БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника . М.: Энергоатомиздат,1988.320с.
2. Основы промышленной электроники / Под ред. проф. В.Г. Герасимова. М.: Высш. шк.,1986,335с.
3. Забродин Ю.С. Промышленная электроника . М.: Высш. шк., 1982, 496с.
ОСНОВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Современные сложные электронные устройства содержат до109 элементов, что обусловливает необходимость решения проблем надежности, миниатюризации, автоматизации проектирования и изготовления.
1.Надёжность оценивают по времени безотказной работы Т ,
,
где ti - время безотказной работы одного элемента;
n - количество элементов;
Пути увеличения надёжности:
-увеличение ti (улучшение технологии и контроля, новое обрабатывающее оборудование) ;
-уменьшение n («упаковка» в интегральные микросхемы - ИМС);
-применении интегральных микросхем (сегодня в одной ИМС до 106 элементов. надёжность ИМС 
надёжности одного транзистора).
2. Миниатюризация. Микросхема, содержащая 106 элементов, занимает объём 1см3.
3. Автоматизация проектирования и изготовления. Ориентация на использование ИМС обусловливает применение ЭВМ как для их проектирования, так и для изготовления.
Полупроводниковые приборы
Диоды.
Диод - это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на каком-либо свойстве одного р-n-перехода.
Выпрямительные диоды. Используется вентильное свойство p- n перехода.
Данные диоды используются в основном для создания выпрямителей. Наиболее распространены диоды на основе Ge (ГД) и Si (КД).
Величина обратного тока диода зависит от температуры (рис. 1.11).
ГД – более температурно зависимы; КД – менее температурно зависимы.
|
|
Условное обозначение
 | |||||
 | |||||
 | |||||
:
Однофазная 2х полупериодная схема выпрямителя приведена на рис. 1.12.
В первую половину периода в соответствии с указанной на рисунке полярностью напряжения открыты диоды Д1 и Д3. Диоды Д2 и Д4 закрыты .Во второй полупериод полярность изменяется - открыты Д2 и Д4 , а закрыты Д1 и Д3.
В первую половину периода ток i обозначен сплошной линией, во вторую ток i2 - штриховой. Оба тока i1 и i2 по нагрузке протекают в одном направлении, т.е. по нагрузке протекает постоянный по направлению - пульсирующий ток.
.
Временная диаграмма работы выпрямителя представлена на рис. 1.13.
Для сглаживания пульсаций включают ёмкостной фильтр Сф и стабилизатор.
|
|
|
|
Стабилитроны.- это полупроводниковые приборы, использующие при работе свойство электрического пробоя. Применяются наиболее часто в стабилизаторах для сглаживания пульсации напряжения Включение производят в обратном направлении. ВАХ стабилитрона приведена на рис.1.14. В рабочей области характеристики стабилитрона малому изменению напряжения соответствует значительное изменение тока.
|
|
Условное обозначение :
|
|
Схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 1.15, где Rб – балластное сопротивление; U2= U1 - Uб . При изменении напряжения U1 происходит резкое изменение тока через стабилитрон в соответствии с этим резко изменяется Uб, в результате чего U2 остается практически неизменным.
|
|
Варикап - это диод, принцип действия которого основан на емкостном свойстве p- n-перехода. Зависимость C= f( U) приведена на рис.1.16. Используется в устройствах автоматической подстройки частоты (АПЧ).
|
|
Условное обозначение:
|
|
Светодиод- это полупроводниковый прибор, в котором используется выделение энергии в виде света при прохождении тока. Такие диоды используют в устройствах индикации.
: Условное обозначение светодиода
|
|
Фотодиод - это полупроводниковый прибор, реагирующий на свет.
|
|
|
|
Работает в двух режимах:
фотопреобразовательном и фотогенераторном. В фотопреобразовательном режиме под воздействием светового потока Ф увеличивается обратный ток фотодиода. Такие диоды используют в устройствах ,реагирующих на свет.
В фотогенераторном режиме диод работает как источник электрической энергии, преобразующий энергию света в электрическую. ВАХ фотодиода представлена на рис. 1.17.
Транзисторы
Транзисторы - это приборы предназначенные для регулирования тока и работы в качестве усилительных элементов в усилительных схемах
.
БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР - это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на совокупных свойствах двух p- n-переходов. Транзистор имеет трехслойную структуру. В соответствии с порядком чередования слоев различают транзисторы PNP -и NPN – типа . На рис.1.18а и 1.18б представлены структуры и условные обозначения транзисторов PNP – и NPN – типа.
|
|
Рис. 1.18.
Структура и принцип действия транзистора PNP -типа приведены на рис.1.19. Конструктивные особенности среднего слоя (базы) : база выполняется очень узкой (несколько микрон) и концентрация основных носителей (электронов)в ней очень мала. Транзистор включает 2 p- n-перехода :
I p- n–переход включим в прямом направлении.
