Радиофизика и электроника Ч 2 Электроника Введение Электроника

Радиофизика и электроника Ч. 2 Электроника Введение Электроника – область науки, охватывающая исследование, разработку и применение различных электронных приборов и устройств. Электронику принято разделять в соответствии с физическими основами работы электронных приборов на вакуумную, твердотельную и квантовую.

1. Физические основы полупроводниковых устройств 1. 1 Классификация материалов по свойствам электропроводности Закон Ома I R A Сопротивление Проводимость U Удельная проводимость З-н Ома в дифф. форме Материал Диэлектрики Полупроводники Металлы Проводимость, γ 1/[Ом*м] [1/(Ом*м)] Влияние температуры Т на проводимость (T растет) <10 -8 Постоянная 10 -8 ÷ 105 >105 Растет Уменьшается

1. 2 Электронная теория проводимости Друде-Лоренца Модель твердого тела. Атомы решетки и носители заряда. Атомы + + Заряды - + V + - + + + T≠ 0 Условия для существования тока носителей - + + - Идеальный газ электронов Движение=Хаотическое(тепловое)+ Направленное( эл. поле) + E 1. Наличие носителей заряда 2. Свободное движение Когда эти условия выполняются?

Модель атома Резерфорда Потенциальная яма 0 + - En - E 1 E 0 Свойства уровней энергии 1. Уровни энергии дискретны 2. Число уровней бесконечно 3. На каждом уровне не более 2 электронов 2 r 2 r Атом электрически нейтрален Твердое тело. Образование связей и перекрытие электронных оболочек - + - - + Кристаллическая решетка из N атомов (N порядка числа Авогадро ≈1023) Возникновение связей между атомами - Запрещенные зоны 1. Расщепление отдельных уровней на N подуровней 2. Образование запрещенных энергетических зон

1. 3 Энергетические диаграммы Диэлектрики Полупроводники Металлы Сильная связь -валентная зона -зона проводимости -запрещенная зона Средняя связь Слабая связь >3 э. В (диэлектрики) 0. 6 -3 э. В (полупроводники) <0. 6 э. В (металлы) П/П Δε, э. В Ge (IV группа) 0. 65 Si (IV группа) 1. 1 Ga. As (Ga-III гр. , As-V гр. ) 1. 42

1. 4 Полупроводники с собственным типом проводимости (химически чистые п/п, i-тип проводимости) Si, Ge T=0 T>0 + + + + 2 + + 1 + Электрон (-) + Дырка (+) + 1 -генерация электр. - дырочной пары 2 -рекомбинация электр. - дырочной пары 1 2 Все свободны заняты Диэлектрик Частично заняты Частично свободны Проводник i-типа

Выводы 1. При T=0 п/п является диэлектриком 2. При T>0 п/п является проводником 3. Разрыв связи между атомами можно трактовать как рождение квазичастицы - «дырки» , обладающей массой и положительным зарядом (+e). Дырки могут «свободно» двигаться в валентной зоне. 4. При T>0 непрерывно происходит генерация и рекомбинация эл. -дыр. пар 5. Генерация и рекомбинация – вероятностные процессы 6. Скорости генерации и рекомбинации одинаковы в равновесном термодинамическом состоянии п/п. 7. В любой момент времени число электронов в зоне проводимости равно числу дырок в валентной зоне.

1 Направление возрастания энергии для электронов 1. 5 Концентрация носителей заряда Какова вероятность занятия электроном конкретного уровня с энергией ε при 2 данной температуре T? Направление возрастания энергии для дырок При условии Статистика Ферми-Дирака k=1. 38*10 -23 Дж/град – постоянная Больцмана k. T=0. 025 э. В Концентрация носителей в единице объема п/п Распределение Максвелла. Больцмана по энергиям электроны дырки Зависит только от температуры и ширины запрещенной зоны

Выводы 1. По определению-уровень Ферми это уровень энергии который может занять электрон с вероятностью 50% при любой температуре T 2. В химически чистых п/п уровень Ферми находится посередине запрещенной зоны. 3. Уровень Ферми в различных частях неоднородного п/п в равновесном состоянии одинаков. 4. Концентрация электронов и дырок в п/п с i-типом проводимости зависит только от ширины запрещенной зоны и температуры. При фиксированной ширине запрещенной зоны увеличение температуры приводит к увеличению концентрации носителей заряда ( аналогично при фиксированной Т и уменьшении ширины запрещенной зоны).

Примесные полупроводники Si, Ge (IV-группа), п/п n-типа концентрация атомов п/п N≈5*1022 см-3 Концентрация атомов Доноры п/п доноров и акцепторов P, Sb, As (V-группа) Nd, Na≈1018 ÷ 1020 см-3 + + п/п p-типа Акцепторы B, Ga, In (III-группа) Si Si P Si Si B Si Si Основные носители заряда- электроны При T≈200 -400 K n≈Nd>>p Основные носители заряда- дырки При T≈200 -400 K p≈Na>>n

Выводы 1. Добавление атомов примесей к химически чистому п/п меняет тип проводимости (тип основных носителей заряда). Донорные примеси обеспечивают проводимость n-типа (основные носители электроны), акцепторные проводимость p-типа (основные носители дырки). 2. В рабочей области температур ( 200 -400 К) концентрация носителей заряда в примесных п/п определяется концентрацией атомов примесей. 3. Для п/п с n-типом проводимости уровень Ферми смещается к зоне проводимости, для п/п с p-типом проводимости уровень Ферми смещается к валентной зоне

2. Электрические токи в полупроводниках 2. 1 Дрейфовый ток Ток зарядов под действием приложенного электрического поля + + - + + V + + + - + + Второй з-н Ньютона q=+e, -e (для дырок и электронов) Средняя скорость + Подвижность носителей зарядов (электронов или дырок). [м 2/(В*с)] E μ, [м 2/(В*с)] Ge Si Ga. As μn 0. 39 0. 13 1 μp 0. 19 0. 05 0. 04 Малые поля E μ=const Большие поля E μ=1/E

Плотность дрейфового тока (по определению) З-н Ома в дифф. форме Плотность полного (электронного и дырочного) дрейфового ток в п/п Плотность дрейфового тока в п/п i-типа Плотность дрейфового тока в п/п n-типа Плотность дрейфового тока в п/п p-типа

Энергетическая диаграмма L катод + p ВАХ п/п i-типа I анод - n U E - U + электроны q. U дырки L Куда исчезают дырки? x

Выводы 1. Дрейфовый ток-ток носителей зарядов в п/п под действием приложенного электрического поля. 2. В п/п с собственным типом проводимости ( i-типа) полный дрейфовый ток включает в себя электронную и дырочную компоненты. Концентрация носителей зарядов (и , следовательно, ток) экспоненциально зависят от температуры. 3. Важной характеристикой п/п является подвижность зарядов определяющая, в частности , быстродействие п/п устройств. 4. В примесных п/п дрейфовый ток содержит только одну компоненту (электронную ( n-тип) или дырочную (p-тип)). Концентрация носителей определяется концентрацией атомов примесей.

