Электронно-дырочный p - n переход и его основные свойства.

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Электронно-дырочный p - n переход и его основные свойства.

Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании p - n-перехода. Физически это приконтактный слой толщиною в несколько микрон разновесных кристаллов.

На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле p-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.

Приложим внешнее напряжение плюсом к p-области. Внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю p-n перехода, что приводит к уменьшению потенциального барьера. Основные носители зарядов легко смогут преодолеть потенциальный барьер, и поэтому через p-n переход будет протекать сравнительно большой ток, вызванный основными носителями заряда.

Такое включение p-n перехода называется прямым, и ток через p-n переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямом включении p-n переход открыт. Если подключить внешнее напряжение минусом на p-область, а плюсом на n-область, то возникает внешнее электрическое поле, линии напряжённости которого совпадают с внутренним полем p-n перехода. В результате это приведёт к увеличению потенциального барьера и ширины p-n перехода. Основные носители заряда не смогут преодолеть p-n переход, и считается, что p-n переход закрыт. Оба поля – и внутреннее и внешнее - являются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через p-n переход, образуя очень маленький ток, который называется обратным током. Такое включение p-n перехода также называется обратным.

Свойства p-n перехода.

К основным свойствам p-n перехода относятся:

- свойство односторонней проводимости;

- температурные свойства p-n перехода;

- частотные свойства p-n перехода;

- пробой p-n перехода.

Свойство односторонней проводимости p-n

Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется графически выраженная зависимость величины протекающего через p-n переход тока от величины приложенного напряжения. I=f(U).

Температурное свойство p-n перехода показывает, как изменяется

работа p-n перехода при изменении температуры

Частотные свойства p-n перехода показывают, как работает p-n переход при подаче на него переменного напряжения высокой частоты. Частотные свойства p-n перехода определяются двумя видами ёмкости перехода:

- ёмкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси. Она называется зарядной, или барьерной ёмкостью;

- диффузионная ёмкость, обусловленная диффузией подвижных носителей заряда через p-n переход при прямом включении.

Вывод: чем меньше величина ёмкости p-n перехода, тем на более высоких частотах он может работать.

Явление сильного увеличения обратного тока при определённом обратном напряжении называется электрическим пробоем p-n перехода.

Различают электрический (лавинный, туннельный) и тепловой пробои.

Полупроводниковые диоды.

Полупроводниковым диодом называется устройство, состоящее из кристалла полупроводника, содержащее обычно один p-n переход и имеющее два вывода.

Классификация диодов производится по следующим признакам:

1) по конструкции: плоскостные диоды; точечные диоды; микросплавные диоды.

2) по мощности: маломощные; средней мощности; мощные.

3) по частоте: низкочастотные; высокочастотные; СВЧ.

4) по функциональному назначению: выпрямительные диоды; импульсные диоды; стабилитроны; варикапы; светодиоды; тоннельные диоды и так далее.

Условное обозначение диодов подразделяется на два вида:

- маркировка диодов;

- условное графическое обозначение (УГО) – обозначение на принципиальных электрических схемах.

По ГОСТуна маркировка диодов состоит из 4 обозначений:

К С 156 А

Г Д 507 Б

I II III IV

I – показывает материал полупроводника:

Г(1) – германий; К (2) – кремний; А (3) – арсенид галлия.

II – тип полупроводникового диода:

Д – выпрямительные и импульсные диоды; А – диоды СВЧ; C – стабилитроны; В – варикапы; И – туннельные диоды; Ф – фотодиоды; Л – светодиоды; Ц – выпрямительные столбы и блоки.

III – три цифры – группа диодов по своим электрическим параметрам:

IV – модификация диодов в данной (третьей) группе.

На электронных схемах диоды обозначаются следующим образом:

ВыпрямительныйТуннельный

Обращённый

К основным статистическим параметрам диода относят прямое падение напряжения U_пр при заданном прямом токе I_пр, и постоянный обратный ток I_обр при заданном обратном напряжении U_обр. Дифференциальное сопротивление диода r_диф характеризует динамические параметры и влияет на крутизну вольтамперной характеристики диода, т.е. само дифференциальное сопротивление зависит от приложенного напряжения и протекающего тока.