II p- n-переход включим в обратном правлении.
Под воздействием приложенного напряжения дырки из эмиттера устремляются в базу через открытый p- n-переход Э -Б, создавая ток эмиттера IЭ. Встречным потоком электронов можно пренебречь вследствие их малого количества. Из-за особенностей базы лишь небольшая часть пришедших дырок рекомбинирует с 
, создавая небольшой ток базы IБ. Основная же часть дырок достигает II (закрытого) p- n-перехода. Поскольку дырки в базе являются неосновными носителями, то поле закрытого p- n- перехода для них ускоряющее и они втягиваются в область коллектора, создавая ток коллектора IK.
|
|
Очевидно, что IЭ = IК + IБ , а так как. ток базы мал ,то IК @ IЭ .Усилительные свойства транзистора характеризуются коэффициентом передачи тока. 
.
Различают 3 схемы включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором:
1. Схема с общей базой (рис.1.20):
|
|
, 
.
Так как IЭ 
IК , а напряжение UКБ >> UБ Э Þ PВЫХ>> PВХ ,то идет усиление сигнала по мощности.
2. Схема с общим коллектором (рис.1.21):
|
|
,
|
|
.
При a = 0,95 g= 20, т.е.
сигнал усиливается по току и по мощности.
3. Схема с общим эмиттером (рис.1.22). 
|
|
При a = 0,95 b = 19.
Схема усиливает сигнал по току, напряжению и мощности и является самой распространенной схемой включения.
Анализируя схемы включения транзистора можно сделать вывод, что источник входного сигнала подключается к открытому переходу эмиттер - база, обладающему малым сопротивлением . Следовательно биполярный транзистор обладает малым входным сопротивлением. Это является его основным недостатком.
Статические вольт-амперные характеристики схемы с общим эмиттером Различают два семейства характеристик :
входные IВХ = f( UВХ ) при UВЫХ = const, то есть IБ = f( UБ ) при UК = const (рис.1.23,а) и
выходные IВЫХ = f( UВЫХ ) при IВХ = const, то есть IК = f( UК ) при IБ = const (рис.1.23,б).
|
|
По выходным характеристикам можно определить
b = 
Области работы транзистора. На выходных характеристиках можно выделить три области работы транзистора (рис.1.24): насыщения (I); линейной работы (II); отсечки (III).
|
|
В области отсечки и насыщения нет прямопропорциональной зависимости между входным и выходным током, эта зависимость наблюдается только в области линейной работы , где D Iк= b 
IБ. ( таблица ).
| Область работы | Состояние p-n-переходов | Зависимость IВЫХ=f(IВХ) | |
| эмиттер- база | база- коллектор | ||
| Насыщения | Открыт | Открыт | Не зависит (транзистор полностью открыт) |
| Отсечки | Закрыт | Закрыт | Не зависит (транзистор полностью закрыт) |
| Линейная | Открыт | Закрыт | Прямопропорциональная |
Передельно-допустимые параметры транзистора. Для нормальной работы транзистора необходимо укладываться в область , ограниченную предельно допустимыми параметрами : Uk (max) , Ik (max) , Pk (max) :
|
|
- если Uk > Uk (max) , возможен пробой коллекторного р-n перехода;
- если Ik > Ik(max) , возможен перегрев эмиттерного р-n перехода;
- если Pk >Pk (max) работа транзистора невозможна из-за перегрева коллекторного р-n-перехода (to ~ Рk). Область работы транзистора ограничивают все три условия (рис.1.25).
Пример конструкции биполярного транзистора (рис.1.26). В пластину Gen вплавляют кусочки акцептора (In) . В месте вплавления в результате диффузии получаются участки полупроводника p - типа (Gep ) .
|
|
ПОЛЕВОЙ ( УНИПОЛЯРНЫЙ ) ТРАНЗИСТОР– это транзистор, в котором ток через канал регулируется с помощью электрического поля затвора.
Условное обозначение
Электроды полевого транзистора:
- исток (И) –электрод, через который носители заряда входят в канал,
- сток (С) -электрод, через который носители заряда выходят из канала,
-затвор (З)– электрод, с помощью которого регулируется ток через канал.
Полевой транзистор с каналом n-типа и затвором в виде р-n-перехода. Структура полевого транзистора данного типа, представленная на рис.1.27 имеет один р-n -переход между затвором и каналом, который включают в обратном направлении, при этом возникает область повышенного сопротивления (заштрихованная область на рис.1.27. ).
