Ответы на вопросы по электронике. Ответы на вопросы по электронике Режимы работы биполярного транзистора Нормальный активный режим

Скачать 470.72 Kb. Название Ответы на вопросы по электронике Режимы работы биполярного транзистора Нормальный активный режим Анкор Ответы на вопросы по электронике.docx Дата 02.05.2017 Размер 470.72 Kb. Формат файла Имя файла Ответы на вопросы по электронике.docx Тип Документы #5868 страница 1 из 3

1   2   3 Ответы на вопросы по электронике: Режимы работы биполярного транзистора Нормальный активный режим Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт) UЭБ>0;UКБ<0; Инверсный активный режим Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое. Режим насыщения Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками UЭБ и UКБ. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ.нас) и коллектора (IК.нас). Режим отсечки В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты). Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (IЭБО) И коллектора (IКБО). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов). Барьерный режим В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттернуюцепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет из себя своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов. Транзисторный ключ Транзисторный ключ — это схема, предназначенная для коммутации цепи нагрузки транзистора при воздействии на него внешних управляющих сигналов. Транзисторный ключ может находиться в двух стационарных состояниях: разомкнутом, когда транзистор заперт и работает в режиме отсечки тока; и замкнутом, когда транзистор открыт и работает либо в режиме насыщения, либо в активном режиме. Обычно (особенно при больших токах нагрузки) используют насыщенный транзисторный ключ, так как в режиме насыщения на биполярном транзисторе рассеивается меньшая мощность, чем в активном режиме. В насыщенном транзисторном ключе активный режим является переходным от одного стационарного состояния ключа в другое и определяет его быстродействие. Временные диаграммы переключения транзистора в схеме ключа (рис. 3.5, а), управляемого от источника с напряжением Еr и внутренним сопротивлением Rr, приведены на рис. 3.5, б. В исходном состоянии при Еr = Еr2 транзистор находится в режиме отсечки. Коллекторный ток в нагрузке Rк определяется начальным током транзистора Iкб0, который настолько мал, что можно принять Iкб0 приблизительно равным нулю. В момент скачкообразного изменения управляющего напряжения от значения Еr2 до Еr1 эмиттерный переход транзистора остается закрытым, так как напряжение на барьерных емкостях переходов Сэ и Ск мгновенно изменяться не может. Для появления базового тока необходимо, чтобы входная емкость Свх = Сэб + Скб перезарядилась до некоторого положительного напряжения, называемого пороговым. Обычно для кремниевых транзисторов Uпор = 0,6...0,8 В. Полагая, что базовый ток возрастает мгновенно до значения Iб1 ≈ (Er – Uпор) / (Rr + Rб), методом заряда можно показать, что ток коллектора изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени τ = τβ + Ск · Rк · (β + 1), стремясь от нуля к значению Iб1β вследствие возрастания заряда в базе. Коллекторный ток при конечном сопротивлении резистора Rк может возрасти только до значения Iкн = (Eк – Uкн) / Rк ≈ Eк / Rк. В этот момент транзистор входит в режим насыщения. Коллекторный ток остается постоянным, а заряд в базе продолжает возрастать до значения Iб1τβ ( τβ — среднее время «жизни» носителей в базовом и коллекторном слоях). Происходит накопление неосновных зарядов в базе. При подаче запирающего тока Iб2 ток Iк = Iкн остается постоянным до тех пор, пока заряд в базе не рассосется до граничного значения. В момент времени t4 транзистор выходит из режима насыщения и коллекторный ток уменьшается до нуля. Таким образом, весь процесс переключения транзистора можно разделить на три этапа: формирование фронта tф (активный режим транзистора); рассасывание заряда в базе tрас (режим насыщения); формирование среза коллекторного тока tc (активный режим). Автоколебательный мультивибратор на транзисторах Мультивибраторы на биполярных транзисторах наиболее часто выполняют по симметричной схеме с коллекторно-базовыми связями (рис. 17.1,а). Как и для триггера, симметричность означает идентичность симметрично расположенных элементов, т. е. RK1=RK2, RБ1=RБ2, СБ1=СБ2, параметры транзисторов одинаковы. Как видно из рисунка, мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов с ОЭ, выходное напряжение каждого из которых подается на вход другого. В схеме мультивибратора использованы транзисторы р-п-р-типа. При подсоединении схемы к источнику питания Ек оба транзистора пропускают коллекторные точки (их рабочие точки находятся в активной области 3, см. рис. 3.10, а), поскольку на базы через резисторы RБ1 и RБ2 подается отрицательное смещение. Однако такое состояние схемы неустойчивое. Из-за наличия в схеме положительной