от нуля;
— по функциональному назначению: усилители напря-
жения, усилители тока и усилители мощности в зависи-
мости от того, какой из параметров усилитель усиливает.
Основным количественным параметром усилителя яв-
ляется коэффициент усиления. В зависимости от функци-
онального назначения усилителя различают коэффициен-
ты усиления по напряжению Kv, току А} или мощности Кр.
U I Р
V — вых V — вых V _ вых
Г^ТТ ““ -5 Л. г — ----, Ар - -------,
и и I Р
где Uex, 1вх — амплитудные значения переменных состав-
ляющих соответственно напряжения и тока на входе;
4ых — амплитудные значения переменных сос-
тавляющих соответственно напряжения и тока на
выходе;
Рвх, Рвых — мощности сигналов соответственно на вхо-
де и выходе.
Коэффициенты усиления часто выражают в логариф-
мических единицах — децибелах:
^(дБ) = 201g Ки, АГДдБ) = 201g Кр КР(дБ) = 101g Кр.
Усилитель может состоять из одного или нескольких
каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффици-
ЖавГ Электроника----------------------------- 198
ент усиления равен произведению коэффициентов усиле-
ния отдельных его каскадов: К= К2-... • К„. Если ко-
эффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то
общий коэффициент усиления равен сумме коэффициен-
тов усиления отдельных каскадов:
ДдБ) = ^(дБ) + Х-2(дБ) +... + Х„(дБ).
Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы,
в том числе и «паразитные», а используемые усилительные
элементы обладают инерционностью. В силу этого коэф-
фициент усиления является комплексной величиной:
Ки=Ки-е*,
V- _ U 6ЫХ
где —
'-'вх
— модуль коэффициента усиления;
Ф — сдвиг фаз между входным и выходным напряже-
ниями с амплитудами Uex и ивых.
Помимо коэффициента усиления важным количест-
венным показателем является коэффициент полезного
действия
р
‘вых
р ’
гист
где Рист — мощность, потребляемая усилителем от источ-
ника питания.
Роль этого показателя особенно возрастает для мощ-
ных, как правило, выходных каскадов усилителя.
К количественным показателям усилителя относятся
также входное Rex и выходное RebiX сопротивления усили-
теля:
о _ Uex. Р _ |А^вых|
J 9 ^вых I А г I 9
!ех |*Ux|
где Uex и 1ех — амплитудные значения напряжения и тока
на входе усилителя;
199
Аналоговые электронные устройства I
П>5’
\Ueblx и Д/вых — приращения аплитудных значений на-
пряжения и тока на выходе усилителя, вызванные
изменением сопротивления нагрузки.
Рассмотрим теперь основные характеристики усилите-
лей.
Амплитудная характеристика — это зависимость амп-
литуды выходного напряжения (тока) от амплитуды вход-
ного напряжения (тока) (рис. 2.2). Точка 1 соответствует
напряжению шумов, измеряемому при t/gx= 0, точка 2 —
минимальному входному напряжению, при котором на
выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов.
Участок 2—3 — это рабочий участок, на котором сохраня-
ется пропорциональность между входным и выходным на-
пряжениями усилителя. После точки 3 наблюдаются не-
линейные искажения входного сигнала. Степень
нелинейных искажений оценивается коэффициентом не-
линейных искажений (или коэффициентом гармоник):
2т + ^3т + - + ^
Uim
Рис. 2.2
Электроника ------------------------------ 200
где Ulm, U2m, U3m, Unm — амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и
«-й гармоник выходного напряжения соответственно.
Величина D = — характеризует динамический
ex. min
диапазон усилителя.
Рассмотрим пример возникновения нелинейных иска-
жений (рис. 2.3).
При подаче на базу транзистора относительно эмитте-
ра напряжения синусоидальной формы и5э в силу нели-
нейности входной характеристики транзистора i6= f (ufo)
входной ток транзистора /б (а следовательно, и выход-
ной — ток коллектора) отличен от синусоиды, т. е. в нем
появляется ряд высших гармоник. Из приведенного при-
мера видно, что нелинейные искажения зависят от амп-
литуды входного сигнала и положения рабочей точки
транзистора и не связаны с частотой входного сигнала, т. е.
для уменьшения искажения формы выходного сигнала
t
Рис. 2.3
201 -------- Яналоговые электронные устройства
входной должен быть низкоуровневым. Поэтому в много-
каскадных усилителях нелинейные искажения в основном
появляются в оконечных каскадах, на вход которых посту-
пают сигналы с большой амплитудой.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-
частотная характеристика (ФЧХ) усилителя. АЧХ — это
зависимость модуля коэффициента усиления от частоты,
а ФЧХ — это зависимость угла сдвига фаз между входным
и выходным напряжениями от частоты. Типовая АЧХ при-
ведена на рис. 2.4. Частоты fHVLfe называются нижней и
верхней граничными частотами, а их разность (fH— fe) —
полосой пропускания усилителя.
При усилении гармонического сигнала достаточно ма-
лой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не
возникает. При усилении сложного входного сигнала, со-
держащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются уси-
лителем неодинаково, так как реактивные сопротивления
схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это
приводит к искажению формы усиленного сигнала. Такие
искажения называются частотными и характеризуются ко-
эффициентом частотных искажений: М = —, где Kf —
Kf
модуль коэффициента усиления усилителя на заданной
Рис. 2.4
202
К
Коэффициенты частотных искажений Мн = —— и
кн
-Ко
мв ~ называются соответственно коэффициентами
*-в
искажений на нижней и верхней гранйчных частотах.
АЧХ может быть построена и в логарифмическом мас-
штабе. В этом случае она называется ЛАЧХ (рис. 2.5), ко-
эффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а
0 дБ/дек
Рис. 2.5
по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интер-
вал частот между 10/и/). Обычно в качестве точек отсче-
та выбирают частоты, соответствующие f = 10п. Кривые
ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный
наклон. Его измеряют в децибелах на декаду.
Типовая ФЧХ приведена на рис. 2.6. Она также может
быть построена в логарифмическом масштабе. В области
средних частот дополнительные фазовые искажения ми-
нимальны. ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения,
возникающие в усилителях по тем же причинам, что и
частотные.
203
Аналоговые электронные уст\
Пример возникновения фазовых искажений приведен
на рис. 2.7, где показано усиление входного сигнала, со-
стоящего из двух гармоник (пунктир), которые при уси-
лении претерпевают фазовые сдвиги.
Переходная характеристика усилителя — это зависи-
мость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени
при скачкообразном входном воздействии (рис. 2.8).
Частотная, фазовая и переходная характеристики уси-
лителя однозначно связаны друг с другом. Области верх-
них частот соответствует переходная характеристика в
области малых времен, области нижних частот — переход-
ная характеристика в области больших времен.
204
2.2. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ
Понятие «обратная связь» (ОС) широко используется
как в технике, так и в других областях знаний. Обратной
связью называют влияние некоторой выходной величины
на некоторую входную, которая в свою очередь существен-
ным образом влияет на выходную величину (определяет
эту выходную величину). В усилителях, как правило, ис-
пользуется так называемая отрицательная обратная связь
(ООС), которая и будет рассматриваться ниже. При нали-
чии отрицательной обратной связи выходной сигнал та-
ким образом влияет на входной, что входной сигнал
уменьшается и это приводит к уменьшению выходного
сигнала.
Когда в 1928 г. была предпринята попытка запатенто-
вать отрицательную обратную связь, то эксперты не уви-
дели ее полезности и дали отрицательный ответ. И дей-
ствительно, на первый взгляд, отрицательная обратная
связь только уменьшает коэффициент усиления усилите-
ля. Однако, как это часто бывает в технике вообще и в
электронике в частности, один недостаток того или ино-
го решения может значительно перевешиваться его дос-
тоинствами. Отрицательная обратная связь, хотя и умень-
205 -------- Аналоговые электронные устройства
шает коэффициент усиления, но исключительно благо-
творно влияет на многие параметры и характеристики уси-
лителя. В частности, уменьшаются искажения сигнала, в
значительно большем диапазоне частот коэффициент уси-
ления оказывается не зависящим от частоты и т. д.
2.2.1. Классификация обратных связей
в усилителях
Различают следующих 4 вида обратных связей в усили-
теле (рис. 2.9):
Рис. 2.9
• последовательная по напряжению (а);
• параллельная по напряжению (6);
• последовательная по току (в);
• параллельная по току (г).
Электроника --------------------------- 206
* На рис. 2.9 обозначено: К — коэффициент прямой пе-
редачи, или коэффициент усиления усилителя без обратной
связи; Р — коэффициент передачи цепи обратной связи.
Для определения вида обратной связи (ОС) нужно «за-
коротить» нагрузку. Если при этом сигнал обратной свя-
зи обращается в нуль, то это ОС по напряжению, если
сигнал ОС не обращается в нуль — то это ОС по току. При
обратной связи по напряжению сигнал обратной связи,
поступающий с выхода усилителя на вход, пропорциона-
лен выходному напряжению. При обратной связи по току
сигнал обратной связи пропорционален выходному току.
При последовательной обратной связи (со сложением на-
пряжений) в качестве сигнала обратной связи использу-
ется напряжение, которое вычитается (для отрицательной
обратной связи) из напряжения внешнего входного сиг-
нала. При параллельной обратной связи (со сложением
токов) в качестве сигнала обратной связи используется
ток, который вычитается из тока внешнего входного сиг-
нала.
2.2.2. Анализ влияния отрицательной
обратной связи на примере
последовательной обратной связи
по напряжению
Рассмотрим влияние ООС на примере усилителя, ох-
ваченного последовательной обратной связью по напря-
жению (рис. 2.10).
В структурную схему входит цепь прямой передачи и
цепь обратной связи (цепь обратной передачи). Предпо-
лагается, что указанные цепи линейные. На усилитель с
обратной связью подается внешний синусоидальный вход-
ной сигнал uexi, а на цепь прямой передачи — сигнал ивх2.
Цепь прямой передачи характеризуется комплексным ко-
207
Аналоговые
электронные устройства
Рис. 2.10
эффициентом усиления по напряжению Ки (коэффици-
ентом прямой передачи):
g =
" <4x2 ’
где й~, — соответственно комплексные действую-
вхд вых
щие значения напряжений ивх2 и ивых.
Цепь обратной связи характеризуется комплексным
коэффициентом обратной связи 0:
0 = -£*-,
U
вых
где йос — комплексное действующее значение напряже-
ния обратной связи иос
Коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной •
связью. Этот коэффициент Киос определяется по формуле
к' —
иос й
ивх1
Электроники ------------------------ 208
где йв1Л — комплексное действующее значение напряже-
ния ивх1.
Легко заметить, что
^2=^.-^
^.=^2+^с-
Поэтому
вых _ Ки вх2 _ К и ‘ вх2 _
и,Л и.,г+и,г с7„2+р-1/от,
_ К,ии2 к„
и„1^к.-и.х1 1+М/
Таким образом,
К -
иос 1 + ^Ки‘
Величину 1+(3-Л?и называют глубиной обратной свя-
зи (коэффициентом грубости схемы), а величину 0 ♦ Ки
называют петлевым усилением. Если глубина обратной
связи достаточно велика, то 10* Ки |»1 и
Отсюда можно сделать следующий очень важный вы-
вод: если глубина отрицательной обратной связи достаточ-
но велика, то коэффициент усиления усилителя, охвачен-
ного обратной связью Киос, зависит только от свойств
209 -------- Аналоговые электронные устройства
цепи обратной связи и не зависит от свойств цепи прямой
передачи.
В цепи прямой передачи используются активные при-
боры (транзисторы, операционные усилители и т. д.), ко-
торые обычно не отличаются высокой стабильностью па-
раметров. Из-за этого и коэффициент является
нестабильным. Но если используется глубокая отрица-
тельная обратная связь и в цепи обратной связи применя-
ются высокостабильные пассивные элементы (резисторы,
конденсаторы и т. д.), то общий коэффициент усиления
Киос оказывается стабильным.
Даже если глубина обратной связи не настолько вели-
ка, что можно пренебрегать единицей в выражении
1 + р • Ки, отрицательная обратная связь, как можно пока-
зать, уменьшает нестабильность коэффициента Киос.
Важно уяснить, что сделанный вывод справедлив неза-
висимо от того, какие-дестабилизирующие факторы вли-
яют на изменение величины Ки (температура, уровень ра-
диации и т. д.).
Частотные характеристики усилителя, охваченного об-
ратной связью. Если рассуждать формально, то при на-
личии частотных характеристик для Ки и р частотные
характеристики для Киос оказываются однозначно опре-
деленными выражением
И тем не менее очень поучительно более детально рас-
смотреть вопрос влияния отрицательной обратной связи
на частотные свойства усилителя. Пусть коэффициенты
Электроника----------------------------- 210
Ku и Р являются вещественными. Тогда и коэффициент
Киос ~ вещественный. Будем для этого случая использо-
вать обозначения A"u, Р и Киос Пусть в некотором частот-
ном диапазоне коэффициент Ки изменяется в пределах от
10000 до 1000 (на 90 % по отношению к значению 10000),
а коэффициент Р является постоянным, Р = 0,1. Тогда в
соответствии с формулой для Ки ж окажется, что Ки ж бу-
дет изменяться в пределах от 9,99 до 9,9 (примерно на 1%).
Таким образом, изменение коэффициента усиления пос-
ле введения отрицательной обратной связи станет значи-
тельно меньшим.
Важно уяснить, что если все же необходимо повысить
коэффициент усиления до 10000, то и в этом случае ис-
пользование отрицательной обратной связи значительно
улучшит стабильность.
Пусть для получения большого коэффициента усиле-
ния использованы 4 включенных последовательно опи-
санных усилителя, охваченных отрицательной обратной
связью. Тогда в рассматриваемом диапазоне частот общий
коэффициент усиления будет изменяться в пределах от
9960 (9,99 • 9,99 • 9,99 -9,99) до 9606 (9,9 • 9,9 • 9,9 • 9,9).
9960 — 9606
Изменение составит 3,6 % (——-----100%). Это, очевид-
9960
но, значительно меньше 90 %.
В том диапазоне частот, в котором выполняется усло-
вие | Р ♦ Ки |»1, коэффициент Киос можно определить из
выражения
1-1
иос\ |А
В первом приближении можно считать, что единицей
можно пренебречь при условии, что 1 < | Р А?и |.
211
Аналоговые. электронные устройства
1
Отсюда получаем | Ки |
Пусть в качестве цепи прямой передачи используется
рассмотренный выше операционный усилитель К140УД8,
а в качестве цепи обратной связи — делитель напряжения,
причем р = Р = 0,1 (рис. 2.11).
Легко заметить, что иос = мвыл
~——-иЙЫХ *0,1.
9+1 вых
Таким образом, для этой схемы действительно
р = -^=0,1.
^вых
В соответствии с полученным выше неравенством мож-
но, в первом приближении, считать, что | Киос | = 1/Р =
= 10 в том диапазоне частот, в котором | Ки | > 10.
Поэтому для определения частоты среза fcp. усилите-
ля, охваченного отрицательной обратной связью, в первом
приближении достаточно провести горизонтальную ли-
нию на уровне | ки | = 10 до пересечения с амплитудно-
частотной характеристикой используемого операционного
усилителя К140УД8. Из рис. 2.12 видно, что fcp.oc~
212
= 5 • 105 Гц, это значительно больше частоты среза fep
операционного усилителя 10 Гц), не охваченного обрат-
ной связью. Характеристика, изображенная жирной лини-
ей, представляет собой в первом приближении амплитудно-
частотную характеристику усилителя с отрицательной
обратной связью, которая, естественно, оказывает благо-
творное воздействие и на фазочастотную характеристику.
Входное сопротивление усилителя, охваченного обратной
связью. Обратимся к структурной схеме усилителя с после-
довательной отрицательной обратной связью (рис. 2.13).
Рис. 2.13
213 -------- Аналоговые, электронные, устройства
Обозначим через Zex входное комплексное сопротивле-
ние цепи прямой передачи:
7 _ вх!
^вх ~ j ’
1вх
где 4. — комплексное действующее значение тока /вх.
Найдем входное комплексное сопротивление уси-
лителя, охваченного обратной связью:
7 _ «х\
^вХ ОС г (
Получим
7 - Uexl _ &вх2 + Uqc _ Uвх2 + вых * Р _
^вх ОС ~ ‘ “ • “ • “
*вх *вх *вх
= ^2+^x2 •^ P=.^x2..(1 + X-M.p) = Zgx.(1 + ^-p).
*вх 'вХ
Таким образом,
Zexoc= Zex*(l + /<tt-0).
Пусть коэффициенты Ки и 0 являются вещественны-
ми (Ки = Ки и 0 = 0), тогда
Zexoc= 2^.(1 + ^. 0).
Отсюда следует, что последовательная отрицательная
обратная связь увеличивает входное сопротивление по
модулю. Практически всегда это является положительным
фактором.
Выходное сопротивление усилителя, охваченного обрат-
ной связью. Обозначим через 2выхи. 2выхос соответственно
выходное комплексное сопротивление цепи прямой пере-
214
Электроника
дачи и выходное комплексное сопротивление усилителя,
охваченного обратной связью.
По определению
7 __ вых
^вых ~ >
Ывых
где &йвых, Д/вых — приращения комплексных действую-
щих значений соответственно напряжения ивых и тока
1вЫХ-
При этом предполагается, что обратная связь отключе-
на (например, выход цепи обратной связи закорочен).
Также предполагается, что = const, а изменение ве-
личин 1/вых и 1вых вызвано изменением сопротивления
нагрузки.
По определению
но при этом предполагается, что обратная связь действу-
ет и что UgxX = const.
В этом случае причиной возникновения приращения
Д1/вых является не только падение напряжения на выход-
ном сопротивлении 2вых, но и появление приращения
ДС/ос комплексного действующего значения напряжения
и0С'
Следовательно,
Д(7 = -Д/ Z -Д(7 К .
вых вых вых ос и
Знаки «минус» использованы потому, что и увеличение
тока 1вых, и увеличение напряжения иж вызывают умень-
шение напряжения ивых.
Отсюда с учетом, что &йос = ДUeux • $, получим
215
Аналоговые, электронные устройства
&йвых =~^вЫх'гвЫх~^ивых$Ки,

г вых
““1+0. а;’
В соответствии с этим
Д7вых 1 + 0-Ки *
Пусть коэффициенты Л^ и р являются вещественны-
ми. Тогда, очевидной отрицательная обратная связь по
напряжению уменьшает выходное! сопротивление усили-
теля. Очень часто это является положительным фактором.
2.2.3. Разновидности отрицательных
обратных связей и анализ
их влияния
Для упрощения изложения принимаем условие, что
цепь прямой передачи и цепь обратной связи характери-
зуются вещественными коэффициентами и что все токи
и напряжения описываются вещественными действующи-
ми значениями.
Обратимся к обратной связи по напряжению. Она пре-
пятствует изменению выходного напряжения при измене-
нии сопротивления нагрузки. Это означает, что введение
отрицательной обратной связи по напряжению уменьша-
ет выходное сопротивление усилителя. Этот же вывод был
сделан выше на основе полученного математического вы-
ражения для выходного сопротивления. Можно показать,
что характер изменения выходного сопротивления не за-
висит от того, является связь параллельной или последо-
вательной.
w Электроника --------------------------------- 216
‘ Обратимся к обратной связи по току. Она препятству-
ет изменению выходного тока при изменении сопротив-
ления нагрузки. Это означает, что введение отрицательной
обратной связи по току увеличивает выходное сопротив-
ление. При этом характер изменения выходного сопротив-
ления также не зависит от того, является ли связь парал-
лельной или последовательной.
Подобные рассуждения (и соответствующие математи-
ческие выражения) показывают, что параллельная обрат-
ная связь уменьшает входное сопротивление усилителя,
охваченного ею, а последовательная увеличивает (что под-
тверждает полученное выше математическое выражение).
Характер изменения входного сопротивления не зависит
от того, является ли обратная связь связью по току или по
напряжению.
Обратимся к структурной схеме усилителя с отрица-
тельной последовательной обратной связью по напряже-
нию и к полученному выражению
К -
иос 1+Ки£'
Если окажется, что на некоторой частоте аргумент ф
комплексной величины Ки • 0 окажется равен л, то это
будет означать, что напряжение обратной связи иж по фазе
совпадает с напряжением uexl и напряжением ивЛ. В этом
случае окажется, что обратная связь станет положитель-
ной. Если к тому же окажется, что на рассматриваемой
частоте выполняется условие | • 01 > 1, то это будет оз-
начать, что сигнал, проходящий последовательно через
цепь прямой передачи и цепь обратной связи, усиливает-
ся. При этом и в случае нулевого напряжения ив1Л напря-
жения ««a, ивых, иос окажутся ненулевыми, т. е. усилитель
по существу превратится в генератор. Это явление назы-
вают самовозбуждением усилителя.
217 --------- Аналоговые, эле.ктронные. устройства
Для предотвращения самовозбуждения необходимо
предпринимать меры (например, осуществлять частотную
коррекцию операционного усилителя, играющего роль
цепи прямой передачи), обеспечивающие выполнение
одного из следующих, по сути равноценных, условий:
ф = л, |к„-₽1<1;
|.К„-0| = 1,ф <л.
На практике обычно пользуются вторым условием.
Угол а, определяемый выражением а = п — <р, называ-
ют запасом устойчивости по фазе.
Запас устойчивости по фазедолжен быть не менее
30...60 или даже 65 градусов.
2.3. УСИЛИТЕЛИ НА БИПОЛЯРНЫХ
ТРАНЗИСТОРАХ
2.3.1. Режимы работы транзистора
в усилителе
Перед тем как подавать на вход усилителя на транзис-
торе сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспе-
чить начальный режим работы (статический режим, ре-
жим по постоянному току, режим покоя). Начальный
режим работы характеризуется постоянными токами элек-
тродов транзистора и напряжениями между этими элект-
родами. Используют термин «начальный режим работы
транзистора» и фактически равноценный ему термин «на-
чальный режим работы усилителя». Для определенности
обратимся к схеме с общим эмиттером и соответствующим
выходным характеристикам транзистора. Тогда начальный
Же Электроника--------------------------------- 218
режим работы характеризуется положением так называе-
мой начальной рабочей точки (НРТ) с координатами
(t/кэн, 4 н)» где UK3 н и /к н — начальное напряжение
между коллектором и эмиттером и начальный ток коллек-
тора. Для стабильной работы усилителя стремятся не до-
пускать изменения положения начальной рабочей точки.
Для характеристики проблемы обеспечения начально-
го режима традиционно и вполне оправданно рассматри-
вают следующие три схемы:
• с фиксированным током базы;
• с коллекторной стабилизацией;
• с эмитгерной стабилизацией.
На практике первую из этих схем почти никогда не
используют. Из остальных двух схем предпочтение часто
отдают схеме с эмитгерной стабилизацией. Рассмотрим
каждую из этих схем.
Схема с фиксированным током базы (рис. 2.14). На по-
добных схемах источник напряжения £к обычно не изоб-
ражают.
В соответствии со вторым законом Кирхгофа
1к' Ак + икэ~ Ек= 0.
Отсюда находим ток коллектора /к:
219
Аналоговые
электронные устройства
икэ
что соответствует линейной зависимости вида у = а • х + Ь.
Это уравнение описывает так называемую линию на-
грузки (как и для схемы с диодом). Изобразим выходные
характеристики транзистора и линию нагрузки (рис. 2.15).
В соответствии со вторым законом Кирхгофа
i6 • Re + Ufy — Ex = 0.
Отсюда находим ток базы i6:
1б~~Ё^'ибэ + Ё^'Ек-
Будем пренебрегать напряжением и6э, так как обычно
Ек
“еэ « Ек- Тогда i6 « —.
R6
Таким образом, в рассматриваемой схеме ток i6 задает-
ся величинами Ех и R6 (ток «фиксирован»). При этом
/К = Рсг ‘ z6 + 1'хц.
Пусть i6 = in. Тогда HPT займет то положение, которое
указано на рис. 2.15. Легко заметить, что самое нижнее
возможное положение начальной рабочей точки соответ-
Электроника -------------------------- 220
ствует точке Y (режим отсечки, i6 = 0), а самое верхнее
положение — точке Z (режим насыщения, i6 > z«).
Схему с фиксированным током базы используют ред-
ко по следующим причинам:
• при воздействии дестабилизирующих факторов (на-
пример, температуры) изменяются величины Рст и 1'ю, что
изменяет ток Irh и положение начальной рабочей точки;
• для каждого значения 0СТ необходимо подбирать
соответствующее значение R6, что нежелательно при ис-
пользовании как дискретных приборов (т. е. приборов, из-
готовленных не по интегральной технологии), так и инте-
гральных схем.
Схема с коллекторной стабилизацией (рис. 2.16). Эта
схема обеспечивает лучшую стабильность начального ре-
жима. В схеме имеет место отрицательная обратная связь
по напряжению (выход схемы — коллектор транзистора
соединен со входом схемы — базой транзистора с помо-
щью сопротивления R£. Рассмотрим ее проявление на
следующем примере. Пусть по каким-либо причинам (на-
пример, из-за повышения температуры) ток iK начал уве-
личиваться. Это приведет к увеличению напряжения и^,
уменьшению напряжения икэ и уменьшению тока i6
(if: что будет препятствовать значительному уве-
Кб
221 --------- Аналоговые, электронные устройства.
личению тока iK, т. е. будет осуществляться стабилизация
тока коллектора.
Схема с эмиттерной стабилизацией (рис. 2.17). В зару-
бежной литературе такую схему называют схемой с Н-сме-
Рис. 2.17
щением (конфигурация схемы соответствует букве Н).
Основная идея, реализованная в схеме, состоит в том, что-
бы зафиксировать ток /э и через это ток iK (iK » /э). С ука-
занной целью в цепь эмиттера включают резистор 7?э и
создают на нем практически постоянное напряжение и^.
При этом оказывается, что
= —^ = const.
R3
Для создания требуемого напряжения Мд, используют
делитель напряжения на резисторах Ri и /?2- Сопротивле-
ния Ri и /?2 выбирают настолько малыми, что величина
тока 1б практически не влияет на величину напряжения
ию. При этом
В соответствии со вторым законом Кирхгофа
Электроника
222
иКэ = UR2 ~ ибэ-
При воздействии дестабилизирующих факторов вели-
чина ибз изменяется мало, поэтому мало изменяется и ве-
личина ицз. На практике обычно напряжение состав-
ляет небольшую долю напряжения Ек.
Различают следующие режимы работы транзистора
(классы работы): А, АВ, В, С и D. Рассматриваемые
АС-усилители обычно работают в режиме А. В режиме А
ток коллектора всегда больше нуля (iK > 0). При этом он
увеличивается или уменьшается в зависимости от входно-
го сигнала. В режиме В 1КН= 0, поэтому ток коллектора мо-
жет только увеличиваться. При синусоидальном входном
сигнале в цепи коллектора протекают положительные
полуволны тока. Режим АВ является промежуточным
между режимами А и В. В режиме С на вход транзистора
подается начальное запирающее напряжение, поэтому в
цепи коллектора в каждый период входного сигнала ток
протекает в течение времени меньшего, чем половина
периода. Режимом D называют ключевой режим работы
(транзистор находится или в режиме насыщения, или в
режиме отсечки).
2.3.2. Усилитель с эмиттерной
стабилизацией
Рассмотрим АС-усилитель, в котором транзистор вклю-
чен по схеме с общим эмиттером и используется эмиттер-
ная стабилизация начального режима работы (рис. 2.18).
Конденсатор Сь называемый разделительным, препят-
ствует связи по постоянному току источника входного
сигнала с усилителем, что может вызвать нарушение ре-
жима работы транзистора по постоянному току. Конден-
сатор С2, также называемый разделительным, служит для
223 --------- Аналоговые электронные, устройства
Рис. 2.18
разделения выходной коллекторной цепи от внешней на-
грузки по постоянному току. Конденсатор Сэ обеспечивает
увеличение коэффициента усиления усилителя по напря-
жению, так как уменьшает амплитуду переменной состав-
ляющей напряжения wR3 (говорят, что конденсатор Сэ
ликвидирует отрицательную обратную связь на перемен-
ном токе).
Легко заметить, что для рассматриваемой схемы линия
нагрузки на постоянном токе (ЛН=, при wex = 0) описы-
вается следующим выражением, полученным при замене
тока эмиттера током коллектора (так как
1 1
‘икэ
RK+R3-----Rk+Кэ
"Ек.
Пусть параметры элементов схемы таковы, что в на-
чальном режиме работы i6 = ia. Соответствующее поло-
жение начальной рабочей точки указано на рис. 2.19. На
основании приведенного выше краткого анализа схемы с
эмитгерной стабилизацией получаем
UR2
Ек 'Rj
+ /?2
UR3 ~UR2 ~и6Э‘>
Ек ’R2
R1 ^2
~ибЭ
R3
: _ UR3

Электроника
224
При расчетах часто принимают, что иъз = 0,6...0,7 В (для
кремниевых транзисторов). Пренебрегая током /'ко, полу-
чаем iK = Рст • 1б. Учитывая, что i3= iK+ i6, получаем
• _ 4
1б - ;—j7~ • Отсюда следует, что в схеме с эмиттерной
1 ’ Рст
стабилизацией ток базы непосредственно зависит от того,
какое значение коэффициента 0СТ будет иметь конкретный
используемый транзистор. Если значение коэффициента
Рст окажется большим, то ток базы будет малым, и наобо-
рот.
Предположим, что напряжение питания £к задано и
требуется обеспечить начальный режим работы при задан-
ном начальном токе 1К н.
Изложим порядок предварительного определения ве-
личин R3, Л] и /?2-
Напряжение uR3 выбирают из соотношения
илэ = (0,1...0,3) • Er.
Затем, учитывая, что i3 » i%, определяют R3:
R3=^-
Ikh
225 ------- Аналоговые электронные устройства
Определяют максимальный ток базы /^окс, соответ-
ствующий минимальному значению В^ коэффициента (3:
; _ 1КН
1б.макс ~ q
у-Кмии
Выбирают ток Ida, делителя напряжения на резисторах
Л] и /?2, протекающий при отключении базы транзистора
от делителя. При этом пользуется соотношением
^дел (8...10) * igjttaKC
Находят сумму сопротивлений /?(+Л2 •
= ~•
1дел
Определяют напряжение ию= и R3 + и6Э.
При этом считают, что и6Э= (0,6...0,7) В.
Определяют
^2= —
^дел
и, используя вычисленное выше значение суммы (/?]+Л2),
получают
Rx = (Л1+/?2) -R2.
Изложенный порядок расчета величин R3, R\ и R2, а
также другие подобные методики расчета электронных
схем до применения математического моделирования со-
ставляли основу ручного проектирования устройств элек-
троники. После подобных расчетов из конкретных элек-
трорадиоэлементов изготавливали макет устройства и в
результате его практического исследования уточняли зна-
чения параметров элементов схемы (к примеру, определя-
ли действительно необходимое значение R3).
В настоящее время значение подобных расчетов состо-
ит в том, что они:
Электронику----------------------------- 226
* • во-первых, помогают уяснить взаимосвязь различ-
ных параметров элементов электронной схемы, т. е.
позволяют более глубоко проникнуть в сущность
явлений, имеющих место в этой схеме;
• во-вторых, позволяют получить предварительные,
ориентировочные значения параметров элементов,
которые используются при математическом модели-
ровании для определения окончательных значений.
Проведем анализ усилителя с эмитгерной стабилизаци-
ей. Поскольку в данной схеме действуют одновременно
постоянные и переменные напряжения, то осуществляют
анализ схемы сначала по постоянному току, а затем по
переменному. Но для этого вначале изображают эквива-
лентную схему замещения усилителя, заменяя транзистор
его эквивалентной схемой замещения. Для упрощения
анализа часто в эквивалентной схеме замещения транзи-
стора источником тока /'ко и резистором г'к пренебрегают,
так как г'к велико (г'к —>«»), а /'ко мало (/кО->0). Получают
эквивалентную схему замещения усилителя (рис. 2.20).
Параметры элементов усилйтеля (в частности, емкос-
ти конденсаторов Сь С2 и Сэ) выбирают таким образом,
чтобы в области средних частот переменные составляю-
Рис. 2.20
227 -------- Диалоговые электронные устройства
щие напряжений на конденсаторах Cj, С2 и Сэ были пре-
небрежимо малы.
Полезно отметить, что амплитуды указанных перемен-
ных составляющих зависят не только от емкостей Сь С2
и Сэ. В соответствии ^ изложенным в линейной эквива-
лентной схеме для средних частот сопротивлениями ука-
занных конденсаторов пренебрегают.
Транзистор для усилителя выбирают таким образом,
чтобы в области средних часТот ухудшение его усилитель-
ных свойств при увеличении частоты было незначитель-
ным. Если обратиться к комплексному коэффициенту [3,
то сказанное означает, что выбирают транзистор с такой
предельной частотой fnped, которая не меньше наибольшей
частоты из области средних частот. Поэтому в линейной
эквивалентной схеме усилителя для средних частот не ис-
пользуют емкости транзистора, а коэффициент Р считают
вещественным и постоянным.
В соответствии с изложенным, а также с целью упро-
щения расчетов, в эквивалентной схеме транзистора ос-
тавлены только резисторы с сопротивлением гб, гэ и ис-
точник тока, управляемый током р • i6.
Поскольку нас интересуют только переменные состав-
ляющие токов и напряжений, то величиной Ек и сопро-
тивлением источника питания Ек пренебрегают. Будем
считать, что Rr= 0 и влиянием резисторов R{ и R2 на ко-
эффициент усиления переменного сигнала ивх можно пре-
небречь.
Рассмотрим линейную эквивалентную схему для сред-
них частот, изображенную на рис. 2.21.
Ценность этой схемы не ограничивается тем, что она
позволяет выполнить ручной расчет режима усиления.
Еще более важно то, что эта схема помогает уяснить вли-
яние параметров различных элементов усилителя на спо-
собность усиливать входной сигнал. Из этой схемы хоро-
шо видно, что для переменных составляющих токов и
228
Рис. 2.21
напряжений резисторы и Ля включены параллельно.
При ручных графических расчетах этот факт находит от-
ражение в том, что на выходных характеристиках строят
так называемую линию нагрузки на переменном токе ЛН~,
наклон которой определяется величиной
Лк//Ля
Rk 'Rh
Rk +rh
Выше указывалось, что наклон линии нагрузки на по-
стоянном токе ЛН= определяется величиной R%+ R$.
Именно по линии ЛН_ перемещается рабочая точка РТ (не
НРТ!), характеризующая режим работы усилителя при
наличии переменного входного сигнала ивх. На рис. 2.22
указана амплитуда UHm напряжения на нагрузке ин, равная
амплитуде переменной составляющей напряжения икэ, и
соответствующие предельные точки к и е на линии ЛН~.
При этом предполагается, что ток базы изменяется в пре-
делах от i6\ до igj. Изобразим временные диаграммы, ха-
рактеризующие работу усилителя (рис. 2.23).
Обратим внимание на тот факт, что выходной сигнал
«я сдвинут относительно входного ивх на 180’, т. е. ЛС-уси-
229
Аналоговые электронные устройства
Рис. 2.22
Рис. 2.23
230
лйтель инвертирует сигнал по фазе. Иногда этот факт под-
черкивают тем, что считают коэффициент усиления по
напряжению отрицательной величиной.
Коэффициент усиления усилителя по напряжению Ки
является одним из наиболее важных параметров усилите-
ля. При условии, что Rr= 0, коэффициент Ки определя-
ется выражением
н.т
и и.
вх.т
где Ugxm —амплитуда входного напряжения ивх.
Обратимся к линейной эквивалентной схеме для сред-
них частот (рис. 2.21). Обозначим через 1бт амплитуду пе-
ременной составляющей /б_ тока базы. Тогда амплитуда 1э т
переменной составляющей тока эмиттера ig равна
(1 + Р)4.да, а величина Uexm определяется выражением
Uex.m ~ 1блп ' гб "* (1 *?)’ ^б.т ' Гэ = 1б.т ‘ 1гб + (1 + Р) ’ Гэ]«
Величина UHm определяется выражением
RK + RH
С учетом выражений для Uex„ и UHM получим
О RKRH
к _ rk+rh .
U rg+(l+(З)’Гэ
Обозначим через гдоэ входное дифференциальное со-
противление транзистора для схемы с общим эмиттером.
Очевидно, что гАвэ = г6 + (1 + Р) • гэ.
В соответствии с этим можно записать:
о RK’RH
RK+RH
гд.оэ
231 ------- Аналоговые электронные устройства
Важными параметрами усилителя являются его входное
и выходное сопротивления. Из линейной эквивалентной
схемы, соответствующей принятым допущениям, хорошо
видно, что входное сопротивление усилителя фактически
является входным дифференциальным сопротивлением
транзистора для схемы с общим эмиттером (гдоэ). Очевид-
но и то, что выходное сопротивление усилителя равно ве-
личине RK.
Коэффициент усиления по току К, определяют выра-
жением
g — ^н.т
1«х.т
где 1вх.т> 1НМ — соответственно амплитуды тока источника
входного сигнала и тока нагрузки.
В соответствии с принятыми допущениями 1вх,т— 16м.
Легко заметить, что
RK’RH
-R 7 RK+RH
н.т “ Р 1 б.т п
С учетом этого получим

RK
rk+RH
АЧХ и ФЧХ усилителя аналогичны типовым характе-
ристикам, рассмотренным в предыдущем параграфе. Спад
АЧХ в области низких частот обусловлен уменьшением
коэффициента усиления усилителя за счет увеличения
реактивного сопротивления емкостей Сь С2, С3. Спад АЧХ
в области высоких частот обусловлен ограниченными ча-
стотными свойствами транзистора.
232
2.4. УСИЛИТЕЛИ НА ПОЛЕВЫХ
ТРАНЗИСТОРАХ
В качестве примера рассмотрим ЛС-усилитель на поле-
вом транзисторе с р-л-переходом, включенном с общим
истоком (рис. 2.24). Используем транзистор с каналом
Для используемого транзистора начальное напряжение
ииз должно быть положительным (р-л-переход должен
находиться под запирающим напряжением). С целью по-
лучения этого напряжения в цепь истока включают рези-
стор на котором возникает падение напряжения uRh
от протекания по нему начального тока истока 1ИН. На-
пряжение идя через резистор Rj передается на затвор. Так
как ток затвора полевого транзистора пренебрежимо мал,
падение напряжения на сопротивлении R3 практически
равно нулю, поэтому иИЗ = uRIf. Рассмотренную схему
обеспечения начального режима работы называют схемой
с автоматическим смещением.
Пусть задан начальный ток стока (1Сн ~ 1ин) и началь-
ное напряжение С/йз# между истоком и затвором. Тогда со-
противление Rjf следует выбрать из соотношения
233
_ Уизн
RH r
1CH
Сопротивление R$ обычно выбирают порядка 1 МОм.
Полезно отметить, что рассматриваемая схема обеспе-
чения начального режима работы характеризуется повы-
шенной стабильностью. Если по каким-либо причинам
начальный ток стока 1СН начнет увеличиваться, то это при-
ведет к увеличению напряжений URyi\ ииз, что будет пре-
пятствовать значительному увеличению тока 1СН.
Модуль коэффициента усиления каскада в области
средних частот определяется равенством
Ky-S
Rc'rh
RC + RH
где 5— крутизна стокозатворной характеристики полевого
транзистора, определяемая по справочникам.
Назначение конденсаторов Сь С2 и С4 аналогично на-
значению соответствующих конденсаторов RC — усили-
теля на биполярном транзисторе.
Частотные характеристики рассматриваемого усилите-
ля подобны частотным характеристикам RC — усилителя
на биполярном транзисторе.
2.5. ЛИНЕЙНЫЕ СХЕМЫ НА ОСНОВЕ
ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ (ОУ)
Как уже отмечалось, операционные усилители в насто-
ящее время используются в самых различных электронных
устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так
и в импульсных устройствах электроники. В то же время
существуют и часто используются типовые линейные схе-
мы на основе операционных усилителей. Такие типовые
схемы должен знать каждый инженер, использующий
Электроника --------------------------- 234
электронные устройства. Именно такие схемы рассматри-
ваются ниже.
Очень полезно овладеть достаточно простыми приема-
ми ручного анализа электронных схем на основе операци-
онных усилителей. Это значительно облегчит понимание
принципа действия конкретных устройств электроники и
будет способствовать получению достоверных результатов
машинного анализа. Указанные приемы анализа основа-
ны на ряде допущений, принимаемых в предположении,
что используемые операционные усилители достаточно
близки к идеальным. Практика расчетов показывает, что
результаты, получаемые на основе допущений, имеют
вполне приемлемую погрешность.
Примем следующие допущения:
1. Входное сопротивление операционного усилителя
равно бесконечности, токи входных электродов равны
нулю (Лвх—> /+ = L = 0).
2. Выходное сопротивление операционного усилителя
равно нулю, т. е. операционный усилитель со стороны
выхода является идеальным источником напряжения
(^вЫХ~ 0)-
3. Коэффициент усиления по напряжению (коэффици-
ент усиления дифференциального сигнала) равен беско-
нечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиле-
ния равен нулю (при этом не допускается закорачивания
выводов операционного усилителя).
4. В режиме насыщения напряжение на выходе равно
по модулю напряжению питания, а знак определяется
полярностью входного напряжения. Полезно обратить
внимание на тот факт, что в режиме насыщения диффе-
ренциальный сигнал нельзя всегда считать равным нулю.
5. Синфазный сигнал не действует на операционный
усилитель.
6. Напряжение смещения нуля равно нулю.
235 -----
2.5.1.
— Диалоговые электронные устройства
Инвертирующий усилитель
на основе ОУ
Рассмотрим схему инвертирующего усилителя (рис. 2.25),
из которой видно, что в ней действует параллельная об-
ратная связь по напряжению. Так как i_ = 0, то в соответ-
ствии с первым законом Кирхгофа ц = /2-
Предположим, что операционный усилитель работает
в режиме усиления, тогда «зд = 0. В соответствии с этим
на основании второго закона Кирхгофа получим

/?2
Учитывая, что q = получаем ивых = .
R1
Таким образом, инвертирующий усилитель характери-
зуется коэффициентом усиления по напряжению, равным
Ri
Электроника------------------------ 236
' Например, если Rx = 1 кОм, R2 = 10 кОм, тогда
ивых = — №’ивх •
Для уменьшения влияния входных токов операционно-
го усилителя на выходное напряжение в цепь неинверти-
рующего входа включают резистор с сопротивлением R3
(рис. 2.26), которое определяется из выражения
R3=Rl//R2=^-^~
*1+^2 ’
Входное сопротивление инвертирующего усилителя на
низких частотах значительно ниже собственного входно-
го сопротивления операционного усилителя. Это полно-
стью соответствует сделанному раннее выводу о том, что
параллельная отрицательная обратная связь, имеющая
место в схеме, уменьшает входное сопротивление. Учиты-
вая, что и^ф = 0, легко заметить, что входное сопротивле-
ние усилителя на низких частотах приблизительно равно R\.
Выходное сопротивление инвертирующего усилителя
на низких частотах Rebix.oc существенно меньше выходно-
го сопротивления на низких частотах Rebtx собственно опе-
рационного усилителя. Это является следствием действия
отрицательной обратной связи по напряжению.
237
Яналого&ые электронные устройства
Можно показать, что
Rвых.ос ~
&вых
1+К-
*1
7?1 +/?2
где К — коэффициент усиления по напряжению операци-
онного усилителя.
2.5.2. Неинвертирующий усилитель
на основе ОУ
Рассмотрим схему неинвертирующего усилителя
(рис. 2.27), где имеет место последовательная отрицатель-
ная связь по напряжению. Вначале выполним анализ схе-
ию
Рис. 2.27
мы, используя принятые допущения, а затем выполним
анализ на основе выражений, полученных для усилителя
с указанной обратной связью.
В соответствии с ранее принятыми допущениями вход-
ные токи ОУ равны нулю, т. е. /_ = z+ = 0 и, следователь-
но, /] = i2.
Электроника -------------------------- 238
' Предположим, что операционный усилитель работает
в режиме усиления, тогда идиф = 0. На основании второго
закона Кирхгофа получаем
МЛ1 ~ ивх» UR2 ~ ивх ивых•
Далее имеем следующие выражения:
Ugjfi h.’^2~uex ивых’ zi ~
К1
Таким образом, неинвертирующий усилитель характе-
ризуется коэффициентом усиления по напряжению
Ки=1+^.
А
Воспользуемся общим выражением для коэффициен-
та усиления усилителя, охваченного последовательной
отрицательной обратной связью по напряжению. Предпо-
ложим, что используется входной сигнал низкой частоты,
и поэтому будем использовать вещественные коэффици-
енты К, Р и Кимс. В соответствии с общим выражением
к - к
иос 1 + ЛГ-Р’
При
к
‘ J*‘U.OC п
Р
Коэффициент Р, как можно заметить из рис. 2.27, оп-
ределяется выражением
239
Аналоговые
электронные устройства
3=—.
/?1+я2
Таким образом, при К -> °°
К -1 +
^и.ос ~ 1Т7Г~’
К1
что совпадает с результатом, полученным на основании
используемых допущений.
Пусть, например, R\ = 2 кОм, R2 = 4 кОм и = 2 В.
Тогда
ивых
/
= 2- 1 +
4403>
2-103
7
6 в.
Обратимся к общим выражениям для входного и вы-
ходного сопротивлений. Предполагая, что усилитель ра-
ботает на низкой частоте, используем вещественные со-
противления Rex, Rex.oc> Renx> &вых.ос- Получаем, что входное
сопротивление рассматриваемого усилителя
D
1ХвХ. ОС
= Rex [1 + Я—L
причем при К -> °° RgxMC —> °°.
Аналогично
R
КвЫХ.ОС ~
вых
1 + К-
Ri
+/?2
Очевидно, при К —> 00 Rebtx —» 0. Заметим, что полу-
ченное выражение совпадает с приведенным выше выра-
жением для усилителя с параллельной отрицательной об-
ратной связью.
Электроника-------------------------- 240
входах операционного усилителя, использующего-
ся в неинвертирующем усилителе, имеется синфазный
сигнал, равный напряжению ивх. Это недостаток такого
усилителя. В инвертирующем усилителе синфазный сиг-
нал отсутствует.
2.5.3. Повторитель напряжения
на основе ОУ
Схема повторителя (рис. 2.28) легко может быть полу-
чена из схемы неинвертирующего усилителя при
2?! —> «*>, /?2 —> 0. Здесь предполагается, что операцион-
ный усилитель работает в режиме усиления (идиф ~ 0). Ис-
ходя из полученного выше общего выражения для напря-
жения ивых или используя второй закон Кирхгофа,
получаем
^вЫХ ^вХ'
Рис. 2.28
241 -------- Аналоговые электронные устройства
2.5.4. Сумматор напряжений
(инвертирующий сумматор)
Рассмотрим схему сумматора, приведенную на
рис. 2.29.
Предположим, что операционный усилитель работает
в режиме усиления, тогда идиф ~ 0.
п
Учитывая, что /_ = /+ = 0, получим ^ij =ioc. При
>1
идиф ~ 0 получим
uRj = ивхр J ~ Ь •••>
МЛОС = ивых
На основании этих выражений после несложных пре-
образований, аналогичных выполненным для инвертиру-
ющего усилителя, получаем
n uexi
ивых = ~Roc
>1 Rj
Электроника---------------------------- 242
Для уменьшения влияния входных токов операционно-
го усилителя в цепь неинвертирующего входа включают
резистор с сопротивлением
R3=RJ/ Ri//-// Rn// Roc-
2.5.5. Вычитающий усилитель
(усилитель с дифференциальным
входом)
В вычитающем усилителе (рис. 2.30) один входной сиг-
нал подается на инвертирующий вход, а второй — на не-
инвертирующий. Предположим, что операционный уси-
литель работает в линейном режиме. Тогда все устройство
можно считать линейным и для анализа использовать
принцип суперпозиции (наложения).
Предположим, что ивх2 = 0, тогда соответствующее вы-
ходное напряжение и'вых будет определяться выражением,
соответствующим инвертирующему усилителю:
, - R2
ивых ивх1 „ •
Л1
243 -------- Аналоговые электронные устройства
Определим напряжение на выходе г/Д», если ивх\ = 0.
Для оценки воздействия напряжения uex2 целесообразно
выполнить, на основе теоремы об эквивалентном генера-
торе, преобразование цепи, подключенной к неинверти-
рующему входу (рис. 2.31).
Как следует из указанной теоремы,
иэкв = «вх2 > Кэкв = R3 = R* R*
экв ^2R3+R^ жв 3 4 Я3+Я4
В рассматриваемом случае напряжение на выходе
будет определяться выражением, соответствующим неин-
вертирующему усилителю:
Я4 f, Я2"|
ивых=ижв' 1 + — --------1 + —
““ эхе J Ri+R^ J.
В соответствии с принципом суперпозиции, общее на-
пряжение на выходе ивых определяется из выражения

^вых U вых + U вых ^вх2
R4
R3 +R^
R2
при 2?1= T?2 = 7?3 = R4
ивых ~ uex2 uexl •
Эмктроникд.
244
' 2.5.6. Схемы с диодами
и стабилитронами на основе ОУ
Рассматриваемые схемы являются нелинейными, так
как содержат нелинейные элементы — диоды и стабили-
троны. Однако часто такие схемы анализируют, без ис-
пользования ЭВМ, как линейные. При этом часто диоды
и стабилитроны считают идеальными и заменяют откры-
тые диоды и стабилитроны закоротками, запертые диоды
и стабилитроны — разрывами, а стабилитроны, работаю-
щие в режиме пробоя, — источниками напряжения.
При использовании подобных способов линеаризации
нелинейных схем основная проблема состоит в том, что-
бы перед анализом определить, в каком режиме работает
каждый нелинейный элемент. Здесь большую помощь
может оказать опыт анализа подобных схем. Пусть сдела-
но некоторое предположение о состоянии нелинейных
элементов (например, предполагается, что первый диод
открыт, второй закрыт и т. д.). Тогда после анализа схемы,
выполненного на основе этого предположения, необходи-
мо проверить его правильность. Например, необходимо
убедиться, что через предположительно открытый диод,
замененный закороткой, ток протекает в прямом направ-
лении. При машинном анализе схемы, подобные рассмат-
риваемым, анализируются как нелинейные.
Для примера выполним анализ схемы на рис. 2.32,
предполагая, что диоды — идеальные. Пусть вначале
«^=16. Если диод D1 открыт (заменяем его закороткой),
а диод D2 — закрыт (заменим его разрывом), то получим
эквивалентную схему, приведенную на рис. 2.33. Из дан-
ной схемы следует, что
ивых
1 *2^
~ивх * 1+ _ — 3 В.
I R4
245
Аналоговые электронные устройства
Проверим правильность сделанного предположения,
для чего определим ток iDX диода Z>( и напряжение ит
диода Di. Используя допущение о том, что идиф = 0, по-
лучаем «да = ~2 В и iDi = 0,2 мА. Так как напряжение на
диоде D2 отрицательное, а ток через диод Dy положителен,
можно утверждать, что предположение было правильным.
246
Электроника
9^^
Пусть теперь ивх = — 1 В. Предположим, что диод Dx
закрыт, а диод Pj открыт. Тогда получим эквивалентную
схему, приведенную на рис. 2.34, из которой получаем, что
ивых ~ ивх
1 + —I = -1 В
*1
Для проверки правильности сделанного предположе-
ния определим zO2:
_“er 1
lD2 - lRl - —— =---г = °’2 мА-
*1 5-Ю3
Очевидно, что uD1 = 0. Полученные результаты позво-
ляют утверждать, что предположение было правильным.
2.6. УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Усилитель называют усилителем постоянного тока
(УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно
изменяющиеся сигналы. Такой усилитель может исполь-
зоваться и для усиления переменных сигналов.
247 -------- Аналоговые электронные устройства Ж
Выше рассмотрены операционные усилители, являю-
щиеся усилителями постоянного тока. Но внутреннее ус-
тройство операционных усилителей не рассматривалось.
Для того, чтобы постоянные или медленно изменяю-
щиеся сигналы могли быть переданы с входа усилителя на
его выход, должны использоваться только гальванические
связи между отдельными частями усилителя или эти
сигналы должны быть преобразованы в переменные. По-
лученные переменные сигналы могут быть усилены с по-
мощью усилителей переменного тока, в которых гальва-
нические связи разорваны с помощью конденсаторов или
трансформаторов. После усиления переменные сигналы
должны быть преобразованы в постоянные или медленно
изменяющиеся.
При построении УПТ с использованием гальваничес-
кой связи между каскадами получают УПТ, которому
присуще такое вредное явление, как дрейф нуля. Под
дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение
выходного напряжения при неизменном нулевом вход-
ном. Основными причинами дрейфа нуля усилителя яв-
ляются: изменение параметров элементов схемы, прежде
всего транзисторов, за счет изменения температуры окру-
жающей среды; изменение питающих напряжений; посто-
янное изменение параметров активных и пассивных эле-
ментов схемы; вызванное их старением. Сигнал дрейфа
нуля может быть соизмерим с полезным сигналом, поэто-
му при построении УПТ принимают меры по снижению
дрейфа нуля. Основными мерами снижения дрейфа явля-
ются жесткая стабилизация источников питания усилите-
лей, использование отрицательных обратных связей, при-
менение балансных компенсационных схем УПТ,
использование элементов с нелинейной зависимостью па-
раметров от температуры для компенсации температурно-
го дрейфа, применение УПТ с промежуточным преобра-
зованием и др.
ЯР Электроника--------------------------------- 248
' Важным вопросом при построении УПТ является так-
же согласование потенциалов соседних каскадов, согласо-
вание источника входного сигнала с УПТ, а также подклю-
чение нагрузки к УПТ таким образом, чтобы при нулевом
входном напряжении напряжение на нагрузке было так-
же равно нулю. Поэтому простейшие УПТ, состоящие из
нескольких каскадов, включенных последовательно и со-
единенных гальванической (непосредственной) связью,
даже при условии согласования потенциалов обладают
рядом недостатков, главным из которых является дрейф
нуля.
Таким образом, для устранения отмеченных выше недо-
статков УПТ строят в виде параллельно-балансных каска-
дов, представляющих собой сбалансированный мост, в одно
плечо которого включена нагрузка, а в другое — источник
питания. Схема такого УПТ приведена на рис. 2.35.
Коллекторные сопротивления Rjq и R/q, транзисторы 1\
и Т2, резистор R3 образуют мост, к одной диагонали кото-
рого подключен источник питания Ек, а в другую диаго-
наль — между коллекторами транзисторов — включается
нагрузка.
Рис. 2.35
249 -------- Аналоговые элекгпронные устройства
При нулевых входных сигналах и полной симметрии
схемы (Rki = Лю, 7\ и Т2 одинаковы) потенциалы коллек-
торов транзисторов Т\ и Т2 одинаковы и ивых, равное
— иК2, равно нулю. Высокая стабильность схемы объяс-
няется тем, что при изменении напряжения источника пи-
тания или при одинаковых изменениях параметров тран-
зисторов (например, за счет температуры) потенциалы
обоих коллекторов получают равные приращения и, сле-
довательно, выходное напряжение остается равным нулю.
В реальных схемах всегда имеется некоторая несимметрия
плеч и существует некоторый дрейф нуля, хотя он и зна-
чительно меньше, чем в других схемах. Входной сигнал в
этой схеме может подаваться либо между базами, либо на
одну из баз при фиксированном потенциале другой.
Представив R3 в виде двух параллельно соединенных
сопротивлений удвоенной величины (см. пунктир на
рис. 2.35), можно увидеть, что рассматриваемый УПТ
представляет собой два каскада с эмитгерной стабилизаци-
ей, объединенных соответствующим образом (см. верти-
кальные разделительные линии). Включив последователь-
но с R3 дополнительный источник Еэ, можно обеспечить
такой начальный режим работы транзисторов, при котором
потенциалы входов равны нулю и, следовательно, возмож-
но убрать из схемы сопротивления делителей R2, R3, R4.
В результате получится схема дифференциального усили-
теля.
2.6.1. Дифференциальный усилитель
на биполярных транзисторах
Схема дифференциального усилителя представлена на
рис. 2.36. Как и при анализе операционного усилителя,
при рассмотрении дифференциального усилителя широ-
ко используют дифференциальное входное напряжение
Электроника--------------------------- 250
ивх.диф и синфазное входное напряжение . Эти
понятия при обращении к операционному усилителю ис-
пользуют потому, что в качестве его входного каскада при-
меняется дифференциальный усилитель. Дифференциаль-
ное входное напряжение определяется выражением
ивх.диф ~ мвх2 ~ ивх1
Пусть $иф — 0, тогда = ивХ2 Напря-
жение ивыХ'диф называют выходным дифференциальным
сигналом, причем ивых диф = ик1 — ик2.
Основная идея, реализованная в дифференциальном
каскаде, как это было показано выше, состоит в исполь-
зовании в одном целом двух совершенно одинаковых по-
ловин. Эта идея достаточно часто применяется в электро-
нике.
Использование двух одинаковых половин приводит к
тому, что выходное напряжение ивых.диф очень слабо за-
висит от входного синфазного напряжения и практически
Рис. 2.36
251
Аналоговые электронные устройства
определяется только напряжением и^диф • Усилитель на-
зывают дифференциальным потому, что ивых. диф пропор-
ционально напряжению и^.диф (пропорционально разно-
сти напряжений itgx! и )• Другие дестабилизирующие
факторы, кроме синфазного напряжения, также оказыва-
ют слабое влияние на величину ивых^иф.
Если увеличилась температура и возросли тепловые
токи Гко1 и 7'ко2 соответственно транзисторов Tf и Т2, то
из-за изменения напряжений ища и uRK2 на резисторах RR\
и Rja изменяются напряжения Wjn и и^. Если сопротив-
ления Rm и Rki равны, а изменения токов /'KOi и Гко2 оди-
наковы, то напряжение ивЫх.Эи^ не изменится.
Допустим, что ток i0 является неизменным, а схема пол-
ностью симметрична и и#иф = 0, тогда iKl = /к2 = , так
как ток коллектора каждого транзистора примерно равен
току эмиттера. В случае изменения входного синфазного
сигнала токи iKi и iK2 не изменяются и поэтому не изме-
няются напряжения ик1 и ик2, не говоря уже о напряжении
ивых.диф- В соответствии с эт«;?5 в реальных усилителях
вместо резистора Лэ и источника напряжения Еэ часто
для ослабления влияния синфазного сигнала используют
ту или иную схему на транзисторах, которая выполняет
функцию источника тока. Эту схему при анализе обычно
заменяют источником тока (на рис. 2.36 пунктир).
В интегральных схемах области полупроводника, соот-
ветствующие транзисторам, располагают очень близко
друг от друга. Поэтому параметры транзисторов оказыва-
ются очень близкими, что обеспечивает симметрию диф-
ференциального усилителя.
Электроника----------------------------- 252
’ Рассмотрим кратко процессы, происходящие в усили-
теле при поступлении на его вход положительного сигна-
ла . При увеличении этого сигнала, во-первых, уве-
личиваются ток базы и ток коллектора транзистора Т2. Это
приводит к увеличению напряжения mra-2 и уменьшению
напряжения ик2. Во-вторых, уменьшаются ток базы и ток
коллектора транзистора Г(. Это приводит к уменьшению
напряжения uRKl и увеличению напряжения В ре-
зультате напряжение ивых.ди^ увеличивается. Если напря-
жение ивх.диф чрезмерно велико, то транзистор Т2 может
войти в режим насыщения, а транзистор Т\ — в режим
отсечки. При отрицательном напряжении транзи-
сторы меняются ролями.
На практике широко используются также дифференци-
альные усилители на полевых транзисторах.
Проведем количественный анализ рассмотренного
выше усилителя (рис. 2.36). Пусть идиф = 0 и установлен
фиксированный ток 10. Обозначим через PCTi,PCn стати-
ческие коэффициенты передачи тока базы, а через Д, Д
динамические коэффициенты соответственно для транзи-
сторов Т] и Т2. Если рсп = РСТ2 = Рст,Pt = Рг = Д, тогда в
начальном режиме
; -; - ~ *°
«о
1ЯТ =1К2
253 --------- Диалоговые электронные устройства
Допустим, RKi = RK2 = Rj{, тогда
“К1 ~ ^к2 ~ Е ~ 'RK, Uвых.диф ~ О"
Ev Ей-
В частности, если iQ = , то икх = н/С2 = •
rk 2
Такой начальный режим работы обеспечивает макси-
мально возможный диапазон изменения напряжений ик\ ,
ик2 и ивых.диф (— Ек...+ Ек).
Определим коэффициент усиления по напряжению д ля
дифференциального сигнала К$иф. Пусть под воздействи-
ем входного дифференциального напряжения ивх.диф токи
zf51 и z62 получили приращения, модуль которых обозна-
чим через |Дгб|. Если ивх.диф > 0, то приращение тока i62
будет положительным, а тока i6l — отрицательным. Если
в эквивалентной схеме транзистора учитывать сопротив-
ление гэ и не учитывать сопротивление г6, то
ивх.диф = 2 • (Д + V' ' |^б| •
Нетрудно заметить, что
U вых .диф ~ I Az61 ‘ fl ‘ Ejc • 2 .
С учетом выражений для ивхдиф и ивых.диф получим
„ _ ивых.диф _ fl ’ RK ~ RK
диф ивх.диф (Д+О-'э гэ '
Как известно, при увеличении начального тока в цепи
эмиттера величина гэ уменьшается, а при уменьшении
увеличивается. Поэтому при увеличении тока /0 коэффи-
Электроника------------------------------- 254
циент Кдиф увеличивается. Это позволяет изменять коэф-
фициент усиления, изменяя начальный режим работы
усилителя.
2.6.2. Усилитель постоянного тока
с модуляцией и демодуляцией
(усилитель типа МДМ)
В усилителях рассматриваемого типа входной постоян-
ный или медленно изменяющийся сигнал, как уже отме-
чалось, преобразуется (модулируется) в переменный по-
вышенной частоты. Полученный сигнал усиливается с
помощью усилителя переменного напряжения, а затем
вновь преобразуется (демодулируется) в постоянный или
медленно изменяющийся. Частота переменного напряже-
ния часто составляет десятки килогерц.
Структурная схема усилителя типа МДМ приведена на
рис. 2.37. Модулятор преобразует постоянный или мед-
ленно изменяющийся входной сигнал в переменное на-
пряжение с частотой fon, определяемой генератором опор-
ного напряжения, и амплитудой, пропорциональной
входному сигналу. Переменное напряжение ым с выхода
модулятора поступает на вход низкочастотного усилите-
ля переменного тока. Демодулятор — фазочувствительный
выпрямитель — преобразует переменное напряжение в
постоянное, причем величина постоянного напряжения
пропорциональна амплитуде переменного напряжения, а
следовательно, пропорциональна входному сигналу.
Временные диаграммы указанных на схеме напряже-
ний, поясняющие работу усилителя, приведены на
рис. 2.38.
Вследствие того, что в усилителях типа МДМ разорва-
ны гальванические связи между каскадами, удается дос-
255
Диалоговые электронные устройства
Рис. 2.37
Рис. 2.38
Электроника --------------------------- 256
тичь высокого качества усиления, так как дрейф нуля в
данной схеме отсутствует. Такие усилители могут исполь-
зоваться в высокоточных (прецизионных) устройствах.
Еще одним достоинством усилителей типа МДМ является
возможность изолировать с помощью трансформатора вход-
ную и выходную части. Изолирующие усилители широко
используются, к примеру, в медицинской электронике.
2.7. УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ
(мощные выходные усилители)
Усилителем мощности называют усилитель, предназна-
ченный для обеспечения заданной мощности нагрузки Рн
при заданном сопротивлении нагрузки RH. Усилитель
мощности является примером устройств силовой электро-
ники. Основная цель при разработке таких устройств со-
стоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность.
В противоположность устройствам силовой электрони-
ки при проектировании устройств информативной (ин-
формационной) электроники основная цель состоит в
том, чтобы выполнить заданную обработку сигнала и по-
лучить выходные сигналы, содержащие ту или иную ин-
формацию о входных. В качестве примера можно назвать
устройства, определяющие в какой момент времени вход-
ной сигнал принимает максимальное значение. В устрой-
ствах информативной электроники, как правило, стремят-
ся снизить мощность обрабатываемых сигналов до такого
уровня, при котором помехоустойчивость устройства еще
приемлема. В устройствах силовой электроники такую
задачу в соответствии с изложенным нельзя ставить в
принципе.
Реальное устройство может содержать черты как сило-
вой, так и информативной электроники, но об указанном
257 -------- Аналоговые электронные устройства
различии следует постоянно помнить. Необходимо отме-
тить, что функции устройств информативной электрони-
ки все чаще берут на себя микропроцессоры. Но микро-
процессоры, естественно, не в состоянии выполнять
функции устройств силовой электроники.
На усилитель мощности, как правило, приходится по-
давляющая часть мощности, потребляемая тем устрой-
ством, составной частью которого он является. Поэтому
всемерное внимание уделяется повышению коэффициен-
та полезного действия усилителя мощности. Другой важ-
ной проблемой является уменьшение габаритных раз-
меров и веса усилителя мощности, так как они часто
определяют габаритные размеры и вес всего устройства.
Проблемы повышения коэффициента полезногс действия
и уменьшения габаритных размеров тесно связаны, пото-
му что габаритные размеры и вес усилителя сильно зависят
от габаритных размеров и веса охладителей. Чем больше
коэффициент полезного действия, тем меньше габарит-
ные размеры и вес усилителя.
Транзисторы усилителей мощности работают в режиме
большого сигнала, когда амплитуды переменных состав-
ляющих токов и напряжений достаточно велики. При
этом заметно проявляются нелинейные свойства транзи-
сторов и возникают нелинейные искажения входного сиг-
нала. С другой стороны, обычно не допускается, чтобы
выходной сигнал был сильно искаженным.
Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя
мощности существенно зависят от начального режима ра-
боты, причем нелинейные искажения обусловливаются
нелинейностью не только входных, но и выходных харак-
теристик транзисторов, так как они работают в режиме
большого сигнала. Минимально возможный уровень не-
линейных искажений можно обеспечить в режиме клас-
са А, а максимально возможный КПД — в режиме клас-
сов В или АВ.
9 Электроника
Жанг Электроника------------------------------ 258
Усилители мощности бывают однотактные и двухтакт-
ные, причем первые работают в режиме класса А, а вто-
рые — в режиме классов В или АВ. Однотакгные усили-
тели мощности применяются при относительно малых
выходных мощностях (единицы ватт).
В соответствии с требованием обеспечить заданную
мощность нагрузки Рц при разработке усилителя мощно-
сти должен быть решен вопрос о соответствующем выбо-
ре напряжения питания усилителя Е. Предположим, что
усилитель с указанным напряжением питания может со-
здать на нагрузке синусоидальный сигнал с максимально
возможной амплитудой напряжения
Тогда максимально возможная мощность нагрузки
Рнмакс определится выражением
Рнмакс ~
1 _ Е2
RH Ъ'Ен
откуда
Е = 2 • у/РнмАКС'Ен *2.
Если по каким-либо причинам выбрать полученное
значение Е не представляется возможным, для согласова-
ния усилителя и нагрузки можно использовать трансформа-
тор. Однако трансформатор часто является нежелательным
элементом усилителя мощности, так как это сравнительно
дорогое и сложное в изготовлении устройство.
Рассмотрим согласование нагрузки и усилителя с по-
мощью трансформатора (рис. 2.39). Через и обозна-
чено соответственно количество витков первичной и вто-
ричной обмоток трансформатора, а через ивых и Лвых —
соответственно выходное напряжение и выходное сопро-
тивление усилителя.
259
Диалоговые, электронные устройства
Рис. 2.39
При определении мощности нагрузки эту схему можно
заменить эквивалентной схемой, приведенной н 1 рис. 2.40.
В ней через R'h обозначено приведенное сопротивление
нагрузки
где п — коэффициент трансформации (и = —
W1
Изменяя коэффициент трансформации, можно добить-
ся необходимого согласования усилителя и нагрузки, при-
чем известно, что максимальная мощность в нагрузку от-
дается при Reblx = R'H. Отсюда определим оптимальное
значение коэффициента трансформации:
RH
Попт ~ J п
V К вых
Рис. 2.40
Электроника ---------------------- 260
2.7.1. Трансформаторные усилители
мощности
Рассмотрим однотактный усилитель мощности, в кото-
ром трансформатор включен по схеме с ОЭ (рис. 2.41).
Трансформаторы ТР] и ТР2 предназначены для согласова-
ния нагрузки и выходного сопротивления усилителя и
входного сопротивления усилителя с сопротивлением ис-
точника входного сигнала соответственно. Элементы R и
D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а
Сувеличивает переменную составляющую, поступающую
на транзистор Т.
Для анализа схемы изобразим семейство выходных ха-
рактеристик транзистора, линии нагрузки и временные
диаграммы (рис. 2.42). Линия 1 — это линия нагрузки по
постоянному току, выходящая из точки, соответствующей
£к, а наклон ее определяется омическим сопротивлени-
ем первичной обмотки трансформатора ТР2. Точка 0 яв-
ляется начальной рабочей точкой транзистора. Через нее
проходит линия нагрузки по переменному току 2, наклон
которой определяется приведенным сопротивлением на-
261
------- Диалоговые электронные устройства
грузки. Из графических построений следует, что напряже-
ние на транзисторе может достигать почти удвоенной ве-
личины Ек.
Проведем количественный анализ рассматриваемой
схемы:
р' — TJ J
ГН IZ IZ и кт1 кт ,
V2 V2 2
где — выходная мощность, приведенная к первичной
обмотке трансформатора ТР2;
=рн •Лтр,
где г| ТР — КПД ТР2 СПт? = 0>75 -* 0,95).
Мощность, потребляемая усилителем от источника пи-
тания, Рпотр =ЕК-1КИ. Следовательно, КПД усилителя
Электроника
262
__ _ 1 кт ' кт ~
Р 2 Е -I ^г‘р ‘
ГПОТР ак 1кн
Для идеального усилителя = Ек, = /кн, т)гр — U
а следовательно, теоретический КПД усилителя Пт£ор=
= 0,5. Реальный же КПД
Лрдьт- 0.3 + 0,35.
Рассмотрим двухтактный усилитель мощности (рис. 2.43).
Транзисторы могут быть включены по схеме либо с ОЭ
(рис. 2.43, о), либо с ОБ (рис. 2.43, б).
Обе схемы могут работать в режиме класса В (резисто-
ры R\ и Ri не используются) либо в режимах классов АВ
или А (резисторы R\ и Я2 обеспечивают соответствующий
начальный режим работы транзисторов).
Рис. 2.43
263 -------- Аналоговые электронные устройства
Временные диаграммы, соответствующие классу В
(рис. 2.44), показывают, что двухтактный усилитель мож-
но рассматривать как две независимые схемы, работаю-
щие поочередно, каждая в течение полупериода входного
сигнала. Проведем количественный анализ двухтактного
усилителя, работающего в режиме класса В при включе-
нии транзисторов по схеме с общей базой (рис. 2.43, б).
Средний ток (постоянная составляющая) каждого из тран-
зисторов с учетом обратного тока
IcpTt ~ ^срТ2 ~ ^кт ЛсО'
Рис. 2.44
Таким образом, ток и мощность, потребляемые усили-
телем от источника тока, соответственно равны:
Электроника ---------------------------- 264
?ПОТР - Ек^ПОТР------ Vкт + П‘/к0)-^к ' Л ,
It It
ГДе 11 = I юп + It I Ko .