Под воздействием напряжения UИС ток через канал протекает только по той части, которая не входит в область р-n-перехода. Изменяя напряжение на затворе, мы изменяем область р-n- перехода, за счет чего изменяется та часть канала, по которой протекает ток ( активное сечение канала ). Эти изменения вызывают изменение сопротивления канала, а следовательно и тока через канал, т.е. изменяя напряжение на затворе можно регулировать ток через канал:
( ï U зи 1 ï < ï U зи 2 ï ) Þ (S1>S2) Þ (Rk1<Rk2) Þ (Ik1>Ik2) ,
здесь S - площадь активного канала сечения,
RK - сопротивление канала ,
IK - ток канала ;
|
|
Схема с общим истоком (рис.1.28). Источник входного сигнала (ИС) подключен к закрытому р-n-переходу, обладающему большим сопротивлением, следовательно, прибор обладает высоким входным сопротивлением - это его главное преимущество перед биполярным транзистором.
|
|
|
|
Выходные характеристики схемы с общим истоком представлены на рис.1.29.
Рис.1.28.
Основной параметр рассматриваемого транзистора, характеризующий его усилительные
свойства , S –крутизна характеристики, 
Полевые транзисторы бывают двух типов : с затвором в виде p-n-перехода и с изолированным затвором .
Тиристоры
Тиристор – это полупроводниковый прибор, обладающий двумя состояниями:
выключено (сопротивление велико Þ ток мал ) и включено ( сопротивление мало Þ ток относительно велик )
Переход из одного состояния в другое происходит скачком.
Существуют следующие разновидности тиристоров:
- одно-операционный тиристор ;
- симметричный тиристор (симистор) ;
- двух - операционный тиристор ;
- фототиристор .
Структура тиристора включает как минимум 3 p-n-- перехода .
Структура и принцип действия неуправляемого тиристора ( динистора ),показаны на рис.1.30, где R - ограничительное сопротивление. I и III p-n- переходы открыты,
а II p-n-переход закрыт.
|
|
|
|
Условное обозначение .
Вольт-амперная характеристика динистора приведена на рис.1.31, где участок 0-1 соответствует состоянию ‘‘выключено”; участок 2-3 – состоянию ‘‘включено’’;
участок 1-2 – переход из состояния ‘‘выключено’’ в состояние ‘‘включено’’. При увеличении напряжения тиристор сначала находится в состоянии ‘‘выключено’’ – средний р-n-переход включен в обратном направлении, сопротивление всей структуры велико, ток мал. При достижения напряжения переключения Uп в закрытом р-n-переходе происходят процессы
внешне напоминающие его пробой, сопротивление среднего р-n перехода, а следовательно и всей структуры резко падает и тиристор переходит в состояние ‘‘включено’’.
Для выключения необходимо снять напряжение.При смене полярности будут закрыты два p-n- перехода и ток через тиристор практически не протекает.
Однооперационный управляемый тиристор имеет управляющий электрод (УЭ )
С помощью Iу через УЭ можно включать тиристор. Схема включения однооперационного тиристора представлена на рис.1.32.
|
|
Условное обозначение .
|
|
|
|
Вольт-амперная характеристика
однооперационного тиристора представлена на рис.1.33.
С увеличением Iу , напряжение Uп уменьшается.
Существует два способа включения одноперационного управляемого тиристора:
1)Iу=0, U> Uп. (УЭ не используют).
2) U< Uп , Iy>0 (тиристор включается с помощью УЭ ).
Способ выключения один - снятие питающего напряжения U .
Применение тиристора в управляемом выпрямителе.
|
|
Управляемым называется выпрямитель, у которого можно регулировать UВЫХ , т. е. UВЫХ = f(a ) , где a - некий параметр.
Рассмотрим схему однополупериодного управляемого выпрямителя (рис.1.34).
Блок управления (БУ) предназначен для подачи управляющих импульсов на управляющий электрод - тиристор открывается при подаче импульса от блока управления.
Работа выпрямителя иллюстрируется временной диаграммой (рис. 1.35.)
До подачи управляющего импульса – I упр тиристор закрыт. После подачи I упр тиристор открывается и остается открытым до момента прохождения синусоиды через ноль.
Изменяя время подачи управляющего импульса, мы изменяем время открытого состояния тиристора, за счет чего изменяется величина выпрямленного напряжения.
Чем больше a , тем меньше UВЫХ сред.
Симметричный тиристор. Структура и ВАХ симметричного тиристора представлены на рис. 1.36 .Симметричная вольт-амперная характеристика создается за счет наличия двух параллельных структур с разным чередованием слоев.
При одной полярности напряжения работает одна структура. При противоположной полярности - другая.
|
|
Условное обозначение .
|
|
Двухоперационный тиристор. С помощью управляющего электрода можно включать и выключать тиристор (рис.1.37).
|
|
|
|
Фототиристор. В фототиристоре (рис.1.38) роль импульса тока управляющего электрода играет импульс света. Импульс света воздействует на закрытый р-n-переход.