Конструкция полупроводниковых диодов. Основой плоскостных и точечных диодов является кристалл полупроводника n-типа проводимости, который называется базой транзистора. База припаивается к металлической пластинке, которая называется кристаллодержателем. Для плоскостного диода на базу накладывается материал акцепторной примеси и в вакуумной печи при высокой температуре (порядка 500 °С) происходит диффузия акцепторной примеси в базу диода, в результате чего образуется область p-типа проводимости и p-n переход большой плоскости (отсюда название).Вывод от p-области называется анодом, а вывод от n-области – катодом. Большая плоскость p-n перехода плоскостных диодов позволяет им работать при больших прямых токах, но за счёт большой барьерной ёмкости они будут низкочастотными.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного напряжения низкой частоты ( ) в постоянное. Они подразделяются на диоды:1)малой ; 2) средней 3) большой мощности.

Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды, являются:

1)Обратный ток при некотором значении обратного напряжения;

2)Падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод;

3)Барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины;

4)Диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока;

5)Рабочий диапазон температур.

В рабочем режиме через диод протекает ток, и в его электрическом переходе выделяется мощность, вследствие чего температура перехода повышается. В установившемся режиме подводимая к переходу мощность и отводимая от него должны быть равны и не превышать максимально допустимой мощности , рассеиваемой диодом, т.е. . В противном случае наступает тепловой пробой диода.

Стабилитроны – полупроводниковые диоды, работающие на обратной ветви ВАХ в области, где изменение напряжения электрического пробоя слабо зависит от значения

обратного тока и применяется для стабилизации напряжения.

Односторонний стабилитрон

Двусторонний стабилитрон

Основными параметрами стабилитронов являются:

U _ст- напряжение стабилизации при номинальном значении тока;

I _стmin- минимальный ток стабилизации, при котором возникает устойчивый пробой;

I _стmax максимальный ток стабилизации, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения;

R _ст- дифференциальное сопротивление, характеризующее изменение напряжения стабилизации при изменении тока: R _ст = D U / D I .

При рассмотрении ВАХ стабилитрона видно, что в области электрического пробоя имеется участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, в данном случае в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. Стабилитроны изготавливаются исключительно из кремния, их также еще называют опорными диодами, т. к. в ряде случаев получаемое от них стабильное напряжение используется в качестве опорного. При обратном токе напряжение стабилизации меняется незначительно. Стабилитрон работает при обратном напряжении.

В схемах со стабилитроном должен быть ограничивающий резистор.

Недостаток стабилитрона: при малых токах стабилизации <3 мА увеличивается и существенную роль играют шумы.

Фотодиодом называется фотоэлектрический прибор, имеющий один р- n-переход. В основе его работы лежит явление возрастания обратного тока р- n-перехода при его освещении, т.е. световой поток управляет обратным током фотодиода.

Фотодиоды имеют структуру обычного р- n-перехода (см. рис.), где а) - условное обозначение фотодиода, б) - структура фотодиода. Вследствие оптического возбуждения в р и n областях возникает неравновесная концентрация носителей заряда.

На границе перехода неосновные носители заряда под влиянием электрического поля, перебрасываются через переход в область, где они являются основными носителями. Электрический ток, созданный ими есть полный фототок. Если р- n-переход разомкнут, то перенос носителей заряда, генерируемых светом, приводит к накоплению отрицательного в n-области и положительного в р-области зарядов. Новое равновесное состояние соответствует меньшей высоте потенциального барьера, равной (U_к-Е_ф). ЭДС Е_ф, возникающую при этих процессах, на значение которой снижается потенциальный барьер Uк в р- n-переходе, называют фотоэлектродвижущей силой (фото-ЭДС)

В данной ситуации фотодиод работает в режиме фотогенератора, преобразуя световую энергию в электрическую. Достоинства: большое быстродействие. Недостатки: невысокая фоточувствительность. Светодиодами - называются полупроводниковые приборы, преобразующие электрические сигналы в оптическую лучистую энергию некогерентного светового излучения. При приложении к светодиоду прямого напряжения происходит инжекция носителей заряда, которая в сочетании с рекомбинацией с неосновными носителями вызывает излучение.