Равновесное состояние носителей 2. 2 Диффузионный ток в п/п n, p Неравновесное состояние j. D T нагрев п/п n, p=const X Коэффициент диффузии (ф-ла Эйнштейна) Какое расстояние пройдет частица за время t в результате диффузии? [D]=m 2/c За время жизни τ? Диффузионная длина Полный диффузионный ток

2. 3 Генерация и рекомбинация носителей заряда. Время жизни носителей. Дырки S An- сечение захвата электрона дыркой An Вероятность захвата при прохождении слоя толщиной dx dx Электрон Vn Вероятность захвата за ед. времени Среднее время жизни электрона Среднее время жизни дырки

Область объемных зарядов шириной L n 3. Полупроводниковый диод. p-n переход L + + - p Eсоб Nd U Уровень Ферми одинаков во всех частях системы !! Ширина перехода L Na Внутреннее электрическое поле U=0 E =Eсоб Энергетическая диаграмма для U=0 j. En Ψ= j. Dn qψqψ j. Ep j. Dp 0. 35 В (Ge) Контактная разность потенциалов 0. 7 В (Si) Высота потенциального барьера j. Dn+j. En =0 j. Dp+j. Ep =0 Полный ток равен нулю

Выводы 1. При соединении двух п/п c разным типом проводимости ( p- и nтипов) уровень Ферми одинаковый во всех частях структуры 2. Между энергетическими уровнями носителей зарядов в n- и pполупроводниках возникает потенциальный барьер. 3. Вблизи перехода образуются области объемных зарядов и, следовательно, возникает внутреннее электрическое поле. 4. В отсутствии внешнего источника напряжения полный ток (сумма дрейфового и диффузного тока дырок и электронов) равен нулю.

3. 1 Обратно-смещенный pn- переход Область объемных зарядов шириной Lобр n p Eобр + + Eсоб Nd Ширина перехода увеличивается Lобр>L Na Iобр≠ 0 + U - E =Eсоб +Eобр Uобр Экстракция Внутреннее электрическое поле возрастает Энергетическая диаграмма при Uобр j. En q(ψ+Uобр) j. Dn j. En >>j. Dn j. Dp j. Ep q(ψ+Uобр) Высота потенциального барьера увеличилась j. Ep >>j. Dp Iобр=IEn+IEp Дрейфовый ток неосновных носителей (ток насыщения) Зависит от T , концентрации Nd и Na, ширины Δε Не зависит от U Имеет малую величину.

Выводы 1. Обратное смещение от источника напряжения увеличивает высоту потенциального барьера , увеличивает ширину области объемных зарядов, внутреннее электрическое поле в области перехода увеличивается. 2. При обратном смещении происходит экстракция носителей зарядов (из области p – экстракцияэлектронов, из области n- экстракциядырок) 3. Ток обратно-смещенного перехода в основном определяется величинами дрейфовых токов электронов и дырок. Величина тока практически не зависит от величины приложенного напряжения. Процесс удаления носителей заряда из область полупроводника, для которой они являются неосновными, называется экстракцией.

3. 2 Прямо-смещенный pn -переход Область объемных зарядов шириной Lпр n + + Eсоб Nd Ширина перехода уменьшается p Eпр Lпр>j. En q(ψ-Uпр) j. Dp j. Ep Высота потенциального барьера уменьшилась j. Dp >>j. Ep Iпр= IDn+IDp –(IEn+IEp) Полный ток носителей (ток прямо-смещенного pn- перехода) Экспоненциально зависит от Uпр и T

Выводы 1. Прямое смещение от источника напряжения уменьшает высоту потенциального барьера , уменьшает ширину области объемных зарядов, внутреннее электрическое поле в области перехода уменьшается. 2. При прямом смещении происходит инжекция носителей зарядов (в область p – инжекция электронов, в область nинжекция дырок) 3. Ток прямо-смещенного перехода в основном определяется величинами диффузионных токов электронов и дырок. Величина тока экспоненциально зависит от величины приложенного напряжения. Процесс внедрения носителей заряда в какую-либо область полупроводника, для которой они являются неосновными, называется инжекцией. Коэффициент инжекции: где Ip и In – токи инжекции дырок и электронов соответственно. В большинстве случаев Ip >> In и γ = 1.

3. 3 Формула Шокли для тока через идеальный pn-переход. Зависимость тока через pn-переход от приложенного к нему напряжения U - тепловой потенциал. k – постоянная Больцмана, q – заряд электрона, T – температура, I 0=Iобр – обратный ток. Прямое включение и Uпр > 0, 1 B Обратное включение и Uобр > (0, 1 -0, 2)B При T = 293ºК = 20ºС

Вольт-амперная характеристика pn-перехода (ВАХ) I пр 2 U* - режим Ge 1 отпирания pn-перехода Si о 20 C Кусочно-линейная аппроксимация ВАХ U* Uпр Uобр B I 0 Iобр 0, 2 0, 4 ψ B 0, 6 ψ 1 Область (прямое смещение), где сопротивление перехода мало Rpn – единицы Ом 2 Область (обратное смещение), где сопротивление перехода велико Rpn – десятки к. Ом и более Возможно ли достигнуть контактную разность потенциалов ψ? (т. е. Uпр=ψ) Нет Ответ:

Выводы 1. Идеализированный pn-переход обладает свойством изменять сопротивление при подключении внешнего напряжения разной полярности. 2. При U>0 переход включен в прямом направлении и ток возрастает. Прямое падение напряжения составляет доли вольта, (для Si ≈0. 64 -0. 69 В), прямой ток – десятки-сотни миллиампер. 3. При U<0 переход включен в обратном направлении и течёт незначительный ток, слабо зависящий от U, но сильно зависящий от температуры. Обратное напряжение – сотни вольт, обратный ток – единицы-десятки микроампер.

3. 4 Объемный заряд, барьерная емкость и ширина области объемного заряда Область объемных зарядов шириной L + L n + + E Nd Симметричный pn-переход Nd=Na Зависимость объемной плотности зарядов ρ от x ρ L=Ln+Lp n p +e. Nd Ln p Na Ln=Lp x Несимметричный pn-переход Nd>>Na ρ n Lp -e. Na - L=Ln+Lp +e. Nd Ln x Lp -e. Na Ln<

Электрическое поле в несимметричном pn-переходе Nd>>Na E n Ширина области pn-перехода L –функция приложенного напряжения p L≈Lp 0 + - обратное смещение, увеличение L - - прямое смещение, уменьшение L x Барьерная емкость pn- перехода Cb + + L Cb Рабочая область + обратное смещение, уменьшение Cb - прямое смещение, увеличение Сb Емкость перехода зависит от приложенного напряжения 0 U

3. 5 Явление пробоя pn-перехода Пробой p-n-перехода – это явление резкого увеличения обратного тока Iобр при увеличении обратного напряжения Uобр Пробой Электрический Туннельный Тепловой Лавинный Электрические пробои связаны с увеличением напряжённости электрического поля в запорном слое, а тепловые – с увеличением рассеиваемой мощности и соответственно температуры.

В узких p-n-переходах при относительно небольших обратных напряжениях обычно возникает полевой пробой на основе туннельного эффекта. ВАХ Uобр Iпр Uпр Электрический Тепловой В относительно широких pn-переходах при Uобр более 15 В возникает лавинный пробой. Механизм лавинного пробоя заключается в лавинном размножении носителей заряда в сильном электрическом поле под действием ударной ионизации. n-область p-n p-область Энергия электрона Iобр E εэ>Δε При лавинном пробое сопротивление R pnперехода уменьшается, а ток резко возрастает.