1.1.5 Оптрон
Оптрон - это прибор, состоящий из трех элементов (рис.1.39):
|
|
1) элемента , преобразующего электрический сигнал в световой (например ,светодиода); 2) элемента, преобразующего свет в электрический сигнал (например , фотодиода);
3) оптического канала, соединяющего первый и второй элементы
Преимущества оптрона: полная электрическая развязка между первым и вторым элементами и отсутствие электромагнитного излучения при передаче информации через световой сигнал. Недостаток: низкий КПД (<10%)
|
|
Условное обозначение оптопары светодиод - фотодиод .
Усилители
Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления слабых сигналов за счет энергии источника питания.
Основными параметрами усилителя являются:
- коэффициент усиления по напряжению, 
в усилителях напряжения
K U >1 ;
- коэффициент усиления по току, 
в усилителях тока K I >1;
- коэффициент усиления по мощности, 
причём
KP > 1 в любом усилителе.
Характеристики усилителей:
|
Рис.1.40 Рис.1.41 Рис.1.42 |
1.Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - зависимость К от частоты, К=Ф(f).
АЧХ для УНЧ, УПТ , ИУ приведены на рис.1.40, 1.41, 1.42.
По АЧХ определяется полоса пропускания частот усилителя 
:
.
2. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ).
j =Ф(f),
где j - угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами.
Поскольку усилитель содержит реактивные элементы, то фаза сигнала на входе не совпадает с фазой сигнала на выходе, причем на разных частотах угол сдвига фаз будет разной.
|
|
3. Амплитудная характеристика (АХ)
UВХ = f(UВХ )½f=const .
АХ - это зависимость величины выходного напряжения от входного напряжения при f = const (рис.1.43).
Классификация усилителей по частотному диапазону:
1. Усилитель низкой (звуковой) частоты (УНЧ), Df =десятки Гц … десятки кГц.
2. Усилитель высокой частоты (УВЧ), Df =десятки кГц … десятки МГц.
3. Широкополосный усилитель (ШУ), Df =десятки Гц … десятки МГц.
4. Усилитель постоянного тока (УПТ), D f =0 … Мгц.
5. Избирательный (резонансный) усилитель (ИУ) - это усилитель, усиливающий сигнал в очень узком диапазоне частот (в идеале одну частоту).
Виды искажения сигналов при прохождении через усилитель. При прохождении через усилитель форма сигнала может искажаться. Существуют нелинейные и линейные искажения.
|
|
Рис.1.44 .|
Рис.1.45. |
Нелинейные (рис.1.44) связаны с нелинейными характеристиками транзисторов (область линейной работы сравнительно невелика).
Линейные искажения – это искажения сигнала, связанные с разными К на различных частотах. Проявляются при усилении сигналов сложной формы, к примеру, прямоугольной (рис. 1.45).
Чем шире полоса пропускания частот усилителя, тем меньше он вносит искажений.
Усилитель, обладающий идеальной АЧХ, не вносит линейных искажений.
Понятие о входном и выходном сопротивлении усилителя. По отношению к источнику входного сигнала (ИС) усилитель является нагрузкой и как любая нагрузка обладает сопротивлением. Это и будет входным сопротивлением усилителя R ВХ (рис.1.46).
|
Рис.1.46. |
По отношению к нагрузке усилитель является источником электрического сигнала и как всякий источник обладает ЭДС и внутренним сопротивлением, последнее является выходным сопротивлением R ВЫХ . ЭДС холостого хода E ХХ = К UВХ .
УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ – это часть элементов схемы, включающая главную усилительную цепь каскада и элементы, обеспечивающие ее работу. Главная усилительная цепь состоит из транзистора и последовательно включенного с ним резистора R К (рис.1.47).
Определим коэффициент усиления в режиме холостого хода К U хх. По закону Ома
UВХ = IВХ RВХ = IБ RВХ ,
где R ВХ – входное сопротивление главной усилительной цепи, т.е. сопротивление
|
Рис.1.48 .
|
p-n-перехода Э – Б.
|
Рис.1.47. |
По второму закону Кирхгофа имеем
,
.
Знак минус означает, что DUВХ и DUВЫХ разного знака, т.е. при прохождении через главную усилительную цепь сигнал инвертируется (фаза сдвигается на 180о);
b>>1; R К = тысячи Ом, RВХ = сотни Ом, поэтому |КU хх| >>1.
Передаточная характеристика главной усилительной цепи по напряжению есть зависимость U ВЫХ = f(UВХ ). На данной характеристике можно выделить три области
работы транзистора (рис.1.48):
1 – область отсечки;
2 – область линейной работы;
3 – область насыщения.
Прохождение синусоидального сигнала через главную усилительную цепь.
Режимы усиления. Используя передаточную характеристику можно посмотреть, как изменяется форма sin сигнала при прохождении через главную усилительную цепь (рис.1.49).
Рассмотрим три варианта :
· входной сигнал изменяется вокруг нулевого уровня и попадает частично в области отсечки и частично в область линейной работы;
· входной сигнал целиком укладывается в область линейной работы;
· входной сигнал большой амплитуды занимает все три области.