Основные параметры:

1) сила света (десятые доли÷единицымКанделл);

2)яркость (десятки÷сотни Кандел на кв.см);

3)постоянное прямое напряжение ;

4)цвет свечения и длина волны, соответствующие максимальному световому потоку; максимально допустимый постоянный прямой ток (десятки мА);

5)максимально допустимое постоянное обратное напряжение (единицы В).

Г Т - 313 А

К П - 103 Л

III - IIIIV

I - материал полупроводника: Г - германий, К - кремний.

II - тип транзистора по принципу действия: Т - биполярные, П - полевые. III - три или четыре цифры - группа транзисторов по электрическим параметрам. Первая цифра показывает частотные свойства и мощность транзистора в соответствии с ниже приведённой таблицей.

IV – модификация транзистора в 3-й группе.

Устройство биполярных транзисторов.Основой биполярного транзистора является кристалл полупроводника p-типа или n-типа проводимости, который также как и вывод от него называется базой. Диффузией примеси или сплавлением с двух сторон от базы образуются области с противоположным типом проводимости, нежели база.

Область, имеющая бóльшую площадь p-n перехода, и вывод от неё называют коллектором. Область, имеющая меньшую площадь p-n перехода, и вывод от неё называют эмиттером. p-n переход между коллектором и базой называют коллекторным переходом, а между эмиттером и базой – эмиттерным переходом.Основной особенностью устройства биполярных транзисторов является неравномерность концентрации основных носителей зарядов в эмиттере, базе и коллекторе. В эмиттере концентрация носителей заряда максимальная. В коллекторе – несколько меньше, чем в эмиттере. В базе – во много раз меньше, чем в эмиттере и коллекторе.

Принцип действия биполярных транзисторов.При работе транзистора в усилительном режиме эмиттерный переход открыт, а коллекторный – закрыт. Это достигается соответствующим включением источников питания.

Так как эмиттерный переход открыт, то через него будет протекать ток эмиттера, вызванный переходом электронов из эмиттера в базу и переходом дырок из базы в эмиттер. Следовательно, ток эмиттера будет иметь две составляющие - электронную и дырочную. Основное соотношение токов в транзисторе: Iэ = Iк + Iбα - коэффициент передачи тока транзистора или коэффициент усиления по току: Iк = α ∙ IэДырки из коллектора как неосновные носители зарядов будут переходить в базу, образуя обратный ток коллектора Iкбо. Iк = α ∙ Iэ + Iкбо

Из трёх выводов транзистора на один подаётся входной сигнал, со второго - снимается выходной сигнал, а третий вывод является общим для входной и выходной цепи.

Рис. 14.1. Типовая схема вторичного источника питания

Трансформатор предназначен для гальванической развязки питающей сети и нагрузки и изменения уровня переменного напряжения.

Выпрямитель преобразует переменное напряжение в напряжение одной полярности (пульсирующее).

Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации напряжений на выходе выпрямителя.

Стабилизатор уменьшает изменения на нагрузке (стабилизирует напряжение), вызванные изменением напряжения сети и изменением тока, потребляемого нагрузкой. Напряжение в сети обычно может изменяться в диапазоне +15…-20 %.

Для уменьшения веса и габаритов трансформатора и сглаживающего фильтра, работающих на частоте 50 Гц, используют источник питания с преобразователем частоты (рис. 14.2).

Рис. 14.2. Структурная схема вторичного источника питания

с преобразователем частоты

В источниках электропитания такого типа напряжение от сети подается непосредственно на выпрямитель 1 и через сглаживающий фильтр 1 постоянное напряжение подается на инвертор, который вновь преобразует постоянное напряжение в переменное повышенной частоты (десятки килогерц). Трансформатор, работающий на повышенной частоте, имеет меньшие вес и габариты. Вес и габариты сглаживающего фильтра 2 также незначительны.