обратной связи выполняется условие βКу>1 и двухкаскадный усилитель самовозбуждается. Начинается процесс регенерации — быстрое увеличение тока одного транзистора и уменьшение тока другого транзистора. Пусть в результате любого случайного изменения напряжений на базах или коллекторах несколько увеличится ток IK1 транзистора VT1. При этом увеличится падение напряжения на резисторе RK1 и коллектор транзистора VT1 получит приращение положительного потенциала. Поскольку напряжение на конденсаторе СБ1 не может мгновенно измениться, это приращение прикладывается к базе транзистора VT2, Рис. 17.1. Симметричный мультивибратор на биполярных транзисторах: a — схема; , — временные диаграммы подзапирая его. Коллекторный ток IK2 при этом уменьшается, напряжение на коллекторе транзистора VT2 становится более отрицательным и, передаваясь через конденсатор СБ2 на базу транзистора VT1, еще больше открывает его, увеличивая ток IK1. Этот процесс протекает лавинообразно и заканчивается тем, что транзистор VT1 входит в режим насыщения, а транзистор VT2 — в режим отсечки. Схема переходит в одно из своих временно устойчивых состояний равновесия (квазиустойчивое состояние). При этом открытое состояние транзистора VT1 обеспечивается смещением от источника питания Ек через резистор RБ1, а запертое состояние транзистора VT2 — положительным напряжением на конденсаторе СБ1 ( = UБ2 > 0), который через открытый транзистор VT1 включен в промежуток база — эмиттер транзистора VT2. Мультивибратор в режиме ожидания Такое устройство обладает одним устойчивым состоянием и переходит в другое только при подаче входного сигнала. При этом мультивибратор формирует импульс "своей" длительности независимо от длительности входного Рис. 18. Схема транзисторного ключа (а) и выходная ВАХ транзистора  для схемы включения с общим эмиттером (б) Нагрузочная прямая, соответствующая выбранному значению сопротивления RН, отсекает на оси абсцисс напряжение Uп, а на оси ординат – ток, равный Uп/Rн. Пересечение Uкб = 0 с нагрузочной прямой дают точку границы режима насыщения (точка Нс). Пересечение кривой iБ = 0 с нагрузочной прямой дают точку границы режима отсечки (точка От рис. 18, б). Для работы в ключевом режиме рабочая точка транзисторного каскада должна находиться либо левее точки Нс (режим насыщения), либо правее точки От (режим отсечки). Нахождение между точками Нс и От допускается только при переключении транзистора из насыщенного состояния в состояние отсечки, и наоборот. Длительность нахождения транзистора в состоянии в этой области для реального Эк зависит от собственных частотных свойств транзистора. Поэтому это свойство определяет быстродействие и зависит от мощности, выделяющейся в ЭК, которая прямо пропорциональна времени нахождения рабочей точки транзистора в интервале Нс – От. Ток базы в режиме насыщения равен сумме двух токов – току коллектора и току эмиттера прямо смещенных переходов. Iб нас > Iк/h21Э = IБ ГР. Превышение базового тока насыщенного транзистора над его граничным значением характеризуется коэффициентом насыщения: q = Iб нас / IБ ГР. Помехоустойчивость транзисторного ключа тем больше, чем выше коэффициент насыщения. Значение обычно выбирают в диапазоне 1,5 … 2,0. Транзисторные триггеры Физические процессы в триггере раскрываются наиболее полно при рассмотрении его схемы на дискретных компонентах. Поэтому первым рассмотрим такой триггер. Основные схемы транзисторных триггеров. К основным схемам транзисторных триггеров относятся симметричные триггеры с внешним и автоматическим смещениями и несимметричный триггер. Симметричный триггер с внешним смещением. Схема этого триггера, приведенная на рис. 3.30, а, содержит два резистивных усилительных каскада на транзисторных ключах-инверторах; выход каждого из них связан с входом другого резистивным делителем R—Rб . Легко установить, что при двух открытых транзисторах в схеме имеется положительная обратная связь, обеспечивающая в сочетании с усилительными свойствами каскадов лавинное протекание процессов. Опишем устойчивые состояния схемы и ее переключения (рис. 30, б). Предположим, транзистор VT1 заперт. Тогда при правильно выбранных сопротивлениях делителя R1—Rб2 потенциал базы транзистора VT2 может быть достаточно отрицательным для насыщения транзистора. При этом Uк2 ≈0 и потенциал базы транзистора VT1 не может быть отрицательным, т.е. VT1 действительно заперт. Этим доказано, что при одном открытом транзисторе, другой будет заперт. Чтобы вывести схему из устойчивого состояния, можно подать положительный запирающий импульс на базу открытого транзистора. Предположим, что такой импульс подан на базу насыщенного сейчас транзистора VT1 . При этом VT1 выйдет из насыщения, и потенциал его коллектора станет более отрицательным, через делитель R1—Rб2 отрицательный перепад передастся на базу транзистора VT2, что вызовет отпирание транзистора VT2. Вследствие этого появится ток Iк2 , потенциал коллектора Uк2 станет менее отрицательным, через делитель R2—Rб1 это изменение передастся на базу транзистора VT1, ток Iк1 уменьшится, потенциал коллектора Uк1, а следовательно, и базы VT2 станет более отрицательным, ток Iк2 возрастет и т.