На рис. 1.49. заштрихована та часть сигнала, которая укладывается в область линейной работы.
Сигнал на выходе будет совпадать по форме с этой частью входного сигнала.
Рассмотренным вариантам соответствуют три режима усиления:
|
Рис.1.49 . |
Режим B – характеризуется отсутствием напряжения смещения (сигнал изменяется вокруг нулевого уровня), большими нелинейными искажениями (усиливается чуть меньше половины сигнала). Применяется в усилителях мощности.
Режим A характеризуется отпирающим смещением (транзистор приоткрывается), практическим отсутствием нелинейных искажений. Применяется в линейных усилителях напряжения .
Режим D характеризуется большой амплитудой входного сигнала. Входной сигнал занимает все три области (отсечки, линейной и насыщения). Сигнал на выходе получается в виде перепада напряжения от максимального до 0 (практически прямоугольный сигнал). Применяется в вычислительной технике (такой режим называется ключевым режимом работы.)
Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе приведена на рис.1.50, где VT, R К - главная усилительная цепь ; R 1 ,R2 - цепь подачи смещения, задает режим А; C Р1 ,CР2 - разделительные конденсаторы, препятствующие протеканию постоянного тока. На сигнал рабочей частоты не влияют; R Э ,CЭ - цепь термостабилизации. Она препятствует температурным изменениям параметров транзистора, a следовательно, и усилителя. Создает отрицательную обратную связь по постоянному току, за счет чего стабилизируются параметры. Коэффициент усиления каскада равен коэффициенту усиления главной усилительной цепи: 
.
 |
Рис.1.50 .
На рис 1.51 представлена форма сигнала в различных точках усилительного каскада : U 1 =UСМ + UВХ ; UCM = const; U2 = KU1 = K(UСМ + UВХ ) =KUСМ + КUВХ =UО + U~ .
|
|
Рис.1.51 .
Общие сведения о многокаскадных усилителях. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя K=K1 K2 K3 …Kn = 
. Блок-схема многокаскадного усилителя представлена на рис.1.52. Согласующий каскад должен иметь большое входное сопротивление. Усилитель мощности усиливает сигнал по мощности до величины необходимой для нагрузки .
|
Рис.1.52 . |
В многокаскадном усилителе различают следующие типы связей:
|
|
емкостная связь
|
|
трансформаторная связь
|
|
|
|
гальваническая (связь через источники питания) связь
потенциометрическая связь
Емкостная и трансформаторная связи применяется в усилителях переменного напряжения, а гальваническая и потенциометрическая – в усилителе постоянного тока (УПТ).
Усилитель с емкостной связью имеет АЧХ , представленную на рис.1.53.
Влияние ёмкостной связи определяется зависимостью сопротивления Х С от частоты.
 Рис.1.53
| ХС = при ¯ f ® ХС ® UВЫХ ¯ ® K¯ Чем меньше f ,тем больше сопротивление Х С и тем меньшее напряжение передается на вход последующего каскада. За счёт этого уменьшается U ВЫХ ,а следовательно, и К. |
Влияние трансформаторной связи связано с зависимостью ЭДС трансформатора Е 2 от частоты:
E 2 =4,44W2 fФ при ¯ f ® E2 ¯ ® UВЫХ ¯ ® K ¯.
Наличие емкостной и трансформаторной связи обусловливает уменьшение коэффициента усиления в области низких частот. Если (f=0), то (K=0). В области высоких частот коэффициент усиления падает за счёт влияния ёмкости p-n-перехода С ЭБ .
УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА (УПТ) – это усилитель, который должен усиливать сигнал, начиная с частоты, равной 0. По этой причине нельзя использовать ёмкости и трансформаторы :
|
|
|
|
Рис.1.54 .Отказ от ёмкостей и трансформаторов приводит к появлению дрейфа нуля у всех УПТ. АЧХ УПТ приведена на рис.1.54.
Дрейф нуля – это самопроизвольное изменение сигнала на выходе при отсутствии сигнала на входе (присутствует только в УПТ и появляется в следствие отказа от емкости и трансформатора в качестве межкаскадных связей).
Основные причины возникновения дрейфа нуля:
- изменение параметров транзистора под действием температуры;
- изменение напряжения источника питания.
Поскольку указанные изменения происходят очень медленно, то через усилители переменного напряжения с емкостной или трансформаторной связью эти помехи не проходят. Там нет дрейфа нуля. В УПТ же любые изменения напряжения на выходе предыдущего каскада усиливаются последующими каскадами, что и приводит к дрейфу нуля.
Меры борьбы с дрейфом нуля:
- стабилизация температурного режима;
- использование стабилизированных источников питания;
- усиление сигнала по схеме модуляция – демодуляция;
- использование специальных балансных схем.
Принцип усиления сигнала по схеме модуляция - демодуляция.
|
|
Рис.1.55.
|
|
Рис.1.56 .