В такой схеме инвертор выполняет роль стабилизатора напряжения.

Рассматриваемые источники питания широко используются в современных устройствах электроники, в частности в компьютерах. Они обладают значительно лучшими технико-экономическими показателями в сравнении с источниками без преобразования частоты.

Рассмотрим основные элементы структурной схемы вторичного источника питания с преобразователем частоты.

Сглаживающие фильтры. Выпрямленное напряжение имеет существенные пульсации, поэтому широко используют сглаживающие фильтры – устройства, уменьшающие эти пульсации (рис. 14.6). Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания S.

По определению S =ε₁/ε₂, причем ε₁ и ε₂ определяют как коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра соответственно.

Простейшим фильтром является емкостной фильтр (С-фильтр).

Такой фильтр широко используется в маломощных выпрямителях; в мощных выпрямителях он используется редко, так как режим работы диода и соответствующих электрических цепей (к примеру, обмоток трансформатора) достаточно тяжел.

На практике используют также следующие фильтров (рис. 14.7): индуктивно-емкостной или Г-образный LC-фильтр (а), Г-образный RC-фильтр (б), П-образный LC-фильтр (в), П-образный RC-фильтр (г).

Рис. 14.7. Схемы фильтров, применяемых в выпрямителях

Инверторы – это устройства, преобразующие постоянный ток в переменный (рис. 14.8), где имеет место соотношение u_c ₁=u_c ₂=1/2u _вх. В схеме часто используются электролитические конденсаторы большой емкости.

Рис. 14.8. Инвертор на биполярных транзисторах

Транзисторы работают в ключевом режиме: включаются и выключаются поочередно. На выходе схемы возникает переменное напряжение.

Рис. 14.3. Однополупериодная схема выпрямителя

Такой выпрямитель находит ограниченное применение в маломощных устройствах. Отрицательной чертой однополупериодного выпрямителя является протекание постоянной составляющей тока во входной цепи.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей (рис. 14.4,а). Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода (рис. 14.4,б).

Рис. 14.4. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Основные параметры такого выпрямителя:

· среднее значение выходного напряжения

где U₂ – действующее значение напряжения каждой половины вторичной обмотки, U₂≈1,11·U_ср;

· среднее значение тока на нагрузке выпрямителя ;

· коэффициент пульсаций выходного напряжения

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой характеризуется довольно высокими технико-экономическими показателями и широко используется в технике. Недостаток – необходимость двойного количества витков во вторичной обмотке трансформатора.

Однофазный мостовой выпрямитель (рис. 14.5,а) можно считать пределом совершенства бестрансформаторных выпрямителей. Диоды в рассматриваемой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара – это диоды D₁ и D₂, а другая – D₃и D₄.

Рис. 14.5. Однофазный мостовой выпрямителя

Основные параметры такого выпрямителя:

· среднее значение выходного напряжения ,

где U_вх≈ 1,11·U_ср;

· среднее значение тока на нагрузке выпрямителя ;

· коэффициент пульсаций выходного напряжения .

Управляемые выпрямители позволяют регулировать выходное напряжение. Они построены на основе однополупериодных (незапираемых) тиристоров (рис. 14.9).

Включение тиристоров производится с некоторой задержкой t _вкл (рис. 14.10). Угол α_вкл=ω· t _вкл – угол сдвига по фазе между напряжением на тиристоре и импульсами управления. Угол α_вкл называют углом управления, который может изменяться в пределах от 0 до 180°.

Управляемые выпрямители

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Выпрямитель можно рассматривать как один из типов инверторов напряжения.

Рис. Обобщенная структурная схема выпрямителя

В состав выпрямителя могут входить: силовой трансформатор СТ, вентильный блок ВБ, фильтрующее устройство ФУ и стабилизатор напряжения СН.Выпрямители, которые совмещают выпрямление переменного напряжения (тока) с управлением выпрямленным напряжением (током), называются управляемыми выпрямителями. Основным элементом управляемых выпрямителей является тиристор.

МНОГОКАСКАДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

В большинстве случаев одиночные каскады не обеспечивают необходимое усиление и заданные параметры усилителей. Поэтому усилители, которые применяют в аппаратуре связи и измерительной технике, многокаскадные. При анализе и расчете многокаскадного усилителя необходимо определить общий коэффициент усиления усилителя, искажения, вносимые им, распределять их по каскадам, определить требование к источникам, решить вопросы введения обратных связей и т.д.

2. КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ МНОГОКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ

рис.1

Коэффициент усиления усилителя можно определить, исходя из структурной схемы (рис.1):

Кобщ = Uвых/Uвх = (Uвых/Un-1) … (U₃/U₂)(U₂/Uвх)=KnKn-1…K₂K₁ или

Kобщ = K₁K₂…Kn e^f(^j¹⁺^j^2+…+^jⁿ⁾

где K₁,…, Kn – коэффициенты усиления каскадов, j1,…, jn – фазовые сдвиги, вносимые каждым усилительным каскадом.

Таким образом, для многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада. Суммарный фазовый сдвиг, вносимый усилителем, равен сумме фазовых сдвигов каждого каскада. Сквозной коэффициент усиления

Kобщ = k_вхKобщ

где k_вх=Zвх/(Zг + Zвх) – коэффициент передачи входной цепи. Если коэффициент усиления отдельных каскадов выразить в логарифмических единицах, то общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя будет равен сумме коэффициентов

K_общ[дб] = K_1[дб] + … + K_n_[дб]

В аппаратуре связи для компенсации потери мощности на отдельных участках (затухания) необходимо, чтобы усилитель работал на согласованную нагрузку, т.е. его входное сопротивление должно быть равно сопротивлению источника (выходного сопротивления предыдущего тракта аппаратуры или линии), а выходное сопротивление должно равняться сопротивлению нагрузки. Для согласования усилителей по входу и выходу используют усилители с обратной связью и согласующие трансформаторы. Отклонение от согласования в рабочей полосе частот оценивается коэффициентом отражения

При использовании согласующих трансформаторов пересчитанное сопротивление нагрузки в первичную обмотку R ’₁= R _н n ² , где п — коэффициент трансформатора, т. е. отношение витков первичной обмотки к вторичной (рис. 2,а).

На рис.2,а имеем: U₂=U₁/n; I₂=I₁n₂, тогда R н =U₂/I₂ = (U₁/I₁)n²

или R’₁= U₁/I₁=R _н n²=Rг. Отсюда с учетом потерь в трансформаторе коэффициент трансформации:

где n_t – КПД трансформатора.

Применение входного и выходного трансформаторов позволяет достаточно просто осуществить переход с симметричной схемы на несимметричную (рис.2, б).

Усилители мощности.

Это обычно выходные каскады много каскадных усилителей. Они предназначены для увеличения нагрузочной способности и создания нагрузки сигнала заданной мощности. Такие усилители работают в режиме большого сигнала. Их основными параметрами являются:

1) Величины выходной мощности Р_вых=

2) КПД= (Р_{вых действ}/Р₀)*100%

3) КНИ

Компатор и мультивибраторр

Компаратор – устройство сравнения двух сигналов. Компаратор изменяет скачком уровень выходного сигнала, когда непрерывно изменяющийся во времени выходной сигнал становится выше или ниже определенного уровня.

Компараторы бывают цифровые и аналоговые (сравнивает напряжения)

Диоды служат для защиты входов ОУ от перегрузки напряжения. При U = 100В диоды не открываются.

Часто на одном входе компаратора фиксированноеU_вх. Компаратор сравнивает входные напряжения и усиливает их разность с К_и = 10⁴ -10⁵. Т.е. при малейшем превышении одного сигнала над другим на выходе получаем maxсигнал положительной или отрицательной полярности. Благодаря высокому коэффициенту усиления схема переключается при очень малой величине разности напряжений , поэтому она пригодна для сравнения двух напряжений с высокой точностью.

Работа компаратора при сравнении двух напряжений поясняется диаграммой:

С целью увеличения быстродействия в специа-лизированные компараторы (СА) вводят дополнительные форсирующие Re цепочки, которые могут приводить к возникновению нелинейности при работе ОУ, что несущественно для компаратора. Т.е. ОУ может работать как компаратор.