4. Классификация и применение полупроводниковых диодов Класс диодов Назначение Выпрямительные Преобразование переменного напряжения в постоянное Детектирующие Детектирование сигналов Стабилитроны Стабилизация параметров эл. схем Варикапы Управляемые напряжением генераторы сигналов Генераторные Генерация сигналов в различных диапазонах радиоволн Фотодиоды/свет одиоды Регистрация/генерац ия света Обозначение Анод Катод Примечание Слабо и сильноточные Iпр Квадратичная нелинейность ВАХ

4. 1 Сопротивление перехода. Рабочий режим работы диода на постоянном токе Сопротивление на постоянном токе (статическое сопротивление) Дифференциальное сопротивление (динамическое сопротивление) Iпр I 0 Iпр Секущая ВАХ С ΔI Касательная к ВАХ I 0 Uпр U 0 ΔU Дифф. проводимость Крутизна ВАХ Uпр

D U E ВАХ диода нелинейна. Как найти ток в цепи и падение напряжения на диоде? R + 2 з-н Кирхгофа I ВАХ Iпр Из ур. (1, 2) Точка А (I=0) Точка B (U=0) U=E I=E/R Точка C (рабочая точка) определяет режим работы диода по постоянному току B E/R Io С Uo E A Uпр

D E ~ 4. 2 Однополупериодный выпрямитель Напряжение источника E(t) Rн Напряжение на Rн , Uн(t)= Rн. I(t) Среднее значение периодической функции Э. Д. С. источника переменного напряжения Среднее значение напряжения на нагрузке Коэффициент пульсации Слишком большой коэфф. kп для практического применения! Амплитуда 1 гармоники напряжения, т. е на частоте ω

Однополупериодный выпрямитель с сглаживающим фильтром Выпрямитель + ФНЧ Задача ФНЧ- сгладить пульсации, удалив гармоники тока с частотами и выделить постоянную составляющую тока. Условие для эффективного сглаживания Коэфф. пульсации ФНЧ D E ~ C E I Uc Rн Область применения: устройства с малыми токами и высокими напряжениями Недостатки: низкий к. п. д. и высокий уровень пульсаций

+ E 4. 3 Двухполупериодный выпрямитель I 2 I 1 ~ I 1 I 2 - + I 1 Rн + I 2 I 1 I 2

4. 4 Стабилитроны Стабилитрон предназначен для уменьшения изменения напряжения на нагрузке, вызванные изменениями напряжения сети и изменениями тока, потребляемого нагрузкой. Стабилитроны используются также в качестве фиксаторов и ограничителей напряжения. В стабилитроне используются свойства электрического пробоя pn-перехода. В режиме электрического пробоя обратная ветвь ВАХ практически параллельна оси тока. При достижении на стабилитроне напряжения, называемого напряжением стабилизации UCT, ток, проходящий через стабилитрон, резко возрастает и изменяется в широких пределах, а напряжение на стабилитроне остается почти постоянным. Эта особенность полупроводниковых стабилитронов широко используется для стабилизации напряжения.

Схема включения стабилитрона Источник напряжения Напряжение на нагрузке E Основные параметры стабилитрона Напряжение стабилизации (3 -180 В) Минимальные и максимальные токи стабилизации Номинальный ток стабилизации Динамическое сопротивление (5 m. A-5 A)

4. 5 Варикапы Барьерная емкость pn- перехода зависит от приложенного напряжения Cb + обратное смещение, уменьшение Cb - прямое смещение, увеличение Сb - + + - Эквивалентная схема варикапа L Вольт-фарадная характеристика Cb Рабочая область 0 Пример управляемого фильтра R С ~ U Для эффективного управления необходимо условие: R + L Сb Rобр Сb Uупр - С >> Cb Резонансная частота

Фотодиоды 4. 6 Фото -и светодиоды Фототок в зависимости от энергии фотонов Свет с энергией фотонов p n Область генерации носителей заряда + Обратно смещенный переход Оптроны Светодиоды Свет с энергией фотонов А Фотодиод + Цепи А и Б гальванически развязаны p Область n рекомбинации носителей заряда - Прямо смещенный переход Ga. As Rн E Светодиод Б Rн

5. Транзисторы Транзистор - трех электродный полупроводниковый прибор, позволяющий усиливать мощность электрических сигналов. Классификация Транзисторы Биполярные n-p-n Полевые p-n-p Биполярные транзисторы были разработаны в 1947 г. (Д. Бардин, У. Браттейн). Полевые разработаны – в 1952 г. (У. Шокли и др. ). Основными материалами для изготовления транзисторов служат Si, Ge и Ga. As. По технологии изготовления они делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. По области применения делятся на низкочастотные (до 3 МГц), среднечастотные (3– 30 МГц), высокочастотные (30– 300 МГц), сверхвысокочастотные (более 300 МГц). По мощности делятся на маломощные (не более 0, 3 Вт), средней мощности (0, 3– 1, 5 Вт) и большой мощности (более 1, 5 Вт).

5. 1 Биполярные транзисторы В биполярном транзисторе используются носители заряда двух видов: электроны и дырки. Устройство Обозначения на схемах n-p-n транзистор Эмиттер База n p Uэб Коллектор n n-p-n э к б Uкб p-n-p транзистор Эмиттер База p n Коллектор p p-n-p э к б Uэб Uкб Ширина базы << Диффузионной длины носителей зарядов Транзистор содержит два pn-перехода. Смещение переходов (прямое или обратное) задается источниками Uэб и Uкб. Физические процессы в транзисторах различных типов одинаковы, различаются по преобладающим компонентам (электронная или дырочная) в протекающих токах.

Режимы работы Определяются полярностью подключенных источников Uэб и Uкб, т. е. смещением pnпереходов Режим Uэб , смещение Uкб, смещение Нормальный Прямое линейный (активный) Обратное Инверсный линейный (активный) Обратное Прямое Насыщения Прямое Отсечки Обратное Активные режимы – режимы усиления транзистора Схемы включения Определяются общим электродом транзистора для входных и выходных сигналов n-p-n Uвх Общая база (ОБ) э к Uвых б Общий коллектор (ОК) э б Uвых Uвх к Общий эмиттер (ОЭ) к б Uвых Uвх э

Эмиттер База n, Nd p, Na Коллектор n, Nd n-p-n транзистор. Активный режим Uэб Uкб Энергетическая диаграмма без смещений э б к Eэк э Iэ б + + - Uэб к -+ -+ Iк Eсоб Iб Eсоб - Eбк - + Uэб≠ 0 + Uкб≠ 0 qψ Полный ток в цепи равен 0 α-коэфф. передачи эмиттерного тока α=0. 95÷ 0. 99 Iэ э q. Uэб β-коэфф. передачи базового тока Iб б Iк к q. Uкб Iэ=Iб+Iк

5. 2 Вольт-амперные характеристики транзистора (ВАХ) Свойства транзистора описывают с помощью входных и выходных характеристик. Используется модель транзистора на постоянном токе - модель Эберса-Молла. pn- переходы представляются в виде двух диодов, подключенных к источникам напряжения. Транзистор можно представить в виде 4 -х полюсника, имеющего входные и выходные контакты. В соответствии с этим рассматривают входные и выходные ВАХ транзистора. В этом случае можно говорить о входном управляющем и о выходном управляемом токах. Модель Эберса-Молла Uвх Общая база (ОБ) э к Uвых б Uэб -прямое Uбк -обратное Iэ = Iк + Iб Iк = α·Iэ+Iкбо α<1 э Uэб Iэ Iк ─ + Iб б к + Uбк ─ Модель позволяет получить ВАХ: - входную Iэ = ƒ(Uэб, Uбк), - выходную (коллекторную) Iк = ƒ(Uбк, Iэ), ƒ – некоторая функция.