Медленно изменяющийся сигнал, подлежащий усилению, накладывается на сигнал высокой частоты (амплитудная модуляция рис.1.55). Блок-схема усиления сигнала представлена на рис.1.56. Модулированный сигнал усиливается в усилителе переменного напряжения, после чего производят демодуляцию - выделение усиленного медленно изменяющегося сигнала). Поскольку усиление сигнала происходит в усилителе переменного напряжения, то дрейфа нуля нет. В целом схема существенно усложняется. Для уменьшения дрейфа нуля наиболее часто используются специальные балансные схемы.
|
Рис.1.57 . |
Триггеры
Триггер — это устройство, имеющее два устойчивых состояния - “1” или “0”, - которые могут сохраняться сколь угодно долго. Переход из одного состояния в другое может происходить под воздействием управляющих сигналов. Триггер имеет два выхода (прямой 
и инверсный 
) и один или несколько входов.
Классификация триггеров:
1) по функциональному назначению:
R- S-типа;
D-типа;
T-типа;
J- K-типа;
2) по способу управления:
асинхронные;
синхронные (тактируемые).
Асинхронные триггеры меняют своё состояние по приходу соответствующего управляющего импульса.
Синхронные триггеры изменяют своё состояние при наличии управляющего импульса в момент прихода синхронизирующего (тактового) импульса.
Классификация входов триггеров:
|
|
1. Статические входы, которые управляются уровнем сигнала.
2. Динамические входы, которые управляются либо фронтом, либо срезом.
|
|
Триггер r-s-типа
|
|
Условное обозначение:
Если триггер находится в единичном состоянии, то 
.
Ситуации 
не существует.
Таблица истинности R-S-триггера
| 
| 
|
| 0 | 0 | 
|
| 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | Запрещённая комбинация |
Здесь состояние триггера до подачи управляющих сигналов, — состояние триггера после подачи управляющих сигналов.
Реализация триггера R - S-типа на элементах “И-НЕ”:
|
|
Анализ работы схемы, проведённый на основе таблицы истинности элемента “И-НЕ” подтверждает, что схема реализует функцию R-S-триггера (работу схемы в деталях рассмотреть самостоятельно).
Реализация триггера R - S-типа на элементах “ИЛИ-НЕ”:
|
|
Анализ работы схемы следует производить с использованием таблицы истинности элемента “ИЛИ-НЕ” (рассмотреть самостоятельно).
|
|
Временные диаграммы R- S-триггеров (пример):
|
|
Асинхронный R- S-триггер ( 
) Синхронный R- S-триггер
J-k триггер. Таблица истинности J-K-триггера отличается от таблицы истинности R-S триггера одной нижней строчкой.
|
|
Регистры
Регистром называется устройство, предназначенное для приёма, хранения и выдачи
информации. Проще всего построить регистры на триггерах D-типа.
Классификация регистров:
1. Параллельные.
2. Последовательные.
|
|
Рис.2.6.
Схема параллельного регистра приведена на рис.2.6.
В параллельном регистре информация на регистр записывается в параллельном коде:
— записываемый код, 
— магистраль синхронизирующих импульсов, 
— код, записанный в регистр.
По магистрали информация записываемого кода подаётся на входы . По приходу синхронизирующего импульса информация с магистрали переписывается в регистр и хранится там до подачи следующего синхронизирующего импульса. По приходу следующего синхронизирующего импульса в регистр записывается новая информация. Считывание информации с регистра осуществляется с выходов 
.
Схема последовательного регистра приведена на рис.2.7.
При записи информации в последовательный регистр двоичный код последовательно, разряд за разрядом, подаётся на вход. Первым подаётся старший разряд, последним — младший. Выход триггера предыдущего разряда соединяется со входом триггера последующего разряда. Поэтому по каждому синхронизирующему импульсу информация с
предыдущего разряда записывается в последующий разряд, т.е. происходит сдвиг информации.
|
|
Рис.2.7.
|
|
Работа регистра (пример записи входного кода 101):
1. Исходное состояние: Q 1=0, Q 2=0, Q 3=0.
2. Входы: T 1=1, T 2=0, T 3=0.
3. СИ1: Q 1=1, Q 2=0, Q 3=0.
4. Входы:T 1=0, T 2= Q 1=1, T 3= Q 2=0.
5. СИ2: Q 1=0, Q 2=1, Q 3=0.
6. Входы: T 1=1, T 2= Q 1=0, T 3= Q 2=1.
7. СИ3: Q 1=0, Q 2=0, Q 3=1.
Особенности работы регистра:
1. Запись n-разрядного кода происходит за n синхронизирующих импульсов.
2. При работе регистра происходит сдвиг информации слева направо, поэтому такой регистр называют регистром сдвига.
3. Информация с регистра может быть считана как в параллельном, так и в последовательном коде. Для снятия информации в последовательном коде необходимо подключить приёмник к выходу триггера старшего разряда и подать 
синхронизирующий импульс. Регистр позволяет преобразовать последовательный код в параллельный.