Недостаток компаратора: недостаточно чёткое срабатывание при медленно изменяющихся и защищённых входных сигналах.

Мультивибратором(генер.прямоугольной формы)называется генератор периодически повторяющихся импульсов прямоугольной формы. Мультивибратор является автогенератором и работает без подачи входного сигнала. Рассматриваемый генератор является симметричным и для него длительность импульса и паузы равны t_и=t_n=R₂C × ln(1+ ), при R₃=R₄t_и=t_п=R₂C × ln3, период повторения импульсов Т_п=(t_и+t_п)=2t_и, скважность Q= . Изменяя t =R₂C и величины R₃, R₄, можно регулировать длительность, частоту и амплитуду импульсов.

Предположим, что на выходе напряжение +12В, а на неинвертирующем входе +2В. Конденсатор заряжается через до +2В. Так как напряжение на инвертирующем входе становится больше, чем на неинвертирующем входе, происходит переброс триггера Шмита, на выходе устанавливается максимальное отрицательное напряжение (-12В), на неинвертирующем входе -2В. Конденсатор перезаряжается через до -2В и т.д.

ТТЛ логика

В ТТЛ операцию «И» выполняет многоэмиттерный транзистор. Если хотя бы на один из входов будет подаваться сигнал логического нуля, соответствующий эмиттерный переход транзистора VT1 будет открыт, и через него будет протекать ток от плюса источника питания (ИП), через резистор R1, база-эмиттер VT1, общий провод, минус источника питания. В цепи коллектора VT1, а следовательно, и в цепи базы VT2, ток будет отсутствовать, транзистор VT2 будет находиться в режиме отсечки, на выходе будет высокий уровень напряжения логической единицы. При подаче на оба входа логических единиц оба эмиттерных перехода закрываются, и ток будет протекать по цепи от плюса ИП, через R1, база-

коллектор VT1 и на базу VT2. Транзистор VT2 перейдёт в режим насыщения и на выходе установится низкий уровень напряжения логического нуля.

26 Шифратор — это комбинационное устройство, преобразующее десятичные числа в двоичную систему счисления, причем каждому входу может быть поставлено в соответствие десятичное число, а набор выходных логических сигналов соответствует определенному двоичному коду. Число входов и выходов в полном шифраторе связано соотношением п = 2^т, где п — число входов, т — число выходов. Основное назначение шифратора — преобразование номера источника сигнала в код (например, номера нажатой кнопки некоторой клавиатуры).

Дешифратором называется комбинационное устройство, преобразующее n-разрядный двоичный код в логический сигнал, появляющийся на том выходе, десятичный номер которого соответствует двоичному коду. Число входов и выходов в так называемом полном дешифраторе связано соотношением т = 2n, где п — число входов, а т — число выходов. Если в работе дешифратора используется неполное число выходов, то такой дешифратор называется неполным. Так, например, дешифратор, имеющий 4 входа и 16 выходов, будет полным, а если бы выходов было только 10, то он являлся бы неполным.

Дешифратор — одно из широко используемых логических устройств. Его применяют для построения различных комбинационных устройств.

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.

Цифры на входе (1,2) обозначают вес разряда двоичного числа, а цифры на выходе (0—3) определяют десятичное число, соответствующее заданному числу на входе.

При логической 1 на входе разрешения на всех выходах будут также логические 1. При активизации входа разрешения, т. е. при Е = 0, логический 0 появляется на том выходе дешифратора, номер которого соответствует десятичному эквиваленту двоичного числа, поданного на информационные входы. Благодаря наличию входа разрешения можно наращивать размерность дешифраторов.

27. Мультиплексором называют комбинационное устройство, обеспечивающее передачу в желаемом порядке цифровой 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 одного из нескольких входов (их называют информационными) к одному выходу устройства. Кроме информационных входов в мультиплексоре имеются адресные входы и, как правило, разрешающие (стробирующие). Сигналы на адресных входах определяют, какой конкретно информационный канал подключен к выходу. Если между числом информационных входов n и числом адресных входов m действует соотношение n = 2m, то такой мультиплексор называют полным. Если n < 2m, то мультиплексор называют неполным.