Так же, как это делалось ранее для однотактного уси-
лителя мощности, определим /д = ^кт^кт , а
£л
Следовательно, КПД двухтактного усилителя мощно-
сти в режиме класса В
y> _ _ И Uкт 'Iкт
Н-- -• чп>.
ГПОТР 4 пк 71
Для идеального усилителя UKm = Ек, 1кт = 1\,т\тр~ 1, а
п
следовательно, теоретический КПД ~ 0,78. Реаль-
ный же КПД составляет 0,6 + 0,7.
Поскольку трансформатор является нежелательным
элементом усилителей мощности, так как имеет большие
габариты и вес, относительно сложен в изготовлении, то
в настоящее время наибольшее распространение находят
бестрансформаторные усилители мощности.
2.7.2. Бестрансформаторные усилители
мощности
Рассмотрим двухтактный усилитель мощности на би-
полярных транзисторах различного типа проводимости
265 -------- Диалоговые, электронные устройства
(комплементарный эмиттерный повторитель, усилитель с
дополнительной симметрией) (рис. 2.45). Транзисторы
усилителя работают в режиме класса В. При поступлении
Рис. 2.45
на вход усилителя положительной полуволны напряжения
ивх транзистор Ti работает в режиме усиления, а транзис-
тор Т2 — в режиме отсечки. При поступлении отрицатель-
ной полуволны транзисторы меняются ролями. Так как
напряжение между базой и эмиттером открытого транзи-
стора мало (около 0,7 В), напряжение ивых близко к напря-
жению Ugx. Однако выходное напряжение оказывается
искаженным из-за влияния нелинейностей входных ха-
рактеристик транзисторов. Для рассматриваемого усили-
теля максимально возможная амплитуда напряжения на
нагрузке Um равна Е. Поэтому максимально возможная
мощность нагрузки определяется выражением
р 1 -
Н'МаКС Rfj 2,Rh>
ЖаеЕ Электроника--------------------------------- 266
Можно показать, что при максимальной мощности
нагрузки усилитель потребляет от источников питания
мощность, определяемую выражением
_ 2-Е2
гпотр.макс _ « ’
lt'RH
Отсюда получаем максимально возможный коэффици-
ент полезного действия усилителя
Р п
~ _ Л н.макс _ _ ~ n 7Q
"макс “ р "" д ~ и,/о.
*потр.макс **
Для уменьшения нелинейных искажений обеспечива-
ют некоторое начальное смещение на входах транзисторов
и тем самым переводят их в режим класса АВ (рис. 2.46).
При этом коэффициент полезного действия несколько
уменьшается.
Рис. 2.46
Рассмотрим двухтактный усилитель мощности с опера-
ционным усилителем (рис. 2.47). В схеме использована
общая отрицательная обратная связь (резисторы R{ и R2),
охватывающая оба каскада (на операционном усилителе и
на биполярных транзисторах), благодаря которой схема
создает настолько малые нелинейные искажения, что ча-
261
Аналоговые электронные устройства
сто не требует дополнительных цепей смещения для кас-
када на транзисторах 1\ и Тг. Поскольку напряжение на
нагрузке /?н примерно равно напряжению на выходе ОУ,
то мощность на выходе всего усилителя ограничивается
выходным напряжением ОУ.
2.8. АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ
Фильтром называют устройство, которое передает
(пропускает) синусоидальные сигналы в одном определен-
ном диапазоне частот (в полосе пропускания) и не пере-
дает (задерживает) их в остальном диапазоне частот (в
полосе задерживания). Естественно, фильтры используют
для передачи не только синусоидальных сигналов, но,
определяя полосы пропускания и задерживания, ориенти-
руются именно на синусоидальные сигналы. Зная, как
фильтр передает синусоидальные сигналы, обычно доста-
точно легко определить, как он будет передавать сигналы
и другой формы. В устройствах электроники фильтры ис-
Электроника ---------------------------- 268
пользуются очень широко. Различают аналоговые и циф-
ровые фильтры. В аналоговых фильтрах обрабатываемые
сигналы не преобразуют в цифровую форму, а в цифровых
перед обработкой сигналов осуществляют такое преобра-
зование.
Ниже рассматриваются аналоговые фильтры. Такие
фильтры строят на основе как пассивных (конденсаторов,
катушек индуктивности, резисторов), так и активных эле-
ментов (транзисторов, операционных усилителей). Для
аналоговой фильтрации широко используют также элек-
тромеханические фильтры: пьезоэлектрические и механи-
ческие. В пьезоэлектрических фильтрах используют есте-
ственный и искусственный кварц, а также пьезокерамику.
Основу механического фильтра составляет то или иное
механическое устройство.
Важно различать требования, предъявляемые к фильт-
рам силовой и информативной (информационной) элек-
троники. Фильтры силовой электроники должны иметь
как можно больший коэффициент полезного действия.
Для них очень важной является проблема уменьшения
габаритных размеров. Такие фильтры часто строят на ос-
нове только пассивных элементов. К фильтрам силовой
электроники относятся сглаживающие фильтры, рассмат-
риваемые при изучении вторичных источников питания.
Фильтры информативной электроники чаще разрабатыва-
ют при использовании активных элементов. При этом
широко используют операционные усилители.
Фильтры, содержащие активные элементы, называют
активными. Ниже рассматриваются активные фильтры, в
которых обычно не используются катушки индуктивнос-
ти. Поэтому они могут быть изготовлены с применением
технологии интегральных микросхем (катушки с большой
индуктивностью не удается изготовить по указанной тех-
нологии). Нередко активные фильтры оказываются де-
шевле соответствующих фильтров на пассивных элемен-
тах и занимают меньшие объемы. Активные фильтры
269 -------- Диалоговые электронные устройства Щйаег
способны усиливать сигнал, лежащий в полосе пропуска-
ния. Во многих случаях их достаточно легко настроить.
Укажем также и недостатки активных фильтров:
• использование источника питания;
• невозможность работы на таких высоких частотах,
на которых используемые операционные усилители
уже не способны усиливать сигнал.
2.8.1. Общее математическое описание
фильтров
Фильтры вообще и активные фильтры, в частности, яв-
ляются настолько важными устройствами электроники,
что вопросам их строгого, математического описания уде-
лялось и уделяется самое серьезное внимание. Публику-
ется большое число научных статей и книг, посвященных
фильтрам. Для того, чтобы инженер или научный работ-
ник был в состоянии воспользоваться указанными источ-
никами информации, а также средствами автоматизиро-
ванного проектирования, он должен хотя бы в общих
чертах знать особенности математического описания
фильтров.
Обычно фильтр анализируется как конечная линейная
электронная схема с сосредоточенными параметрами.
Если реальная схема фильтра является нелинейной (на-
пример, содержит транзисторы или операционные усили-
тели), то при анализе она линеаризуется и затем рассмат-
ривается как линейная.
В соответствии с изложенным фильтр описывается
обыкновенным линейным дифференциальным уравнени-
ем некоторого порядка п:
d"y d"-'y dy , d”x , d"-'x .
....+ । — +... + a,---^aQy—b ——+b . • —: +...+b,-----------hbox
dt* " * Л" 1 dt 07 ’ dtm "1 Л 1 dt
Электроника---------------------------- 270
где х = л(О — входной сигнал фильтра (обычно — вход-
ное напряжение);
у = y(t) — выходной сигнал фильтра (обычно — выход-
ное напряжение);
ah i = 0,л; bh i = 0,т — вещественные коэффици-
енты.
Для фильтров, которые могут быть реализованы, вы-
полняется соотношение п > т. Величину л называют так-
же порядком фильтра. Если, например, л = 2, то говорят,
что фильтр второго порядка.
Необходимо отметить, что вместо записанного одного
уравнения фильтр может быть описан линейной системой
из л дифференциальных уравнений первого порядка (си-
стемой дифференциальных уравнений в форме Коши).
Показано, что величина л равна или меньше количества
реактивных элементов (конденсаторов и катушек индук-
тивности) фильтра. Например, если в фильтре три конден-
сатора, то он может быть третьего или меньшего порядка.
Инженеру нужно знать, что порядок фильтра определяется
количеством тех напряжений на конденсаторах и токов
катушек индуктивности, которые могут задаваться как
начальные независимо друг от друга.
Для примера обратимся к схеме, приведенной на
рис. 2.48.
о
о
Рис. 2.48
Уже до составления одного дифференциального, урав-
нения или эквивалентной системы дифференциальных
уравнений можно сказать, что это схема второго порядка,
271
Аналоговые, электронные устройства
так как начальные напряжения при расчете переходного
процесса можно задавать независимо для двух из трех кон-
денсаторов.
Применим к приведенному выше уравнению прямое
преобразование Лапласа и определим передаточную фун-
кцию Т(з) как отношение операторного изображения Y(s)
выходной величины к операторному изображению .¥($)
входной величины:
Г(5) = ZM = bmsm+bm lsm~i+...+Ь{з+Ь0 ,
^(s) апзп + ...4-01$+ад
где з — комплексная частота.
Запишем передаточную функцию в следующем виде:
(s-pt)(s-p2)...(s-pn) ’
где К — вещественный коэффициент;
Zi-Zm — корни полинома числителя (их принято называть
нулями);
Р\...рп — корни полинома знаменателя (их принято назы-
вать полюсами).
Известно, что полюсы и нули могут быть или веще-
ственными, или комплексно-сопряженными.
Как уже отмечалось, при описании свойств фильтров
обычно ориентируются на синусоидальные сигналы. При
этом имеют в виду установившийся режим работы. В та-
кой ситуации широко используют частотную передаточ-
ную функцию ТЦсо), которую получают из обычной пере-
даточной функции при использовании подстановки
s =М
где со — круговая частота, рад/с.
Получаем
Г(» = к
О - А )О - Pi )(№ -PnY
Электроника
272
Укажем три характеристики, которые широко исполь-
зуются для описания фильтров:
• амплитудно-частотная;
• фазочастотная;
• времени замедления (группового времени замедле-
ния).
Амплитудно-частотная характеристика представляет
собой зависимость вида
Л((о) = |Т(до)|.
Значение А (со) на некоторой частоте дает отношение
действующих (и амплитудных) значений сигналов на вы-
ходе и входе фильтра. На практике широко используют
амплитудно-частотную характеристику в децибелах, кото-
рая представляет собой зависимость вида
Jaj(co) = 20 1g |Т(До)|.
Фазочастотная характеристика — это зависимость вида
Ф (со) = arg Т (До).
Значение ф (со) на некоторой частоте является сдвигом
по фазе выходной величины по отношению ко входной.
Характеристика времени замедления — это зависи-
мость вида
, . с/ф(ш)
т(со) =---у-2 .
do
Величина т (со) — это время замедления (групповое).
Оно характеризует сдвиг по времени выходной величины
по отношению к входной.
Наиболее широко используют амплитудно-частотную
и фазочастотную характеристики. Характеристика време-
ни замедления не несет принципиально новой информа-
ции по сравнению с фазочастотной характеристикой, но
является весьма полезной и используется достаточно час-
то. Для уяснения роли времени замедления при анализе
273 -------- Диалоговые электронные устройства
фильтров кратко рассмотрим проблему искажения формы
сигнала, содержащего несколько гармоник, при прохож-
дении его через фильтр. Напомним, что фильтр рассмат-
ривается как линейное устройство, поэтому речь идет не
о нелинейных искажениях. Имеются в виду искажения,
причиной которых является несовершенство фазочастот-
ной характеристики фильтра.
Вначале рассмотрим фильтр с настолько совершенной
фазочастотной характеристикой, что искажение формы
сигнала отсутствует. Такая фазочастотная характеристика
является линейной однородной функцией круговой час-
тоты и определяется выражением
ф(со) = -к • со,
где к — постоянная положительная величина. Приведем
соответствующий график (рис. 2.49). Пусть входным сиг-
налом является напряжение ивх> содержащее две гармони-
ки (рис. 2.50):
Рис. 2.49
Рис. 2.50
274
Электроника-------------------------
“,х = Um\ sin оу + Um2 siiW = Uml sin оу + Um2
Для первой гармоники фильтр обеспечивает сдвиг по
фазе <Pi (со) = — Л <01, а для второй гармоники сдвиг по фазе
будет равен ф2((о) = -коз2 = —2А?(о1. Обозначим через 7\ и
Т2 периоды соответственно первой и второй гармоник, а
через j\ и f2 — их частоты. Определим сдвиги по времени
и t2, соответствующие сдвигам по фазе <Pi и фг- Обратим-
ся к первой гармонике. Для нее сдвиг по фазе —2л соот-
ветствует периоду Т\, а сдвиг по фазе ф1 соответствует ис-
комому времени
п ~2л Т\
Составим пропорцию ----= —,
Ф1 А
отсюда
1
Ф1 —
t - -____-Л - Ф1 _
1 -2л -2л -о)| -со.
Аналогично получаем
( _ ф2 _-2k(ol _k
2 —со2 -2(0|
Таким образом, в рассматриваемом случае гармоники
будут сдвинуты по времени на одну и ту же величину к и
поэтому сигнал не будет искажен, т. е. форма его останет-
ся прежней. Но, естественно, выходной сигнал будет сдви-
нут относительно входного на время +к (в рассматривае-
мом случае выходной сигнал будет отставать от входного
на время к).
Определим для рассматриваемого фильтра время замед-
ления:
т(со) = —- = к
Ла
275 -------- Аналоговые электронные устройства
Таким образом, в рассматриваемом случае время замед-
ления — это время, на которое выходной сигнал будет
сдвинут относительно входного.
Если фазочастотная характеристика не будет линейной
однородной функцией круговой частоты, то различные
гармоники будут сдвинуты фильтром на различные отрез-
ки времени, и поэтому форма сигнала, содержащего не
одну гармонику, будет искажаться. Чем ближе фазочастот-
ная характеристика некоторого фильтра к линейной одно-
родной функции (и чем меньше значения времени замед-
ления отличаются от некоторой константы), тем искажения
будут меньше.
Поэтому при использовании систем автоматизирован-
ного проектирования (САПР) характеристику времени за-
медления часто выводят на экран компьютера и исполь-
зуют для оценки искажений сигналов фильтром. Время
замедления называют также временем запаздывания.
Из изложенного следует, что частотные характеристи-
ки фильтра полностью определяются значением коэффи-
циента К передаточной функции, а также значением ее
нулей и полюсов. Нули и полюсы часто изображают в виде
точек на плоскости комплексной частоты (s-плоскости),
получая так называемую диаграмму нулей и полюсов. Та-
кая диаграмма вместе с коэффициентом К несет полную
информацию о частотных свойствах фильтра. Имея диаг-
рамму нулей и полюсов, легко определить значения мо-
дуля и аргумента частотной передаточной функции, т. е.
коэффициент усиления и сдвиг по фазе.
Допустим, что некоторый полюс рк расположен на
s-плоскости так, как показано на рис. 2.51. Пусть круго-
вая частота равна сор Тогда для учета полюса рк в знамена-
тель дроби, определяющей величину |7’(/ю)|, следует до-
бавить сомножитель, равный длине вектора с началом в
полюсе рк и окончанием на мнимой оси с ординатой а>/, а
в алгебраическую сумму, определяющую величину
Электроника
276
Рис. 2.51
aig Т (До), следует добавить слагаемое —фъ где — угол,
указанный на рисунке.
2.8.2. Классификация фильтров
по виду их амплитудно-
частотных характеристик
Рассмотрим основные типы фильтров, классифициру-
емых по виду амплитудно-частотных характеристик.
Фильтры нижних частот. Для фильтров нижних час-
тот (ФНЧ) характерно то, что входные сигналы низких ча-
стот, начиная с постоянных сигналов, передаются на вы-
ход, а сигналы высоких частот задерживаются.
Приведем примеры амплитудно-частотных характери-
стик фильтров нижних частот. На рис. 2.52, а показана ха-
рактеристика идеального (не реализуемого на практике)
фильтра (ее иногда называют характеристикой типа «кир-
пичная стена»). На других рисунках представлены харак-
теристики реальных фильтров.
Рис. 2.52
Полоса пропускания лежит в пределах от нулевой час-
тоты до частоты среза (ос. Обычно частоту среза определя-
ют как частоту, на которой величина А(со) равна 0,707 от
максимального значения (т. е. меньше максимального зна-
чения на 3 дБ).
Полоса задерживания (подавления) начинается от ча-
стоты задерживания со3 и продолжается до бесконечнос-
ти. В ряде случаев частоту задерживания определяют как
частоту, на которой величина А(со) меньше максимально-
го значения на 40 дБ (т. е. меньше в 100 раз).
Между полосами пропускания и задерживания у реаль-
ных фильтров расположена переходная полоса. У идеаль-
ного фильтра переходная полоса отсутствует.
Фильтры верхних частот. Фильтр верхних частот ха-
рактерен тем, что он пропускает сигналы верхних и задер-
живает сигналы нижних частот.
Частотные характеристики фильтров верхних частот,
как и характеристики фильтров нижних частот, много-
образны в своих деталях.
Изобразим для иллюстрации две характеристики: иде-
альную, нереализуемую (рис. 2.53, а), и одну из типичных
реальных (рис. 2.53, б). Через <ос и со3 обозначены частоты
среза и задерживания.
Электроника
278
Рис. 2.53
Полосовые фильтры (полосно-пропускающие). Полосовой
фильтр пропускает сигналы одной полосы частот, распо-
ложенной в некоторой внутренней части оси частот. Сиг-
налы с частотами вне этой полосы фильтр задерживает.
Изобразим амплитудно-частотную характеристику для
идеального (нереализуемого) фильтра (рис. 2.54, а) и одну
из типичных реальных характеристик (рис. 2.54, б). Через
соС1 и сос2 обозначены две частоты среза, (00 — средняя час-
тота. Она определяется выражением
Рис. 2.54
Режекторные фильтры (полосно-заграждающие). Ре-
жекторные фильтры не пропускают (задерживают) сигна-
лы, лежащие в некоторой полосе частот, и пропускают
сигналы с другими частотами. Изобразим амплитудно-
частотную характеристику для идеального (нереализуемо-
го) фильтра (рис. 2.55, а) и одну из типичных реальных
характеристик (рис. 2.55, б).
279
Аналоговые электронные устройства
А«о)4
(ОС| шс2
(О
О
а
Рис. 2.55
Всепропускающие фильтры (фазовые корректоры). Эти
фильтры пропускают сигналы любой частоты. Построим
соответствующую амплитудно-частотную характеристику
(рис. 2.56). Такие фильтры используются в некоторой
электронной системе для того, чтобы изменить с той или
иной целью фазочастотную характеристику всей системы.
А((й) А
б1
->
(О
Рис. 2.56
Исходя из приведенного выше математического описа-
ния фильтров, нетрудно сделать вывод, что ход амплитуд-
но-частотной характеристики на достаточном удалении от
полосы пропускания прямо определяется порядком филь-
тра. Этот факт хорошо иллюстрируют амплитудно-частот-
ные характеристики, выполненные в логарифмическом
масштабе. Рассмотрим указанные характеристики для не-
которых фильтров различного порядка, имеющих одина-
ковые коэффициенты усиления на нулевой частоте, рав-
ные 100 (рис. 2.57).
280
Из математического описания следует, что надостаточ-
ном расстоянии от полосы пропускания наклон характе-
ристики равен —20л дБ/дек, где л — порядок фильтра.
Наклон —20 дБ/дек означает, что увеличение частоты в
10 раз приводит к уменьшению коэффициента усиления
в 10 раз, а наклон —40 дБ/дек означает, что увеличение ча-
стоты в 10 раз приводит к уменьшению коэффициента
усиления в 100 раз.
Из изложенного следует, что если необходимо обеспе-
чить более быстрое изменение коэффициента усиления на
удалении от полосы пропускания, то следует увеличить по-
рядок фильтра (но при этом схема фильтра усложняется).
281 ------ Яналдговые электронные устройства
2.8.3. Классификация фильтров
по особенностям полиномов,
входящих в передаточные
функции
Рассмотрим эту классификацию на примере фильтров
нижних частот. Свойства фильтров сильно зависят от того,
какими полиномами описываются их передаточные фун-
кции, или, другими словами, от того, как расположены
нули и полюсы на плоскости комплексной частоты. Ука-
занные особенности математического описания определя-
ют ход амплитудно-частотных характеристик в полосе
пропускания и в переходной полосе. Ход характеристик на
удалении от полосы пропускания, как уже отмечалось,
определяется порядком фильтра.
На практике широко используются фильтры, отлича-
ющиеся характерными особенностями полиномов переда-
точных функций. Это фильтры Баттерворта, Чебышева,
Бесселя (Томсона).
Для фильтров Баттерворта характерно то, что полюсы
лежат на полуокружности в левой половине s-плоскости.
Полюсы фильтра Чебышёва расположены на части эллип-
са. Полюсы фильтра Бесселя расположены на кривой, ле-
жащей вне указанной полуокружности. Сказанное иллю-
стрируется на рис. 2.58. Характер расположения полюсов
определяет следующие особенности этих фильтров.
Фильтры Баттерворта характеризуются наиболее плос-
кой амплитудно-частотной характеристикой в полосе про-
пускания. Это их достоинство. Но в переходной полосе
указанные характеристики спадают плавно, недостаточно
резко.
Фильтры Чебышёва отличаются резким спадом ампли-
тудно-частотных характеристик в переходной полосе, но
в полосе пропускания эти характеристики не являются
плоскими.
282
Фильтры Бесселя характеризуются очень пологими уча-
стками амплитудно-частотных характеристик в переход-
ной полосе, еще более пологими, чем у фильтров Баттер-
ворта. Их фазочастотные характеристики достаточно близки
к идеальным, соответствующим постоянному времени за-
медления, поэтому такие фильтры мало искажают форму
входного сигнала, содержащего несколько гармоник.
Изобразим амплитудно-частотные характеристики
фильтров указанных типов (рис. 2.59). Предположим, что
все фильтры имеют одинаковый порядок и близкие коэф-
фициенты усиления в полосе пропускания. Для того что-
бы характеристики были особенно наглядными, восполь-
зуемся линейным масштабом.
Полезно выполнить сравнение типов фильтров и по их
переходным характеристикам (т. е. во временной области).
На рис. 2.60 показаны типичные переходные характе-
ристики фильтров, т. е. временные диаграммы выходных
напряжений при ступенчатом изменении входных напря-
жений. Из рисунка следует, что во временной области
фильтр Бесселя имеет наилучшие свойства, фильтр Чебы-
шева — наихудшие свойства, а фильтр Баттерворта по сво-
им свойствам занимает промежуточное положение.
283
Аналоговые электронные устройства
Рис. 2.59
Рис. 2.60
2.8.4. Особенности проектирования
активных фильтров
Технические требования при проектировании актив-
ных фильтров обычно определяют основные параметры
амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик, а
также другие требования, наиболее важные для заказчи-
ка. Среди указанных других требований часто фигуриру-
ют требования в отношении чувствительности частотных
характеристик к изменению параметров элементов, вхо-
Электроника -------------------------- 284
дящих в фильтр (сопротивлений резисторов, емкостей
конденсаторов и т. д.). Если чувствительность высока, то
фильтр может потребовать сложной настройки, и суще-
ствует опасность, что в процессе его эксплуатации при ста-
рении элементов свойства фильтра начнут изменяться.
При проектировании фильтров высокого порядка п
часто используют следующий подход. Вначале будем счи-
тать, что п — четное число. Передаточную функцию Т(з)
представляют в виде произведения сомножителей, причем
каждый сомножитель является передаточной функцией
второго порядка:
и/
/2
т(5)=пад.
i=i
При этом фильтр порядка п строится как схема, состо-
ящая из каскадов в количестве л/2, причем каждый кас-
кад является фильтром второго порядка и соответствует
определенному сомножителю Tt (s). Часто используют
одну и ту же базовую схему для всех каскадов. Параметры
элементов этой схемы (сопротивления резисторов и емко-
сти конденсаторов) для каждого z-го каскада определяют
так, чтобы каскад описывался передаточной функцией 7}($).
В общем случае параметры элементов различных каскадов
различны. Если число п нечетное, то в схему фильтра до-
полнительно включают один каскад, являющийся цепью
первого порядка.
2.8.5. Схемы активных фильтров
Приведем в качестве примера две схемы фильтров вто-
рого порядка.
Вначале изобразим схему фильтра нижних частот
(рис. 2.61). Можно заметить, что на низких частотах (и на
постоянном токе) фильтр имеет коэффициент усиления,
который описывается следующим выражением:
285
Диалоговые, электронные устройства
к-^к^к
R
где К — величина, определяющая сопротивление в
цепи обратной связи (К— !)•_/? (рис. 2.61).
Приведенное выражение соответствует неинвертирую-
щему усилителю.
При увеличении частоты входного сигнала напряжение
на выходе уменьшается. Укажем две причины этого умень-
шения. Во-первых, уменьшается напряжение на неинвер-
тирующем входе (т. е. на емкости С2) из-за уменьшения
модуля комплексного сопротивления емкости С2. Во-вто-
рых, уменьшается напряжение иа из-за того, что модуль
комплексного сопротивления емкости С, уменьшается и
через эту емкость с выхода усилителя в точку «а» подает-
ся ток, который значительно сдвинут по фазе относитель-
но напряжения ивх.
Далее рассмотрим схему фильтра верхних частот
(рис. 2.62). На высоких частотах коэффициент усиления
фильтра равен К. Рассмотренные фильтры могут состав-
лять основу фильтров Баттерворта, Чебышёва, Бесселя или
фильтров другого типа в зависимости от параметров рези-
сторов /?| и R2 и конденсаторов и С2.
Жавг Электроника------------------------------ 286
Краткая характеристика активных фильтров на пере-
ключаемых конденсаторах. Переключаемый конденса-
тор — это своего рода дозатор, передающий строго опре-
деленные заряды из одной электрической цепи в другую.
Изобразим упрощенную схему, поясняющую работу пере-
ключаемого конденсатора (рис. 2.63). Ключи и S2 ра-
Рис. 2.63
ботают в противофазе, т. е. когда ключ замкнут, ключ S2
разомкнут, и наоборот. После замыкания ключа 5] конден-
сатор накапливает заряд ивх-С, получая его от источника
входного напряжения. После замыкания ключа 52 конден-
сатор отдает указанный заряд в цепь этого ключа. Чем
чаще будут переключаться ключи, тем больший заряд в
единицу времени будет передаваться в указанную цепь,
т. е. тем больше будет среднее значение тока i. Использо-
вание переключаемого конденсатора позволяет изменять
среднее значение тока i путем изменения частоты пере-
ключения. В этом смысле переключаемый конденсатор
играет роль резистора с регулируемым сопротивлением.
287
Аналоговые электронные устройства
Активные фильтры на переключаемых конденсаторах
имеют следующие достоинства:
• они достаточно дешевые, так как при их изготовле-
нии используется относительно простая технология;
• их легко перестраивать на другие частоты, для чего
достаточно изменять частоту переключения.
Активные фильтры на переключаемых конденсаторах
уже довольно долго используются на практике.
2.9. ГЕНЕРАТОРЫ
ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
Генератором гармонических колебаний называют уст-
ройство, создающее переменное синусоидальное напря-
жение при отсутствии входных сигналов. Генератор пре-
образует энергию источника постоянного напряжения в
энергию переменного выходного сигнала.
Различают два режима возбуждения генератора. При
так называемом мягком режиме колебания (сигнал на
выходе) возникают после подключения генератора к ис-
точнику питания самопроизвольно. Мягкий режим назы-
вают также режимом самовозбуждения. При жестком ре-
жиме для возникновения колебаний требуется внешний
начальный сигнал.
Обратимся к структурной схеме генератора с последо-
вательной положительной обратной связью по напряже-
нию (рис. 2.64). Эта схема аналогична ранее изученной
соответствующей структурной схеме усилителя с отрица-
тельной обратной связью. Аналогичны и обозначения ве-
личин.
При наличии колебаний
йвых=к-йос=кйвых^,
откуда получаем условие самовозбуждения: К *р = 1.
Электроника
288
а вых
Рис. 2.64
Запишем это условие в развернутом виде:
Й₽1 = 1;
ф + ф = 2лп, п = 0, 1,...
где ф — сдвиг по фазе для цепи прямой передачи (для уси-
лителя); у— сдвиг по фазе для цепи обратной связи.
Выражение |АГ-0| = 1 называют условием баланса ам-
плитуд, а выражение ф + ф = 2лп — условием баланса фаз.
Если условие самовозбуждения АГ-0 = 1 выполняется
только для одной частоты, то на выходе генератора под-
держивается синусоидальное напряжение этой частоты
(именно это характерно для генераторов гармонических
колебаний). Если это условие выполняется для несколь-
ких частот, то выходное напряжение оказывается несину-
соидальным, в нем имеется несколько гармоник.
Из изложенного следует, что генератор гармонических
колебаний должен содержать по крайней мере одну час-
тотно-избирательную цепь, которая бы обеспечивала вы-
полнение условия самовозбуждения на заданной частоте.
В зависимости от вида частотно-избирательной цепи, ис-
пользующейся в генераторе, генератор относят к тому или
289 -------- Аналоговые электронные устройства
иному типу. В так называемых ЛС-генераторах использу-
ются ZC-цепи. В ЯС-генераторах используются /?С-цепи. В
кварцевых генераторах используют кварцевые резонаторы.
В некоторых схемах совместно используются кварцевые
резонаторы и ZC-контуры. Существуют также генераторы
с керамическими и механическими (электромеханически-
ми) резонаторами.
2.9.1. ЯС-генераторы с мостом Вина
Мостом Вина обычно называют схему, приведенную на
рис. 2.65.
При частоте входного сигнала, равной резонансной
частоте Jo, напряжение на выходе ивых равно нулю (при
ненулевом входном напряжении ивх. Легко показать, что
г 1
/о = Л ' • Иногда мостом Вина называют схему, приве-
2лкС
денную на рис. 2.66. На частоте f0 коэффициент передачи
такой схемы Р = ~.
10 Электроника
Жает Электроника ------------------------------ 290
Далее мостом Вина будем называть первую схему с кон-
фигурацией, действительно характерной для мостовых
схем, а схему на рис. 2.66 — упрощенным мостом Вина.
В реальных схемах генераторов для поддержания коле-
баний необходимо, чтобы на частоте колебаний напряже-
ние ивых несколько отличалось от нуля. Поэтому реально
мост работает с некоторым рассогласованием, когда отно-
„ Rt ~ .
шение сопротивлении —- несколько отличается от 2 (бо-
r2
R>
лее точно, — >2).
R2
Для генераторов гармонических колебаний важной
проблемой является автоматическая стабилизация ампли-
туды выходного напряжения. Если в схеме не предусмот-
рены устройства автоматической стабилизации, устойчи-
вая работа генератора окажется невозможной. В этом
случае после возникновения колебаний амплитуда выход-
ного напряжения начнет постоянно увеличиваться, и это
приведет к тому, что активный элемент генератора (к при-
меру, операционный усилитель) войдет в режим насыще-
ния. В результате напряжение на выходе будет отличать-
291
Аналоговые электронные устройства
ся от гармонического. Схемы автоматической стабилиза-
ции амплитуды могут быть достаточно сложными и содер-
жать, к примеру, несколько дополнительных операцион-
ных усилителей.
Изобразим схему генератора на операционном усили-
теле с очень простой схемой автоматической стабилиза-
ции амплитуды (рис. 2.67), которую обеспечивают диоды.
Поясним их роль на следующем примере. Если по каким-
Рис. 2.67
либо причинам амплитуда напряжения на выходе ивых
увеличилась, то увеличится амплитуда полуволн тока, про-
ходящих через диоды. Но это приведет к тому, что для каж-
дого диода уменьшится дифференциальное сопротивление
и сопротивление на постоянном токе для соответствующих
моментов времени. Это эквивалентно уменьшению сопро-
тивления в цепи между выходом операционного усилите-
ля и его инвертирующим входом. Но такое уменьшение,
как известно, приводит к уменьшению коэффициента
усиления усилителя на основе ОУ, охваченного отрица-
тельной обратной связью (ООС). В результате выходное
напряжение уменьшится, возвратившись к исходному зна-
чению. Назначение потенциометра — регулирование ам-
плитуды выходного напряжения.
Предыдущую схему можно представить так, как пока-
зано на рис. 2.68. Тогда становится очевидным, что пунк-
Электроника
292
тиром обведен усилитель, представляющий из себя ОУ,
охваченный цепью ООС и имеющий коэффициент усиле-
ния К. С помощью частотно-зависимой АС-цепи (упро-
щенный мост Вина) этот усилитель охвачен цепью поло-
жительной обратной связи. На частоте f0 коэффициент
передачи упрощенного моста Вина Р = ~ • Следовательно,
для соблюдения условия баланса амплитуд необходимо,
чтобы К • Р > 1, т. е. (пренебрегая прямым сопротивлением
Г, R\ + Ao
диодов D| и D2) 1 + —‘---
I R3
• — — 1, ИЛИ /?| + /?2 — 2/?з,
т. е. подучаем тот же результат, что и ранее, но более строго.
При практическом применении подобных генераторов
нагрузку часто желательно подключать через дополни-
тельный так называемый буферный усилительный каскад.
293 ------- Аналоговые электронные устройства
2.9.2. Кварцевые генераторы
Как уже отмечалось, основу кварцевых генераторов
составляют кварцевые резонаторы. Кварцевый резона-
тор — это пластинка кварца, закрепленная определенным
образом в кварцедержателе и представляющая собой элек-
тромеханическую колебательную систему. Эти резонато-
ры относятся к пьезоэлектрическим элементам, принцип
действия которых основан на использовании прямого и
обратного пьезоэффекта. Прямой пьезоэффект состоит в
том, что механическая нагрузка на материал элемента
вызывает появление электрического напряжения между
соответствующими поверхностями элемента. Обратный
пьезоэффект состоит в том, что электрическое напряже-
ние между соответствующими поверхностями элемента,
создаваемое с помощью внешнего источника напряжения,
вызывает появление механических напряжений, которые
могут изменять форму и размеры элемента.
Кварцевые резонаторы изготавливают из природного и
искусственного монокристаллического кварца. Из заго-
товки вырезают пластины, грани которых определенным
образом ориентированы относительно кристаллографи-
ческих осей монокристалла. В рабочем режиме на обклад-
ках пластины имеется переменное напряжение и имеют
место механические колебания пластины. Используются
колебания сжатия-растяжения, изгиба, кручения и другие.
При анализе схемы с кварцевым резонатором (рис. 2.69, а)
его удобно заменять эквивалентной схемой, представлен-
ной на рис 2.69, б.
Необходимо отметить, что именно эта эквивалентная
схема кварцевого резонатора используется в пакете про-
грамм PSpice для моделирования электронных схем.
В эквивалентной схеме могут иметь место и параллель-
ный, и последовательный резонанс. На практике исполь-
зуют оба вида резонанса.
294
На частоте последовательного резонанса wK =
1
~ , - резонатор имеет минимальное сопротивление
ylLK-CK
Rk. Частота параллельного резонанса
1
o)og । ==••
fCK-C0
V кск+с0
В диапазоне частот между сок и (Oq резонатор ведет себя
как некоторая индуктивность.
Кварцевые резонаторы характеризуются высокой ста-
бильностью и добротностью (QK= Ю4 + 105). Использова-
ние кварцевых резонаторов позволяет снизить относи-
тельное изменение частоты генераторов до очень малых
значений (10-6-i- 10-9).
Приведем для примера упрощенную схему кварцевого
генератора на основе операционного усилителя при ис-
пользовании последовательного резонанса (рис. 2.70). На
частоте последовательного резонанса в схеме имеет мес-
то сильная положительная обратная связь, что и поддер-
живает автоколебания.
295
Диалоговые электронные устройства
2.10. ВТОРИЧНЫЕ
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
Вторичные источники питания предназначены для
получения напряжения, необходимого для непосредствен-
ного питания электронных и других устройств. Предпола-
гается, что вторичные источники в свою очередь получают
энергию от первичных источников питания, вырабатыва-
ющих электричество от генераторов, аккумуляторов и т. д.
Питать электронные устройства непосредственно от пер-
вичных источников обычно нельзя.
Вторичные источники питания являются одними из
наиболее важных устройств электроники. Например, ча-
сто надежность того или иного устройства электроники
существенно зависит от того, насколько надежен его вто-
ричный источник питания. Общепринято вторичные ис-
точники называть источниками питания.
Рассмотрим типичные структурные схемы источников
питания, получающих энергию от промышленной сети с
частотой 50 Гц.
ЖаВ Электроника---------:---------------------- 296
Рассмотрим вначале источник питания без преобразо-
вателя частоты, структурная схема которого представлена
на рис. 2.71.
Рис. 2.71
Трансформатор предназначен для гальванической раз-
вязки питающей сети и нагрузки и изменения уровня пе-
ременного напряжения. Обычно трансформатор является
понижающим. Выпрямитель преобразует переменное на-
пряжение в напряжение одной полярности (пульсирую-
щее). Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации на-
пряжения на выходе выпрямителя. Стабилизатор
уменьшает изменения напряжения на нагрузке (стабили-
зирует напряжение), вызванные изменением напряжения
сети и изменением тока, потребляемого нагрузкой.
Напряжение в сети обычно может изменяться в диапа-
зоне +15...—20 % от номинального значения.
Рассмотренный источник питания является источни-
ком питания без преобразования частоты. Такие источни-
ки питания ранее использовались широко, одноко в по-
следнее время вместо них все чаще используют источники
с преобразованием частоты. Причиной этого является то,
что в источниках без преобразования частоты вес и габа-
риты трансформатора, работающего на частоте 50 Гц, а
также сглаживающего фильтра оказываются довольно
большими. Тем не менее, рассматриваемые источники
питания используются и в настоящее время.
297 -------- Диалоговые электронные устройства
Рассмотрим источник питания с преобразователем ча-
стоты (рис. 2.72).
Рис. 2.72
В этих источниках напряжение от сети подается непос-
редственно на выпрямитель 1. На выходе сглаживающего
фильтра 1 создается постоянное напряжение, которое
вновь преобразуется в переменное с помощью так назы-
ваемого инвертора. Полученное переменное напряжение
имеет частоту, значительно превышающую 50 Гц (обычно
используют частоты в десятки килогерц). Затем напряже-
ние передается через трансформатор, выпрямляется и
фильтруется. Так как трансформатор в этой схеме работа-
ет на повышенной частоте, то его вес и габариты, а также
вес и габариты сглаживающего фильтра 2 оказываются
очень незначительными. Как и в предыдущей схеме, ос-
новная роль трансформатора состоит в гальванической
развязке сети и нагрузки. Инвертор, трансформатор и
выпрямитель 2 образуют конвертор — устройство для из-
менения уровня постоянного напряжения.
Необходимо отметить, что в такой схеме инвертор вы-
полняет роль стабилизатора напряжения. В качестве ак-
тивных приборов в инверторе используются транзисторы
(биполярные или полевые). Иногда применяются тирис-
Электроника---------------------------- 298
торы. В любом случае активные приборы работают в клю-
чевом режиме (например, транзистор или включен и на-
ходится в режиме насыщения, или выключен и находит-
ся в режиме отсечки), поэтому источники питания с
преобразованием частоты называют также импульсными.
Однако следует иметь в виду, что и в источниках без пре-
образования частоты могут использоваться импульсные
стабилизаторы, в которых транзисторы работают в клю-
чевом режиме.
Рассматриваемые источники питания широко исполь-
зуются в современных устройствах электроники, в частно-
сти в компьютерах. Они обладают, как правило, значи-
тельно лучшими технико-экономическими показателями
в сравнении с рассмотренными выше источниками без
преобразования частоты.
Перейдем теперь к рассмотрению отдельных элементов
структурных схем источников питания.
2.10.1. Выпрямители
В маломощных источниках питания (до нескольких
сотен ватт) обычно используют однофазные выпрямите-
ли. В мощных источниках целесообразно применять трех-
фазные выпрямители.
Выпрямители имеют следующие основные параметры:
а) среднее значение выходного напряжения ивых
1 т
Uср ~ J ивых^,
1 0
где Т — период напряжения сети (для промышленной
сети — 20 мс);
б) среднее значение выходного тока /вых
_ 1 Т-
^ср ~ ’
1 п
299 -------- Аналоговые электронные устройства
в) коэффициент пульсаций выходного напряжения
где Um — амплитуда низшей (основной) гармоники
выходного напряжения.
Часто коэффициент пульсаций измеряют в процентах.
Обозначим его через е%: е% = тт2- • 100 %,
иср
Указанные параметры являются наиболее важными при
использовании выпрямителя.
При проектировании выпрямителя широко применя-
ются также следующие параметры, характеризующие его
внутренние особенности:
а) действующее значение ивх входного напряжения
выпрямителя;
б) максимальное обратное напряжение „акс на от-
дельном диоде или тиристоре (т. е. на вентиле). Это на-
пряжение принято выражать через напряжение Ucp;
в) среднее значение /А ср тока отдельного вентиля;
г) максимальное (амплитудное) значение 1дмакстока от-
дельного вентиля.
Токи ср и /А макс принято выражать через 1ср. Значе-
ние „акс используется для выбора вентиля по напря-
жению. Значения /А ср и /А макс используются для выбора
вентиля по току. Здесь следует иметь в виду, что вследствие
малой тепловой инерционности полупроводникового вен-
тиля он может выйти из строя даже в том случае, когда его
средний ток /А ср мал, но велик максимальный ток /А макс.
Однофазный однополупериодный выпрямитель является
простейшим и имеет схему, изображенную на рис. 2.73, а.
В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь
в течение полупериода сетевого напряжения (рис. 2.73, б).
Электроника
300
Рис. 2.73
301
Исходя из приведенных выше определений, получим
основные параметры:
17ср=—«0,45-t/^,
я
Uex *2,22-1/^,
т - ^ср
ср~ R„ ’
е =^ = 1,57,
£
U обр.макс ~ ' Uвх = Я ’ U ср,
^д.ср 1 ср >
*д.макс~ п ~п'1ср
Rh
Такой выпрямитель находит ограниченное применение
в маломощных устройствах. Кроме прочего, характерной
отрицательной чертой однополупериодного выпрямителя
является протекание постоянной составляющей тока во
входной цепи. Если выпрямитель питается через транс-
форматор, как показано на рис. 2.73, в, то наличие указан-
ной постоянной составляющей тока вызывает подмагни-
чивание сердечника трансформатора, что приводит к
необходимости увеличивать его габаритные размеры.
Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой пред-
ставляет собой параллельное соединение двух однополупе-
риодных выпрямителей. Рассматриваемый выпрямитель
может использоваться только с трансформатором, имею-
щим вывод от середины вторичной обмотки (рис. 2.74, а).
Электроника
302
а
Рис. 2.74
303
Диалоговые электронные устройства
Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение
полупериода (рис. 2.74, б).
Основные параметры такого выпрямителя получим
аналогично тому, как это делалось ранее:
Ucp=2-^-U2~Q,9.U2,
п
где U2 — действующее значение напряжения каждой по-
ловины вторичной обмотки;
U2 «1,11-1/д,,
UCD
Т ___
1ср - р 9
2
£ = ±«0,67,
3
U обр.макс • V 2 • U 2 Я * UCp ,
1д.ср
2Icpi
_ V2 -U2 т
1д.макс ~ D о ‘‘ср*
Кн 2
Рассматриваемый выпрямитель характеризуется до-
вольно высокими технико-экономическими показателями
и широко используется на практике. При его проектиро-
вании полезно помнить о сравнительно большом обрат-
ном напряжении на диодах.
Однофазный мостовой выпрямитель (рис. 2.75, а) мож-
но считать пределом совершенства тех однофазных вып-
рямителей, которые могут использоваться без трансфор-
матора. Не известна другая однофазная схема без
трансформатора, в которой бы так рационально исполь-
Электроника
304
а
б
Рис. 2.75
305 -------- Диалоговые, электронные устройства Жав
wf'
зовались диоды. Диоды в рассматриваемой схеме включа-
ются и выключаются парами. Одна пара — это диоды
и D2, а другая — D3 и Р4. Таким образом, к примеру, дио-
ды Д и Z)2 или оба включены и проводят ток, или оба вык-
лючены (рис. 2.75, б). Если не забывать мысленно заме-
нять каждый включенный диод закороткой, а каждый
выключенный — разрывом цепи, то анализ работы этой
схемы оказывается совсем нетрудным.
Основные параметры выпрямителя следующие:
7Г
I
СР RH'
2
е = —«0,67,
3
обр.макс *2 ’ Uвх
=--и
2 ср
^д.ср 2 "
_J2-Uex _п
1 д.макс п о 1 ср'
Кн 2
Такой выпрямитель характеризуется высокими техни-
ко-экономическими показателями и широко использует-
ся на практике. Часто все четыре диода выпрямителя по-
мещают в один корпус.
Схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом и
его временные диаграммы работы приведены на рис. 2.76.
Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения
составляет 0,25, в то время как для двухполупериодного
однофазного выпрямителя коэффициент пульсаций равен
0,67. Частота пульсаций в трехфазном выпрямителе в три
раза выше частоты питающей сети.
Схема трехфазного мостового выпрямителя (схема Ла-
рионова) приведена на рис. 2.77. Используемые в данной
схеме 6 диодов выпрямляют как положительные, так и от-
рицательные полуволны трехфазного напряжения. Этот
выпрямитель является аналогом однофазного мостового
307
Диалоговые электронные устройства
Рис. 2.77
выпрямителя. Рассматриваемый выпрямитель характери-
зуется высокими технико-экономическими показателями
и очень широко используется на практике. Коэффициент
пульсаций схемы очень мал (с =0,057), а частота пульса-
ций в шесть раз выше частоты сети. Все это позволяет в
некоторых случаях не использовать выходной фильтр. Ана-
лиз работы рассматриваемой схемы сложнее, чем анализ ра-
боты однофазного мостового выпрямителя, однако не со-
пряжен с какими-либо принципиальными затруднениями.
2.10.2. Сглаживающие фильтры
Выпрямленное напряжение имеет существенные пуль-
сации, поэтому широко используют сглаживающие филь-
тры — устройства, уменьшающие эти пульсации. Важней-
шим параметром сглаживающего фильтра является
е.
коэффициент сглаживания S. По определению 5 = —,
е2
причем Е] и е2 определяют как коэффициенты пульсаций
на входе и выходе фильтра соответственно.
Жмавг Электроника------------------------------- 308
Для емкостного фильтра, у которого вход и выход фак-
тически совпадают, под 6j понимают коэффициент пуль-
саций до подключения фильтра, а под е2 — коэффици-
ент пульсаций после его подключения. Коэффициент
сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьша-
ет пульсации. На выходе фильтра напряжение оказывает-
ся хорошо сглаженным, а коэффициент пульсаций может
иметь значения в диапазоне 0,001...0,00003.
Простейшим фильтром является емкостной фильтр
(С-фильтр). Рассмотрим его работу на примере однофазно-
го однополупериодного выпрямителя (рис. 2.78). Емкостной
фильтр подключают параллельно нагрузке (рис. 2.78, а).
На отрезке времени Г|...Г2 диод открыт и конденсатор
заряжается (рис. 2.78, б). На отрезке Диод закрыт,
источник входного напряжения отключен от конденсатора
и нагрузки. Разряд конденсатора характеризуется экспо-
нентой с постоянной времени т = RH • С. Ток через диод
протекает только часть полупериода (отрезок /1.../2). Чем
короче отрезок тем больше амплитуда тока диода
при заданном среднем токе нагрузки. Если емкость С
очень велика, то отрезок /|.../2 оказывается очень малым,
а амплитуда тока диода очень большой, и диод может вый-
ти из строя. Такой фильтр широко используется в мало-
мощных выпрямителях; в мощных выпрямителях он ис-
пользуется редко, так как режим работы диода и
соответствующих электрических цепей (к примеру, обмо-
ток трансформатора) достаточно тяжел.
В качестве фильтра можно использовать и индуктив-
ность. Легко доказать, что индуктивный фильтр (А-фильтр)
практически не дает полезного эффекта в однофазном
однополупериодном выпрямителе. Рассмотрим работу
индуктивного фильтра на примере однофазного мостово-
го выпрямителя. Индуктивный фильтр включают после-
довательно с нагрузкой (рис. 2.79, а). Часто используют
309
Диалоговые электронные устройства
Рис. 2.78
катушку индуктивности (реактор) на магнитном сердеч-
нике с зазором.
Предположим, что постоянная времени т, определяе-
L
мая выражением т = , достаточно велика (как это
обычно бывает на практике). Тогда ток нагрузки оказыва-
ется практически постоянным (рис. 2.79, б). Такой фильтр
широко используется в выпрямителях, особенно мощных.
Режим работы диодов (и соответствующих электрических
цепей) не является тяжелым.
310
a
Рис. 2.79
311 -------- Аналоговые электронные устройства
На практике используют также следующие типы филь-
тров (рис. 2.80): индуктивно-емкостной или Г-образный
АС-фильтр (а), Г-образный ЯС-фильтр (б), П-образный
АС-фильтр (в), П-образный ЯС-фильтр (г).
Рис. 2.80
Обычно Г- и П-образные ЯС-фильтры применяются
только в маломощных схемах, так как они потребляют
значительную долю энергии. На практике применяют и
другие, более сложные фильтры.
Рассмотрим внешние характеристики выпрямителей с
фильтрами. Внешняя характеристика — это зависимость
среднего значения выходного напряжения (напряжения
на нагрузке) от среднего значения выходного тока (тока
нагрузки). При увеличении выходного тока выходное на-
пряжение уменьшается из-за увеличения падения напря-
жения на обмотках трансформатора, диодах, подводящих
проводах, элементах фильтра.
Электроника
312
Рассмотрим типичные внешние характеристики
(рис. 2.81), которые получают, изменяя сопротивление на-
грузки, подключенное к выходу фильтра. Наклон внешней
характеристики при том или ином токе 1ср характеризуют
выходным сопротивлением Reblx, которое определяется
выражением
dUcp
— заданный
Чем меньше величина Rebtx, тем меньше выходное на-
пряжение зависит от выходного тока, что обычно и тре-
буется.
Как следует из рис. 2.81, выпрямитель с АС-фильтром
характеризуется повышенным выходным сопротивлением.
Здесь отрицательную роль играет резистор фильтра.
С-фильтр
Без фильтра
АС-фильтр
Рис. 2.81
313 -------- Диалоговые электронные устройства
2.10.3. Стабилизаторы напряжения
Важнейшими параметрами стабилизатора напряжения
являются коэффициент стабилизации К„, выходное со-
противление Reblx и коэффициент полезного действия 7JCT.
Коэффициент стабилизации определяют из выражения
Дмвх
v — ^вх
ст Дм ’
“-^вых
Ы»ЫХ
где мвх,ивых — постоянные напряжения соответственно
на входе и выходе стабилизатора;
Дм^— изменение напряжения мвх;
Дмвых — изменение напряжения ивых, соответствующее
изменению напряжения Дмвх.
Таким образом, коэффициент стабилизации — это от-
ношение относительного изменения напряжения на вхо-
де к соответствующему относительному изменению на-
пряжения на выходе стабилизатора. Чем больше
коэффициент стабилизации, тем меньше изменяется вы-
ходное напряжение при изменении входного. У простей-
ших стабилизаторов величина составляет единицы, а
у более сложных — сотни и тысячи.
Выходное сопротивление стабилизатора определяется
выражением
где Дмвых — изменение постоянного напряжения на выхо-
де стабилизатора;
Электроника------------------------------ 314
А'вых — изменение постоянного выходного тока стаби-
лизатора, которое вызвало изменение выходного на-
пряжения.
Выходное сопротивление стабилизатора является вели-
чиной, аналогичной выходному сопротивлению выпрями-
теля с фильтром. Чем меньше выходное сопротивление,
тем меньше изменяется выходное напряжение при изме-
нении тока нагрузки. У простейших стабилизаторов вели-
чина Reux составляет единицы Ом, а у более совершен-
ных — сотые и тысячные доли Ома. Необходимо отметить,
что стабилизатор напряжения обычно резко уменьшает
пульсации напряжения.
Коэффициент полезного действия стабилизатора —
это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку Рн, к
мощности, потребляемой от входного источника напряже-
ния Рвх:
Традиционно стабилизаторы разделяют на параметри-
ческие и компенсационные.
Параметрические стабилизаторы являются простейши-
ми устройствами, в которых малые изменения выходного
напряжения достигаются за счет применения электронных
приборов с двумя выводами, характеризующихся ярко
выраженной нелинейностью вольт-амперной характери-
стики. Рассмотрим схему параметрического стабилизато-
ра на основе стабилитрона (рис. 2.82). Проанализируем
данную схему (рис. 2.82, а), для чего вначале ее преобра-
зуем, используя теорему об эквивалентном генераторе
(рис. 2.82, б). Проанализируем графически работу схемы,
построив на вольт-амперной характеристике стабилитро-
на линии нагрузки для различных значений эквивалент-
ного напряжения, соответствующих различным значени-
ям входного напряжения (рис. 2.82, в). Из графических
315
Аналоговые электронные устройства
До
Рис. 2.82
Электроника.
316
построений очевидно, что при значительном изменении
эквивалентного напряжения и3 (на Амэ), а значит, и вход-
ного напряжения и^, выходное напряжение изменяется на
незначительную величину &ивых. Причем, чем меньше
дифференциальное сопротивление стабилитрона (т. е. чем
более горизонтально идет характеристика стабилитрона),
тем меньше А«вых. Определим основные параметры такого
стабилизатора, для чего в исходной схеме стабилитрон за-
меним его эквивалентной схемой и введем во входную цепь
(рис. 2.82, г) источник напряжения, соответствующий из-
менению входного напряжения Ац^ (на схеме пунктир):
Квых = гд II Ro а гд,так как Л)» Ы
_ ^ивх . ^вых
ивх ивых
гд
““вЫХ “‘‘‘ЧИя+Яо ^neXrd+R^
так как обычно гд « RH.
Следовательно, ^ст “
ивх гд
Обычно параметрические стабилизаторы используют
для нагрузок от нескольких единиц до десятков миллиам-
пер. Наиболее часто они используются как источники
опорного напряжения в компенсационных стабилизаторах
напряжения.
Компенсационные стабилизаторы представляют собой
замкнутые системы автоматического регулирования. Ха-
рактерными элементами компенсационного стабилизато-
ра являются источник опорного (эталонного) напряжения
(ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ) и
регулирующий элемент (РЭ).
„ _ ивых^Н _ ивых^ Н „
Определим Дмвых, задав Am^
... . -allRw .....
317 -------- Аналоговые электронные устройства
ТТ с
Напряжение на выходе стабилизатора или некоторая
часть этого напряжения постоянно сравнивается с эталон-
ным напряжением. В зависимости от их соотношения
сравнивающим и усиливающим элементом вырабатывает-
ся управляющий сигнал для регулирующего элемента,
изменяющий его режим работы таким образом, чтобы
напряжение на выходе стабилизатора оставалось практи-
чески постоянным.
В качестве ИОН обычно используют ту или иную элек-
тронную цепь на основе стабилитрона, в качестве СУЭ
часто используют операционный усилитель, а в качестве
РЭ — биполярный или полевой транзистор. Чаще всего
регулирующий элемент включают последовательно с на-
грузкой. В этом случае стабилизатор называют последова-
тельным (рис. 2.83, а). Иногда регулирующий элемент
включают параллельно нагрузке, и тогда стабилизатор на-
зывают параллельным (рис. 2.83, б, здесь СУЭ и ИОН с
целью упрощения не показаны). В параллельном стабили-
заторе используется балластное сопротивление fy, вклю-
чаемое последовательно с нагрузкой.
а
о-
ивх
G-
РЭ
Управляющий
сигнал
О
^вых
о
б
Рис. 2.83
Wa§r Электроника---------------------------- 318
В зависимости от режима работы регулирующего эле-
мента стабилизаторы разделяют на непрерывные и им-
пульсные (ключевые, релейные). В непрерывных стабили-
заторах регулирующий элемент (транзистор) работает в
активном режиме, а в импульсных — в импульсном.
Рассмотрим типичную принципиальную схему непре-
рывного стабилизатора (рис. 2.84, а). Эта схема соответ-
ствует приведенной выше структурной схеме последова-
тельного стабилизатора. Для того чтобы выполнить
наиболее просто анализ этой схемы на основе тех допу-
Рис. 2.84
319 --------- Аналоговые электронные, устройства WgS
щении, которые были рассмотрены при изучении опера-
ционного усилителя, изобразим эту схему по-другому. При
этом цепи питания операционного усилителя для упроще-
ния рисунка изображать не будем. Из схемы (рис. 2.84, 6)
очевидно, что на элементах R2, R3> DA и VT построен не-
инвертирующий усилитель на основе ОУ с выходным кас-
кадом в виде эмиттерного повторителя на транзисторе VT,
а входным напряжением для него является выходное на-
пряжение параметрического стабилизатора напряжения
на элементах и VD. В соответствии с указанными выше
допущениями получаем:
«яз = «ст, т. е. /да • R3= ист;
UR2 UR3 ивых>
i - —г - ст
lR2~ lR3~ D •
К3
Подставляя выражение для i/Q в предыдущее уравне-
ние, получим
Т- ’ = мст ~ ивых>
К3
следовательно,
Г,
ивЫХ ~ UCV 1 п
k
Последнее выражение в точности повторяет соответ-
ствующие выражения для неинвертирующего усилителя
(входным напряжением является напряжение «ст).
Полезно отметить, что ООС охватывает два каскада —
на операционном усилителе и на транзисторе. Рассматри-
ваемая схема является убедительным примером, демонст-
рирующим преимущество общей отрицательной обратной
связи по сравнению с местной.
Основным недостатком стабилизаторов с непрерывным
регулированием является невысокий КПД, поскольку зна-
320
ЖвеГ Электроника
чительныи расход мощности имеет место в регулирующем
элементе, так как через него проходит весь ток нагрузки,
а падение напряжения на нем равно разности между вход-
ным и выходным напряжениями стабилизатора.
В конце 60-х гг. стали выпускать интегральные микро-
схемы компенсационных стабилизаторов напряжения с
непрерывным регулированием (серия К142ЕН). В эту се-
рию входят стабилизаторы с фиксированным выходным на-
пряжением, с регулируемым выходным напряжением и двух-
полярным и входным и выходным напряжениями. В тех
случаях, когда через нагрузку необходимо пропускать ток,
превышающий предельно допустимые значения интег-
ральных стабилизаторов, микросхему дополняют внешни-
ми регулирующими транзисторами.
Некоторые параметры интегральных стабилизаторов
приведены в табл. 2.1, а вариант подключения к стабили-
Таблица 2.1
Тип и„, В и»», В 1н, А Рмакс> Вт
К142ЕН1Б 40 3 + 12 0,15 0,8
К142ЕН2Б 40 12 + 30 0,15 0,8
К142УНЗ; 4 40 15 + 30 1 4
К142ЕН5А 35 5 3 10
К142ЕН6 ±30 ±15 0,2 4
затору К142ЕН1 внешних элементов — на рис. 2.85. Ре-
зистор Я предназначен для срабатывания защиты по току,
Рис. 2.85
321 -------- Ямалоговые. электронные. устройства
а — для регулирования выходного напряжения. Мик-
росхемы К142УН5, ЕН6, ЕН8 являются функционально
законченными стабилизаторами с фиксированным выход-
ным напряжением, но не требуют подключения внешних
элементов.
Импульсные стабилизаторы напряжения в настоящее
время получили распространение не меньшее, чем непре-
рывные стабилизаторы. Благодаря применению ключево-
го режима работы силовых элементов таких стабилизато-
ров, даже при значительной разнице в уровнях входных и
выходных напряжений можно получить КПД, равный
70 4- 80 %, в то время как у непрерывных стабилизаторов
он составляет 30 -г- 50%. В силовом элементе, работающем
в ключевом режиме, средняя за период коммутации мощ-
ность, рассеиваемая в нем, значительно меньше, чем в
непрерывном стабилизаторе, так как хотя в замкнутом со-
стоянии ток, протекающий через силовой элемент, мак-
симален, однако падение напряжения на нем близко к
нулю, а в разомкнутом состоянии ток, протекающий че-
рез него, равен нулю, хотя напряжение максимально. Та-
ким образом, в обоих случаях рассеиваемая мощность не-
значительна и близка к нулю.
Малые потери в силовых элементах приводят к умень-
шению или даже исключению охлаждающих радиаторов,
что значительно уменьшает массогабаритные показатели.
Кроме того, использование импульсного стабилизатора
позволяет в ряде случаев исключить из схемы силовой
трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, что также
улучшает показатели стабилизаторов.
К недостаткам импульсных источников питания отно-
сят наличие пульсаций выходного напряжения.
Рассмотрим импульсный последовательный стабилиза-
тор напряжения (рис. 2.86). Ключ S периодически вклю-
чается и выключается схемой управления (СУ) в зависи-
мости от значения напряжения на нагрузке. Напряжение
на выходе регулируют, изменяя отношение /В1О1//ВЫкл, где
Электроника
322
Рис. 2.86
/вкл, /выкл — длительности отрезков времени, на которых
ключ находится соответственно во включенном и выклю-
ченном состояниях. Чем больше это отношение, тем боль-
ше напряжение на выходе. В качестве ключа S часто ис-
пользуют биполярный или полевой транзистор. Диод
обеспечивает протекание тока катушки индуктивности
тогда, когда ключ выключен и, следовательно, исключает
появление опасных выбросов напряжения на ключе в мо-
мент коммутации. ZC-фильтр снижает пульсации напря-
жения на выходе.
2.10.4. Инверторы, умножители
напряжения и управляемые
выпрямители
Инверторы — это устройства, преобразующие постоян-
ный ток в переменный. Изобразим упрощенную схему
инвертора на биполярных транзисторах (рис. 2.87), где
имеет место соотношение uci = исг =^ивх. В схеме час-
то используют электролитические конденсаторы (боль-
шой емкости). Транзисторы работают в ключевом режи-
Рис. 2.87
ме: включаются и выключаются поочередно. На выходе
схемы возникает переменное напряжение.
Умножители напряжения преобразуют переменное на-
пряжение в постоянное, причем выходное постоянное
напряжение значительно превышает амплитуду входного
переменного напряжения. Различают симметричные и
несимметричные умножители напряжения.
Рассмотрим схему симметричного удвоителя напряже-
ния (схему Латура) (рис. 2.88). Диоды включаются в раз-
ные полупериоды входного напряжения. В те полуперио-
ды, когда < 0, включается диод Dx и заряжается
конденсатор Сь в другие полупериоды (ивх< 0), включа-
ется диод D2 и заряжается конденсатор С2.
О-
А
1-------<>♦
С| «а
1' ^вых
Рис. 2.88
Электроника----------------------------- 324
’ Напряжения на конденсаторах при холостом ходе при-
ближаются к амплитудному значению Uexm входного на-
пряжения, поэтому ивых ~ 21^' т.
Схема несимметричного удвоителя напряжения имеет
вид, показанный на рис. 2.89.
Рис. 2.89
В отрицательные полупериоды входного напряжения
(«вх< 0) через диод заряжается конденсатор Q до амп-
литудного значения входного напряжения, а в положи-
тельные полупериоды (ивх> 0) через диод Z>2 П°Д действи-
ем суммы напряжений ивх и «сь действующих согласно,
заряжается конденсатор С2 до удвоенного амплитудного
значения входного напряжения.
Аналогичным образом строят утроители (рис. 2.90, а),
учетверители (рис. 2.90, б) и другие умножители напряже-
ния. В этих схемах напряжение на конденсаторе Ct равно
амплитудному значению входного напряжения, а на всех
остальных конденсаторах — удвоенному амплитудному
значению входного напряжения. Входное напряжение на
такие умножители поступает обычно со вторичной обмот-
ки трансформатора, и тогда такое устройство называют
выпрямителем с умножением напряжения. Обычно они
применяются в высоковольтных выпрямителях, потребля-
ющих небольшой ток (единицы миллиампер), например
для питания кинескопов телевизоров.
Рассмотренные ранее выпрямители являлись нерегули-
руемыми, так как величина выходного постоянного на-
пряжения однозначно определялась входным напряжени-
ем выпрямителя.
325
Аналоговые электронные устройства
а
б
Рис. 2.90
Управляемые выпрямители позволяют регулировать вы-
ходное напряжение. Они, как правило, построены на ос-
нове однооперационных (обычных, незапираемых) тири-
сторов.
Для примера рассмотрим схему однофазного двухполу-
периодного управляемого выпрямителя со средней точкой
(рис. 2.91).
Если импульсы управления подаются сразу после по-
явления на тиристорах положительных напряжений, то
схема будет работать точно так же, как схема на диодах.
Изобразим временную диаграмму выходного напряжения
для случая, когда импульсы управления подаются с некото-
рой задержкой по отношению к указанным моментам вре-
мени (рис. 2.92, жирная линия). Через 1вкл обозначена ука-
занная выше задержка. Часто временные диаграммы
подобных схем изображают, откладывая по горизонтальной
Электроника
326
Рис. 2.91
Рис. 2.92
оси не время t, а величину (о • t (со — круговая частота).
Тогда указанной задержке соответствует определенный
угол авкл сдвига по фазе между напряжением на тиристо-
ре и импульсами управления, причем
&-вкл ® ’ ^вкл-
Угол авкл называют углом управления. Для рассматри-
ваемой схемы угол управления, как легко заметить, может
изменяться в пределах от 0 до л (от 0 до 180°). Чем боль-
ше угол управления, тем меньше среднее напряжение на
выходе выпрямителя.
Пунктиром изображена временная диаграмма, соответ-
ствующая отсутствию задержки.
3
ЦИФРОВАЯ
ЭЛЕКТРОНИКА
3.1. ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ
И ЦИФРОВОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ
ПРЕОБРАЗУЕМОЙ ИНФОРМАЦИИ
Импульсный режим работы электронного устройства
характерен резкими изменениями токов и напряжений.
При этом в промежутках времени между этими изменени-
ями токи и напряжения меняются сравнительно мало.
Импульсный режим широко используется в устройствах
как силовой, так и цифровой электроники.
Часто активные приборы (например, транзисторы) ус-
тройства электроники, работающего в импульсном режи-
ме, используются как ключи, т. е. основную долю време-
ни находятся или в открытом, или в закрытом состоянии,
и только в течение очень коротких отрезков времени на-
ходятся в промежуточном состоянии. Это так называемый
ключевой режим работы активных приборов. В соответ-
ствии с этим импульсный и ключевой режимы иногда
отождествляют. Широкое использование импульсного
режима объясняется многими его преимуществами. Им-
пульсный режим устройства силовой электроники позво-
ляет существенно повысить коэффициент полезного дей-
ствия.
Дадим соответствующие пояснения. Пусть в устройстве
используется силовой транзистор, работающий в режиме
Электроника
328
ключа, причем в открытом состоянии транзистор находит-
ся в режиме насыщения (напряжение на транзисторе
мало), а в закрытом — в .режиме отсечки (ток через тран-
зистор мал). Тогда мощность, идущая на нагрев транзис-
тора, мала как в его открытом, так и закрытом состояни-
ях. Эта мощность возрастает в момент переключения
транзистора из одного состояния в другое. Но процесс пе-
реключения протекает достаточно быстро, и в среднем
мощность оказывается малой.
Импульсный режим работы устройств информативной
электроники имеет следующие два важнейших преимуще-
ства:
• резко повышается помехоустойчивость, так как и
при высоком уровне помех обычно не возникает
проблемы отличить одно состояние схемы от друго-
го, а именно состояние схемы определяет информа-
цию о преобразуемом сигнале;
• информация о сигнале простым и естественным
образом представляется в цифровой форме, что по-
зволяет использовать большие и все возрастающие
возможности цифровой обработки информации.
3.1.1. Описание импульсных сигналов
Рассмотрим основные термины. Обратимся для приме-
ра к идеализированному импульсу, который называют тра-
пецеидальным (рис. 3.1, а). Участок импульса АВ называ-
ют фронтом, участок ВС — вершиной, участок CD —
срезом; отрезок времени AD — основанием. Иногда уча-
сток АВ называют передним фронтом, а участок CD —
задним фронтом.
На рис. 3.1,5 приведены другие идеализированные им-
пульсы характерных форм и даны их названия.
329
Рис. 3.1
Колоколообразный
Обратимся к идеализированному, но более сложному
по форме импульсу (рис. 3.2, а).
Участок импульса, соответствующий отрицательному
напряжению, называется хвостом импульса, или обрат-
ным выбросом.
Для величин, указанных на рисунке, обычно исполь-
зуют следующие названия:
/и — длительность импульса;
/ф — длительность фронта импульса;
/с — длительность среза импульса;
/х — длительность хвоста импульса;
Um — амплитуда (высота) импульса;
330
Рис. 3.2
Д£/ — спад вершины импульса;
^обр ~ амплитуда обратного выброса.
При определении параметров реальных импульсов
обычно нет возможности однозначно разделить импульс
на характерные участки, поэтому в этих случаях параметры
импульсов определяют, исходя из тех или иных соглашений.
Например, длительности импульса и фронта импульса час-
то определяют так, как это показано на рис. 3.2, б.
Обратимся к периодически повторяющимся импульсам
(рис. 3.3).
331
Цифровая электроника
Рис. 3.3
В этом случае используются следующие параметры:
Т — период повторения импульсов;
, 1
f = — — частота повторения импульсов;
t„ — длительность паузы;
Т
Q =-----скважность импульсов;
3 Q
— коэффициент заполнения.
3.1.2. Анализ переходных процессов
(динамических режимов)
в импульсных схемах
Задача анализа переходных процессов является наибо-
лее важной и характерной для импульсных схем. Это одна
из наиболее трудных вычислительных задач. Она состоит
в определении частного решения системы обыкновенных
дифференциальных уравнений, удовлетворяющего задан-
ным начальным условиям. Это так называемая задача
i|||p Электроника--------------------------- 332
Коши для обыкновенных дифференциальных уравнений.
Особенно сложной задачу делает то обстоятельство, что
указанная система уравнений для практически использу-
емых схем оказывается нелинейной из-за проявления не-
линейности характеристик диодов, транзисторов и т. д.
Это приводит к тому, что для реальных более или менее
сложных схем задача анализа переходных процессов во
всей полноте может быть решена только численно при
использовании компьютера.
Однако следует учитывать, что в современных, практи-
чески используемых пакетах программ для анализа элек-
тронных схем (Micro-Cap и др.) численные методы ис-
пользуются не в классической форме, а в особой, можно
сказать, схемотехнической форме. Такое использование
этих методов стало результатом глубокого переосмысле-
ния сущности задачи и взаимосвязи прикладной матема-
тики и электроники. Это наиболее эффективный совре-
менный профессиональный подход к анализу переходных
процессов в электронных схемах. Настоятельно рекомен-
дуется выполнять анализ переходных процессов в реаль-
ных схемах с помощью современных пакетов программ.
Эффективность таких расчетов исключительно высока.
В учебных целях для уяснения особенностей переход-
ных процессов в тех или иных электронных схемах очень
полезно выполнять упрощенный, ручной анализ динами-
ческих режимов.
При ручном анализе часто принимают следующие до-
пущения:
• электронная схема является линейной или квазили-
нейной (т. е. характеристики элементов схемы явля-
ются кусочно-линейными);
• электронная схема является схемой первого поряд-
ка (т. е. на каждом отрезке времени схема описыва-
ется одним обыкновенным дифференциальным
уравнением первого порядка);
333 ------------;------- Цифровая элекгпроника
• в схеме не нарушаются законы коммутации (т. е.
предполагается, что напряжение на каждом конден-
• саторе и ток каждой катушки индуктивности не из-
меняются скачкообразно);
• входные сигналы являются постоянными или кусоч-
но-постоянными.