Существуют регистры сдвига, сдвигающие информацию слева направо, справа налево, а также реверсивные регистры, которые позволяют делать и то и другое.
Обозначение:
|
|
Счётчики
Счётчиком называется устройство, предназначенное для подсчёта количества поданных импульсов.
Классификация счетчиков:
1. Счётчики на сложение.
2. Счётчики на вычитание.
3. Реверсивные счётчики. В соответствии с управляющим сигналом могут работать как на сложение, так и на вычитание.
Различают счётчики с модулем счёта k: 
, 
( 
— число разрядов счётчика).
|
|
2.4.1. Трёхразрядный двоичный счётчик на сложение:
|
|
В каждый момент времени в разрядах счётчика записан код числа поданных импульсов.
Таблица состояний счётчика.
| Входн. импульс | 
| 
| 
|
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 |
| 2 | 0 | 1 | 0 |
| 3 | 1 | 1 | 0 |
| 4 | 0 | 0 | 1 |
| 5 | 1 | 0 | 1 |
| 6 | 0 | 1 | 1 |
| 7 | 1 | 1 | 1 |
| 8 | 0 | 0 | 0 |
2.4.2. Трёхразрядный двоичный счётчик на вычитание:
|
|
Таблица состояний счётчика.
| Входной импульс |
| 
| 
|
| 0 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 |
| 2 | 1 | 0 | 1 |
| 3 | 0 | 0 | 1 |
| 4 | 1 | 1 | 0 |
| 5 | 0 | 1 | 0 |
| 6 | 1 | 0 | 0 |
| 7 | 0 | 0 | 0 |
| 8 | 1 | 1 | 1 |
Условное обозначение реверсивного счётчика:
|
|
При подаче импульса на вход Т+ к ранее записанному коду прибавляется 1. При подаче импульса на вход Т- из ранее записанного кода вычитается 1.
2.4.3. Десятичные счётчики. Относятся к счётчикам с модулем счёта 
. Различают счётчики с естественным ходом счёта и с принудительным насчётом.
Десятичный счётчик с принудительным насчётом:
За счёт обратной связи единица с триггера Т4 записывается в триггеры Т2 и Т3.
Таблица состояний счётчика.
| Входной импульс | Т1 | Т2 | Т3 | Т4 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 3 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 4 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 5 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 6 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 7 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 8 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 8* | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 9 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 10 | 0 | 0 | 0 | 0 |
При подаче восьмого импульса триггер Т4 устанавливается в “1”. Через обратные связи он устанавливает в “1” также триггеры Т2 и Т3. Таким образом, после восьмого импульса записывается код 1110. Девятый импульс запишет код 1111. Десятый импульс сбросит счётчик в нулевое состояние. Таким образом счётчик считает до десяти.
Комбинационные устройства
Комбинационным называется устройство, выходная функция которого однозначно определяется сочетанием входных сигналов в данный момент времени.
Рассмотрим некоторые комбинационные устройства (дешифратор, мультиплексор, сумматор и цифровой компаратор (схема сравнения)).
Дешифратор
Дешифратором называется устройство, у которого каждой комбинации сигналов на входе соответствует сигнал на одном выходе или нескольких выходах. Рассмотрим дешифратор, преобразующий двоичный код в десятичный: 
- входы; 
- выходы.
|
|
Каждой комбинации входных сигналов в диапазоне 
соответствует сигнал на одном из выходов.
Логическая функция
Таблица истинности
| Входы | Выходы | ||||||||||||
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Мультиплексор
Мультиплексор — это устройство, у которого выход соединяется с одним из входов в соответствии с кодом адреса.
Логическая функция мультиплексора:
.
Сумматор
Сумматор — это устройство, предназначенное для суммирования двух чисел в двоичном коде. Пусть есть два четырёхразрядных кода: 
. При сложении двух разрядов 
и 
получается сумма 
и возможно появление единицы переноса в следующий разряд 
. При этом, если 
, то необходимо учитывать возможность появления единицы переноса из предыдущего 
разряда 
.
|
|
Таблица истинности одноразрядного сумматора
|
|
Из одноразрядных сумматоров можно построить многорядный.
Ниже приводится условное обозначение и блок-схема трехразрядного сумматора.
|
|
Условное обозначение:
Микропроцессор
Предназначен для проведения математических и логических операций над операндами в соответствии с заданной программой. Блок-схема микропроцессора (рис.2.14) включает:
РОН — регистры общего назначения (сверхоперативная память);
УУ — устройство управления для выдачи сигналов управления по заданной программе;
БРА, БРВ — буферные регистры для кратковременного хранения операндов.
Один из регистров РОНа — аккумулятор. Предназначен для кратковременного хранения результатов операций.
|
|
Рис.2.14.
Рассмотрим работу микропроцессора при сложении трех кодов: А+В+С.