Схема включения с общей базой Входная (эмиттерная) характеристика Iэ = ƒ(Uэб, Uбк), (Uбк- задаваемый параметр) Переход ЭБ включен в прямом направлении (прямая ветвьpn-перехода). Uбк- определяет семейство характеристик Iэ = ƒ(Uэб) при Uбк=const. Общая база (ОБ) Iэ Uэб Iэ Iк э Iб к б Uбк > 0 Uбк = 0 Uбк 0 Iкбо Uэб

Выходная (коллекторная) характеристика Iк = ƒ(Uбк, Iэ), (Iэ- задаваемый параметр) Переход БК включен в обратном направлении (обратная ветвь pn-перехода). Iэ- определяет семейство характеристик Iк = ƒ(Uбк) при Iэ=const. Наряду с этим α < 1 Iк = α·Iэ, Нормальный активный режим Iк Iэ3>Iэ2>Iэ1 Iэ2 Iэ1 Пробой Iэ = 0 0 Iкбо Uбк

Iк к Iб + Uбэ Схема включения с общим эмиттером Входная характеристика + Iб = ƒ(Uбэ, Uкэ) , Uкэ -параметр Uкэ б э ─ Переход БЭ включен в прямом направлении (прямая ветвь pn-перехода) Iэ ─ Uкэ = 0 Iб Iэ = Iк + Iб Uкэ > 0 При Uкэ > 0 ВАХ сдвигается вправо на величину так называемого порогового напряжения Uбэ. пор, различающегося у германиевых и кремниевых транзисторов. Iкбо 0 Uбэ

Коллекторная характеристика Iк = ƒ(Uкэ, Iб), (Iб- параметр) Iк Iб 3>Iб 2>Iб 1 Iб 2 Iб 1 Iкэо Iб = 0 Рк. доп Uкэ Мощность рассеяния Рк =Uк. Iк < Рк. доп – допустимая мощность рассеяния коллекторной цепи. Эта мощность выделяется в виде тепла. Iкэо - сквозной ток транзистора в схеме ОЭ

5. 3 Эквивалентные схемы замещения транзисторов Различают: 1. Физическую Т-образную эквивалентную схему, 2. формальные модели в h-параметрах, Y-параметрах, Z-параметрах. Эквивалентные схемы необходимы для проведения анализа и синтеза электро- и радиотехнических схем Рассматриваемые далее эквивалентные схемы можно использовать при условии, что: • транзистор работает в линейном режиме, • изменения токов и напряжений малы по амплитуде, • нелинейные ВАХ можно заменить линейными, • параметры транзистора в общем случае являются дифференциальными.

Физическая Т-образная эквивалентная схема с ОБ Опорная точка Б Э Ток эмиттера является управляющим, ток коллектора – управляемым. К Iэ = Iк + Iб Uэб - Э Uкб Ск rэ Iэ Uэб + α·Iэ rб Iб Iкбo Б rк + К rб- объемное Iк Uкб rк –дифф. сопротивление - rэ –дифф. сопротивление базы перехода КБ (обр. вкл) перехода ЭБ (прямое вкл. ) Для эквивалентной схемы по постоянному току необходимо в исходной схеме заменить дифференциальные сопротивления на соответствующие статические и удалить конденсатор.

Физическая Т-образная эквивалентная схема с ОЭ Ток базы является управляющим, ток коллектора – управляемым. +Б Ск rб Iб - β·Iб r. Э Uбэ Iэ rб- объемное сопротивление базы rк Iкэo + К Iэ = Iк + Iб Iк Uкэ - Э rк –дифф. сопротивление перехода КБ (обр. вкл) rэ –дифф. сопротивление перехода ЭБ (прямое вкл. ) Для эквивалентной схемы по постоянному току необходимо в исходной схеме заменить дифференциальные сопротивления на соответствующие статические и удалить конденсатор.

Выводы 1. Физические Т-образные эквивалентные схемы транзистора представляют собой электротехнические цепи, состоящие из пассивных элементов и источников тока. К ней применимы все законы электротехники для анализа и синтеза цепей. 2. Наличие в эквивалентных схемах конденсаторов указывает на то, что характеристики транзистора являются частотно-зависимыми. 3. Во многих случаях сквозными токами коллектор-база и коллектора эмиттер можно пренебречь. 4. Недостаток эквивалентных схем заключается в том, что сопротивления (r -параметры) можно получить только теоретическим путем.

5. 4 Транзистор как линейный четырехполюсник. Формальная модель Модель применима при условии - транзистор работает в линейном режиме, - изменения токов и напряжений малы по амплитуде, - нелинейные ВАХ можно заменить линейными. I 1 э U 1 f- линейная функция 2 -х перем. I 2 к U 2 б Замена h-параметры транзистора

Смысл и значения h-параметров зависит от конкретной схемы включения транзистора (ОБ, ОЭ, ОК) Входное сопротивление [Ом]. Коэффициент внутренней обратной связи по напряжению, безразмерный. Коэффициент передачи по току, безразмерный Выходная проводимость[Сименс], 1/h 22 –Выходное сопротивление [Ом]

Эквивалентная электрическая схема транзистора для h-параметров Замена Iвх Uвх h 11 h 12·Uвых Iвых ~ h 21·Iвх h 12·Uвых << Uвх. Можно удалить источник напряжения h 22 Uвых

Связь h-параметров с параметрами T-схемы на примере включения с ОЭ Iк к Iб + Uкэ б Uбэ + э ─ Iэ ─ T-схема Iб r Iэ э Входные токи и напряжения Выходные токи и напряжения Iб Uбэ Iк Uкэ

Способы получения h- параметров Основное достоинство h-параметров состоит в том, что их можно получить экспериментально: прямым измерением на основе вольт-амперных характеристик. Входные характеристики ОЭ • Выходные характеристики ОЭ

Выводы 1. ВАХ транзистора существенно нелинейны. Значение h-параметров зависит от точки ВАХ, в которой они определяются. 2. Значения h-параметров зависят от температуры и приводятся в справочной литературе. 3. Значение h-параметров зависит от схемы включения транзистора. В справочной литературе приводятся таблицы переводов из одной системы параметров h- в другие системы (Z-, Y-) и для схем включения транзистора ОБ и ОЭ. Сводные значения h-параметров для различных схем включения Параметр ОБ ОЭ ОК h 11 1 -10 Ом 100 -1000 Ом 10 к. Ом-100 к. Ом h 12 10 -3 -10 -4 h 21 0. 95 -0. 98 10 -500 10 -100 1/h 22 100 к. Ом-1 м. Ом 1 к. Ом-10 к. Ом 100 -1000 Ом

6. Транзисторный усилитель Общая структурная схема с усилителем Помехи Источник сигнала Усилитель Источник питания • • Источник сигнала – например, микрофон, Нагрузка усилителя – например, динамики Источник питания – батарея, аккумулятор Помехи – воздействие температуры, ЭМ-наводки Нагрузка усилителя

Общая структурная схема с усилителем o o Усилитель Требования к усилителю: процесс усиления должен быть непрерывным, линейным, однозначным. Параметры усилителя Коэффициенты усиления: - по напряжению - по току - по мощности Частотный коэфф. усиления

Частотный коэффициент усиления Амплитудная характеристика 1 Рабочий диапазон частот Линейная (рабочая) область усилителя Характерные параметры усилителей Максимальные частоты до 100 ГГц Выходная мощность до 100 Вт К. п. д. 80 -95%

Принципиальная схема усилителя с ОЭ ~ Расчет усилителя производится в 2 этапа 1. Расчет по постоянному току (напряжениям)- статический режим. 2. Расчет по переменным токам и напряжениям- динамический режим.

1. Расчет по постоянному току (напряжениям)- статический режим. Цель- определить рабочую точку для постоянных токов и напряжений. В схеме усилителя все конденсаторы заменяются на разрыв цепи. Для цепи постоянного тока рабочая точка находится из входных и выходных характеристики транзистора (эмиттерная и коллекторная ВАХ). Коллекторная характеристика Iк = ƒ(Uкэ, Iб), (Iб- параметр) А) Iк Iб 3>Iб 2>Iб 1 Iб 2 РТ Iб 1 Iб = 0 Uкэ Определили РТ для выходной характеристики, переход к определению РТ для входных характеристик

Б) Входная (эмиттерная) характеристика Iб = ƒ(Uбэ, Uкэ) , Uкэ -параметр Делитель напряжения. Uкэ0 Схема с фиксированным Iб напряжением базы РТ Uбэ 0 Все рабочие точки в статическом режиме определены. Переход к определению параметров динамического режима.