Иногда схему удается разделить на несколько не свя-
занных между собой частей, каждая из которых является
схемой первого порядка. Известно, что если схема явля-
ется схемой первого порядка, а входные сигналы являют-
ся постоянными, то изменения токов и напряжений опи-
сываются экспоненциальными функциями. Это позволяет
без громоздких расчетов изображать временные диаграм-
мы токов и напряжений. При этом нет необходимости
даже записывать исходные дифференциальные уравнения.
График экспоненциальной функции легко изобразить,
зная начальную точку экспоненты, асимптотический уро-
вень (т. е. тот уровень, к которому стремится экспонента)
и постоянную времени, характеризующую экспоненту.
Начальную точку экспоненты находят, используя зако-
ны коммутации. Асимптотический уровень и постоянную
времени определяют в результате анализа (как правило,
несложного) схемы.
Для примера выполним анализ переходного процесса
в простейшей электронной ЛС-схеме при воздействии на
нее прямоугольного импульса. Это так называемая задача
анализа прохождения прямоугольного импульса через
простейшую АС-цепь. Изобразим анализируемую схему
(рис. 3.4, а) и временные диаграммы (рис. 3.4, б), харак-
теризующие переходной процесс. Рассматриваемая схема
характеризуется постоянной времени t=R • С. В этой схе-
ме, естественно, все токи и напряжения изменяются с
одной и той же постоянной времени.
При анализе схем первого порядка необходимо знать
характерные значения экспоненциальных функций. Изоб-
Электроника
334
а
Рис. 3.4
R
разим соответствующие временные диаграммы (рис. 3.5)
д ля функций
t t
f(x) = e~x и <p(i) = l-eT.
335
Оцифровал электроника
Рис. 3.5
3.1.3. Цифровое представление
преобразуемой информации
и логические состояния.
Аналоговые и цифровые ключи
Для цифрового представления информации характер-
но полное абстрагирование от особенностей электриче-
ских процессов в электронной схеме, выполняющей об-
работку сигналов.
В устройствах цифровой электроники в большинстве
случаев используются сигналы двух уровней — высокого
и низкого. При этом обычно имеются в виду уровни на-
пряжения, а не тока. Цифровые схемы конструируют та-
ким образом, чтобы воздействие некоторого сигнала оп-
ределялось не конкретным значением его напряжения, а
тем, к какой из двух разновидностей сигналов (высокого
или низкого уровня) этот сигнал относится. Предполага-
ется, что каждый сигнал характеризуется «разумным»
уровнем напряжения. При конструировании цифровых
Жвег Электроника------------------------------ 336
схем предпринимаются все меры к тому, чтобы, например,
сигнал высокого уровня был не очень малым и не очень
большим по напряжению. Если напряжение сигнала на-
ходится в установленных пределах, то конкретное значе-
ние напряжения практически никак не влияет на реакцию
того устройства цифровой электроники, на которое этот
сигнал подан. Такие сигналы принято называть цифровы-
ми. Сигналы, не являющиеся цифровыми, называют ана-
логовыми.
Изобразим диаграмму, поясняющую изложенное (рис.
3.6). На этой диаграмме, соответствующей цифровым схе-
мам транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), имеющей
напряжение питания 5 В, укажем диапазоны напряжений
для входных и выходных сигналов (заштрихованные пря-
моугольники). Это такие диапазоны, что сигнал, оказав-
шись в одном из них, безошибочно квалифицируется как
сигнал высокого или низкого уровня. Высокому и низко-
му уровню сигналов ставятся в соответствие логические
состояния 1 («истина») и 0 («ложь»). Если высокому уров-
ню сигналов ставится в соответствие состояние 1, а низ-
сигналы сигналы
Высокий
уровень
Низкий
уровень
Рис. 3.6
337
“Цифровая электроника
кому — состояние 0, то говорят о так называемой пози-
тивной (положительной) логике. Если высокому уровню
соответствует состояние 0, а низкому — 1, то говорят о так
называемой негативной (отрицательной) логике.
Транзисторный ключ является основным элементом
устройств цифровой электроники и очень многих уст-
ройств силовой электроники. Параметры и характеристи-
ки транзисторного ключа в очень большой степени опре-
деляют свойства соответствующих схем. Качественное
улучшение параметров и характеристик транзисторных
ключей приводит к радикальному улучшению электрон-
ных устройств и часто сопровождается пересмотром ис-
пользующихся схемотехнических решений.
Знание основных особенностей транзисторного ключа
является обязательным условием при разработке импульс-
ных силовых устройств. Эти знания оказывают существен-
ную помощь и при конструировании устройств цифровой
электроники.
Распространены ключи, в выходных цепях которых ис-
пользуются источники постоянного напряжения (источ-
ники питания). Назначение таких ключей состоит в том,
чтобы создать на выходе или напряжение, близкое к нулю
(когда ключ открыт), или напряжение, близкое к напря-
жению питания (когда ключ закрыт, а ток, потребляемый
нагрузкой, подсоединенной к ключу, достаточно мал). Та-
кая работа характерна для ключей цифровой электрони-
ки (их называют цифровыми ключами) и силовой элект-
роники.
В информативной электронике используются также и
ключи, имеющие другое назначение. Оно состоит в том,
чтобы соединять или рассоединять источник входного,
содержащего информацию аналогового сигнала и прием-
ник этого сигнала. Такие ключи принято называть анало-
говыми. Их также называют аналоговыми коммутаторами.
Рассмотрим цифровые и аналоговые ключи на бипо-
лярных и полевых транзисторах.
Электроника---------------------------- 338
3.1.4. Цифровые ключи
на биполярных транзисторах
Изобразим схему простейшего ключа на биполярном
транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, и
соответствующую временную диаграмму входного напря-
жения (рис. 3.7).
Вначале рассмотрим работу транзисторного ключа в
установившихся режимах. До момента времени Z, эмиттер-
ный переход транзистора заперт и транзистор находится
в режиме отсечки. В этом режиме iK = —i6 = IKO (1^ — об-
ратный ток коллектора), i3 * 0. Малым током /ко часто
можно пренебречь и считать, что iK =i6 ~ 0. При этом uR6 ~
~ URk ~ ^бэ ^2’ ^кэ Ек-
В промежутке времени .../2 транзистор открыт. Для
того, чтобы напряжение на транзисторе икз было мини-
мальным, напряжение U} обычно выбирают так, чтобы
транзистор находился или в режиме насыщения, или в
пограничном режиме, очень близком к режиму насыще-
ния.
Определим токи и напряжения для рассматриваемого
U{- ибз их . Е -и Е
отрезка времени: i6 = ‘ 63 р “
Кб Кб Кк Кк
Ток коллектора в режиме насыщения обозначим через
£
1КИ0С. Таким образом, 1кнас Напряжение в режиме
RK
насыщения у транзисторов разного типа различно. Обыч-
но оно лежит в пределах 0,08... 1 В.
Для оценки глубины насыщения пользуются так назы-
ваемым коэффициентом насыщения qHac, показывающим,
во сколько раз реальный ток базы больше того минималь-
ного значения тока базы, которое необходимо для обес-
печения режима насыщения. Очевидно, что минимальный
339
Цифровая электроника

Рис. 3.7
ток базы 16.наслшну необходимый для режима насыщения,
определяется выражением
J F
Т SS кнас = к
1 б. нас. мин ~ п по9
Рст ’ Рои
поэтому
k
Янае
*6 мае.мин
ст
При выборе значения коэффициента насыщения для
конкретного транзисторного ключа обычно используют
следующие соображения:
340
Электроника
• режим насыщения должен быть обеспечен для раз-
личных экземпляров транзисторов выбранного типа
при работе ключа в заданном диапазоне температу-
ры;
• увеличение тока базы в режиме насыщения умень-
шает напряжение между коллектором и эмиттером,
что уменьшает мощность, выделяющуюся в выход-
ной цепи транзистора, но это уменьшение практи-
чески прекращается при <7НЯС« 3;
• чрезмерное увеличение тока базы приводит к замет-
ному увеличению мощности, выделяемой во вход-
ной цепи транзистора.
Кроме этих соображений, относящихся к установивше-
муся режиму, учитывают влияние величины тока базы на
длительность переходных процессов. Чем больше ток
базы, тем быстрее включается (т. е. входит в режим насы-
щения) транзисторный ключ, но длительность переходно-
го процесса выключения транзистора при этом увеличи-
вается. Подробнее эти вопросы рассматриваются ниже.
Часто величину выбирают из диапазона 1,5...2.
Изобразим временные диаграммы, соответствующие
процессу включения (рис. 3.8).
Через ибэ порог обозначено пороговое напряжение меж-
ду базой и эмиттером, которое соответствует некоторому
малому значению тока базы.
Например, считают, что напряжение и6э порог соответ-
ствует ТОКУ базы, В 10 раз МеНЬШему ТОКа Жасмин-
Через 1клюрог обозначен ток коллектора, соответствую-
щий напряжению и6э порог,
Интервал /]..J2 называют интервалом задержки вклю-
чения, интервал t2...t3 — интервалом формирования фрон-
та, а интервал t3...t4 — интервалом накопления заряда-. Раз-
ность t3—ti называют временем включения.
Длительность интервала формирования фронта опре-
деляется током базы, током насыщения коллектора 1К нас,
341
Цифровая электроника
величиной Р транзистора, а также временем жизни не-
основных носителей в базе.
На интервале задержки включения изменяются напря-
жения на эмиттерном и коллекторном переходах, и поэто-
му изменяются объемные нескомпенсированные заряды в
области этих переходов. Это находит отражение в том, что
возникают токи электродов транзистора. Но ток коллек-
тора на рассматриваемом интервале мал. Указанное явле-
ние изменения зарядов условно называют перезарядом
барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного перехо-
дов. Однако не следует забывать, что барьерные емкости,
как и диффузионные, являются по определению диффе-
ренциальными емкостями. Поэтому к термину «переза-
ряд» следует относиться с осторожностью. Например, если
напряжение между базой и эмиттером равно нулю, это не
342
Электроника
*фГ’’
означает, что нескомпенсир'ованный заряд в области эмит-
терного перехода равен нулю (а заряд «обычной» емкости
равен нулю при нулевом напряжении). К концу интерва-
ла задержки напряжение между базой и эмиттером увели-
чивается до значения и6эпорог.
На интервале формирования фронта токи электродов
транзистора являются значительными. В начале этого
интервала продолжается изменение напряжения на эмит-
терном переходе. В течение всего интервала изменяется на-
пряжение на коллекторном переходе. Это вызывает изме-
нение соответствующих нескомпенсированных объемных
зарядов. На интервале формирования фронта, кроме это-
го, происходит накопление неравновесных носителей
электричества в базе транзистора. Это условно называют
процессом накопления неосновных носителей. Но следует
учитывать, что заряд неосновных носителей практически
мгновенно компенсируется зарядом основных носителей.
Подробнее этот вопрос рассмотрен при изучении полу-
проводникового диода и явления диэлектрической релак-
сации (релаксации Максвелла). Чем больше коэффициент
насыщения, тем меньше длительность фронта 1ф.
На интервале накопления заряда продолжается накоп-
ление неравновесных носителей электричества. При этом
напряжение незначительно уменьшается, а ток коллек-
тора незначительно увеличивается.
Изобразим временные диаграммы, иллюстрирующие
процесс выключения (рис. 3.9).
На рис. 3.9 введены следующие обозначения интерва-
лов времени:
• /р..^ — рассасывания заряда;
* h—h ~ формирования спада;
• — установления.
Разность /3 — называют временем выключения.
На интервале рассасывания ток базы отрицательный и
ограничивается резистором Rg. Если пренебречь напряже-
343
Цифровая электроника
Рис. 3.9
U2 u
нием ибэ, то ig ~---. На этом интервале происходит
R6
уменьшение концентрации неравновесных носителей
электричества, и к концу интервала транзистор выходит
из режима насыщения. Чем больше коэффициент насы-
щения, тем больше время рассасывания tpac. Чем больше
по модулю ток i6, тем меньше время рассасывания.
На интервале форсирования спада продолжается
уменьшение концентрации неравновесных носителей, ток
iK значительно уменьшается, а напряжение на коллектор-
ном переходе и напряжение икэ значительно возрастают.
Изменение напряжения на коллекторном переходе при-
водит к изменению объемных нескомпенсированных за-
Электроника----------------------------- 344
рядов в области этого перехода (говорят, что барьерная
коллекторная емкость перезаряжается).
На интервале установления напряжение и6э изменяет-
ся от величины Ц>э.я0!рогдо — U2. При этом изменяются не-
скомпенсированные объемные заряды переходов транзи-
стора.
После момента времени /3 ток коллектора становится
равным току базы, эмитгерный переход смещается в об-
ратном направлении, ток базы быстро уменьшается по мо-
дулю и становится нулевым.
Количественный анализ динамических режимов тран-
зисторных ключей настоятельно рекомендуется выпол-
нить с помощью пакетов программ для машинного ана-
лиза электронных схем (Micro-Cap V и др.). Эти пакеты
программ позволяют анализировать переходные процес-
сы при самых сложных входных сигналах. Ранее для рас-
чета переходных процессов в транзисторных ключах при-
менялись упрощенные методики, предполагающие к тому
же использование простых входных сигналов. В настоящее
время эти методики рекомендуются применять только в
учебных целях.
Из изложенного следует, что время включения ключа
можно уменьшить, увеличивая отпирающий ток базы. В то
же время увеличивать коэффициент насыщения нежела-
тельно, так как это удлиняет время выключения. Анало-
гично время выключения можно уменьшить, увеличивая
запирающий (отрицательный) ток базы.
Представим схему транзисторного ключа с форсирую-
щим конденсатором, который увеличивает положитель-
ную и отрицательную амплитуды тока базы и тем самым
повышает быстродействие (рис. 3.10). Работу ключа пояс-
няют временные диаграммы. Подобные схемы широко ис-
пользуются на практике.
345
Цифровал электроника
3.1.5. Ненасыщенные цифровые ключи
на биполярных транзисторах
Одним из способов повышения быстродействия явля-
ется предотвращение насыщения транзистора. Это, как
отмечалось выше, уменьшает время рассасывания. Важно
учитывать, что предотвращение насыщения обычно дос-
тигается не уменьшением отпирающего базового тока, так
как этот способ предотвращения насыщения имеет суще-
ственные недостатки. Во-первых, если ориентироваться
на уменьшение тока базы, то придется принять меры по
точной регулировке этого тока. Иначе ключ на одном эк-
Электроника ----------------------------- 346
зе’мпляре транзистора, имеющего малый коэффициент ft
не будет полностью открываться, а ключ на другом экзем-
пляре транзистора, имеющего большой коэффициент f},
все-таки будет входить в режим насыщения. Во-вторых,
работа ключа может оказаться нестабильной. Например, су-
щественное дестабилизирующее воздействие может оказать
температура. В-третьих, длительность фронта импульса
будет значительной.
Вначале рассмотрим идеализированную схему ненасы-
щенного ключа (рис. 3.11, а), принцип действия которо-
го легко понять. Напряжение смещения UCM должно быть <
порядка 0,4...0,6 В. До тех пор, пока режим работы тран-
зистора не приближается к режиму насыщения, диод KZ)
Рис. 3.11
------------------ Оцифровал электроника
остается закрытым и весь ток источника входного сигна-
ла поступает в базу транзистора, вызывая его быстрое от-
пирание. На границе активного режима и режима насы-
щения напряжение икб оказывается близким к нулевому,
и диод начинает открываться. После этого часть тока ис-
точника входного сигнала ответвляется в цепь диода, ток
базы уменьшается, и транзистор не входит в режим насы-
щения. Таким образом, в схеме имеет место нелинейная
отрицательная обратная связь по напряжению. В таких
схемах должны использоваться высокочастотные диоды.
Очень хорошие результаты дает использование диодов
Шоттки (рис. 3.11, б). При рассмотрении этих диодов от-
мечалось, что они отличаются большим быстродействием
и малым падением напряжения (время восстановления
может быть порядка 0,1 нс и меньше, напряжение отпи-
рания около 0,25 В). При использовании диодов Шоттки
источники напряжения смещения не требуются. Биполяр-
ный транзистор с диодом Шоттки стали называть «тран-
зистор Шоттки» и обозначать, как показано на рис. 3.11, в.
Кроме достоинств, следует иметь в виду и следующие
недостатки ненасыщенных ключей:
• повышенное напряжение на открытом ключе;
• пониженная помехоустойчивость;
• пониженная температурная стабильность.
Несмотря на указанные недостатки, ненасыщенные
ключи широко используются на практике.
3.1.6. Аналоговые коммутаторы
(аналоговые ключи)
на биполярных транзисторах
Рассмотрим простейшие схемы аналоговых ключей на
биполярных транзисторах. На рис. 3.12, а представлена
схема с общим эмиттером. Изобразим выходные характе-
ЦЦр Электроника-------------------------------- 348
рйстики транзистора для прямого и инверсного включе-
ния в области, близкой к началу координат (рис. 3.12, б).
Через «вх обозначено входное напряжение, которое в
зависимости от управляющего сигнала иупр подается или
не подается на нагрузку RH. Напряжение ивх может быть
как положительным, так и отрицательным. Если ивх > О,
то рассматриваемый аналоговый ключ работает так же, как
изученный ключ с постоянным напряжением питания.,
Если «вх < 0, транзистор работает в инверсном режиме.
Одним из недостатков биполярного транзистора с точ-
ки зрения применения его в аналоговых ключах является
Рис. 3.12
349 --------------------Цифровая электроника
то, что выходные характеристики не проходят через нача-
ло координат. Вследствие этого ток iK и напряжение ивых
будут равны нулю не тогда, когда ивх = 0, а при некото-
ром положительном входном напряжении U. Напряжение
i/обычно составляет 10... 100 мВ. Это напряжение назы-
вают остаточным или напряжением смещения.
На практике для уменьшения величины U транзистор
включают так, чтобы роль эмиттера играл коллектор, а
роль коллектора — эмиттер. Изобразим соответствующие
характеристики и схему, которую иногда называют схемой
с общим эмиттером при инверсном включении транзис-
тора (рис. 3.13).
Рис. 3.13
Электроника----------------------------- 350
Из-за несимметрии структуры транзистора, различия в
концентрациях примесей в различных его областях оста-
точное напряжение для инверсного включения Uulte обыч-
но значительно меньше напряжения U. Часто UUHe состав-
ляет 1...5 мВ. Но, используя инверсное включение, следует
помнить, что максимально допустимое запирающее на-
пряжение эмиттерного перехода обычно значительно
меньше соответствующего напряжения для коллекторно-
го перехода.
Обратимся к третьей простейшей схеме — схеме с об-
щим коллектором (рис. 3.14). Можно заметить, что по-
следняя схема фактически повторяет предыдущую, отли-
Рис. 3.14
351
Цифровая электроника
чаясь только условно-положительными направлениями
токов и напряжений. Подобным образом соотносятся и
характеристики.
Рассмотрим компенсированный аналоговый ключ на
биполярных транзисторах. С целью уменьшения напряже-
ния на открытом ключе используют последовательное
включение одинаковых транзисторов. Промышленность
выпускает интегральные схемы, содержащие пары тран-
зисторов, предназначенные для такого использования.
Изобразим принципиальную схему интегральной микро-
схемы 101КТ1А (рис. 3.15). Такие устройства называют
также прерывателями. Изобразим схему аналогового клю-
ча на основе такой микросхемы (рис. 3.16). Входной сиг-
о 6
Рис. 3.15
Рис. 3.16
Жмет Электроника ---------------------------- 352
нал ивх может быть постоянным любой полярности или
переменным. Управляющий сигнал передается через
трансформатор.
Пусть в некоторый момент времени имеют место те по-
лярности входного напряжения и напряжения на вторич-
ной обмотке трансформатора, которые указаны без ско-
бок, тогда транзисторы будет открыты и входной ток
будет положительным. Транзистор 7\ будет работать в нор-
мальном режиме, причем он включен по схеме с общим
коллектором. В соответствии с приведенными выше ха-
рактеристиками в режиме насыщения икэХ < 0. Транзистор
Т2 будет работать в инверсном режиме. В соответствии с
приведенными выше характеристиками для схемы с об-
щим эмиттером при инверсном включении ию2 > 0. Таким
образом, остаточные напряжения на транзисторах будут
взаимно компенсироваться. Поэтому такие аналоговые
ключи называют компенсированными. Благодаря этому
общее напряжение на транзисторах оказывается очень
малым. Для указанной микросхемы это напряжение не бо-
лее 100 мкВ.
Для уяснения особенностей работы схемы полезно учи-
тывать сделанное выше замечание о том, что используе-
мые в рассматриваемом ключе простейшие схемы факти-
чески совпадают. В случае такой полярности напряжения
на вторичной обмотке трансформатора, которая указана
в скобках, ключ будет закрыт. Для данной микросхемы ток
утечки не более 40 нА. Максимальный ток открытого клю-
ча — 10 мА.
Компенсированные транзисторные ключи входят в со-
став различных микросхем серий 124, 129, 162.
353 -----------------Цифровая электроника
3.1.7. Ключи на полевых транзисторах
Ключи на полевых транзисторах широко используют-
ся для коммутации аналоговых и цифровых сигналов.
В аналоговых ключах обычно используют транзисторы
с управляющим р-л-переходом или МДП-транзисторы с
индуцированным каналом. В цифровых ключах обычно
используют МДП-транзисторы с индуцированным кана-
лом. В последнее время полевые транзисторы все чаще
используют в силовой импульсной электронике.
Ключи на полевых транзисторах отличаются малым
остаточным напряжением. Они могут коммутировать сла-
бые сигналы (в единицы микровольт и меньше). Это след-
ствие того, что выходные характеристики полевых тран-
зисторов проходят через начало координат.
Для примера изобразим выходные характеристики
транзистора с управляющим переходом и каналом р-типа
в области, прилегающей к началу координат (рис. 3.17).
Обратим внимание, что характеристики в третьем квад-
ранте соответствуют заданным напряжениям между затво-
ром и стоком.
12. Электроника
Жа& Электроника ----------------------------- 354
Однако минимальное сопротивление включенного
ключа на полевом транзисторе может быть больше, чем
ключа на биполярном транзисторе (т. е. наклон самой кру-
то поднимающейся характеристики полевого транзисто-
ра может быть меньше, чем наклон соответствующей ха-
рактеристики биполярного транзистора). Поэтому при
значительном токе падение напряжения на полевом тран-
зисторе может быть больше, чем падение напряжения на
биполярном транзисторе.
Иногда остаточным напряжением на ключе называют
не то напряжение, которое соответствует нулевому току,
а то, которое соответствует некоторому значительному
току ключа. Это нужно иметь в виду, чтобы понять смысл
на первый взгляд парадоксального утверждения, встреча-
ющегося у некоторых авторов и состоящего в том, что ос-
таточное напряжение ключей на полевых транзисторах
больше, чем ключей на биполярных транзисторах, и по-
этому «полевой транзистор обладает худшими ключевы-
ми свойствами по сравнению с биполярным». Кстати бу-
дет сказать, что наличие подобных на первый взгляд
противоречивых утверждений полезно воспринимать как
знак того, что выбор конкретного решения (в данном слу-
чае выбор для коммутации полевого или биполярного
транзистора) следует осуществлять на основе всесторон-
него анализа.
В статическом состоянии ключ на полевом транзисто-
ре потребляет очень малый ток управления. Однако этот
ток увеличивается при увеличении частоты переключения.
Очень большое входное сопротивление ключей на поле-
вых транзисторах фактически обеспечивает гальваническую
развязку входных и выходных цепей. Это позволяет обой-
тись без трансформаторов в цепях управления. Ключи на
полевых транзисторах часто менее быстродействующие в
сравнении с ключами на биполярных транзисторах.
Изобразим схему цифрового ключа на МДП-транзис-
торе с индуцированным каналом л-типа и резистивной
355 --------------------Оцифровал электроника
нагрузкой и соответствующие воеменньге диаграммы^
НаГруЗКОИ И СОи1ВС1СТВуЮЩИе ВрСМСННЫС ДИаГраММЫ ^рИС.
3.18). На схеме изображена емкость нагрузки Сн, модели-
рующая емкость устройств, подключенных к транзистор-
ному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале
транзистор заперт и иси = Ес. Если напряжение ит больше
порогового напряжения 1/зило/,ог транзистора, то он откры-
вается и напряжение иси уменьшается.
Ключи на полевых транзисторах с управляющим
/>-л-переходом входят в состав различных микросхем се-
рий 284, 504 и др.
Напряжение на ключе в его включенном состоянии Ueica
зависит от сопротивления стока Rc, величины входного
Рис. 3.18
Жад Электроника----------------------------- 356
сигнала и особенностей стоковых характеристик транзи-
стора. Скорость изменения напряжения на выходе опре-
деляется сопротивлением Re, емкостью Сн и частотными
свойствами транзистора.
Изобразим схему цифрового ключа на МДП-транзис-
торе с нагрузочным МДП-транзистором (с динамической
нагрузкой) (рис. 3.19). Отметим, что при использовании
интегральной технологии такой ключ, как ни странно на
Рис. 3.19
первый взгляд, изготовить проще в сравнении с рассмот-
ренным выше, имеющим нагрузочный резистор. Транзи-
стор Тх называют активным, а транзистор Т2 — нагрузоч-
ным.
Вначале рассмотрим закрытое состояние ключа. При
этом ивх< UMevoA, где изипорогХ - пороговое напряжение
для транзистора Тх.
В этом случае транзистор Тх закрыт и через оба тран-
зистора протекает очень малый ток (обычно не более
1 нА). При этом напряжение мси1 близко к напряжению Ес,
а напряжение иси2 близко к нулю. В рассматриваемом со-
стоянии транзистор Т2 также закрыт, хотя напряжение
между затвором и истоком этого транзистора положитель-
но (очевидно, что изи2 = w^). Но соотношение между па-
раметрами транзисторов обеспечивается именно такое,
357 ---------------------Цифровая электроника
чтобы в закрытом состоянии ключа выполнялось соотно-
шение исиХ « Ес. По крайней мере очевидно, что напря-
жение мси2 не может быть больше порогового напряжения
U3unopog2 Для транзистора Т2, иначе бы транзистор Т2 от-
крылся и напряжение на нем уменьшилось.
Теперь рассмотрим открытое состояние ключа. При
этом ивх > изипороЛ. Транзистор Тх открыт и напряжение
исиХ близко к нулю, а напряжение на транзисторе Т2 близ-
ко к напряжению питания. В рассматриваемом состоянии
транзистор Т2 также открыт, при этом изи2 = ucu2 = Ес. Но
транзисторы конструируют таким образом, чтобы удель-
ная крутизна транзистора Т2 была намного меньше, чем
удельная крутизна транзистора Тх. Именно поэтому в от-
крытом состоянии ключа исиХ » 0 (часто это напряжение
лежит в пределах 50... 100 мВ). Так как удельная крутизна
транзистора Т2 мала, ток, протекающий через открытый
ключ, сравнительно мал.
Изобразим схему цифрового ключа на комплементар-
ных МДП-транзисторах (комплементарный МДП-ключ,
КМОП-ключ) (рис. 3.20). Здесь использованы взаимодо-
полняющие друг друга (комплементарные) транзисторы:
транзистор Тх с каналом л-типа и транзистор Т2 с кана-
лом p-типа. Обозначим через Хитрое 1 и £/излорог2пороговые
напряжения для транзисторов соответственно Тх и Т2 .
Рис. 3.20
WsSr Электроника.----------------------------- 358
Стоит обратить внимание, что каждое из указанных поро-
говых напряжений является положительным.
Пусть ивх= 0, тогда, очевидно, транзистор Тх закрыт, а
транзистор Т2 открыт. При этом иси\ == Ес, иис2 ~ 0- Если
ивх > изиморог\, тогда транзистор Тх открыт. Пусть, кроме
того, ит> Ес— иизпороЛ, тогда транзистор Т2 закрыт. При
этом «<.„!= 0, иис2~ Ес.
Надо отметить, что если Ес < и^орогх + ^«эДорОг2»то ПРИ
изменении входного сигнала не возникает ситуация, ког-
да оба транзистора включены. Но если данное неравенство
не выполняется, то такая ситуация будет иметь место при
некотором промежуточном напряжении ивх, и тогда через
транзисторы протекает так называемый сквозной ток.
Если длительность переднего фронта и длительность среза
(заднего фронта) входного импульса мала, то сквозной ток
протекает короткое время, но и в этом случае он оказы-
вает негативное влияние на работу схемы.
Как следует из изложенного, в каждом из двух устано-
вившихся режимов, т. е. и в открытом, и в закрытом состо-
янии, ключ практически не потребляет ток от источника
питания. Это первое важное достоинство комплементар-
ного ключа. Вторым важным достоинством комплемен-
тарного ключа является резкое отличие выходного напря-
жения в открытом состоянии ключа (единицы микровольт
и менее) и выходного напряжения в закрытом состоянии
(это напряжение меньше напряжения питания всего лишь
на единицы микровольт и менее). Это обеспечивает вы-
сокую помехоустойчивость цифровых схем на комплемен-
тарных ключах.
Третьим важным достоинством комплементарного
ключа является его повышенное быстродействие. Оно
может быть на порядок больше, чем у двух других ранее
изученных ключей на полевых транзисторах. Повышенное
быстродействие объясняется тем, что как разряд емкости
Сн, так и ее заряд происходит через соответствующий от-
крытый транзистор (емкость разряжается через транзис-
359 --------------------Цифровая электроника
тор Т| и заряжается через транзистор Т2). При этом в на-
чале заряда или разряда через соответствующий транзис-
тор протекает большой ток, который быстро изменяет
напряжение емкости. Естественно предположить, что
входной сигнал поступает от такого же ключа, т. е. или
мвх= 0, или ивд= £с. В этом случае, чем больше напряже-
ние питания Ес, тем больше отпирающий сигнал на соот-
ветствующем транзисторе и тем больше его начальный ток
(к примеру, при 0, = £с). Поэтому при увеличе-
нии напряжения питания быстродействие комплементар-
ного ключа увеличивается.
Описанные достоинства, а также отработанность тех-
нологии изготовления явились причиной широкого ис-
пользования КМОП-ключей.
Рассмотрим простейшую схему аналогового ключа на
МДП-транзисторе (рис. 3.21). Эта схема получается из
предыдущей при замене транзистора 1\ резистором на-
Рис. 3.21
грузки, а источника питания — источником входного сиг-
нала.
Подложка транзистора подключена к положительному
полюсу источника питания, т. е. к точке с наибольшим-
потенциалом, для того чтобы ^-«-переходы между под-
ложкой и истоком и подложкой и стоком не открывались.
Транзистор этого аналогового ключа работает подобно
тому, как работает транзистор Т2 рассмотренного компле-
ЖвИ Электроника------------------------------- 360
ментарного ключа. Например, для отпирания транзисто-
ра необходимо, чтобы напряжение было малым.
Ключ может коммутировать как положительное, так и
отрицательное входное напряжение.
Рассмотрим теперь двунаправленный аналоговый ключ
(передающий вентиль) на комплементарных транзисторах
(рис. 3.22). Ключ предназначен для передачи напряжения
иа с вывода А на вывод В или напряжения иь с вывода В
на вывода. Предполагается, что эти напряжения находят-
ся в пределах от 0 до +Е„. Транзисторы Тх и Т2 образуют
рассмотренный выше комплементарный ключ. Двуна-
правленный ключ открыт, когда иупр = +Е„. В этом случае
по крайней мере один из транзисторов Т3 или Т4 открыт.
Ключ закрыт, когда иупр = 0.
Если схему изменить и на затворы транзисторов Т3 и
Т4 подавать не только положительные, но и отрицатель-
ные напряжения, то ключ будет в состоянии работать не
только при положительных, но и отрицательных напря-
жениях иа и иь.
Ключи на полевых транзисторах с изолированным за-
твором входят в состав микросхем серий 168, 547 и др., а
на комплементарных транзисторах — в состав микросхем
серий 590, 591, 176, 561, 1564.
361
Цифровая электроника.
3.2. ЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ
И АЛГЕБРА ЛОГИКИ
(БУЛЕВА АЛГЕБРА)
3.2.1. Логические функции
и способы их записи
В устройствах цифровой электроники используются
элементы, входные и выходные сигналы которых могут
принимать лишь два значения: логической единицы «1» и
логического нуля «О». Такие элементы, называемые логи-
ческими, осуществляют простейшие операции с такими
двоичными числами.
Для описания алгоритмов работы и структуры логиче-
ских схем используют простую алгебру логики, или буле-
ву алгебру, называемую по имени разработавшего ее в се-
редине XIX века ирландского математика Д. Буля. В ее
основе лежат три основные логические операции: логи-
ческое отрицание, или операция НЕ (инверсия), логиче-
ское сложение, или операция ИЛИ (дизъюнкция) и логи-
ческое умножение, или операция И (конъюнкция).
Операция НЕ над переменной х записывается в виде х .
Операция ИЛИ над двумя переменными х и у записы-
вается в виде х + у, а операция И — в виде х • у.
Фактически каждая логическая операция задает функ-
цию своих аргументов (переменных). Поэтому можно го-
ворить о функциях дизъюнкции, конъюнкции и инверсии.
Число аргументов функций дизъюнкции и конъюнк-
ции может быть произвольным (больше двух).
Некоторая логическая функция может быть задана в
алгебраической форме или в виде таблицы истинности.
Электроника ----------------------------- 362
Алгебраическая форма, или булево выражение, пред-
ставляет собой формулу, состоящую из логических пере-
менных, связанными операциями И, ИЛИ и НЕ, например:
/(x1,X2,X3)=XI Х2 х3 +(%] + х2)'(х, + *з)-
Как и в обычных алгебраических выражениях для за-
дания порядка действий используются скобки. Предпола-
гается, что выполнение операции И предшествует опера-
ция ИЛИ.
Таблицей истинности называется таблица, содержащая
все возможные комбинации значений входных перемен-
ных и соответствующие им значения логической функции.
Так, для логической функции п переменных таблица ис-
тинности содержит 2" строк и л + 1 столбцов, как показа-
но в таблице на рис. 3.23.
*1 Х2 ... f (Х1, х2, ... Хп)
0 0 ... 0 f (0,0 0)
0 0 ... 1 f (0, 0 1)
1 1 ... 1 f (1, 1, ...» 1)
Рис. 3.23
Очевидно, что значение логической функции f (хь х2,
... хя) в каждой строке будет принимать значение 0 или 1
в зависимости от значений входных логических перемен-
ных.
Поскольку булево выражение и соответствующая ей
таблица истинности описывают одну и ту же функцию, то
можно переходить от одной формы описания к другой.
Таблицы истинности логических функций И, ИЛИ, НЕ
приведены на рис. 3.24.
363
Цифровая электроника
Функция И
X у f (X, у)
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Функция ИЛИ
X У f (Х,у)
0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1
Функция НЕ
X f(x)
0 1
1 0
Рис. 3.24
Построим таблицу истинности (рис. 3.25) для выше-
приведенного булева выражения
/(xi, х2, х3)=х, -х2-х3 + (х, + х2)• (х| + х3).
*2 *3 f (Х1, х2, Хг)
0 0 0 0
0 0 1 0
0 1 0 1
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1 1
1 1 0 1
1 1 1 1
Рис. 3.25
Чтобы построить таблицу, нужно вычислить значение
функции f (хь х2, х3) для каждой из восьми комбинаций
значений входных переменных.
Так, например, при хх = 0, х2 = 0, х3 = 0, получим
/(О, 0, 0) = 0 0 0+(0+0) (0+б) = 0+0-(0+1) = 0+0 = 0.
Для Х| = 1, х2 = 1, х3 = 1, получим
/(1,1,1) = Ы1+(1+1)(1+Т) = 1 + 1(1+0) = 1 + 11 = 1+1 = 1.
По таблице истинности также можно составить алгеб-
раическое (булево) выражение. При этом запись алгебра-
Электроника---------------------------- 364
ического выражения осуществляется с использованием
совершенной дизъюнктивной нормальной формы (СДНФ)
или совершенной конъюнктивной нормальной формы
(СКНФ).
Для представления логической функции F в виде
СДНФ необходимо составить сумму (дизъюнкцию) про-
изведений (конъюнкций) значений логической функции
Fj и минтермов /nz, причем число слагаемых п равно чис-
лу строк в таблице истинности, т. е.
п
Z=1
Минтерм nij — это логическое произведение всех пере-
менных, причем переменные, равные нулю, записывают-
ся с инверсией.
Так для таблицы истинности (см. рис. 3.25) можно за-
писать следующие минтермы:
7^=Х]-Х2-х3; т2=х1-х2-х3, т3=хх-х2‘Х3;
т4 =Х]-х2-х3; т5=х1’Х2-х3‘, т6-хх-х2-х3‘,
m7=xl-x2-x3; mi=Xi-x2-x3.
Следовательно, логическая функция F, заданная табли-
цей истинности, имеет следующую СДНФ:
F = mx •0+/и2>0+/п3'1+7и4-0+/и5-1+7л6-1+7Л74+л%4 =
= Х( -Х2-Х3 +Х| -Х2 -Х3 + Х| -Х2 -Х3 +Х, -Х2 -Х3 +Х] -х2 -х3.
Таким образом, для записи функции в виде СДНФ
можно использовать следующее правило: следует записать
столько дизъюнктивных членов, представляющих собой
конъюнкции (произведения) всех переменных, сколько
раз функция принимает значение 1, причем переменные,
равные нулю, записываются с инверсией.
Для представления логической функции F в виде
СКНФ необходимо составить произведение (конъюнк-
365 ---------------------Цифровая электроника. ЖЦр
цию) сумм (дизъюнкций) значений логической функции
Fj и макстермов к,, причем число произведений п равно
числу строк в таблице истинности, т. е.
п
/=1
Макстерм к( — это логическая сумма всех переменных,
причем переменные, равные 1, записываются с инверсией.
Так, для таблицы (см. рис. 3.25) можно записать следу-
ющие макстермы:
Л|=х(+х2 + х3; k^x^+Xi+Xy, fc}=x1+x2+x3;
Л4=х(+х2+х3; ^=Xj+x2+x3; Л^=Х]+^+х3;
A?=X|+X2+X3; ^=Х|+А^+Х3.
Следовательно, логическая функция F, заданная табли-
цей истинности, описывается следующей СКНФ:
F = (X| +х2 +х3 +0)-(Х[ +х2 +х3 +0)х
Х(Х| +Х2 +Х3 +1)'(Х| +х2 +х3 +0)х
х(х( +х2 +х3 +l)-(*i +х2 +х3 +l)-(Xj +х2 +х3 +1)х
х(х( +х2+х3 + 1) =
= (х3 +х2 +Х3)*(Х| +х2 +Х3)*(Х| +х2 +х3).
Таким образом, для записи функции в виде СКНФ ис-
пользуют следующее правило: следует записать столько
конъюнктивных членов, представляющих собой дизъюн-
кции (суммы) всех переменных, сколько раз функция при-
нимает значение 0, причем переменные, равные единице,
записываются с инверсией.
366
gSr Электроника-----------------
3.2.2. Основы алгебры логики
1. х + 0 = х; х • 1 = х;
2. х + 1 = 1; х • 0 = 0;
3. х + х = х; х • х = х;
4. х + х = 1; х • х = 0;
5. х=х;
6. х + у = у + х; 7. х + х • у = х; 8. х + (у + z) = (х + у) + z; 9. х + у • z = (х + у) • (х + z); х • у = у • х; х • (х + у) = х; X • (у • z) = (X • у) • z; х-(у + z) = х-у+ x-z;
10. х+у=ху; х-у=х+у;
11. (х + у) • (х + у) = у; х • у + X • у = у.
Рис. 3.26
Наиболее важные теоремы, отражающие основные со-
отношения алгебры логики, приведены в таблице (рис. 3.26).
Легко заметить, что все теоремы (кроме 5) представле-
ны парой соотношений, каждое из которых получается за-
меной операции И на ИЛИ, операции ИЛИ на И, логи-
ческой 1 на логический 0 и логического 0 на логическую
1. Теоремам булевой алгебры присуще свойство симмет-
рии, известное как принцип двойственности.
Правильность всех перечисленных теорем легко дока-
зать перебором всех возможностей, т. е. методом совер-
шенной индукции. Поскольку переменные в булевой ал-
гебре принимают лишь два значения, то число всех
возможных комбинаций значений переменных невелико
и проверка выполнения теорем для каждой комбинации
не является сложной.
367 ---------------------Цифровая электроника
3.2.3. Минимизация логических
функций
Логическая функция, задающая принцип построения
схемы цифрового устройства, может быть, как было пока-
зано выше, представлена в виде таблицы истинности или
в виде СДНФ или СКНФ и может быть использована для
получения логической схемы устройства. Однако получен-
ная логическая схема, как правило, не будет оптимальна.
Поэтому важным этапом синтеза логических схем являет-
ся минимизация логических функций, для чего разрабо-
тан ряд методов.
Одним из простых методов минимизации является ме-
тод непосредственных преобразований, который осуще-
ствляется с использованием основных теорем алгебры
логики.
Например, логическую функцию F в виде СДНФ, по-
лученную в 3.2.1, можно минимизировать следующим об-
разом:
1. Добавим к данной функции слагаемое xt -х2 • х^, ко-
торое уже есть в данной функции, используя правило 3
(см. рис. 3.26):
F = Х| -х2 -х3 +х( -х2 -х3 + Х! -х2 -х3 +Х) -х2 -х3 +
+ Xj -Х2 -Х3 +Х1 -х2 -х3.
2. Применим метод склеивания (теорема 11, рис. 3.26)
одинаково подчеркнутых элементарных конъюнкций
F=х2-х3 +Xj -х2 +х(-х2.
3. Применим метод склеивания для двух последних
элементарных конъюнкций
f = X2-X3+X|.
368
Полученная в результате минимизации логическая
функция называется тупиковой. Логическая функция мо-
жет иметь несколько тупиковых форм.
Для минимизации логических функций широко ис-
пользуется графический метод с помощью карт Карно или
карт (диаграмм) Вейча, который удобен при небольшом
числе переменных.
Карты Карно и карты Вейча являются важным сред-
ством проектирования логических схем, представляют
собой определенную таблицу истинности обычно для
двух, трех и четырех переменных и отличаются друг от
друга способом обозначения строк и столбцов таблиц ис-
тинности. На рис. 3.27 представлены карты Вейча для
двух, трех и четырех переменных соответственно.
Рис. 3.27
Расположение групп переменных х, не имеет значения,
необходимо лишь, чтобы каждая клетка отличалась от
любой соседней лишь на одну переменную. Согласно при-
нятой форме построения карт соседними также считают-
ся клетки первой и последней строк, клетки первого и
последнего столбцов. Число клеток карты равно числу
возможных комбинаций значений переменных и в каждую
клетку записывается значение логической функции, соот-
ветствующее данному набору переменных. Этот набор пе-
ременных определяется присвоением значения логиче-
ской 1 переменным, на пересечении строк и столбцов
которых расположена клетка.
369 --------------------- Цифровая электроника
Например, если логическая функция задана таблицей
истинности (рис. 3.28, а), то карта Карно для нее будет
иметь вид, показанный на рис. 3.28, б.
Х1 Х2 F
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
а
Х2 Х2
б
Рис. 3.28
Булево выражение данной функции имеет вид
F = X]-х2 +х,-х2 + Х]-х2.
Данное выражение можно упростить, используя теоре-
мы 3, 4 и 9 (см. рис. 3.26):
f = x1 -х2 +Х] -х2 +Xj -х2 +Х| -х2 =
= х2 -(X] +Х|) + Х] '(х2 +X2) = Xj +х2е
Но для упрощения функции можно использовать и
карты Карно, в которых логические 1, записанные в со-
седних клетках, обозначают, что соответствующие этим 1
конъюнкции (произведения) отличаются лйшь по одной
переменной, которые дополняют друг друга и их можно
опустить.
Так, в первой строке карты Карно (см. рис. 3.28, б) пе-
ременная X] встречается в комбинации с х2 и х2, которые
дополняют друг друга: X! -х2+х} • х2 = xl-(x2 + х2) = xt.
Таким образом, группируя две соседние клетки в верх-
ней строке (контур на рис. 3.28, б), можно исключить одну
переменную и получить упрощенное выражение — х(.
Электроника--------------------------- 370
Аналогично, группируя две соседние клетки в левом
столбце (контур на рис. 3.28, б) и исключая отличающие-
ся переменные (xj и х,), получим упрощенное выраже-
ние — Х2.
Полученные упрощенные выражения объединяют с
помощью операции ИЛИ.
Таким образом, упрощенное выражение логической
функции будет иметь вид
F=xi +х2.
Таким образом, соседние клетки карты Карно можно
группировать для исключения переменной. Число группи-
руемых клеток может быть и больше двух, но их число
должно быть четным и они должны соприкасаться (яв-
ляться соседними) друг с другом.
Допускается также иметь несколько групп перекрываю-
щихся клеток, как в только что рассмотренном примере.
Группироваться могут также клетки первой и послед-
ней строк, первого и последнего столбцов, т. е. карту до-
пускается сворачивать в цилиндр как по вертикальной, так
и по горизонтальной оси.
Для исключения п переменных общее число группиру-
емых клеток должно быть равно 2". Так, для исключения
одной переменной требуется объединить две соседние
клетки, а для исключения трех переменных уже требует-
ся объединить восемь соседних клеток.
Таким образом, для того чтобы получить минимизиро-
ванную логическую функцию, необходимо сгруппировать
все соседние клетки карты Карно, содержащие 1, а затем
объединить полученные группы с помощью операции
ИЛИ. Клетки, содержащие 1, которые не удалось объеди-
нить с другими клетками, образуют в минимизированной
логической функции самостоятельные члены, каждый из
которых содержит все переменные.
371 .................... Цифровая элекгпроника Жадет
Рассмотрим несколько примеров карт Вейча и спосо-
бы построения контуров группировки соседних клеток для
получения упрощенной логической функции.
Так, карта Вейча для логической функции
f’ = X|-X2-X3-X4+X| •Х2,Х3*Х4+Х| •x2-x3-x4+xi -X^Xj-X^
приведена на рис. 3.29.
На этом рисунке показан правильный способ объеди-
нения соседних ячеек, т. е. карта Вейча как бы свернута в
вертикально расположенный цилиндр.
Упрощенное выражение логической функции имеет
вид F=x3-x4.
Таким образом, группируя соседние клетки в единый
квадрат, удалось исключить две переменные (xj и х2) и
получить простое выражение для логической функции.
Рассмотрим пример минимизации логической функции
F = xl-x2-x3-x4+xl •x2-x3-x4+xi -х2-х3-х4+х1 -х2-х3-х4 +
+ Х| -Х2 -Х3-х4 +Х| -х2 х3-х4 ,
для которой карта Вейча имеет вид рис. 3.30.
Группируемые ячейки обведены двумя контурами.
Нижний контур дает возможность исключить одну пере-
Электроника -
372
менную х3 и после этого в нем остается член х, -х2 -х4.
В верхнем контуре можно исключить две переменные (х2
и х4) и после этого в нем остается член х} х3. Упрощен-
ное булево выражение логической функции имеет вид
F=xi-x3+xl-x2-x4
Можно объединять в квадрат также четыре угловые
клетки карты Вейча, как это показано на рис. 3.31, кото-
рая построена для логической функции
F = Х, -Х2 -х3 -Х4 + Х! -Х2 -Хз -Х4 +Х[ -х2 -х3 -х4 +х, -х2 -х3 -х4.
Объединенные клетки являются соседними (если по-
верхность представить в виде тора), и это объединение
373
Цифровая электроника
позволяет исключить две переменные X] и х2 и получить
простое выражение логической функции
Г=х3х4 •
Рассмотрим минимизацию логической функции, кар-
та Вейча которой представлена на рис. 3.32.
Булево выражение этой функции имеет вид
F =Х] Х2 Х3 -Х4 +Х! -Х2 Х3 Х4 +Х] Х2 -Х3 -Х4 +Х] -х2 х3 -х4 +
+ Х] Х2 Х3 -Х4 +Х| -Х2 Х3 -Х4 +Х] -х2 -х3 -х4 •
Четыре угловые клетки можно объединить в одну груп-
пу, как это делалось в предыдущем примере. Это объеди-
нение позволяет исключить две переменные (Х] и х2) и
получить член х3-х4.
Две единицы из первой строки можно объединить с
двумя единицами из нижней строки, получить группу из
четырех ячеек, которая позволяет исключить две перемен-
ные (х4 и х3) и получить член х2 -х4 .
Наконец, единственную оставшуюся единицу (из вто-
рой строки и последнего столбца) можно объединить с
WsBr Электроника---------------------------- 374
клеткой, находящейся над ней, и это позволит исключить
одну переменную (х4) и получить член Х] -х2 -х3.
Таким образом, мы получим минимизированную логи-
ческую функцию F = X}-X4 + ^-X4+Xi-X2 Xj .
Следует отметить, что для получения минимальной
формы логической функции необходимо группировать
наибольшее число клеток, причем некоторые клетки мо-
гут входить в разные группы. В зависимости от выбора
групп объединения клеток можно получить несколько
упрощенных выражений логической функции.
В ряде случаев не все значения логической функции
бывают определены однозначно. Например, в некоторых
случаях известно, что какие-то комбинации входных пе-
ременных (сигналов на входе логической схемы) появить-
ся не могут, или, если они появляются, то значение логи-
ческой функции (сигнала на выходе логической схемы) не
существенно. В таких случаях говорят о неопределенных
условиях, и на карте Вейча такое неопределенное условие
может обозначаться прочерком.
Рассмотрим, как карту Вейча с неопределенными ус-
ловиями можно использовать для минимизации логиче-
ской функции.
Пусть имеется карта Вейча такой функции (рис. 3.33).
375 ------------------- Цифровая электроника
При минимизации клетки с недоопределенными состо-
яниями могут произвольным образом включаться в груп-
пы при объединении клеток, причем им может присваи-
ваться любое значение (0 или 1) таким образом, чтобы
сгруппировать наибольшее число клеток.
Так, в рассматриваемом примере вместо всех прочер-
ков можно проставить логические 1 и получить две боль-
шие группы по восемь клеток (два контура на рис. 3.33),
что позволит исключить три переменные и получить сле-
дующее упрощенное выражение логической функции:
/’=х2+х4.
Если клетки с неопределенными условиями не исполь-
зовать, то можно получить две группы по четыре клетки,
что позволит получить следующее упрощенное выражение
логической функции: F = xl-x4 + xt-x2.
Очевидно, что данное выражение логической функции
сложнее предыдущего.
При минимизации логической функции, содержащей
более четырех переменных, используются другие способы
минимизации.
3.2.4. Реализация логических функций
Техническая реализация логической функции предпо-
лагает построение цифрового устройства, сигналы на вы-
ходе которого определяются сигналами на его входах в
соответствии с этой функцией. Для построения цифрового
устройства достаточно иметь элементы, реализующие три
основные логические операции И, ИЛИ и НЕ. На прак-
тике также используют элементы, выполняющие другие
простейшие логические операции. Такие элементы назы-
вают логическими. Их называют также логическими вен-
тилями. Если соединить логические элементы в соответ-
ствии со структурой выражения для логической функции,
то получим цифровое устройство, реализующее заданную
логическую функцию.
ЖдИ Электроника------------------------------- 376
Логический элемент может быть реализован в виде
интегральной схемы. Часто интегральная схема содержит
несколько логических элементов.
На рис. 3.34 приведены примеры условных графиче-
ских обозначений некоторых логических элементов, буле-
во выражение реализуемой логической функции и их таб-
лицы истинности.
Название элемента И И-НЕ или ИЛИ-НЕ Исключающее ИЛИ
F X 'У Х-у х +у х + у Х + у 2 = х- у + х- V
Графическое ~р~|— —
обозначение
2LJL
Таблицы 0 0 0 1 0 1 0
истин- 0 1 0 1 1 0 1
ности 1 0 0 1 1 0 1
1 1 1 0 1 0 0
Рис. 3.34
Положим, что имеется логическая функция вида
F-x{ -x2+Xi -x3+x2-x3.
По этому выражению можно построить устройство,
схема которого приведена на рис. 3.35.
Рис. 3.35
377 -------------------- Цифровая электроника
При проектировании цифрового устройства рекомен-
дуется поступать следующим образом:
1. По условию работы устройства определяется, что
именно должно делать устройство, и уточняется ал-
горитм его работы.
2. Составляется таблица истинности для логической
функции, реализуемой устройством.
3. Составляется логическая функция и проводится ее
минимизация.
4. Разрабатывается схема проектируемого устройства.
Рассмотрим примеры проектирования некоторых циф-
ровых устройств.
Пример 1. Необходимо спроектировать устройство
включения и выключения звукового сигнала в помещении
переключением одного из двух ключей, независимо от
состояния другого ключа.
Требуется спроектировать логическое устройство, на
выходе которого появляется сигнал логической 1 (F= 1),
когда сирена включается. Если ключи (х и у) замкнуты, то
это соответствует логическим нулям на входах устройства
(х = 0, у = 0), а разомкнутые ключи соответствуют логи-
ческим единицам на входах устройства (х = 1, у = 1).
Учитывая сказанное, составим таблицу истинности
(рис. 3.36).
X У F
0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1
Рис. 3.36
Поясним таблицу истинности. При обоих замкнутых
ключах сирена включена (первая строка таблицы истин-
ности). Выключение любого из двух ключей приводит к
Электроника --------------------------- 378
отключению сирены (вторая и третья строки таблицы).
Выключение оставшегося включенного ключа приводит к
включению сирены (последняя строчка).
По данной таблице истинности составим логическую
функцию F=x-y+x-y.
Полученное логическое выражение может быть реали-
зовано следующим образом (рис. 3.37).
Рис. 3.37
Пример 2. Требуется спроектировать логическое устрой-
ство, осуществляющее передачу данных с одного из четы-
рех входов на один выход в зависимости от комбинации
сигналов на адресных входах.
Из описания следует, что проектируемое устройство
имеет один выход Fn четыре входа хь х2, х3 и х4, на кото-
рые могут подаваться логические сигналы 0 или 1, и один
из входов должен подключаться к выходу в зависимости
от комбинации сигналов на адресных входах. Так как вхо-
дов четыре, то, следовательно, и комбинаций на адресных
шинах должно быть четыре, а для этого достаточно иметь
два адресных входа At и А2.
С учетом этого описания можно составить следующую
таблицу истинности (рис. 3.38).
379
Цифровая электроника
Аг Ai F
0 0 1 1 0 1 0 1 *1 *2 *4
Рис. 3.38
Из данной таблицы следует, что при нулях на обоих
адресных входах к выходу устройства подключен первый
вход данных , при A j = 1, Аг = 0 к выходу подключен вход
данных х2, при Л] = О, Л2 = 1 к выходу подключен вход
данных х3, а при At = 1, Аг = 1 к выходу подключен вход
данных х4.
По данной таблице составим логическую функцию
F = Х| • Л| • А^ 4" х2 * Л] • Л2 4" х3 • Л| • А% 4- х4 • Л] • Л2 •
Используя данное выражение, построим логическую
схему проектируемого устройства (рис. 3.39).
Рис. 3.39
Электроника---------------------------- 380
Далее мы увидим, что спроектированное устройство
является мультиплексором на четыре входа и находит
широкое применение в цифровой электронике.
3.2.5. Особенности построения
логических устройств
Обычно при построении логических устройств, с целью
сокращения номенклатуры используемых логических эле-
ментов, используют либо два элемента, выполняющих
операции И-НЕ и ИЛИ-HE, либо только один из этих
элементов.
Это обусловлено тем, что эти элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ
являются универсальными. Универсальность проявляется
в том, что каждый из них позволяет реализовать все три
основные булевы операции И, ИЛИ, НЕ (рис. 3.40).
а
б
Рис. 3.40
381
Цифровая электроника
Следовательно, любую логическую функцию можно ре-
ализовать, используя только логические элементы И-НЕ
или ИЛИ-НЕ.
При построении логического устройства число входов
логических элементов обычно бывает задано, что тоже
вносит определенные трудности. Для построения устройства
на заданных логических элементах И-НЕ или ИЛИ-HE не-
обходимо логическую функцию преобразовать к соответ-
ствующему виду так, чтобы в ней присутствовали только
логические операции И-НЕ или ИЛИ-HE. Для этого ис-
пользуют теоремы 5 и 10 (см. рис. 3.26) булевой алгебры,
т. е. двойное отрицание, и теорему Де Моргана. В качестве
примера рассмотрим построение логического устройства
на двухвходовых элементах И-НЕ и ИЛИ-HE по логичес-
кой функции
Построим вначале устройство на элементах И-НЕ
F = F = X’j>’Z-x-y •
Полученная форма является алгебраической формой
эдемента И-НЕ с тремя входами: х, у -z и х-у, т. е. схема
данного устройства будет иметь следующий вид (рис. 3.41):
х
П
х^у
Рис. 3.41
Электроника----------------------------- 382
ем несложных преобразований, которые понятны
из окончательной схемы устройства (рис. 3.42), получим
устройство, построенное на двухвходовых элементах И-НЕ
с входными сигналами х, у, z-
Рис. 3.42
Проводя аналогичные преобразования, функцию F
можно реализовать на двухвходовых элементах ИЛИ-НЕ
F = F=x+y-z+x-y.
Учитывая, что y-z=y-z=y+z = y+z и
ху=ху=х+у=х+у, получим'
F = x+(y+z)+(x+y).
Следовательно, схема проектируемого устройства будет
иметь следующий вид (рис. 3.43).
При реализации цифровых устройств на конкретных
логических элементах не все их входы, по ряду причин,
могут быть использованы. Обычно с неиспользуемыми
входами поступают следующим образом:
Рис. 3.43
— объединяют их с используемыми (с учетом теоремы
3, рис. 3.26), если это не ведет к превышению нагру-
зочной способности логического элемента, к выхо-
ду которого подключены объединенные входы;
— в зависимости от логики работы устройства подают
на неиспользуемые входы либо логический 0, либо
логическую 1. Для того чтобы не изменять логику
работы элемента с неиспользуемыми входами, на
них нужно подать: либо логическую 1, если элемент
реализует логическую функцию И, так как соглас-
но теореме 1 (см. рис. 3.26) х • 1 = х, либо логиче-
ский 0, если элемент реализует логическую функ-
цию ИЛИ, так как согласно теореме 1 (см. рис. 3.26)
х + 0 = х.
Для подачи логического 0 неиспользуемые входы про-
сто соединяют с шиной питания («землей»).
Для подачи логической 1 неиспользуемые входы под-
ключают к источникам питания микросхем обычно через
резисторы (в единицы кОм), предотвращающие пробои
неиспользуемых входов.
Реализовать логическую функцию можно не только на
основе логических элементов, как это было только что по-
казано, но и другими способами, о чем речь пойдет ниже.
Электроника ------------------------- 384
3.3. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
3.3.1. Классификация и основные
параметры
Рассмотрим наиболее широко используемую истори-
чески сложившуюся классификацию. Она построена и с
учетом того, какие электронные приборы являются основ-
ными в соответствующих интегральных схемах, и с учетом
особенностей использованных схемотехнических реше-
ний.
Выделяются следующие классы логических элементов
(так называемые логики):
• резисторно-транзисторная логика (РТЛ);
• диодно-транзисторная логика (ДТЛ);
• транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);
• эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);
• транзисторно-транзисторная логика с диодами
Шоттки (ТТЛШ);
• логика на основе МОП-транзисторов с каналами
типа р (р-МДП);
• логика на основе МОП-транзисторов с каналами
типа п (и-МДП);
• логика на основе комплементарных ключей на
МДП-транзисторах (КМДП, КМОП);
• интегральная инжекционная логика И2Л;
• логика на основе полупроводника из арсенида гал-
лия GaAs.
В настоящее время наиболее широко используются
следующие логики: ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ. Устарела
и практически не используется РТЛ. Для разрабатываемых
в настоящее время устройств можно рекомендовать ис-
пользовать КМОП-логику, а также логику на основе GaAs.
385 ---------------------- Цифровая электроника.
Логические элементы и другие цифровые электронные
устройства выпускаются в составе серий микросхем. Се-
рия микросхем — это совокупность микросхем, характе-
ризуемых общими технологическими и схемотехнически-
ми решениями, а также уровнями электрических сигналов
и напряжения питания.
Приведенная классификация охватывает не только соб-
ственно логические элементы, но и другие цифровые ус-
тройства, в том числе микропроцессорные. Однако здесь
следует учитывать, что при производстве сложных цифро-
вых устройств некоторые логики не использовались и не
используются.
Приведем примеры серии микросхем: ТТЛ — К155,
КМ155, К133, КМ133; ТТЛШ - 530, КР531, КМ531,
КР1531, 533, К555, КМ555, 1533, КР1533; ЭСЛ - 100,
К500, К1500; КМОП - 564, К561, 1564, КР1554; GaAs -
К6500;
Каждая серия микросхем, несмотря на то, что она
обычно содержит самые разнообразные цифровые устрой-
ства, характеризуется некоторым набором параметров,
дающих достаточно подробное представление об этой се-
рии. При определении этих параметров ориентируются
именно на логические элементы — простейшие устройства
серии микросхем. В соответствии с этим говорят о пара-
метрах не серии микросхем, а о параметрах логических
элементов данной серии.
Рассмотрим наиболее важные из параметров.
Быстродействие характеризуют временем задержки
распространения сигнала /зр и максимальной рабочей ча-
стотой ГЫЯКЛ. Обратимся к идеализированным временным
Диаграммам, соответствующим элементу НЕ (инвертору)
i; (рис. 3.44). Через Uex} и ивызЛ обозначены уровни входно-
| го и выходного напряжений, соответствующие логической
I единице, а через 6/вд0 и ивЫ1Л — соответствующие логиче-
I скому нулю. Различают время задержки ?зр10 распростра-
I Нения при переключении из состояния 1 в состояние 0 и
№ 13 Электроника
Рис. 3.44
при переключении из состояния 0 в состояние 1 — а
также среднее время задержки распространения /зр, при-
чем /зр= 0,5(/зр|0+/зр0|). Время задержки принято опреде-
лять по перепадам уровней 0,5Д и 0,5Д С/вых. Максималь-
ная рабочая частота FMaKC — это частота, при которой
сохраняется работоспособность схемы.
Нагрузочная способность характеризуется коэффици-
ентом объединения по входу Х^и коэффициентом развет-
вления по выходу Краз (иногда используют термин «ко-
эффициент объединения по выходу»). Величина Коб— это
число логических входов, величина Краз — максимальное
число однотипных логических элементов, которые могут
быть подключены к выходу данного логического элемен-
та. Типичные значения их таковы: Ко6 = 2...8, Краз = 4... 10.
Для элементов с повышенной нагрузочной способностью
А^3 = 2О...ЗО.
Помехоустойчивость в статическом режиме характери-
зуют напряжением Uncr, которое называют статической по-
мехоустойчивостью. Это такое максимально допустимое
напряжение статической помехи на входе, при котором
387 -------------------- Цифровая электроника Ж|р
еще не происходит изменение выходных уровней логиче-
ского элемента.
Важным параметром является мощность, потребляемая
микросхемой от источника питания. Если эта мощность раз-
лична для двух логических состояний, то часто указывают
среднюю потребляемую мощность для этих состояний.
Важными являются также следующие параметры:
• напряжение питания;
• входные пороговые напряжения высокого и низко-
го уровня ивх 1Порог и С^хОпорог, соответствующие из-
менению состояния логического элемента;
• выходные напряжения высокого и низкого уровней
^вых\ и ^4ых0-
Используют и другие параметры.
3.3.2. Особенности выходных каскадов
цифровых микросхем
Часто возникает необходимость подключения выходов
нескольких цифровых микросхем к одной нагрузке. Одним
из способов объединения выходов является использование
в выходных каскадах микросхем транзисторов, один из
выводов которых (коллектор, эмиттер, сток, исток) нику-
да не подключен. Такой вывод называют открытым.
Покажем схематически (рис. 3.45, а), как объединяются
выходы микросхем с открытым коллектором. Такой эле-
мент выполняет дополнительную логическую операцию,
называемую операцией монтажной логики. Таблица ис-
тинности такого устройства с учетом инвертирования сиг-
нала в выходном каскаде приведена на рис. 3.45, б. Выход-
ное напряжение принимает уровень логической единицы
388
б
а
Рис. 3.45
лишь тора, когда транзисторы выходных каскадов закры-
ты, т. е. на входы поданы логические 0.
Нетрудно видеть, что схема реализует логическую опе-
рацию ИЛИ-HE, и поэтому такую схему называют «мон-
тажным (проводным) ИЛИ», т. е.
y=xi+x2.
Используя теорему 10 (см. рис. 3.26), нетрудно получить
y=XfX2 .
С учетом данного выражения такое соединение (рис.
3.45, а) иногда называют «монтажное (проводное) И».
Если открытым является коллектор транзистора
л-р-и-типа, эмиттер транзистора р-и-р-типа, сток транзи-
стора с каналом л-типа, исток транзистора с каналом
p-типа, то вывод обозначают символом . Если откры-
тым является коллектор транзистора р-л-р-типа, эмиттер
транзистора л-р-л-типа, сток транзистора с каналом
p-типа, исток транзистора с каналом л-типа, вывод обо-
значают символом О.
389
Цифровая электроника
Выходные каскады некоторых микросхем могут рабо-
тать в таком режиме, когда микросхема оказывается фак-
тически отключенной от нагрузки. Это так называемое
третье (высокоимпедансное) состояние микросхемы. Ис-
пользование третьего состояния является еще одним спо-
собом объединения выходов микросхем, который широко
используется в вычислительной технике, при подключе-
нии к общей шине многих устройств. Приведем фрагмент
схемы, поясняющей возникновение третьего состояния
(рис. 3.46). Если оба транзистора закрыты, то микросхе-
ма и нагрузка фактически являются разъединенными.
Наличие третьего состояния обозначают символом
Рис. 3.46
Если в выходных каскадах микросхем используются
мощные транзисторы, то выходные каскады обеспечива-
ют большие выходные токи и на условных графических
обозначениях микросхем в этом случае используется сим-
вол t>.
Так, например, микросхема К155ЛА18 (два двухвход-
ных элемента И-НЕ) имеет открытый коллектор и выход-
ной ток может достигать 300 мА при логическом нуле на
Wset Электроника ----------------------------- 390
выходе, а микросхема КР531ЛА17 (два четырехвходных
элемента И-НЕ) имеет три состояния выхода и выходные
токи составляют 50 мА при логическом нуле на выходе.
В некоторых микросхемах выходные каскады представ-
ляют собой изолированные транзисторы, т. е. коллектор,
эмиттер и база мощных выходных транзисторов подклю-
чены только к внешним выводам микросхем.
Так, микросхема К155ЛП7 представляет собой два эле-
мента И-НЕ и два транзистора типа п-р-п, обеспечиваю-
щие выходной ток 300 мА и имеющие предельно допус-
тимое коллекторное напряжение, равное 30 В.
Такие логические элементы с изолированными транзи-
сторами позволяют более гибко выбирать схему подклю-
чения транзисторов как к логическим элементам, так и к
нагрузке.
При. использовании в едином цифровом устройстве
микросхем различных серий, и в особенности различных
логик, может возникнуть проблема согласования уровней
входных и выходных напряжений. Для указанных целей
производятся специальные микросхемы, которые называ-
ют преобразователями уровня сигналов.
3.3.3. Преобразователи уровня
сигналов и шинные
формирователи
Преобразователи уровней используются для согласова-
ния входных и выходных сигналов по напряжению и току
при построении цифровых устройств на различных логи-
ческих элементах.
Логические элементы, в зависимости от элементной
базы, на которой они построены, имеют разные напряже-
ния питания и разные значения входных и выходных сиг-
налов. Кроме того, однотипные микросхемы могут допус-
391
Цифровая электроника
кать разное напряжение питания и при таком их исполь-
зовании в разных частях одного устройства также требу-
ется согласование уровней.
Так, для микросхем транзисторно-транзисторной логи-
ки (ТТЛ), которые построены на биполярных транзисторах,
уровень логического «О» входного напряжения < 0,8 В, уро-
вень логического 0 выходного напряжения < 0,4 В, уро-
вень логической 1 входного напряжения > 2,4 В, а уровень
логической 1 выходного напряжения > 2,8 В. Напряжение
питания ТТЛ равно 5 В.
Для микросхем, построенных на полевых транзисторах
(КМОП), напряжение питания Етт обычно лежит в пре-
делах от 5 до 15 В, а уровень логического 0 входного на-
пряжения < 0,2 £лшя, уровень логического 0 выходного
напряжения равен 0 В, уровень логической 1 входного
напряжения > 0,8 £„иот, а уровень логической 1 выходного
напряжения равен £пит.
Пороговое напряжение переключения для ТТЛ состав-
ляет 1,2 В, а для КМОП — £_..„/2.
Кроме того, большинство КМОП-элементов имеют
малые выходные токи, поэтому к ним нельзя подключать
даже один вход ТТЛ даже при одинаковых £лил|
Так, для согласования выходов КМОП элементов со
входами ТТЛ можно применять микросхемы К176ПУ1,
К176ПУ2, К176ПУЗ, К561ПУ4, КР1561ПУ4. По принци-
пу функционирования они аналогичны друг другу, но име-
ют разное число входов и некоторые, помимо преобразо-
вания, еще осуществляют инверсию сигнала (ПУ1, ПУ2).
Например, микросхема КР1561ПУ4 (рис. 3.47, а) име-
ет 6 входов и выходов и позволяет при подаче на нее на-
пряжения питания 5 В и подключении ее входов к выхо-
дам КМОП-микросхем подключать к каждому из ее
выходов от двух до восьми микросхем ТТЛ в зависимости
от их схемотехнической реализации.
Электроника------------------------------ 392
Для согласования выходов ТТЛ микросхем со входами
КМОП микросхем применяются микросхемы К176ПУ5,
564ПУ6, К561ПУ7, К561П8.
Все они аналогичны друг другу по принципу функци-
онирования, но имеют разное число преобразователей,
требуют одного или двух источников питания, осуществ-
ляют инвертирование сигнала или нет (П561ПУ8).
Так, микросхема К561ПУ7 (рис. 3.47, б) представляет
собой шесть инвертирующих преобразователей, требует
одного источника питания и при напряжении 10—15 В
осуществляет хорошее согласование с выходными уровня-
ми ТТЛ микросхем.
К1561ПУ4
К561ПУ7
а
Рис. 3.47
Для коммутации сигналов в цифровых устройствах,
например, сигналов адреса, сигналов управления, подклю-
чения внешних устройств к системной шине данных в
микропроцессорной системе, используются шинные фор-
мирователи (шинные драйверы, буферные элементы).
Реализуются они на логических элементах с повышен-
ной нагрузочной способностью, имеющих открытый вы-
ход (коллекторный или стоковый) или три состояния вы-
хода.
393 -------------------- Цифровая электроника
IRRv»
Они могут быть как однонаправленные, так и двунап-
равленные (могут осуществлять передачу данных как со
входов на выход, так и наоборот).
Так, микросхема К555АП5 (рис. 3.48, а) представляет
собой восемь буферных элементов, выходы которых име-
ют три состояния. Буферные элементы сформированы в
две группы, каждая из которых имеет инверсный вход
управления. Включение элементов каждой группы проис-
ходит при подаче на соответствующий вход управления Е]
или Е2 логического нуля, переход в высокоимпедансное
состояние осуществляется при подаче на эти входы логи-
ческой единицы.
К555АП5
Рис. 3.48
К555АП6
Микросхема К555АП6 (рис. 3.48, б) представляет собой
восемь двунаправленных буферных элементов, все выво-
ды которых имеют три состояния, а также имеются два
входа управления. Логический нуль на входе Е разрешает
включение буферных элементов, и если при этом на вход
Т подана логическая 1, то выводы Al—А8 являются вхо-
дами, а выводы Bl—В8 выходами. При логическом 0 на
Электроника---------------------------- 394
входе Т выводы Bl—В8 являются входами, а выводы А1—
А8 выходами. При логической 1 на входе Е все выводы
переводятся в высокоимпедансное состояние.