1. 
БРА. Пересылка кода А в БРА.
2. 
БРВ. Пересылка кода В в БРВ.
3. 
. Сложение кодов А и В.
4. 
аккумулятор р. Засылка суммы в аккумулятор.
5. аккумулятор р 
БРА. Пересылка содержимого аккумулятора в БРА.
6. 
БРВ. Пересылка кода С в БРВ.
7. БРА+БРВ 
. Суммирование.
8. Записать в аккумулятор. Результат пересылается в аккумулятор.
Микроэвм
МикроЭВМ, кроме микропроцессора, содержит память и устройства ввода-вывода. Если с помощью микроЭВМ необходимо управлять технологическим процессом, то система должна комплектоваться датчиками, АЦП, ЦАП и исполнительными механизмами. Такая система называется микропроцессорной системой.
Упрощенная блок-схема микроЭВМ представлена на рис.2.15, где
УВвод — устройство ввода, для ввода информации в ЭВМ: клавиатура, дискета, сканер, стример, CD-ROM и т. п.;
Порт ввода — для подключения устройства ввода и кратковременного хранения информации;
ГТИ — генератор тактовых импульсов. Вырабатывает систему синхронизирующих сигналов;
МП — микропроцессор;
Память — запоминающее устройство, предназначено для хранения информации;
ОЗУ — оперативное запоминающее устройство (информация может обновляться);
ПЗУ — постоянное запоминающее устройство (записывается один раз);
|
Рис.2.15.
|
Порт вывода — предназначен для подключения устройства вывода и кратковременного хранения информации;
Увыв. — устройство вывода: монитор, принтер, дискета, плоттер, и т. д.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 3
1.ОСНОВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 3
1.1 Полупроводниковые приборы 3
1.1.1Физические основы полупроводников 3
1.1.2 Диоды. 8
1.1.3 Транзисторы 10
1.1.4 Тиристоры 16
1.1.5 Оптрон 19
1.1.6 Интегральные микросхемы (ИМС) 19
1.2 Устройства промышленной электроники 20
1.2.1 Усилители 20
1.2.2 Генератор прямоугольных колебаний (мультивибратор) 34
2.ОСНОВЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ 37
2.1. Логические функции и логические схемы 37
2.2. Триггеры 38
2.2.1. Триггер r-s-типа 38
2.2.2. D-триггер запоминает ту информацию, которая есть на входе D в момент подачи синхронизирующего импульса. 38
2.2.3. Т-триггер. При подаче единицы на вход Т-триггер переходит в противоположное предыдущему состояние. Т-триггер делит количество импульсов пополам. 38
2.2.4. J-k триггер. Таблица истинности J-K-триггера отличается от таблицы истинности R-S триггера одной нижней строчкой. 38
2.3. Регистры 38
2.4. Счётчики 38
2.4.1. Трёхразрядный двоичный счётчик на сложение: 38
2.4.2. Трёхразрядный двоичный счётчик на вычитание: 38
2.4.3. Десятичные счётчики. Относятся к счётчикам с модулем счёта 
. Различают счётчики с естественным ходом счёта и с принудительным насчётом. 38
2.5. Цифро - аналоговый преобразователь (цап) 38
2.6. Аналого-цифровой преобразователь (ацп) 38
2.7. Комбинационные устройства 38
2.7.1. Дешифратор 38
2.7.2. Мультиплексор 38
2.7.3.Сумматор 38
2.7.4. Цифровая схема сравнения (компаратор) 38
2.8. Арифметико-логическое устройство (алу) 38
2.9. Микропроцессор 38
2.10. Микроэвм 38
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника . М.: Энергоатомиздат,1988.320с.
2. Основы промышленной электроники / Под ред. проф. В.Г. Герасимова. М.: Высш. шк.,1986,335с.
3. Забродин Ю.С. Промышленная электроника . М.: Высш. шк., 1982, 496с.
ОСНОВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Современные сложные электронные устройства содержат до109 элементов, что обусловливает необходимость решения проблем надежности, миниатюризации, автоматизации проектирования и изготовления.
1.Надёжность оценивают по времени безотказной работы Т ,
,
где ti - время безотказной работы одного элемента;
n - количество элементов;
Пути увеличения надёжности:
-увеличение ti (улучшение технологии и контроля, новое обрабатывающее оборудование) ;
-уменьшение n («упаковка» в интегральные микросхемы - ИМС);
-применении интегральных микросхем (сегодня в одной ИМС до 106 элементов. надёжность ИМС надёжности одного транзистора).
2. Миниатюризация. Микросхема, содержащая 106 элементов, занимает объём 1см3.
3. Автоматизация проектирования и изготовления. Ориентация на использование ИМС обусловливает применение ЭВМ как для их проектирования, так и для изготовления.
Полупроводниковые приборы
Дата: 2019-07-24, просмотров: 304.