2. Расчет по переменным токам и напряжениям- динамический режим. Цель- определить коэффициенты усиления (тока, напряжения, мощности) для переменных (усиливаемых) токов и напряжений. В схеме усилителя все конденсаторы заменяются на короткое замыкание участка цепи. Для цепи переменного тока характеристики усилителя находятся из h-параметров после преобразования схемы усилителя. Входная цепь транзистора Схема замещения Iвх Uвх h 11

Выходная цепь транзистора Схема замещения h 22 h 21·Iвх Iвых Uвых

Оценим значения параметров усилителя Параметры схемы: Rн = ∞ (нагрузка отключена холостой ход), Rк = 1000 Ом Параметры транзистора: h 11 = 100 Oм, h 21 =β = 100.

Методы стабилизации положения РТ транзисторных усилителей Под действием внешних и внутренних дестабилизирующих факторов положение РТ может измениться настолько, что транзистор окажется в нерабочей области. Дестабилизирующие факторы: - основное влияние – изменение температуры (разогрев транзистора) - дрейф параметров элементов схемы, - дрейф напряжения источников питания В частности, с повышением температуры транзистора его параметры изменяются таким образом, что приводят к увеличению тока коллектора и эмиттера. Для уменьшения этого влияния применяют специальные методы.

Дрейф рабочей точки на примере транзисторного усилителя включенного по схеме с ОЭ Изменение тока эмиттера IЭ 0 Uвых РТ РТ=const Изменение положения рабочей точки (РТ) Iк t Uвых РТ Iб 1 Iб = 0 Uкэ РТ≠const t

Используется несколько схем стабилизации: - эмиттерная стабилизация (обратная связь по току), - коллекторная стабилизация (обратная связь по напряжению), - термокомпенсация. Схема с эмиттерной стабилизацией + Ек Rб 1 Rк С повышением температуры T ток Iк увеличивается, увеличивается напряжение Uэ Iк Напряжение остается Uб неизменным. Uбэ Uб Rб 2 Iк ≈Iэ Uэ = Rэ·Iк Uбэ = Uб - Uэ Iэ Uэ В результате напряжение Uбэ = Uб - Uэ уменьшается, что приводит к закрыванию транзистора и уменьшению тока коллектора Iк. Отрицательная обратная связь по току

Дифференциальный усилитель (ДУ) Мостовая схема включения В основе ДУ лежит идеальная симметрия обоих транзисторов с ОЭ. плеч моста, т. е. идентичность параметров Симметричные плечи транзисторов T 1, Т 2 и равенство Uп сопротивлений Rк 1, Rк 2. 1. Uвх1=Uвх2=0 Uвых=0 при одновременном и одинаковом изменении токов в обоих плечах. В идеальном ДУ дрейф выходного напряжения отсутствует, однако возможен дрейф РТ в каждом Т 1, Т 2. Rк 0 Rк 2 Rк 1 Rн Uк 2 Uк 1 Uвых Uвх2 T 2 Uвх1 T 1 Rэ Uвх1 Uвх2 ΔU Uдиф ΔU Ucф t 2. Uвх1=Uвх2 =Ucф– синфазные напряжения Iк 1=Iк 2, Uк 1=Uк 2, Uвых=0 3. Uвх1= - Uвх2=Uдиф – противофазные (дифференциальные) напряжения Iк 1=-Ik 2, Uк 1=-Uк 2, Uвых=Uк 1 -Uк 2 Rвх≈2 h 11 Rвых≈2(Rк 1+ Rк 2)

7. Схема включения транзистора с ОК. Эмиттерный повторитель Принципиальная схема Сф Eп Rб 1 VT С 1 Rс Ес ~ Iб С 2 Rэ Rн Iн Uвых

Параметры схемы с ОК Входное сопротивление Выходное сопротивление Усиление по току Усиление по напряжению Усиление по мощности

Характеристики ОК ОК имеет следующие особенности: • высокое входное сопротивление • малое выходное сопротивление • коэффициент усиления по напряжению равен единице. В схеме с ОК транзистор является повторителем входного напряжения по амплитуде и по фазе - Эмиттерный повторитель используется для согласования выходного сопротивления источника сигнала с нагрузкой.

8. Полевые транзисторы Идея работы полевого транзистора была высказана в 1930 г. В 1952 г. принцип работы удалось реализовать японскому ученому Есаки. Полупроводниковый прибор, способный усиливать мощность электрических сигналов. Особенность работы полевого транзисторов состоит в том, что: 1. Выходной ток управляется с помощью электрического поля 2. В процессе протекания электрического тока участвуют только основные носители заряда (униполярные транзисторы).

Основная идея ПТ Uзи=0 Uи - Eси Концентрация носителей уменьшилась Uи - +Uс - Uзи>0 Eси Eз + +Uс

Классификация ПТ в зависимости от того, как изолирован управляющий электрод от управляемого канала. В зависимости от конструктивного исполнения проводящего канала и типа носителей заряда. Классификация ПТ ПТ МДП-транзистор Транзистор с pn-переходом Встроенный канал Индуцированный канал n-канальный р-канальный n-канальный p-канальный МДП - металл, диэлектрик, полупроводник МОП - металл, окисел, полупроводник n-канальный р-канальный

8. 1 Полевой транзистор с pn-переходом n- <

Принцип работы ПТ c pn-переходом Управляющий p-n-переход включен в обратном направлении и имеет высокое сопротивление. При изменении напряжения на затворе изменяется толщина обедненного слоя, а следовательно, изменяется сечение канала, проводимость канала и ток стока. Т. е. изменением напряжения на затворе можно управлять током стока. При некотором напряжении Uзи канал полностью перекроется обедненной область pn-перехода и ток стока Ic уменьшится до нуля. Это напряжение является параметром транзистора и называется напряжением отсечки тока стока Uзи. отс. При небольших напряжениях сток-исток Uси канал ведет себя как линейное сопротивление. По мере роста напряжения обедненный слой будет расширяться, причем около стока в большей мере, чем около истока. Сечение канала будет уменьшаться и рост тока замедлится.

Вольт-амперные характеристики ПТ c pn-переходом Основными статическими характеристиками полевого транзистора являются: - выходная или стоковая Ic = ƒ(Uси, Uзи), - передаточная или стокозатворная Ic = ƒ(Uзи, Uси). Выходная ВАХ Ic = ƒ(Uси, Uзи) Ic, м. А Uзи = 0 4 Ic. нач Uзи = 0, 5 В Uзи = 1, 0 В 2 Uзи = 1, 5 В 4 8 12 16 20 Uси, В Uси. проб.

Стокозатворная характеристика Ic = ƒ(Uзи, Uси) Эта характеристика хорошо описывается выражением Дифф. параметры Крутизна, [m. A/В] Ic, м. А Uси = 10 В • 4 Ic. нач Дифф. сопротивление сток-исток , [Ом] Uси = 5 В 2 ∆Uси - 2, 0 Uси. отс ∆ Ic - 1, 0 Коэфф. усиления по напряжению Uзи, В ∆Uзи Связь параметров

Параметры транзистора можно определить экспериментально, как показано на входной ВАХ. Значение параметров зависит от точки ВАХ, в которой они определялись. Возможны три схемы включения полевого транзистора: с общим истоком, общим затвором. Наибольшее применение находит схема ОИ. В рабочем режиме в цепи затвора протекает ток обратносмещенного p-nперехода, составляющий единицы наноампер. Полевой транзистор имеет высокое входное сопротивление , что является одним из основных его достоинств.

8. 2 МДП-транзисторы В транзисторах этого типа затвор отделен от полупроводника (канала) слоем диэлектрика. Если используется двуокись кремния Si. O 2, то транзисторы обозначают аббревиатурой МОП. МДП транзисторы делятся на два типа: - со встроенным каналом (обедненного типа), - с индуцированным каналом (обогащенного типа). Канал может быть n-типа или р-типа. Особенность МДП-транзисторов– очень высокое входное сопротивление, поскольку управляющий затвор отделен от остальной структуры слоем изолятора.