3.3.4. Схемотехника логических
элементов различных логик
Для конкретной серии микросхем характерно исполь-
зование типового электронного узла — базового логичес-
кого элемента. Этот элемент является основой построения
самых разнообразных цифровых электронных устройств.
Ниже рассмотрим особенности базовых логических эле-
ментов различных логик.
Элементы транзисторно-транзисторной логики. Харак-
терной особенностью ТТЛ является использование мно-
гоэмиттерных транзисторов. Эти транзисторы сконструи-
рованы таким образом, что отдельные эмиттеры не
оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру со-
ответствует свой р-л-переход. В первом приближении
многоэмиттерный транзистор может моделироваться схе-
мой на диодах (см. пунктир на рис. 3.49).
Упрощенная схема ТТЛ-элемента приведена на рис.
3.49. При мысленной замене многоэмиттерного транзис-
Рис. 3.49
395 -------------------Цифровая электроника
тора диодами получаем элемент диодно-транзисторной
логики И-НЕ. Из анализа схемы можно сделать вывод, что
если на один из входов или на оба входа подать низкий
уровень напряжения, то ток базы транзистора Т2 будет
равен нулю, и на коллекторе транзистора Т2 будет высо-
кий уровень напряжения. Если на оба входа подать высо-
кий уровень напряжения, то через базу Т2 транзистора
будет протекать большой базовый ток и на коллекторе
транзистора Т2 будет низкий уровень напряжения, т. е.
данный элемент реализует функцию И-НЕ: ивых = mj • w2.
Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный
транзистор, выполняющий логическую операцию И, и
сложный инвертор (рис. 3.50). Если на один или оба вхо-
да одновременно подан низкий уровень напряжения, то
многоэмиттерный транзистор находится в состоянии на-
сыщения и транзистор Т2 закрыт, а следовательно, закрыт
и транзистор Т4, т. е. на выходе будет высокий уровень на-
пряжения. Если на обоих входах одновременно действует
высокий уровень напряжения, то транзистор Т2 открыва-
ется и входит в режим насыщения, что приводит к откры-
тию и насыщению транзистора Т4 и запиранию транзис-
тора Т3, т. е. реализуется функция И-НЕ.
Рис. 3.50
Электроника---------------------------- 396
’ Выпускаются микросхемы ТТЛ с повышенной нагру-
зочной способностью, с открытым коллектором, с треть-
им (высокоимпедансным) состоянием, что значительно
расширяет их функциональные возможности.
Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ ис-
пользуются транзисторы с диодами Шоттки (транзисторы
Шоттки).
Базовый логический элемент ТТЛШ (на примере серии
К555). В качестве базового элемента серии микросхем
К555 использован элемент И-НЕ. На рис. 3.51, а изобра-
жена схема этого элемента, а условное графическое обо-
значение транзистора Шоттки приведено на рис. 3.51, б.
Такой транзистор эквивалентен рассмотренной выше паре
из обычного транзистора и диода Шоттки. Транзистор
VT4 — обычный биполярный транзистор.
Если оба входных напряжения ивх[ и ивх1 имеют высо-
кий уровень, то диоды VD3 и VD4 закрыты, транзисторы
VT}, РТ5 открыты и на выходе имеет место напряжение
низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется
напряжение низкого уровня, то транзисторы VTi и РТ5
Рис. 3.51
397
Цифровая электроника
закрыты, а транзисторы VT3 и ГТ4 открыты, и на входе
имеет место напряжение низкого уровня. Полезно отме-
тить, что транзисторы РТ3 и РТ4 образуют так называемый
составной транзистор (схему Дарлингтона).
Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются сле-
дующими параметрами:
• напряжение питания +5 В;
• выходное напряжение низкого уровня — не более
0,4 В;
• выходное напряжение высокого уровня — не менее
2,5 В;
• помехоустойчивость — не менее 0,3 В;
• среднее время задержки распространения сигнала —
20 нс;
• максимальная рабочая частота — 25 МГц.
Микросхемы ТТЛШ обычно совместимы по логиче-
ским уровням, помехоустойчивости и напряжению пита-
ния с микросхемами ТТЛ. Время задержки распростране-
ния сигнала элементов ТТЛШ в среднем в два раза меньше
по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ. К тому
же они значительно меньших размеров, что уменьшает
емкости их р-л-переходов. Мощность, потребляемая ими,
в 4—10 раз меньше.
Элементы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ). Основой
базового логического элемента ЭСЛ является токовый
ключ. Схема токового ключа (рис. 3.52) подобна схеме
дифференциального усилителя. Необходимо обратить
внимание на то, что микросхемы ЭСЛ питаются отрица-
тельным напряжением (к примеру, —4,5 В для серии
К.1500). На базу транзистора VT2 подано отрицательное
постоянное опорное напряжение t/on. Изменение входно-
го напряжения uexi приводит к перераспределению посто-
янного тока /эо, заданного сопротивлением R3, между
транзисторами, что имеет следствием изменение напряже-
ний на их коллекторах. Транзисторы не входят в режим на-
сыщения, и это является одной из причин высокого быс-
тродействия элементов ЭСЛ.
398
Микросхемы серий 100, 500 имеют следующие пара-
метры: напряжение питания------5,2 В; потребляемая
мощность — 25 мВт; коэффициент разветвления по выхо-
ду — 15; задержка распространения сигнала — 2 нс.
Базовый элемент ЭСЛ получают заменой в схеме токо-
вого ключа транзистора V7\ параллельно включенными
транзисторами (для увеличения числа входов) и включе-
нием в качестве выходных схем элемента ЭСЛ эмиттерных
повторителей (рис. 3.53).
Рис. 3.53
399
Цифровая электроника
На транзисторы VTX,VT2, VT3 подаются входные сигна-
лы, и они совместно с транзистором РТ4 образует токовый
ключ. Транзистор VT5 с элементами R^, R5, R6 и VDt, VD2
является стабильным источником напряжения, задающим
постоянное напряжение Uon на базе транзистора РТ4, ко-
торый находится в активном режиме работы.
На транзисторах УГ6 и VT7 реализованы эмиттерные
повторители, обеспечивающие малые выходные сопротив-
ления. Цепи нагрузок транзисторов РТ6 и VTj (резисторы
Rj и Т?8) обычно вынесены за микросхему ЭСЛ, что рас-
ширяет ее функциональные возможности.
В схеме ЭСЛ реализован принцип положительной ло-
гики, при котором большему выходному напряжению (в
нашем случае, менее отрицательному) соответствует сиг-
нал логической 1, а меньшему (более отрицательному)
сигнал логического 0.
Когда на всех входах схемы Ux, U2, U3 действуют сиг-
налы логического 0 (большое отрицательное напряжение),
то транзисторы VTl—VT3 закрыты, РТ4 открыт. В резуль-
тате транзистор VT7 будет закрыт, т. е. на его выходе уста-
новится менее отрицательное напряжение (логическая 1).
Если на любой из входов Ц—U3 поданалогическая еди-
ница (менее отрицательное,чем Uon на базе КГ4), то откро-
ется соответствующий транзистор, что приведет к пере-
распределению токов между этим транзистором и
транзистором КГ4, после чего транзистор Р76 закроется,
т. е. на его выходе установится большое отрицательное
напряжение (логический 0), а транзистор VT2 откроется,
т. е. на его выходе установится логическая 1.
Таким образом, данная схема одновременно выполни-
ет функции ИЛИ и ИЛИ-НЕ
что значительно расширяет ее функциональные возмож-
ности.
Электроника ---------------------------- 400
Логические элементы на полевых транзисторах. В микро-
схемах «-МОП и />-МОП используются ключи соответствен-
но на МОП-транзисторах с «-каналом и динамической на-
грузкой (рассмотрены выше) и на МОП-транзисторах с
р-каналом.
В качестве примера рассмотрим элемент логики
«-МОП, реализующий функцию ИЛИ-HE (рис. 3.54). Он
состоит из нагрузочного транзистора Т3 и двух управляю-
Рис. 3.54
щих транзисторов 1\ и Т2. Если оба транзистора 7\ и Т2
закрыты, то на выходе устанавливается высокий уровень
напряжения. Если одно или оба напряжения и и2 име-
ют высокий уровень, то открывается один или оба тран-
зистора Г) и Т2 и на выходе устанавливается низкий уро-
вень напряжения, т. е. реализуется функция ивых = щ + и2 .
Для исключения потребления мощности логическим
элементом в статическом состоянии используются комп-
лементарные МДП — логические элементы (КМДП или
КМОП-логика). В микросхемах КМОП используются
комплементарные ключи на МОП-транзисторах. Они от-
личаются высокой помехоустойчивостью. Логика КМОП
является очень перспективной. Рассмотренный ранее
комплементарный ключ фактически является элементом
НЕ (инвертором).
401 --------------------‘Цифровая электроника
Рассмотрим КМОП — логический элемент, реализую-
щий функцию ИЛИ-HE (рис. 3.55). Если входные напря-
жения имеют низкие уровни (ut и и2 меньше порогового
напряжения и-МОП-транзистора Ци.порог.п)>то транзисто-
ры Tj и Т2 закрыты, транзисторы Т3 и Т4 открыты и вы-
ходное напряжение имеет высокий уровень. Если одно
или оба входных напряжения и и2 имеют высокий уро-
вень, превышающий ^.поропп» то открывается один или
оба транзистора Тх и Т2, а между истоком и затвором од-
ного или обоих транзисторов Т3 и Т4 устанавливается низ-
кое напряжение, что приводит к запиранию одного или
обоих транзисторов Т3 и Т4, а следовательно, на выходе ус-
танавливается низкое напряжение. Таким образом, этот
элемент реализует функцию ивых =м1 +и2 и потребляет
мощность от источника питания лишь в короткие проме-
жутки времени, когда происходит его переключение.
Достоинствами КМОП микросхем по сравнению с ТТЛ
микросхемами являются:
• малая потребляемая мощность в статическом режиме;
• очень высокое входное сопротивление;
• большая нагрузочная способность (коэффициент
разветвления 50—100);
Электроника
402
• большой диапазон напряжения питания (3—15 В);
• малая зависимость характеристик от температуры.
К недостаткам КМОП микросхем можно отнести:
• повышенное выходное сопротивление;
• большие времена задержки (200 нс);
• большой разброс всех параметров.
Элементы интегрально-инжекционной логики. Интеграль-
ная инжекционная логика (ИИЛ или И2Л) построена на
использовании биполярных транзисторов и применении
оригинальных схемотехнических и технологических реше-
ний. Для нее характерно очень экономичное использова-
ние площади кристалла полупроводника. Элементы И2Л
могут быть реализованы только в интегральном исполне-
нии и не имеют аналогов в дискретной схемотехнике. Струк-
тура такого элемента и его эквивалентная схема приведены
на рис. 3.56, из которого видно, что транзистор Г, (р-п-р)
Рис. 3.56
403
Цифровая электроника
расположен горизонтально, а многоколлекторный транзи-
стор Т2 (п-р-п) расположен вертикально. Транзистор 7\ вы-
полняет роль инжектора, обеспечивающего поступление
дырок из эмиттера транзистора 1\ (при подаче на него по-
ложительного напряжения через ограничивающий рези-
стор) в базу транзистора Т2. Если ut соответствует логичес-
кому «0», то инжекционный ток не протекает по базе
многоколлекторного транзистора Т2 и токи в цепях кол-
лекторов транзистора Т2 не протекают, т. е. на выходах
транзистора Т2 устанавливаются логические 1. При напря-
жении и}, соответствующем логической 1, инжекционный
ток протекает по базе транзистора Т2 и на выходах тран-
зистора Т2 — логические нули.
Рассмотрим реализацию элемента ИЛИ-HE на основе
элемента, представленного на рис. 3.57 (для упрощения
другие коллекторы многоколлекторных транзисторов Т3 и
Т4 на рисунке не показаны). Когда на один или оба входа
подается логический сигнал 1, то напряжение мвых соответ-
ствует логическому нулю. Если на обоих входах логичес-
Рис. 3.57
Wsbt Электроника-------------------------------- 404
кие сигналы 0, то напряжение ивых соответствует логичес-
кой единице.
Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs
характеризуется наиболее высоким быстродействием, что
является следствием высокой подвижности электронов (в
3...6 раз больше по сравнению с кремнием). Микросхемы
на основе GaAs могут работать на частотах порядка 10 ГГц
и более.
3.3.5. Сравнительные характеристики
логических элементов
и их особенности
В таблице (рис. 3.58) приведено сравнение элементов
различных логик по основным параметрам, причем 1 со-
ответствует лучшему значению параметра, а 7 — худшему.
Тип элемента Быстро- действие Рассеиваемая мощность Разветвление по входу Помехо- устойчивость
ТТЛ 3 4 4 4
ТТЛШ 2 5 4 4
р-МОП 7 2 2 2
п-МОП 5 2 2 3
КМОП 6 1 1 1
ЭСЛ 1 6 3 4
и2л 4 3 4 4
Рис. 3.58
Из всех логических элементов наибольшее быстродей-
ствие имеют элементы ЭСЛ, а элементы КМОП имеют
наименьшее потребление, причем они же имеют лучшую
нагрузочную способность.
405 -------------------- "Цифровая электроника
Для выбора типа микросхемы при построении элект-
ронного устройства обычно вначале определяют, какой из
перечисленных в таблице параметров имеет наибольшее
значение. Затем определяют следующий по значимости
параметр и т. д.
В зависимости от заданных приоритетов и выбирается
тот или иной тип микросхемы. Следует подчеркнуть, что
опыт разработчика играет при этом весьма существенную
роль.
Как отмечалось ранее, логические элементы выпуска-
ются в составе серий микросхем, причем конкретная мик-
росхема может выполнять ряд логических операций. При-
ведем для примера некоторые выпускаемые микросхемы.
Так, микросхема КР531ЛР11 (рис. 3.59, а) выполнена
по технологии ТТЛ и представляет собой два одинаковых
элемента, каждый из которых содержит по два двухвходо-
вых элемента И, объединенных функцией ИЛИ-HE, т. е.
каждый из элементов выполняет функцию 2И + 2И-ИЛИ-
НЕ, т. е. у = %] -х2 +Х]-х2 .
Микросхема К155ЛЕЗ (рис. 3.59, б) выполнена по тех-
нологии ТТЛШ и представляет собой два четырехвходо-
Электроника ---------------------------- 406
jv’’'
вых элемента ИЛИ-HE со стробированием, т. е. реализу-
ет функцию у = (х( +х2 + х3 + х4)-Е .
Микросхема К531ЛА17 (рис. 3.60, а) выполнена по тех-
нологии ТТЛШ и представляет два четырехвходовых эле-
мента И-НЕ со стробированием. Микросхема имеет мощ-
Рис. 3.60
ные выходы и может обеспечивать три состояния выхода,
в том числе и высокоимпеденсное состояние Z. Каждый
элемент микросхемы реализует функцию
_ х{-х2-х3-х4, приЕ = 0
Z, приЕ = 1.
Микросхема К176ЛП2 (рис. 3.60, б) выполнена по тех-
нологии КМОП и представляет собой четыре двухвходо-
вых элемента «Исключающее ИЛИ», т. е. каждый элемент
реализует функцию у = х( Ф х2.
407 ----------------- Цифровая электроника
3.4. КОМБИНАЦИОННЫЕ
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА
Логические устройства разделяют на два класса: ком-
бинационные и последовательностные.
Устройство называют комбинационным, если его вы-
ходные сигналы в некоторый момент времени однознач-
но определяются входными сигналами, имеющими место
в этот момент времени.
Иначе устройство называют последовательностным,
или конечным автоматом (цифровым автоматом, автома-
том с памятью). В последовательностных устройствах обя-
зательно имеются элементы памяти. Состояние этих эле-
ментов зависит от предыстории поступления входных
сигналов. Выходные сигналы последовательностных уст-
ройств определяются не только сигналами, имеющимися
на входах в данный момент времени, но и состоянием эле-
ментов памяти. Таким образом, реакция последовательно-
стного устройства на определенные входные сигналы за-
висит от предыстории его работы.
Среди как комбинационных, так и последовательност-
ных устройств выделяются типовые, наиболее широко
используемые на практике.
3.4.1. Шифраторы, дешифраторы
и преобразователи кодов
Шифратор — это комбинационное устройство, преоб-
разующее десятичные числа в двоичную систему счисле-
ния, причем каждому входу может быть поставлено в соот-
ветствие десятичное число, а набор выходных логических
сигналов соответствует определенному двоичному коду.
Шифратор иногда называют «кодером» (от англ, coder) и
используют, например, для перевода десятичных чисел,
Электроника----------------------------- 408
набранных на клавиатуре кнопочного пульта управления,
в двоичные числа. Если количество входов настолько ве-
лико, что в шифраторе используются все возможные ком-
бинации сигналов на выходе, то такой шифратор называ-
ется полным, если не все, то неполным. Число входов и
выходов в полном шифраторе связано соотношением п = 2т,
где п — число входов, т — число выходов. Так, для пре-
образования кода кнопочного пульта в четырехразрядное
двоичное число достаточно использовать лишь 10 входов,
в то время как полное число возможных входов будет рав-
но 16 (л = 24 = 16), поэтому шифратор 10 х 4 (из 10 в 4)
будет неполным.
Рассмотрим пример построения шифратора для преоб-
разования десятиразрядного единичного кода (десятичных
чисел от 0 до 9) в двоичный код. При этом предполагает-
ся, что сигнал, соответствующий логической единице, в
каждый момент времени подается только на один вход.
Условное обозначение такого шифратора и таблица соот-
ветствия кода приведены на рис. 3.61. Используя данную
таблицу соответствия, запишем логические выражения,
включая в логическую сумму те входные переменные, ко-
торые соответствуют единице некоторой выходной пере-
менной. Так, на выходе У] будет логическая «1» тогда, когда
логическая «1» будет или на входе Хь или Х3, или Х5, или
Х7, или Xj, т. е.
У1 = X] + Х3 + Х5 + Х7 + X,.
Аналогично получаем
Уг= -^2 Х3 +Х7,
у3 = Х4 + Х5 + Х6 + Х7,у4 = Х8 + Х9.
Представим на рис. 3.62 схему такого шифратора, ис-
пользуя элементы ИЛИ.
На практике часто используют шифратор с приорите-
том. В таких шифраторах код двоичного числа соответ-
ствует наивысшему номеру входа, на который подан сиг-
409
Цифровая электроника
Хо<э 0
Х>о— 1 CD
ХгО— 1 2 1 °У1
ХзО 3
X* о— 4 2 °У2
Xs о— 5 А
ХбО— 6 4 —о Уз
Х?о— 7 0
Хво— 8 0 ° У»
Х<Ю— 9
Десятичное число Двоичный код 8421
У* Уз Уз У1
0 0 0 0 0
1 0 0 0 1
2 0 0 1 0
3 0 0 1 1
4 0 1 0 0
5 0 1 0 1
6 0 1 1 0
7 0 1 1 1
8 1 0 0 0
9 1 0 0 1
Рис. 3.61
Рис. 3.62
Электроника----------------------------- 410
нал «1», т. е. на приоритетный шифратор допускается по-
давать сигналы на несколько входов, а он выставляет на
выходе код числа, соответствующего старшему входу.
Рассмотрим в качестве примера (рис. 3.63) шифратор
с приоритетом (приоритетный шифратор) К555ИВЗ серии
микросхем К555 (ТТЛШ). Шифратор имеет 9 инверсных
входов, обозначенных через РИ,..., РЮ. Аббревиатура
PR обозначает «приоритет». Шифратор имеет четыре ин-
версных выхода В1, ... , В8. Аббревиатура В означает
«шина» (от англ. bus). Цифры определяют значение актив-
ного уровня (нуля) в соответствующем разряде двоично-
го числа. Например, В8 обозначает, что ноль на этом вы-
ходе соответствует числу 8. Очевидно, что это неполный
шифратор.
Если на всех входах — логическая единица, то на всех
выходах также логическая единица, что соответствует чис-
лу 0 в так называемом инверсном коде (1111). Если хотя
бы на одном входе имеется логический ноль, то состоя-
ние выходных сигналов определяется наибольшим номе-
ром входа, на котором имеется логический ноль, и не за-
висит от сигналов на входах, имеющих меньший номер.
Например, если на входе PR1 —логический ноль, а на всех
остальных входах — логическая единица, то на выходах име-
411
Цифровая электроника
ются следующие сигналы: В1 - О, В2 -1, 54-1, 58 -1, что
соответствует числу 1 в инверсном коде (1110).
Если на входе PR9 логический ноль, то независимо от
других входных сигналов на выходах имеются следующие
сигналы: 51-0, 52-1, 54-1, 58-0, что соответствует
числу 9 в инверсном коде (0110).
Основное назначение шифратора — преобразование
номера источника сигнала в код (например, номера нажа-
той кнопки некоторой клавиатуры).
Для получения шифраторов с большим числом входов,
т. е. наращивания размерности шифратора, объединяют
микросхемы шифраторов с дополнительными выводами.
Так микросхема К555ИВ1 (рис. 3.64) представляет со-
бой приоритетный шифратор 8 х 3, т. е. имеет 8 инверсных
входов и 3 инверсных выхода. Помимо этого она имеет
вход разрешения EI, выход переноса Е0 и выход G, опре-
деляющий признак входного информационного сигнала.
Если на всех информационных входах логическая 1, то
при подаче на вход EI логического 0, на выходах 1—2—4
и G будут такие логические 1, а на выходе переноса Е0 —
логический 0.
Если активизировать один из информационных входов
(подать на него логический 0), то на выходах 1—2—4 по-
412
8» Электронику.
явится инверсный код, соответствующий номеру активи-
зированного входа, на выходе G — логический 0, являю-
щийся признаком подачи входного сигнала, а на выходе
ЕО — логическая 1.
Если же микросхема не активизирована, т. е. на вход
разрёшения EI подана логическая 1, то на всех выходах
микросхемы также будет логическая 1 независимо от того,
что будет подано на информационные входы.
Дешифратором называется комбинационное устрой-
ство, преобразующее «-разрядный двоичный код в логи-
ческий сигнал, появляющийся на том выходе, десятичный
номер которого соответствует двоичному коду. Число вхо-
дов и выходов в так называемом полном дешифраторе свя-
зано соотношением т = 2", где п — число входов, а т —
число выходов. Если в работе дешифратора используется
неполное число выходов, то такой дешифратор называет-
ся неполным. Так, например, дешифратор, имеющий
4 входа и 16 выходов, будет полным, а если бы выходов
было только 10, то он являлся бы неполным.
Обратимся для примера к дешифратору К555ИД6 се-
рии К555 (рис. 3.65). Дешифратор имеет 4 прямых входа,
обозначенных через Л1, ..., Л8. Аббревиатура А обознача-
ет «адрес» (от англ, address). Указанные входы называют
Рис. 3.65
413 -------------------1(и&уо6ая электроника WaSfr
адресными. Цифры определяют значения активного уров-
ня (единицы) в соответствующем разряде двоичного числа.
Дешифратор имеет 10 инверсных выходов Ро,..., Y9.
Цифры определяют десятичное число, соответствующее
заданному двоичному числу на входах. Очевидно, что этот
дешифратор неполный.
Значение активного уровня (нуля) имеет тот выход,
номер которого равен десятичному числу, определяемому
двоичным числом на входе. Например, если на всех вхо-
дах — логические нули, то на выходе УО— логический
ноль, а на остальных выходах — логическая единица. Если
на входе А2 — логическая единица, а на остальных вхо-
дах — логический ноль, то на выходе Y2 — логический
ноль, а на остальных выходах — логическая единица. Если
на входе — двоичное число, превышающее 9 (например,
на всех входах единицы, что соответствует двоичному чис-
лу 1111 и десятичному числу 15), то на всех выходах — ло-
гическая единица.
Помимо информационных имеется один или более
входов, называемых входами разрешения, или адресными
входами. Так, микросхема КР531ИД14 представляет собой
два дешифратора 2 х 4, т. е. каждый дешифратор имеет два
информационных входа и четыре инверсных выхода, а
также инверсный вход разрешения (рис. 3.66).
Рис. 3.66
Электроника------------------------------ 414
Цифры на входе (1,2) обозначают вес разряда двоич-
ного числа, а цифры на выходе (0—3) определяют десятич-
ное число, соответствующее заданному числу на входе.
При логической 1 на входе разрешения на всех выхо-
дах будут также логические 1. При активизации входа раз-
решения, т. е. при Е = 0, логический 0 появляется на том
выходе дешифратора, номер которого соответствует деся-
тичному эквиваленту двоичного числа, поданного на ин-
формационные входы. Благодаря наличию входа разреше-
ния можно наращивать размерность дешифраторов. Так,
используя 5 дешифраторов 2x4, можно построить дешиф-
ратор 4x16 (рис. 3.67).
Рис. 3.67
415 -------------------- Цифровая электроника Wsgfr
fwSjv»
Понять принцип работы такой схемы несложно. ^Гак,
при подаче на вход числа 0100 (двоичный эквивалент де-
сятичного числа 4) и при Е = 0 логический 0 появится
лишь на втором (сверху) выходе дешифратора DC1, а на
всех остальных выходах будут логические 1. Это приведет
к активизации лишь дешифратора DC3 и активизируется
(появится логический 0) лишь его верхний выход, что и
будет соответствовать десятичному числу 4. При подаче на
вход числа 1111 будет активизирован дешифратор DC5 и
на его нижнем выходе появится логический 0, что будет
соответствовать десятичному числу 15.
Очевидно, что если использовать две микросхемы
КР531ИД14, т. е. четыре дешифратора 2x4, можно пост-
роить неполный дешифратор.
Дешифратор — одно из широко используемых логиче-
ских устройств. Его применяют для построения различных
комбинационных устройств.
Это основано на том обстоятельстве, что на выходе де-
шифратора вырабатываются все возможные логические
произведения всех входных переменных (конъюнктивные
минтермы).
Подключая к определенным выводам дешифратора
логический элемент ИЛИ или используя дешифратор с
открытым выходом и реализуя на нем «монтажное ИЛИ»,
можно реализовать любую логическую функцию.
Так дешифратор 3x8 (рис. 3.68) можно описать следу-
ющей системой логических выражений:
416
Рис. 3.68
y5= хсх2-х3-,
Y6= xj-x2-x3;
У7 = хгх2-хз:
Соединяя соответствующие выходы дешифратора (на-
пример Ур У4, У5 и У7) со входами элемента ИЛИ, полу-
чим следующую логическую функцию:
F= У, + У4+ У5 + У7 = Х^Х~3 + Х^Х3 +
+ ВДХ3 + ^2^3-
После несложных преобразований получим
г= х[х2 + ххх3.
Особенно целесообразно такое использование дешиф-
ратора, когда нужно получить несколько различных логи-
ческих функций одних и тех же переменных. В этом слу-
чае к соответствующим выходам дешифратора следует
подключить то или иное число логических элементов ИЛИ.
Рассмотренные шифраторы и дешифраторы являются
примерами простейших преобразователей кодов.
417
Цифровая электроника
Преобразователями кодов, в общем случае, называют ус-
тройства, предназначенные для преобразования одного
кода в другой, при этом часто они выполняют нестандарт-
ные преобразования кодов. Преобразователи кодов обо-
значают через Л/К
Рассмотрим особенности реализации преобразователя
на примере преобразователя трехэлементного кода в пя-
тиэлементный. Допустим, что необходимо реализовать
таблицу соответствия кодов, приведенную на рис. 3.69.
Трехэлементный код Пятиэлементный код
N Х3 Х2 Х1 У1 Уг Уз У* Уз
0 0 0 0 0 0 0 1 1
1 0 0 1 0 0 1 1 0
2 0 1 0 0 1 0 0 1
3 0 1 1 1 0 0 0 1
4 1 0 0 0 1 1 0 0
5 1 0 1 1 0 1 0 0
6 1 1 0 1 1 0 0 0
7 1 1 1 0 0 1 1 0
Рис. 3.69
Здесь через N обозначено десятичное число, соответству-
ющее входному двоичному коду. Преобразователи кодов
часто создают по схеме дешифратор — шифратор. Дешиф-
ратор преобразует входной код в некоторое десятичное
число, а затем шифратор формирует выходной код. Схе-
ма преобразователя, созданного по такому принципу, при-
ведена на рис. 3.70, где использован матричный диодный
шифратор. Принцип работы такого преобразователя до-
вольно прост. Например, когда на всех входах дешифра-
тора логический «0», то на его выходе 0 появляется логи-
ческая «1», что приводит к появлению «1» на выходах у4 и
у5, т. е. реализуется первая строка таблицы соответствия
кодов.
14 Электроника
418
Рис. 3.70
Преобразователи кодов в виде микросхем выпускают-
ся для выполнения таких операций, как преобразования
двоично-десятичного кода в'двоичный или обратного пре-
образования, для преобразования двоичного кода в код
Грея, для преобразования двоичного кода в код управле-
ния шкальными или матричными индикаторами, для пре-
образования двоичного кода в код управления сегментны-
ми индикаторами.
Так, микросхема К155ПП5 (рис. 3.71, а) представляет
преобразователь двоично-десятичного кода в код семисег-
ментного индикатора.
Рис. 3.71
419 ------------------- Цифровая электроника
На рис. 3.71, б показано стандартное обозначение сег-
ментов сегментного индикатора.
Вход Е используется либо для осуществления индика-
ции (подачей на него логического 0), либо для гашения
индикатора (подачей на него логической 1).
Промышленность выпускает большое число шифрато-
ров, дешифраторов и преобразователей кодов, таких как
дешифратор 4 х 16 со стробированием (К555ИДЗ), преоб-
разователь кода для управления светодиодной матрицей
7x5 (К155ИД8), преобразователь кода для управления
шкальным индикатором (К155ИД15) и др.
3.4.2. Мультиплексоры
и демультиплексоры
Мультиплексором называют комбинационное устрой-
ство, обеспечивающее передачу в желаемом порядке циф-
ровой информации, поступающей по нескольким входам
на один выход. Мультиплексоры обозначают через MUX
(от англ, multiplexor), а также через MS (от англ, multiplexor
selector). Схематически мультиплексор можно изобразить
в виде коммутатора, обеспечивающего подключение од-
ного из нескольких входов (их называют информацион-
ными) к одному выходу устройства. Кроме информацион-
ных входов в мультиплексоре имеются адресные входы и,
как правило, разрешающие (стробирующие). Сигналы на
адресных входах определяют, какой конкретно информа-
ционный канал подключен к выходу. Если между числом
информационных входов п и числом адресных входов т
действует соотношение п — 2т, то такой мультиплексор
называют полным. Если п < 2т, то мультиплексор назы-
вают неполным.
Разрешающие входы используют для расширения фун-
кциональных возможностей мультиплексора. Они исполь-
ЦЦр Электронику ----------------------------- 420
зуются для наращивания разрядности мультиплексора,
синхронизации его работы с работой других узлов. Сиг-
налы на разрешающих входах могут разрешать, а могут и
запрещать подключение определенного входа к выходу,
т. е. могут блокировать действие всего устройства.
Рассмотрим функционирование двухвходового мульти-
плексора (2—>1), который условно изображен в виде ком-
мутатора, а состояние его входов Х2 и выхода /приве-
дено в таблице (рис. 3.72). Исходя из таблицы, можно
записать следующее уравнение:
Y = XVA+X2-A.
На рис. 3.73 показаны реализация такого устройства и
его условное графическое обозначение. Основой данной
схемы являются две схемы совпадения на элементах И, ко-
торые при логическом уровне «1» на одном из своих вхо-
дов повторяют на выходе то, что есть на другом входе.
Если необходимо расширить число входов, то исполь-
зуют каскадное включение мультиплексоров. В качестве
примера рассмотрим мультиплексор с четырьмя входами
(4->1), построенный на основе мультиплексоров (2->1).
Адресный вход Выход У
0 х(
1 Xz
Хг__________________
°------------------1 Рис. 3.72
Рис. 3.73
421
Цифровая электроника
Схема и таблица состояний такого мультиплексора при-
ведены на рис. 3.74.
Мультиплексоры являются универсальными логичес-
кими устройствами, на основе которых создают различные
комбинационные и последовательностные схемы. Муль-
типлексоры могут использоваться в делителях частоты,
триггерных устройствах, сдвигающих устройствах и др.
Мультиплексоры часто используют для преобразования
Рис. 3.74
параллельного двоичного кода в последовательный. Для
такого преобразования достаточно подать на информаци-
онные входы мультиплексора параллельный двоичный
код, а сигналы на адресные входы подавать в такой по-
следовательности, чтобы к выходу поочередно подключа-
лись входы, начиная с первого и кончая последним..
Рассмотрим пример использования мультиплексоров
для реализации так называемого комбинационного уст-
ройства сдвига, обеспечивающего сдвиг двоичного числа
по разрядам. Принцип функционирования данного уст-
ройства понятен из схемы устройства и таблицы состоя-
ний его входов и выходов (рис. 3.75).
Мультиплексор может использоваться для реализации
любой логической функции, содержащей до (п + 1) пере-
менных, где п — число адресных входов мультиплексора.
Рассмотрим такое использование мультиплексора на
примере восьмивходового мультиплексора (8 —> 1). Рабо-
та такого мультиплексора описывается уравнением
у=у,-^-^-4 + + х3-а^а2-4 +
+ X4-A~3-A2-At + Х5-А3-А~2-А{ + Х6-А3-Т2-А1 +
+ Х7 • А3 • А2 • Л| + Х& • А3 • А2 • А\,
где Xi — информационные входы;
А/ — адресные входы, причем больший номер адресно-
го входа соответствует более старшему разряду адресного
входа.
Положим, что нужно реализовать следующую функцию
трех переменных:
423
‘Цифровая электроника
F * Л2 ' 4“ ‘ /^2 * ^1 ^3 * -^2 * ^3 * -^2 * *
Сравнивая выражение для логической функции F с
уравнением мультиплексора, нетрудно видеть, что если
входные переменные логической функции F подать на
адресные входы мультиплексора, а на информационных
входах мультиплексора установить X, = 1, Х2 — О, Х3 = 1,
Х4 = О, Х5 = О, Х6 = 1, Х-; = О, Х& = 1, то на выходе мульти-
плексора получим требуемую функцию Г(рис. 3.76).
Положим, что нужно реализовать следующую логиче-
скую функцию: F= А3- А2-А{ + А3 • А2.
Составим для нее таблицу истинности (рис. 3.77).
N Аз а2 Ai F
1 0 0 0 0
2 0 0 1 1
3 0 1 0 0
4 0 1 1 0
5 1 0 0 0
6 1 0 1 0
7 1 1 0 1
8 1 1 1 1
Рис. 3.77
Электроника------------------------------ 424
' Очевидно, что если входные переменные Я,- подать на
адресные входы мультиплексора, на его втором, седьмом
и восьмом информационных входах установить логиче-
ские единицы, а на остальных — логические 0, то мы по-
лучим требуемую логическую функцию (рис. 3.78).
Рис. 3.78
Реализовать логическую функцию, содержащую 3 пе-
ременные F = А3 А2 • Я, + А3 • Я2, можно и на мульти-
плексоре, у которого не три, а два адресных входа, т. е. на
мультиплексоре 4 -» 1.
В этом случае сигналы, подаваемые на информацион-
ные входы мультиплексора (сигналы настройки), опреде-
ляются следующим образом. Одна из переменных перено-
сится в число сигналов настройки, а на адресные входы
подаются две оставшиеся переменные. В качестве перено-
симой переменной принимается та переменная, которая
входит в выражение для логической функции меньшее
число раз (в нашем примере в качестве такой переменной
возьмем А!). Составляют таблицу истинности для пере-
менных, подаваемых на адресные входы (в нашем приме-
ре это А3, А2), и находят функцию для переносимой пе-
ременной, фиксируя в выражении для этой искомой
425 -------------------- ‘Цифровая электроника
функции переменные, подаваемые на адресные входы.
Полученная функция называется остаточной (рис. 3.79, а),
и именно ее значения нужно подать на информационные
входы мультиплексора (рис. 3.79, б).
Рис. 3.79
Так, при А3 = 0 и А2 = 0 из выражения для логической
функции /’следует, что РЖТ будет равна
/ОСТ=11-Л1 + 00 = Л„
Гост = 0 • 1 • + 1 • о = О,
при А3 = 1, А2 - 0.
Очевидно, что такое применение мультиплексора по-
зволило использовать более простой, чем ранее, мульти-
плексор.
Рассмотренное применение мультиплексоров для реа-
лизации логических функций гораздо удобнее, чем реали-
зация логических функций на элементах И, НЕ, ИЛИ и
др. Кроме того, очевидно, что, меняя лишь сигналы на-
стройки на информационных входах мультиплексора,
можно реализовать различные логические функции, что
позволяет избежать дополнительных затрат.
В обозначении мультиплексоров используют две рус-
ские буквы КП, например, промышленностью выпуска-
ются такие мультиплексоры, как К155КП1, К531КП18,
К561КПЗ, К555КП17идр.
Электроника----------------------------- 426
Демультиплексором называют устройство, в котором
сигналы с одного информационного входа поступают в
желаемой последовательности по нескольким выходам в
зависимости от кода на адресных шинах. Таким образом,
демультиплексор в функциональном отношении противо-
положен мультиплексору. Демультиплексоры обозначают
через DMX или DMS.
Если соотношение между числом выходов п и числом
адресных входов т определяется равенством п = 2т, то
такой демультиплексор называется полным, при п < 2т де-
• мультиплексор является неполным.
Рассмотрим функционирование демультиплексора с
двумя выходами, который условно изображен в виде
коммутатора, а состояние его входов и выходов приведе-
но в таблице (рис. 3.80). Из этой таблицы следует:
= X • А ; Y2 = X А, т. е. реализовать такое устройство
можно так, как показано на рис.
3.80.
Для наращивания числа выходов демультиплексора
используют каскадное включение демультиплексоров.
В качестве примера (рис. 3.81) рассмотрим построение де-
мультиплексоров с 16 выходами (1 -э 16) на основе де-
мультиплексоров с 4 выходами (1 —> 4). При наличии на
адресных шинах Ао и Aj нулей информационный вход X
подключен к верхнему выходу DMXq и в зависимости от
состояния адресных шин А2 и А3 он может быть подклю-
427
Цифровая электроника
А
X
Рис. 3.81
чен к одному из выходов DMXh Так, при А2 = А3 = О вход
X подключен к Yo. При Aq = 1 и А, = 0 вход X подключен
к DMX2, в зависимости от состояния А2 и А3 вход соеди-
няется с одним из выходов У4 —> Y7 и т. д.
Функции демультиплексоров сходны с функциями де-
шифраторов. Дешифратор можно рассматривать как де-
мультиплексор, у которого информационный вход под-
держивает напряжение выходов в активном состоянии, а
адресные входы выполняют роль входов дешифратора.
Поэтому в обозначении как дешифраторов, так и демуль-
типлексоров используются одинаковые буквы — ИД. Вы-
пускают дешифраторы (демультиплексоры) К155ИДЗ,
К531ИД7идр.
Так, если в дешифраторе КР531ИД14А вход разреше-
ния Е считать за информационный и поскольку он инвер-
сный, то подать на него 0, а информационные входы де-
шифратора считать за адресные входы демультиплексора,
то получим демультиплексор 1 4 (см. рис. 3.66).
При использовании КМОП-технологии можно постро-
ить двунаправленные ключи, которые обладают возмож-
ностью пропускать ток в обоих направлениях и передавать
не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Благодаря
этому можно строить мультиплексоры — демультиплексо-
ры, которые могут использоваться либо как мультиплексо-
ры, либо как демультиплексоры. Мультиплексоры-демуль-
типлексоры обозначаются через MX (рис. 3.82).
Так мультиплексор — демультиплексор К561КП1
(рис. 3.83) содержит два четырехвходовых мультиплексора
4 -> 1, которые могут использоваться и как демультиплек-
соры 1 -» 4.
DI1 DI2 DI3 DI4 MX <-> $ DO п 3
1 0 '
2 о
4 а

в 13
1 2
10 ®
9 • 12 Q
DI1 DI2 DI3 DI4 DO
1А п

15 * 1 1 л
6 о (
> Е
Рис. 3.83
429 --------------------Цифровая электроника
Микросхема содержит один общий инверсный вход
разрешения (стробирования) и два общих адресных вхо-
да. При логической 1 на входе разрешения выходы отклю-
чаются от информационных входов и переходят в высо-
коимпедансное состояние.
При активизации входа разрешения, т. е. при подаче на
него логического 0, происходит соединение одного из ин-
формационных входов (в соответствии с кодом на адресных
входах) с выходом микросхемы. Поскольку это состояние
происходит при помощи двунаправленных ключей на
КМОП-транзисторах, то сигнал может передаваться как со
входов на выход (режим мультиплексора), так и с выхода
на входы (режим демультиплексора). Кроме того, передава-
емый сигнал может быть как аналоговым, так и цифровым.
Среди выпускаемых мультиплексоров-демультиплексо-
ров можно выделить такие, как К564КП2, К590КП1.
Мультиплексоры-демультиплексоры входят в состав серий
К176, К561, К591, К1564.
3.4.3. Сумматоры
Сумматоры — это комбинационные устройства, пред-
назначенные для сложения чисел. Рассмотрим сложение
двух одноразрядных двоичных чисел, для чего составим
таблицу сложения (таблицу истинности), в которой отра-
зим значения входных чисел А и В, значение результата
суммирования S и значение переноса в старший разряд Р
(рис. 3.84).
А в р S
0 0 0 0
0 1 0 1
1 0 0 1
1 1 1 0
Рис. 3.84
Жааг Электроника --------------------------- 430
Работа устройства, реализующего таблицу истинности,
описывается следующими уравнениями: S = А-В + А-В;
Р= А - В. Очевидно, что по отношению к столбцу S реа-
лизуется логическая функция «исключающее ИЛИ», т. е.
S = А Ф В. Устройство, реализующее таблицу (см. рис. 3.84),
называют полусумматором, и оно имеет логическую
структуру, изображенную на рис. 3.85. Поскольку полусум-
Рис. 3.85
матор имеет только два входа, он может использоваться
для суммирования лишь в младшем разряде.
При суммировании двух многоразрядных чисел для
каждого разряда (кроме младшего) необходимо использо-
вать устройство, имеющее дополнительный вход перено-
са. Такое устройство (рис. 3.86) называют полным сумма-
тором и его можно представить как объединение двух
Рис. 3.86
431 -------------------Цифровая электроника
полусумматоров (Рвх — дополнительный вход переноса).
Сумматор обозначают через SM.
Соединяя определенным образом полусумматоры и
полные сумматоры друг с другом, получают устройство для
выполнения сложения нескольких разрядов двоичных чи-
сел. В качестве примера рассмотрим устройство для сложе-
ния двух трехразрядных двоичных чисел А2 А( Aq и В2 В1 Во,
где Aq и Во — младшие разряды двоичных чисел (рис. 3.87).
Рис. 3.87
На выходах 5|—S3 формируется код суммы чисел Аг А1 Aq
и В2 В{ Bq, а на выходе Р3 — сигнал переноса в следующую
микросхему, так как при сложении двух трехразрядных дво-
ичных чисел может получиться четырехразрядное число.
Рассмотренный сумматор называется параллельным
сумматором.
В виде интегральных микросхем выпускаются однораз-
рядные, двухразрядные и четырехразрядные двоичные
сумматоры.
WsBr Электроника------------------------------ 432
Микросхема К155ИМЗ (рис. 3.88) является четырехраз-
рядным сумматором, имеющим входы Д- и Д для подачи
разрядов суммируемых чисел, выходы разрядов суммы
13 10 РО А1 SM S1 9
11— 8 В1 А2 S2 6
7 3 В2 АЗ S3 2
4 вз S4 15
1 А4 Вд Р4 14
Рис. 3.88
чисел Sj, вход переноса Ро, имеющийся у младшего разряда
входных чисел, и выход переноса Р4.
С целью наращивания разрядности суммируемых чи-
сел микросхемы соединяют последовательно, для чего
выход переноса непосредственно соединяют со входом
переноса микросхем, принадлежащим более высоким раз-
рядам.
У микросхемы, суммирующей младшие разряды чисел,
вход переноса Ро следует соединять с общим проводом.
Следует отметить, что в рассмотренных параллельных
сумматорах для суммирования в каждом разряде исполь-
зуется отдельный сумматор, но перенос из разряда в раз-
ряд осуществляется последовательно, что и определяет
время выполнения суммирования в таком параллельном
сумматоре с последовательным переносом.
Для повышения быстродействия сумматоров необходи-
мо уменьшить время переноса, что достигается использо-
ванием вместо последовательного параллельного переноса.
Так микросхема К555ИМ6 представляет собой четырех-
разрядный сумматор с параллельным переносом.
Рассмотренные сумматоры могут использоваться для
вычитания двоичных чисел. В этом случае операция вы-
читания заменяется сложением уменьшаемого с вычита-
433 ---------------------Цифровая электроника
емым, представленным в дополнительном коде, т. е. опе-
рацией
Ац> A>P— ^пр + Аюп ~ -Aip + Аобр "**
где А и В — многоразрядные двоичные числа, например,
четырехразрядные.
Тогда Лпр = А4 ’ Ay А2 ‘ At, Впр = В4 • By By В\,
Добр ~ By By By , Аюп ~ А>бр
Рассмотрим пример вычитания двух десятичных чисел:
из 10 вычесть 5.
Двоичный эквивалент 10 равен 1010, а 5 — 0101.
Для реализации описанного алгоритма вычитаемое
нужно преобразовать в обратное, т. е. получим 1010, затем
это преобразованное вычитаемое сложить с уменьшаемым
и к результату прибавить 1, т. е.
. ЮЮ
ЮЮ
.10100
t L
ЮЮ1
Четыре младших разряда результата представляют со-
бой результат 0101, т. е. 5-десятичное число.
Следует подчеркнуть, что если А > В, т. е. результат —
положительное число, то ответ формируется в прямом
коде, при этом формируется 1 переноса в более старший
разряд, при А < В ответ формируется в обратном коде и 1
переноса в более старший разряд не образуется.
Рассмотрим реализацию операции вычитания на при-
мере четырехразрядного сумматора (рис. 3.89).
Наличие или отсутствие логической 1 на выходе пере-
носа Р4 используют для распознавания знака результата,
образуя циклический перенос, т. е. соединяя выход пере-
носа Р4 со входом переноса Ро. Когда сигнал переноса со-
ответствует логической 1, то реализуется описанный выше
алгоритм и на выходе формируется результат в прямом
коде, при нулевом значении сигнала переноса результат
формируется в обратном коде, который несложно преоб-
разовать в прямой.
434
Рис. 3.89
Если вместо инверторов включить логические элемен-
ты «исключающее ИЛИ» и на один из входов каждого эле-
мента подавать соответствующие разряды вычитаемого, а
вторые входы всех элементов объединить, то при подаче
на этот объединенный вход с логического 0 устройство бу-
дет работать как сумматор, а при подаче на этот объединен-
ный вход логической 1 — как вычитатель. В цепи цикли-
ческого переноса включен логический элемент И, который
в режиме сложения блокирует эту цепь (рис. 3.90). В спра-
ведливости сказанного легко убедиться самостоятельно.
Рис. 3.90
435
Цифровая электроника
3.4.4. Цифровые компараторы
Цифровые компараторы выполняют сравнение двух
чисел, заданных в двоичном коде. Они могут определять
равенство двух двоичных чисел А и В с одинаковым ко-
личеством разрядов либо вид неравенства А > В или А < В.
Цифровые компараторы имеют три выхода.
Схема одноразрядного компаратора представляет собой
структуру логического элемента «исключающее ИЛИ-НЕ»
(рис. 3.91).
А
е-
в
е-
Рис. 3.91
Р = А-В(А<В)
F = ABVAB(A = В)
С = А«В(А>В)
Из анализа схемы следует, что если А = В, то F = 1, в
противном случае, т. е. при А * В, F = 0. Если А > В, т. е.
А = 1, В = 0, то С = 1, а если А < В, т. е. А — 0, В = 1, то
D = 1.
Если попарно равны между собой все разряды двух «-раз-
рядных двоичных чисел, то равны и эти два числа А и В.
Применяя цифровой компаратор для каждого разряда,
например, четырехзначных чисел, и определяя значения
Fb F2, F3, F4 логических переменных на выходах компа-
раторов, факт равенства А = В установим в случае, когда
F = F] • F2 • F3 • F4 = 1. Если же F = 0, то А * В.
Неравенство А > В обеспечивается (для четырехразряд-
ного числа) в четырех случаях: или А< > В4, или А, = В4 и
А3 > В3, или А4 = В4, А3 = В3 и А2>В2, или А» = В4, А3 = В3,
А2 = В2 и Ai > В| (где А4 и В4 — старшие разряды чисел
А и В). Очевидно, что если поменять местами Aj и Вь то
будет выполняться неравенство А < В.
Электроника----------------------------- 436
Цифровые компараторы выпускают, как правило, в
виде самостоятельных микросхем. Так, микросхема
К564ИП2 (рис. 3.92) является четырехразрядным компа-
ратором, в котором каждый из одноразрядных компара-
торов аналогичен рассмотренной ранее схеме. Данная
микросхема имеет расширяющие входы А < В, А = В,
А > В, что позволяет наращивать разрядность обоих чисел.
Для этого компараторы соединяют каскадно или парал-
лельно (пирамидально).
Если используется одна микросхема, то на ее вход 5
следует подать логический 0, а на входы 6 и 4 — логиче-
ские 1.
А1 В1 А2 В2 АЗ ВЗ А» В4 А<В А=В А>В
А<В А=В А>В
Рис. 3.92
Рассмотрим каскадное соединение компараторов
К564ИП2 для сравнения двух восьмиразрядных чисел
(рис. 3.93). При этом соединении выходы А = В и А < В
предыдущей микросхемы (младшие разряды) подключа-
ют к соответствующим входам последующей. На входы
А<В, А = В, А>В микросхемы младших разрядов пода-
ют соответственно потенциалы U0, U1 и U1 (U0 соответству-
ет логическому 0, а С/1 — «1»). В последующих микросхе-
мах на входах А > В поддерживают потенциал логической
единицы U1.
3.5. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА
3.5.1. Триггеры
Триггер — простейшее последовательностное устрой-
ство, которое может находиться в одном из двух возмож-
ных состояний и переходить из одного состояния в дру-
гое под воздействием входных сигналов; Триггер является
базовым элементом последовательностных логических
устройств. Входы триггера разделяют на информационные
и управляющие (вспомогательные). Это разделение в зна-
чительной степени условно. Информационные входы ис-
Электроника --------------------------- 438
пользуются для управления состоянием триггера. Управ-
ляющие входы обычно используются для предварительной
установки триггера в некоторое состояние и для синхро-
низации.
Триггеры могут иметь 2 выхода: прямой Q и инверсный Q.
Триггеры классифицируют по различным признакам,
поэтому существует достаточно большое число классифи-
каций. К сожалению, эти классификации не образуют
стройной системы, но инженеру необходимо их знать.
Триггеры классифицируют по следующим признакам:
• способу приема информации;
• принципу построения;
• функциональным возможностям.
Различают асинхронные и синхронные триггеры.
Асинхронный триггер изменяет свое состояние непо-
средственно в момент появления соответствующего ин-
формационного сигнала.
Синхронные триггеры реагируют на информационные
сигналы только при наличии соответствующего сигнала на
так называемом входе синхронизации С (от англ, clock).
Этот вход также обозначают терминами «строб», «такт».
Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на
триггеры со статическим (статические) и динамическим
(динамические) управлением по входу синхронизации С.
Статические триггеры воспринимают информационные
сигналы при подаче на вход С логической единицы (пря-
мой вход) или логического нуля (инверсный вход). Дина-
мические триггеры воспринимают информационные
сигналы при изменении (перепаде) сигнала на входе С от
О к 1 (прямой динамический С-вход) или от 1 к 0 (инвер-
сный динамический С-вход).
Статические триггеры в свою очередь подразделяют на
одноступенчатые (однотактные) и двухступенчатые (двух-
тактные). В одноступенчатом триггере имеется одна сту-
пень запоминания информации, а в двухступенчатом —
439 -------------------- Цифровал электроника ЖарЕ
две такие ступени. Вначале информация записывается в
первую ступень, а затем переписывается во вторую и по-
является на выходе. Двухступенчатый триггер обозначают
через ТТ.
По функциональным возможностям триггеры разделя-
ют на следующие классы:
• с раздельной установкой состояния 0 и 1 (/^-триг-
геры);
• универсальные (//^-триггеры);
• с приемом информации по одному входу D (D-триг-
геры, или триггеры задержки);
• со счетным входом Т (Т-триггеры).
Входы триггеров обычно обозначают следующим обра-
зом:
S — вход для установки в состояние «1»;
R — вход для установки в состояние «О»;
J— вход для установки в состояние «1» в универсаль-
ном триггере;
К — вход для установки в состояние «О» в универсаль-
ном триггере;
Т — счетный (общий) вход;
. D — вход для установки в состояние «1» или в состоя-
ние «О»;
V — дополнительный управляющий вход для разреше-
ния приема информации (иногда используют букву Е вме-
сто V).
Рассмотрим некоторые типы триггеров и их реализа-
цию на логических элементах.
Обратимся к асинхронному ЛУ-триггеру, имеющему
условное графическое обозначение, приведенное на
рис. 3.94. Триггер имеет два информационных входа: S (от
англ, set) и R (от англ, reset).
Закон функционирования триггеров удобно описывать
таблицей переходов, которую иногда также называют таб-
лицей истинности (рис. 3.95). Через S' ,R' ,Q‘ обозначе-
Электроника
440
Рис. 3.94
s‘ R* Q‘+1 Режим
0 0 Q‘ Хранение
1 0 1 Установка 1
0 1 0 Установка 0
1 1 — Неопределенность
Рис. 3.95
ны соответствующие логические сигналы, имеющие мес-
то в некоторый момент времени t, а через Ql+l — выход-
ной сигнал в следующий момент времени t+1. Комбина-
цию входных сигналов S' =1,R‘ =1 часто называют
запрещенной, так как после нее триггер оказывается в со-
стоянии (1 или 0), предсказать которое заранее невозмож-
но. Подобных ситуаций нужно избегать.
Рассматриваемый триггер может быть реализован на
двух элементах ИЛИ-HE (рис. 3.96). Необходимо убедить-
Рис. 3.96
441
Цифровал электронику
ся, что эта схема функционирует в полном соответствии с
приведенной выше таблицей переходов, которая на рис. 3.95
приведена в сокращенном виде. Полная таблица истинно-
сти (таблица переходов) Л5-триггера имеет следующий
вид (рис. 3.97).
s* R* Q* Qt + / Режим
0 0 0 0 0 1 0 1 Хранение
1 0 о 1
1 0 1 1 Установка 1
0 1 0 0
0 1 1 0 Установка 0
1 1 о
1 1 1 — Неопределенность
Рис. 3.97
Составим карту Вейча (рис. 3.98) ЛУ-триггера, исполь-
зуя таблицу переходов (см. рис. 3.97).
Рис. 3.98
Из карты Вейча получим характеристическое уравне-
ние ЛУ-триггера
Qt+I = S‘ R1 +R‘ Q‘.
Электроника ------------------------------ 442
Поскольку комбинация S' = R '= 1 является запрещен-
ной, то характеристическое уравнение должно быть до-
полнено условием S1 • R1 = 0.
С учетом этого условия получим
2'+| =S‘ +R' Q', S' - R1 = 0.
Микросхема K564TP2 содержит 4 асинхронных RS-
триггера и один управляющий вход (рис. 3.99). При подаче
на вход V низкого уровня выходы триггеров отключаются
от выводов микросхем и переходят в третье (высокоимпе-
дансное) состояние. При подаче на вход V логического
сигнала «1» триггеры работают в соответствии с вышепри-
веденной таблицей переходов.
Рис. 3.99
В асинхронном RS-триггере на элементах И-НЕ пере-
ключение производится логическим «0», подаваемым на
вход R или S, т. е. реализуется обратная рассмотренной
ранее таблица переходов (рис. 3.100). Запрещенная ком-
бинация соответствует логическим «0» на обоих входах.
Для такого триггера с инверсными входами аналогично
можно получить следующее характеристическое уравне-
ние:
б'+1 =S‘+Q‘R.
443
'Цифровал электроника
Рассмотрим синхронный ЛУ-триггер (рис. 3.101). Если
на входе С — логический «0», то и на выходе верхнего
входного элемента «И-НЕ», и на выходе нижнего будет ло-
гическая «1». А это, как отмечалось выше, обеспечивает
хранение информации. Таким образом, если на входе С —
логический «0», то воздействие на входы R, S не приводит
к изменению состояния триггера. Если же на вход синх-
R1 s‘ Q‘+1 с
1 0 0 1
0 1 1 1
0 0 Q‘ 1
1 1 — 1
Рис. 3.101
ронизации С подана логическая единица, то схема реаги-
рует на входные сигналы точно так же, как и рассмотрен-
ная ранее (см. рис. 3.96).
Электроника ---------------------------- 444
' Рассмотрим принцип построения двухступенчатого
триггера, который называют также триггером типа MS (от
англ, master, slave, что переводят обычно как «ведущий» и
«ведомый»). Его упрощенная структурная схема приведе-
на на рис. 3.102. В схеме имеются два одноступенчатых
триггера (ведущий М и ведомый S) и два электронных
ключа (Кл1 и Кл2).
Входные
информа-
Рис. 3.102
Временная диаграмма сигнала синхронизации, поясня-
ющая работу триггера, приведена на рис. 3.103.
Рассмотрим ряд временных интервалов указанной диа-
граммы:
• t < ta — ведущий триггер отключен от информаци-
онных входов, ведомый триггер подключен к веду-
щему;
• ta < t < tb — ведущий триггер отключен от инфор-
мационных входов, ведомый триггер отключен от
ведущего;
• tb < t < tc — ведущий триггер подключен к информа-
ционным входам, ведомый триггер отключен от ве-
445 --------------------“Цифровал электроника
дущего. В ведущий триггер записывается информа-
ция, поданная на входы;
• tc < t < td — ведущий триггер отключен от инфор-
мационных входов, ведомый триггер отключен от
ведущего;
• td< t — ведущий триггер отключен от информаци-
онных входов, ведомый триггер подключен к веду-
щему, информация из ведущего триггера переписы-
вается в ведомый. Это происходит сразу после
момента времени td и означает, что фактически двух-
ступенчатый триггер срабатывает при изменении
сигнала синхронизации от 1 к 0. При этом выход-
ные сигналы определяются теми входными инфор-
мационными сигналами, которые имели место не-
посредственно перед отрицательным фронтом
сигнала синхронизации.
Рассмотрим /A-триггер (от англ, jump и keep), отлича-
ющийся от рассмотренного AS-триггера тем, что появле-
ние на обоих информационных входах (/и А) логических
единиц (для прямых входов) приводит к изменению состо-
яния триггера. Такая- комбинация сигналов для /A-триг-
гера не является запрещенной. В остальном /А-триггер
подобен AS-триггеру, причем роль входа 5 играет вход J,
а роль входа R — вход К. /А-триггеры реализуют в виде
триггеров типа MS или в виде динамических триггеров
(т. е. /А-триггеры являются синхронными).
На рис. 3.104 приведено условное графическое обозна-
чение двухступенчатого /А-триггера.
Рис. 3.104
Жаавг Электроника -------------------------------- 446
Полная таблица истинности УЛ'-триггера (таблица пе-
реходов, таблица истинности) аналогична таблице истин-
ности ЛУ-триггера (см. рис. 3.97), но не имеет неопреде-
ленных состояний (рис. 3.105).
Y* К' Q' QH1 Режим
0 0 0 0 Хранение
0 0 1 1
0 1 0 0 Установка 0
0 1 1 0
1 0 0 1 Установка 1
1 0 1 1
1 1 0 1
. 1 1 1 0 ъ II ъ
Рис. 3.105
Данная таблица справедлива при активизации входа син-
хронизации. Составив по ней карту Вейча (см. рис. 3.106),
получим характеристическое уравнение JX-триггера
Q,+l =J‘ Q‘ +К‘ Q'.
Рис. 3.106
Следует отметить, что /Х'-триггер может снабжаться
дополнительными входами и служит для установки триг-
гера в состояние 0 и 1 независимо от сигналов на инфор-
мационных входах и входах синхронизации.
447 ------------------- 'Цифро&ая электроника Жа!?
Обратимся к динамическим триггерам. Для них харак-
терно блокирование информационных входов в тот мо-
мент, когда полученная информация передается на выход.
Нужно отметить, что в отношении реакции на входные
сигналы динамический триггер, срабатывающий при из-
менении сигнала на входе С от 1 к 0, подобен рассмотрен-
ному двухступенчатому триггеру, хотя они отличаются
внутренним устройством.
Для прямого динамического С-входа используют обо-
значения, приведенные на рис. 3.107, а, а для инверсного
динамического С-входа используют обозначения, приве-
денные на рис. 3.107, б.
Микросхема К555ТВ6 (рис. 3.108) представляет собой
два ./^-триггера с динамическим управлением по входу
синхронизации, имеющие инверсные входы асинхронной
установки R и S.
При подаче логического 0 на вход S и логической 1 на
вход R триггер устанавливается в единичное состояние
(0 = 1). При подаче на вход Алогической 1, а на вход R
логического 0 триггер устанавливается в нулевое состоя-
ние (0=0). При S= R = 1 триггер работает как синхрон-
ный /^-триггер, причем срабатывает он при изменении
сигнала на входе синхронизации С от 1 к 0.
Рассмотрим D-триггер (от англ, delay), повторяющий на
своем выходе состояние входа. Рассуждая чисто теорети-
чески, D-триггер можно образовать из любых RS- или
Электроника
448
/^-триггеров, если на их входы одновременно подавать
взаимно инверсные сигналы.
Хранение информации в D-триггерах обеспечивается за
счет синхронизации, поэтому все реальные D-триггеры
имеют два входа: информационный D и синхронизации С
(рис. 3.109). В этом триггере сигнал на входе по сигналу
синхронизации записывается и передается на выход. Так
С D Q‘+1
1 0 0
1 1 1
Рис. 3.109
как информация на выходе остается неизменной до при-
хода очередного импульса синхронизации, D-триггер на-
зывают также триггером с запоминанием информации или
триггером-защелкой.
449 —:— ----------------- Цифровая электроника
Условное графическое обозначение D-триггера приве-
дено на рис. 3.110.
Рис. 3.110
О-триггер также может быть снабжен дополнительны-
ми входами асинхронной установки.
Так, микросхема К561ТМ2 (рис. 3.111) представляет
собой два триггера с динамическим управлением по вхо-
ду синхронизации, имеющие входы асинхронной установ-
ки R и S.
При подаче на вход S логической 1 и на вход R логи-
ческого 0 триггер устанавливается в единичное состояние
(Q = 1). При подаче на вход Алогического 0 и на вход R
логической 1 триггер устанавливается в нулевое состояние.
При 5 = R = 0 триггер работает как D-триггер, повторяя
на выходе Q сигнал на входе D при воздействии положи-
тельного напряжения на входе синхронизации.
15 Электроника
450
Рассмотрим T-триггер, который изменяет свое логичес-
кое состояние на противоположное по каждому активно-
му сигналу на информационном входе Т. Условное графи-
ческое обозначение двухступенчатого Т-триггера приведено
на рис. 3.112.
т тт
Рис. 3.112
Согласно таблице истинности JA'-триггера (см. рис. 105)
/АГ-триггер переходит в инверсное состояние каждый раз
при одновременной подаче на входы /и АГ логической 1.
Это свойство позволяет создать на базе JA'-триггера Т-триг-
гер, объединяя входы /и К. Т-триггер часто называют счет-
ным триггером.
3.5.2. Счетчики импульсов
Счетчик импульсов — это последовательностное циф-
ровое устройство, обеспечивающее хранение слова ин-
формации и выполнение над ним микрооперации счета, за-
ключающейся в изменении значения числа в счетчике на 1.
По существу счетчик представляет собой совокупность со-
единенных определенным образом триггеров. Основной па-
раметр счетчика — модуль счета. Это максимальное число
единичных сигналов, которое может быть сосчитано счетчи-
ком. Счетчики обозначают через СТ (от англ, counter).
Счетчики классифицируют:
по модулю счета:
• двоично-десятичные;
• двоичные;
451 -------------------- Цифровая электроника
• е произвольным постоянным модулем счета;
• с переменным модулем счета;
по направлению счета:
• суммирующие;
• вычитающие;
• реверсивные;
по способу формирования внутренних связей:
• с последовательным переносом;
• с параллельным переносом;
• с комбинированным переносом;
• кольцевые.
Рассмотрим суммирующий счетчик (рис. 3.113, а). Та-
кой счетчик построен на четырех JJ^-триггерах, которые
при наличии на обоих входах логического сигнала «1» пе-
реключаются в моменты появления на входах синхрони-
зации отрицательных перепадов напряжения.
0000 0001 0010 ООП 0100 0101 ОНО 0111 1000
Кси = 2т = 24 = 16
б
Рис. 3.113
Жй8ег Электроника --------------------------- 452
’ Временные диаграммы, иллюстрирующие работу счет-
чика, приведены на рис. 3.113, б. Через Кси обозначен мо-
дуль счета (коэффициент счета импульсов). Состояние ле-
вого триггера' соответствует младшему разряду двоичного
числа, а правого — старшему разряду. В исходном состоя-
нии на всех триггерах установлены логические нули. Каж-
дый триггер меняет свое состояние лишь в тот момент,
когда на него действует отрицательный перепад напряже-
ния. Таким образом, данный счетчик реализует суммиро-
вание входных импульсов. Из временных диаграмм вид-
но, что частота каждого последующего импульса в два раза
меньше, чем предыдущая, т. е. каждый триггер делит час-
тоту входного сигнала на два, что и используется в дели-
телях частоты.
Микросхема К155ИЕ5 является суммирующим счетчи-
ком с последовательным переносом.
Структура микросхемы и ее условно-графическое обо-
значение приведены на рис. 3.114.
Рис. 3.114
Данная микросхема содержит четыре счетных тригге-
ра, причем первый триггер имеет отдельный вход и пря-
мой выход, а оставшиеся три триггера образуют трехраз-
рядный двоичный счетчик.
453 -------------------Цифровая электроника
При соединении между собой выводов 12 и 1 образу-
ется четырехразрядный суммирующий счетчик с модулем
счетчика Кси = 16- Установка счетчика в нулевое состоя-
ние (сброс триггеров в нулевое состояние, т. е. Q = 0) про-
изводится при подаче логической 1 одновременно на два
входа установки R. Входы установки объединены по схе-
ме И.
Наличие таких входов установки позволяет строить
счетчики с различными модулями счета без использова-
ния дополнительных логических элементов. Для этого
используют метод управляемого сброса, т. е. формируют
сигнал сброса триггеров счетчика появлением на выходе
счетчика кода, совпадающего с требуемым модулем счета.
Так, например, на микросхеме К155ИЕ5 можно полу-
чить счетчик с модулем счета КсИ = 10, соединяя выводы
9 и И с выводами 2 и 3 (рис. 3.115).
Рис. 3.115
Микросхемы К155ИЕ2 и К155ИЕ4 также содержат
4 триггера, причем первый из них отделен от остальных,
как в К155ИЕ5, а три оставшихся соединены так, что об-
Электроника --------------------------- 454
разуют трехразрядные счетчики с модулем счета 5 в
К155ИЕ2 и с модулем счета 6 в К155ИЕ4.
Рассмотрим трехразрядный вычитающий счетчик с
последовательным переносом, схема и временные диаг-
раммы работы которого приведены на рис. 3.116. В счет-
чике используются три /Х-триггера, каждый из которых
работает в режиме Т-триггера (триггера со счетным вхо-
дом). На входы /и К каждого триггера поданы логические
1, поэтому по приходу заднего фронта импульса, подава-
емого на его вход синхронизации С, каждый триггер из-
меняет предыдущее состояние. Вначале сигналы на выхо-
дах всех триггеров равны 1. Это соответствует хранению в
счетчике двоичного числа 111 или десятичного числа 7.
После окончания первого импульса F первый триггер из-
Рис. 3.116
455
Цифровая электронику
меняет состояние: сигнал Qt станет равным 0, a Q{ — 1.
Остальные триггеры при этом свое состояние не изменя-
ют. После окончания второго импульса синхронизации
первый триггер вновь изменяет свое состояние, переходя
в состояние 1(0 =0). Это обеспечивает изменение со-
стояния второго триггера (второй триггер изменяет состо-
яние с некоторой задержкой по отношению к окончанию
второго импульса синхронизации, так как для его опро-
кидывания необходимо время, соответствующее времени
срабатывания его самого и первого триггера). После пер-
вого импульса /'счетчик хранит состояние ПО. Дальней-
шее изменение состояния счетчика происходит аналогич-
но изложенному выше. После состояния ООО счетчик
вновь переходит в состояние 111.
Рассмотрим трехразрядный самоостанавливающийся
вычитающий счетчик с последовательным переносом
(рис. 3.117). После перехода счетчика в состояние ООО на
выходах всех триггеров возникает сигнал логического 0,
который подается через логический элемент ИЛИ на вхо-
ды J и К первого триггера, после чего этот триггер выхо-
дит из режима /-триггера и перестает реагировать на им-
пульсы F.
Рис. 3.117
456
’ Рассмотрим трехразрядный реверсивный счетчик с
последовательным переносом (рис. 3.118). В режиме вы-
читания входные сигналы должны подаваться на вход Тв.
Тс
Рис. 3.118
На вход Тс при этом подается сигнал логического 0. Пусть
все триггеры находятся в состоянии 111. Когда первый
сигнал поступает на вход Тв, на входе Т первого триггера
появляется логическая 1, и он изменяет свое состояние.
После этого на его инверсном выходе возникает сигнал
логической 1. При поступлении второго импульса на вход
Тв на входе второго триггера появится логическая 1, по-
этому второй триггер изменит свое состояние (первый
триггер также изменит свое состояние по приходу второ-
го импульса). Дальнейшее изменение состояния происхо-
дит аналогично. В режиме сложения счетчик работает ана-
логично 4-разрядному суммирующему счетчику. При этом
сигнал подается на вход Тс. На вход Тв подается логиче-
ский 0.
В качестве примера рассмотрим микросхемы реверсив-
ных счетчиков (рис. 3.119) с параллельным переносом се-
рии 155 (ТТЛ):
ИЕ6 — двоично-десятйчный реверсивный счетчик;
ИЕ7 — двоичный реверсивный счетчик.
Направление счета определяется тем, на какой вывод
(5 или 4) подаются импульсы. Входы 1, 9,10,15 — инфор-
мационные, а вход 11 используется для предварительной
457 ---------------------
Цифровая электроника
К155ИЕ7
К155ИЕ6
15 D1 Q1 3
1 D2
Q2 2
10 D4
Q4 6
9 D8
Q8 7
11 < >с
5 ’ 4-1
4 , '-1 >9с 12
14 R <0< • 13
15 D1 Qi 3
1 D2
Q2 2
10 D4
Q4 6
9 D8
Q8 7
И < >С
5 > +1
4 , '-1 >15 с 12
14 R < о< • 13
R с +1 -1 D1 D2 D4 D8 Qi Q2 Q4 Q8 >9, >15 <0 Режим
1 * * 0 * * * * 0 0 0 0 1 0 Установка 0
1 * * 1 * * * * 0 0 0 0 1 1 Установка 0
0 0 ♦ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 Предустановка
0 0 * 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 Предустановка
0 0 0 * 1 * * 1 Q=D 0 1 Предустановка
0 0 1 * 1 * * 1 Q=D 1 1 Предустановка
0 1 1 1 * * * * Суммирующий 1 1 Прямой счет
0 1 1 _г~ * * * * Вычитающий 1 1 Обратный счет
Знак * означает любое состояние.