д. Лавинообразный процесс увеличения тока Ik2 и уменьшения тока Iк1 завершится запиранием транзистора VT1 и отпиранием транзистора VT2, т.е. — переключением триггера в другое устойчивое состояние. Для нового переключения триггера положительный запускающий импульс нужно подать на базу насыщенного сейчас транзистора VT2 . Временные диаграммы переключающих импульсов и импульсов, формируемых на коллекторах транзисторов, приведены на рис. 3.30, б. Здесь и далее, импульсы на временнûх диаграммах изображены идеальными: длительность фронтов принята равной нулю. Переключение триггера форсируется ускоряющими конденсаторами C1 , C2 (рис 3.30, а). Во время лавинообразного опрокидывания схемы напряжения на них практически не успевают изменяться — конденсаторы C1 , С2 представляют собой короткозамкнутые участки цепи. Поэтому изменения тока в базовой цепи транзистора под влиянием скачка напряжения на коллекторе другого плеча ограничиваются только входным сопротивлением транзистора. В отсутствие конденсаторов С1 и С2 изменения базовых токов ограничивались бы и резисторами R1 , R2 . Наряду с этим ускоряющие конденсаторы оказывают и отрицательное влияние. После каждого опрокидывания схемы конденсатор, присоединенный к коллектору закрывшегося транзистора, заряжается, а присоединенный к коллектору открывшегося транзистора разряжается. Это приводит к необходимости увеличивать интервал между двумя запускающими импульсами. Последние следует подавать с таким расчетом, чтобы к приходу очередного импульса напряжения на конденсаторах уже установились. Кроме того, зарядка ускоряющего конденсатора через коллекторный резистор закрывшегося транзистора приводит к удлинению переднего фронта отрицательного импульса, а длительная разрядка — к искажению заднего фронта. Однако эти процессы длятся значительно меньшее время, чем зарядка и разрядка хронирующих конденсаторов в мультивибраторе; поэтому на форму выходных импульсов они существенного влияния не оказывают. Триггер имеет два выхода. Потенциалы на них взаимно инвертированы: высокий потенциал на одном выходе соответствует низкому потенциалу на другом. Один из выходов называют основным (и обычно обозначают буквами Q или Р), другой — инверсным (обозначают буквами Q или P ). О состоянии триггера судят по состоянию его основного выхода. Если на нем установился потенциал, кодируемый логической единицей, то говорят, что триггер находится в состоянии единицы и часто обозначают это как Q = 1 (или Р = 1). Вход, по которому запускающий импульс переключает триггер в состояние Q = 1, называют входом установки триггера в единицу и обозначают буквой S. Другой называют входом установки триггера в нуль и обозначают буквой R. Входы S и R информационные: через них в триггер поступает информация, выраженная наличием или отсутствием переключающего сигнала. Тригер Шмитта на транзисторах При V1 закрыт . . ,поделенное делителем “R2-R3” , действует на базу V2 и открывает его. В исходном состоянии V2 открыт. R2 в цепи базы рассчитывается из условия обеспечения необходимой степени насыщения транзистора V2. , протекая через , создает на нем падение напряжения . При . В результате V1 будет надежно закрыт падением напряжения на . На выходе в исходном состоянии будем иметь  При расчете схемы падение напряжения на эмиттерном сопротивлении составляет 0.2 - 0.3 от напряжения питания, т.е. в исходном состоянии на выходе будем иметь относительно низкий уровень напряжения. В исходном состоянии схема будет находиться до тех пор, пока входной сигнал не превысит порог срабатывания. Рис.11.12. Амплитудная характеристика триггера шмитта Рассмотрим процесс увеличения входного напряжения. С его ростом состояние схемы не будет меняться до тех пор, пока . Как только входное напряжение достигает такого уровня, что , транзистор V1 выйдет из режима отсечки , он начнет приоткрываться. V2 начинает выходить из режима насыщения , начинает возрастать , а ток на коллекторе V2 - уменьшаться. Уменьшится и падение напряжения на , создаваемое , следовательно его работа на закрытие уменьшится. . Таким образом замкнулась цепь положительной обратной связи через падение напряжения на . В результате схема лавинообразно переходит из состояния 1 в состояние 2 , когда V1 открыт до насыщения , а V2 - закрыт. В новом состоянии через будет теперь протекать ток . Чтобы создаваемое им падение напряжение на не препятствовало открыванию транзистора V1 ., это падение напряжения должно быть меньше, чем создаваемое ранее.. Практически может быть в несколько раз больше, чем . Падение от также будет действовать на закрывание V1 , но в меньшей степени. Если теперь уменьшить входное напряжение , то возврат схемы