МДП-транзистор со встроенным каналом Структура - Обозначение + Uси Ic - Uзи И n+ З p- С n+ С И З Металл Al n-канал Si. O 2 С канал n-типа p-тип П -подложка Транзистор может работать в двух режимах: - обеднения, - обогащения. И З p-канал

Режим обеднения. На затвор подается отрицательное напряжение по отношению к истоку. Под действием электрического поля электроны выталкиваются из подзатворной области, канал обедняется носителями и ток стока уменьшается. Режим обогащения. На затвор подается положительное напряжение по отношению к истоку. Под действием электрического поля электроны втягиваются в подзатворную область, канал обогащается носителями и ток стока увеличивается.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом Структура + Обозначение - Uси И p+ С Ic - Uзи З С И З Металл Al n-канал Si. O 2 n- p+ Индуцированный канал С И З n-тип П -подложка Транзистор может работать только в режиме обогащения. p-канал

До некоторого напряжения Uзи. пор канал отсутствует и транзистор закрыт. Режим обогащения. На затвор подается отрицательное напряжение по отношению к истоку. Под действием электрического поля электроны выталкиваются из подзатворной области, канал обогащается носителями р-типа и образуется канал, начинает протекать ток стока.

Обобщенная стокозатворная характеристика транзисторов различного типа р-канал n-канал С С С З И Ic З З И З С И С З И Uзи. пор Uзи. отс Uзи И

Флэш-память на основе МОП-транзистора Используются транзисторы с индуцированным каналом. Предназначены для создания быстродействующей программируемой запоминающей ячейки флэш-памяти. Позволяет производить электрическую запись и стирание одного бита информации. Память является энергонезависимой. Информация не стирается при отключении питания. Упрощенная структура ячейки флэш-памяти И З С Нитрид кремния Si 3 N 4 Si. O 2 n+ n+ p-типа Ga. As p П -подложка

Принцип работы При записи информации в ячейку памяти на затвор подается импульс напряжения. В результате происходит пробой тонкого слоя изоляции. Электроны получают дополнительную энергию и туннельным эффектом переходят в плавающий затвор. Затвор заряжается отрицательно. Пороговое напряжение увеличивается. При обращении к транзистору такой ячейки он будет восприниматься как выключенный (ток стока равен нулю). Это соответствует записи одного бита – единицы. При стирании информации электроны уходят с плавающего затвора (также в результате туннелирования) в область истока. Транзистор в этом случае воспринимается при считывании информации как включенный. Что соответствует записи логического нуля. Циклов записи-считывания может быть сотни тысяч. Записанное состояние ячейки может храниться десятки лет.

8. 2 Модели полевого транзистора Используются в основном две модели: - Физическая эквивалентная схема, - Схема в Y- параметрах. Наиболее универсальна физическая эквивалентная схема. Она учитывает переменную составляющую токов и напряжений. Сзс З Сзи rс С S – крутизна, rс - сопротивление участка канала от стока до средины, S·Uзи rи – сопротивление участка канала от средины до истока. Сзс, Сзи – распределенные емкости затвор-канал. rи И

8. 3 Усилитель на полевом транзисторе В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общей точкой для входного и выходного напряжений, различают три основные схемы включения ПТ: схема с общим истоком (ОИ), схема с общим стоком (ОС) и схема с общим затвором (ОЗ). Наибольшее распространение для усиления сигналов получила схема с ОИ. Схема резистивного усилителя с ОИ на основе полевого транзистора с управляющим pn-переходом и каналом n-типа. Схема содержит источник питания цепи стока Ес, источник смещения Ез 0 в цепи затвора, в которой действует также источник усиливаемого напряжения Uвх, резистор нагрузки Rс в цепи стока и резистор утечки Rз в цепи затвора.

Расчет по постоянному току (напряжениям)- статический режим. Ic, м. А Uси = 10 В РТ • 4 Ic 0 2 Ic, м. А 4 Uзи = 0 А Uзи = 0, 5 В Ic 0 РТ 2 Uзи = 1, 0 В Б - 2, 0 - 1, 0 Uзи, В 4 8 12 Uси 0 Uзи = 1, 5 В 16 20 Uси, В

8. 4 Ключевой элемент на полевом транзисторе Полевые транзисторы, имеющие индуцированный канал, находят широкое применение в качестве ключевых элементов в устройствах цифровой электронной техники. Эти транзисторы обладают четко выраженным уровнем порогового напряжения затвора Uпор. Если управляющее напряжение Uвх, подаваемое на затвор, меньше порогового, то транзистор закрыт, если больше порогового, то транзистор открыт. Управляющее напряжение Uвх = Uзи подается на затвор. Выходное Uвых = Uси снимается со стока. На схеме показан транзистор с индуцированным р-каналом.

Uвх t Uзи. пор Uвых UВ Ua -Eси Состояние А – ключ закрыт, через транзистор протекает пренебрежимо малый ток. Выходное напряжение практически равно напряжению источника питания Uвых = UА = Eси, если сопротивление нагрузки резистора Rс не очень большое. В этом режиме входное напряжение должно быть меньше порогового: |Uвх| < |Uзи. пор|. t Состояние В – ключ открыт, через транзистор протекает полный рабочий ток. В этом режиме входное напряжение должно быть больше порогового: |Uвх|>|Uзи. пор|. Выходное напряжение Uвых = Еси – Rc. Ic уменьшается. Выходное напряжение открытого ключа тем меньше (что желательно), чем выше сопротивление резистора Rс и больше ток транзистора в режиме открытого канала.

Основные достоинства ПТ • высокоомный вход, допускающий управление по напряжению. • высокое быстродействие, обусловленное отсутствием в канале неравновесных носителей заряда и малыми величинами входной и выходной емкостей (время переключения 1– 0, 4 нс); • сочетание высокого быстродействия с большими напряжениями и токами переключения (до 10 А за 15 нс); • низкое сопротивление открытого канала, обеспечивающее коммутацию сигналов в низкоомных цепях, например в коаксиальном кабеле с волновым сопротивлением 50 Ом. Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку изоляционный слой диэлектрика на затворе чрезвычайно тонкий, иногда даже относительно невысокого напряжения бывает достаточно, чтоб его разрушить. А разряды статического электричества, присутствующего практически в каждой среде, могут достигать несколько тысяч вольт.

9. Операционные усилители Операционный усилитель- устройство с большим коэффициентом усиления K 0=105 -106 в широкой полосе частот, начиная с нулевой частоты. Входное сопротивление ОУ имеет большую величину Rвх =106 -1012 Ом, выходное Rвых – десятки Ом. Приближенно ОУ можно рассматривать как источник напряжения , управляемый напряжением. Применение ОУ • усиление сигналов • математические операции над сигналами: умножение, сложение, интегрирование, дифференцирование и т. д. • сравнение сигналов (компараторы) • генерация сигналов различной формы и т. д. Инвертирующий вход Структура ОУ Uвх Дифф. усилитель Усилитель напр. . Эмитт. повтор. Обозначения +Uп - Uвх2 Uвых Uвх1 + Uвых -Uп Идеальный ОУ Инвертирующий вход K 0=∞, Rвх=∞, Rвых=0 Uвых=K 0(Uвх2 -Uвх1)

ОУ с отрицательной обратной связью Z 2 a Z 1 + Замена Идеальный ОУ Замена Учтем

9. 1 Функциональные элементы на базе ОУ Масштабный усилитель R 2 R 1 Усиление не зависит от напряжения питания и сопротивления нагрузки + Для гармонических токов и напряжений c частотой ω Интегратор R 1 С + Частотный коэфф. передачи Во временной области