Рис. 3.119
записи. Эти 5 входов позволяют осуществить предвари-
тельную запись в счетчик (предустановку). Для этого нуж-
но подать соответствующие данные на информационные
входы, а затем подать импульс записи низкого уровня на
вход 11, и счетчик запомнит число. Вход 14 — вход уста-
новки 0 при подаче высокого уровня напряжения. Для по-
строения счетчиков большей разрядности используются
выходы прямого и обратного переноса (выводы 12 и 13 со-
ответственно). С вывода 12 сигнал должен подаваться на
вход прямого счета следующего каскада, а с 13 — на вход
обратного счета.
458
3.5.3. Регистры
Регистр — это последовательностное логическое устрой-
ство, используемое для хранения «-разрядных двоичных
чисел и выполнения преобразований над ними. Регистр
представляет собой упорядоченную последовательность
триггеров, число которых соответствует числу разрядов в
слове. С каждым регистром обычно связано комбинаци-
онное цифровое устройство, с помощью которого обеспе-
чивается выполнение некоторых операций над словами.
Типичными являются следующие операции:
• прием слова в регистр;
• передача слова из регистра;
• поразрядные логические операции;
• сдвиг слова влево или вправо на заданное число раз-
рядов;
• преобразование последовательного кода слова в па-
раллельный и обратно;
• установка регистра в начальное состояние (сброс).
Фактически любое цифровое устройство можно пред-
ставить в виде совокупности регистров, соединенных друг
с другом при помощи комбинационных цифровых уст-
ройств.
Регистры классифицируются по следующим видам:
• накопительные (регистры памяти, хранения);
• сдвигающие.
В свою очередь сдвигающие регистры делятся:
• по способу ввода-вывода информации на:
— параллельные,
— последовательные,
— комбинированные;
• по направлению передачи информации на:
— однонаправленные,
— реверсивные.
Рассмотрим накопительный регистр с параллельными
вводом и выводом информации (рис. 3.120). Основой ре-
459
Цифровая электроника
Y| = 1 — параллельная запись;
Y| = Y2 = 0 — хранение;
Y2 = 1 — параллельное считывание.
Рис. 3.120
гистра являются D-триггеры, которые на своих выходах
повторяют значения сигналов на входах X]—Х4 (информа-
ционные входы) при логическом сигнале 1 на входе син-
хронизации (т. е. осуществляется параллельный ввод вход-
ной информации в регистр). На четырех двухвходовых
элементах «И» реализованы схемы совпадения, входные
сигналы которых совпадают с выходными сигналами триг-
геров в том случае, когда на вход У2 подана логическая
единица. Таким образом осуществляется параллельный
вывод информации.
В качестве примера рассмотрим микросхему регистра
К155ИР15. Приведем условное обозначение и таблицы
внутренних и выходных состояний (рис. 3.121).
Микросхема К155ИР15 представляет собой четырех-
разрядный параллельный регистр памяти с тремя входны-
ми состояниями. Микросхема имеет следующие выводы:
Dx—D4 — информационные входы, Qx—Q4 — выходы ре-
гистра, С — вход синхронизации, R — вход сброса триг-
геров регистра в нулевое состояние, входы Е] и Е2 — для
управления режимом работы регистра, EZ| и Ez2 — для пе-
ревода выходов регистра в высокоимпедансное состояние.
460
R С Б, е2 Di Q, Режим
0 0 0 0 0 Параллельный ввод
0 -Г 0 0 1 1 Параллельный ввод
0 * 1 * * Qi Хранение
0 * * 1 * Qi Хранение
1 * * * * 0 Установка 0
Выходы регистров EZi EZ2 Qi Режим
0 0 0 0 Вывод цифр
1 0 0 1 Вывод цифр
* 1 * Z Выходы огключ.
* * 1 Z Выходы огключ.
Знак * означает любое состояние.
Знак -J означает передний фронт импульса.
Знак Z означает третье состояние.
Рис. 3.121
461 -------------------- Цифровая электроника
При Е] = Е2 = 0 осуществляется параллельный ввод
информации со входов Dx—D4 при воздействии положи-
тельного перепада на входе синхронизации С.
Хранение информации осуществляется, если хотя бы
на одном из входов Е! или Е2 действует логическая 1.
При подаче 1 на вход R осуществляется сброс тригге-
ров регистра.
Если хотя бы на одном из входов EZ] или EZ2 действу-
ет логическая 1, то все выходы отключены, т. е. они пере-
ведены в высокоимпедансное состояние.
На рис. 3.122 представлен сдвигающий регистр. В ис-
ходном состоянии на выходах всех триггеров логический
сигнал «О». При подаче логического сигнала «1» младше-
го разряда числа на вход 1-го триггера он запоминается в
нем в момент действия положительного перепада такто-
вого импульса. Состояние же остальных триггеров не ме-
няется, так как на их входах были логические сигналы «О».
Во время второго тактового импульса на входе первого
триггера действует логический сигнал «О», на входе второ-
го триггера — логический сигнал «1», на входе третьего и
четвертого — логические сигналы «О». Эти сигналы запо-
минаются триггерами, на входе которых они действовали,
т. е. осуществляется сдвиг единицы вправо, и т. д. Таким
№ такта Данные Qi Ог Оз OF
0 0 0 0 0 0
1 1 1 0 0 0
2 0 0 1 0 0
3 0 0 0 1 0
4 0 0 0 0 1
Рис. 3.122
Электроника----------------------------- 462
образом, за четыре такта осуществляется последователь-
ный ввод в регистр 4-разрядного двоичного числа.
В качестве примера приведем микросхему сдвигающего
регистра К155ИР13 и его таблицу состояний (рис. 3.123).
R С SI so DR DL Q.-Qs Режим
1 -Г 1 1 1 * Ql-Qs Параллельный ввод
1 0 0 * ♦ Dj ...Dg Хранение
1 -г 1 0 * 0 Qz-QeO Сдвиг влево
1 1 0 * 1 0г-..Qi 1 Сдвиг влево
1 _J— 0 1 0 * 0Q...Q? Сдвиг вправо
1 0 1 1 * IQ-.Q7 Сдвиг вправо
0 * * * ♦ * 0..0 Сброс
Знак * означает любое состояние.
Знак —I означает передний фронт импульса.
Рис. 3.123
463 --------------------Цифровая электроника
Микросхема К155ИР13 является универсальным вось-
миразрядным реверсивным сдвигающим регистром и мо-
жет работать в режимах последовательного ввода инфор-
мации со сдвигом вправо или влево, параллельного ввода
информации, хранения информации, сброса (установки
нулей).
Микросхема имеет следующие входы:
2)1—2)8 — для параллельного ввода информации, DR и
DL — информационные входы для последовательного вво-
да информации при сдвиге соответственно вправо или
влево, входы 51 и 50 — для выбора режима работы, R —
вход сброса триггеров регистра в нулевое состояние и С —
вход синхронизации.
Сброс триггеров осуществляется при подаче логиче-
ского 0 на вход R.
При 51 = 0 и 50 = 1 осуществляется последовательный
ввод информации со входа DR в первый разряд регистра
со сдвигом вправо.
При 51 = 1, 50 = 0 осуществляется последовательный
ввод информации со входа DL в восьмой разряд регистра
со сдвигом влево.
При 51 = 50 = 1 осуществляется параллельная запись
информации со входов 2)1—2)8 при воздействии положи-
тельного перепада на входе синхронизации С.
При 51 = 50 = 0 осуществляется режим хранения ин-
формации.
Электроника ---------------------- 464
“ 3.6. ЦИФРОВЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ
УСТРОЙСТВА
3.6.1. Общая характеристика устройств
Цифровыми запоминающими называют устройства,
предназначенные для записи, хранения и считывания
информации, представленной в цифровом коде. Запоми-
нающие устройства (ЗУ) классифицируют по назначению,
технологии изготовления, способу адресации, способу
хранения информации и т. д. По назначению запомина-
ющие устройства подразделяют на оперативные запоми-
нающие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие
устройства (ПЗУ). ОЗУ обеспечивает режим записи, хра-
нения и считывания информации в процессе ее обработ-
ки. ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание
информации.
. По технологии изготовления ЗУ делятся на биполяр-
ные (ТТЛ-,ТТЛШ-, ЭСЛ-, И2Л-технологии) и униполяр-
ные (л-МОП, КМОП- и другие технологии).
По способу адресации все ЗУ делятся на адресные и
безадресные (ассоциативные). В адресных ЗУ обращение
к элементам памяти производится в соответствии с их ад-
ресом, задаваемым двоичным кодом. Большинство ЗУ
являются адресными. В ассоциативных ЗУ считывание
информации осуществляется по ее содержанию и не за-
висит от физических координат элементов памяти. Ассо-
циативные ЗУ не имеют входов адресных сигналов.
К основным параметрам ЗУ относятся информацион-
ная емкость, потребляемая мощность, время хранения ин-
формации, быстродействие и др.
Информационная емкость определяется числом ячеек
памяти ЗУ и указывает максимальный объем хранимой
информации. Если ЗУ рассчитано на хранение п чисел
(слов), каждое из которых имеет т разрядов, то информа-
465 ------------------- Цифровая электроника ЖааВ
ционная емкость N определяется выражением N = п • т.
Так, например, если ЗУ предназначено для хранения 16
слов, каждое из которых содержит 4 разряда, то ЗУ имеет
структурную организацию 16 х 4 и информационную ем-
кость N = 16 х 4 = 64 бит. ЗУ емкостью 64 бит может быть
организовано и как ЗУ 32 х 2 (32 слова по 2 разряда каж-
дое). Емкость часто выражают в байтах (1 байт = 8 бит).
Емкость ЗУ составляет от нескольких десятков до не-
скольких миллионов бит.
Потребляемая мощность — мощность, потребляемая
ЗУ в установившемся режиме работы.
Время хранения информации — интервал времени, в
течение которого ЗУ сохраняет информацию в заданном
режиме.
Быстродействие — промежуток времени, необходимый
для записи или считывания информации.
Основой любого ЗУ является матрица памяти (накопи-
тель).
3.6.2. Структуры запоминающих
устройств
Запоминающие устройства с произвольным доступом,
т. е. адресные запоминающие устройства, несмотря на
большое разнообразие вариантов их реализации, имеют
много общего в структуре их построения. Следует отме-
тить, что так называемые динамические ОЗУ имеют свою
особенность структуры.
Рассмотрим наиболее характерные структуры запоми-
нающих устройств, которые подразделяют на ЗУ:
• с одномерной адресацией (или структуры 2D и
2DM, или со словарной организацией накопителей);
• с двумерной адресацией (или структуры 3D, или с
матричной организацией накопителей).
Wssr Электроника------------------------------- 466
Структура ЗУ с одномерной адресацией представляет
собой матрицу (рис. 3.124), число строк которой соответ-
ствует числу хранимых слов п, а число столбцов — их раз-
рядности т (ЗЭ — запоминающий элемент).
m - разрядов
Рис. 3.124
Дешифратор DC служит для выбора того или иного
слова, разрешая доступ ко всем запоминающим элемен-
там (ЗЭ) выбранной строки. Далее в зависимости от ре-
жима работы ЗУ осуществляется либо считывание инфор-
мации из ячеек выбранной строки, либо запись
информации в ячейки выбранной строки. Рассмотренную
структуру называют структурой 2D и основным недостат-
ком такой структуры является значительное увеличение
количества выходов дешифратора при наращивании объе-
ма памяти.
Так, для ЗУ с организацией 4x4 требуется дешифратор
с четырьмя выходами, а для ЗУ с организацией 256 х 4 тре-
467 -------------------- Цифровая электроника
буется дешифратор, имеющий 256 выходов, что сильно
усложняет аппаратную реализацию.
Избежать этого можно, если использовать матрицу,
длина строки которой многократно превышает разряд-
ность хранимых слов. Это ведет к уменьшению числа
строк матрицы, а следовательно, к уменьшению числа вы-
ходов дешифратора. Из выбранной строки матрицы затем
выбирается ее часть, соответствующая тому или иному
слову.
Структура такого ЗУ (структура 2DM) содержит де-
шифратор для выбора строки матрицы и мультиплексоры
для выбора разрядов слова (рис. 3.125).
Адресный код для выбора того или иного слова в ЗУ
содержит k+l разрядов. Часть их к используется для вы-
бора строки матрицы из 2* строк, а другая часть / исполь-
зуется для выбора нужного слова в данной строке. Длина
строки равна т • 2*, где т — разрядность хранимых слов.
ж Электроника--------------------------------- 468
На выходах т мультиплексоров формируется выходное
слово, каждый разряд которого выбирается из отрезка
строки длиной 21.
Так, для ЗУ с организацией 256 х 4 согласно описанно-
му принципу можно использовать матрицу размером
32 х 32 элемента, для доступа к каждому запоминающему
элементу которого необходимо восьмиразрядное адресное
слово. Пять разрядов этого слова, поступая на дешифра-
тор адреса, выбирают одну из 32 строк матрицы. Три дру-
гие разряда адресного слова, поступая на адресные входы
четырех мультиплексоров, выбирают из отрезков длиной
2Z = 8 разрядов один бит каждого слова.
Описанные структуры целесообразно использовать для
одновременной записи или считывания слов большой раз-
рядности.
Рассмотрим ЗУ с двумерной адресацией, которая по-
зволяет осуществлять побитовую запись или считывание
информации. ЗУ с такой структурой осуществляют двух-
координатную выборку запоминающих элементов матри-
цы, что позволяет упростить дешифраторы адреса, т. е.
уменьшить число выходов дешифратора.
Структура такого ЗУ с произвольным доступом к одно-
му биту выбираемого слова приведена на рис. 3.126.
Адресный код разрядностью k+lделится на две час-
ти: одна (к разрядов) служит для определения строки, вто-
рая (/ разрядов) — для определения столбца. Таким обра-
зом, выбирается один бит нужного слова, находящийся в
ЗЭ на пересечении активных выходов обоих дешифрато-
ров. При построении ЗУ для многоразрядных слов к де-
шифраторам DC] и DC2 (см. рис. 3.126) подключаются па-
раллельно несколько матриц М, число которых равно
разрядности хранимых слов.
Так, для ЗУ с организацией 256 х 4 требуется 4 матрицы,
каждая из которых содержит 16 строк и 16 столбцов. Таким
образом, дешифраторы имеют гораздо меньшее число вы-
ходов, чем в ЗУ с одномерной адресацией (см. рис. 3.124).
469 ------
Г
Цифровая электроника
м 1
Рис. 3.126
3.6.3. Оперативные запоминающие
устройства
ОЗУ (их обозначают английской аббревиатурой RAM)
подразделяются на статические и динамические. В стати-
ческих ОЗУ запоминающая ячейка представляет собой
триггер на биполярных или полевых транзисторах, что
определяет потенциальный характер управляющих сигна-
лов и возможность считывания информации без ее разру-
шения. Статические ОЗУ выполняются по различным тех-
нологиям (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП, л-МОП, И2Л) и обладают
теми же достоинствами и недостатками, что и элементы,
изготовленные по той или иной технологии. Так, для по-
лучения высокого быстродействия статические ОЗУ вы-
полняются по ЭСЛ-технологии, а И2Л-технология позво-
ляет увеличивать функциональную плотность ЗУ в
ЖаВ Электроника------------------------------ 470
несколько раз по сравнению с ТТЛ-технологией. В по-
следнее время интенсивно развиваются статические ОЗУ
по КМОП-технологии.
Среди отечественных серий микросхем статических
ОЗУ серии К500, К1500 выполнены по ЭЛС-технологии,
К132, К1809 - по л-МОП-технологии, К176, К561, К573,
К581 — по КМОП-технологии, К555 — по ТТЛ-техноло-
гии, К541, К185 — по И2Л-технологии.
Благодаря высокому быстродействию статические ОЗУ
широко используются в КЭШ-памяти. КЭШ-память (или
буферная память) предназначена для запоминания копий
информации, передаваемой между различными устрой-
ствами, прежде всего между процессором и основной па-
мятью различных вычислительных устройств.
КЭШ-память имеет небольшую информационную ем-
кость по сравнению с основной памятью, но более высо-
кое быстродействие и особенно эффективна, когда требу-
ется многократное использование одних и тех же данных.
Так например, микросхема К1500 представляет собой
статическое ОЗУ, выполненное по ЭСЛ-технологии, име-
ющее организацию 64 х 4 и предназначенное для постро-
ения локальных и буферных ОЗУ (КЭШ-память).
В динамических ОЗУ элементом памяти является ем-
кость (например, входная емкость полевого транзистора),
что требует периодического восстановления (регенерации)
записанной информации в процессе ее хранения.
ОЗУ динамического типа позволяют реализовать боль-
шой объем памяти, но они сложнее в использовании, так
как необходимо наличие специальной схемы управления
режимами работы. В современных динамических ОЗУ
имеются встроенные системы регенерации и синхрониза-
ции. Такие ОЗУ по внешним сигналам управления не от-
личаются от статических ОЗУ.
Рассмотрим в качестве примера некоторые микросхе-
мы ОЗУ (рис. 3.127). В обозначении микросхем после но-
471
Цифровая электроника

К537РУ8
К565РУ5
Рис. 3.127
мера серии идут две буквы РУ, относящие микросхемы к
виду ОЗУ.
Плотность упаковки элементов памяти динамических
ОЗУ в несколько раз превышает плотность упаковки в ста-
тических ОЗУ, т. е. они имеют большую информационную
емкость. Они в несколько раз дешевле статических ОЗУ.
Динамические ОЗУ имеют ряд особенностей, суще-
ственно отличающих их от статических, одной из которых
является использование в них последовательной адреса-
ции.
К динамическим ОЗУ относятся микросхемы серии
К565.
Выводы микросхем имеют следующие назначения:
CS — выбор микросхемы, Af — адресные входы, DI5 —
Электроника----------------------------- 472
информационные входы, DO; — информационные выхо-
ды, W/R — разрешение записи/считывания, RAS — строб
адреса строки, CAS — строб адреса столбца, СЕ — сигнал
разрешения.
Микросхема К155РУ2 — это статическое ОЗУ с откры-
тым коллекторным выходом — выполнена на основе ТТЛ-
структур емкостью 64 бит. Имеет структуру 16 х 4, т. е. мо-
жет хранить 16 слов длиной 4 разряда каждое.
Микросхема К537РУ8 — это статическое ОЗУ объемом
2 Кбайта, выполнена на основе структур КМОП, по вхо-
ду и выходу совместима с ТТЛ-структурами. Имеет дву-
направленную 8-разрядную шину данных, которая ис-
пользуется и для записи, и для считывания информации.
Микросхема К565РУ5 — это динамическое ОЗУ на ос-
нове л-МОП-структур, по входам и выходам совместима
с ТТЛ-структурами, имеет организацию 64Кх 1. Шина ад-
реса работает в мультиплексном режиме. Вначале на ней
выставляются адреса строк,, которые запоминаются во
внутреннем регистре по спаду сигнала RAS. Затем выстав-
ляются адреса столбцов,, которые запоминаются по спаду
сигнала CAS.
Микросхемы К537РУ8 и К565РУ5 имеют выходы с тре-
мя состояниями.
3.6.4. Постоянные запоминающие
устройства
Все ПЗУ можно разделить на следующие группы:
• программируемые при изготовлении (обозначают
как ПЗУ или ROM);
• с однократным программированием, позволяющим
пользователю однократно изменить состояние мат-
рицы памяти электрическим путем по заданной
программе (обозначают как ППЗУ или PROM);
473 -------------------- ‘Цифровая электроника
• перепрограммируемые (репрограммируемые), с воз-
можностью многократного электрического пере-
программирования, с ультрафиолетовым (обознача-
ют как РПЗУУФ или EPROM) или электрическим
(обозначают как РПЗУЭС или EEPROM, или
E2PROM) стиранием информации.
Для обеспечения возможности объединения по выхо-
ду при наращивании памяти все ПЗУ имеют выходы с тре-
мя состояниями или открытые коллекторные выходы.
В запоминающие устройства, программируемые при
изготовлении (ПЗУ или ROM), информация записывает-
ся непосредственно в процессе их изготовления с помо-
щью фотошаблона, называемого маской, на завершающем
этапе технологического процесса.
Такие ПЗУ называются масочными ПЗУ, они могут
быть построены на диодах, биполярных или МОП-тран-
зисторах.
Фрагменты схем матриц масочных ПЗУ на биполярных
(а) и полевых транзисторах (б) приведены на рис. 3.128.
Если соединительный транзистор в данных схемах вы-
полнен полностью (без разрыва), то при подаче на соот-
ветствующую строку сигнала активного уровня этот
транзистор открывается и на столбце, к которому он под-
Жарт Электроника ----------------------------- 474
ключей, появляется логический 0. Если транзистор не
подключен к соответствующему столбцу, то активизация
соответствующей строки не приводит к закорачиванию
столбца и на нем остается логическая 1.
К масочным ПЗУ относят микросхемы серий 155, 568,
541, 555, 1656, 1801 и др., выполненные по технологии
ТТЛ, ТТЛШ, л-МОП, КМОП. Для обозначения данного
вида ПЗУ после номера серии помещают две буквы РЕ.
Так, микросхемы К155РЕ21 и К155РЕ22 предназначены
для воспроизведения соответственно букв русского (за ис-
ключением буквы Ъ) и латинского алфавитов, а также
некоторых знаков.
В ППЗУ накопитель часто построен на запоминающих
ячейках с плавкими перемычками, изготовленными из них-
рома или других тугоплавких материалов. Процесс записи
состоит в избирательном пережигании плавких перемычек.
Фрагмент схемы диодной матрицы ППЗУ с плавкими
перемычками приведен на рис. 3.129.
столбцы
Рис. 3.129
Пропуская импульсы тока между соответствующими
строками и столбцами матрицы, такие ЗУ можно програм-
мировать, расплавляя те или иные перемычки. На
рис. 3.129 часть перемычек показаны уже разрушенными.
475 ------------------- Цифровая электроника
Фрагмент схемы матрицы ППЗУ с многоэмиттерными
транзисторами и плавкими перемычками приведен на
рис. 3.130.
Рис. 3.130
Разрушая соответствующие перемычки, осуществляют
программирование таких ППЗУ.
Фрагмент схемы матрицы ППЗУ еще одного типа при-
веден на рис. 3.131.
столбцы
Рис. 3.131
Жавг Электроника ---------------------------- 476
Здесь запоминающий элемент представляет собой два
встречно включенных диода и сопротивление такой це-
почки изначально велико в отличие от цепей с плавкими
перемычками. В исходном состоянии запоминающий эле-
мент хранит логический 0, а не 1, как в ППЗУ с плавки-
ми перемычками. Программирование (запись 1) осуще-
ствляют приложением между соответствующими строками
и столбцами повышенного напряжения, что приводит к
пробою диода, смещенного в обратном направлении, с
образованием в нем короткого замыкания.
Образовавшееся короткое замыкание играет роль про-
водящей перемычки (см. рис. 3.131).
ППЗУ выпускаются в составе серий микросхем 155,541,
565, 1608. В обозначениях таких ЗУ используют буквы РТ.
Так, например, микросхема К541РТ1 выполнена по
ТТЛШ-технологии с открытым коллекторным выходом и
имеет организацию 256 х 4.
В РПЗУ запоминающие ячейки строятся на основе
МОП-технологий. Используются различные физические
явления хранения заряда на границе между двумя различ-
ными диэлектрическими средами или проводящей и ди-
электрической средой.
В первом случае диэлектрик под затвором МОП-тран-
зистора делают из двух слоев: нитрида кремния и двуоки-
си кремния (SiN4 — SiO2). Было обнаружено, что в слож-
ной структуре SiN4 — SiO2 при изменении электрического
напряжения возникает гистерезис заряда на границе раз-
дела двух слоев, что и позволяет создавать запоминающие
ячейки.
Такие транзисторы называют МНОП-транзисторами в
соответствии с их структурой: металл-нитрид кремния-
окисел-полупроводник.
Запись информации в ячейки на МНОП-транзисторах
осуществляется подачей относительно высоких напряже-
ний (около 20 В), а перед записью осуществляется элект-
рическое стирание старой информации (запись 0 во все
477 -------------------Цифровая электроника
запоминающие элементы). Таким образом, ЗУ на МНОП-
транзисторах — это РПЗУ ЭС или EPROM. Они позволя-
ют осуществлять 104 — 106 перезаписей, энергонезависи-
мы и могут хранить информацию годами.
В обозначении микросхем с электрическим стиранием
после номера серии указывают две буквы РР.
Так, микросхема К1601РР1 выполнена на основе
р-МНОП-транзисторов, по входу и выходу совместима с
ТТЛ-структурами, имеет выходы с тремя состояниями и
организацию 1К х 4. Время хранения информации 500 ча-
сов.
Во втором случае основой запоминающей ячейки яв-
ляется лавинно-инжекционный МОП-транзистор с пла-
вающим затвором (ЛИЗМОП-транзисторы). Упрощенная
структура такого транзистора приведена на рис. 3.132.
Подложка
Рис. 3.132
В лавинно-инжекционном транзисторе с плавающим
затвором при достаточно большом напряжении на стоке
происходит обратимый лавинный пробой диэлектрика, и
в область плавающего затвора инжектируются носители
заряда. Поскольку плавающий затвор окружен диэлектри-
ком, то ток утечки мал и хранение информации обеспе-
чивается в течение длительного промежутка времени (де-
сятки лет). При подаче напряжения на основной затвор
Электроника
478
происходит рассасывание заряда за счет туннельного эф-
фекта, т. е. стирание информации.
С использованием ЛИЗМОП-транзисторов строятся
РПЗУ как с ультрафиолетовым (EPROM), так и электри-
ческим (E2PROM) стиранием информации.
В ЗУ с ультрафиолетовым стиранием в корпусе микро-
схемы имеется специальное прозрачное окошко для облу-
чения кристалла, причем информация стирается во всем
кристалле.
При электрическом стирании информацию можно сти-
рать не со всего кристалла, а выборочно.
Кроме того, длительность электрического стирания
значительно меньше, чем ультрафиолетового, а число цик-
лов перезаписи значительно больше.
Поэтому ЗУ с электрическим стиранием информации
вытесняют ЗУ с ультрафиолетовым стиранием.
В обозначении микросхем с ультрафиолетовым стира-
нием после трех цифр серии указывают две буквы РФ.
РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации се-
рии 573 выполнены на основе ЛИЗМОП-транзисторов, по
входу и по выходу совместимы с ТТЛ-структурами.
Приведем некоторые характеристики ПЗУ (рис. 3.133).
Тип ПЗУ Быстродей- ствие, нс Потребляемая мощность, МВт/бит Информационная емкость, Кбит
ПЗУ и ППЗУ на биполярных струк- турах 15-150 0,01—0,8 ’ <64
ПЗУ и ППЗУ на МОП-структурах 70—4000 0,01—0,3 <256
РПЗУ 50—1500 <0,1 <256
Рис. 3.133
479 ------------------- Цифровая электроника
Промышленность выпускает большое количество ти-
пов микросхем ПЗУ. Укажем в качестве примера две мик-
росхемы ПЗУ (рис. 3.134). На схемах использованы сле-
дующие обозйачения: А,— адресные входы; Dj —
информационные выходы; CS — выбор микросхемы;
СЕ — разрешение выхода.
К573РФ5 К556РТ5
АО А1 А2 АЗ А4 А5 Аб А7 А8 А9 А10 ШОМ ф D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 АО А1 А2 АЗ А4 А5 Аб А7 А8 РЯОМ $ D0 DI D2 D3 D4
10 ° 8 •
9 • 8 *- / О 1 - (L Л
7 ® О » 11 5 ,
иш Д W о
о с а ———• 12 4 •
э ~ о 13 3 •——
4 °
--о 15 2 •
3 • 25» - •16 1 •
ОЛ^'""' ' • 11 Лэ* ~ 1 Q IgO D5 о 15
CS1 CS2 >CS3 •CS4 D6 D7
2А ' ‘ 1 © IO low 46 ° 17
21* "" • 19 19» 2Q о , ।
1
2Z® 1 20е > СЕ.

21»" 1
Рис. 3.134
Микросхема К573РФ5 — это репрограммируемое ПЗУ
(РПЗУУФ) с ультрафиолетовым стиранием, имеющее
структуру 2К х 8. По входу и выходу эта микросхема со-
вместима с ТТЛ-структурами. Время хранения информа-
ции — 50 тыс. часов.
Микросхема К556РТ5 — это однократно программиру-
емая ПЗУ, выполнена на основе ТТЛШ-струкгур, по вхо-
ду и выходу совместима с ТТЛ-структурами, имеющая
структуру 512 бит х 8.
Ждет Электроника --------------------------- 480
3.6.5. Флэш-память
По основным принципам работы и типу запоминаю-
щих элементов Флэш-память (Flash-Memory) подобна
ППЗУ с электрической записью и стиранием информации.
Флэш-память имеет ряд особенностей, что и позволяет
выделить ее в отдельный класс. В ней осуществляется сти-
рание или всей записанной информации одновременно,
или больших блоков информации, а не стирание отдель-
ных слов (Flash-вспышка, мгновение).
Флэш-память предназначена для хранения редко об-
новляемой информации и замены памяти на магнитных
дисках (жесткий диск) в портативных компьютерах.
Матрица запоминающих элементов Флэш-памяти, по-
строенная на ЛИЗМОП-транзисторах с их параллельным
включением, обеспечивает режим быстрого произвольно-
го доступа и используется для построения памяти хране-
ния редко обновляемой информации.
Так, фирма Intel разработала Флэш-память, которая
допускает до 105 циклов стирания, причем время стирания
и время программирования всей памяти составляет 0,6—
4 с для памяти емкостью 256 Кбит—2 Мбит, а время дос-
тупа при чтении составляет примерно 100 нс.
Для замены файлов на магнитных дисках разработана
файловая Флэш-память (Flash-File-Memory), в которой
накопитель (матрица запоминающих элементов) делится
на блоки, являющиеся аналогами секторов магнитных
дисков.
Так, файловая Флэш-память фирмы Intel имеет инфор-
мационную емкость до 32 Мбит (организация 2М х 16 или
4М х 8) при времени доступа 70—150 нс и допускает до 106
циклов стирания на блок.
481 -------------------Цифровая электроника ЖаВ
3.6.6. Использование ПЗУ
для реализации цифровых
устройств
Применимость ПЗУ для реализации любых логических
функций рассмотрим на примере одноразрядного пере-
программируемого ПЗУ. Положим, что такое ПЗУ имеет
к адресных входов, на которые подадим к переменных.
Матрица такого одноразрядного ППЗУ имеет структуру
2к х 1, т. е. в матрице (на ее строках) можно реализовать все
возможные конъюнкции (2*) входных переменных. Про-
граммируя матрицу (т. е. обеспечивая соединение соответ-
ствующих строк с выходным столбцом), можно на выхо-
де ПЗУ получить требуемую логическую функцию.
Положим, что имеется ППЗУ организации 16 х 1, т. е.
такое ППЗУ имеет 4 адресных входа (к = log216).
Рассмотрим реализацию на таком ППЗУ следующей
логической функции: F = Хх • Хг + • Хг + У3 • У4.
Поскольку в ППЗУ логические функции реализуются
в СДНФ, то данную логическую функцию следует пред-
ставить в виде СДНФ. Это делается или заполнением кар-
ты Вейча, или преобразованием функции, для чего в не-
полные произведения вводят недостающие переменные
путем домножения их на единичную сумму (Xt + Xt) с
последующим раскрытием скобок.
Заполним каргу Вейча для указанной функции (рис. 3.135).
Для реализации этой функции по девяти адресам (стро-
кам) в ППЗУ следует записать логические 1, а по осталь-
ным адресам — логические 0. Для записи логической 1
соответствующие строки следует соединить с выходом (со
16 Электроника
482
483
Цифровая электроника
столбцом) с помощью запоминающих элементов, напри-
мер, диодов (рис. 3.136).
На строках матрицы указаны конъюнкции логической
функции, при которых активизируются строки.
Из рассмотренного примера видно, что ППЗУ может
вырабатывать выходной код для любой комбинации адрес-
ных входов и, следовательно, реализовать любую логиче-
скую функцию. Очевидно, что если использовать ППЗУ
с организацией пхт(п— число слов (строк) матрицы, а
т — число разрядов слова (или столбцов матрицы)), то
можно реализовать систему из т логических функций для
к (к = log2 ri) переменных.
Преимущество ППЗУ по сравнению с обычными логи-
ческими схемами становится очевидным с увеличением
сложности логических функций, связанной, например, с
увеличением числа входных переменных или сложностью
минимизации логической функции.
В сложных системах ППЗУ обычно обеспечивают зна-
чительно большее быстродействие по сравнению с обыч-
ными логическими схемами. Это объясняется тем, что
максимальная задержка ППЗУ равна времени обращения,
в то время как в обычных логических схемах задержки
отдельных логических элементов суммируются.
Используя ППЗУ, можно реализовывать не только ком-
бинационные устройства, но и последовательностные.
Электроника
484
3.7. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ
ЛОГИЧЕСКИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
3.7.1. Основные сведения,
классификация и области
применения
Усложнение цифровых электронных устройств приво-
дит к резкому росту числа корпусов интегральных схем
малой и средней степени интеграции. В результате увели-
чиваются потребляемая мощность и габаритные размеры
устройства, снижаются быстродействие и надежность, ус-
ложняется монтаж устройства. В то же время даже неболь-
шая модификация устройства требует значительных уси-
лий от разработчика, поскольку зачастую приходится
разрабатывать практически новые устройства.
Построение цифровых электронных устройств на спе-
циализированных больших и сверхбольших интегральных
схемах (БИС и СБИС) позволяет не только улучшить тех-
нические характеристики устройств, но и расширить их
функциональные возможности. Однако это экономически
целесообразно лишь при больших объемах выпускаемых
устройств, поскольку разработка и изготовление заказных
специализированных БИС и СБИС — это длительный и
дорогостоящий процесс.
Устранить возникшие противоречия удалось создани-
ем универсальных логических устройств большой степе-
ни интеграции, алгоритмы работы которых задаются раз-
работчиком.
Такие устройства получили название программируемых
логических интегральных схем (ПЛИС). Программируя
ПЛИС, получают требуемые изменения структуры, что и
485 -------------------Цифровая электроника Жав
обеспечивает реализацию необходимых функций. Очевид-
но, что универсальность, присущая ПЛИС, достигается
избыточностью их аппаратной части, что, конечно, ска-
зывается на быстродействии, которое ниже, чем при ис-
пользовании специализированных БИС и СБИС, но зна-
чительно выше, чем при применении интегральных схем
малой и средней степени интеграции.
Однако преимущества ПЛИС и прежде всего много-
функциональность способствуют их широкому распрост-
ранению.
В настоящее время производятся ПЛИС с эквивалент-
ной емкостью более 1 млн логических вентилей (обычно
это количество двухвходовых элементов И-НЕ или ИЛИ-
НЕ), причем цены на производимые ПЛИС неуклонно
падают. Так ПЛИС емкостью 100 000 вентилей стоит сей-
час 100 + 400 у.е., а емкостью 10 000 + 30 000 элементов —
менее 10 у.е.
Для понимания принципа, положенного в основу
ПЛИС, рассмотрим, в какой структуре можно реализовать
систему логических уравнений, заданных в совершенной
дизъюнктивной нормальной форме.
’1 =Хп -X»-! -Х2 *Х| +Х„-Х^ -х2 -X! +... + Х, ’Хи_| -Х2 -Хр
Fm =Х„ 'Хи_| "Х2 -Х( + Х„ -X„_i "Х2 *Х| +... + Х, -Хл_| -Х2 -X!.
Число конъюнкций (произведений) в каждой функции
не может превышать 2я (п — число аргументов функции).
Очевидно, чтобы реализовать такую систему логиче-
ских функций, необходимо два блока, в одном из которых
осуществляется формирование конъюнкций (произведе-
ний входных переменных), а в другом — их логическое
сложение (т. е. дизъюнкция). Следовательно, укрупненная
структура ПЛИС выглядит следующим образом (рис. 3.137).
Рис. 3.137
Входные (Вх) и выходные (Вых) буферные каскады осу-
ществляют необходимые (иногда довольно сложные) пре-
образования входных и выходных сигналов. Например,
формируют прямые и инверсные входные сигналы, фор-
мируют сигналы необходимой мощности, обеспечивают
необходимую нагрузочную способность выходов и т. п.
Входные переменные (прямые и инверсные) поступа-
ют на матрицу И и на ее выходах формируются необхо-
димые произведения этих переменных, которые затем
складываются в матрице ИЛИ, обеспечивая реализацию
требуемых логических функций.
По структурному признаку (по архитектуре) ПЛИС
подразделяют на следующие классы:
1. Программируемые логические матрицы (ПЛМ или
PLA, Programmable Logic Array) — ПЛИС, имеющие
программируемые матрицы И и ИЛИ.
2. Программируемая матричная логика (ПМЛ или
PAL, Programmable Array Logic) — ПЛИС, имеющие
программируемую матрицу И и фиксированную
матрицу ИЛИ.
В зарубежной литературе ПЛИС этих двух классов
ПЛМ и ПМЛ объединяют аббревиатурой PLD
(Programmable Logic Devices).
3. Базовые матричные кристаллы (БМК), которые так-
же называют вентильными матрицами (ВМ или GA,
Gate Array). ВМ представляют собой набор несоеди-
ненных логических элементов.
4. Программируемые вентильные матрицы (ПВМ или
FPGA, Field Programmable Gate Array). ПВМ — это
ПЛИС, состоящая из логических блоков, содержа-
487
Цифровал электроники
щих логические элементы, и программируемых мат-
риц соединений.
5. Программируемые коммутируемые матричные бло-
ки ПКМБ. В зарубежной литературе их обозначают
аббревиатурой CPLD (Complex Programmable Logic
Devices). ПКМБ — это ПЛИС, содержащие несколь-
ко матричных логических блоков (каждый из кото-
рых имеет структуру ПМЛ), объединенных комму-
тирующей матрицей.
6. ПЛИС комбинированной архитектуры и типа «сис-
тема на кристалле».
Если вернуться к рассмотренному в параграфе 3.6.6
использованию ППЗУ для реализации цифровых уст-
ройств, то в структуре ППЗУ (см. рис. 3.136) можно вы-
делить блоки, соответствующие укрупненной структуре
ПЛИС (см. рис. 3.137), причем дешифратор выполняет
роль матрицы И. Таким образом, ППЗУ можно рассмат-
ривать как ПЛИС с постоянной структурой матрицы И и
программируемой структурой матрицы ИЛИ.
3.7.2. Программируемые логические
матрицы
ПЛМ (PLA) появились в середине 70-х гг., являются
наиболее традиционным типом ПЛИС и обеспечивают
возможность программирования (изменения связей) мат-
риц И и ИЛИ.
Рассмотрим фрагмент принципиальной схемы ПЛМ
(рис. 3.138), на которой точками условно (для упрощения
рисунка) показаны соединения соответствующих строк и
столбцов в матрицах И и ИЛИ.
На рис. 3.139, а показано реальное соединение строк и
столбцов матрицы И с помощью диодов, а на рис. 3.139, б—
соединение в матрице ИЛИ с помощью биполярных тран-
Рис. 3.139
489
Цифровая электроника
зисторов. Именно такое соединение использовано в оте-
чественной ПЛМ К556РТ1.
Определим с учетом рис. 3.139, какие логические фун-
кции F] и F2 будут реализованы на ПЛМ, имеющей пока-
занные на рис. 3.138 соединения. Только при наличии и
на входе х1; и на входе х2 сигналов высокого уровня (соот-
ветствующих логической единице), на выходе первого
столбца Р] имеется сигнал высокого уровня. Таким обра-
зом, по отношению к выходу первого столбца реализуется
функция И, т. е. Р] = Х| • х/
Для второго столбца высокое напряжение на выходе
(логическая 1) будет лишь тогда, когда высокий уровень
напряжения будет на шинах х,, х2, хз>т-е- Р2=х1-х2х3.
Аналогично получим Р3 =Xj -х3, Р4 =х2 х3.
Высокий уровень напряжения (логическая 1) на шине F}
матрицы ИЛИ будет лишь тогда, когда высокий уровень
напряжения (логическая 1) действует или на третьем, или
на четвертом столбцах, т. е. по отношению к выходной
шине Р] рыполняется функция ИЛИ:
F] =Р3 +Р4 =Х] -х3 + х2 -х3.
По аналогии получим
F2 = Р1 +Р2 = х{ -х2 +х, -х2 -х3.
Таким образом, осуществляя программирование ПЛМ,
т. е. оставляя лишь необходимые элементы связи шин и
столбцов и устраняя ненужные пережиганием перемычек,
можно реализовать большое число логических функций
(которое определяется прежде всего количеством входов
и выходов ПЛМ).
Основными параметрами ПЛМ являются число входов,
число выходов и число термов (последнее определяет мак-
симальное число конъюнкций в выражении для логиче-
ской функции).
Электроника --------------------------- 490
' В качестве примера укажем, что микросхемы ПЛМ
типа К556РТ1, РТ2, РТЗ выполнены по ТТЛШ-техноло-
гии, имеют программируемые (пережиганием перемычек)
матрицы И и ИЛИ. Их размерность 16 входов, 8 выходов
и 48 термов. Длительность цикла чтения 504-70 нс. Мик-
росхема РТ1 имеет выходы с открытым коллектором, а
РТ2 и РТЗ — выходы с тремя состояниями.
Часто используют упрощенное изображение ПЛИС, в
котором многовходовые элементы И и ИЛИ условно изоб-
ражаются одновходовыми. Реальное же число входов та-
кого элемента равно числу пересечений его единственной
линии входа с линиями входных переменных. Упрощен-
ное изображение фрагмента схемы ПЛМ (см. рис. 3.138)
приведено на рис. 3.140.
Рис. 3.140
491 ---------------------Цифровая электроника.
Используя ПЛМ, можно реализовать логические фун-
кции, представленные в скобочной форме записи.
Положим, что требуется получить логические функции
F{ =%! -х2 +х2 -х3,
F2=xlx3(xix2+x2-x3).
Реализация данных функций показана на рис. 3.141.
Рис. 3.141
Из выражений для логических функций видно, что фун-
кция F} входит в состав функции F2, т. е. F2 = Ft • х, • х3.
Поэтому, реализовав функцию Ft, ее можно использовать
в качестве четвертой входной переменной для ПЛМ. Для
этого в схему вводится обратная связь, т. е. выход Ft со-
единяется со входом четвертого входного элемента.
Эле.ктроникд.------------------------------- 492
Из анализа схемы следует, что Р] = X] • х^ Р2 = х2 -х3 и
Fi = Р, + Р2 = Х| • Xj + х2 • х3.
Следовательно,
F2 =Р3 =Р| •х1 -х3 =(Х] -х2 +х2 •х3)>Х] -х3-
Если возможностей ПЛМ (число входов, выходов, тер-
мов) недостаточно для получения тех или иных функций,
то ПЛМ можно наращивать, расширяя ПЛМ по числу вхо-
дов, числу выходов и числу термов.
3.7.3. Программируемая
матричная логика
Большинство современных ПЛИС небольшой степени
интеграции относятся к классу ПМЛ (PAL), т. е. имеют
программируемую матрицу И и фиксированную матрицу
ИЛИ. Фрагмент схемы ПМЛ приведен на рис. 3.142.
Рис. 3.142
493 -------------------‘Цифро&ая электроника
Поскольку в ПМЛ матрица ИЛИ фиксирована, то по-
является ограничение на максимальное число конъюнк-
ций в логических функциях, что приводит к необходимо-
сти минимизировать логическую функцию при ее
реализации с использованием ПМЛ.
В настоящее время функциональные возможности
ПМЛ и ПЛМ достаточно широки.
Так за счет использования программируемого выходно-
го буфера возможно получение реализуемых логических
функций в прямом или инверсном виде.
Существуют схемы с двунаправленными выводами, ко-
торые можно использовать как входы или выходы в зави-
симости от программирования, появились схемы с памя-
тью за счет введения дополнительных триггеров.
Производятся ПМЛ, которые допускают частичное
программирование матрицы ИЛИ.
К отечественным ПМЛ относятся микросхемы
КР1556ХЛ8, КР1556ХП4, ХП6, ХП8. Эти микросхемы
выполнены по ТТЛШ-технологии.
Микросхема КР1556ХЛ8 имеет двунаправленные выво-
ды, благодаря чему число входов может измениться от 10
до 18, а число выходов — от 2 до 8.
Микросхемы КР1556ХП4, ХП6 и ХП8 имеют в струк-
туре D-триггеры (4, 6 или 8 триггеров соответственно для
каждой микросхемы).
3.7.4. Базовые матричные кристаллы
Базовые матричные кристаллы (БМК или ВМ, или GA)
появились в середине 70-х гг. как альтернатива полностью
заказным БИС и СБИС и ознаменовали собой новый под-
ход к проектированию специализированных БИС и
СБИС. Их стали называть полузаказными БИС и СБИС.
Электроника---------------------------- 494
БМК — это набор регулярно расположенных элемен-
тов (базовых ячеек), которые могут соединяться между
собой для образования различных электронных схем.
В первых БМК между ячейками были оставлены сво-
бодные зоны для создания соединений между нужными
ячейками. Такие БМК назывались канальными. Фрагмент
изображения структуры канального БМК приведен на
рис. 3.143, где показана часть матрицы базовых ячеек (БЯ),
вертикальные (1) и горизонтальные (2) каналы для трас-
сировки.
1
. Рис. 3.143
Затем появились бесканальные БМК и БМК с блочной
структурой.
Таким образом, БМК является полуфабрикатом, на ос-
нове которого можно реализовать различные электронные
устройства, задавая тот или иной вариант соединений.
Очевидно, что БМК уступают полностью заказным
БИС и СБИС по ряду параметров (например, по быстро-
действию, плотности упаковки), поскольку они, в силу
универсальности, содержат избыточные элементы.
495 -------------------- Цифровая электроника
Но БМК значительно превосходят схемы малой и сред-
ней степени интеграции, например, по быстродействию.
БМК выполняются по ЭСЛ-, ТТЛШ-, КМОП-техно-
логиям.
Первые БМК были выполнены по ЭСЛ-технологии и
содержали матрицу элементов, которые позволяли реали-
зовать несколько десятков двухвходовых логических эле-
ментов.
БМК, в зависимости от схемотехнической разновидно-
сти базовых ячеек, подразделяют на цифровые, аналого-
вые и цифро-аналоговые. Аналоговые БМК позволяют ре-
ализовывать операционные усилители, коммутаторы ит. п.
Они менее распространены в сравнении с цифровыми.
Основой БМК является кристалл полупроводника, в
середине которого расположена матрица базовых ячеек, а
по его краям — периферийные ячейки, содержащие эле-
менты для ввода и вывода сигналов (контактные площад-
ки, выходные усилители и т. п.).
Так, микросхема К1520ХМ6 выполнена по ЭСЛ-техно-
логии, содержит 10000 эквивалентных вентилей и имеет
208 контактных площадок.
3.7.5. Программируемые
вентильные матрицы
Такие ПЛИС (обозначаемые как ПВМ или FPGA),
явились развитием БМК и в них реализованы логические
элементы, триггеры и межсоединения, которые могут про-
граммироваться пользователем.
Архитектура ПВМ возникает из архитектуры БМК,
если базовые ячейки заменить на логические блоки, а пе-
риферийные ячейки — на блоки ввода/вывода. Но благо-
даря наличию программируемых матриц соединений
Электроника --------------------------- 496
п4м относят уже не к полузаказным интегральным схе-
мам, как БМК, а к полностью готовым, которые, как и
другие ПЛИС, могут программироваться пользователем.
В ПВМ, а также в других сложных ПЛИС в програм-
мируемых матрицах соединений используются:
— перемычки;
— ЛИЗМОП-транзисторы с двойным затвором;
— ключевые транзисторы.
Перемычки обеспечивают возможность лишь одно-
кратного программирования, но позволяют создавать со-
единения с управляемыми параметрами (сопротивление
перемычки изменяется в зависимости от величины тока
программирования), которые могут сохраняться в течение
десятков лет. Так, перемычки фирмы Actel, которые обо-
значают как ONO (в соответствии с их структурой: оксид-
нитрид-оксид), в первоначальном (исходном) состоянии
не проводят ток. Для образования проводящей перемыч-
ки необходимо подать импульс напряжения.
ЛИЗМОП-транзисторы используются в ПЛИС анало-
гично тому, как они использовались в ППЗУ, и позволя-
ют реализовать перепрограммируемые ПЛИС.
Транзисторные ключи, управляемые триггерами памя-
ти конфигурации, также позволяют реализовывать пере-
программируемые ПЛИС. Конфигурацией называют про-
цесс физической загрузки данных в устройство.
Если ПВМ (FPGA) реализованы с использованием
транзисторных ключей, управляемых триггерами памяти
конфигурации, то их называют ПВМ с триггерной памя-
тью конфигурации. Следует подчеркнуть, что при каждом
выключении питания конфигурация разрушается и, сле-
довательно, при каждом включении питания требуется
загрузка данных конфигурации, которые должны быть
сохранены в энергонезависимой памяти.
497 -------------------- Ч^ифро&ая электроника
Логические блоки, являющиеся важными элементами
архитектуры ПВМ, могут содержать цепочки транзисто-
ров, логические элементы И-НЕ, ИЛИ-HE, мультиплек-
соры, программируемые ПЗУ и т. п.
Если логические блоки реализованы, например, в виде
цепочки транзисторов, то это расширяет возможности
реализации логических функций, т. е. повышается гиб-
кость использования, однако усложняет систему связей в
ПВМ в связи с большим числом точек связей.
Построение логических блоков, например, с использо-
ванием мультиплексоров, упрощает систему связей в
ПВМ.
Логический блок семейства АСТ1 фирмы Actel реали-
зован на двухвходовых мультиплексорах (рис. 3.144, а)
а
Рис. 3.144
В зарубежной литературе мультиплексоры изображают
иначе, чем в нашей (рис. 3.144, б), располагая адресные
входы сбоку.
Система коммутации логических блоков в FPGA до-
вольно сложна и представляет систему сегментированных
связей, т. е. линии связи состоят из проводящих участков
Электроника-------------------------- 498
(сегментов) разной длины, соединяемых друг с другом
программируемыми элементами. С целью оптимизации
системы связи по количеству программируемых элемен-
тов связи, минимизации задержек сигналов и т. п. исполь-
зуются иерархические системы связей, содержащие раз-
личные разновидности линий связи: линии связи общего
назначения, прямые связи, линии тактирования и т. п.
К ПВМ (FPGA) относятся ПЛИС фирмы Xilinx
(ХС2000, ХСЗООО, ХС4000, Spartan), фирмы Actel (АСТ1,
1200XL, 3200DX) и др.
3.7.6. Программируемые
коммутируемые
матричные блоки
Такие ПЛИС (обозначаемые аббревиатурами ПКМБ
или CPLD), явились развитием PLD и содержат объеди-
ненные коммутационной матрицей (црограммируемой
матрицей соединений — PIA) логические блоки (ЛБ),
имеющие архитектуру ПМЛ (PAL). Такие логические бло-
ки содержат макроячейки, каждая из которых состоит из
программируемой матрицы логических элементов И, фик-
сированной матрицы ИЛИ и других элементов.
На периферии кристалла CPLD имеются блоки ввода
и вывода сигналов.
Система коммутации CPLD отличается от системы
коммутации FPGA, является не сегментированной, а не-
прерывной системой связей и обеспечивает возможность
коммутации логических блоков друг с другом, подачи на
требуемые входы логических блоков сигналов от различ-
ных источников: сигналов обратной связи, сигналов от
элементов ввода и вывода и т. п.
499 --------------------Цифровая электроника Жавг
К CPLD относятся ПЛИС фирмы Altera (МАХ3000,
МАХ7000), фирмы Xilinx (ХС7000, ХС9500), а также ряд
ПЛИС фирм Atmel, Vantis, Lucent и др.
Так ПЛИС семейства МАХ3000 имеет архитектуру,
близкую к архитектуре МАХ7000 (первые CPLD фирмы
Altera), выполнены по КМОП-технологии с электриче-
ским стиранием. Содержат от 32 до 256 макроячеек, объе-
диненных в логические блоки (от 2 до 16). Рассчитаны на
работу в системах с уровнями сигналов 2,5 В, 3,3 В, 5 В.
Имеется режим пониженного энергопотребления, а так-
же возможность задания бита безопасности для защиты от
несанкционированного тиражирования разработки. Кор-
пусы МАХ3000 содержат от 44 до 208 выводов.
Фрагмент CPLD семейства МАХ3000 приведен на рис.
3.145.
Рис. 3.145
Электроника---------------------------- 500
' Сигналы, поступающие (на рис. 3.145 сверху пункти-
ром) на PIA (программируемая матрица соединений
ПМС) и логические блоки ЛБ, — это сигналы от специа-
лизированных входов, которые на рис. 3.145 не показаны.
К таким сигналам относятся глобальные (т. е. единые для
всех одноименных блоков ПЛИС) сигналы тактирования
и сброса, сигналы разрешения выходов.
Основу MAX3000 составляют логические блоки, кото-
рые соединяются с помощью программируемой матрицы
соединений ПМС. Каждый логический блок ЛБ состоит
из 16 макроячеек и имеет 36 входов. Каждый ЛБ{ непос-
редственно связан со своим блоком ввода/вывода БВВЬ
имеющим от 4 до 16 выводов.
На ПМС поступает 16 сигналов обратной связи от каж-
дого ЛБ, от 4 до 16 сигналов от каждого БВВ, 4 сигнала от
специализированных входов.
Каждая макроячейка ЛБ содержит локальную програм-
мируемую матрицу элементов И, матрицу распределения
термов, позволяющую объединять логические произведе-
ния по ИЛИ, и триггер.
Реализовать логическую функцию с большим числом
переменных можно, объединяя макроячейки, входящие в
один логический блок, с помощью логических расшири-
телей. Программируемый логический расширитель позво-
ляет реализовать логические функции до 32 переменных
на одной макроячейке.
Логический блок позволяет реализовывать схемы с эле-
ментами памяти.
Блок ввода/вывода БВВ обеспечивает возможность
гибкого управления разрешением выходного буфера и
позволяет организовать режимы работы выхода с откры-
тым коллектором и третьим состоянием. Число програм-
мируемых пользователем выводов в микросхемах семей-
ства МАХ7000 составляет от 34 до 158.
501 -----
3.7.7.
-----------Цифровая электронику
ПЛИС комбинированной
архитектуры и типа
«система на кристалле»
Ряд ПЛИС трудно отнести к структурам FPGA или
CPLD, так как по сути они имеют комбинированную
структуру и сочетают достоинства структур FPGA и CPLD.
К таким ПЛИС можно отнести ПЛИС семейств
FLEX10K, FLEX10KA, FLEX10KE (Flexible Logic Element
Matrix), которые являются весьма распространенными в
настоящее время.
Фрагмент структуры FLEX10K приведен на рис. 3.146.
Рис. 3.146
Микросхема FLEX10K содержит логические блоки ЛБ,
реконфигурируемые блоки памяти БП (от 3 до 20), стро-
ки (1) и столбцы (2) глобальной программируемой матри-
цы соединений и элементы ввода/вывода ЭВВ, подсоеди-
WsS Электроника------------------------------- 502
Ян**
ненные к концам строк и столбцов. Имеются глобальные
цепи управления, синхронизации и управления вводом/
выводом. Блоки памяти БП (EAB, Embedded Array Blocks)
представляют собой статические ОЗУ и состоят из моду-
ля памяти, локальной матрицы соединений, буферных
регистров и программируемых мультиплексоров. БП рас-
положены в центре каждой строки матрицы логических
блоков.
Блок памяти используется не только как блок памяти,
но и позволяет реализовать различные устройства, как
АЛУ, сумматоры, перемножители, имеющие высокое бы-
стродействие (до 100 МГц).
Логический блок ЛБ содержит логическую матрицу
соединений и 8 логических элементов.
Каждый логический элемент содержит четырехвходо-
вый табличный функциональный преобразователь (часто
используют понятие четырехвходовой таблицы переко-
дировок — LUT, Look-Up Table), схемы ускоренного перено-
са и каскадирования, программируемый триггер, схему уп-
равления триггером и программируемые мультиплексоры.
Табличный функциональный преобразователь реализу-
ет логические функции с малыми задержками.
Триггер, который может функционировать как RS-,
JK-, D-, Т-триггер, используется или как отдельный эле-
мент, или совместно с комбинационной частью логиче-
ского элемента.
Расширить функциональные возможности логических
элементов можно, используя схемы переноса и каскади-
рования.
Число логических элементов в различных микросхемах
семейства FLEX10K составляет от 576 до 12160.
Выводы микросхем могут управлять или управляться
сигналами с уровнями 2,5 В, 3,3 В или 5 В.
503 -------------------Цифровая электроника
Следует отметить, что структура микросхем FLEX10K
похожа на структуру типа FPGA, поэтому часто микросхе-
мы этого семейства относят к ПЛИС типа FPGA.
Однако они сохранили ряд качеств, присущих преды-
дущим ПЛИС типа CPLD. Кроме того, глобальная матри-
ца соединений имеет непрерывную структуру, что типич-
но для ПЛИС типа CPLD, поэтому их и относят к
комбинированным ПЛИС.
Увеличение интеграции современных программируе-
мых логических интегральных схем, расширение их фун-
кциональных возможностей, повышение быстродействия,
развитие и разнообразие их архитектур привело к тому, что
стало возможным разместить на одном кристалле целую
электронную систему, например, память, процессор, ин-
терфейсные схемы и т. п.
Такие микросхемы стали называть «система на кристал-
ле» (SOC, System On Chip).
Особенностью таких систем является то, что они, по-
мимо областей, в которых путем программирования мож-
но реализовать различные функциональные устройства,
содержат специализированные области с заранее опреде-
ленными функциями. В таких специализированных обла-
стях реализованы блоки, которые используются в элект-
ронных системах разного назначения. Это прежде всего
ОЗУ, а также умножители и т. п.
Наличие таких аппаратных специализированных бло-
ков уменьшает, как правило, в несколько раз площадь
кристалла, занимаемую ими, и повышает быстродействие,
однако очевидно, что при этом сужаются функциональ-
ные возможности ПЛИС.
К ПЛИС типа SOC относятся семейства АРЕХ20К
фирмы Altera, Virtex фирмы Xilinx, ProASIC500K фирмы
Actel и др.
Так, ПЛИС семейства АРЕХ20К сочетают в себе дос-
тоинства ПЛИС типа FPGA и CPLD. В состав микросхе-
Электроника----------------------- 504
мы также входят модули памяти и макроячейки, имеющие
программируемую матрицу И и параллельный логический
расширитель.
Логические элементы данного семейства похожи на
логические элементы FLEX10K. В состав логического бло-
ка входит 10 логических элементов, а логические блоки
объединяются в мегаблоки (Mega LAB), имеющие соб-
ственные непрерывные матрицы соединений.
В различных микросхемах семейства АРЕХ20К содер-
жится от 26 до 264 встроенных блоков памяти, от 4160 до
42240 логических элементов, от 416 до 4224 макроячеек,
от 252 до 780 выводов пользователя, а максимальное чис-
ло эквивалентных вентилей достигает 2670000.
3.8. АРИФМЕТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
В разделе 3.4 уже были рассмотрены некоторые ариф-
метические устройства, а именно параллельные суммато-
ры и вычитатели, которые были реализованы в виде ком-
бинационных цифровых устройств. Однако существует
большое разнообразие арифметических устройств, кото-
рые представляют собой, в частности, комбинацию пос-
ледовательностных и комбинационных устройств. В этом
разделе будут рассмотрены устройства суммирования, ум-
ножения, а также арифметико-логические устройства, ко-
торые могут осуществлять как арифметические, так и ло-
гические операции над входными данными.
3.8.1. Последовательный сумматор
В ранее рассмотренных параллельных сумматорах при
суммировании многоразрядных двоичных чисел для каж-
дого двоичного разряда нужен отдельный полный сумма-
505
Цифровая электроника.
тор. В последовательном сумматоре используется один пол-
ный сумматор совместно с регистрами сдвига. Схема тако-
го сумматора приведена на рис. 3.147.
Изображенные на рис. 3.147 регистры сдвига не входят
непосредственно в схему сумматора, а предназначены для
подачи на вход полного сумматора разрядов слагаемых,
начиная с младшего (RG1 и RG2) и выдачи результатов
сложения (RG3). Регистры RG1 и RG2 могут быть с па-
раллельными или последовательными входами и, следо-
вательно, складываемые многоразрядные числа в них мо-
гут загружаться либо параллельно, либо последовательно.
Регистр RG3 может быть либо с параллельным, либо с
последовательным выводом информации и в нем накап-
ливается сумма двух чисел. Обычно регистры RG1 и
RG2 — сдвиговые регистры с параллельным вводом, а ре-
гистр RG3 — регистр сдвига с параллельным выводом ин-
формации. D-триггер выполняет роль элемента задержки
и первоначально сброшен. На первом тактовом импульсе
Ти складываются значения младших разрядов чисел До и
Во и сумма So поступает в регистр суммы RG3. На следу-
ющем тактовом импульсе складываются следующие раз-
ряды чисел А( и В( и сигнал переноса, поступающий на
вход переноса Рда полного сумматора с выхода триггера за-
держки D. Результат Sj также поступает в регистр суммы
RG3 и т. д.
WsBr Электроника------------------------------- 506
Таким образом, в данном устройстве при поступлении
каждого тактового импульса складываются только по од-
ному разряду входных чисел, которые последовательно
подаются на входы полного сумматора SM из регистров
сдвига RG1 и RG2. Именно поэтому данная схема назы-
вается последовательным сумматором. Очевидно, что
именно из-за последовательного характера работы такой
сумматор является сравнительно медленно действующим
устройством. Однако достоинством последовательного
сумматора является малое число элементов (необходимо
иметь всего лишь один полный сумматор).
Микросхема 555ИМ7 выполнена по технологии ТТЛШ
и представляет собой четыре последовательных однораз-
рядных сумматора — вычитателя с общим тактовым сиг-
налом и инверсным потенциальным сбросом.
3.8.2. Накапливающий сумматор
Такой сумматор называют также сумматором-накопи-
телем, и алгоритм его работы заключается в том, что к со-
держимому сумматора добавляется очередное слагаемое и
полученный результат заменяет старое значение суммы.
Он состоит из комбинационного сумматора и регистра.
Пример накапливающего четырехразрядного сумматора
приведен на рис. 3.148.
В исходном состоянии сумматор и регистр сброшены,
т. е. на всех их выходах установлены нулевые состояния.
Если на вход сумматора SM подать четырехразрядное чис-
ло А, то по приходу первого импульса синхронизации СИ,
подаваемого на вход синхронизации регистра, это число
запишется в регистр RG и, следовательно, с его выхода
поступит на входы Bi сумматора и на выходе сумматора
появится число 2А. По приходу второго тактового импуль-
са число 2А запишется в регистр и на выходе сумматора
Рис. 3.148
появится число ЗА и т. д. Таким образом, в накапливаю-
щем сумматоре (на выходе регистра) постепенно нарастает
число п-А (где п — число тактов или импульсов синхро-
низации, подаваемых на вход синхронизации регистра).
Учитывая особенности функционирования, накапливаю-
щие сумматоры иногда называют аккумуляторами.
Очевидно, что как только накопленная сумма превы-
шает объем сумматора, равный 2N — 1 (где N — число раз-
рядов суммируемых чисел), то на выходе переноса сумма-
тора Р4 появится сигнал логической «1». Таким образом,
на выходе переноса Р4 логическая «1» появляется после
прихода m тактовых импульсов (где m = 2N/A), т. е. час-
тота следования импульсов на выходе переноса Р4 равна
F=l/m=A/2N, т. е. пропорциональна числу А на входе сум-
матора.
Это свойство накапливающего сумматора преобразовы-
вать входное число А в частоту импульсов на выходе Р4
используют, например, в электронных музыкальных ин-
струментах, музыкальных игрушках, звонках и т. д.
Различные включения накапливающего сумматора по-
зволяют производить различные преобразования, напри-
Электроника----------------------------- 508
мёр, производить умножение числа на некоторый коэф-
фициент, реализовывать квадратичный накопитель и т. д.
3.8.3. Двоичные умножители
Операции умножения играют большую роль в различ-
ных цифровых устройствах обработки информации, а вре-
мя их выполнения в значительной степени определяет
быстродействие таких систем.
Умножать числа можно путем многократного сложе-
ния. Например, чтобы получить произведение (7x3 = 21),
необходимо найти сумму трех одинаковых слагаемых, каж-
дое из которых равно множимому (7), т. е. 7 + 7 + 7 = 21,
где 7 — множимое, 3 — множитель, а 21 — произведение.
Структурная схема умножителя, реализующего способ
многократного сложения, приведена на рис. 3.149.
Рис. 3.149
Рассмотрим умножение двоичного числа 111 (десятич-
ный эквивалент равен 7) на двоичное число 011 (десятич-
ный эквивалент равен 3).
Вначале с помощью схемы управления СУ регистр про-
изведения и сумматор SM очищаются («обнуляются»), а в
регистр множимого и вычитающий счетчик загружаются
509 -------------------- Цифровал электроника
множимое (111) и множитель (011) соответственно. Состо-
яние регистра произведения в исходном состоянии —
00000.
После первого этапа счета, т. е. после уменьшения за-
писанного значения в вычитающем счетчике на единицу
(состояние счетчика будет 010) в регистре произведения
появляется число 111 (десятичное число 7). Это число по-
ступает на вход сумматора, где во время второго такта
складывается с множимым, и после второго такта в реги-
стре произведения появляется число OHIO (десятичное
число 14), а уменьшенное состояние вычитающего счет-
чика соответствует 001 (десятичное число 1). После третьего
этапа в регистре произведения появляется полное произ-
ведение 10101 (десятичное число 21), состояние вычитаю-
щего счетчика соответствует 000 (десятичное число 0) и
процесс вычисления произведения двух двоичных чисел
111 и ОН (десятичные числа 7 и 3) завершен. Следует об-
ратить внимание, что основой данного умножителя явля-
ется рассмотренный нами ранее накапливающий сумма-
тор, построенный на сумматоре и регистре произведения.
Процесс умножения больших чисел путем многократ-
ного сложения занимает слишком много времени. Из вы-
шеизложенного следует, что это время определяется чис-
лом тактов сложения, которое равно множителю.
Более быстродействующим способом умножения явля-
ется способ сложения со сдвигами (способ сдвига и сло-
жения). Для облегчения понимания сути процесса умно-
жения рассмотрим процесс умножения двоичных чисел
111 и 011 (десятичные числа 7 и 3).
Из анализа данного примера (рис. 3.150), выполняемо-
го способом сдвига и сложения, следует, что:
1. Частичное произведение всегда равно множимому,
если соответствующий разряд множителя равен «1»,
и равно 000, если соответствующий разряд множи-
теля равен «0».
ggS Электроника----------------------------- 510
pr
2. При сложении каждое последующее частичное про-
изведение сдвигается влево по отношению к преды-
дущему.
yl 1 1 — множимое
О 1 1 — множитель
111 — Первое частичное произведение
111 — Второе частичное произведение
ООО_________ — Третье частичное произведение
10 10 1 Полное произведение
Рис. 3.150
Упрощенная структурная схема умножителя, реализу-
ющего такой способ, приведена на рис. 3.151.
Рассмотрим подробно процесс умножения, который
приведен на рис. 3.152. На этом рисунке показано состо-
яние выходов регистра произведения RG3 на каждом эта-
пе процесса умножения.
511
Цифровая электроника
Ов Qs 04 Оз Ог Qi
1 этап 0 0 0 0 0 0
2 этап 0 0 0 1 1 1 Первое частичное произведение
3 этап 0 0 1 1 1 0 Число А на входах SM (второе частичное произведение)
0 1 0 1 0 1 Сумма первого и второго частичных произведений
4 этап 0 1 0 1 0 1 Окончательный результат
Рис. 3.152
На первом этапе множимое А загружается в регистр
RG1, множитель В — в регистр RG2,a регистр произведе-
ния RG3 очищается, т. е. на всех его выходах Qj появля-
ются логические нули. На втором этапе, поскольку в млад-
шем разряде множителя «1», происходит запись в RG3
результата сложения в сумматоре SM содержимого реги-
стра RG3 (000000) и содержимого RG1 (000111). Сложе-
ние двух шестиразрядных чисел (000000 и 000111) дает ре-
зультат сложения (000111), которыый появляется на
выходах RG3. На третьем этапе происходит сдвиг содер-
жимого RG1 на один разряд вниз и появляющееся на его
выходах число (001110) складывается в сумматоре с содер-
жимым RG3, т. е. в сумматоре происходит сложение двух
чисел: 001110 и 000111.
Поскольку второй разряд множителя является логиче-
ской «1», то схема управления СУ разрешает записать этот
результат в регистр RG3 и на его выходах появляется число
010101. Нетрудно видеть, что это число является суммой
приведенных на рис.. 3.150 первого и второго частичных
произведений. Затем на четвертом этапе происходит сдвиг
вниз содержимого RG1 и на его выходах появляется чис-
ло 011100, которое в сумматоре складывается с содержимым
RG3, но поскольку в старшем разряде множителя содер-
жится «0», то схема управления не разрешает изменения со-
держимого регистра RG3 и имеющееся на его выходе чис-
Электроника----------------------------- 512
ло 010101 является окончательным результатом перемно-
жения множимого 111 и множителя 011 и на этом процесс
умножения заканчивается.
Несмотря на то, что умножитель, реализующий умно-
жение способом сложений со сдвигами, значительно бо-
лее быстродействующий, чем умножитель, реализующий
многократное сложение, тем не менее требуется значи-
тельное время для выполнения операции умножения.
Наибольшее быстродействие обеспечивают умножители,
построенные на основе комбинационных схем.
Структура математических выражений, описывающих
операцию умножения, определяет структуру таких умно-
жителей.
Рассмотрим способ построения комбинационного ум-
ножителя на примере умножения двух четырехразрядных
двоичных чисел (рис. 3.153).
27 2е 25 г4 23 г2 21 2° - веса разрядов
Аз X Вз а2 в2 А1 В1 Ао Во
А3*В0 а2*в0 АрВ0 АрВо
Aj-Bj а2-В1 Aj.Bj А0’В1
а3-в2 А2*В2 Ai-B2 Aq*B2
Аз«Вз а2*в3 АрВз Ао*В3
₽7 Рб Ps Р4 Рз Р2 Р1 Ро
Рис. 3.153
Таким образом, произведение двух двоичных чисел А,
и Ву (где / = 0...(/и — 1) и j = О...(п — 1), a m и п — разряд-
ность чисел) выражается числом Рт+л= Pm+„_i Рт+л-2—Ро-
Принципиальная схема умножителя, реализующая дан-
ную структуру, приведена на рис. 3.154.
Первый член произведения Ро = Aq • Во вырабатывает-
ся с помощью элемента И. Второй член произведения Р]
равен сумме А] • Во и Ад В], которая вырабатывается с по-
мощью двух логических элементов И и сумматора. Про-
изведение Р2 представляет сумму А2 • Во, А, • В, и Aq • В2 и
для его вычисления требуется две операции сложения. Для
вычисления Р3 требуется три операции сложения. Анало-
гичным образом вычисляются Р4 и Р5. Произведение Рб
образуется путем сложения А3 • В3 с битом переноса, об-
разующимся при сложении предыдущих бит.
При этом может возникнуть перенос, который будет
действовать в качестве восьмого члена произведения Р7.