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 противоположен мультиплексору. Демультиплексоры обозначают через DMX или DMS.

Если соотношение между числом выходов n и числом адресных входов m определяется равенством n = 2^m, то такой демультиплексор называется полным, при n < 2^m демультиплексор является неполным.

Таблица истинности полного сумматора

По таблице составим логические выражения СДНФ, описывающие работу полного сумматора:

Полученные выражения приводят к достаточно сложной схемной реализации полного сумматора в базисах И-НЕ или ИЛИ-НЕ. Поэтому полный сумматор обычно строится из двух полусумматоров.

Полусумматор при выполнении операции сложения не учитывает переноса из предыдущего разряда. Работу полусумматора можно описать:

Таблица истинности полусумматора

Из таблицы следует:

Реализация полусумматора показана на рис. 2.2,а. На рис. 2.2,б показано его условное обозначение.

Полный сумматор строится из двух полусумматоров по схеме приведенной на рис. 2.3,а. Условное обозначение полного сумматора показано на рис. 2. 3,б.

Рис. 2. 3. Схема полного сумматора и его условное обозначение

Для сложения n - разрядных чисел требуется один полусумматор в младшем разряде и n- 1 полных сумматоров (рис. 2. 4).

Сумматоры с различной разрядностью выпускаются в виде ЦИС.

Например: 155ИМ1 – одноразрядный сумматор; 155ИМ2 – двухразрядный

сумматор; 155ИМ3 – четырехразрядный сумматор.

29.Триггером называется устройство с двумя устойчивыми состояниями. Триггеры представляют собой простейшие последовательностные устройства и широко используются в электронных устройствах различного назначения как в виде самостоятельных узлов, так и в качестве элементов для построения более сложных цифровых устройств (счетчиков, регистров, запоминающих устройств). К триггерам относят большой класс устройств, отличительной особенностью которых является способность оставаться в одном из двух устойчивых состояний, которые могут изменяться под действием внешних сигналов. При этом состояния триггера распознаются по уровням выходных напряжений, соответствующих уровням “0” и “1”.

Основным свойством триггера является наличие памяти, под которой подразумевается его способность сохранять свое состояние (“0” или “1”) и после прекращения воздействия внешних сигналов. Таким образом, триггер является элементарной ячейкой памяти для хранения одного двоичного разряда числа.

Обобщенная схема триггерного устройства показана на рис. 3.1 и состоит из устройства управления УУ и триггерной ячейки ТЯ.

Существует множество разновидностей триггеров, отличающихся выполняемыми функциями, способами управления записью информации, схемотехническими решениями и т.д. По выполняемым функциям классификацию триггеров производят по состоянию его выходов в момент его срабатывания и после. При этом различают следующие основные виды: RS, JK, T и D - триггеры. По способу управления записью информации различают:

• асинхронные триггеры с записью непосредственно с поступлением информационного сигнала на его вход;

• тактируемые (синхронные) триггеры с записью информации только при подаче тактирующего импульса.

При этом срабатывание триггера может происходить одновременно с поступлением тактирующего импульса (триггер, работающий по уровню), после окончания тактирующего

импульса (триггер с внутренней задержкой), прохождения нескольких тактирующих импульсов (многотактные триггеры), или в моменты изменения состояния тактирующего импульса (синхронизация по фронту).

RS – триггеры

RS–триггер имеет два управляющих входа S (set) и R (reset), с помощью которых выполняются установки триггера в то или иное состояние (рис. 3. 2,а):

Q = 1 при S=1 и R=0 ( установка триггера);

Q = 0 при S=0 и R=1 (сброс триггера);

Qn+1=Qnпри S=R=0 (режим хранения предыдущего состояния);

S=R=1 – запрещенная комбинация управляющих сигналов, которая

может привести к неопределенному состоянию триггера.