в исходное состояние произойдет при таком входном напряжении , при котором не станет меньше нуля. Это напряжение будет порогом отпускания. Рис.8.13. Амплитудная характеристика триггера шмитта Таким образом триггер шмитта на транзисторах имеет релейную характеристику с гистерезисом. Ширина петли определяется разностью падений напряжения на эмиттерном сопротивлении, создаваемых токами первого и второго коллекторов. . Если на базу V1 от напряжения питания подать смещение R’ , то вся характеристика сместится влево. При необходимости смещение можно выбрать таким образом , чтобы характеристика располагалась симметрично относительно оси ординат. Тогда пороги срабатывания и отпускания будут одинаковы по величине и противоположны по знаку. триггер шмитта на транзисторах называют еще триггером с эмиттерной связью, так как через эмиттер реализуется положительная обратная связь между транзисторными ключами. Компаратор Компаратор (аналоговых сигналов) (англ. comparator — сравнивающее устройство) — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую «1», если сигнал на прямом входе («+») больше чем на инверсном входе («−»), и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше, чем на инверсном входе. Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от линейного операционного усилителя (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов: Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон входных напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, вплоть до размаха питающих напряжений, и быстро восстанавливаться при изменении знака этого напряжения. В ОУ, охваченном обратной связью, это требование некритично, так как дифференциальное входное напряжение измеряется милливольтами и микровольтами. Выходной каскад компаратора выполняется совместимым по уровням и токам с конкретным типом логических схем (ТТЛ, ЭСЛи т. п.). Возможны выходные каскады на одиночном транзисторе с открытым коллектором (совместимость с ТТЛ и КМОП логикой). При подаче эталонного напряжения на инвертирующий вход, входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход и компаратор является неинвертирующим (повторителем, буфером). При подаче эталонного напряжения на неинвертирующий вход, входной сигнал подаётся на инвертирующий вход и компаратор является инвертирующим (инвертором). Особенности Операционных усилителей Операционными усилителями (ОУ) называют высококачественные усилители постоянного тока (УПТ), предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми сигналами при работе в схеме с отрицательной обратной связью. Усилители постоянного тока позволяют усиливать медленно изменяющиеся сигналы, так как имеют нулевую нижнюю граничную частоту полосы усиления (fн=0). Соответственно в таких усилителях отсутствуют реактивные компоненты (конденсаторы, трансформаторы), которые не пропускают постоянную составляющую сигнала. На рис.19,а приведено условное обозначение ОУ. Показанный усилитель имеет один выходной вывод (изображен справа) и два входных (показаны с левой стороны). Знак Δ или > характеризует усиление. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 1800 относительно выходного напряжения, называется инвертирующим и обозначается знаком инверсии ○, а вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным, – неинвертирующим. ОУ усиливает дифференциальное (разностное) напряжение между входами. Операционный усилитель содержит также выводы для подачи напряжения питания и может содержать выводы частотной коррекции (FC), выводы балансировки (NC). Для облегчения понимания назначения выводов и повышения информативности в условном обозначении допускается введение одного или двух дополнительных полей с обеих сторон от основного поля, в которых указываются метки, характеризующие функции вывода (рис.19,б). В настоящее время операционные усилители выпускаются в виде интегральных микросхем. Это позволяет рассматривать их как отдельные компоненты с определенными параметрами. а) б) Рис.19. Условное обозначение операционного усилителя: а – без дополнительного поля; б – с дополнительным полем; NC – выводы балансировки; FC – выводы частотной коррекции; U – выводы напряжения питания; 0V – общий вывод Параметры и характеристики ОУ можно условно разделить на входные, выходные и характеристики передачи. Входные параметры. Напряжение смещения нуля Uсм – это потенциал на выходе усилителя при нулевом входном сигнале, который поделен на коэффициент усиления усилителя (единицы – десятки мВ). Данный параметр показывает какой источник напряжения необходимо подключить ко входу ОУ для того, чтобы получить нулевое выходное напряжение. Входные токи Iвх1, Iвх2 (единицы нА – десятки мкА). Данные токи обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим входного дифференциального каскада ОУ. В случае использования полевых транзисторов это токи всевозможных утечек. Разность входных токов . Входное сопротивление для