Для гармонических токов и напряжений c частотой ω Дифференциатор R 2 С Частотный коэфф. передачи + Во временной области Сумматор R 1 Rос R 1 +

Компараторы Устройство сравнения величин двух сигналов для фиксации факта и момента их равенства. Однопороговый двухвходовый компаратор R 1 R 2 Uвых≈Un*sign(Uдиф) + Un -Un 0 t 1 t 2 t +Un t -Un На выходе компаратора формируется двухуровневый дискретный сигнал в зависимости от величины и знака рассогласования входных напряжений Элемент связи между аналоговыми и цифровыми устройствами

Однопороговый одновходовый компаратор R 1 + R 2 Найти Гистерезисный компаратор. Триггер Шмитта R 1 R 2 Дано + Rос Коэфф. ПОС Два устойчивых состояния на выходе Напряжения срабатывания и отпирания Положительная обратная связь (ПОС) Достоинство двухпорогового компаратора : высокая помехоустойчивость 0

Мультивибраторы Мультивибратор-генератор релаксационных колебаний на основе двухэлементного усилителя с положительной обратной связью через емкость. Классификация мультивибраторов Ждущие Автоколебательные Одно состояние устойчивого равновесия и одно неустойчивого Нет состояний устойчивого равновесия Назначение Генерация сигналов сложной формы Прямоугольных импульсов Пилообразного напряжения

Генератор прямоугольных импульсов (меандра) Триггер Шмитта + ООС R 3 ООС (ПОС) Два состояния напряжений на выходе С R 2 + R 1 ПОС Условие t Релаксационный генератор Период колебаний t 1 t 2 t 3 t

Основы цифровой электроники Элементы алгебры логики Вводится 2 понятия истина логическая 1 ложь логический 0 В цифровой электронике Все переменные и функции могут принимать в любой момент времени значение 0 и 1 (бинарная или двоичная логика) 1 -высокий уровень напряжения 0 - низкий уровень Конкретные величины уровней напряжений определяются технологиями реализаций логических элементов (биполярные транзисторы, МОП-транзисторы) Логическая функция Аргументы логической функции

Основные логические операции Обозначение Логическое сложение (дизъюнкция) + Таблица истинности x 1 x 2 y 0 0 1 1 1 0 1 ИЛИ OR Схемная реализация 1 1 Графическое обозначение Операция 1 1 I U=RI

Логическое умножение (конъюнкция) Обозначение Операция И Таблица истинности x 1 x 2 y 0 0 1 0 1 Схемная реализация I 0 1 Графическое обозначение AND 1 & U=Un-RI +Uп

Логическая инверсия Обозначение Операция НЕ Таблица истинности x y 0 1 1 Графическое обозначение NOT Схемная реализация I 0 1 U=Un-RI +Uп

Базовые логические элементы На основе базовых логических элементов можно реализовать логические функции любой степени сложности Функция Пирса Функция Шеффера ИЛИ-НЕ Таблица истинности x 1 x 2 y 0 0 1 1 1 И-НЕ Графическое обозначение Таблица истинности x 1 x 2 y 0 0 1 1 0 1 1 Графическое обозначение 0 1 & На основе базовых элементов реализуются цифровые микросхемы различной степени интеграции (определяется количеством элементов в 1 корпусе, например СБИС — более 10 тыс. элементов в кристалле)

Реализация микросхем логики Принцип построения, способ управления его работой, выполняемая логическая операция, напряжения питания и другие параметры базового элемента являются определяющими для всех логических микросхем. Полярность напряжения питания БЭ Положительная Отрицательная Вид логики Положительная 1 Нулевой уровень 1 0 0 Нулевой уровень 0 Отрицательная 1 Нулевой уровень 0 1 Нулевой уровень Принципиальной разницы между положительной и отрицательной логиками нет. Одна и та же схема может работать и в той, и в другой логике. В дальнейшем будем считать логику положительной с положительной полярностью питания БЭ.

Схемные варианты реализации БЭ (микросхемы транзисторной логики) ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика (TTL) (серии интегральных цифровых микросхем 133; 155; 130; 131; 134; 158; 530; 531; 533; 555; 1531; 1533). Применяются в широком классе электронных цифровых устройств (например, периферийные устройства для ЭВМ). Преимущества – достаточно высокое быстродействие, самая высокая среди цифровых серий интегральных микросхем функциональная насыщенность. Недостатки – невысокая помехозащищённость, высокая чувствительность к изменению напряжения питания, достаточно высокая потребляемая мощность.

КМОП (КМПД) - логика- комплиментарные полевые транзисторы со структурой металл -окисел-полупроводник (CMOS) (серии интегральных цифровых микросхем 176; 561; 564; 1561). Применяются в основном для изготовления устройств промышленной автоматики широкого класса. Преимущества – высокая помехозащищённость благодаря высоким уровням логической единицы, крайне низкая потребляемая мощность в статическом режиме, высокое входное сопротивление, низкая чувствительность к изменению напряжения питания. Недостатки – очень низкое быстродействие (максимальная частота переключения не превышает 8 МГц), быстродействие повышается с увеличением напряжения питания, но возрастает также потребляемая мощность, высокое выходное сопротивление.

ЭСЛ – эмиттерно-связная логика (серии интегральных цифровых микросхем 137; 187; 229; 100; 500; 700; 1500). Применяются в устройствах, где требуется повышенное быстродействие. Преимущества – крайне высокое быстродействие, повышенная помехозащищённость благодаря специальным схемным решениям. Недостатки – очень высокая потребляемая мощность, уровни логического нуля и логической единицы (в отличие от всех других типов логических цифровых микросхем) находятся в отрицательной области напряжений, относительно общей “земли”.

Основные характеристики микросхем логики U 0, В – значение напряжения уровня логического нуля; U 1, В - значение напряжения уровня логической единицы; P, м. Вт – средняя потребляемая мощность; Eп. , В – напряжение источника питания в вольтах; F, м. Гц – предельная частота переключения, Параметры ТТЛ КМОП ЭСЛ U 0 , В 0. 3 -0. 4 0 -0. 3 -1. 6 U 1 , В 2. 4 -2. 7 3. . 15 -0. 9 Еп , В +5 +3. . 15 -5. 2 P, м. Вт 1. . 40 0. 1 35. . 70 Fпр , МГЦ 3 -60 3 -8 2000

Пример схемной реализации логической функции 1) Получение таблицы истинности логической функции у=f(a, b, c) а b c y 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 2 а) Представление y в совершенной дизъюнктивной нормальной форме СДНФ Для y=1 минитермы или 2 б) Представление y в совершенной конъюктивной нормальной форме СКНФ Для y=0 макстермы

3) Реализация логической схемы по логической функции СКНФ 1 1 1 & 1 1 4) Схемная реализация на основе выбранного типа цифровых микросхем

Дешифраторы Дешифратор (декодер)-комбинационная схема преобразующая n-разрядное двоичное число в m-разрядный унитарный код. Содержит n входов и 2 m выходов. На выходе с номером m появляется логическая единица при условии соответствия номера выхода поданному на вход двоичному коду. При этом на всех остальных выходах логический 0. Используется для обращения к цифровым устройствам по адресу представленному в двоичном виде Пример дешифратора 2 x 4 Лог. функция Таблица истинности дешифратора x 1 x 2 y 4 y 3 y 2 y 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 Широко используются дешифраторы 3 x 8, 4 x 16, 8 x 256

Пример схемотехнической реализации дешифратора 2 x 4 ? Графическое обозначение дешифратора 3 x 8 x y DC E Стробирующий сигнал E=0 E=1 Выходные сигналы =0