Учитывая связь текущего состояния триггера Qn+1 с предыдущим состоянием Qn при различных комбинациях управляющих сигналов S и R, из табл. 3. 1 можно сформировать сокращенную таблицу истинности (табл. 3. 2). Рассматриваемый триггер является асинхронным, т.к. изменение его состояния происходит непосредственно с поступлением управляющих сигналов. Принцип работы асинхронного RS-триггера поясняется временными диаграммами, показанными на рис. 3. 3.

Схемотехнически RS-триггер может быть реализован на элементах 2ИЛИ-НЕ (рис. 3. 2,б) и 2И-НЕ (рис. 3.2,в) с использованием перекрестных положительных обратных связей. В триггере на элементах 2И-НЕ изменение состояния происходит при низких уровнях сигналов S и R . В синхронных RS-триггерах могут быть использованы различные способы синхронизации. На рис. 3. 4,а и б показаны схемотехническая реализация и условное обозначение RS-триггера с синхронизацией по уровню (высокому). На рис. 3. 4,в приведены диаграммы работы такого триггера. Изменение состояний происходит только при высоких уровнях сигнала синхронизации С.

В RS-триггере с синхронизацией по фронту изменение состояния происходит в момент изменения уровня сигнала С. При этом возможна синхронизация как по переднему, так и по заднему фронту (срезу). Такие триггеры строятся по двухступенчатой схеме и в них процессы приема и записи данных разделены во времени. Схема триггера с синхронизацией по заднему фронту и его условное обозначение приведены на рис. 3. 5.

JK-триггеры

JK-триггер имеет два управляющих входа J (jump) и K (keep) и функционирует подобно RS-триггеру, но при этом не имеет запрещенных комбинаций управляющих сигналов. J - вход подобен S – входу, а K-вход подобен R-входу. При всех комбинациях сигналов на входе, кроме J=K=1, он действует подобно RS-триггеру. При J=K=1 в каждом такте происходит «опрокидывание» триггера и его состояние меняется на противоположное (табл. 3. 3). На рис. 3. 6 показано условное обозначение JK-триггера c синхронизацией по переднему фронту.

JK-триггеры относятся к универсальным устройствам в отношении их применения как для построения других типов триггеров, так и более сложных устройств последовательного принципа действия. Во всех сериях ИС выпускаются JK-триггеры с различными функциональными возможностями. Например, ИС 155ТВ1 (рис. 3. 8) имеет по три входа J и K, связанных логической операцией И, что существенно расширяет возможности ее применения при реализации различных алгоритмов управления состояниями триггера без применения дополнительных элементов.

Т-триггеры

Т-триггеры иначе называются счетными и применяются для построения счетчиков и делителей частоты. Такой триггер имеет один тактовый вход и его состояние меняется каждый раз при подаче счетного импульса Т=1 и остается неизменным при Т=0. Таблица состояния триггера приведена в табл. 3. 4. Обозначение Т-триггера и диаграммы работы приведены на рис. 3. 9.

D –триггеры

Отличительной особенностью D-триггера (триггера задержки) является то, что он сохраняет информацию, поступившую на D-вход в предыдущем такте работы до прихода синхроимпульса, т.е. его состояние может изменяться с задержкой на один такт. Синхронизация работы производится по переднему или заднему фронту. Условное обозначение D-триггера с синхронизацией по переднему фронту и диаграммы его работы показаны на рис. 3. 11.

АЦП параллельного типа.

Обладают наибольшим быстродействием. В них сравнение и получение результата преобразования происходит за время . Рассмотрим схему 2–х разрядного АЦП параллельного типа.

Схема параллельного АЦП содержит компараторы, число которых определяется числом уровней квантования. т.е. =2

R – разрядность двоичного кода результата преобразования.

Опорное напряжение для каждого из компараторов получают с помощью резистивной матрицы.

СД – приоритетный шифратор. Преобразует унитарный двоичный код в двоичный.

Аналоговый сигнал U_x поступает единовременно на все компараторы. При этом изменяют состояние лишь те, у кого U_x>U_вх

С помощью приоритетного шифратора на выходе формируется двоичный код номера старшего сработавшего компаратора.