Таким образом, при умножении двух четырехразрядных
чисел получим восьмиразрядное двоичное число.
Такие умножители называют матричными умножителя-
ми. Такое название станет понятным, если построить ум-
ножители на основе одноразрядных полных сумматоров.
17 Электроника
Жаег Электроника---------------------------- 514
Структура таких умножителей является регулярной (похо-
жей на матрицу) и может быть расширена до любых раз-
рядностей перемножаемых двоичных чисел. Умножители
с выводами для расширения иногда называют матрично-
суммирующими умножителями. Для построения, напри-
мер, матрично-суммирующих умножителей чисел равной
разрядности п требуется п2 одноразрядных сумматоров и
столько же двухвходовых элементов И.
3.8.4. Двоичное деление
Для деления можно использовать тот же самый алго-
ритм, что и в десятичной системе, который обычно назы-
вают «делением в столбик», причем для двоичных чисел
этот процесс проще, поскольку приходится иметь дело
лишь с двумя числами: 0 и 1.
Обычно в цифровых системах промежуточные опера-
ции вычитания осуществляются с использованием допол-
нительных кодов, т. е. вычитаемое представляется в допол-
нительном коде, а затем суммируется с уменьшаемым.
3.8.5. Арифметико-логическое
устройство
Арифметико-логические устройства (АЛУ или в анг-
лийской аббревиатуре ALU—Arithmetic Logic Unit) являют-
ся составной частью любого микропроцессора и выполня-
ют над двоичными числами (словами) ряд математических
и логических операций.
Основное назначение АЛУ заключается в приеме дан-
ных, хранящихся в памяти, и осуществление над ними
арифметических и логических операций под действием
устройства управления. Поясним это с помощью следую-
щей упрощенной схемы (рис. 3.155).
515
Цифровая эмкгпроника
Рис. 3.155
АЛУ содержит комбинационные логические схемы,
составляющие ядро АЛУ, и как минимум два регистра.
Один из регистров является накапливающим регистром
(аккумулятором) и представляет собой рассмотренный
выше накапливающий сумматор.
Рассмотрим, например, как происходит сложение чис-
ла из конкретной ячейки памяти с числом из накаплива-
ющего регистра. Устройство управления получает из запо-
минающего устройства команду на такую операцию.
Сначала число, которое надо прибавить, передается из па-
мяти в регистр В. Затем оно по команде из устройства уп-
равления складывается с числом из накапливающего ре-
гистра, а результат записывается в накапливающий регистр.
По завершении этого процесса результат сложения может
быть передан в память или к нему, аналогичным образом
может быть прибавлено новое число из памяти, и новый
результат вновь будет занесен в накапливающий регистр.
Таким образом, регистр А накапливает или «аккумулиру-
ет» полученные результаты и поэтому его часто называют
«аккумулятором».
Жж Электроника-------------------------------- 516
Очевидно, что арифметические и логические операции
осуществляются в ядре АЛУ, и далее мы это подробно рас-
смотрим. Причем ядро АЛУ часто выпускаются в виде от-
дельных интегральных схем и их также называют АЛУ
Обычно АЛУ четырехразрядны, выпускаются в виде
интегральных схем и при необходимости наращивания раз-
рядности объединяются с формированием последователь-
ных или параллельных переносов. Несмотря на различные
технологии изготовления АЛУ (ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ) их
возможности сходны. АЛУ выполняют над двоичными чис-
лами арифметические и логические операции, перечень
которых приведен в следующей таблице (рис. 3.156).
№ п/п Состояние ВХОДОВ Si Логические операции (М = 1) Арифметико-логические операции (М = 0)
1 0000 А А + Со
2 000 1 А V В А V В + Со
3 00 10 А V В А V В + Со
4 00 1 1 0 1+Со
5 0 100 А А В А +АА Б + Со
6 0 10 1 В AV В + А АВ + Со
7 0 1 1 0 а е в А + Б + Со
8 0 111 А V В А А Б + 1 + Со
9 1000 А V В А + А А В + Со
10 100 1 А @ В А + В + Со
11 10 10 В AvS + AAB + Co
12 10 11 А А В А А В + 1 + Со
13 1100 1 А + А + Со
14 110 1 А V В А V В + А + Со
15 1110 А V В A VB + А + Со
16 1111 А А + 1 + Со
Рис. 3.156
В данной таблице приняты следующие обозначения:
+ — арифметическое сложение; v — логическое сложе-
517
Цифровая электроника Шз»
ние (дизъюнкция); л — логическое умножение (конъюн-
кция);©— логическая операция «исключающее ИЛИ»; А
и В — четырехразрядные входные числа (слова); S} — раз-
ряды четырехразрядного слова S выбора операций; вход М
(Mode), сигнал на котором задает тип выполняемых опе-
раций (логических при М = 1 или арифметико-логических
при М = 0); Со — вход переноса (входной перенос посту-
пает в младший разряд слова, т. е. равен ОООСо); под обо-
значениями 1 и 0 подразумевают четырехразрядные чис-
ла 1111 и 0000.
В АЛУ реализованы все 16 возможных логических опе-
раций над двумя переменными А и В. В арифметико-ло-
гических операциях встречаются одновременно и логичес-
кие и арифметические операции. Следует подчеркнуть,
что логические операции в АЛУ осуществляются пораз-
рядно. При выполнении арифметических операций АЛУ
представляет собой четырехразрядный сумматор с парал-
лельным переносом.
Рассмотрим в качестве примера выполнение в АЛУ
операций под номером 6, причем будем считать, что на
входе переноса Со действует сигнал логического нуля, т. е.
Со = 0. Тогда при М = 1 реализуется логическая функция
F = В, т. е. осуществляется поразрядное инвертирование
входной переменной В и на четырех выходах АЛУ появ-
ляется четырехразрядный результат этой операции.
При М = 0 в результате выполнения арифметико-ло-
гических операций реализуется следующая функция F:
F = AvB + AaB.
Вначале поразрядно выполняются операции инверти-
рования (В), логического сложения (A v В) и логического
умножения (А л В), а затем полученные в результате ло-
гического сложения и логического умножения два четы-
рехразрядных числа складываются арифметически. АЛУ
может осуществлять сравнение двух переменных А и В на
равенство и имеет соответствующий вывод FA=B с откры-
тым коллектором.
Электроника --------------------------- 518
* АЛУ имеет выход переноса Сп, используемый при по-
следовательном соединении АЛУ для наращивания раз-
рядности, а также дополнительные выходы G и Р, исполь-
зуемые при параллельном соединении АЛУ для
наращивания разрядности входных переменных.
Так микросхема 1533ИПЗ (рис. 3.157) является четы-
рехразрядным АЛУ, изготовляемым по ТТЛШ-технологии.
Микросхема 564ИПЗ является четырехразрядным АЛУ,
выполненным по КМОП-технологии.
Рассмотрим в качестве примера наращивание разряд-
ности для получения восьмиразрядного АЛУ путем по-
следовательного соединения двух четырехразрядных АЛУ
(рис. 3.158).
Поскольку выходы Fa=b выполнены с открытым кол-
лектором, то они соединяются по схеме «монтажное И»
для получения восьмиразрядной функции равнозначнос-
ти двух восьмиразрядных чисел А7А6А5А4А3А2А1А0 и
В7В6В5В4В3В2В1 Bq.
Рис. 3.159
При большом числе разрядов время выполнения опе-
раций возрастает из-за большого числа переносов из раз-
ряда в разряд. Для ускорения этого процесса используют
параллельный (ускоренный) перенос при наращивании
разрядности АЛУ, для чего используются устройства уско-
ренного переноса. В английской аббревиатуре они обозна-
чаются CRU (Carry Unit).
Так, например, микросхема
1533ИП4 (рис. 3.159) представля-
ет собой устройство ускоренного
переноса для обслуживания четы-
рех АЛУ.
На рис. 3.160 приведена схема
шестнадцатиразрядного АЛУ, по-
строенная с использованием схе-
мы ускоренного переноса.
Для упрощения восприятия схе-
мы входы для подачи переменных
А и В, а также управляющих сигна-
Рис. 3.160
лов М и S на рис. 3.160 не показаны. Управляющие входы
М и S должны быть соединены так же как и на рис. 3.158.
3.9. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ
И АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ
3.9.1. Амплитудные ограничители
Различают односторонние и двусторонние амплитуд-
ные ограничители.
Односторонний ограничитель — это устройство, напря-
жение на выходе которого Ueblx(t) остается на постоянном
уровне U0Tp, когда входное напряжение Uex(t) либо превы-
шает некоторое пороговое значение (7пор (ограничение
сверху), либо ниже порогового значения (ограничение
снизу). Иначе выходное напряжение повторяет форму
входного.
Двусторонние ограничители ограничивают сигнал на
двух уровнях.
На рис. 3.161, а приведены передаточная характеристи-
ка и графики входного и выходного напряжений для од-
ностороннего ограничителя сверху, на рис. 3.161, б — для
одностороннего ограничителя снизу, а на рис. 3.161, в —
для двустороннего ограничителя.
Наиболее простыми являются ограничители на диодах
(диодные ограничители).
Диодные ограничители бывают последовательные и
параллельные. В последовательных ограничителях диод
включен последовательно с нагрузкой, а в параллель-
ных — параллельно нагрузке.
Рассмотрим идеализированную схему последователь-
ного диодного ограничителя (рис. 3.162). До тех пор пока
входное напряжение меньше Ео, диод закрыт и ивых рав-
но Eq. В промежутках времени, когда входное напряжение
превышает Eq, диод открыт и £/вых повторяет U^. Таким об-
разом, рассмотренный ограничитель является последова-
тельным диодным ограничителем на положительном
уровне снизу.
Рис. 3.161
Практически используемая схема рассмотренного огра-
ничителя приведена на рис. 3.163. Она позволяет регули-
ровать уровень ограничения, сделав одно из сопротивле-
ний 7?] или R2 переменным. Данную схему можно
преобразовать в предыдущую, применив теорему об экви-
валентном генераторе. Тогда RH и Ео будут иметь следую-
щие значения: RH — Л, || R2, Ео = Е- RJiRi + Л2).
Рассмотрим принцип действия параллельного диодно-
го ограничителя (рис. 3.164). Лишь в промежутках време-
ни, когда входное напряжение меньше напряжения — Ео,
диод открыт (его при анализе можно заменить закорот-
кой) и 11вых равно — Е. Во все остальные моменты време-
ни диод закрыт (его при анализе можно заменить разры-
вом цепи) и ивых повторяет Uex. Таким образом, данный
ограничитель является параллельным диодным ограничи-
телем на отрицательном уровне снизу.
Электроника
524
Рис. 3.163
Рис. 3.164
525 -------------------Оцифровал электроника WaBr
Рассмотрим работу параллельного ограничителя в слу-
чае, когда сопротивление нагрузки соизмеримо с балласт-
ным сопротивлением (рис. 3.165).
Исходная схема (рис. 3.165, а) по теореме об эквивалент-
ном генераторе преобразуется в эквивалентную схему (рис.
3.165, б), в которой ограничивается уже не входное напря-
жение, а эквивалентное, являющееся результатом деления
входного напряжения между сопротивлениями Rq и Rh.
Ugx3 = Uax-RH/{RU + R$), R3 = Ло1|Ля. Диаграммы работы это-
го ограничителя приведены на рис. 3.166. В момент нача-
ла ограничения (Г,) входное напряжение будет соответ-
ствовать некоторому напряжению —
Рис. 3.165
Рассмотрим двусторонний диодный ограничитель
(рис. 3.167), который является комбинацией двух парал-
лельных односторонних диодных ограничителей. Из ана-
лиза схемы видно, что диод Dj открыт лишь в промежут-
ках времени, когда входное напряжение меньше —Е1 и
ивых на этом промежутке ограничивается на уровне — Е\.
Диод D2 открыт лишь в промежутках времени, когда Uex
больше, чем Ej, и в этих промежутках времени ивых огра-
ничивается уровнем
Широкое распространение нашли ограничители амп-
литуды, построенные на основе ОУ. Рассмотрим некото-
рые из них. На рис. 3.168, а приведена схема односторон-
него ограничителя на основе ОУ, на рис. 3.168, б —
передаточная характеристика ограничителя, а на рис.
3.168, в — временные диаграммы его работы.
Основой данного ограничителя является инвертирую-
щий усилитель на основе ОУ. В промежутках времени,
когда напряжение ивых отрицательное или меньше, чем
64?+ Ua, диод закрыт (его при анализе можно заменить раз-
рывом цепи) и устройство работает как обычный инвер-
тирующий усилитель (U„ — напряжение стабилизации
стабилитрона, UR — прямое падение напряжения на дио-
де). В промежутках времени, когда напряжение Uex выше
уровня £/ст+£/д, диод открыт, а стабилитрон находится в
режиме стабилизации и напряжение ивых ограничивается
на уровне и„+ия. Входное напряжение Ulf при котором
начинается ограничение выходного, определяется выра-
жением
Ul = ~(Uct+ Ua)/K,
где К= Ri/Ri-
Рассмотрим двусторонний ограничитель на основе ОУ
(рис. 3.169, а). Если к стабилитрону приложено прямое на-
пряжение, то он выполняет функции диода, и напряже-
ние Un? на нем достаточно мало (около 0,7 В). Поэтому
Рис. 3.168
при положительном выходном напряжении стабилитрон
СТ], выполняет функции диода, и как только выходное на-
пряжение достигает уровня tfCT2+ Цц>, оно ограничивается
на этом уровне (U„2 — напряжение стабилизации стаби-
литрона СТ2). При отрицательном выходном напряжении
стабилитрон СТ2 используется как диод. Как только на-
пряжение ивых достигает значения — ({7СТ]+{7Пр), оно огра-
529
Цифровая электроника
Рис. 3.169
Электроника-------------------------- 530
ничивается на этом уровне (рис. 3.169, б) (Цст1 — напря-
жение стабилизации стабилитрона CT0. Входные напря-
жения Ц и U2, при которых начинаются ограничения, оп-
ределяются выражениями
U1 = (+ Цф)/К, U2 = ~{U„2 + оу/к, где К = ЗД.
3.9.2. Цифроаналоговые
преобразователи
Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП, DAC —
Digital to Analog Converter) предназначены для преобразо-
вания цифровых сигналов в аналоговые. Они используют-
ся для формирования сигнала в виде напряжения или
тока, функционально связанного с управляющим кодом,
причем в большинстве случаев эта функциональная зави-
симость является линейной. ЦАП преобразует цифровой
(двоичный или двоично-десятичный) код в напряжение
или ток, значения которых пропорциональны цифровому
сигналу. Так, например, на вход четырехбитового ЦАП
могут поступать 16 различных двоичных чисел (24 = 16) и
каждому такому числу будет соответствовать строго свое
значение напряжения на выходе ЦАП или величина вы-
ходного тока. Очевидно, что с увеличением количества
входов ЦАП увеличивается количество возможных значе-
ний выходного параметра, а разность между двумя их со-
седними значениями уменьшается, т. е. формируется вы-
ходной сигнал, все более близкий к аналоговой величине.
Такое преобразование цифрового сигнала в аналоговый
необходимо, например, при восстановлении аналогового
сигнала, предварительно преобразованного в цифровой
сигнал для передачи на большое расстояние или хранения
(таким сигналом, в частности, может быть звук).
Другой пример использования такого преобразова-
ния — получение управляющего сигнала при цифровом
531 --------------------- Цифровая электроника
управлении устройствами, режим работы которых опреде-
ляется непосредственно аналоговым сигналом (что, в ча-
стности, имеет место при управлении двигателями).
ЦДЛ применяются в системах передачи данных, в изме-
рительных приборах (вольтметры, генераторы, цифровою
осциллографы и т. п.), в компьютерных системах (форми-
рование изображений на экранах дисплеев и т. п.), в радио-
локационной технике и во многих других областях.
К основным параметрам ЦАП относят разрешающую
способность, время установления, погрешность нелиней-
ности, погрешность смещения нуля и др.
Разрешающая способность — величина, обратная мак-
симальному числу шагов квантования. Иногда разрешаю-
щую способность ЦАП оценивают величиной шага кван-
тования, т. е. величиной выходного напряжения при
изменении входного кода на единицу младшего разряда.
Очевидно, что разрешающая способность тем выше, чем
больше разрядность ЦАП.
Время установления — интервал времени от пода-
чи кода на вход до момента, когда выходной сигнал вой-
дет в заданные пределы, определяемые погрешностью.
Погрешность нелинейности — максимальное отклоне-
ние графика изменения выходного напряжения от идеаль-
ной прямой во всем диапазоне преобразования.
Погрешность смещения нуля — значение, на которое
выходной сигнал смещается относительно нуля, когда
входной код соответствует нулю.
Все ЦАП классифицируют по ряду признаков: принци-
пу действия, по виду выходного сигнала, по характеру
источника опорного напряжения, по полярности выход-
ного сигнала и др.
Кроме этого ЦАП подразделяют по количеству входных
разрядов, элементной базе, времени установления, по-
требляемой мощности, напряжению питания и т. п.
Швег Электроника ----------------------------- 532
По принципу действия наибольшее распространение
получили ЦАП с суммированием токов, делением напря-
жений и суммированием напряжений.
По виду выходного сигнала все ЦАП разделяют на ЦАП
с токовым выходом и ЦАП с выходом по напряжению.
По характеру источника опорного напряжения разли-
чают ЦАП с постоянным опорным напряжением и с из-
меняющимся опорным напряжением.
По полярности выходного сигнала ЦАП подразделяют
на одно- и двухполярные.
Как и рассматриваемые ниже аналого-цифровые пре-
образователи (АЦП), ЦАП являются «связующим звеном»
между аналоговой и цифровой электроникой. Существу-
ют различные принципы построения ЦАП.
Рассмотрим наиболее используемые из них. На рис. 3.170
приведена схема ЦАП с суммированием весовых токов.
Ключ S5 замкнут только тогда, когда разомкнуты все
ключи 5|...<У4 (при этом ивых = 0). Uo — опорное напряже-
ние. Каждый резистор во входной цепи соответствует оп-
ределенному разряду двоичного числа.
533 -------------------Цифровая электроника Жа®
По существу этот ЦАП — инвертирующий усилитель
на основе операционного усилителя. Анализ такой схемы
не представляет затруднений. Так, если замкнут один ключ
5„ то ивых = -и0-^-
что соответствует единице в пер-
вом и нулям в остальных разрядах.
Из анализа схемы следует, что модуль выходного напря-
жения пропорционален числу, двоичный код которого
определяется состоянием ключей Sp.-Sp Токи ключей
5р..54 суммируются в точке а, причем токи различных
ключей различны (имеют разный «вес»). Это и определя-
ет название схемы. Из вышеизложенного следует, что
ГЪ / Z ГС / 4 ГС / о
т.е. ^=^^-(854 + 4^ + 2^+^),
ГС
где Sj, i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответ-
ствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.
Состояние ключей определяется входным преобразуе-
мым кодом. Схема проста, но имеет недостатки: значитель-
ные изменения напряжения на ключах и использование
резисторов с сильно отличающимися сопротивлениями.
Требуемую точность этих сопротивлений обеспечить зат-
руднительно.
Рассмотрим ЦАП на основе резистивной матрицы R—2R
(матрицы постоянного сопротивления) (рис. 3.171). В схе-
ме использованы так называемые перекидные ключи
Si„.S4, каждый из которых в одном из состояний подклю-
чен к общей точке, поэтому напряжения на ключах неве-
лики. Ключ S5 замкнут только тогда, когда все ключи
£p..i$4 подключены к общей точке. Во входной цепи ис-
пользованы резисторы всего с двумя различными значе-
ниями сопротивлений.
Из анализа схемы можно увидеть, что и для нее модуль .
выходного напряжения пропорционален числу, двоичный
код которого определяется состоянием ключей 5Х...54.
Анализ легко выполнить, учитывая следующее. Пусть каж-
дый из ключей подключен к общей точке. Тогда, как
легко заметить, напряжение относительно общей точки в
каждой следующей из точек a...d в 2 раза больше, чем в
предыдущей. К примеру, напряжение в точке b в 2 раза
больше, чем в точке а (напряжения Ua, Ub, Ucw UdB ука-
занных точках определяются следующим образом: Ud= и0~,
Uc = U0/2; Ub = C/q/4; Ua = Z70/8). Допустим, что состояние
указанных ключей изменилось. Тогда напряжения в точ-
ках a...d не изменятся, так как напряжение между входа-
ми операционного усилителя практически нулевое.
Нетрудно видеть, что особенностью данной матрицы
является то, что при любом положении ключей
входное сопротивление матрицы всегда равно R, а следо-
вательно, ток, втекающий в матрицу от источника опор-
535 --------------------- Цифровая электроника
ного напряжения Uo, всегда равен /0 = UJR. Далее он по-
следовательно делится в узлах матрицы d, с, Ь, а по дво-
ичному закону.
Из вышеизложенного следует, что
ТТ — ТТ RO' Q Цр Дж
вых ° 2Л 4 2 2R
Ц) Дж с Ц) Дж с
4 ’ 2R Sz 8 ’ 2R
т. е. С7вых = -tfo • “ (SS4 + 4S3 + 2S2 + Sx),
где Sb i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответ-
ствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.
Рассмотрим ЦАП для преобразования двоично-деся-
тичных чисел (рис. 3.172).
Рис. 3.172
Для представления каждого разряда десятичного чис-
ла используется отдельная матрица R—2R (обозначены
прямоугольниками). обозначают числа, определен-
ные состоянием ключей каждой матрицы R—2R. Принцип
действия становится понятным, если учесть, что сопро-
тивление каждой матрицы R, и если выполнить анализ
фрагмента схемы, представленного на рис. 3.173.
Из анализа следует, что
^2 = ^1-----,
2 1 8,17? + R || 9R
Рис. 3.173
где R || 97? = -ff-9— = 0,97?.
R + 97?
Следовательно, U2 - 0,Ш]. С учетом этого получим
ивых = -Uo^ lO-3^O3 И3 +102 И2 +10-^ +Z0).
Таким образом, в рассмотренных схемах с помощью
операционного усилителя осуществляется преобразование
двоично-масштабированных токов в выходное напряже-
ние. Однако операционные усилители являются самыми
медленнодействующими частями ЦАП. Более высокое
быстродействие обеспечивают ЦАП с токовым выходом.
Токи в таких ЦАП можно сформировать с помощью мат-
рицы транзисторных источников тока с масштабирующи-
ми эмиттерными резисторами или используя матрицу
R—2R из эмиттерных резисторов. Рассмотрим оба эти ва-
рианта. На рис. 3.174 представлена схема четырехразряд-
ного ЦАП с матрицей R—2R, а на рис. 3.175 — ЦАП с мас-
штабирующими эмиттерными резисторами.
Преобразователь опорного напряжения в ток построен
на основе операционного усилителя ОУ, транзистора То и
образцового резистора 7?0, и опорный ток равен 70 = Щ/R^.
Напряжения на базах транзисторов источников разрядных
токов равны напряжению на базе транзистора То (все базы
транзисторов соединены), поэтому токи в них определя-
ются матрицей R—2R (рис. 3.174) или матрицей масшта-
бирующих (взвешенных) резисторов R...8R (рис. 3.175) и
удваиваются от транзистора к транзистору. Так, ток в тран-
зисторе ?! в два раза меньше, чем в транзисторе Т2, в 4 раза
537
Цифровая эмкгпроника
Рис. 3.175
меньше, чем в транзисторе Т3 и в 8 раз меньше, чем в тран-
зисторе Т4, т. е. ключ 51 соответствует младшему разряду
четырехразрядного двоичного числа, а 54 — старшему раз-
ряду. Если ключ ^ находится в левом положении, то это
соответствует единице в соответствующем z-м разряде
входного числа. Правое положение ключа 5, соответству-
ет нулю в этом i-м разряде. Таким образом, через транзис-
торы Т4—Т, протекают двоично-взвешенные токи и транзи-
сторы имеют соотношение площадей 8:4:2:1 соответственно.
Изменение этих токов от расчетных величин контролиру-
ется по току /0 транзистора То, который находится с тран-
зисторами Т4— Т{ в одинаковых температурных условиях.
При отклонении /0 от заданного значения на базы тран-
зисторов Т4—1\ будет подаваться сигнал коррекции, что
ЖаЕГ Электроника------------------------------- 538
приведет к восстановлению между ними исходного соот-
ношения 8:4:2:1.
Выпускаемые ЦАП часто содержат комбинированные
резистивные матрицы. Так, микросхема ЦАП типа
К594ПА1 представляет собой двенадцатиразрядный ЦАП
на комбинированной резистивной матрице и биполярных
транзисторах. В резистивной матрице использованы дво-
ично-взвешенные резисторы в старших разрядах с перво-
го по восьмой и матрица R—2R в младших разрядах с де-
вятого по двенадцатый. Матрица выполнена на отдельном
кристалле, входящем в микросхему, по тонкопленочной
технологии и при ее изготовлении используется лазерная
подгонка резисторов матрицы.
Если для ЦАП с токовым выходом требуется получить
выходное напряжение, то сделать это можно подключая
к его выходу внешний операционный усилитель с резис-
тором в цепи отрицательной обратной связи, аналогично
как в выше рассмотренных ЦАП (рис. 3.170—3.172). За-
частую этот (или эти) резисторы встроены в ЦАП. Так, в
ЦАП типа К594ПА1 имеются 2 прецизионных резистора
по 5 кОм каждый, и они могут включаться в цепь отрица-
тельной обратной связи внешнего операционного усили-
теля либо последовательно, либо параллельно, либо мо-
жет включаться один из резисторов. При этом выходное
напряжение будет изменяться в первом случае до 20 В, во
втором — до 5 В, а в третьем — до 10 В.
Как следует из анализа ранее рассмотренных ЦАП (рис.
3.170 и 3.171), их выходное напряжение пропорциональ-
но произведению опорного напряжения на входной циф-
ровой код. Это используют для построения умножающих
ЦАП, в которых отсутствует источник опорного напряже-
ния, но имеется вход для его подключения. Если на этот
вход умножающего ЦАП подавать переменное напряже-
ние, то на выходе ЦАП будет также переменное напряже-
ние, амплитуда которого определяется цифровым кодом
на входе ЦАП. Это обстоятельство используют для изме-
539
Цифровая элаопроникд.
нения величины переменного аналогового сигнала в за-
данное число раз, например, в цифровых аттенюаторах
различных приборов.
В умножающих ЦАП обычно применяются токовые
ключи на основе МДП-транзисторов в режиме малых на-
пряжений стока, что дает им возможность работать с
опорным напряжением произвольных знака и формы.
Выходное напряжение таких ЦАП также может быть как
положительным, так и отрицательным.
Применение рассмотренных ЦАП (с параллельной пе-
редачей данных) совместно с микропроцессорами приво-
дит к тому, что эти устройства занимают слишком много
портов микропроцессора. В этом случае можно использо-
вать последовательные ЦАП (ЦАП с последовательным
интерфейсом). Такие ЦАП часто имеют встроенный ре-
гистр сдвига данных, которые поступают на ЦАП в после-
довательном виде, а снимаются в параллельном. Следует
иметь в виду, что скорость передачи данных в таких ЦАП
ниже, чем в ЦАП с параллельной передачей данных.
ЦАП могут быть одно- и многоканальными. Многока-
нальная работа ЦАП обеспечивается либо объединением
в одной микросхеме нескольких идентичных ЦАП, рабо-
тающих независимо друг от друга, либо использованием
коммутатора каналов.
Наиболее распространенными являются ЦАП серий
микросхем 572, 594, 1108, 1118 и др. В табл. 3.1 приведе-
ны параметры некоторых ЦАП.
Так, микросхема К1108ПА1 представляет собой быст-
родействующий 12-разрядный ЦАП и согласуется с ТТЛ
схемами. Преобразует 12-разрядный параллельный код в
выходной униполярный или биполярный ток. В состав
микросхемы входят 12 токовых ключей, схема стабилиза-
ции тока ключей, резисторная матрица R—2R. Преобразо-
вание осуществляется по принципу суммирования двоич-
но-взвешенных токов. Применяется в быстродействующих
системах обработки информации, измерительной техни-
Электроника
540
Таблица 3.1
Тип схемы Число разрядов уСТ> МКС и0, в ^ПИт/^ПИТ» В/мА I вых» мА
К594ПА1 12 3,5 9+11 (5 + 15)/2,5 -15/3,5 2
К1108ПА1 12 0,4 2,2 +10,5 +5/15 -16/46 5
К572ПА1А 10 5 -17 ++17 (5 + 17)/2 1
К575ПА2А 10 15 -15 + +15 5/2 + 15/2 0,8
МАХ5352 12 14 внешний (4,5 + 5,5)/0,4 —
МАХ551 12 0,08 внешний (4,5 + 5,5)/5-10‘8 —
ке, системах автоматического регулирования, связи, про-
мышленного и вещательного телевидения.
В табл. 3.1 две последние микросхемы — это ЦАП фир-
мы Maxim с последовательным интерфейсом. Так, микро-
схема МАХ551 представляет собой 12-разрядный ЦАП с
выходом по току с напряжением питания 5 В, очень ма-
лым током потребления — 5 мкА и малым временем уста-
новления — 80 нс.
В тех случаях, когда необходимо уменьшить количество
разрядов используемых ЦАП, необходимо на нужное ко-
личество младших разрядов ЦАП подать логические нули,
т. е. подключить то или иное число младших разрядов
ЦАП к «земле».
3.9.3. Аналого-цифровые
преобразователи
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП, ADC —
Analog to Digital Convertor) — это устройства, предназна-
ченные для преобразования аналоговых сигналов в циф-
ровые.
541 --------------------1[ш£нювая электроника
Цифровой сигнал на выходе АЦП состоит из опреде-
ленного количества бит, которые соответствуют величине
входного аналогового сигнала.
Цифровые сигналы, имеющие всего два значения «О»
и «1», гораздо лучше защищены от воздействия различных
шумов, помех и наводок, чем аналоговые сигналы. Не-
большие воздействия различных шумов и помех обычно
не искажают цифровой сигнал, так как величины логичес-
кого «О» и «1» существенно отличаются друг от друга. Так,
для ТТЛ-схем напряжение от 0 до 0,8 В соответствует ло-
гическому «0», а напряжение от 2 до 5 В — логической «1».
Все значения напряжения, попадающие в эти диапазоны,
будут расцениваться как «0» или «1» соответственно, не-
зависимо от их конкретных значений.
Аналого-цифровое преобразование используется в раз-
личных измерительных системах, в устройствах генерации
и обработки сигналов, в компьютерных системах для хра-
нения и обработки цифровых сигналов в соответствии с
определенной программой и т. д.
Процесс аналого-цифрового преобразования обычно
более сложный, чем цифроаналоговое преобразование, и
занимает больше времени.
Для преобразования аналогового сигнала в цифровой
необходимо осуществить 3 операции: дискретизацию,
квантование и кодирование.
Дискретизация представляет собой преобразование
непрерывного (аналогового) сигнала x(t) в последователь-
ность отдельных его значений х(/(), соответствующих не-
которым фиксированным моментам времени t,.
Дискретизация аналогового сигнала может осуществ-
ляться с постоянным периодом дискретизации (равномер-
ная дискретизация) или с переменным периодом дискре-
тизации (адаптивная дискретизация). В подавляющем
большинстве случаев используется равномерная дискрети-
зация. Дискретизацию следует осуществлять с таким пе-
риодом, чтобы затем по полученной последовательности
Электроника.----------------------------- 542
сигналов можно было бы восстановить сигнал в аналого-
вой форме с требуемой точностью. Для этого частота дис-
кретизации должна по меньшей мере в два раза превышать
максимальную частоту в спектре преобразуемого аналого-
вого сигнала^/). Дискретизация осуществляется не мгно-
венно, а в течение конечного промежутка времени, что в
итоге приводит к появлению так называемой апертурной
погрешности.
После дискретизации аналогового сигнала осуществля-
ют его квантование и кодирование. При этом каждому
значению дискретизированного аналогового сигнала ста-
вится в соответствие определенный уровень квантования.
Уровни квантования образуются путем разбиения всего
диапазона изменения аналогового сигнала на рад участков,
каждому из которых присваивается определенный номер
(рис. 3.176). Эти номера кодируются заранее выбранным
кодом. Расстояние между двумя соседними уровнями кван-
тования называется шагом квантования h (рис. 3.176). Если
шаг квантования постоянен, то квантование является ли-
Рис. 3.176
543 --------------------- ‘Цифро&ая электроника
нейным, при изменении шага квантования осуществляет-
ся нелинейное квантование.
Характеристика идеального квантования имеет вид,
приведенный на рис. 3.177.
Аналоговый сигнал
Рис. 3.177
Квантование представляет собой округление аналого-
вой величины до ближайшего уровня квантования, т. е.
максимальная погрешность квантования равна ±0,5й (й —
шаг квантования).
Поскольку число уровней квантования конечно, а ана-
логовый сигнал может принимать любое значение в диа-
пазоне своего изменения, то очевидно, что процесс кван-
тования приводит к ошибке, называемой погрешностью
квантования. Для уменьшения погрешности квантования
необходимо увеличивать число уровней квантования, т. е.
число разрядов кода, которым обозначаются уровни кван-
тования.
Увеличение разрядности кода на единицу вдвое увели-
чивает число уровней квантования, т. е. вдвое снижает
погрешность квантования.
К основным характеристикам АЦП относят число раз-
рядов, время преобразования, максимальную частоту дис-
кретизации, нелинейность и др.
Жар Электроника •---------------------------- 544
Число разрядов — количество разрядов кода, связанного
с аналоговой величиной, которое может вырабатывать АЦП.
Часто говорят о разрешающей способности АЦП, которую
определяют величиной, обратной максимальному числу
кодовых комбинаций на выходе АЦП. Так, 10-разрядный
АЦП имеет разрешающую способность (210 = 1024)-1, т. е.
при шкале АЦП, соответствующей 10 В, абсолютное зна-
чение шага квантования не превышает 10 мВ.
Время преобразования /пр — интервал времени от мо-
мента заданного изменения сигнала на входе АЦП до по-
явления на его выходе соответствующего устойчивого
кода.
Максимальная частота дискретизации — частота пре-
образования входного сигнала, при котором погрешность
не выходит за заданные пределы. Этот параметр опреде-
ляет быстродействие АЦП.
Все существующие АЦП можно классифицировать:
1) по признаку измеряемого напряжения;
2) по способу осуществления операций дискретиза-
ции, квантования и кодирования.
АЦП первой группы подразделяются на АЦП мгновен-
ных значений напряжения и АЦП средних значений на-
пряжения (интегрирующие АЦП).
АЦП второй группы подразделяются на параллельные,
последовательные и последовательно-параллельные АЦП.
Рассмотрим АЦП с параллельным преобразованием вход-
ного аналогового сигнала. По параллельному методу вход-
ное напряжение одновременно сравнивают с п опорными
напряжениями и определяют, между какими двумя опорны-
ми напряжениями оно лежит. При этом результат получают
быстро, но схема оказывается достаточно сложной.
Рассмотрим принцип действия такого АЦП (рис. 3.178).
При Uex = 0, поскольку для всех ОУ разность напряжений
(U+ — U_) < 0 (U+, U_ — напряжения относительно общей
точки соответственно неинвертирующего и инвертирую-
щего входа), напряжения на выходе всех ОУ равны — Епит,
Рис. 3.178
а на выходах кодирующего преобразователя (КП) Zo, Zx,
Z2 устанавливаются нули. Если Uex > 0,5(7, но меньше
3/2 U, лишь для нижнего ОУ U+ — U_ > 0 и лишь на его
выходе появляется напряжение +£„„„, что приводит к по-
18 Электроника
Электроника----------------------------- 546
явлению на выходах КП следующих сигналов: Zo = 1,
Z2 = Z| = 0. Если Uex> 3/2U, но меньше 5/2 [/, то на выхо-
де двух нижних ОУ появляется напряжение +Е„ит, что
приводит к появлению на выходах КП кода 010, и т. д.
Такие АЦП являются АЦП мгновенных значений на-
пряжения и входной сигнал за время преобразования су-
щественно не изменяется. Для синхронизации момен-
тов формирования выходного кода компараторы обычно
делают стробируемыми. Параллельные АЦП являются са-
мыми быстродействующими и способны работать на час-
тотах дискретизации до 20 МГц и выше. Однако с увели-
чением числа разрядов уровней квантования на единицу
удваивается число компараторов и схема получается гро-
моздкой. Тем не менее такие преобразователи широко
используются при построении последовательно-парал-
лельных АЦП. Структурная схема 8-разрядного двухкас-
кадного последовательно-параллельного АЦП приведена
на рис. 3.179.
Такой АЦП работает в три такта. В первом такте осу-
ществляется грубое квантование входного сигнала и ре-
зультат этого квантования поступает на выход в качестве
старших разрядов 27...24. Во втором такте эти разряды с
помощью ЦАП преобразуются в напряжение, которое
Рис. 3.179
547 --------------------- Цифровая элелдпроншсд.
сравнивается со входным, и разность от этого сравнения
поступает на вход второго четырехразрядного АЦП2. В тре-
тьем такте осуществляется преобразование этой разности
в четыре младших разряда выходного кода. Очевидно, что
быстродействие такого компаратора в три раза меньше,
чем аналогичного параллельного, однако для его постро-
ения требуется и меньшее (в несколько раз) число компа-
раторов. Например, 8-битовый АЦП параллельного типа
должен иметь 28 = 256 уровня напряжения, включая ну-
левой уровень. Для этого требуется 28 — 1 = 255 компара-
тора (для формирования нулевого уровня отдельный ком-
паратор не требуется). Для построения двухкаскадного
последовательно-параллельного АЦП требуется всего
2 • (24 — 1) = 30 компараторов, т. е. в 8 с лишним раз мень-
ше. Количество каскадов в таких АЦП может быть увели-
чено, поэтому их часто называет многокаскадными или
конвейерными.
Перейдем к рассмотрению последовательных АЦП.
Рассмотрим конкретный вариант АЦП с последователь-
ным преобразованием входного сигнала (последовательно-
го счета), который называют АЦП со следящей связью (рис.
3.180). В АЦП рассматриваемого типа используются ЦАП
и реверсивный счетчик, сигнал с которого обеспечивает
изменение напряжения на входе ЦАП. Настройка схемы
Zq
Рис. 3.180
Электроника ----------------------------- 548
такова, что обеспечивается примерное равенство напря-
жений на входе и на выходе ЦАП — U. Если входное
напряжение t/ex больше напряжения (/на выходе ЦАП, то
счетчик переводится в режим прямого счета и код на его
выходе увеличивается, обеспечивая увеличение напряже-
ния на выходе ЦАП. В момент равенства Uexu Uсчет пре-
кращается и с выхода реверсивного счетчика снимается
код, соответствующий входному напряжению. Такой АЦП
является интегрирующим, так как преобразует не мгно-
венные значения входных напряжений, а их средние зна-
чения за время преобразования.
Помимо рассмотренного известны интегрирующие
АЦП последовательного преобразования, в которых вмес-
то реверсивного счетчика содержится обычный суммиру-
ющий счетчик. Работа такого АЦП полностью аналогична
рассмотренному АЦП, однако он является более медлен-
нодействующим АЦП, так как с началом каждого последу-
ющего преобразования необходимо обнулить счетчик.
В рассмотренном же АЦП, который по сути является
АЦП следящего типа, не нужно обнулять реверсивный
счетчик и его отсчет начинается от последнего записанно-
го значения в направлении, которое определяется сигналом
со схемы сравнения. Форма напряжения U с выхода ЦАП
будет содержать как возрастающие, так и убывающие уча-
стки, т. е. отслеживать входное напряжение Uex. Таким
образом, счет начинается не с нуля каждый раз, а продол-
жается от последнего записанного в счетчик значения, что
и приводит к уменьшению времени преобразования. Мак-
симальное время преобразования интегрирующего АЦП
равно
Тпр = (2»-1)ТИ,
где п — разрядность АЦП,
Ти — период следования импульсов.
Одним из наиболее распространенных типов АЦП яв-
ляются АЦП последовательного приближения (поразряд-
ного уравновешивания).
549 ---------------------Цифровая электронику WgBr
Структурная схема такого АЦП приведена на рис. 3.181.
В отличие от приведенного выше АЦП последовательно-
го счета в схему АЦП вместо счетчика введен регистр по-
следовательных приближений (РПП), что изменило алго-
ритм работы АЦП и позволило существенно уменьшить
время преобразования.
Рис. 3.181
В основе работы такого АЦП лежит принцип последо-
вательного приближения ко входной величине Um путем
ее сравнения с 1/2, 1/4,1/8 ... 1/2" ее максимального воз-
можного значения Un (п — разрядность выходного кода
АЦП). Обычно процесс начинается с установки всех раз-
рядов РПП в ноль. Затем, начиная со старшего разряда,
каждый разряд по очереди временно устанавливается в
«1». Если выходное напряжение ЦАП не превышает вели-
чины входного напряжения, то этот разряд остается в со-
стоянии «1», в противном случае он возвращается в «О».
Рассмотрим работу четырехразрядного АЦП с шагом кван-
тования 1 В при величине входного напряжения, равного
7 В. Временная диаграмма, поясняющая работу такого
АЦП, приведена на рис. 3.182. На этой диаграмме пока-
зано изменение напряжения на выходе ЦАП.
Вначале все разряды РПП устанавливаются в «О». На
следующем этапе в момент времени в старший разряд
регистра Z3 записывается «1», а в остальные разряды «О»,
Электронику
550
Рис. 3.182
т. е. в регистре устанавливается состояние 1000, что соот-
ветствует напряжению на выходе ЦАП, равному U= 8 В.
Так как U больше Uax, то регистр сбрасывается и в нем в
момент времени t2 устанавливается «1» в следующем за
старшим разряде 2^, а во всех остальных разрядах — «0»,
т. е. устанавливается состояние 0100, что соответствует
напряжению на выходе компаратора U = 4 В. Так как это
напряжение U меньше входного Uax, то «1» в разряде 2^
регистра сохраняется и в момент времени t3 устанавлива-
ется «1» в разряд Zj, т. е. в регистре устанавливается состо-
яние 0110, что соответствует 6 В на выходе ЦАП. Посколь-
ку это напряжение меньше входного, то «1» в разрядах
и Z] сохраняются, а в момент времени /4 «1» записывается
в младший разряд регистра, т. е. в регистре устанавли-
вается состояние 0111, что соответствует 7 В на выходе
ЦАП и на этом процесс преобразования заканчивается.
Обычно используемые на практике АЦП имеют боль-
шую разрядность, а следовательно, и более высокую раз-
решающую способность.
Очевидно, что время преобразования такого преобра-
зователя равно Гпр = п • TUt где п — разрядность АЦП, а
Тц— период следования импульсов.
551 --------------------‘Цифровая электроника
Так рассмотренный 4-разрядный АЦП последователь-
ного приближения будет в (2Л— 1)/л = 15/4 раз более бы-
стродействующим, чем АЦП последовательного счета
(преобразования).
Выигрыш по времени для десятиразрядных сравнива-
емых АЦП составляет примерно 100 раз.
(2й-1)/л= 1023/10= 102,3.
Благодаря этому своему основному преимуществу АЦП
последовательного приближения находят очень широкое
применение.
Метод последовательного преобразования реализуется и
в АЦП время — импульсного преобразования (АЦП с ге-
нератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)).
Принцип действия рассматриваемого АЦП (рис. 3.183)
основан на подсчете числа импульсов в отрезке времени,
в течение которого линейно изменяющееся напряжение
(ЛИН), увеличиваясь от нулевого значения, достигает
уровня входного напряжения Uex. Использованы следую-
щие обозначения: СС — схема сравнения, ГИ — генера-
тор импульсов, Кл — электронный ключ, Сч — счетчик
^ГИ
Рис. 3.183
WsSr Электроники------------------------------ 552
импульсов. Отмеченный во временной диаграмме момент
времени соответствует началу измерения входного на-
пряжения, а момент времени t2 соответствует равенству
входного напряжения и напряжения ГЛИН. Погрешность
измерения определяется шагом квантования времени.
Ключ Кл подключает к счетчику генератор импульсов от
момента начала измерения до момента равенства Uex и
Ц-лин- Через (7Сч обозначено напряжение на входе счет-
чика. Код на выходе счетчика пропорционален входному
напряжению. Одним из недостатков этой схемы является
невысокое быстродействие.
Рассмотренный АЦП относится к АЦП мгновенных
значений.
Рассмотрим АЦП с двойным интегрированием, кото-
рый также реализует метод последовательного преобразо-
вания входного сигнала (рис. 3.184).
Использованы следующие обозначения: СУ — система
управления, ГИ — генератор импульсов, Сч — счетчик
импульсов. Принцип действия АЦП состоит в определе-
нии отношения двух отрезков времени, в течение одного
из которых выполняется интегрирование входного напря-
553 ---------------------Цифровая электроники
жения Uex интегратором на основе ОУ (напряжение
выходе интегратора изменяется от нуля до максимальной
по модулю величины), а в течение следующего — интег-
рирование опорного напряжения 27ОП (£/и меняется от
максимальной по модулю величины до нуля) (рис. 3.185).
Пусть время интегрирования входного сигнала постоян-
но, тогда чем больше второй отрезок времени /2 (отрезок
времени, в течение которого интегрируется опорное на-
пряжение), тем больше входное напряжение. Ключ К3
предназначен для установки интегратора в исходное нуле-
вое состояние. В первый из указанных отрезков времени
ключ К1 замкнут, ключ К2 разомкнут, а во второй отрезок
времени их состояние является обратным по отношению к
указанному. Одновременно с замыканием ключа К2 им-
пульсы с генератора импульсов ГИ начинают поступать
через схему управления СУ на счетчик Сч. Поступление
этих импульсов заканчивается тогда, когда напряжение на
выходе интегратора оказывается равным нулю.
Напряжение на выходе интегратора по истечении от-
резка времени tt определяется выражением
иИ(ч)=

Используя аналогичное выражение для отрезка време-
ни /2, получим
/2 = -(RC/U^U^).
Электроника ---------------------------- 554
jp’’’
Подставив сюда выражение для Un(tx), получим
h ~ (^вх/^оп)6>
откуда Uвх = Uоп^-.
ч
Код на выходе счетчика определяет величину входно-
го напряжения.
Одним из основных преимуществ АЦП рассматривае-
мого типа является высокая помехозащищенность. Слу-
чайные выбросы входного напряжения, имеющие место в
течение короткого времени, практически не оказывают
влияния на погрешность преобразования. Кроме того, для
получения высокой точности преобразования не требует-
ся высокой точности применяемых элементов, стабильно-
сти тактовой частоты генератора импульсов. Недостаток
АЦП — малое быстродействие.
Для преодоления низкого быстродействия таких АЦП
используют АЦП быстрого (ускоренного) интегрирования.
Такой АЦП также является АЦП двойного (двухэтапного)
интетрирования и реализует процесс время — импульсно-
го преобразования. Однако разряд емкости интегратора
осуществляется ускоренным образом (рис. 3.186) в два
(или более) этапа.
555 --------------------Цифровая электроника
Вначале емкость разряжается большим током от значе-
ния £/и(О До а затем от значения Ux до нуля — мень-
шим током. Время разряда, как и в предыдущем случае,
измеряется путем подсчета тактовых импульсов, однако в
интервале + /2 подсчет ведется одним счетчиком, а в ин-
тервале t2 + /3 — другим счетчиком. Вес каждого разряда
первого счетчика превышает вес каждого разряда другого
счетчика, также как величина тока разряда в промежутке
времени t\ + /2 превышает величину тока в промежутке вре-
мени /2-s-13. В таких АЦП сокращается время разряда ин-
тегратора и повышается точность компарирования в кон-
це разряда.
К интегрирующим АЦП относятся АЦП с частотно-
импульсным преобразованием, в основе которых лежит
преобразование входного напряжения в пропорциональ-
ную ему частоту следования импульсов, которые потом
подсчитываются за определенный интервал времени.
Структурная схема такого АЦП приведена на рис.
3.187, а временные диаграммы работы — на рис. 3.188.
При помощи преобразователя напряжения в частоту
(ПНЧ), который является генератором, управляемым на-
пряжением (ГУН), входное напряжение Uex преобразуется
в частоту следования импульсов/пнч, причем^пич =
где к — постоянный коэффициент. Число импульсов N,
Рис. 3.187
556
^ги
^ПНЧ‘
Illi......
t
Рис. 3.188
содержащихся в любом из выбранных промежутков вре-
мени Ти, определяется следующим выражением:
N = "]*/пнч 'dt = k ^Ugx dt - к-Ти -Uexcp ,
z/ *i
где Uex ep --I Uex dt — среднее (на интервале преоб-
т« ;
разования Ги) значение входного напряжения.
Запись этих импульсов в счетчик и сброс счетчика в «О»
осуществляются импульсами с генератора импульсов ГИ.
Еще один подход в преобразовании аналогового напря-
жения в цифровую форму реализован в АЦП с сигма-дель-
та модуляцией (ЕА-модуляцией). В этом названии отра-
жается два процесса: интегрирование за малое время А и
сложение S результатов интегрирования.
557 --------------------'Цифровая электроника
В этом АЦП осуществляется дискретизация аналогово-
го сигнала с частотой во много раз большей, чем мини-
мальная частота дискретизации. Напомним, что мини-
мальная частота дискретизации должна быть по меньшей
мере в два раза выше максимальной частоты в спектре
преобразуемого сигнала. Такая супердискретизация (дис-
кретизация с повышенной частотой) позволяет интерпо-
лировать входное аналоговое напряжение Uex между теми
точками данных, где были взяты отсчеты с минимальной
частотой дискретизации. На выходе АЦП при этом фор-
мируется импульсный сигнал, содержащий варьируемое
количество «1» и «О» в зависимости от величины входно-
го сигнала. Причем следует подчеркнуть, что длительность
как «единичного», так и «нулевого» уровней строго крат-
на периоду тактовой частоты супердискретизации Тс. На
рис. 3.189 показана сущность сигма-дельта модуляции и
приведено соотношение между уровнями входного анало-
гового напряжения UexH. выходным сигналом, эквивалент-
ным входному напряжению.
На этом рисунке Тм — время, соответствующее мини-
мальной частоте дискретизации.
Таким образом, на выходе АЦП с дельта-сигмой моду-
ляцией формируется выходной сигнал, причем при преоб-
разовании положительных участков преобразуемого вход-
Электроника---------------------------- 558
ного напряжения он содержит большое число «1» (в нашем
примере формируется сигнал —111110111110111110), апри
преобразовании отрицательных участков — большое чис-
ло «0» (100001000010000100). Число единиц и нулей опре-
деляет величину входного преобразуемого сигнала.
Поскольку частота дискретизации выбирается очень
высокой, то восстановить преобразуемый сигнал можно
довольно просто, подавая полученный одноразрядный
поток данных (выходной сигнал) через фильтр низких ча-
стот, полоса пропускания которого соответствует полосе
частот преобразуемого сигнала. Однако для получения
более высокой точности восстановления используют дру-
гие, более точные методы.
При выборе АЦП следует обращать внимание на сле-
дующие факторы: точность или погрешность квантования;
быстродействие или время преобразования; необходимые
напряжения питания; наличие или отсутствие источника
опорного напряжения и генератора тактовых импульсов;
вид выхода АЦП: последовательный, параллельный; со-
вместимость выхода АЦП с микропроцессором и т. п.
Если необходимо преобразовывать аналоговые сигна-
лы от нескольких источников входных сигналов, то сле-
дует уточнить, имеет ли АЦП встроенный коммутатор
аналоговых сигналов или нет?
Наиболее распространенными являются АЦП серий
микросхем 572, 1107, 1138 и др. (табл. 3.2).
Таблица 3.2
Тип м/схемы Число разрядов ^пр> мкс ^пит» в р гпотр» мВт Преобразование
К1107ПВ1 6 од +5 -6 800 Параллельное
К1107ПВ2 8 ОД +5 -6 3000 Параллельное
КР572ПВ1А 12 110 5+ 15 -15 30 Последовательное
К572ПВЗ 8 15 5 25 Последовательное
К572ПВ4 8 32 5 15 Последовательное
К1108ПВ1А 10 0,9 9 -5,2 800 Последовательное
К1138ПВ1А 10 30 5 -15 225 Последовательное
К1113ПВ1 10 30 5 -15 300 Последовательное
559
Цифровая электроника
Из таблицы видно, что наилучшим быстродействием
обладает АЦП параллельного преобразования, а наихуд-
шим — АЦП последовательного преобразования.
Так, АЦП типа К1108ПВ1А изготовлен по биполярной
технологии и представляет собой быстродействующий
10-разрядный АЦП последовательного приближения и
предназначен для преобразования аналогового сигнала в
цифровой 10-разрядный параллельный двоичный код
ТТЛ-уровней в быстродействующих системах сбора и об-
работки информации, спектроанализаторах, системах ав-
томатики и управления и т. п. Микросхема содержит
встроенный источник опорного напряжения и выходной
регистр с тремя логическими состояниями, рассчитана на
преобразование однополярного входного напряжения в
диапазоне 0 + 3 В.
Микросхема К572ПВ1 является многофункциональ-
ным узлом для устройств аналогового ввода-вывода мик-
ропроцессорных систем. Источник опорного напряжения
внешний. Может выполнять функции 12-разрядного АЦП
последовательных приближений с выводом параллельно-
го двоичного кода через выходные каскады с тремя состо-
яниями, а также умножающего ЦАП с параллельным и
последовательным выводами информации. В составе мик-
росхемы имеются устройства для организации побайтово-
го обмена информацией с 8-разрядной шиной данных
микропроцессора.
Микросхема К.ШЗПВ1 представляет собой 10-разряд-
ный АЦП последовательного приближения, сопрягаемый
с микропроцессором. Обеспечивает преобразование как
однополярного напряжения в диапазоне 0 + 9,95 В, так и
двуполярного напряжения в диапазоне ±4,975 В в параллель-
ный двоичный код. Выходные каскады с тремя логически-
ми состояниями позволяют считывать результат преобразо-
вания непосредственно на шину данных микропроцессора.
Имеет встроенный источник опорного напряжения.
Электроника----------------------------- 560
Микросхемы КМ1108ПП1 представляют собой преци-
зионный преобразователь напряжение — частота — на-
пряжение (ПНЧ) и предназначены для преобразования
входного напряжения в последовательность импульсов с
частотой следования, пропорциональной его значению, а
также для выполнения обратного преобразования часто-
ты входного сигнала в напряжение. Уровни импульсного
выходного или входного сигналов согласуются с ТТЛ-схе-
мами с помощью внешних напряжений. Частоты генери-
руемых выходных или воспринимаемых входных импуль-
сов устанавливаются с помощью внешних элементов и
могут изменяться в диапазоне от долей герц до 500 кГц.
Входное напряжение в зоне линейного преобразования
может изменяться от 0 до 10 В и иметь положительную или
отрицательную полярность.
Микросхема КМ1175ПВ2 выполнена по КМДП-техно-
логии и представляет собой АЦП двойного интегрирова-
ния с выходом на семисегментный светодиодный индика-
тор. Аналогична по параметрам микросхеме КР572ПВ2.
В настоящее время различными фирмами выпускается
большое разнообразие АЦП. Следует подчеркнуть, что
резко увеличилась разрешающая способность АЦП. Ряд
фирм выпускает 24-разрядные АЦП, однако наиболее
распространенными являются 8-, 10-, 12- и 16-разрядные
АЦП. Повысилось быстродействие серийных АЦП, так,
выпускаются АЦП с максимальной частотой преобразова-
ния 20—50 МГц. Уменьшается мощность, потребляемая
АЦП, которая может составлять всего несколько десятков
или сотен мВт.
3.9.4. Устройства выборки и хранения
аналоговых сигналов
Если входной сигнал АЦП изменяется с большой ско-
ростью, то за время преобразования может произойти су-
561 ---------------------Цифровая электроника Жаает
щественное изменение входного напряжения, т. е. суще-
ствует неопределенность в отношении уровня входного
сигнала в указанное время. Чтобы эта неопределенность
была меньше разрешающей способности АЦП, т. е. мень-
ше величины шага квантования, необходимо, чтобы мак-
симальная скорость изменения входного сигнала не пре-
вышала величины шага квантования в течение времени
преобразования. Максимальная скорость изменения сину-
соидального сигнала U(t) = Umax • sin (о/ составляет 2л/ t/max,
где /—частота, a Umax — амплитуда синусоидального сиг-
нала. Если время преобразования обозначить через /пр,
число разрядов АЦП — через N, а шаг квантования — че-
рез А, то можно записать
2лЯ7 < — ^^тэх
^Я/итах - , ~ „х ♦
гпр ' гпр
ТЛ 2-N
И, следовательно, / <----.
Я" ^лр
Частота, рассчитанная согласно этому выражению, мо-
жет оказаться недопустимо низкой.
Стабильность процесса, а следовательно, уменьшение
погрешности преобразования и расширение спектра пре-
образуемого входного сигнала могут быть существенно
улучшены при использовании устройств выборки и хра-
нения (УВХ), в которых на время преобразования сохра-
няется постоянное значение аналоговой величины. Таким
образом, УВХ выполняют операцию дискретизации, а
АЦП — функции квантования и кодирования. УВХ осу-
ществляет из входного напряжения выборку значения,
соответствующего моменту дискретизации, и хранит эту
выборку неизменной в течение времени, необходимого
АЦП для ее преобразования в цифровую форму.
В реальности выборка осуществляется в течение конеч-
ного промежутка времени при помощи стробирующего
импульса. Наибольшее распространение получили УВХ,
Электроника--------------------------- 562
стробируемые прямоугольными импульсами малой дли-
тельности, которая, как правило, много меньше времени
преобразования АЦП. Длительность стробирующего им-
пульса определяет время выборки УВХ. Отношение выб-
ранного значения к значению входного напряжения в
момент выборки называют коэффициентом передачи
УВХ. В большинстве случаев коэффициент передачи УВХ
равен 1, т. е. УВХ повторяет входной сигнал. Отличие вы-
ходного сигнала от входного определяется погрешностью
коэффициента передачи.
Основными параметрами УВХ в режиме хранения яв-
ляются время хранения и скорость спада (изменения) вы-
ходного напряжения. Время хранения — время, в течение
которого выбранное напряжение хранится с заданной
погрешностью. Скорость спада выходного напряжения —
максимальная скорость изменения напряжения на запо-
минающем элементе УВХ. Эта скорость определяет вре-
мя хранения выбранного напряжения с заданной погреш-
ностью.
Упрощенная схема УВХ приведена на рис. 3.190.
Рис. 3.190
Схема УВХ содержит два буферных усилителя на осно-
ве операционных усилителей ОУ1 и ОУ2, накопительный
конденсатор См и ключ, управляемый стробирующим им-
пульсом напряжения 1/упр. Буферные усилители ОУ1 и ОУ2
представляют собой повторители напряжения, имеющие
коэффициент усиления, равный 1, большое входное и
малое выходное сопротивления. Благодаря большому
563 --------------------Цифровая электроника ЖИг
входному сопротивлению ОУ1 исключается влияние внут-
реннего сопротивления источника входного напряжения
на работу УВХ, а благодаря большому входному сопротив-
лению ОУ2 устраняется влияние нагрузки УВХ на разряд
накопительного конденсатора С„. Когда под действием
стробирующего импульса напряжения ключ К замы-
кается, то происходит заряд накопительной емкости См
через малое выходное сопротивление ОУ1 до величины
входного напряжения ию в этот момент времени, т. е. про-
исходит выборка входного напряжения. При размыкании
ключа К схема переходит в режим хранения, а выбранное
входное напряжение поступает на АЦП и преобразуется
в цифровую форму.
Ключ К обычно выполняют на полевом транзисторе,
как это показано на рис. 3.191.
Полученная схема УВХ может использоваться на прак-
тике, однако ей присущи погрешности, обусловленные
сопротивлением коммутирующего полевого транзистора
Т] и разрядом накопительной емкости С№ за счет тока утеч-
ки транзистора Т(. Используя общую отрицательную об-
ратную связь так, как это показано на рис. 3.192, можно
снизить эти погрешности.
В режиме выборки транзистор Г( открыт, а транзистор
заперт и УВХ охвачено общей отрицательной обратной
связью с выхода ОУ2 на вход ОУ1. Это приводит к тому,
Рис. 3.192
что сопротивление цепи, по которой происходит заряд ем-
кости Сн, значительно снижается. В режиме хранения тран-
зистор Т2 открывается, а транзистор 7\ закрывается, в резуль-
тате чего ОУ1 переходит в режим повторителя напряжения,
обеспечивая высокое входное сопротивление УВХ.
Накопительная емкость может включаться и в цепь
отрицательной обратной связи ОУ2, как это показано на
упрощенной схеме УВХ (рис. 3.193). ОУ2 в этом случае
работает как интегратор.
Рис. 3.193
565 --------------------Цифровая электроника
В настоящее время выпускаются интегральные УВХ
различного типа. Так, УВХ типа KPI 100СК2 содержит два
операционных усилителя, схему управления и ключевой
элемент. Накопительная емкость подключается внешне и
при ее величине в 1 нФ время выборки составляет 5 мкс.
3.10. ГЕНЕРАТОРЫ
ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ
Наиболее распространены генераторы прямоугольных
и линейно изменяющихся (пилообразных) импульсов на-
пряжения.
Генераторы импульсных сигналов (импульсные генера-
торы) могут работать в одном из трех режимов: автоколе-
бательном, ждущем или синхронизации.
В автоколебательном режиме генераторы непрерывно
формируют импульсные сигналы без внешнего воздей-
ствия. В ждущем режиме генераторы формируют импульс-
ный сигнал лишь по приходе внешнего (запускающего)
сигнала. В режиме синхронизации генераторы вырабаты-
вают импульсы напряжения, частота которых равна или
кратна частоте синхронизирующего сигнала.
Рассмотрим некоторые из генераторов импульсных
сигналов.
3.10.1. Генераторы прямоугольных
импульсов
Генераторы прямоугольных импульсов делятся на муль-
тивибраторы и блокинг-генераторы. И те и другие могут ра-
ботать как в автоколебательном, так и в ждущем режимах.
Рассмотрим вначале автоколебательные мультивибра-
торы.
Электроника.
566
' Такие генераторы могут быть построены на дискрет-
ных, логических элементах или на операционных усили-
телях. Автоколебательный мультивибратор на основе ОУ
представлен на рис. 3.194. В данной схеме с помощью ре-
Рис. 3.194
567 -------------------Чфифробая электроника
зисторов Rx и R2 введена положительная обратная связь,
что является необходимым условием для возникновения
в схеме электрических колебаний. В зависимости от на-
пряжения на выходе (которое может быть равно либо
+£иая|, либо —Е„ит, где Епит — напряжения питания ОУ)
на неинвертирующем входе ОУ устанавливается или на-
пряжение U+l, или напряжение U+2, причем
TJ —.р тт — _р -^2
+1 Д+Я/ +2~ EnumRi+R2'
Емкость С, входящая в цепь отрицательной обратной
связи, перезаряжается с постоянной времени т= RC. На-
пряжение £/с на емкости, равное напряжению U_ на ин-
вертирующем входе, стремится либо к уровню +£яаот (при
ивых=+^пит), либо к уровню —Елид, (при Ueilx=-E„um). До
момента времени tx U+— U_ = U+l — Uc > 0, следователь-
но, ОУ находится в режиме насыщения и на его выходе
удерживается напряжение +Епит. Начиная с момента вре-
мени tx эта разность меняет знак, что приводит к измене-
нию напряжения на выходе ОУ на —Епит. После момента
времени tx емкость С перезаряжается, причем ее напряже-
ние стремится к уровню —Е„ит. Очевидно, что до момен-
та времени t2 U+ — U_=U+2 — Uc<0, что и удерживает вы-
ходное напряжение ОУ на уровне —Е„ит. Начиная с
момента времени t2, эта разность вновь меняет знак, про-
исходит изменение напряжения Uebtx и т. д. Таким образом,
данный мультивибратор формирует прямоугольные им-
пульсы напряжения. Период следования импульсов Топ-
ределяется выражением
(
T = 2RC\n 1 + 2

В случае использования вместо резистора R двух раз-
ных резисторов и диодов можно построить несимметрич-
ный мультивибратор (рис. 3.195, а), у которого длитель-
ности положительного и отрицательного импульсов не
Электроника----------------------------- 568
Рис. 3.195
569
Цифровая электронику
совпадают. Принцип работы мультивибратора поясняют
временные диаграммы (рис. 3.195, б).
Из приведенных построений очевидно, что разная дли-
тельность положительного и отрицательного импульсов
обеспечивается разными постоянными времени перезаря-
да емкостей Т] и т2:
т, = R'C; х2 = R"- С,
v№R">R'.
Рассмотрим ждущий мультивибратор на основе ОУ
(рис. 3.196), который иногда называют одновибратором.
Нетрудно заметить, что эта схема аналогична схеме
автоколебательного мультивибратора, но в нее введены
диод Р2 (Для осуществления ждущего режима) и цепь за-
пуска на элементах Сь /?3, Dx (рис. 3.196, а). Схема имеет
одно устойчивое состояние, когда напряжение на выходе
отрицательное (примерно равно —Епит). Если бы по ка-
кой-либо причине напряжение на выходе оказалось поло-
жительным (+£’„um), то в результате рассматриваемых даль-
ше процессов состояние схемы изменилось бы.
В исходном состоянии (на выходе — Е„ип) диод D2 от-
крыт, напряжение на инвертирующем входе U_ пример-
но равно нулю, а напряжение U+ на неинвертирующем
входе определяется выражением U+ = U+2 = ~Епит--—,
Rx + R2
U+— U_< 0 и ивых = —Enum. Диод Dx, подключеный к не-
инвертирующему входу, закрыт. В момент времени вход-
ной сигнал открывает этот диод, на неинвертирующий
вход подается положительный сигнал (на инвертирующем
входе остается нулевой сигнал), и ОУ переходит в режим
с положительным напряжением на выходе. После этого
начинается заряд конденсатора С. Когда напряжение на
нем становится больше напряжения 17+1, определяемого
ТТ г?
выражением С7+1 = ЕЛ(ая -
дифференциальный сиг-
Электроника
570
571 --------------------Цифровая электроники
нал U+ — U_ становится отрицательным и ОУ возвраща-
ется в исходное устойчивое состояние (в таком состоянии
дифференциальный сигнал отрицательный).
Из временных диаграмм (рис. 3.196, б) следует, что
лишь после момента времени t3 можно подавать очеред-
ной запускающий импульс.
Существуют схемы ждущих мультивибраторов на дис-
кретных и логических элементах.
Для получения мощных прямоугольных импульсов
малой длительности (от долей микросекунды до долей
миллисекунды) и скважностью до нескольких десятков
тысяч используют блокинг-генераторы. Основным эле-
ментом таких генераторов является импульсный транс-
форматор. Блокинг-генератор может работать в автоколе-
бательном, ждущем режимах или режиме синхронизации.
Рассмотрим схему автоколебательного блокинг-генера-
тора (рис. 3.197, а). Во время паузы (выходное напряже-
ние отсутствует) происходит перезаряд конденсатора по
цепи Е— R— W2 с постоянной времени Tj = RC. В момент
времени, когда напряжение на конденсаторе С (и, следо-
вательно, на базе транзистора) становится равным нулю,
транзистор начинает открываться (выходить из режима от-
сечки), начинает протекать ток коллектора, что вызывает
появление сигнала положительной обратной связи (через
обмотку трансформатора 1К2), под действием которой
транзистор скачкообразно переходит в режим насыщения.
При этом конденсатор С перезаряжается по цепи W2—С—
входное сопротивление транзистора гвл. с постоянной вре-
мени т2 = гвх • С. При увеличении напряжения на конден-
саторе С ток базы начинает уменьшаться и в конце кон-
цов транзистор выходит из насыщения и начинает
закрываться. Возникает сигнал положительной обратной
связи, который скачкообразно переводит транзистор в за-
пертое состояние. После этого энергия, запасенная в ин-
дуктивности намагничивания, рассеивается на сопротив-
лении нагрузки. Так как rex«R, то время нахождения
Электроника
572
б
Рис. 3.197
573
Цифровая электроника
транзистора в открытом состоянии /и, а следовательно, и
длительность импульса на нагрузке значительно меньше
периода следования импульсов. Временные диаграммы
работы автоколебательного блокинг-генератора приведе-
ны на рис. 3.197, б.
Рассмотрим теперь генераторы импульсов, построен-
ные на логических элементах.
Одна из простых и распространенных схем генератора
прямоугольных импульсов и упрощенные временные ди-
аграммы его работы приведены на рис. 3.198.
При включении питания конденсатор С разряжен, а
потенциалы в точке а и на выходе схемы низкие. Потен-
циал в точке б высокий, что и обеспечивает начало про-
цесса заряда конденсатора С. Когда изменяющееся по эк-
споненте напряжение в точке а превысит пороговое
напряжение U„op, первый инвертор переключится и сфор-
мирует на своем выходе (в точке б) низкий потенциал и,
следовательно, начинается разряд конденсатора С. В мо-
мент времени t2 напряжение в точке а уменьшится до зна-
чения Unop и вновь произойдет переключение схемы, и т. д.
Данная схема может быть реализована, например, на эле-
ментах К155ЛН1.
Электроника--------------------------- 574
Поскольку времязадающий конденсатор С подключен
к выходу генератора, то это приводит к затягиванию фрон-
тов выходных импульсов. Уменьшить длительность фрон-
тов можно включением дополнительного инвертора, как
это показано на рис. 3.199.
Если перерисовать эту схему несколько по-другому, то
получим схему (рис. 3.200), которая по конфигурации
очень близка к ранее рассмотренной. Принцип ее работы
также аналогичен схеме рис. 3.198 и ясен из приведенных
упрощенных временных диаграмм работы (рис. 3.200).
t
Рис. 3.200
575 -------------------- Цифровая электроника
Следует подчеркнуть, что рассмотренные схемы гене-
раторов не обеспечивают высокой стабильности частоты
генерируемых импульсов и используются в тех случаях,
когда точное значение частоты непринципиально.
В ряде случаев при построении генераторов прямо-
угольных импульсов необходимо управлять запуском и ос-
тановом генератора. Это легко обеспечить, если в схеме
рис. 3.199 в качестве выходного элемента генератора ис-
пользовать двухвходовой элемент И-НЕ (рис. 3.201).
oUtux
При подаче на вход управления Uynp логической «1»
генерация разрешена, а при логическом «0» — запрещена.
Реализовать генератор прямоугольных импульсов мож-
но и на триггере, вводя в него емкостную обратную связь.
Схема такого генератора и упрощенные временные диаг-
раммы работы приведены на рис. 3.202.
ЖаВ Электроника--------------------------------- 576
'*^v55
Генерация импульсов начинается при подаче на вход
синхронизации «С» логической «1». Стабильность часто-
ты данной схемы выше, чем ранее рассмотренных.
При реализации ряда цифровых устройств важное зна-
чение имеет стабильность частоты генератора импульсов.
В этом случае широко распространенным способом повы-
шения стабильности частоты является использование
кварцевых резонаторов (рис. 3.203).
Рис. 3.203
Частота выходного сигнала такого генератора опреде-
ляется только характеристиками кварцевого резонатора.
3.10.2. Генераторы линейно
изменяющегося напряжения
Линейно изменяющимся напряжением (ЛИН) называ-
ют напряжение, которое в течение промежутка времени,
называемого рабочим ходом, изменяется по линейному
закону, а затем в течение промежутка времени, называе-
мого обратным ходом, возвращается к исходному уровню
(рис. 3.204).
577
--------------------Цифровая электронику
Рис. 3.204
На рис. 3.204 приняты следующие обозначения:
Uo — начальный уровень, Um — амплитуда ЛИН, Тр —
время рабочего хода, То — время обратного хода.