дифференциального сигнала Rвх диф (десятки кОм – сотни МОм). Входное сопротивление для синфазного сигнала Rвх сф. Данное сопротивление на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала. Температурные дрейфы напряжения смещения и входных токов. Характеризуют изменение соответствующих параметров с температурой. Характеристики передачи. Коэффициент усиления по напряжению КU (103 – 106) , где Uвх1, Uвх2 – напряжения на входах ОУ. Коэффициент передачи синфазного сигнала КU сф . Коэффициент ослабления синфазного сигнала Кос сф . Частота единичного усиления f1 – это частота, на которой коэффициент усиления по напряжению равен единице (единицы – десятки МГц). Скорость нарастания выходного напряжения VUвых – это максимально возможная скорость изменения выходного сигнала. Выходные параметры. Максимальное выходное напряжение ОУ Uвых max. Как правило данное напряжение на 2-3 В ниже напряжения источника питания. Выходное сопротивление Rвых (десятки – сотни Ом). Генератор прямоугольных импульсов на операционном усилителе Используя операционные усилители можно получить достаточно стабильные генераторы прямоугольных колебаний . Простая схема такого генератора приведена на рис.1.6. Операционный усилитель в схеме работает в режиме компаратора, который сравнивает напряжение на емкости и напряжение  При этом напряжение на выходе может принимать только два значения:  Предположим, ОУ находится в режиме отрицательного насыщения , т.е. напряжение на выходе равно U-. Конденсатор С начинает заряжаться с постоянной времени  (рис.1.7). Как только напряжение на емкости достигает значения U1, ОУ переключается до состояния положительного насыщения и начинается перезаряд емкости с той же самой постоянной времени. Рисунок 1.6 – Генератор на ОУ Рисунок 1.7 – Эпюры напряжений генератора на ОУ Для случая , когда R1 = R2 период колебаний может быть рассчитан как T = 2,2 ROCC. Из рис.1.7 нетрудно увидеть, что генератор формирует разнополярные прямоугольные импульсы со скважностью 2. Стабилитроны VD1 и VD2,установленные на выходе , позволяют ограничить амплитуду напряжения до требуемых значений. При необходимости получить импульсы со скважностью, отличной от 2, цепи перезаряда емкости в каждый полупериод делают с разными постоянными времени , как показано на рис.1.8. Если сопротивления R3 и R4 сделать переменными , то скважность импульсов можно изменять по мере необходимости. Частоту колебаний в схеме рис.1.6 можно изменять , изменяя величину резистора ROC причем от колебаний напряжения питания частота практически не зависит. заряд емкости идет по экспоненте. Логические операции. Функционально-полная группа логических элементов Логическая операция - это преобразование по правилам алгебры логики (или булевой алгебры) входной цифровой информации в выходную. Простейшее в функциональном отношении логическое устройство, выполняющее одну определенную логическую операцию над входными сигналами, называют логическим элементом. В алгебре логики истинность суждения или высказывания о результатах той или иной логической операции обозначают символом 1, ложность - 0. Таким образом, логические переменные в алгебре логики принимают лишь два значения: единицу и нуль. Их называют двоичными переменными. Чтобы реализовать алгебру логики на электронных элементах, необходимо значение параметров этих элементов перевести на язык алгебры логики (0 или 1). Задавать значения параметров можно уровнем напряжения или полярностью импульсов. Если сигналы подают в виде высокого (положительной или отрицательной полярности) и низкого (близкого к нулю) уровня напряжения, то такой способ подачи сигнала называютпотенциальным. Если высокому уровню напряжения U1 приписывают значение "единица", а низкому U° - "нуль", то логику называют положительной (позитивной), в противном случае - отрицательной (негативной). Разность уровней единицы и нуля называют логическим перепадом Uл = U1 - U0. Он должен быть значительным, иначе нельзя будет четко отделить один уровень от другого. Если сигналы подают в импульсной форме, то такой способ подачи сигнала называют импульсным. При этом логической единице соответствует наличие импульса, логическому нулю - отсутствие импульса (положительная логика). Сигналы, соответствующие 1 (или 0), могут быть на входе и выходе разными. Наибольшее распространение получили потенциальные логические элементы, так как их можно изготовлять по технологии интегральных микросхем. Элементарные логические операции и типы логических элементов. Система логических элементов, на базе которой можно строить логическую схему любой сложности, называется функционально полной. Основными и наиболее простыми логическими элементами являются элементы, выполняющие операции отрицания (НЕ), конъюнкции (И), дизъюнкции (ИЛИ). Они составляют функционально полную систему и являются системой минимального базиса. Каждая из этих операций и логических элементов имеет и другое название (табл. 21.1). В этой таблице даны названия логических элементов, обозначение данной операции, показано, как читается запись операции, обозначаются логические элементы в функциональных схемах, а также таблица истинности для случая, когда имеется два входа и один выход. Таблица истинности содержит правила выполнения операций. В каждой ее строке записывают состояние сигналов на входах (х1, х2) и результат логической операции на выходе (у). В общем случае логический элемент может иметь n входов и n выходов. Функционально полную систему могут обеспечить составные (комбинированные) логические элементы, выполняющие логические операции И - НЕ, ИЛИ - НЕ. Их названия, обозначения также даны в табл. 21.1. Логические элементы выполняют как на дискретных приборах, так и методами интегральной технологии. Для большинства серий интегральных микросхем базисной системой являются логические элементы И - НЕ или ИЛИ - НЕ. Их выпускают в виде отдельных микроминиатюрных устройств в герметичном корпусе. Рассмотрим логические элементы на полупроводниковых приборах. Логические элементы И и ИЛИ могут выполняться на резисторах, диодах, биполярных и полевых транзисторах и туннельных диодах. Элемент НЕ выполняется на транзисторах. Составные логические элементы на разных ступенях могут выполняться на различных приборах (резисторах, диодах, транзисторах, как биполярных, так и полевых. Специфической логикой на транзисторах является инжекционная логика - И2Л, она не имеет аналогов в транзисторных схемах на дискретных элементах. Основные логические элементы в дискретном исполнении.  Логический элемент НЕ (табл. 21.1) имеет один вход и один выход и выполняет операцию НЕ. Он представляет собой усилительный каскад на биполярном или полевом транзисторе, работающий в ключевом режиме. На рис. 21.1 показан элемент НЕ на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ. Элемент предназначен для работы с сигналами положительной полярности в положительной логике. Транзистор T закрыт отрицательным потенциалом на базе, подаваемым от источника ЕБ. При подаче на вход элемента сигнала низкого уровня Uвх = U0, соответствующего логическому 0, транзистор остается закрытым, коллекторный ток равен нулю, т. е. через резистор RK ток не проходит и на выходе напряжение Uвых = +EK, т. е. высокого уровня U1, соответствующего логической 1. При высоком уровне напряжения на входе Uвх = U1 транзистор находится в режиме насыщения, появляется коллекторный ток и на резисторе RK создается падение напряжения, примерно равное EK, а на выходе напряжение примерно равно нулю (Uвых = U0), т. е. будет логический нуль. Итак, если х = 0, то y = 1, если x = 1, то y = 0, т. е. элемент является инвертором - выполняет операцию отрицания. Следует отметить, что если элемент выполнен на кремниевом транзисторе n-р-n-структуры, источник смещения EБ можно не включать, так как и при положительных потенциалах на базе (до 0,6 В) транзистор практически закрыт. Логический элемент И (табл. 21.1) может иметь два (или более) входа и один выход и работать как при потенциальных, так и импульсных сигналах. Аналогом его может служить схема из последовательно включенных контактов реле. Рассмотрим работу элемента И, выполненного на диодах. Элемент, предназначенный для работы с сигналами в виде напряжений (или импульсов) положительной полярности в положительной логике, показан на рис. 21.2, а. Он имеет три входа и один выход. Элемент реализует операцию И, если сигнал 1 появляется на выходе только тогда, когда одновременно на всех входах присутствует сигнал 1. При этом, если хотя бы на одном входе присутствует сигнал, соответствующий логическому нулю, он должен передаваться через открытый диод на выход и обеспечивать запирание тех диодов, на которые со стороны входа воздействуют сигналы, соответствующие логической 1. Будем считать, что сопротивление открытого диода Rдоткр << R, а потенциалы сигнала и источника питания E схемы имеют значения, удовлетворяющие соотношению U0 < Е < U1. Если на одном из входов цепи, например Bх1 действует сигнал U0, то диод Д1 будет открыт и ток пройдет по цепи +E, резистор R, диод Д1, источник U0. Все напряжение источника Е приложится к резистору R и на выходе напряжение окажется равным U0, т. е. сигнал на выходе - логический нуль. На остальных входах действует высокий потенциал U1, поэтому диоды закрыты, так как их анод подсоединен к зажиму на выходе с низким потенциалом U0, а катоды - к высокому положительному потенциалу U1. Если на всех входах действует напряжение U1, то все диоды будут закрыты, ток в цепи +EK, R, закрытый диод, источник U1 не проходит и падение напряжения на резисторе R равно нулю. На выходе напряжение E > U1, что соответствует логической 1. Таким образом, если хотя бы на один из входов воздействует сигнал, соответствующий логическому нулю, сигнал на выходе также соответствует логическому нулю. Сигнал на выходе соответствует логической 1 