Шифраторы Выполняет функцию обратную дешифратору. Имеет n входов и m выходов. При подаче логической единицы на вход с номером n, на выходе формируется двоичное представление номера входа. Применение : отображение в двоичном коде номера нажатой кнопки, контроллеры прерываний и т. д. Пример Реализация шифрования методом подстановки Графическое обозначение Таблица x 8 x 3 y 3 x 8 CD E Стробирующий сигнал E=0 E=1 Выходные сигналы =0 1 8 x 3 1 DC CD 8 E Замена входного кода символа на код выходного символа согласно таблице подстановки Дес. 3 ->1 Элемент таблицы подс. Вход Выход 011 000

Графическое обозначение Выход x 1 MS x 2 y a b c d E Данные Адрес Мультиплексоры Пример реализации x 1 DC x 2 a b c E- cтробирующий сигнал d & 1 & & & Логическая функция y= Назначение мультиплексоров -преобразование параллельных кодов в последовательные -объединение нескольких входных информационных потоков в единый (агрегированный) выходной поток -реализация логических функций (адрес = аргументы лог. функции y, данные= таблица истинности лог. функции y) y

Демультиплексоры Пример реализации Адрес Графическое обозначение Данные Выход DMS D y 0 x 1 y 2 x 2 y 3 E E- cтробирующий сигнал X 1 X 2 y 3 y 2 y 1 y 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 x 1 MS x 2 a b c d D Адрес D x 3 x 4 E Назначение демультиплексоров -преобразование последовательных кодов в параллельные -разделение единого входного потока данных на несколько выходных потоков E DMS y 0 y 1 y 2 y 3

Цифровые компараторы Предназначен для сравнения двух многоразрядных двоичных чисел. Сравнение проводится побитно. Результатом сравнения являются признаки «равно» - «неравно» , «больше» - «меньше» Логическая функция сравнения для одноименных разрядов i чисел a и b Пример реализации для одного разряда двоичных чисел ai bi 1 & 1 1 & yi

Триггеры Триггер- система с двумя устойчивыми состояниями равновесия обеспечиваемых положительными обратными связями (ПОС). Под действием входных сигналов триггер может переключаться из одного состояния равновесия в другое , при этом происходит скачкообразное изменение уровней напряжения выходных сигналов (переход с низкого на высокий или наоборот ). Используется для хранения информации. По способу записи информации или переключению состояния, триггеры делятся на : Асинхронные триггеры-запись(переключение) происходит в момент подачи входных сигналов Синхронные триггеры - запись (переключение) происходит под действием синхроимпульса. Момент переключения триггера связан с определенным уровнем синхроимпульса (статические триггеры ) или с переходом напряжения синхроимпульса с одного уровня на другой (динамические триггеры ).

Асинхронный и синхронный RS - триггер Пример реализации Асинхронный RS-триггер S S R R T Q S & & Q Таблица истинности R S 0 0 1 & 1 1 Q 1 R Временная диаграмма S Синхронный RS-триггер S C R S TT R & Q R Q t t

T-триггер Т-триггер переключается каждым импульсом подаваемым на единственный вход T. Пример реализации Графическое обозначение T-триггер T S TT Q T R 1 R Временная диаграмма T S 1 S TT C T 1 R Q 1 S TT C T 2 R 1 t t R 1 t Q 2

D-триггер Имеет один информационный вход (D), информация с которого переписывается на выход (Q) под управлением тактового сигнала синхронизации (С) Синхронный D-триггер D C D T D & Q C C 1 Синхронный RS-триггер & & Временная диаграмма t C t D t Q Запись 1 Запись 0 Запись 1 Назначение – ячейка для хранение бита информации

JK-триггеры Таблица истинности JK-триггер J C K J T C K Q Jt C J T C K C 1 J T C K Таблица истинности Q 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 ? -триггер 0 0 Q Таблица истинности Q(t+1) 1 ? -триггер Qt 0 Реализация триггеров различного типа на основе JK-триггера Kt 1 1 0 J=1, K=1 – счетный режим

Регистры- многофункциональные устройства на базе триггеров, предназначенные для записи, хранения и выполнения логических операций над n-разрядными двоичными числами По способу записи/чтения чисел и форме их C 1 RG представления делятся на Q 0 C 2 • Последовательные V 1 Q 1 • Параллельные V 2 • Последовательно-параллельные D 0 Q 2 Логические операции и преобразования D 1 Q 3 D 2 • Умножение и сложение D 3 Преобразование кодов • последовательный - параллельный Режимы работы регистра • прямой – обратный Сдвиг двоичных чисел V 2 =1 Параллельный режим (сдвигающие регистры) C 2 Синхроимпульсы • Прямой (вправо в сторону млад. разрядов) D Q • Обратный (влево в сторону старш. разрядов) Последовательн o. V 2 =0 • Реверсивный –прямой/обратный параллельный режим • Кольцевые регистры (кольцевые счетчик) V 1 Данные (последовательный регистр у которого вход соединен с выходом) Синхроимпульсы C 1 Сдвиг вправо

n-разрядный параллельный регистр (реализация) x 1 x 0 ………. . xn Dir S TT Q 0 & R & & 1 & & S TT Q 1 R 1 & WR Inv CL y 0 Запись в регистр происходит в два такта вход триггера 1 такт CL=1 WR=0 2 такт CL=0 WR=1 выход триггера Q 0 =0…Qn =0 y 0 =0…. yn =0 Q 0 =x 0…Qn =xn y 1 Хранение /чтение yn Обратный код Прямой код CL=0 Dir=1 WR=0 Inv=1 Inv=0

Последовательный 4 -разрядный регистр (реализация) DI 1 S T R C WA a 0 a 1 S T R C Data DCW E D 3 . . WE RA D 0 a 1 RE WE-разрешение записи RE-разрешение чтения WE=0 - хранение/запрещено RE=0 - запрещено WE=1 -запись E RE=1 -чтение Временные последовательности Запись DI WA WE=1 Чтение RA RE=1 DO MS DO

Счетчики предназначены для подсчета числа поступивших на его вход импульсов с сохранением результатов счета и представления этого числа в различных системах счисления, например в двоичной или десятичной. Счетчики строятся на основе триггеров (обычно D- или JK- триггеров) и логических элементов определяющих различные типы счетчиков. Основные характеристики -Разрядность счетчика (n-разрядное двоичное число) - Максимальное число подсчитанных импульсов N=2 n-1 Типы счетчиков -суммирующие -вычитающие -реверсивные -асинхронные (переключение разрядов последовательное) -синхронные (переключение разрядов одновременное) Назначение -таймеры -делители частоты - и т. д.

Графическое изображение Счетный вход +1 CT Q 0 Выход Q 1 Q 2 R CR Перенос единицы Сброс Обозначения +1 - суммирующий счетчик -1 - вычитающий Полярность переключение - при переходе 1 – 0 счетного импульса /- при переходе 0 – 1 счетного импульса IN Асинхронный суммирующий счетчик с непосредственными связями +1 T 1 R Q 0 R T 2 Q 1 T 3 Q 2 R Reset (1) IN Q 0 Q 1 Q 2 x x x Временная диаграмма x x t

Асинхронный вычитающий счетчик с непосредственными связями S 1 S 0 IN -1 T 1 Q 0 R S 2 R T 2 Q 1 T 3 R Q 2 Reset (1) Таблица переходов N импульса на входе S 0 S 1 S 2 Q 0 Q 1 Q 2 0 1 1 0 0 1 2 1 1 0 …. … … ….

Суммирующий синхронный счетчик &1 &3 &2 +1 J T 1 Q 1 C K R T J T 2 Q 2 C K R T 1 - переключается счетными импульсами T Условия переключения остальных триггеров T 2 T 3 T 4 Q 1=1 & Q 2=1 & Q 3=1 J T 3 Q 3 C K R J T 4 Q 4 C K R Reset (0)

The end