Линейность ЛИН оценивается коэффициентом нели-
нейности, который определяется по формуле
|£Г(О)-СГ(Тр|
где U'(Q) — первая производная напряжения по времени
(скорость изменения ЛИН) в начале рабочего хода;
U'(Tp) — первая производная напряжения по времени в
конце рабочего хода.
Устройства, предназначенные для формирования ЛИН,
называют генераторами ЛИН (ГЛИН). Генераторы ЛИН
часто называют генераторами пилообразного напряжения.
Принцип построения генераторов ЛИН основан на за-
ряде емкости постоянным или почти постоянным током.
Основой ГЛИН (рис. 3.205) является емкость, через кото-
рую от источника постоянного тока ИТ протекает по-
стоянный ток, благодаря чему при разомкнутом ключевом
устройстве КУ напряжение на емкости определяется выра-
Электроника
578
Рис. 3.205
жением Uc = -1 icdt = —t (при ic = Z= const), т. e. изменя-
сь C
ется по линейному закону. При замыкании КУ емкость
разряжается через сопротивление КУ и т. д.
ГЛИН могут работать либо в ждущем (рис. 3.205, а),
либо в автоколебательном режиме (рис. 3.205, б). ГЛИН в
автоколебательном режиме формирует ЛИН регулярно, а
для получения ЛИН в ГЛИН в ждущем режиме необходим
внешний импульс напряжения Uex.
Все ГЛИН можно разделить на три типа:
а) с интегрирующей АС-цепочкой;
б) с токостабилизирующим двухполюсником;
в) с компенсирующей обратной связью (ОС).
В простейшем случае (рис. 3.206) основой ГЛИН явля-
ется интегрирующая АС-цепочка. В этой схеме
и-и с
. _cduc du,
1с~С~7Г
dt at
u-uc
RC
При т= RC»t{ Ucl « Uи, следовательно, на отрезке
времени [0, /J
dUc U _
—-— ~ ~г— - const т. е. на начальном участке экспо-
dt RC
ненты скорость изменения напряжения Uc примерно по-
стоянна и при малых значениях t формируется ЛИН.
579
‘Цифро&ая электроника
R
Достоинством данных генераторов является простота
их реализации. Существенным же недостатком является
то, что для получения малого коэффициента нелинейно-
сти необходимо, чтобы напряжение генератора U было
гораздо (на порядок и более) больше амплитуды ЛИН.
Такой генератор может быть реализован на основе
транзисторного ключа (рис. 3.207).
До момента времени транзисторный ключ находит-
ся в режиме насыщения, т. е. напряжение UK3, а значит, и
напряжение 1/вых равны нулю. При подаче в момент вре-
мени запирающего импульса напряжения транзистор
входит в режим отсечки, и емкость С заряжается от источ-
580
Рис. 3.207
ника Ек через сопротивление Лк, причем напряжение на
емкости стремится к уровню Ек. В момент времени ^тран-
зистор вновь входит в режим насыщения, и емкость через
малое сопротивление промежутка коллектор-эмиттер
581 --------------------Цифровая электроника
транзистора разряжается. Если промежуток времени /2 — tx
гораздо меньше RC, то, как было показано выше, напряже-
ние на емкости изменяется по линейному закону. Для пре-
дотвращения пробоя транзистора (например, при увеличе-
нии длительности входного импульса) к его коллектору
подключен диодный ограничитель (Д Еф). Если по какой-
либо причине напряжение на емкости увеличивается, то,
как только оно достигнет уровня Еф, диод D открывается
и напряжение ивых удерживается на уровне Еф.
Рассмотрим принцип построения ГЛИН с токостабили-
зирующим двухполосником, обеспечивающим протекание
через него постоянного тока независимо от приложенного
напряжения. Схема, поясняющая принцип построения та-
кого ГЛИН, приведена на рис. 3.208.
В этой схеме через двухполюсник R и емкость С про-
текает ток iR, определяемый выражением iR ---. По
R
мере роста напряжения на емкости Uc числитель этого вы-
ражения уменьшается, но во столько же раз уменьшается
и сопротивление двухполюсника R, так что частное от де-
ления остается неизменным.
Простейшим токостабилизирующим элементом явля-
ется транзистор. При постоянном токе базы (например,
1^), даже при значительном уменьшении напряжения иж
между эмиттером и коллектором (например, от U2 до Ux)
Рис. 3.208
<|^|^ Электроника---------------------------- 582
коллекторный ток транзистора уменьшается незначитель-
но. Эти изменения определяются выходной характеристи-
кой транзистора, причем рабочая точка транзистора пере-
мещается из точки А в С (рис. 3.209, а). Изменение тока
коллектора обозначено через A/j.
Более точный токостабилизирующий двухполюсник на
основе транзистора приведен на рис. 3.209, б. Предполо-
жим, что напряжение изк уменьшается от U2 до Up, при
этом коллекторный ток тоже стремится уменьшиться. Это
должно привести к уменьшению тока i3, а значит, и к
уменьшению падения напряжения /э • R на сопротивлении
R. Согласно выражению = Е — i3 • R напряжение
при этом возрастет, что приведет к увеличению тока базы
<б. В конечном итоге ток коллектора /к уменьшится менее
значительно в сравнении со случаем, когда ток базы не из-
меняется. На рис. 3.209, а изменение тока коллектора, со-
ответствующее схеме рис. 3.209, б, обозначено через Д/2.
б
Генератор ЛИН с токостабилизирующим двухполюсни-
ком приведен на рис. 3.210.
По принципу действия данный генератор аналогичен
ранее рассмотренному ГЛИН с интегрирующей ЯС-цепоч-
583
‘Цифровая электроника
Рис. 3.211
Электроника--------------------------- 584
кой, но теперь вместо сопротивления RK используется
токостабилизирующий двухполюсник.
Недостатком данной схемы является то, что при под-
ключении к выходу (т. е. к емкости С) сопротивления на-
грузки искажается линейность выходного напряжения.
Избежать этого можно, реализовав ГЛИН так, как пока-
зано на рис. 3.211. По отношению к выходу 2 на транзис-
торе Т\ построен эмитгерный повторитель, благодаря чему
к этому выходу можно подключить низкоомную нагруз-
ку, не искажая форму выходного ЛИН.
Рассмотрим ГЛИН с компенсирующей ОС. Поясним
принцип действия такого ГЛИН (рис. 3.212). Компенси-
рующее напряжение UK повторяет напряжение на емкос-
Рис. 3.212
ти Uc при размыкании ключа и заряде емкости от источ-
ника U. Поскольку компенсирующее напряжение вклю-
чено встречно по отношению к напряжению на емкости,
то напряжение, приложенное к сопротивлению R, все вре-
мя постоянно и равно U. Следовательно, ток, проходящий
через сопротивление, а значит, и через емкость, также по-
стоянен, что и обеспечивает линейность выходного напря-
жения.
Укрупненная структурная схема такого ГЛИН приведе-
на на рис. 3.213. Для этой схемы справедливы следующие
соотношения:
585
Цифровая электроника
Е
и»
'Я
Ruc\
ивых
Рис. 3.213
Ur = E+ ивых - Uc-, ивых = К- Uc= Uc (так как К = 1).
^r=,r ’ Е.
Решая их относительно ZR, получим
. E+U -Uc Е
1Й =-----—------ - — - const
* R R
С учетом того, что ток i в таких схемах пренебрежимо
мал, можно записать
Zc = ZR = const.
Так как ток, проходящий через емкость, постоянен, то
напряжение на ней, а значит, и на выходе изменяется по
линейному закону. По окончании формирования прямо-
го хода ЛИН ключ Кл замыкается и напряжение ивых ус-
танавливается на нулевом уровне.
Принципиальная схема генератора ЛИН приведена на
рис. 3.214.
На транзисторе Т, реализован насыщенный транзис-
торный ключ, а на транзисторе Т2 — эмиттерный повто-
ритель. В исходном состоянии емкость С разряжена:
Uc = О, U— 0; диод открыт, а значит 1/л = Ек. При подаче
входного запирающего напряжения (положительного)
транзистор Тх запирается, емкость С начинает заряжать-
ся, а напряжения Ucvi Uначинают возрастать. Следова-
тельно, потенциал точки а становится меньше — Ек, диод
закрывается и заряд емкости С происходит за счет разря-
да емкости Со. Так как UR = ил + U — Uc и U ~ Uc, то
Рис. 3.214
= Ua. Напряжение UM изменяется незначительно, по-
этому ток, протекающий по сопротивлению RK и емкос-
ти С, практически не изменяется, что и обеспечивает ли-
нейность выходного напряжения. Для обеспечения
постоянства тока необходимо, чтобы за время формирова-
ния прямого хода напряжение на емкости Со сохранялось
примерно постоянным, поэтому величину емкости Со вы-
бирают как можно большей. В момент окончания входно-
го запирающего напряжения транзистор Т, входит в ре-
жим насыщения, и емкость С разряжается.
ГЛИН можно реализовать, используя ОУ (рис. 3.215, а).
Анализ такой схемы прост и не требует особых пояс-
нений (в момент времени tx ключ Л'размыкается и осуще-
ствляется прямой ход, а в момент времени t2 ключ замыка-
ется, емкость С разряжается и на выходе устанавливается
нулевое напряжение). Из приведенных ниже выражений
следует, что емкость С заряжается почти постоянным то-
ком, а значит, напряжение на ней (как и напряжение С/вых)
изменяется по линейному закону (рис. 3.215, б).
Протекающий через резистор R ток определяется выра-
жением iR = (Е — Ug^/R.
Если ОУ близок к идеальному (К -> °° , Uex-^0,
/_-> 0), то iR= — = const, и ивых= —Uc+ Uex= —Uc =
1
----— нс • dt. Из выражения iR- ic+i_ с учетом, что
С J
о
i_ = 0, получим iR — ic.
Следовательно,
1 Г- 1 (Е Е
ивых~ cJzK-df- RCt.
sssr Электроника--------------- 588
3.11. ФОРМИРОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ
К формирователям импульсов относят достаточно ши-
рокий круг различных устройств, предназначенных для
преобразования входных сигналов с целью получения.
импульсов с требуемыми временными и амплитудными
параметрами. К таким устройствам относят устройства
увеличения крутизны переднего и заднего фронтов им-
пульса, устройства задержки, «укорачивания» и «расшире-
ния» импульсов и ряд других устройств.
Рассмотрим некоторые из таких устройств.
3.11.1. Триггер Шмитта
Триггер Шмитта — это устройство, передаточная харак-
теристика которого имеет вид, приведенный на рис. 3.216.
U1
вых
и2вых-
^отп ^ср U*x
Рис. 3.216
Из характеристики следует, что она имеет значитель-
ный гистерезис, обусловливающий ряд положительных
свойств триггера Шмитта.
При подаче на вход триггера Шмитта входного сигна-
ла, как только он превышает уровень срабатывания Ucp
(рис. 3.217, а), на выходе устанавливается низкое выход-
589
Рис. 3.217
ное напряжение (рис. 3.217; б), и при уменьшении вход-
ного напряжения ниже порога отпускания Uomn на выходе
устанавливается высокое входное напряжение.
Выходной сигнал триггера Шмитта имеет крутые фрон-
ты выходного сигнала, длительность которых не зависит
от скорости нарастания или спада входного сигнала.
Именно это обстоятельство позволяет использовать триг-
геры Шмитта для восстановления формы цифровых сиг-
налов, искаженных в результате прохождения по линиям
связи, в результате чего их фронты становятся более по-
логими и искажается форма сигнала. Использование же
Электроника----------------------------- 590
триггера Шмитта позволяет восстановить исходную фор-
му сигнала.
Кроме того, благодаря наличию гистерезиса в переда-
точной характеристике триггера Шмитта, устраняется вли-
яние помех и шумов при условии, что их амплитуда мень-
ше разности (i/cp— Uomn) (рис. 3.217, в). В то же время
обычный логический элемент, например инвертор, будет
реагировать на любое изменение входного напряжения,
которое за счет помехи становится больше или меньше его
порога срабатывания.
Триггеры Шмитта выпускаются в виде интегральных
схем ТТЛ- и КМОП-серий.
Так, в 155-ю серию микросхем, изготовленных по ТТЛ-
технологии, входят инвертирующие триггеры Шмитта: два
четырехвходовых элемента (микросхема К155ТЛ1), четы-
ре двухвходовых элемента (микросхема К155ТЛЗ), шесть
инверторов (микросхема К155ТЛ2).
Обозначение одного элемента этих микросхем приве-
дено на рис. 3.218.
ТЛ2 ТЛЗ ТЛ1
. Рис. 3.218
Для этих микросхем Ucp~ 1,7 В, Uomn~ 0,9 В, и1вых ~ 3,5 В,
В.
По КМОП-технологии выпускаются микросхемы
К561ТЛ1 и КР1561, представляющих собой четыре двух-
входовых инвертирующих триггера Шмитта. В этих триг-
герах напряжение £/ср почти во всем диапазоне больше
половины напряжения питания, a Uomn — меньше, причем
разность между этими напряжениями достигает несколь-
ких вольт.
591 --------------------Цифровая электроника
Одно из распространенных применений триггера Шмит-
та — это формирование импульса сброса при включении
питания, обеспечивающее крутой фронт при большой
длительности импульса. Формирование такого импульса
при включении напряжения питания необходимо для
приведения различных узлов цифровых устройств (реги-
стров, счетчиков и т. п.) в исходное состояние. Схема та-
кого устройства и временные диаграммы его работы при-
ведены на рис. 3.219.
Эту же схему с небольшой модификацией (рис. 3.220)
применяют для подавления дребезга контактов при замы-
кании различных кнопок, тумблеров и переключателей.
Любое механическое замыкание и размыкание контактов
приводит к нескольким быстрым замыканиям и размыка-
ниям (дребезг контактов), что сопровождается появлени-
ем коротких «паразитных» импульсов, которые могут ис-
казить работу цифрового устройства. ЯС-цепочка на входе
триггера Шмитта имеет большую постоянную времени и
Электроника
592
позволяет сгладить эти импульсы и устранить этот неже-
лательный эффект.
Вводя в схему рис. 3.220 обратную связь, благодаря на-
личию в передаточной характеристике триггера Шмитта
гистерезиса, получим генератор прямоугольных импуль-
сов (рис. 3.221).
Рис. 3.221
593 ---------------------Цифровая электроника
Если использовать двухвходовой триггер Шмитта, то
подача на этот второй вход (пунктир на рис. 3.221) разре-
шающего напряжения Upa3p будет разрешать генерацию
импульсов (поскольку входы триггера объединены по схе-
ме И), а при нулевом напряжении генерация будет
прекращаться (рис. 3.222).
3.11.2. Устройства задержки импульсов
В некоторых случаях при построении цифровых уст-
ройств необходимо получить задержку цифрового сигнала.
Для получения такой задержки можно использовать
естественную инерционность логических элементов и
применять простейшие инверторы, соединяя их в после-
довательные цепочки (рис. 3.223).
Рис. 3.223
Жвег Электроника----------------------------- 594
Суммарная задержка равна сумме задержек отдельных
элементов и ее можно регулировать дискретно, изменяя
число элементов в цепочке. Поскольку отдельные элемен-
ты имеют разброс значений задержки, то можно говорить
лишь о примерном значении получаемой суммарно задер-
жки. Следует отметить, что при четном числе инверторов
в цепочке получается просто задержка, а при нечетной про-
исходит задержка с инверсией сигнала. Такие схемы обес-
печивают незначительную задержку в пределах 5+100 нс.
Для получения задержек большей длительности ис-
пользуют интегрирующие ЯС-цепочки, включаемые в
цепь передачи сигнала. Типичная схема такого элемента
приведена на рис. 3.224.
Рис. 3.224
Задержка возникает из-за медленного заряда и разря-
да конденсатора С, благодаря чему смещается время пе-
реключения второго инвертора и происходит задержка
сигнала. Если считать напряжением переключения инвер-
тора Unep половину напряжения питания Епит, что харак-
терно для КМДП-логических элементов, то время задер-
жки будет определяться следующим выражением:
^зад
= RC\n
F
пит
ипер
= ЯС1п2 = 0,7-7?С
Рассмотренная схема может обеспечить задержки до
единиц миллисекунд.
595
‘Цифровая электроника
3.11.3. Формирователи импульсов
по длительности
В ряде случаев требуется изменить длительность им-
пульса: либо его укоротить, либо расширить, либо стан-
дартизовать, т. е. получить строго определенный по дли-
тельности независимо от длительности существующего
импульса. Реализовать это можно, используя ранее рас-
смотренные элементы задержки.
Схема укорочения длительности импульса и временные
диаграммы ее работы приведены на рис. 3.225. В качестве
элемента задержки ЭЗ могут быть использованы элемен-
Рис. 3.225
Электроника------------------------------ 596
ты, приведенные на рис. 3.223 и 3.224. Очевидно, что ло-
гическая «1» на выходе появляется только тогда, когда
действуют «1» на обоих входах двухвходового элемента И.
Таким образом, происходит укорачивание входного им-
пульса Гяна величину времени задержки t3.
Если использовать элемент задержки с инверсией за-
держанного импульса, то получим схему стандартизации
длительности импульса (рис. 3.226), которая всегда равна
времени задержки ^независимо от длительности входно-
го импульса. Принцип работы схемы ясен из приведенных
временных диаграмм работы.
t
Рис. 3.226
597 -------------------- "Цифровая электроника
Если в схеме рис. 3.225 вместо элемента И использо-
вать элемент ИЛИ, то получим схему удлинения импуль-
са (рис. 3.227), принцип действия которой предельно ясен
из приведенных временных диаграмм работы.

Рис. 3.227
Сформировать импульсы требуемой длительности мож-
но с помощью выпускаемых в сериях ТТЛ и КМДМ ин-
тегральных схем устройств, называемых одновибраторами
или ждущими мультивибраторами. Так, например, микро-
схема К155АГ1 (ТТЛ-технология) представляет собой од-
ноканальный ждущий мультивибратор, формирующий
Электроника---------------------------- 598
импульсы с хорошей стабильностью длительности. Он
имеет прямой и инверсный выходы. Используя внешние
времязадающие элементы R и С, длительность выходных
импульсов можно изменять от десятков наносекунд до
десятых долей секунды. Следует подчеркнуть, что длитель-
ность выходного импульса не зависит от длительности
входного и ждущий мультивибратор во время формирова-
ния выходного импульса нечувствителен к изменению
входных сигналов.
Микросхема К155АГЗ является сдвоенным ждущим
мультивибратором. Эти мультивибраторы обладают спо-
собностью к повторному запуску. Если во время форми-
рования выходного импуЛьса вновь обеспечить запуск
мультивибратора, то длительность выходного импульса
увеличится.
Микросхема КР 1561 АП (КМДП-технология) пред-
ставляет собой два ждущих мультивибратора, каждый из
которых имеет прямой и инверсный выходы, выводы для
подключения времязадающих элементов R и С, по два
входа для запуска и вход для сброса. Эти ждущие мульти-
вибраторы также обладают способностью повторного за-
пуска. Однако их недостатком является способность лег-
ко запускаться от помех как по цепи питания, так и по
входным цепям.
4
СИЛОВАЯ
ЭЛЕКТРОНИКА
4.1. СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ
Силовой электроникой называют область науки и тех-
ники, которая решает проблему создания силовых элект-
ронных приборов, а также проблемы получения значи-
тельной электрической энергии, управления мощными
электрическими процессами и преобразования электри-
ческой энергии в достаточно большую энергию другого
вида при использовании в качестве основного инструмен-
та этих приборов.
Ниже рассматриваются устройства силовой электрони-
ки на основе полупроводниковых приборов. Именно эти
приборы используются наиболее широко.
Основные силовые полупроводниковые приборы рас-
смотрены выше.
Для получения электрической энергии уже длительное
время используются рассмотренные выше солнечные эле-
менты. В настоящее время доля этой энергии в общем
объеме электроэнергии невелика. Однако многие ученые,
к которым относится и лауреат Нобелевской премии ака-
демик Ж.И. Алферов, считают солнечные элементы очень
перспективными источниками электрической энергии, не
нарушающими энергетический баланс на Земле.
Управление мощными электрическими процессами явля-
ется именно той проблемой, при решении которой сило-
Ждет Электроника ----------------------------- 600
вые полупроводниковые приборы уже очень широко ис-
пользуются, а интенсивность их применения быстро воз-
растает. Это объясняется достоинствами силовых полупро-
водниковых приборов, основными из которых являются
высокое быстродействие, малое падение напряжения в
открытом состоянии и малый ток в закрытом состоянии
(что обеспечивает малые потери мощности), высокая на-
дежность, значительная нагрузочная способность по току
и напряжению, малые размеры и вес, простота в управле-
нии, органическое единство с полупроводниковыми уст-
ройствами информативной электроники, что облегчает
объединение сильноточных и слаботочных элементов.
Во многих странах развернуты интенсивные научно-
исследовательские работы по силовой электронике и бла-
годаря этому силовые полупроводниковые приборы, а так-
же электронные устройства на их основе постоянно
совершенствуются. Это обеспечивает быстрое расширение
области применения силовой электроники, что, в свою
очередь, стимулирует научные исследования. Здесь мож-
но говорить о положительной обратной связи в масшта-
бах целой области человеческой деятельности. Результа-
том является стремительное проникновение силовой
электроники в самые различные области техники.
Особенно быстрое распространение устройств силовой
электроники началось после создания силовых полевых
транзисторов и IGBT.
Этому предшествовал достаточно длительный период,
когда основным силовым полупроводниковым прибором
был незапираемый тиристор, созданный в 50-е годы про-
шлого столетия. Незапираемые тиристоры сыграли выда-
ющуюся роль в развитии силовой электроники и широко
используются в наше время. Но невозможность выключе-
ния с помощью импульсов управления часто затрудняет их
применение. Десятилетия разработчикам силовых уст-
ройств приходилось смиряться с этим недостатком, ис-
601
Силовая электроника
пользуя в ряде случаев довольно сложные узлы силовых
схем для выключения тиристоров.
Широкое распространение тиристоров обусловило по-
пулярность возникшего в то время термина «тиристорная
техника», который использовали в том же смысле, что и
термин «силовая электроника».
Разработанные в указанный период силовые биполяр-
ные транзисторы нашли свою область применения, но ра-
дикально ситуацию в силовой электронике не изменили.
Только с появлением силовых полевых транзисторов и
IGBT в руках инженеров оказались полностью управляе-
мые электронные ключи, приближающиеся по своим
свойствам к идеальным. Это резко облегчило решение
самых различных задач по управлению мощными элект-
рическими процессами.
Наличие достаточно совершенных электронных клю-
чей дает возможность не только мгновенно подключать
нагрузку к источнику постоянного или переменного на-
пряжения и отключать ее, но и формировать для нее очень
большие сигналы тока, или напряжения практически лю-
бой требуемой формы.
Наиболее распространенными типовыми устройствами
силовой электроники являются:
• бесконтактные переключающие устройства пере-
менного и постоянного тока (прерыватели), пред-
назначенные для включения или выключения на-
грузки в цепи переменного или постоянного тока и,
иногда, для регулирования мощности нагрузки;
• выпрямители, преобразующие переменное напря-
жение в напряжение одной полярности (однонап-
равленное);
• инверторы, преобразующие постоянное напряжение
в переменное;
• преобразователи частоты, преобразующие перемен-
ное напряжение одной частоты в переменное напря-
жение другой частоты;
ж Электронику --------------------------------- 602
' • преобразователи постоянного напряжения (конвер-
торы), преобразующие постоянное напряжение од-
ной величины в постоянное напряжение другой ве-
личины;
• преобразователи числа фаз, преобразующие пере-
менное напряжение с одним числом фаз в перемен-
ное напряжение с другим числом фаз (обычно од-
нофазное напряжение преобразуется в трехфазное
или трехфазное — в однофазное);
• компенсаторы (корректоры коэффициента мощно-
сти), предназначенные для компенсации реактив-
ной мощности в питающей сети переменного на-
пряжения и для компенсации искажений формы
тока и напряжения.
По существу устройства силовой электроники выпол-
няют преобразование мощных электрических сигналов.
Поэтому силовую электронику называют также преобра-
зовательной техникой.
Устройства силовой электроники, как типовые, так и
специализированные, используются во всех областях тех-
ники и практически в любом достаточно сложном науч-
ном оборудовании.
В качестве иллюстрации укажем некоторые объекты, в
которых устройства силовой электроники выполняют важ-
ные функции:
• электропривод (регулирование скорости и момента
вращения и др.);
• установки для электролиза (цветная металлургия,
химическая промышленность);
• электрооборудование для передачи электроэнергии
на большие расстояния на постоянном токе;
• электрометаллургическое оборудование (электро-
магнитное перемешивание металла и др.);
• электротермические установки (индукционный на-
грев и др.);
• электрооборудование для зарядки аккумуляторов;
603
Силовая электроника
компьютеры;
электрооборудование автомобилей и тракторов;
электрооборудование самолетов и космических ап-
паратов;
• устройства радиосвязи;
• оборудование для телевещания;
• устройства для электроосвещения (питание люми-
несцентных ламп и др.);
• медицинское электрооборудование (ультразвуковая
терапия и хирургия и др.);
• электроинструмент;
• устройства бытовой электроники.
Развитие силовой электроники изменяет и сами под-
ходы к решению технических задач. К примеру, создание
силовых полевых транзисторов и IGBT существенно спо-
собствует расширению области применения индукторных
двигателей, которые в ряде областей вытесняют коллек-
торные двигатели.
Существенным фактором, благотворно влияющим на
распространение устройств силовой электроники, являют-
ся успехи информативной электроники и, в частности,
микропроцессорной техники. Для управления мощными
электрическими процессами используются все более
сложные алгоритмы, которые могут быть рационально
реализованы только при применении достаточно совер-
шенных устройств информативной электроники.
Эффективное совместное использование достижений
силовой и информативной электроники дает действитель-
но выдающиеся результаты.
Существующие устройства для преобразования электри-
ческой энергии в энергию другого вида при непосредствен-
ном использовании полупроводниковых приборов еще не
имеют большой выходной мощности. Однако и здесь по-
лучены обнадеживающие результаты.
Полупроводниковые лазеры превращают электричес-
кую энергию в энергию когерентного излучения в ультра-
Электроника ---------------------------- 604
фиолетовом, видимом и в инфракрасном диапазонах. Эти
лазеры были предложены в 1959 г., а впервые реализова-
ны на основе арсенида галлия (GaAs) в 1962 г.
Лазеры на основе полупроводников отличаются высо-
ким коэффициентом полезного действия (выше 10 %) и
большим сроком службы. Их применяют, к примеру, в
инфракрасных прожекторах.
Сверхъяркие светодиоды белого свечения, появивши-
еся в 90-х годах прошлого века, уже используются в ряде
случаев для освещения вместо ламп накаливания. Свето-
диоды существенно более экономичны и имеют значи-
тельно больший срок службы. Предполагается, что область
применения светодиодных светильников будет быстро
расширяться.
4.2. ОБЩИЕ ПОДХОДЫ
К ПОСТРОЕНИЮ СИЛОВЫХ
ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Изучать конкретные устройства силовой электроники
проще, если знать общие подходы к их созданию. Есте-
ственно, эти знания будут также способствовать разработ-
ке новых схем и конструкций.
Общие подходы являются воплощением ^результатов
теоретических исследований и опыта многих квалифици-
рованных специалистов и достойны внимательного рас-
смотрения.
Одной из важнейших задач при разработке силовых уст-
ройств является повышение коэффициента полезного дей-
ствия. Такие устройства потребляют значительную мощ-
ность. Поэтому даже небольшое увеличение этого
коэффициента дает большую экономию электроэнергии.
Устройства с меньшим коэффициентом очень часто не-
конкурентоспособны.
605 ------------------------Сило&ая электроника.
В устройствах достаточно большой мощности должен
использоваться только ключевой режим работы силовых
приборов. Иначе потери энергии в этих приборах будут
чрезмерными. Ключевой режим описан выше. Его пре-
имущества должны быть осознаны.
В силовых цепях, как правило, не должны использовать-
ся резисторы, рассеивающие существенную мощность, так
как это снижает коэффициент полезного действия. Кро-
ме силовых электронных приборов, источника питания и
нагрузки в них могут использоваться катушки индуктив-
ности, трансформаторы и конденсаторы, которые в иде-
альном случае не рассеивают мощность. Разработчик уст-
ройства должен так распорядиться этим не отличающимся
большим разнообразием набором элементов, чтобы на
нагрузке формировался требуемый электрический сигнал.
В простой ситуации это не требует значительной интел-
лектуальной работы. Но может оказаться, что типовые
схемы не обеспечивают выполнение заданных требований.
Тогда придется начинать поиск новых схемотехнических
решений. В этом отношении силовая электроника является
благодатным полем для изобретательства.
Одним из наиболее эффективных и часто используемых
способов улучшения технико-экономических показателей
устройств является повышение частоты переключения си-
ловых приборов.
Конечно, существуют и широко используются устрой-
ства, в которых силовые приборы или вообще не переклю-
чаются в течение значительных отрезков времени (т. е.
длительное время находятся или во включенном, или в
выключенном состоянии), или переключаются с фикси-
рованной частотой, определяемой, к примеру, частотой
питающего переменного напряжения.
Но во многих устройствах очень важными являются
процессы обмена энергией между реактивными элемен-
тами, в частности, между магнитосвязанными катушками
индуктивности, являющимися обмотками трансформато-
Электроника------------------------------ 606
ра. Чем выше частота коммутаций в целях с такими эле-
ментами, тем меньше размеры реактивных элементов и
трансформаторов.
Обратимся к линейной катушке индуктивности (рис.
4.1, а).
а б в
Рис. 4.1
Ток / определяется выражением
о
где /0 — начальное значение тока катушки, L — индуктив-
ность катушки, и — напряжение на катушке, t — время.
Пусть используется прямоугольное напряжение (рис.
4.2) с периодом Т и частотой /= 1/Т, причем /0= 0.
607 ---------------------Силовая электроника
Тогда импульсы тока будут треугольными, а их ампли-
туда 1т определится выражением
! -U>n T - Um
т L2 L-2-f
Отсюда следует, что при заданных значениях Um и 1т
увеличение частоты позволяет уменьшить индуктивность,
а это обеспечивает уменьшение геометрических размеров
катушки.
Обратимся к трансформатору с ферромагнитным сер-
дечником (рис. 4.1,6), который работает на холостом ходе
(т. е. вторичная обмотка не подключена к нагрузке).
В соответствии с законом электромагнитной индукции
dT „ dB
1 dt 1 dt ’
где и, — напряжение первичной обмотки, ¥ — потоко-
сцепление, wx — число витков первичной обмотки, S —
площадь сечения сердечника, В — магнитная индукция
сердечника, t— время.
Отсюда получаем
1 Г
иь-S J
1 о
где Bo — начальное значение магнитной индукции.
Пусть используется прямоугольное напряжение (рис.
4.3) с периодом Ти частотой f— 1/Т, причем Бо= 0. Тогда
импульсы магнитной индукции будут треугольными.
Полезно отметить, что из-за нелинейной зависимости маг-
нитной индукции от напряженности магнитного поля для
сердечника форма тока ix первичной обмотки может сильно
отличаться от треугольной (как это показано на рис. 4.3).
Амплитуда Вт магнитной индукции определяется вы-
ражением
Ulm
в _ Uim-T
т Wj-S-2 wr-S-2-f
Электроника
608
Отсюда следует, что при заданном значении U{m и выб-
ранным значением Вт (в соответствии с магнитными свой-
ствами сердечника и с учетом потерь энергии на его пере-
магничивание) увеличение частоты позволяет уменьшить
число витков первичной обмотки или площадь сечения
сердечника, что обеспечивает уменьшение геометричес-
ких размеров и массы трансформатора.
Естественно, этот вывод остается справедливым и в
случае работы трансформатора на нагрузку.
Обратимся к линейному конденсатору (рис. 4.1, в).
Напряжение и определяется выражением
1 Г
и = и0 + — I г • dt,
о
609
Силовая электроника
где «0 — начальное напряжение конденсатора, С—’ем-
кость конденсатора, i — ток конденсатора, t— время.
Пусть через конденсатор протекает прямоугольный ток
(рис. 4.4) с периодом Ти частотой f— \/Т, причем UQ= 0.
Рис. 4.4
Тогда импульсы напряжения будут треугольными, а их
амплитуда Um определится выражением
I T I
и = m = m
m С-2 С-2-f’
из которого следует, что при заданных значениях Um и Im
увеличение частоты обеспечивает уменьшение емкости и,
соответственно, геометрических размеров конденсатора.
Однако повышение частоты переключения силовых
приборов, как указывалось выше, увеличивает мощность,
идущую на их нагрев.
Кроме того, при увеличении частоты импульсов все
сильнее проявляется поверхностный эффект в проводни-
ках (и сечения проводников, в том числе обмоток, исполь-
зуются все хуже), увеличивается влияние паразитных ин-
дуктивностей и емкостей, растут потери энергии на пере-
20 Электроника
Электроника ---------------------------- 610
магничивание сердечников катушек индуктивности и
трансформаторов, повышаются потери энергии в конден-
саторах, увеличивается уровень электромагнитных наво-
док в конструктивных элементах, а также помех в цепях
управления и в окружающем пространстве.
Поэтому выбор частоты переключения силовых приборов
должен выполняться на основе всестороннего анализа.
И вместе с тем повышение частоты — это магистраль-
ный путь совершенствования силовых устройств многих
типов.
Как правило, должна быть предусмотрена гальваничес-
кая развязка цепей управления и силовых цепей. Она исполь-
зуется для предотвращения поражения электрическим
током обслуживающего персонала и защиты цепей управ-
ления. Гальваническая развязка может защитить цепи уп-
равления не только от высоковольтных сигналов, способ-
ных вывести их из строя, но и от электромагнитных помех,
создаваемых силовыми цепями.
В редких случаях гальваническая развязка отсутствует,
но при эксплуатации таких устройств должны принимать-
ся особые меры предосторожности.
Обычно для гальванической развязки используют рас-
смотренные выше оптроны или трансформаторы.
Гальваническая развязка питающей электрической сети
и нагрузки обеспечивается трансформаторами.
Разработчик обязан иметь глубокие знания по силовым
приборам. Выше отмечалось, что они работают в тяжелых
режимах. Их выбор с многократным запасом, к примеру,
по току или по напряжению, не практикуется. Поэтому
принятие непродуманных решений может сильно сказать-
ся на работоспособности устройства.
При разработке систем управления необходимо ориен-
тироваться на формирование как можно более качествен-
ных управляющих сигналов. Параметры этих сигналов
обычно существенно влияют на сильноточные процессы
в приборах. К примеру, увеличение крутизны переднего
611 ---------------------Силовая электроника Ж
фронта импульса управления тиристора снижает потери
энергии при его включении и способствует увеличению
срока службы.
Одной из важнейших задач является обеспечение теп-
лового режима силовых приборов. Мощность тепловыде-
ления в одном полупроводниковом приборе может превы-
шать один киловатт. Широко используется естественное
воздушное, принудительное воздушное, водяное охлажде-
ние и охлаждение с помощью тепловых труб.
При проектировании необходим детальный анализ элек-
тромагнитных процессов в устройстве (возможно, допол-
ненный подробным анализом тепловых процессов).
Часто устройство силовой электроники представляет
собой систему со сложным взаимодействием ее элементов.
Фактически после каждого очередного переключения си-
лового прибора в устройстве начинается новый переход-
ной процесс.
Практически безальтернативным способом анализа
является математическое моделирование, которое может
дать полную информацию о процессах, происходящих в
устройстве.
При анализе следует учитывать паразитные индуктивно-
сти, емкости, сопротивления проводников. Эти параметры
сильно зависят от особенностей конструкции силового ус-
тройства. Разработчик должен оптимально расположить в
пространстве и соединить элементы устройства при учете
особенностей питающей электрической сети и нагрузки.
Для некоторых силовых электронных устройств особые
проблемы возникают при пуске. Может даже оказаться,
что без принятия специальных мер пуск вообще невозмо-
жен. К примеру, это имеет место в изучаемом ниже парал-
лельном инверторе тока на тиристорах, нагруженном на
высокодобротный колебательный контур. В таких ситуа-
циях в устройства приходится вводить специальные схе-
мы для пуска.
Электронику---------------------------- 612
‘ При проектировании устройств большой мощности
может потребоваться расчет механических сил, действую-
щих на проводники с током.
Мощные импульсы тока, особенно при малой длитель-
ности передних фронтов и срезов, могут создавать значи-
тельные сигналы помех в цепях управления и радиопоме-
хи. При разработке силовых устройств должны быть
предусмотрены меры борьбы с этими помехами.
Эффективным способом снижения сигналов помех в
цепях управления является скрутка соединительных про-
водов (использование витых пар), а также экранирование
соединительных проводов.
Пусть в области некоторого участка витой пары (рис. 4.5)
существует изменяющееся магнитное поле с вектором
индукции, направленным перпендикулярно к плоскости
рисунка.
Рис. 4.5
Тогда в соседних контурах наводятся взаимно компен-
сирующие (из-за скрутки проводов) электродвижущие
силы е. При полной компенсации сигнал помехи в линии
связи отсутствует.
Устройства силовой электроники потребляют от пита-
ющей сети значительный ток, который может существен-
но отличаться от синусоидального, вследствие чего будет
искажаться напряжение сети.
В последние годы во многих странах, к которым отно-
сится и Россия, ужесточаются требования к потребителям
электроэнергии. Это заставляет разработчиков силовых
устройств уделять особое внимание борьбе с указанными
искажениями. Используются два основных подхода к ре-
613 ----------------------Силовая электроника
шению рассматриваемой проблемы: совершенствование
входных цепей устройств различного назначения и исполь-
зование специализированных силовых электронных уст-
ройств, предназначенных для борьбы с искажениями, —
компенсаторов (корректоров).
На характер процессов в устройстве силовой электро-
ники существенное влияние может оказывать нагрузка.
Поэтому при их анализе часто предварительно уточняют вид
нагрузки. Типичными являются следующие нагрузки: актив-
ная (рис. 4.6, а), активно-индуктивная (рис. 4.6, б), актив-
но-емкостная (рис. 4.6, в), активная со встречной электро-
движущей силой (с противо-эд.с.) (рис. 4.6, г), индуктивная
со встречной электродвижущей силой (рис. 4.6, д).
Только всесторонний учет особенностей процессов в
устройстве может обеспечить правильный выбор силовых
приборов, конденсаторов, катушек индуктивности, транс-
форматоров, проводников и других элементов.
К примеру, при выборе конденсатора необходимо учи-
тывать не только значение максимального напряжения на
нем, но также как величину, так и форму протекающего
через него тока. Известно, что игнорирование этого тре-
бования может привести не только к перегреву, но и к
взрыву конденсатора.
Электроника----------------------------- 614
' Форма импульсов тока силового прибора существенно
влияет на тепловые потери и надежность.
К примеру, при почти прямоугольных импульсах тока
тиристора тепловые потери в процессе его включения
могут быть существенно больше, чем в случае импульсов
тока в форме полусинусоид при равном среднем значении
тока. Объясняется это тем, что после подачи импульса
управления силовой ток начинает протекать только в тех
областях кристалла кремния, которые расположены вбли-
зи управляющего электрода, а позже (обычно по истече-
нии нескольких микросекунд) распространяется на весь
кристалл. В этот промежуток времени падение напряже-
ния на тиристоре и, соответственно, мощность тепловых
потерь повышены. Если же скорость нарастания тока пре-
вышает так называемую критическую (составляющую
обычно десятки-сотни ампер в микросекунду), то возмож-
ны шнурование тока (рассмотрено выше при изучении
силовых биполярных транзисторов) и выход тиристора из
строя.
Существенную роль играет и форма импульсов напря-
жения на силовых приборах.
К примеру, если на выключенном тиристоре скорость
нарастания прямого напряжения превышает критическую
(составляющую обычно десятки-сотни вольт в микросе-
кунду), то тиристор может самопроизвольно (без подачи
импульса управления) включиться.
Форма импульсов тока существенно влияет на требуе-
мое сечение соединительных проводов и обмоток катушек
индуктивности и трансформаторов (и, следовательно, на
массу и геометрические размеры катушек и трансформа-
торов).
Нагрев проводов и обмоток определяется действующим
значением тока. В то же время при расчете устройств си-
ловой электроники часто используется среднее значение
тока. В таблице (рис. 4.7) указаны среднее 1СР и действу-
ющее / значения тока при заданном амплитудном значе-
нии 1т для характерных временных диаграмм (две верхние
временные диаграммы построены на основе синусоиды).
Анализируя таблицу, можно заметить, что чем меньше
среднее значение /СР тока при заданном амплитудном зна-
чении 1т, тем значительней действующее значение /пре-
вышает среднее (и нагрев проводов и обмоток фиксиро-
ванного сечения при заданном среднем значении тока все
больше).
При разработке устройства силовой электроники долж-
ны быть приняты меры по его защите в случае аварии. Вы-
ход из строя элементов силовой части, а также сбои в ра-
боте системы управления могут вызвать развитие
сильноточных неконтролируемых процессов, опасных и
для оборудования, и для обслуживающего персонала. Для
остановки этих процессов необходимо предусматривать
устройства защиты.
616
Наибольшим быстродействием обладают электронные
устройства защиты, построенные на основе силовых при-
боров. Широко используются также предохранители и
автоматические выключатели.
Изложенное показывает, что разработка устройств си-
ловой электроники имеет явно выраженную специфику, а
также требует наличия соответствующей теоретической
подготовки и опыта проектирования.
4.3. БЕСКОНТАКТНЫЕ
ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
(ПРЕРЫВАТЕЛИ)
Рассматриваемые устройства называют также регулято-
рами и переключателями.
Прерыватели являются сравнительно простыми по схе-
мотехническим решениям и принципам действия, но эф-
фективными устройствами силовой электроники, позволя-
ющими подключать нагрузку к питающей электрической
сети и отключать ее. Некоторые прерыватели, кроме это-
го, обеспечивают регулирование напряжения на нагрузке.
4.3.1. Прерыватели переменного тока
В прерывателях переменного тока обычно используют-
ся незапираемые тиристоры или симисторы.
Изменение полярности напряжения питающей сети
обеспечивает выключение таких силовых приборов при
уменьшении их токов до нуля. Таким образом, их недоста-
ток, состоящий в том, что выключение с помощью им-
пульсов управления невозможно, в прерывателях пере-
менного тока нивелируется.
617
Силовая электроника
Более того, здесь указанное свойство может оказаться
полезным, так как фактический разрыв силовой цепи без
воздействия управляющих сигналов всегда происходит
при почти нулевом токе, что снижает перенапряжения в
случае индуктивной нагрузки (ниже этот вопрос рассмот-
рен подробней).
Прерыватели на тиристорах. Обратимся к прерывате-
лю (рис. 4.8), подключенному к активной нагрузке с со-
противлением RH.
Предполагаем, что входное напряжение — синусои-
дальное:
где иют — амплитудное значение входного напряжения,
со — круговая (угловая) частота, t— время.
Для промышленной сети частота f равна 50 Гц, поэто-
му со = 2-n-f =314 рад/с (радиан в секунду).
Система управления формирует в необходимые момен-
ты времени импульсы для включения тиристоров. Через
iyl и iy2 обозначены токи управляющих электродов.
Электроника--------------------------- 618
В силовой электронике широко используют понятие
угла управления. Применительно к рассматриваемому
прерывателю углом управления называют угол сдвига по
фазе между началом каждой положительной полуволны
входного напряжения и соответствующим моментом
включения тиристора Ть а также равный ему угол сдвига
по фазе между началом каждой отрицательной полувол-
ны и соответствующим моментом включения тиристора
Т2-
Пусть угол управления а равен нулю. Изобразим вре-
менные диаграммы (рис. 4.9), характеризующие работу
Рис. 4.9
619 ---------------------Силовая электроника Жа»
прерывателя (хотя по оси абсцисс откладываются значе-
ния (й-t, такие диаграммы также называют временными,
так как при постоянном значении со они также показыва-
ют развитие процессов во времени).
Так как а = 0, в каждый момент времени один из ти-
ристоров будет включен и напряжение иТ будет практичес-
ки нулевым (как указывалось выше, напряжение на вклю-
ченном тиристоре составляет примерно 1 В). Поэтому
напряжение на нагрузке будет повторять входное напря-
жение.
Пусть а = 90 электрических градусов (эл. град.), что
соответствует значению л/2 радиан (рад). В этом случае
(рис. 4.10) действующее напряжение на нагрузке будет
пониженным.
Очевидно, что при а > 180 эл. град, напряжение на на-
грузке будет нулевым.
Действующее значение ивых напряжения на выходе при
измерении угла управления в радианах для 0 < а < п опре-
деляется выражением:
ивых = • Jit - а + - • sin (2 • а)
ТГл V 2 '
Эту зависимость называют регулировочной характерис-
тикой.
Фазовое регулирование, рассмотренное на примере пре-
рывателя на тиристорах, широко используется в силовой
электронике. Оно характерно тем, что изменение напря-
жения на нагрузке достигается изменением угла управле-
ния.
Так как включение силовых приборов производится с
помощью импульсов управления, фазовое регулирование
называют также импульсно-фазовым управлением.
Недостатком устройств с фазовым регулированием яв-
ляется сильно отличающаяся от синусоидальной форма
тока, потребляемого от сети (для активной нагрузки фор-
ма тока совпадает с формой напряжения мвых). Вследствие
Рис. 4.10
этого напряжение сети также искажается. Ток содержит
основную гармонику с частотой напряжения питающей
сети и спектр высших гармоник. Первая гармоника тока
отстает по фазе от напряжения питающей сети.
Если же угол управления — нулевой, то указанные ис-
кажения отсутствуют.
Использование импульсов управления обеспечивает
включение тиристоров в строго заданные моменты време-
ни и облегчает их режим работы. Однако достаточно час-
то используют простейшие схемы управления со сравни-
тельно медленным нарастанием тока управления.
621
Простейшие схемы управления.
Обратимся к схеме с контактом кнопки или реле (рис.
4.11).
При разомкнутом контакте S тиристоры не включаются.
Пусть контакт замкнут, ит > 0 и тиристоры выключе-
ны. Тогда, в соответствии с изложенным, иТ= > 0. При
этом будет протекать ток в цепи, содержащей следующие
элементы: точка a, D2, Ry S, цепь управления тиристора
Г] (цепь управляющий электрод — катод), точка Ь.
Пренебрегая падением напряжения на диоде D2 и в
цепи управления, получаем
По мере роста напряжения ивх этот ток будет увеличи-
ваться и тиристор Г) включится.
Тиристор Т2, находящийся под обратным напряжени-
ем, естественно, является выключенным. На его управля-
ющем р-п — переходе (управляющий электрод — катод)
Элекгпроникд.---------------------------- 622
имеется обратное напряжение, равное по модулю падению
напряжения на диоде />2 (примерно 0,7 В), поэтому iy2 = 0.
После включения тиристора 7\ ит « 1 В, поэтому iyi» 0
(включение тиристора автоматически снимает сигнал уп-
равления).
При изменении полярности входного напряжения ти-
ристоры меняются ролями.
Из изложенного следует, что очередной тиристор вклю-
чается при малом по модулю, но заметном напряжении
«вх, что вызывает скачок тока в силовой цепи. Кроме про-
чего это создает помехи.
Таким образом, данная схема обеспечивает работу пре-
рывателя при угле управления, близком к нулю, не позво-
ляет плавно изменять действующее напряжение на нагруз-
ке и дает возможность только включать ее или отключать.
Обратимся к схеме прерывателя на основе симистора
(рис. 4.12).
Эта схема по своим свойствам полностью аналогична
предыдущей. Но ток управления iy симистора VS может
быть как положительным, так и отрицательным. Симис-
тор включается, если uCIMf > 0 (при этом iy< 0), а также если
исим < 0 (ПРИ этом ,у> 0).
Обратимся к схеме прерывателя на основе симистора
с гальванической развязкой цепи управления и силовой
623
цепи с помощью оптопары светодиод — фототиристор
(рис. 4.13).
В рассматриваемой схеме роль контакта играет фото-
тиристор оптопары U. Если система управления обеспе-
чит протекание тока id через светодиод оптопары, фото-
тиристор включится, потечет ток /у (положительный или
отрицательный) и симистр VS включится.
Такая схема управления является несоизмеримо более
быстродействующей в сравнении с контактными, но и она
неспособна включать симистор точно в начале каждой
полуволны питающего напряжения.
Более совершенные схемы управления формируют каче-
ственные, с крутыми фронтами импульсы управления вне
зависимости от напряжения на тиристоре (симисторе).
Они обеспечивают включение прибора и в самом начале
каждой полуволны напряжения питания, и в любой дру-
гой момент времени (если в силовой цепи имеется необ-
ходимое напряжение).
Жгр Электроника------------------------------- 624
#^>'5
Прерыватели, в которых силовые приборы включают-
ся точно в момент перехода питающего напряжения че-
рез ноль, называют устройствами с контролем перехода
фазы коммутируемого напряжения через ноль. Уровень по-
мех у них пониженный.
Защита силовых приборов в прерывателях от перенапря-
жений является важной проблемой, так как превышение
допустимого напряжения может вызвать пробой и выход
приборов из строя.
Одной из причин возникновения перенапряжений яв-
ляется наличие даже небольшой индуктивности нагрузки
или соединительных проводов.
Обратимся к схеме с активно-индуктивной нагрузкой
(рис. 4.14).
Рассмотрим подробно процесс выключения тиристора.
Пусть в начале рассматриваемого малого отрезка вре-
мени тиристор включен, но ток i вследствие изменения
входного напряжения стремится к нулю (рис. 4.15).
В момент времени напряжение wex изменяет поляр-
ность. С некоторой задержкой, вызванной влиянием ин-
дуктивности L, изменит полярность также ток i (момент
времени /2).
Обратный (отрицательный) ток i будет протекать из-за
наличия избыточных зарядов в полупроводниковой струк-
туре тиристора.
625
Силовая, электроника
К моменту времени t3 избыточные заряды настолько
уменьшатся, что увеличение модуля тока / прекратится.
Напряжение «гк этому моменту станет отрицательным
и практически сравняется с напряжением ивх.
С момента времени /3 начнется быстрое уменьшение по
модулю тока i, вызванное дальнейшим уменьшением из-
быточных зарядов, причем скорость изменения тока бу-
дет определяться внутренними процессами в тиристоре
вне зависимости от параметров внешней цепи.
Это приведет к скачкообразному росту обратного на-
пряжения.
Электроника------------------------------- 626
Максимальное по модулю значение UMaKC этого напря-
жения определяется выражением
di
UMaKC = ывх(*з) “ L-(*з) ,
микс вх х о' dt ' ’
где мвх(/3) — напряжение ивхв момент времени /3; ~г(Ч) —
ат
производная тока i по времени в момент времени /3.
Так как uex(t3) <0, ~г(Ч) > 0, модуль напряжения UMaKC
di
равен сумме модулей напряжений uex(t3) и L —(t3).
Напряжение UMaKC может оказаться чрезмерно большим
по модулю, вполне достаточным для пробоя тиристора.
К моменту времени /4 напряжение на тиристоре срав-
няется с входным напряжением.
Для предотвращения пробоя тиристоров (симисторов)
в прерывателях достаточно часто используют дополни-
тельные элементы.
Обратимся к рекомендуемой схеме включения отече-
ственного прерывателя (твердотельного оптоэлектронного
реле) 5П19.10ТСВ1-100-12 (напряжение изоляции 4000 В,
среднеквадратичное значение коммутируемого напряже-
ния 630 В, пиковое значение коммутируемого напряжения
1200 В, среднеквадратичное значение коммутируемого
тока 100 А, импульсный коммутируемый ток 1000 А при
длительности импульса 10 мс) (рис. 4.16).
Рассматриваемое устройство имеет оптоэлектронную
гальваническую развязку входной и силовой цепей.
Для защиты от перенапряжений используется АС-це-
почка (R{ и С]), а также варистор R2 (нелинейный резис-
тор, ток которого начинает быстро возрастать после дос-
тижения напряжением некоторого порогового значения).
627
Силовая электроника
Рис. 4.16
Энергия, запасенная в индуктивности, при выключе-
нии тиристоров поглощается варистором и АС-цепочкой,
и перенапряжение ограничивается.
Естественно, указанные элементы ограничивают пере-
напряжения, вызванные и другими причинами (например,
кратковременным увеличением напряжения ивх).
Реверсивные однофазные прерыватели фактически со-
держат два рассмотренных обычных (нереверсивных) пре-
рывателя и обеспечивают, к примеру, изменение направ-
ления вращения однофазных электродвигателей.
Электроника------------------------------ 628
' Трехфазный прерыватель (рис. 4.17) по существу состо-
ит из 3 однофазных прерывателей. Нагрузки могут быть
соединены в звезду (рис. 4.17, а) или в треугольник (рис.
4.17, б).
а
Рис. 4.17
Реверсивные трехфазные прерыватели обеспечивают
изменение направления вращения трехфазных электро-
двигателей.
Преимуществами бесконтактных переключающих уст-
ройств в сравнении с контактными являются:
• большая допустимая частота переключений,
• большой срок службы,
• искробезопасность и взрывобезопасность,
• бесшумность,
• простота обслуживания и малые эксплуатационные
расходы.
629 -----------------Силовая электроника
4.3.2. Прерыватели постоянного тока *
В рамках настоящего пункта рассматриваются устрой-
ства силовой электроники, предназначенные для включе-
ния или выключения нагрузки в цепи постоянного тока.
С их помощью можно также регулировать среднее (или
действующее) значение напряжения, изменяя соотноше-
ние между длительностью импульсов напряжения на на-
грузке и длительностью пауз (т. е. осуществлять импульс-
ное регулирование).
Преобразователи постоянного напряжения одного
уровня в Постоянное напряжение другого уровня, обеспе-
чивающие регулирование постоянного напряжения на
нагрузке, рассматриваются в другом подразделе.
Ранее основой мощных прерывателей постоянного
тока служили незапираемые тиристоры. Такие прерывате-
ли отличались сложностью схем.
В настоящее время для коммутаций в цепях постоян-
ного тока широко используют полевые транзисторы,
IGBT, запираемые тиристоры (Gate turn-off thyristor —
GTO), тиристоры с полевым управлением (MOS-control
thyristor — МСТ, для включения и выключения которых
используются встроенные полевые транзисторы), а также,
в некоторых случаях, биполярные транзисторы.
Современные силовые полупроводниковые приборы
способны коммутировать ток в тысячи ампер и выдержи-
вать напряжение в тысячи вольт.
По существу прерыватели постоянного тока представ-
ляют собой электронные ключи (к примеру, транзистор-
ные), дополненные системами управления и элементами,
обеспечивающими защиту силовых приборов.
Прерыватель на основе IGBT.
Обратимся к отечественному прерывателю (твердотель-
ному реле) постоянного тока с малым временем срабаты-
вания 5П59.1001-160-12 (напряжение изоляции 4000 В,
коммутируемое напряжение 0...1200 В, коммутируемый
Электроника ---------------------------- 630
ток 160 А, остаточное напряжение во включенном состо-
янии 3 В, время включения не более 5 мкс, частота ком-
мутации нагрузки до 10 Гц).
Изобразим рекомендуемую схему включения (рис. 4.18).
Для питания входной цепи рассматриваемого твердо-
тельного реле необходимо использовать источник с напря-
жением Unum, гальванически связанный с входной цепью
(питание по входу).
Для защиты от перенапряжений, возникающих при
отключении нагрузки, имеющей индуктивность, исполь-
зуется внешний диод D. При выключении IGBT ток на-
грузки iH замыкается через диод (в остальное время диод
находится под обратным напряжением и не влияет на ра-
боту схемы).
631 ----------------------Сило&ая электроника
Прерыватель на основе IGBT с параллельно включенным
диодом.
Рассмотрим рекомендуемую схему включения (рис. 4.19)
отечественного прерывателя (твердотельного реле) посто-
янного тока 5II20.10G.DA1-120-6 (напряжение изоляции
4000 В, коммутируемое напряжение 0...600 В, коммутиру-
емый ток 120 А, остаточное напряжение во включенном
состоянии 2,5 В).
Реле имеет встроенный диод Db который обеспечива-
ет, совместно с внешним диодом 2>3, защиту IGBT от пе-
ренапряжений.
Особенностью рассматриваемого реле является также
использование источника питания с напряжением Unum,
гальванически связанного с силовой цепью {питание по
выходу).
Электроника.----------------------------- 632
Двуполярныи прерыватель постоянного тока на полевых
транзисторах.
Двуполярные прерыватели обеспечивают протекание
положительного тока в двух направлениях. Они также
способны коммутировать переменный ток.
Обратимся к рекомендуемой схеме включения (рис. 4.20)
отечественного двуполярного прерывателя (биполярного
твердотельного реле) 5П19.10П1-12-4 (напряжение изоля-
ции 4000 В, коммутируемое напряжение —400...+400 В,
коммутируемый ток 12 А, сопротивление во включенном
состоянии 0,5 Ом).
Рис. 4.20
633 ----------------------Сило&ая электроника
При анализе схемы нужно учитывать, что структура
каждого из полевых транзисторов Т, и Т2 содержит шун-
тирующий диод, как показано пунктиром (структуры си-
ловых полевых транзисторов рассмотрены выше). Пунк-
тир использован потому, что в подобных схемах диоды
часто не показывают (но их наличие подразумевают).
Ток нагрузки при любой полярности входного напря-
жения протекает через один открытый транзистор и диод
другого транзистора.
Для защиты транзисторов от перенапряжений приме-
няется варистор /?1.
Управление реле осуществляется с помощью токового
сигнала iy„p (iynp = 10...25 мА).
4.4. УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
Выпрямители предназначаются для преобразования
переменного напряжения в напряжение одной полярно-
сти (однонаправленное, выпрямленное). Они являются
одними из наиболее широко используемых устройств си-
ловой электроники.
Электрическая энергия вырабатывается и распределя-
ется, как правило, на переменном токе, но значительная ее
доля потребляется при использовании постоянного тока
(электролиз, электропривод, питание радиоэлектронной
аппаратуры и др.), получаемого с помощью выпрямителей.
Кроме того, выпрямители применяются как промежуточ-
ные звенья в преобразователях переменного напряжения
одной частоты в переменное напряжение другой частоты
(например, в блоках питания компьютеров).
В зависимости от числа фаз питающего напряжения раз-
личают однофазные и многофазные выпрямители, причем из
последних наиболее широко используются трехфазные.
Выпрямители на диодах называют неуправляемыми, а со-
держащие управляемые силовые приборы — управляемыми.
Жйеет Электроника------------------------------ 634
Основу управляемых выпрямителей обычно составля-
ют незапираемые тиристоры. В выпрямителях, как и в
прерывателях переменного тока, недостаток таких тири-
сторов, заключающийся в неполной управляемости, обыч-
но себя не проявляет. Тиристоры выключаются автомати-
чески, под действием переменных напряжений.
4.4.1. Управляемый однофазный
мостовой выпрямитель
Рассматриваемый выпрямитель (рис. 4.21) широко ис-
пользуется в самых различных устройствах сравнительно
малой мощности (до сотен ватт и, иногда, единиц киловатт).
Опишем работу выпрямителя для двух характерных
видов нагрузки: активной (рис. 4.21, а) и активно-индук-
тивной (рис. 4.21, б).
Работа выпрямителя на активную нагрузку при нулевом
угле управления.
Для рассматриваемого выпрямителя углом управления
называют угол а сдвига по фазе между началом каждой
положительной полуволны напряжения питания иии со-
635 --------------------- Силовая электроника
ответствующим моментом включения тиристоров Тх и Т4,
а также равный ему угол сдвига между началом каждой
отрицательной полуволны напряжения мвх и соответству-
ющим моментом включения тиристоров Т2 и Т3 (тирис-
торы включаются парами).
При а = 0 электрические процессы в управляемом вып-
рямителе совпадают с процессами в рассмотренном выше
неуправляемом выпрямителе. Естественно, остаются пре-
жними и математические выражения, характеризующие
выпрямитель.
Работа выпрямителя на активную нагрузку при угле уп-
равления п/2рад (90 эл. град.) (рис. 4.22).
Анализ процессов в выпрямителе при ненулевом угле
управления а усложняется, так как на некоторых отрезках
оси абсцисс (и на некоторых отрезках времени) все тири-
сторы схемы выключены и приходится решать задачу рас-
пределения на них напряжения При этом два тирис-
тора находятся под прямым, а другие два — под обратным
напряжением.
Предполагаем (это общепринято), что эквивалентные
сопротивления всех выключенных тиристоров одинаковы
и не зависят от полярности напряжения. В этом случае
напряжение на каждой паре тиристоров, один из которых
находится под прямым, а второй — под обратным напря-
жением, делится поровну (это легко понять, если мыслен-
но заменить все четыре выключенные тиристоры резис-
торами с одинаковыми сопротивлениями). Именно так
временные диаграммы изображены на отрезках оси абс-
цисс 0...Л/2, л...(3/2)-л, и т. д.
При со • t = л/2 включаются тиристоры Тх и Т4. При
этом на тиристорах Т2 и Т3 скачкообразно возрастает в два
раза обратное напряжение. При со • t = л тиристоры Тх и
Т4 выключаются под действием напряжения wex.
Аналогично при <о • t = (3/2)-л после включения тири-
сторов Т2 и Т3 увеличивается обратное напряжение на ти-
Электроника
636
in, in,i
in, ‘тз11
Рис. 4.22
637
Силовая электроника йж
ристорах Тх и Т4. Тиристоры Т2 и Т3 выключаются при
со • t = 2п.
Анализ схемы с включенными тиристорами несложен.
Как и прерыватель переменного тока, при а * 0 вып-
рямитель потребляет из питающей сети ток с формой,
сильно отличающейся от синусоидальной.
Регулировочная характеристика управляемого выпрями-
теля — это зависимость среднего значения Ucp выпрям-
ленного напряжения от угла управления. Регулировочной
характеристикой называют и график этой зависимости.
Регулировочная характеристика выпрямителя, работа-
ющего на активную нагрузку, имеет вид
UCP = + cos а).
It
Изобразим соответствующий график (рис. 4.23, сплош-
ная линия).
Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагруз-
ку при нулевом угле управления (рис. 4.24).
Предполагаем (как общепринято), что индуктивность
нагрузки LH очень велика, так что ток нагрузки 1вых прак-
тически постоянный. Это допущение можно использо-
вать, если постоянная времени нагрузки значительно
больше периода напряжения сети (т„ = LJR^.
638
in, iT4
0
(0/
Рис. 4.24
639
Силовая электроника
Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагруз-
ку при угле управления п/4рад (45 эл. град.) (рис. 4.25),
При принятом условии о существенном влиянии индук-
тивности одна пара тиристоров в каждый момент времени
открыта (электродвижущая сила самоиндукции препятству-
ет выключению некоторой пары тиристоров до включения
следующей пары). Это упрощает анализ схемы.
Временная диаграмма входного тока iex смещена отно-
сительно диаграммы напряжения ивх и, следовательно,
основная гармоника входного тока отстает по фазе от на-
пряжения питания. При 0 < <о • t < л/4, ивх > 0,1вх < 0 и по-
этому мгновенное значение />вж входной мощности отри-
цательное (рт = ивх • iex < 0), т. е. при таких значениях со • t
выпрямитель не потребляет электроэнергию из сети, а
отдает ее в сеть.
Из изложенного следует, что в рассматриваемом режи-
ме выпрямитель загружает питающую сеть реактивной
мощностью и это, безусловно, является отрицательным
фактором.
Регулировочная характеристика выпрямителя, работа-
ющего на активно-индуктивную нагрузку, определяется
выражением
2 • TJ
исв = вхп cos а.
ср п
Соответствующий график (рис. 4.23) изображен пунк-
тиром.
Среднее значение 1ср тока активно-индуктивной нагруз-
ки определяется выражением
I -Чз.
" В. ’
так как среднее значение напряжения на идеальной ка-
тушке индуктивности равно нулю (иначе ее ток возрастал
бы до бесконечности).
Электроника
640
•>
(О/
Рис. 4.25
641 ----------------------Сило&ая электроника
Мощность Рн, потребляемая резистором Реактивно-ин-
дуктивной нагрузки, вычисляется по формуле
Рн = I2cp RH
(так как ток гвых — постоянный, его действующее и сред-
нее значения совпадают).
Катушка индуктивности периодически запасает энер-
гию (когда uL > 0, при этом в случае конечных значений
LH ток 1вых несколько возрастает) и отдает ее (когда uL < О,
при этом ток 1вых несколько убывает) резистору RH а так-
же питающей сети (последнее имеет место при рвх < 0).
4.4.2. Управляемый трехфазный
мостовой выпрямитель
Рассматриваемый выпрямитель (рис. 4.26) широко ис-
пользуется в устройствах большой мощности.
а
Рис. 4.26
Опишем работу выпрямителя при подключении его к
активной (рис. 4.26, а) и активно-индуктивной (рис. 4.26, б)
нагрузке.
Изучаемый выпрямитель подобен рассмотренному од-
нофазному мостовому, но получает питание от трехфазно-
го источника напряжения, содержит 6 тиристоров, пред-
21 Электроника
WsS Электроника ------------------------------ 642
ставляет собой достаточно сложную систему и вследствие
этого более труден для анализа.
Так как тиристоры Ть Т2и Т3 соединены катодами,
принято говорить, что они составляют катодную группу
тиристоров.
Тиристоры Т4, Т5 и Т6, соединенные анодами, состав-
ляют анодную группу.
В однофазном мостовом выпрямителе каждый тирис-
тор может проводить ток в паре с единственным тиристо-
ром и таких пар всего две.
В трехфазном мостовом выпрямителе каждый тиристор
может проводить ток в паре с одним из двух тиристоров
противоположной группы.
К примеру, тиристор Т} может проводить ток или в паре
с тиристором Т5, или в паре с тиристором Т6.
Вследствие этого имеется 6 пар тиристоров, совместно
проводящих ток нагрузки.
Основная трудность при анализе выпрямителя состоит
в том, чтобы определить, какая пара тиристоров находится
во включенном состоянии или может в нем находиться (т е.
может быть включена импульсами управления).
Подобные проблемы типичны для всех электронных
устройств, содержащих нелинейные и, в частности, рабо-
тающие в ключевом режиме элементы. При анализе таких
устройств очень полезно выявить их характерные особен-
ности, сужающие круг возможных сочетаний режимов
работы элементов и упрощающие определение токов и
напряжений.
Укажем такие особенности для рассматриваемой схемы.
Не могут быть включены два тиристора одной группы
(так как их проводящее состояние обеспечило бы проте-
кание под действием соответствующего линейного напря-
жения очень большого обратного тока одного из тиристо-
ров, что невозможно для исправного прибора).
643 ---------------------- Силовая электроника Ж|р
Если имеется пара включенных тиристоров, то напря-
жение ивых равно определенному линейному напряжению,
причем возможны 6 вариантов:
^вых ^ab> Uвых Uab ^Ьа> ^вых ^Ьс> ^вых ^bc ^cb>
^вых Uca> Uвых ^са ~ ^ас
Например, при включенных тиристорах 7\ и Т5 ивых =
= иаЬ а при включенных тиристорах Т4 и Т2 ивых = — иаЬ
Пусть в некоторый момент времени при включенной
одной паре тиристоров ивых = и} Тогда не может быть
включена другая пара, для которой ивых = и2ии2< (ина-
че это соответствовало бы включению тиристора, находя-
щегося под обратным напряжением, что невозможно).
Отсюда следует, что в рассматриваемой схеме исключе-
но скачкообразное уменьшение напряжения ивых (ордина-
та точки временной диаграммы напряжения ивых не может
совершать скачки вниз). Но скачкообразное увеличение
напряжения ивых вполне возможно.
Второе следствие этой особенности рассматриваемого
выпрямителя состоит в том, что в случае, когда все тири-
сторы непрерывно получают импульсы управления (и та-
ким образом выполняют функции диодов), в некоторый
момент времени во включенном состоянии будет нахо-
диться та пара приборов, которая обеспечит наибольшее
значение напряжения ивых (иначе, по крайней мере, на од-
ном тиристоре этой пары создавалось бы существенное
прямое напряжение).
Если тиристоры работают в режиме диодов (или если
анализируется неуправляемый трехфазный мостовой выпря-
митель, кратко рассмотренный выше), для выявления вклю-
ченных в заданный момент времени приборов достаточно:
• по временным диаграммам выбрать из трех (иаЬ, иЬс,
иса) одно линейное напряжение, имеющее макси-
мальное по модулю значение;
• выделить в трехфазной схеме однофазную мосто-
вую, питающуюся выбранным напряжением;
• определить два прибора (из четырех), которые от-
крываются выбранным напряжением.
Электроника. -------------------------- 644
' Ниже приводится пример использования этого алго-
ритма.
Работа выпрямителя на активную нагрузку при нулевом
угле управления.
В рассматриваемом случае тиристоры выполняют фун-
кции диодов (и результаты анализа применимы также к
неуправляемому выпрямителю).
Рассмотрим временные диаграммы (рис. 4.27), харак-
теризующие работу схемы.
Через Um обозначено амплитудное значение линейных
напряжений иаЬ, иЬс, иса (общим обозначением всех линей-
ных напряжений является мл).
Ось абсцисс разделена на отрезки, каждому из которых
присвоен номер, обозначаемый через п.
На временной диаграмме напряжения ивых для каждо-
го отрезка указано совпадающее с ним линейное напря-
жение, а на временной диаграмме тока /вых — совпадаю-
щий с ним ток включенной пары тиристоров.
Обратимся к отрезку с номером 1 (0 < со • t < л/З).
На этом отрезке максимальным по модулю является
напряжение иЬс
Однофазный выпрямитель, питающийся напряжением
иЬс, образуют тиристоры Т2, Т3, Т5, Т6.
Так как иЬс < 0, открыты тиристоры Т3 и Т5 причем
“вых “dr
Аналогично выполняется анализ для других отрезков.
Частота пульсаций (частота основной гармоники пуль-
саций) напряжения ивых в 6 раз больше частоты напряже-
ния питающей сети, что сильно облегчает их фильтрацию.
Приведем основные соотношения, характеризующие
рассматриваемый режим.
Среднее значение Ucp выходного напряжения:
о . _/о о . тт
UCD = ^=- • и = 1,35 • и = = 0,95 • Um,
ср п п
где U — действующее значение линейного напряжения.
645
п •1;2;3;4:5:6:7:8:9
mt
Рис. 4.27
646
Среднее значение 1ср выходного тока:
I
ср Rn '
Действующее значение 1вх тока фазы:
1в1=)|-1ср = 0,82- 1ср.
Коэффициент пульсаций е выходного напряжения:
е = 0,057.
Максимальное обратное напряжение на тирис-
торе:
^обрмакс Um ’ Ucp.
Среднее значение 1Тср тока тиристора:
Т =-^-
т-ср 3 •
Максимальное значение 1тмакс тока тиристора:
^Т.макс ~ Q ' ^ср ~ " 1Ср •
О
Регулировочная характеристика выпрямителя при рабо-
те на активную нагрузку.
Угол управления а для каждого тиристора отсчитыва-
ется от момента включения соответствующего диода не-
управляемого выпрямителя (по существу это справедли-
во и для рассмотренного однофазного мостового, и для
других управляемых выпрямителей).
При 0 < а < л/3 ток 1вых не равен нулю для каждого зна-
чения <0 • /. Это так называемый режим непрерывного тока,
причем
U =-Umcosa.
П
При л/3 < а < 2-тг/З для определенных значений <о • /ток
/вых равен нулю. Это режим прерывистого тока, причем
о
1 I л
1 + cos —+ а
3
647 ----------------------- Сило&ая электронику.
Как следует из последнего выражения, при а = ^л/3
иср = о.