только если сигналы на всех входах соответствуют логической единице. На рис. 21.2,б, г, д показаны элементы, предназначенные соответственно для работы с сигналами отрицательной полярности в положительной логике, положительной (рис. 21.2, г) и отрицательной (рис. 21.2, д) полярности в отрицательной логике. Отметим, что один и тот же элемент может работать как от положительных, так и от отрицательных сигналов, но полярность включения источника питания для положительных сигналов должна быть положительной (+E), для о трицательных сигналов - отрицательной (-E). Работают элементы так же, как и элемент на рис. 21.2, а. Логический элемент ИЛИ (табл. 21.1) может иметь два (и более) входа, один выход и работать как при потенциальных, так и при импульсных сигналах. Аналогом его может служить схема из параллельно включенных реле. Рассмотрим элемент ИЛИ, выполненный на диодах и предназначенный для работы от сигналов в виде напряжений (импульсов) положительной полярности в положительной логике. Для того чтобы элемент реализовал операцию ИЛИ, необходимо, чтобы сигнал на выходе имел значение 1 только тогда, когда хотя бы на одном из входов действует сигнал 1. При этом сигнал 1 на входе должен обеспечивать запирание всех диодов, на которые со стороны входа воздействует сигнал 0. Соотношение потенциалов источника сигналов низкого U0 и высокого U1 уровней и источника питания Е схемы такое же, как и в схеме элемента И: U0 < E < U1 (если U1 < E, то диоды будут всегда закрыты и выходное напряжение не будет изменяться). Сопротивление диода в открытом состоянии RДоткр ≈ 0. Если на все входы подано низкое напряжение U0, все диоды закрыты, так как потенциал их анодов ниже потенциала катодов (φK = -E); следовательно, напряжение на выходе равноE < U1, т. е. на выходе сигнал соответствует логическому 0. При подаче хотя бы на один из входов, например Вх1, высокого напряжения U1 откроется диод Д1, который подключен к этому входу, а так как сопротивление открытого диода равно нулю, то потенциал φK = +U1 и на выходе имеется сигнал U1 (логическая 1). Если в это время на какие-то диоды со стороны входа будет подан низкий потенциал U0, они окажутся закрытыми, так как их катодам сообщится потенциал φK = +U1. Таким образом, на выходе сигнал будет соответствовать логической 1, если хотя бы на одном из входов (или первом, или втором, или третьем) сигнал соответствует логической 1. Сравним рис. 21.3, а, на котором показан элемент ИЛИ, предназначенный для работы от сигналов положительной полярности в отрицательной логике, с рис. 21.2, г. Они одинаковы. Таким образом, можно отметить, что элемент ИЛИ в положительной логике может выполнить операцию И в отрицательной логике, и наоборот. Все элементы И на рис. 21.2 в другой логике, чем для элемента И, реализуют операцию ИЛИ. Элемент ИЛИ, как и элемент И, может не содержать источника питания. Элемент на рис. 21.3,б предназначен для работы от сигналов положительной полярности в положительной логике, а на рис. 21.3, в - от сигналов отрицательной полярности в отрицательной логике. Сравнение этих элементов ИЛИ с элементами И на рис. 21.2, в, е подтверждает, что оба элемента могут выполнять обе операции: и И, и ИЛИ; элемент И (ИЛИ) - в положительной логике, в отрицательной логике - ИЛИ (И). Операции ИЛИ - НЕ и И - НЕ образуются путем инверсии результатов, получаемых при выполнении операции ИЛИ и И соответственно: ИЛИ - НЕ  (21.1) И - НЕ  (21.2) что видно из таблицы истинности для двух входных элементов (табл. 21.2). Таблица 21.2 Входные переменные ИЛИ y = x1+x2 И y = x1x2 ИЛИ-НЕ И-НЕ x1 x2 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 Элемент, выполняющий операцию И - НЕ в положительной логике (табл. 21.3), в отрицательной логике выполнит операцию ИЛИ - НЕ (табл. 21.4). Таблица 21.3 x1 x2 y 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 Таблица 21.4 x1 x2 y 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 Транзисторно-транзисторные элементы. Простейший базовый элемент транзисторно-транзисторной логики (рис. 3.13) в принципе повторяет структуру микросхем ДТЛ-типа. В то же время за счет использования многоэмиттерного транзистора, объединяющего свойства диода и транзисторного усилителя, эта схема позволяет увеличить быстродействие, улучшить технологию изготовления. Базовый элемент ТТЛ так же, как и элемент ДТЛ, выполняет логическую операцию И—НЕ. При низком уровне сигнала (логический нуль) хотя бы на одном из входов многоэмиттерного транзистора VT1 последний находится в состоянии насыщения, а транзистор VT2 закрыт. На выходе схемы существует высокий уровень напряжения (логическая единица). При высоком уровне сигнала на всех входах многоэмиттерный транзистор VT1 работает в активном инверсном режиме, а транзистор VT2 находится в состоянии насыщения. Описанный элемент ТТЛ-логики несмотря на упрощенную технологию изготовления не нашел широкого применения из-за низкой помехоустойчивости, малой