Используя полученные выражения, изобразим регули-
ровочную характеристику графически (рис. 4.28, сплош-
ная линия).
Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагруз-
ку при угле управления п/3 рад (60 эл. град.) (рис. 4.29).
При построении временных диаграмм предполагалось,
что индуктивность LH достаточно велика и ток нагрузки
практически постоянный.
Регулировочная характеристика выпрямителя при рабо-
те на активно-индуктивную нагрузку.
Наличие индуктивности обеспечивает режим непре-
рывного тока, причем
Ucp = --Ua cosa.
ТС
Отсюда следует, что при a = л/2, Ucp = 0.
Дадим графическое изображение регулировочной ха-
рактеристики (рис. 4.28, пунктир).
п |1 \1 |з | 4 | 5 i 6 Р | 8 | 9 |
И/
Рис. 4.29
649
--------Сило&ая электроника
4.5. ИНВЕРТОРЫ
Инверторы преобразуют постоянное напряжение в пе-
ременное.
Они осуществляют функцию, обратную по отношению к
функции выпрямителя. Но в тех и других устройствах часто
используются одни и те же схемотехнические решения.
Более того, некоторые устройства могут осуществлять
как выпрямление, так и инвертирование. В них возмож-
но изменение направления потока энергии: или от цепи
переменного тока в цепь постоянного (выпрямительный
режим), или в обратном направлении (инверторный ре-
жим). Обобщенно эти устройства называют преобразова-
телями.
Пусть такое устройство (рис. 4.30) подключено и к ис-
точнику переменного напряжения, и к источнику посто-
янного напряжения с напряжением и, причем через по-
следний протекает постоянный ток i > 0.
Преобразователь в
режиме выпрямления
или инвертирования
+(-)
-(+)
и
Рис. 4.30
Если будет иметь место полярность постоянного на-
пряжения, указанная без использования скобок, то мощ-
ность Р источника постоянного напряжения будет поло-
жительной (Р = i • и > 0). Это означает, что энергия
передается из цепи переменного тока в цепь постоянного
тока, т. е. преобразователь работает в выпрямительном ре-
жиме.
При другой полярности (указанной с использованием
скобок) Р = —/•«< 0, что соответствует переходу энергии
Электроника ----------------------------- 650
из цепи постоянного тока в цепь переменного и, следо-
вательно, инверторному режиму.
В преобразователях на тиристорах, подобных рассмот-
ренным выше управляемым выпрямителям, направление
тока i не может быть изменено в силу особенностей ис-
пользованных силовых приборов (через тиристор ток мо-
жет протекать только в одном направлении). Поэтому для
них переход в режим инвертирования возможен только
после изменения полярности постоянного напряжения.
Существуют преобразователи, которые обеспечивают
изменение направления тока i. В них инверторный режим
возможен без изменения полярности постоянного напря-
жения.
Такие преобразователи широко используются, к при-
меру, в электроприводе постоянного тока. Когда преобра-
зователь осуществляет выпрямление, электрическая ма-
шина работает в двигательном режиме. Если выполняется
инвертирование, то осуществляется рекуперативное тор-
можение электрической машины, которая в этом случае
выполняет функции генератора электрической энергии.
Очень широко используются и собственно инверторы
(которые выполняют только функцию инвертирования).
Их применяют в преобразователях частоты для индукци-
онного нагрева и плавки металла, в блоках питания и во
многих других случаях.
Инвертор, ведомый сетью (зависимый), требует наличия
источника переменного напряжения, обеспечивающего
требуемую частоту и величину напряжения на выходе ин-
вертора. Упомянутые выше преобразователи для электро-
привода в инверторном режиме работают именно как за-
висимые. Зависимые инверторы применяются также в
системах передачи электроэнергии на постоянном токе.
Автономный (независимый) инвертор функционирует
без источника переменного напряжения. Переменное на-
пряжение необходимой частоты и величины создается са-
мим инвертором. В упомянутых выше преобразователях
651 ---------------------- Силовая электроника. Wsl^
для индукционного нагрева и плавки металла применяют-
ся автономные инверторы.
Инвертор тока характерен тем, что его входной ток
(протекающий через источник постоянного напряжения)
практически не изменяется при переключениях силовых
приборов, т. е. входная цепь работает в режиме источни-
ка тока. Силовые приборы коммутируют этот ток для по-
лучения переменного напряжения на выходе. Обычно
постоянство тока обеспечивает катушка индуктивности во
входной цепи инвертора (входной реактор), имеющая,
большую индуктивность.
Инвертор напряжения имеет входную цепь, которая
работает в режиме источника напряжения. Силовые при-
боры подключают этот источник к нагрузке с заданной
частотой и с переменой полярности и в результате на на-
грузке создается переменное напряжение прямоугольной
формы.
4.5.1. Однофазный мостовой
автономный параллельный
инвертор тока
В рассматриваемом инверторе (рис. 4.31), как и в опи-
санном выше управляемом однофазном выпрямителе,
используются 4 незапираемых тиристора. Схема соедине-
ния тиристоров остается прежней.
Но на входе инвертора имеется источник постоянного
напряжения с напряжением ивх. Полярность этого источ-
ника противоположна полярности выходного напряжения
выпрямителя, что является необходимым условием для
передачи энергии от источника постоянного напряжения
к нагрузке.
Как и в схеме выпрямителя с активно-индуктивной
нагрузкой в рассматриваемой схеме имеется катушка ин-
Рис. 4.31
дуктивности (теперь она обозначена через Lgx так как рас-
положена во входной цепи инвертора).
Предполагаем (как и при анализе выпрямителя с актив-
но-индуктивной нагрузкой), что ток iex в цепи катушки
практически постоянный.
В выходной цепи (т. е. в цепи переменного тока) име-
ется конденсатор С и активно-индуктивная нагрузка с
сопротивлением RH и LH
Реальной нагрузкой инвертора может быть, к примеру,
индуктор, предназначенный для индукционного нагрева
металла. В этом случае схему, состоящую из резистора и
катушки индуктивности, следует рассматривать как экви-
валентную схему (схему замещения) индуктора.
Рассматриваемый инвертор называют параллельным,
так как нагрузка подключена параллельно конденсатору.
Предполагаем, что колебательный контур, образован-
ный конденсатором и нагрузкой, имеет высокую доброт-
ность, вследствие чего напряжение ивых практически си-
нусоидально (на практике бывает трудно или невозможно
визуально отличить осциллограмму выходного напряже-
ния от синусоиды).
653
Сило&ая электроника
При описании инверторов, подобных рассматриваемо-
му, наряду с понятием угла управления, используют поня-
тие угла опережения.
Для изучаемой схемы угол опережения — это угол сдвига
по фазе между моментом включения противоположной
пары тиристоров и моментом возникновения прямого
напряжения на каждом тиристоре рассматриваемой пары.
Применяется также понятие угла запирания.
Угол запирания — это угол сдвига по фазе между момен-
том возникновения на тиристоре обратного напряжения
и моментом возникновения на нем прямого напряжения.
В течение отрезка времени, соответствующего углу за-
пирания, выключающийся тиристор находится под обрат-
ным напряжением. Если этот отрезок окажется меньше
времени выключения тиристора, он может самопроиз-
вольно (без импульса управления) включиться после по-
явления на нем прямого напряжения. Это аварийный, со-
провождающийся резким увеличением тока режим работы
инвертора, который называют опрокидыванием инвертора
или срывом инвертирования.
Чем выше частота выходного напряжения, тем меньше
отрезок времени, соответствующий фиксированному зна-
чению угла запирания. Поэтому при увеличении частоты
угол запирания приходится увеличивать.
При частоте 50 Гц допустим малый угол запирания (в
пределах 0,2...2 эл. град.).
Для рассматриваемой схемы угол запирания равен углу
опережения. В реальных устройствах угол запирания мо-
жет быть заметно меньше угла опережения.
Обозначим угол управления через а (как и при анали-
зе выпрямителей), а угол опережения через 0. Тогда
0 = п — а.
Изобразим временные диаграммы (рис. 4.32), поясня-
ющие работу инвертора при 0 = л/4 рад (45 эл. град.).
При (о • t = (pi тиристоры Т2 и Т3 включаются под дей-
ствием импульсов управления и через них начинает про-
Электроника
654
l/n, Wr4M
w72> w73^
/Г4Л
0
*72> z73
0
>
(0/
Рис. 4.32
655 ---------------------- Силовая электроника
текать ток катушки индуктивности Lex. На тиристорах 7\ и
Т4 появляются обратные напряжения и они выключаются.
Прямое напряжение на тиристорах Т} и Т4 появляется
при со • t = <р2.
При со • t = ф3 включаются тиристоры 1\ и Т4 и на ти-
ристорах Т2 и Т3 возникают обратные напряжения.
В дальнейшем процесс развивается аналогично.
Имеет место следующее соотношение:
— ^ВХ ' _ ^вХ ' 1’11
вых 2->/2cos0 cosp
где ивых— действующее значение напряжения ивых.
Минимальное значение Ueblx соответствует равенству
Р = 0 и равно
При увеличении угла Р напряжение на выходе возрас-
тает, причем при Р -> л/2 ивых —>
Действующее значение IRh тока резистора нагрузки,
мощность Рн, потребляемая нагрузкой, а также ток оп-
ределяются соотношениями
ивх ( 1,11 f
Ям cosp
« \ г I
U2
_ ивых
9
ивх • 1,23
Rn -(cosP)2 ‘
Инвертор на запираемых тиристорах, имеющий рас-
сматриваемую схему (получаемый в результате простой
замены незапираемых тиристоров запираемыми), спосо-
бен работать при нулевом угле опережения. В таком ин-
верторе исключен режим опрокидывания (при правиль-
ном функционировании системы управления).
656
4.5.2. Зависимые инверторы
Рассмотрим однофазный мостовой и трехфазный мос-
товой инверторы на незапираемых тиристорах.
Тиристоры в инверторах соединены так же, как в опи-
санных выше мостовых управляемых выпрямителях.
Но в схемы введены трансформаторы, которые обыч-
но используются в зависимых инверторах.
При предварительном анализе электрических процес-
сов в инверторах трансформаторы могут быть исключены
из схем (заменой каждой обмотки, подключенной к ин-
вертору, источником синусоидального напряжения).
Однако паразитные параметры трансформатора (ин-
дуктивности рассеяния и сопротивления обмоток) оказы-
вают существенное влияние на процесс передачи энергии
из цепи постоянного тока в цепь переменного и поэтому
при подробном анализе должны учитываться (совместно
с паразитными параметрами сети переменного напряже-
ния и источника постоянного напряжения).
Однофазный мостовой инвертор (рис. 4.33).
Рис. 4.33
В выходной цепи инвертора имеется независимый ис-
точник переменного напряжения с напряжением ивых.
657 --------------------- Силовая электроника Жа®
Если этот источник непосредственно подключить к
точкам а и b (исключив из схемы трансформатор Тр), то
электрическим процессам будут соответствовать те же вре-
менные диаграммы (рис. 4.32), которые поясняли работу
автономного однофазного инвертора (причем сохранит
силу и соотношение Увых = ивх 1,11/cos 0).
Однако для такой идеализированной схемы значения
входного тока и мощности, передаваемой в цепь перемен-
ного тока, окажутся неопределенными (определенность
восстанавливается после учета указанных выше паразит-
ных параметров).
Трехфазный мостовой инвертор (рис. 4.34).
са
Фаза А
Фаза С
Рис. 4.34
Начинать изучение этого инвертора целесообразно,
анализируя его идеализированный вариант, в котором не
658
Электроника
применяется трансформатор Тр (вместо него следует ис-
пользовать независимые источники напряжения с напря-
жениями иаЬ, иЬс, иса).
В этом случае работу инвертора хорошо иллюстриру-
ют временные диаграммы, подобные построенным (рис.
4.29) для трехфазного мостового выпрямителя с активно-
индуктивной нагрузкой (но следует учитывать, что режим
инвертирования имеет место при а > л/2). ,
Полный анализ электрических процессов требует уче-
та паразитных параметров источников напряжения и
трансформатора.
4.5.3. Автономные инверторы
напряжения на IGBT
IGBT являются полностью управляемыми ключами.
Поэтому их использование в силовой электронике резко
расширяет возможности по формированию требующихся
сигналов на нагрузке.
Однофазный мостовой инвертор напряжения (рис. 4.35).
Рис. 4.35
659 --------------------- Силовая электроника
Параллельно каждому транзистору подключен диод,
который называют обратным (возвратным).
К выходу инвертора подключена активно-индуктивная
нагрузка с сопротивлением RH и индуктивностью LH.
Наличие полностью управляемых ключей позволяет
обеспечивать различные режимы работы инвертора. Рас-
смотрим наиболее характерные.
Вначале выполним анализ процессов в инверторе (рис.
4.36) при включении транзисторов парами через равные
промежутки времени (как включаются тиристоры в рас-
смотренных однофазных выпрямителях и инверторах).
По оси абсцисс по-прежнему откладываются значения
0)7, но теперь частота/, входящая в формулу для круговой
частоты со (со = 2-л-у), понимается как частота переключе-
ния транзисторов (в рассматриваемом режиме она одина-
кова для двух транзисторов и неизменна, но возможны
режимы, в которых это условие не выполняется).
Непосредственно перед нулевым значением (07 откры-
ты транзисторы Т2 и Т3 и через них протекает ток нагруз-
ки (ieblx< 0).
При со7= 0 транзисторы Т2 и Т3 выключаются. Возни-
кающая электродвижущая сила самоиндукции катушки
индуктивности LH вызывает включение диодов 1)1 и Z>4. В
результате этого нагрузка оказывается фактически подклю-
ченной к источнику входного напряжения таким образом,
что ток im начинает уменьшаться по модулю. Кроме того,
каждый из транзисторов Т2 и Т3 также оказывается факти-
чески подключенным к источнику входного напряжения.
При 0)7= <pt ток /вых становится равным нулю, а затем
меняет полярность. К. этому моменту на затворы транзи-
сторов Tt и Т4 подаются сигналы на включение. Поэтому
транзисторы Тх и Г4 открываются, а диоды D} и Z>4 закры-
ваются. Это не изменяет значений напряжений их и м4
(каждое из указанных напряжений при этом практически
нулевое, независимо от того, включен соответствующий
транзистор или подключенный параллельно ему диод).
Ток (вых продолжает увеличиваться.
При 0)7 = <р2 под действием сигналов управления тран-
зисторы Тх и Т4 выключаются. В результате возникающая
660
Рис. 4.36
661 ----------------------Силовая электроника
электродвижущая сила самоиндукции катушки обеспечи- ,
вает включение диодов D2 и D3. Вследствие этого нагруз-
ка и транзисторы Ть Т4 подключаются к источнику вход-
ного напряжения и ток 1вых начинает уменьшаться.
При 0)7 = (рз ток /^становится равным нулю, а затем
изменяет полярность. К этому времени на затворы тран-
зисторов Т2 и Т3 подаются соответствующие сигналы и
они включаются, а диоды D2 и D3 выключаются.
Затем процесс повторяется.
При проектировании систем управления для рассматри-
ваемых инверторов серьезной проблемой является предот-
вращение таких ситуаций, когда оказываются одновремен-
но включенными два IGBT, соединенные последовательно
(Тх и Т3, а также Т2 и Т4). В таких случаях через транзис-
торы протекает очень большой ток, который называют
сквозным. Он может вывести приборы из строя.
Большим преимуществом рассматриваемой схемы яв-
ляется ее способность формировать на нагрузке импуль-
сы напряжения различной длительности (рис. 4.37).
Предполагаем, что RH = 0 (т. е. нагрузка чисто индук-
тивная; как было показано выше, постоянное напряжение
на идеальной катушке индуктивности обеспечивает ли-
нейное изменение ее тока).
При t < включены транзистор 7] и диод D2, которые
пропускают ток нагрузки. Все остальные приборы выклю-
чены. Напряжение на нагрузке практически равно нулю
и ее ток остается неизменным.
При t = при включенном транзисторе Тх включается
транзистор Т4. При этом диод D2 выключается и оказыва-
ется под обратным напряжением. Под действием напря-
жения ивх ток нагрузки увеличивается.
При t = /2тРанзистоР Л выключается, в результате чего
включается диод D2 Напряжение на нагрузки падает до
нуля и изменение тока прекращается.
При t = t3 транзистор 7\ выключается, в результате чего
включается диод D3. Диод D2 остается включенным. По-
этому напряжение ивых становится отрицательным и ток
нагрузки начинает уменьшаться.
Электроника
662
Рис. 4.37
663 ---------------------- Силовая электроника
При t = /4 ток нагрузки изменяет полярность. К этому
моменту времени транзисторы Т2 и Т3 включаются. Дио-
ды D2 и D3 выключаются. Отрицательный ток нагрузки
увеличивается по модулю.
При t= t5 транзистор Т2 выключается и в результате это-
го включается диод Z)4 Напряжение на нагрузке становится
практически нулевым и ток нагрузки уже не изменяется.
Описанное свойство схемы позволяет, используя им-
пульсы различной длительности, частоты и полярности,
создавать на нагрузке напряжение, среднее значение (оп-
ределяемое для некоторого достаточно малого отрезка
времени) которого изменяется по требуемому закону.
Такое управление указанным средним значением напря-
жения называют широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Так как модуляция обычно выполняется на большой
частоте (в десятки килогерц), фильтрация переменной
составляющей не представляет большой проблемы (и в
результате обеспечивается плавное изменение напряжения
в соответствии с выбранным законом).
Изобразим упрощенно, при выбранных для наглядно-
сти малой частоте и большой длительности импульсов,
временную диаграмму (рис. 4.38) напряжения на нагруз-
и^ых i 1
шш»
t
Рис. 4.38
ке, соответствующую синусоидальному изменению сред-
него на малом отрезке времени значения (синусоида по-
казана пунктиром).
Трехфазный мостовой инвертор напряжения по существу
имеет тот же принцип действия, что и однофазный. Его
основу составляет 6 транзисторов с обратными диодами
(рис. 4.39). Такой инвертор обеспечивает формирование
трехфазного синусоидального напряжения требуемой ча-
стоты.
Представленная на рисунке схема реализуется в соот-
ветствующих силовых модулях, широко использующихся
на практике.
4.6. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ
Преобразователи частоты осуществляют преобразование
переменного напряжения одной частоты в переменное на-
пряжение другой частоты. Некоторые преобразователи,
кроме этого, изменяют число фаз (обычно преобразуют
трехфазное напряжение в однофазное или однофазное —
в трехфазное).
Преобразователи частоты нашли самое широкое при-
менение в различных областях техники.
Именно использование преобразователей переменно-
го напряжения промышленной частоты в напряжение
высокой частоты (десятки килогерц) позволило отказать-
ся от применения сравнительно больших и массивных
сетевых трансформаторов в блоках питания компьютеров.
Созданы преобразователи частоты большой мощности
(в сотни, тысячи киловатт) для электропривода, индукци-
665 ---------------------- Силовая электроника
онного нагрева и плавки металлов, преобразовательных
подстанций на железнодорожном транспорте.
Частота выходного напряжения может быть не только
больше, но и меньше частоты напряжения на входе. На-
пример, для питания асинхронных электродвигателей на-
пряжение частотой 50 Гц может преобразовываться в на-
пряжение с изменяемой частотой, лежащей в диапазоне
0...20 Гц.
Преобразователь частоты с промежуточным звеном
постоянного тока содержит выпрямитель и инвертор.
Преобразователь частоты с непосредственной связью
(непосредственный преобразователь частоты, преобразова-
тель частоты без промежуточного звена постоянного
тока) не содержит выпрямитель. Он формирует выходное
напряжение путем периодического соединения с помо-
щью силовых приборов источника входного переменного
напряжения и нагрузки.
Непосредственный преобразователь частоты с есте-
ственной коммутацией характерен тем, что выключение
использующихся в нем силовых приборов (обычно это
незапираемые тиристоры) обеспечивается переменным
напряжением силовой цепи.
Непосредственный преобразователь частоты с искусст-
венной (принудительной) коммутацией отличается тем, что
выключение силовых приборов (как правило, это запира-
емые тиристоры) выполняется по сигналам управления.
4.6.1. Преобразователи частоты
с промежуточным звеном
постоянного тока
Основными элементами преобразователя частоты с
промежуточным звеном постоянного тока являются вып-
рямитель, инвертор и фильтр на выходе выпрямителя (все
эти устройства рассмотрены выше). Иногда отдельный
фильтр не применяется, так как он уже имеется во вход-
ной цепи инвертора (как индуктивный фильтр в описан-
ном выше автономном параллельном инверторе тока).
Электроника ----------------------------- 666
’ Обычно используются мостовой однофазный или мо-
стовой трехфазный выпрямители (рассмотрены выше).
Выпрямитель может быть как управляемым, так и не-
управляемым.
Изменение угла управления выпрямителя обеспечива-
ет изменение его выходного напряжения и, следователь-
но, выходного напряжения преобразователя частоты.
Иногда управляемый выпрямитель работает при нуле-
вом угле управления, а регулирование выходного напря-
жения преобразователя частоты осуществляется с помощью
инвертора. Такой режим работы выпрямителя обеспечива-
ет наименьший уровень искажения напряжения питающей
сети. В рассматриваемом случае использование тиристоров
в выпрямителе (а не диодов) обеспечивает оперативное
подключение преобразователя к питающей сети и отклю-
чение, а также быстрое отключение в случае аварии.
В зависимости от назначения преобразователя частоты
в нем могут использоваться различные инверторы.
Рассмотрим один из широко используемых вариантов
преобразователя частоты (рис. 4.40).
В преобразователь входит трехфазный мостовой вып-
рямитель на тиристорах Тх ... Т6, Г-образный АС-фильтр
и автономный мостовой инвертор напряжения на IGBT
Т7... Т10 и диодах Л]... D4.
667 --------------------- Силовая электроники w&s&f
Все эти конкретные устройства рассмотрены выше.
Конденсатор С при использовании инвертора напряже-
ния является необходимым элементом, так как входной
ток инвертора содержит большую переменную составля-
ющую и изменяет полярность.
4.6.2. Преобразователи частоты
с непосредственной связью
Интересно отметить, что непосредственные преобразо-
ватели частоты теоретически разрабатывались (и патенто-
вались) еще в 20-е годы прошлого столетия, когда не было
силовых электронных приборов, позволяющих осуще-
ствить их практическую реализацию. Причем уже тогда
предусматривалась возможность передачи энергии из на-
грузки обратно в питающую сеть.
К настоящему времени предложено большое число раз-
личных схем непосредственных преобразователей частоты.
Обычно рассматриваемые преобразователи применя-
ются для получения выходного напряжения с частотой,
меньшей частоты входного напряжения.
Непосредственные преобразователи частоты широко
используются в
• электроприводе, обеспечивая непрерывное измене-
ние частоты и амплитуды выходного напряжения;
• устройствах стабилизации частоты напряжения на
нагрузке при выработке электроэнергии генератора-
ми с нестабильной частотой вращения (к примеру,
в авиации);
• устройствах компенсации реактивной мощности.
Рассмотрим преобразователь частоты с непосредствен-
ной связью (рис. 4.41), предназначенный для формирова-
ния однофазного синусоидального переменного напряже-
ния низкой частоты при питании от трехфазной сети.
В преобразователе использована трехфазная мостовая
схема, подобная схеме трехфазного мостового управляе-
мого выпрямителя (описан выше).
Рис. 4.41
Но в качестве силовых приборов применены запирае-
мые тиристоры Тх... Тп, соединенные парами встречно-
параллельно.
Такое включение тиристоров позволяет получать как
положительное, так и отрицательное значение выходно-
го напряжения ивых (и выходного тока ieblx).
Поучительно изучить принцип действия непосред-
ственного преобразователя в сравнении с принципом дей-
ствия автономного инвертора напряжения на IGBT, так-
же формирующего синусоидальное напряжение (такой
режим работы инвертора описан выше).
Формально принципы действия сравниваемых уст-
ройств различны, но имеются и общие черты.
В инверторе напряжения используются прямоугольные
импульсы постоянной амплитуды и формирование сину-
соидального напряжения достигается изменением дли-
тельностей импульсов, длительностей пауз и изменением
полярности импульсов.
В непосредственном преобразователе частоты указанная
цель достигается использованием импульсов, получаемых
кратковременным подключением к нагрузке соответству-
ющих источников линейных напряжений питающей сети.
Запираемые тиристоры вполне способны осуществлять
669 ----------------------Силовая электроника
такое подключение. Обычно указанные импульсы следуют
один за другим без пауз. Так как линейные напряжения
изменяются, со сменой полярности, во времени, формиро-
вание синусоидального напряжения вполне возможно,
причем могут быть использованы различные алгоритмы
такого формирования.
Рассмотрим временные диаграммы (рис. 4.42), соответ-
ствующие одному из возможных способов управления за-
пираемыми тиристорами.
На рисунке использованы те же обозначения линейных
напряжений, что и при рассмотрении управляемого трех-
фазного выпрямителя.
Временная диаграмма формируемого напряжения ифор
изображена пунктиром.
Изменяя алгоритм включения и выключения тиристо-
ров, можно изменять частоту и амплитуду напряжения u^p.
4.7. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
(ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
НАПРЯЖЕНИЯ)
4.7.1. Общее описание преобразователей
постоянного напряжения
Преобразователи постоянного напряжения преобразу-
ют постоянное напряжение одного уровня в постоянное
напряжение другого уровня.
яг Электроника-------------------------------- 670
‘ Эти преобразователи могут также осуществлять стаби-
лизацию или регулирование выходного напряжения, а
также гальваническую развязку источника входного на-
пряжения и нагрузки.
Рассматриваемые преобразователи широко используют-
ся, кроме прочего, в электроприводе, в блоках питания ра-
диоэлектронной аппаратуры, в сварочном оборудовании.
Силовые приборы в преобразователях постоянного напря-
жения достаточно большой мощности (как и в других мощ-
ных устройствах) работают в ключевом (импульсном режиме).
Поэтому такие преобразователи называют импульсными.
В настоящее время основными силовыми управляемы-
ми приборами в рассматриваемых преобразователях явля-
ются полевые транзисторы и IGBT.
Трансформаторный преобразователь содержит транс-
форматор, который обеспечивает гальваническую развяз-
ку, необходимую, например, по соображениям электробе-
зопасности (в частности, в сварочном оборудовании), и
может изменять уровень напряжения. Использование не-
скольких вторичных обмоток позволяет получить не-
сколько различных уровней напряжения.
Но для передачи энергии через трансформатор входное
постоянное напряжение должно быть преобразовано с
помощью инвертора в переменное. Кроме того, напряже-
ние, снимаемое со вторичной обмотки, необходимо вып-
рямить и подвергнуть фильтрации.
Бестрансформаторный преобразователь не содержит
трансформатор и поэтому не требует получения перемен-
ного напряжения. Вследствие этого он может быть суще-
ственно проще трансформаторного.
Однотактный трансформаторный преобразователь ха-
рактерен тем, что энергия в выходную цепь преобразова-
теля передается в течение части периода его работы: или
когда силовой транзистор включен, или когда он выклю-
чен (могут также использоваться два транзистора, вклю-
чающиеся и выключающиеся одновременно).
Это приводит к тому, что сердечник трансформатора
перемагничивается по частному гистерезисному циклу
(при пониженных значениях приращений магнитной
671
Силовая электроника
индукции) и, таким образом, магнитные свойства сердечни-
ка используются неэффективно. Поэтому габаритные разме-
ры и масса трансформатора оказываются повышенными.
Двухтактный трансформаторный преобразователь со-
держит два силовых транзистора (или две их пары), кото-
рые переключаются поочередно. При каждом очередном
переключении порция энергии передается из цепи пер-
вичной обмотки в цепь вторичной.
Такой режим работы обеспечивает перемагничивание
сердечника трансформатора по гистерезисному циклу,
приближающемуся к предельному. Магнитные свойства
сердечника используются эффективно, а геометрические
размеры и масса трансформатора являются наименьшими.
Прямоходовой однотактный преобразователь отличается
тем, что энергия передается из цепи первичной обмотки в
цепь вторичной при включении силового транзистора.
Обратноходовой однотактный преобразователь характерен
тем, что при включении силового транзистора энергия, по-
ступающая от источника входного напряжения, накаплива-
ется в трансформаторе. При выключении транзистора на-
копленная энергия передается в цепь вторичной обмотки.
Полумостовой преобразователь содержит 2 силовых
транзистора, которые образуют однофазную мостовую
схему совместно с двумя другими элементами (конденса-
торами, диодами).
Мостовой преобразователь имеет 4 силовых транзисто-
ра, образующих мостовую схему.
4.7.2. Основные схемотехнические
решения, использующиеся
в преобразователях постоянного
напряжения
Выше, в подразделе, посвященном вторичным источ-
никам питания, рассмотрен импульсный последователь-
ный стабилизатор напряжения. В общем случае (когда
Электроники ------------------------------- 672
функция стабилизации не является единственной или
обязательной) такое устройство называют понижающим
преобразователем, так как его выходное напряжение всегда
меньше входного (иначе бы и при разомкнутом, и при зам-
кнутом ключе ток катушки индуктивности уменьшался).
Ниже силовые транзисторные ключи, как и в схеме
указанного преобразователя, изображаем упрощенно.
Повышающий преобразователь (рис. 4.43).
Рис. 4.43
Очевидно, что если ключ S постоянно разомкнут, то
и«ых ^вх ’ *£ ~ ^вх /Ъ •
При замыкании ключа диод D выключается, ток iL ли-
нейно возрастает и катушка индуктивности накапливает
энергию. При размыкании ключа диод включается и эта
энергия передается конденсатору С и нагрузке RH, а ток
катушки под действием напряжения ивых уменьшается, так
как ивых > ивх.
В установившемся режиме (после завершения режима
пуска) выходное напряжение не может быть меньше вход-
ного. Если бы напряжение на выходе было меньше, чем
напряжение на входе, ток iL возрастал бы и при замкну-
том, и при разомкнутом ключе S.
Инвертирующий преобразователь (рис. 4.44) обеспечи-
вает изменение полярности напряжения, т. е. инвертиру-
ет его (здесь термин «инвертирующий» используется в
другом смысле, чем при описании устройств, преобразу-
ющих постоянное напряжение в переменное).
Рис. 4.44
При замыкании ключа 5 диод D выключается и проис-
ходит увеличение тока iL катушки индуктивности.
При размыкании ключа диод D включается и пропус-
кает ток iL. Под действием напряжения ивых ток iL умень-
шается.
Инвертирующий преобразователь может как повышать
напряжение, так и понижать его до нуля (когда ключ S
постоянно разомкнут).
Преобразователь Кука (рис. 4.45) изменяет полярность
напряжения. Он может как понижать напряжение до нуля,
так и повышать его.
Рис. 4.45
Токи iL} и iL2 катушек индуктивности в этом преобра-
зователе непрерывны.
При замыканий ключа 5 ток iLl катушки индуктивно-
сти Д увеличивается, и она накапливает энергию. Одно-
временно с этим конденсатор С] разряжается через замк-
нутый ключ и катушку индуктивности L2 на параллельно
22 Электроника
Электроника ----------------------------- 674
соединенные конденсатор С2 и резистор нагрузки RH, от-
давая энергию, которую он накапливает при разомкнутом
ключе S. Диод D выключен напряжением ис1 на конден-
саторе С) (иС| > 0).
При разомкнутом ключе S ток протекает через кон-
денсатор С] и включенный диод D. Конденсатор С, накап-
ливает энергию (напряжение иС1 увеличивается). Через
включенный диод D также протекает ток iL2 катушки ин-
дуктивности L2. Катушка L2 отдает энергию конденсато-
ру С2 и нагрузке.
Другие схемы преобразователя постоянного напряже-
ния образуются, если меняются местами элементы Lx и S
или D и L2.
Прямоходовой преобразователь с размагничивающей об-
моткой (обмоткой рекуперации) (рис. 4.46).
Рис. 4.46
В преобразователе используется трансформатор Тр с
тремя обмотками: w2, w3. Обмотку w2 называют размаг-
ничивающей (обмоткой рекуперации).
При замыкании ключа S диод Dx включается и под дей-
ствием напряжения обмотки w3 ток iL катушки индуктив-
ности L увеличивается (и увеличивается энергия, запасен-
ная в катушке). Ток намагничивания трансформатора
также увеличивается, т. е. в трансформаторе накапливается
энергия.
При размыкании ключа 5 диод D} выключается, но
включается диод D2, через который начинает протекать
675 --------------------- Силовая электроника
ток iL. Катушка L отдает запасенную энергию. Диод D3
включается и энергия, накопленная в трансформаторе,
возвращается источнику входного напряжения.
Использование размагничивающей обмотки препят-
ствует росту магнитной индукции сердечника трансфор-
матора и предотвращает насыщение сердечника.
Иногда обмотку размагничивания не используют, но
тогда на выключающемся ключе возникают перенапряже-
ния, с которыми приходится бороться с помощью допол-
нительных элементов, вводимых в схему.
Прямоходовой полумостовой преобразователь (рис. 4.47).
Рис. 4.47
Ключи 5, и S2 включаются и выключаются одновремен-
но. Принцип действия этой схемы подобен принципу дей-
ствия предыдущей.
Достоинством полумостового преобразователя является
ограничение напряжения на ключах уровнем напряжения
ивх, которое обеспечивается отпиранием диодов и D2
при размыкании ключей. Обмотка размагничивания в та-
кой схеме не нужна.
Прямоходовой мостовой преобразователь может быть
создан на основе рассмотренного выше автономного ин-
вертора напряжения на IGBT.
676
Обратноходовой преобразователь (рис. 4.48).
При замыкании ключа S начинается увеличение тока
намагничивания и трансформатор запасает энергию. Диод
D2 выключен.
При размыкании ключа диод D2 включается и энергия,
запасенная в трансформаторе, передается в цепь нагрузки.
Элементы Rt, Ct, Dx ограничивают перенапряжения на
ключе S в момент его размыкания.
4.8. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
И ЗАЩИТЫ УСТРОЙСТВ
СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Характеристики и параметры устройства силовой элек-
троники определяются не только схемотехническими и
конструктивными решениями, реализованными в силовой
части. Важнейшую роль играют также свойства использу-
емой системы управления и защиты (эту систему кратко
называют также системой управления).
В устройство силовой электроники (рис. 4.49) входят
• силовая часть;
• информативная часть;
• датчики;
• формирователи управляющих сигналов.
677
Силовая электроника
Система управления и защиты
Рис. 4.49
Систему управления и защиты образуют информативная
часть, датчики и формирователи управляющих сигналов.
Эта система осуществляет управление силовой частью,
формируя импульсы управления, а также контроль над
процессами в силовой части и в ней самой.
Разработка системы управления и защиты должна вы-
полняться на основе глубокого анализа процессов, проте-
кающих в силовой части во всех возможных режимах,
включая аварийные.
Функции системы по защите должны соответствовать
особенностям силовых устройств. К примеру, для рассмот-
ренного выше однофазного мостового параллельного ин-
вертора тока целесообразно предусмотреть защиту от оп-
рокидывания.
Но следует учитывать возможность возникновения и
типовых опасных ситуаций, таких как короткие замыка-
ния в нагрузке, перенапряжения питающей сети, перегрев
силовых электронных приборов.
Центральное место в системе управления и защиты за-
нимает информативная часть, которая осуществляет обра-
ботку поступающих с датчиков сигналов и вырабатывает
информативные (маломощные) сигналы для воздействия
на формирователи управляющих сигналов.
Формирователи, получая информативные сигналы, фор-
мируют мощные сигналы управления, вызывающие вклю-
чение или выключение силовых электронных приборов.
Wser Электронику ----------------------------- 678
ж
Датчики выдают сигналы, несущие информацию о про-
цессах, происходящих в силовой части.
Принципы организации системы управления и защи-
ты, состав устройств, элементная база, схемотехнические
решения и использующиеся алгоритмы определяются тре-
бованиями, предъявляемыми к этой системе объектом
управления и защиты, т. е. силовой частью.
Функциональные возможности системы управления и
защиты, ее сложность, размеры, масса, стоимость и дру-
гие свойства должны правильно соотноситься с соответ-
ствующими показателями силовой части.
В некоторых устройствах силовой электроники еще
используются простейшие или относительно несложные
системы управления и защиты, выполняющие элементар-
ные функции.
Однако в настоящее время имеет место явно выражен-
ная тенденция к усложнению функциональных возможно-
стей таких систем, обеспечивающих работу даже относи-
тельно простых устройств силовой электроники.
Эта тенденция объясняется быстрым развитием инфор-
мативной электроники и микропроцессорной техники.
Стоимость информативных электронных устройств
постоянно снижается, а функциональные возможности
расширяются. Даже сложные устройства информативной
электроники могут быть значительно дешевле силового
оборудования и, в частности, силовых электронных при-
боров.
Убытки, вызванные возникновением неоптимальных
режимов работы, ставших причиной, к примеру, перерас-
хода электроэнергии или увеличения потребляемой реак-
тивной мощности, часто несоизмеримы с затратами на
систему управления и защиты. Тяжелые последствия мо-
гут иметь аварии силовых устройств (такие, например, как
авария преобразователя частоты, обеспечивающего плав-
ку металла).
Поэтому приходится разрабатывать и применять все
более сложные системы управления и защиты, выполня-
ющие все более разнообразные функции.
679
Силовая электроника
Для многих типов стандартных устройств силовой
электроники (например, для рассмотренных выше преоб-
разователей постоянного напряжения) промышленность
выпускает специализированные микросхемы (контролле-
ры), обеспечивающие надежное управление и эффектив-
ную защиту.
Серийно производятся микросхемы (драйверы), обеспе-
чивающие формирование качественных сигналов для уп-
равления силовыми приборами. На входы таких микросхем
необходимо подавать стандартные логические сигналы.
В информативной части систем управления и защиты
широко используются микроконтроллеры, обеспечивающие
реализацию сложных алгоритмов управления и защиты.
Интересно отметйть, что в силовой электронике (ко-
торую тогда чаще называли преобразовательной техникой)
применялись уже первые микропроцессоры.
К настоящему времени уровень микропроцессорной
техники настолько возрос, что оказалось возможным ре-
шать очень многие задачи управления и защиты не на
аппаратном, а на программном уровне.
Современные микроконтроллеры способны выполнять
сложные вычисления в режиме реального времени, в про-
цессе функционирования устройств силовой электроники.
Это радикально расширяет возможности разработчика
систем управления и защиты. Например, на основе таких
вычислений можно прогнозировать развитие процесса
нагрева силовых приборов, что обеспечивает возможность
коррекции алгоритмов управления с целью недопущения
перегрева приборов и выхода из строя.
Но указанные возможности могут быть реализованы
только при наличии знаний в области методов вычислений.
5
СОВРЕМЕННЫЕ
ПОДХОДЫ
К АНАЛИЗУ
И СИНТЕЗУ
ЭЛЕКТРОННЫХ
УСТРОЙСТВ
Для создания электронного устройства, обладающего
высокими технико-экономическими показателями, при-
ходится рассматривать различные варианты его схемотех-
нической реализации и выполнять множество самых раз-
нообразных расчетов. Например, может потребоваться
определение токов и напряжений схемы, расчет амплитуд-
но-частотной характеристики, вычисление входного со-
противления.
В настоящее время наиболее эффективным способом
получения самой разнообразной информации, характери-
зующей разрабатываемое электронное устройство, являет-
ся математическое моделирование.
5.1. ВВОДНЫЕ СВЕДЕНИЯ
ПО МАТЕМАТИЧЕСКОМУ
МОДЕЛИРОВАНИЮ ЭЛЕКТРОННЫХ
УСТРОЙСТВ
Математическое моделирование — это использование
вместо реального объекта его математической модели.
В свою очередь математическая модель по существу явля-
ется количественным описанием объекта. Слово «матема-
681 ---- Современные подходы, к анализу и синтезу ЭУ
тическая» в термине «математическая модель» подчерки-
вает тот факт, что это описание отличается строгим
математическим характером.
Для современного специалиста исключительно важно
осознать следующий факт. К настоящему времени разви-
тие науки достигло такого уровня и количественное опи-
сание различных объектов является настолько точным, что
очень многая отсутствующая информация об объекте мо-
жет быть получена на основе только этого описания, без
использования самого объекта.
В определенном смысле математическое моделирова-
ние — это уровень развития науки в настоящее время.
Особую роль при математическом моделировании играет
ЭВМ, являющаяся инструментом моделирования. Мате-
матическое моделирование радикально повышает эффек-
тивность труда специалиста.
Особенно важную роль математическое моделирование
играет в электронике. Здесь наиболее существенными яв-
ляются следующие обстоятельства:
• большая сложность и большое разнообразие элект-
ронных устройств; традиционные методы анализа и
синтеза и тем более интуитивные представления о
работе устройств часто оказываются бесполезными;
• особое значение электроники в современном мире,
которое заставляет направлять большие усилия на ее
развитие; так как это развитие возможно только при
постоянном совершенствовании математического
моделирования электронных схем, ему уделяется
особое внимание и выделяются значительные силы
и средства;
• необходимость резкого сокращения сроков разра-
ботки и внедрения новых электронных устройств,
что невозможно без математического моделирова-
ния; например, в настоящее время на подготовку
опытного образца электронного устройства с момен-
та выдачи технического задания может отводиться
2—3 недели;
Электроника ---------------------------- 682
’ • сравнительно хорошая изученность физических
процессов, происходящих в электронных приборах
и устройствах, и наличие развитой теории, что яв-
ляется благодатной почвой для математического
моделирования; ясность задачи моделирования
электронных схем, прозрачность проблемы описа-
ния устройств электроники средствами математики
стимулирует применение математического модели-
рования.
Математическое моделирование электронной схемы
начинается с ввода в ЭВМ информации об электронных
приборах (или элементах и компонентах интегральных
схем) и способе их соединения.
При использовании современных систем схемотехни-
ческого моделирования, оснащенных специальными про-
граммами (так называемыми графическими редакторами),
ввод указанной информации обеспечивается изображени-
ем на экране ЭВМ электрической принципиальной схе-
мы моделируемого устройства и указанием типов элект-
ронных приборов.
На рис. 5.1 приведен пример электронной схемы (RC-
усилителя на биполярном транзисторе), подготовленной к
моделированию с помощью пакета программ Micro-Cap V.
По указанному типу прибора система моделирования
обращается к соответствующей математической модели
прибора и заменяет ей прибор, изображенный на схеме.
Как уже отмечалось при рассмотрении отдельных прибо-
ров, математическая модель прибора — это совокупность
его эквивалентной схемы и математических выражений,
описывающих элементы эквивалентной схемы. После заме-
ны каждого прибора его эквивалентной схемой образуется
математическая модель всего электронного устройства, т. е. со-
вокупность эквивалентной схемы устройства и математичес-
ких выражений, описывающих элементы этой эквивалентной
схемы.
683 ----- Современные подходы к^ашиш^у и синтезу
Рис. 5.1
Достаточные для первого ознакомления представления
об использующихся математических моделях приборов
дают рассмотренные выше модели диодов и транзисторов.
5.2. ОСОБЕННОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ
РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ
УСТРОЙСТВ
Современные программные системы (Micro-Cap V,
Design Center 6.2 и др.) позволяют автоматизированно мо-
делировать практически все режимы работы электронного
устройства, представляющие интерес для специалиста.
Рассмотрим особенности моделирования различных
режимов, используя их наименования, характерные для
математического моделирования.
Электроника----------------------------- 684
’ Режим постоянного тока. Это режим покоя, начальный
режим работы электронной схемы. При моделировании
этого режима предполагается, что к электронному устрой-
ству уже достаточно долго подключены только источни-
ки постоянного напряжения и тока.
Моделирование рассматриваемого режима основано на
использовании метода Ньютона (Ньютона—Рафсона) для
решения систем нелинейных уравнений или модифика-
ций данного метода. Этот метод является итерационным.
Характерной его особенностью является линеаризация
системы нелинейных уравнений на каждом этапе вычис-
ления очередной итерации (приближения к решению).
Важно отметить, что в системах схемотехнического
моделирования этот метод реализован не в классической
форме, рассматриваемой в различных руководствах по
вычислительным методам, а в оригинальной схемотехни-
ческой форме, отличающейся логической красотой, совер-
шенством и ориентированной именно на моделирование
электронных схем. Моделирующая программа, фактиче-
ски решая систему нелинейных уравнений, описывающую
электронное устройство, не формирует эту систему. Вме-
сто этого при вычислении очередной итерации каждый
нелинейный элемент эквивалентной схемы электронного
устройства заменяется линейной так называемой дискрет-
ной моделью, соответствующей методу Ньютона. В резуль-
тате образуется линейная схема, анализ которой и приво-
дит к определению очередной итерации.
Для полученной линейной схемы моделирующая про-
грамма формирует систему линейных узловых уравнений,
в которой неизвестными являются узловые напряжения
(потенциалы). Затем эта программа решает полученную
систему линейных алгебраических уравнений, используя
LU-факторизацию. LU-факторизация выполняется на ос-
нове метода исключения Гаусса для решения системы ли-
нейных алгебраических уравнений или по алгоритму Кра-
ута, который по существу является модификацией метода
685 ---- Современные подходы к.анали^у и синтезу ЭУ
исключения Гаусса. Современные моделирующие про-
граммы учитывают разреженность матрицы системы узло-
вых уравнений. Это значительно сокращает затраты ма-
шинного времени и памяти. По завершении решения
системы узловых уравнений определяются все остальные
искомые токи и напряжения схемы.
После вычисления некоторого количества итераций
(например, нескольких десятков) определяется решение,
т. е. находится установившийся режим схемы.
На рис. 5.2 приведен график зависимости напряжения
VCE(Q1) между коллектором и эмиттером транзистора от
напряжения питания V(V2) для схемы рис. 5.1.
Этот график получен при анализе режима постоянно-
го тока в результате многократного расчета установивше-
гося режима.
На рис. 5.3 показано соответствующее окно для зада-
ния параметров моделирования.
Рис. 5.2
Input 2 Range
Input 2
Input 1 Range
Input 1
Number of Point*
Temperature
Maximum Change X
|i~]|V(Vq ||VCE|Q11 ~||15.O Ц5.-0.5 ||5T|
Рис. 5.3
Динамический режим. Этим термином обозначают ре-
жим работы электронного устройства, при котором могут
иметь место различные переходные процессы. По суще-
ству динамический режим — это реальный режим работы
электронной схемы во всем его многообразии, развиваю-
щийся во времени. При моделировании динамического
режима учитывается воздействие на схему самых разнооб-
разных источников сигналов.
Моделирование динамического режима основано на
использовании неявных методов решения систем обыкно-
венных дифференциальных уравнений. Обычно использу-
ются методы 1ира (формулы дифференцирования назад).
В системах схемотехнического моделирования указан-
ные методы также реализованы не в классической, а в
специфической схемотехнической форме, в наивысшей
степени соответствующей задаче моделирования переход-
687 ---- Современные подходы, к анализу и синтезу 3fY
ных процессов в электронных схемах. Система моделиро-
вания выполняет численный расчет переходных процессов
без формирования соответствующей системы обыкновен-
ных дифференциальных уравнений. Для определения то-
ков и напряжений схемы в некоторый следующей момент
времени все реактивные элементы (конденсаторы и ка-
тушки индуктивности) заменяются дискретными моделя-
ми, соответствующими используемому неявному методу.
В результате образуется схема без реактивных элементов,
анализ которой и приводит к определению указанных то-
ков и напряжений. Многократное повторение описанных
действий и обеспечивает анализ динамического режима в
течение достаточно длительного отрезка времени.
На рис. 5.4 приведены временные диаграммы напряже-
ний на входе (V(7)) и выходе (V(5)), схемы, полученные
при анализе динамического режима.
Рис. 5.4
688
Time Range
Махйпим Типе Step
Number of Point*
Temperature
1^4
0.001 e-4
50
27
Run Option* | Normal
State Variable* Zero
R Operating Point
П Operating Point Only
PsAuto Scale Range*
Рис. 5.5
На рис. 5.5 показано соответствующее окно для зада-
ния параметров моделирования.
Режим переменного тока. Это установившийся режим
работы схемы при воздействии на нее синусоидального вход-
ного сигнала настолько малой амплитуды, что нелинейнос-
ти характеристик электронных приборов не проявляются и
схема может анализироваться как линейная. В рассматрива-
емом режиме определяют различные частотные характе-
ристики электронных схем, наиболее употребительными
из которых являются амплитудно-частотная и фазочастот-
ная характеристики.
Моделирование режима переменного тока основано на
использовании комплексного (символического) метода
анализа электронных схем. При этом для каждой частоты
входного сигнала формируется система линейных алгеб-
раических уравнений, описывающая рассматриваемый
689 ----- Современные, подходы к.анали$у и синтезу ЗУ
режим и имеющая комплексную матрицу коэффициентов
и комплексный столбец правых частей. Решение этой си-
стемы позволяет определить переменные составляющие
токов и напряжений и значения соответствующих пара-
метров схемы. При этом используют те же указанные
выше методы решения систем линейных алгебраических
уравнений, которые применяются при анализе режима
постоянного тока (для которого характерно применение
вещественных матриц коэффициентов и столбцов правых
частей). Повторение таких вычислений при различных
частотах обеспечивает анализ рассматриваемого режима в
требуемом диапазоне частот.
На рис. 5.6 приведены амплитудно-частотная и фазо-
частотная характеристики схемы рис. 5.1, полученные при
анализе режима переменного тока.
Рис. 5.6
На рис. 5.7 показано соответствующее окно для зада-
ния параметров моделирования.
Электроника
690
Normal
fiun Options
Erequency Step |Auto
IB Auto Scale Ranges
Frequency Range
Number of Points
Temperature
Maximum Change X
Noise Input
Noise Output
P X Expression Y Expression X Range Y Range Fmt
|T]|F ||dbfv(5)) ||le+006.10 ||l 5.-20 ЦбТ]
|2~||F ~~| ph(V(5M 1c+006,10 -30.-300 [sT]
Рис. 5.7
5.3. УРОВЕНЬ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ
МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Системы математического моделирования устройств
электроники на протяжении длительного времени посто-
янно развиваются и совершенствуются. Укажем характер-
ные возможности современных систем моделирования.
Моделирование смешанных аналого-цифровых устройств.
Электронная схема, подлежащая моделированию, может
состоять как из аналоговых, так и цифровых устройств.
Важно отметить, что допускается использование обратных
связей. Цифровые устройства моделируются на логичес-
ком уровне. Система моделирования в автоматическом
режиме обеспечивает взаимодействие аналоговых и циф-
ровых устройств, поэтому математическая модель всего
аналого-цифрового устройства электроники функциони-
рует как единое целое, адекватно отражая особенности ра-
боты реального устройства.
691 ---- Современные подходы к. оналиду и синтезу ЭУ
На рис. 5.8 приведен пример аналого-цифровой схемы,
подготовленной к моделированию с помощью пакета
Micro-Cap V. В этой схеме кроме аналоговых элементов
используется JK-триггер.
Рис. 5.8
Статистический анализ. Для оценки влияния измене-
ния параметров элементов электронной схемы (в рамках
их заданных допусков) на режим ее работы, определение
чувствительности режима работы схемы к изменению па-
раметров элементов система моделирования выполняет
многократный анализ схемы, случайным образом изменяя
требуемые параметры элементов. При этом изменения
выполняются в соответствии с конкретными законами
распределения.
Спектральный анализ. Сигналы, полученные при моде-
лировании, можно подвергнуть спектральному анализу,
разлагая в усеченный ряд Фурье. Могут учитываться бо-
лее сотни гармоник.
Анализ шумов. При моделировании предусмотрено за-
дание шумовых параметров элементов электронных схем.
Электроника----------------------------- 692
Использование этих параметров дает возможность оцени-
вать шумовые свойства электронных устройств.
Использование функциональных блоков. Отдельные узлы
электронного устройства могут моделироваться как фун-
кциональные блоки, описываемые передаточными функ-
циями. Нелинейные передаточные функции могут зада-
ваться как аналитически, так и в табличной форме.
Параметрический синтез (параметрическая оптимиза-
ция). Для конкретной схемы электронного устройства про-
граммная система может осуществить поиск наилучшего
соотношения параметров элементов схемы в соответствии
с заданной целевой функцией. Параметрический синтез
позволяет создавать устройства электроники, обладающие
наивысшими технико-экономическими показателями.
Структурный синтез. Схемы электронных устройств
отдельных классов (в частности, активных фильтров) мо-
гут создаваться в автоматизированном режиме в соответ-
ствии с заданными требованиями.
Создание математических моделей элементов. Системы
моделирования комплектуются программами, обеспечиваю-
щими получение в автоматизированном режиме математичес-
ких моделей элементов электронных схем. При этом исполь-
зуются справочные данные, характеризующие эти элементы.
На рис. 5.9 приведен пример графика зависимости ко-
эффициента Р-транзистора от тока коллектора, который
строится по точкам, задаваемым пользователем на осно-
ве справочных данных.
Проектирование печатных плат. В последнее время
появились программные системы (Design Center 6.2,
Design Lab 8.0), обеспечивающие, кроме моделирования
электромагнитных процессов, также и проектирование
печатных плат электронных устройств. Ранее для этого
проектирования использовались специализированные
программы разработки печатных плат (P-CAD, OrCAD),
которые не осуществляли моделирования этих процессов.
Таким образом, в настоящее время в распоряжении раз-
работчика имеются системы сквозного проектирования,
обеспечивающие выполнение всех основных этапов раз-
работки устройств электроники.
693
Современные подходы канали^у и синтезу ЭУ
Рис. 5.9
5.4. ВЛИЯНИЕ РАЗВИТИЯ
МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
НА ХАРАКТЕР ТРУДА РАЗРАБОТЧИКА
ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Для продуктивной работы по созданию устройств элек-
троники важно осознать, что достижения математического
моделирования электронных схем в очень сильной степе-
ни изменили характер работы современного специалиста.
Теперь эффективность его деятельности непосредственно
зависит от уровня подготовки в области моделирования.
Уже можно утверждать, что без овладения основами ма-
тематического моделирования практически нельзя наде-
яться на получение результатов, составляющих конкурен-
цию результатам работы тех специалистов, которые
хорошо освоили моделирование.
Электроника----------------------------- 694
В то же время важно рассмотреть вопрос о том, что
может дать математическое моделирование и чего оно, по
крайней мере, в настоящее время, дать не может.
Математическое- моделирование берет на себя многие
прежние обязанности разработчика электронных схем, но
при этом возлагает на него новые обязанности, что мож-
но считать вполне справедливой платой за новые, исклю-
чительно полезные возможности.
Существует заблуждение, в соответствии с которым
использование математического моделирования освобож-
дает от необходимости глубоко изучать особенности по-
строения конкретных электронных схем, а также проис-
ходящих в них процессов. Возможно, это заблуждение
возникло потому, что математическое моделирование в
высшей степени полезно для уяснения самых сложных
вопросов, возникающих при изучении электронных схем,
и поэтому во многих случаях быстро компенсирует про-
белы в начальной подготовке. Но это не оправдывает заб-
луждение, а говорит только о том, что математическое
моделирование следует использовать все более широко и
на все более ранних этапах изучения электроники. Что же
касается самих знаний в области электроники, то они
безусловно необходимы для плодотворной работы с ис-
пользованием пакетов схемотехнического моделирования.
Современный этап математического моделирования
характерен тем, что практически все ключевые решения
при создании электронной схемы принимает разработчик,
а не система моделирования. Поэтому недопонимание тех
или иных особенностей электронной схемы приводит к
выбору неоптимальных вариантов схемы, значений пара-
метров элементов, а также режимов работы. При этом су-
ществует опасность, что моделирование не выявит все ха-
рактерные режимы работы схемы, в том числе и опасные,
так как именно разработчик определяет начальные усло-
вия моделирования. Нужно осознать, что основная фун-
кция моделирующей программы состоит в получении
численных значений тех или иных переменных, опреде-
ляемых по достаточно жестким алгоритмам. Моделирова-
695 ----- Современные подходы к^аналиду и синтезу ЭУ
те^т»
ние не снимает с разработчика обязанности качественной
интеллектуальной оценки и самой схемы, и происходящих
в ней процессов.
На разработчике лежит вся ответственность за оконча-
тельный выбор конкретной схемы даже в случае автома-
тизированного структурного синтеза типовых устройств.
Он должен или непосредственно устанавливать, или из-
менять параметры элементов схемы, или определять це-
левую функцию для параметрического синтеза. Успешно
решать эти задачи можно только при глубоком понима-
нии работы устройства. Необходимым является знание
основных количественных соотношений, характеризую-
щих электронную схему и являющихся основой для выбо-
ра начальных значений параметров элементов, а также
направления и степени изменения этих параметров.
Приступая к математическому моделированию, следу-
ет уяснить, что необходимым условием для получения
положительных результатов являются знания в области
математических моделей элементов и методов вычисле-
ний, реализованных в моделирующих программах. Важ-
но с самого начала понять, что результаты моделирования
некоторой электронной схемы определяются не только ее
характерными особенностями, но и особенностями ис-
пользуемых математических моделей и алгоритмов. Здесь
будет кстати вспомнить тот факт, что и при эксперимен-
тальном исследовании реальных электронных устройств
результаты зависят и от особенностей организации экспе-
римента, и от параметров измерительных приборов. Точ-
но так же, как неправильная настройка эксперименталь-
ной установки и использование не соответствующих цели
эксперимента испытуемых образцов и приборов являют-
ся причинами ошибочных экспериментальных результа-
тов, неправильные применение математических моделей,
настройка и использование вычислительных алгоритмов
приводят к получению ошибочных результатов моделиро-
вания.
Конечно, некоторые пользователи предпочли бы те
программные средства, которые вообще не требуют зна-
ж Электроника------------------------------- 696
ния использующихся в них моделей и методов моделиро-
вания. Однако таких программных средств не существует
и они вряд ли появятся.
Характерной чертой прежних подходов к анализу и
проектированию электронных схем является то, что для
каждого отдельного класса электронных схем (усилители,
стабилизаторы и т. д.) используются специализированные
приемы и методы. Эти приемы и методы, как правило,
логически слабо связаны. Поэтому слабо связаны и раз-
личные разделы руководств по расчету электронных схем.
Современные подходы к математическому моделиро-
ванию электронных схем характеризуются использовани-
ем достаточно малого числа универсальных эффективных
методов, основанных на последних достижениях приклад-
ной математики и электроники. Эти методы позволяют
выполнять анализ и расчет различных электронных схем
единообразно, с использованием единых исходных пози-
ций. Но данные методы, отличающиеся глубиной реали-
зуемых идей, достаточно сложны. Их усвоение требует
глубокой всесторонней проработки. Представляется воз-
можным провести аналогию между переходом к современ-
ным методам моделирования и переходом к широкому ис-
пользованию дифференциального исчисления, сделавшим
ненужными многие прежние приемы и способы решения
конкретных частных задач математики.
Однако дополнительные обязанности разработчика
электронных схем по выбору, созданию и корректировке
математических моделей, настройке моделирующих про-
грамм и контролю за их работой многократно компенси-
руются возможностями быстро и с высокой точностью вы-
полнять самые сложные расчеты, абсолютно невозможные
при использовании прежних подходов. Математическое
моделирование освобождает от рутинной работы и ради-
кально увеличивает возможности для творчества в элект-
ронике.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для
вузов / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров.
Под ред. О.П. 1лудкина. —М.: Радио и связь, 1996. —
786 с.
2. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. — Но-
восибирск: Изд-во НГТУ, 2003. — 664 с.
3. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Ба-
зовые элементы и схемы. Методы проектирова-
ния. — М.: Мир, 2001. — 379 с.
4. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. —
СПб.: Корона-принт, 2004. — 416 с.
5. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей
и профессионалов. — М.: Солон-Р, 2001. — 327 с.
6. Точчи R, Уидмер Н. Цифровые системы. Теория и
практика. Пер. с англ. 8-е изд. — М.: Издательский
дом «Вильямс», 2004. — 1024 с.
7. Угрюмое Е.П. Цифровая схемотехника. — СПб.:
БХВ — Санкт-Петербург, 2000. — 528 с.
8. Фрике К. Вводный курс цифровой электроники. —
М.: Техносфера, 2003. — 432 с.
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ..............................................3
Введение.................................................6
1. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ............................11
1.1. Полупроводниковые диоды..........................11
1.1.1. Краткое описание полупроводниковых материалов... 11
1.1.2. Устройство и основные физические процессы...13
1.1.3. Характеристики и параметры полупроводникового
диода..........................................29
1.1.4. Использование вольт-амперной характеристики
диода для определения его режима работы........36
1.1.5. Математические модели диодов и их использование
для анализа электронных схем...................38
1.1.6. Разновидности полупроводниковых диодов......41
1.1.7. Классификация и система обозначений.........49
1.2. Биполярные транзисторы...........................54
1.2.1. Устройство и основные физические процессы...55
1.2.2. Характеристики и параметры..................59
1.2.3. Математические модели биполярного транзистора ... 70
1.2.4. Анализ схем с транзисторами.................76
1.2.5. Три схемы включения транзистора с ненулевым
сопротивлением нагрузки...................’.... 79
1.2.6. h-параметры транзистора.....................82
1.2.7. Временные диаграммы токов транзистора при его
вхождении в активный режим работы и частотные
(динамические) свойства........................84
1.2.8. Классификация и система обозначений.........87
1.3. Полевые транзисторы..............................90
1.3.1. Устройство и основные физические процессы...91
1.3.2. Характеристики и параметры..................94
1.3.3. Математические модели полевого транзистора.101
1.3.4. Разновидности полевых транзисторов.........104
1.3.5. Применение принципа полевого транзистора....ПО
1.4. Тиристоры.......................................113
1.4.1. Устройство и основные физические процессы..113
1.4.2. Характеристики.............................119
1.4.3. Графический анализ схем с тиристорами......121
1.4.4. Классификация и система обозначений........122
1.5. Оптоэлектронные приборы.........................125
699 Содержание йр
1.5.1. Общая характеристика оптоэлектронных
приборов......................................125
1.5.2. Излучающий диод (светодиод)................126
1.5.3. Фоторезистор.....................~.........131
1.5.4. Фотодиод...................................133
1.5.5. Фототранзистор и фототиристор..............136
1.5.6. Оптрон (оптопара)..........................137
1.5.7. Разновидности индикаторов..................138
1.6. Операционные усилители........................ 140
1.6.1. Краткое описание операционного усилителя...141
1.6.2. Передаточная характеристика................144
1.6.3. Влияние различных факторов на выходное
напряжение операционного усилителя............148
1.6.4. Амплитудно-частотная, фазочастотная
характеристики операционного усилителя
и его эквивалентная схема.....................151
1.7. Интегральные микросхемы.........................154
1.8. Силовые (мощные) полупроводниковые приборы .... 157
1.8.1. Силовые (мощные) биполярные транзисторы....157
1.8.2. Силовые (мощные) полевые транзисторы....172
1.8.3. IGBT — биполярный транзистор с изолированным
затвором......................................181
1.8.4. SIT — транзистор со статической индукцией..189
1.8.5. Сравнительная характеристика силовых
полупроводниковых приборов....................193
2. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА...................196
2.1. Классификация, основные параметры
и характеристики усилителей............................196
2.2. Обратная связь в усилителях.....................204
2.2.1. Классификация обратных связей в усилителях.205
2.2.2. Анализ влияния отрицательной обратной связи
на примере последовательной обратной связи
по напряжению.................................206
2.2.3. Разновидности отрицательных обратных связей
и анализ их влияния...........................215
2.3. Усилители на биполярных транзисторах........217
2.3.1. Режимы работы транзистора в усилителе..217
2.3.2. Усилитель с эмитгерной стабилизацией...222
2.4. Усилители на полевых транзисторах...........232
2.5. Линейные схемы на основе операционных
усилителей (ОУ)...................................233
Электроника ------------------------------- 700
2.5.1. Инвертирующий усилитель на основе ОУ...235
2.5.2. Неинвертирующий усилитель на основе ОУ.237
2.5.3. Повторитель напряжения на основе ОУ....240
2.5.4. Сумматор напряжений (инвертирующий
сумматор)....................................241
2.5.5. Вычитающий усилитель (усилитель
с дифференциальным входом)....................242
2.5.6. Схемы с диодами и стабилитронами на основе ОУ.... 244
2.6. Усилители постоянного тока..................246
2.6.1. Дифференциальный усилитель на биполярных
транзисторах..................................249
2.6.2. Усилитель постоянного тока с модуляцией
и демодуляцией (усилитель типа МДМ)...........254
2.7. Усилители мощности (мощные выходные
усилители).......................................256
2.7.1. Трансформаторные усилители мощности....260
2.7.2. Бестрансформаторные усилители мощности.264
2.8. Активные фильтры............................267
2.8.1. Общее математическое описание фильтров.269
2.8.2. Классификация фильтров по виду их амплитудно-
частотных характеристик......................276
2.8.3. Классификация фильтров по особенностям
полиномов, входящих в передаточные функции .... 281
2.8.4. Особенности проектирования активных фильтров.... 283
2.8.5. Схемы активных фильтров................284
2.9. Генераторы гармонических колебаний..........287
2.9.1. RC-генераторы с мостом Вина............289
2.9.2. Кварцевые генераторы...................293
2.10. Вторичные источники питания................295
2.10.1. Выпрямители...........................298
2.10.2. Сглаживающие фильтры..................307
2.10.3. Стабилизаторы напряжения..............313
2.10.4. Инверторы, умножители напряжения
и управляемые выпрямители....................322
3. ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА............................327
3.1. Импульсный режим работы и цифровое
представление преобразуемой информации.............327
3.1.1. Описание импульсных сигналов ..........328
3.1.2. Анализ переходных процессов (динамических
режимов) в импульсных схемах.............331
701 -----------------------—— Содержание
3.1.3. Цифровое представление преобразуемой
информации и логические состояния.
Аналоговые и цифровые ключи.......<......335
3.1.4. Цифровые ключи на биполярных транзисторах...338
3.1.5. Ненасыщенные цифровые ключи на биполярных
транзисторах..................................345
3.1.6. Аналоговые коммутаторы (аналоговые ключи)
на биполярных транзисторах....................347
3.1.7. Ключи на полевых транзисторах..........353
3.2. Логические функции и алгебра логики
(булева алгебра)...................................361
3.2.1. Логические функции и способы их записи.361
3.2.2. Основы алгебры логики..................366
3.2.3. Минимизация логических функций.........367
3.2.4. Реализация логических функций..........375
3.2.5. Особенности построения логических устройств.380
3.3. Логические элементы.........................384
3.3.1. Классификация и основные параметры.....384
3.3.2. Особенности выходных каскадов цифровых
микросхем.....................................387
3.3.3. Преобразователи уровня сигналов и шинные
формирователи.................................390
3.3.4. Схемотехника логических элементов различных
логик..........................................394
3.3.5. Сравнительные характеристики логических
элементов и их особенности....................404
3.4. Комбинационные цифровые устройства..........407
3.4.1. Шифраторы, дешифраторы и преобразователи
кодов.........................................407
3.4.2. Мультиплексоры и демультиплексоры......419
3.4.3. Сумматоры..............................429
3.4.4. Цифровые компараторы...................435
3.5. Последовательностные цифровые устройства.........437
3.5.1. Триггеры...............................437
3.5.2. Счетчики импульсов.....................450
3.5.3. Регистры...............................458
3.6. Цифровые запоминающие устройства............464
3.6.1. Общая характеристика устройств.........464
3.6.2. Структуры запоминающих устройств.......465
3.6.3. Оперативные запоминающие устройства....469
3.6.4. Постоянные запоминающие устройства.....472
Электроника ------------------------------ 702
! 3.6.5. Флэш-память........................ 480
3.6.6. Использование ПЗУ для реализации цифровых
устройств....................................481
3.7. Программируемые логические интегральные
схемы...........................................484
3.7.1. Основные сведения, классификация и области
применения...................................484
3.7.2. Программируемые логические матрицы....487
3.7.3. Программируемая матричная логика......492
3.7.4. Базовые матричные кристаллы...........493
3.7.5. Программируемые вентильные матрицы....495
3.7.6. Программируемые коммутируемые матричные
блоки........................................498
3.7.7. ПЛИС комбинированной архитектуры
и типа «система на кристалле»................501
3.8. Арифметические устройства..................504
3.8.1. Последовательный сумматор.............504
3.8.2. Накапливающий сумматор................506
3.8.3. Двоичные умножители...................508
3.8.4. Двоичное деление......................514
3.8.5. Арифметико-логическое устройство......514
3.9. Устройства для ограничения и аналого-цифрового
преобразования сигналов.........................520
3.9.1. Амплитудные ограничители..............520
3.9.2. Цифроаналоговые преобразователи.......530
3.9.3. Аналого-цифровые преобразователи......540
3.9.4. Устройства выборки и хранения аналоговых
сигналов.....................................560
3.10. Генераторы импульсных сигналов............565
3.10.1. Генераторы прямоугольных импульсов...565
3.10.2. Генераторы линейно изменяющегося
напряжения...................................576
3.11. Формирователи импульсов...................588
3.11.1. Триггер Шмитта.......................588
3.11.2. Устройства задержки импульсов........593
3.11.3. Формирователи импульсов по длительности.595
4. СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА............................599
4.1. Силовая электроника в современном мире.....599
4.2. Общие подходы к построению силовых
электронных устройств.............................604
703 Содержание
4.3. Бесконтактные переключающие устройства
(прерыватели)...........’.......................616
4.3.1. Прерыватели переменного тока.....................616
4.3.2. Прерыватели постоянного тока.....................629
4.4. Управляемые выпрямители...............................633
4.4.1. Управляемый однофазный мостовой выпрямитель ... 634
4.4.2. Управляемый трехфазный мостовой выпрямитель .... 641
4.5. Инверторы.............................................649
4.5.1. Однофазный мостовой автономный параллельный
инвертор тока................................651
4.5.2. Зависимые инверторы..............................656
4.5.3. Автономные инверторы напряжения на IGBT..........658
4.6. Преобразователи частоты...............................664
4.6.1. Преобразователи частоты с промежуточным
звеном постоянного тока......................665
4.6.2. Преобразователи частоты с непосредственной
связью.......................................667
4.7. Преобразователи постоянного напряжения
(импульсные преобразователи напряжения).........669
4.7.1. Общее описание преобразователей постоянного
напряжения...................................669
4.7.2. Основные схемотехнические решения,
использующиеся в преобразователях постоянного
напряжения...................................671
4.8. Системы управления и защиты устройств силовой
электроники.....................................676
5. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К АНАЛИЗУ
И СИНТЕЗУ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ...................680
5.1. Вводные сведения по математическому
моделированию электронных устройств.............680
5.2. Особенности математического моделирования
различных режимов работы электронных
устройств.......................................683
5.3. Уровень современных систем математического
моделирования электронных устройств.............690
5.4. Влияние развития математического
моделирования на характер труда разработчика
электронных устройств...........................693
Литература........................................697
Учебное пособие
Вячеслав Иванович Лачин,
Николай Семенович Савёлов
ЭЛЕКТРОНИКА
Ответственный редактор И. Жиляков
Технический редактор Л. Багрянцева
Обложка А. Пащенко
Корректоры: Н. Никанорова, Т. Лазарева
Подписано в печать 05.06.2007.
Формат 84x108 732. Бумага тип. № 2.
Гарнитура NewtonC. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 36,96. Уч.-изд. л. 38,72. Тираж 4000 экз.
Заказ № 2641.
Издательство «Феникс»
344082, г. Ростов-на-Дону, пер. Халтуринский, 80.
Отпечатано с готовых диапозитивов в ОАО «ИПП «Курск».
305007, г. Курск, ул. Энгельса, 109.
E-mail: kursk-2005@yandex.ru www.petit.ru
Качество печати соответствует качеству
предоставленных заказчиком диапозитивов.