нагрузочной способности и малого быстродействия при работе на емкостную нагрузку. Его целесообразно использовать лишь при разработке микросхем с открытым коллектором для реализации функции «монтажное ИЛИ», а также для включения элементов индикации, когда не требуется высокая помехоустойчивость и большая нагрузочная способность. Дополнительными компонентами в схеме базового элемента ТТЛ (рис. 3.14) по сравнению со схемой на рис. 3.13 являются транзисторы VT3 и VT4, образующие сложный инвертор. Диод VD повышает порог отпирания транзистора VT3, обеспечивая его закрытое состояние при открытом и насыщенном транзисторе VT4. Использование сложного инвертора повышает помехоустойчивость и нагрузочную способность схемы. Базовый элемент (рис. 3.14) —основной при разработке современных микросхем ТТЛ-логики. Рис.3.13. ТТЛ с простым Рис. 3.14. ТТЛ со сложным инвертором Логические схемы на однотипных МДП-транзисторах. В этих схемах используется только один тип транзисторов — либо р-канальные, либо п-канальные. Более широкое применение находят п-канальные МДП-транзисторы, обеспечивающие большее быстродействие. Типовые схемы элементов ИЛИ—НЕ и И—НЕ на п-канальных МДП-транзисторах приведены на рис. 3.16, а, б. Транзисторы VT1 и VT2 — активные (управляющие), транзистор VT3 — нагрузочный. При низком уровне напряжения на затворах активных транзисторов VT1 и VT2 (Uвх < U0, где U0 — пороговое напряжение) эти транзисторы будут закрыты и ток стока равен нулю. На выходе устанавливается высокий потенциал U1вх = Е – U0 — уровень логической единицы. При входном напряжении на затворах транзисторов VT1 или VT2 больше порогового напряжения U0 соответствующий транзистор отпирается и начинает протекать ток стока. Дальнейшее увеличение Uвх приводит к уменьшению напряжения Uвых. Для получения малого значения уровня логического нуля необходимо, чтобы сопротивление канала открытого транзистора VT1 (или VT2) было гораздо меньше сопротивления канала транзистора VT3. Логические схемы на комплиментарных МДП-транзисторах (КМДП-транзисторах). Принципиальная схема инвертора на комплиментарных МДП-транзисторах приведена на рис. 3.17, а стоковые вольт-амперные характеристики — на рис. 3.18. Если Uвх меньше порогового напряжения U01 транзистора VT1, то транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт. Выходное напряжение практически равно Рис. 3.17. Инвертор на комплиментарных МДП-транзисторах напряжению питания Е (рис. 3.18, а) U1 = E - I ут1 rк2  E вых ут к где Iут1 — ток утечки между стоком и истоком закрытого транзисто- ра VT1 (Iут 1 нА); rк2 — сопротивление канала открытого транзисто- ра VT2 (rк2  1 кОм). При Uвх выше порогового напряжения U01 транзистор VT1 от- крывается, а VT2 закрывается. Выходное напряжение при Uвх ≈ E уменьшается практически до нуля (рис. 3.18, б): U0вых = Iут2rк1  0. В обоих состояниях ключа, представленных на рис. 3.18, мощность в статистическом режиме практически не потребляется, так как один из транзисторов всегда закрыт, и ток, потребляемый от источника питания, определяется током утечки закрытого ключа. Малая потребляемая мощность — главное достоинство схем на КМДП-транзисторах. Это справедливо, однако, лишь для рассмотренного здесь статистического режима при низких частотах переключения. В общем случае (включающем и статику, и динамику) мощность Рпот , потребляемая ключом от источника питания Е, состоит из трех слагаемых: Рпот = Ремк + Рскв + Рут , где Ремк = СвыхE2 fп — мощность, расходуемая на перезаряд выход- ной схемы Свых , определяемой выражением (3.5); fп — частота пере- ключений схемы; Рскв = IсквEtф fп — мощность, определяемая сквозным током Iскв , который протекает в те моменты времени, когда при переходе схемы из одного состояния в другое открыты оба транзистора (один уже открылся, а второй еще не закрылся); tф — длительность фронта переключающего импульса; Рут = IутE — мощность, потребляемая в статистическом режиме. При малых частотах переключения, схемы на КМДП-транзисторах потребляют очень малую мощность. Однако при больших частотах переключения (fп > 1 МГц) эти схемы не имеют преимуществ по сравнению с ТТЛ-схемами. Двухвходовые логические элементы ИЛИ—НЕ и И—НЕ представлены на рис. 3.19. Общие правила построения логических элементов на КМДП-транзисторах: • параллельному соединению одного типа транзисторов соответствует последовательное соединение транзисторов другого типа; • выполняемая логическая функция определяется включением транзисторов нижнего этажа; • полярность источника питания Е зависит от типа канала транзисторов нижнего этажа. Напряжение питания выбирают из условия Е > U0n + U0p , где U0n — пороговое напряжение n-канального транзистора; U0p —пороговое напряжение р-канального транзистора. Время переключения логических элементов на КМДП-транзисторах определяется временем перезаряда выходной емкости Свых . Асинхронный триггер на логических элементах   1   2   3