Электротехника, электроника и схемотехника ЭВМ (09.03.01) Электроника и схемотехника

1.

Электротехника, электроника и
схемотехника ЭВМ (09.03.01)
Электроника и схемотехника
(10.05.01)
Ассистент кафедры нелинейной физики
Саратовского государственного университета
им. Н.Г. Чернышевского
Торгашов Роман Антонович
1

2.

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.
2

3.

Физические основы полупроводниковых устройств.
Классификация материалов по свойствам
электропроводности.
I
Закон Ома
R
A
U RI
З-н Ома в дифф. форме
U
j E
Материал
Диэлектрики
Полупроводники
Металлы
Проводимость, γ
1/[Ом*м]
Сопротивление
Проводимость
1
G
R
L
R
S
Удельная проводимость
1
[1/(Ом*м)]
Влияние температуры Т на
проводимость (T растет)
<10-8
10-8 ÷105
Постоянная
>105
Уменьшается
Растет
3

4.

Электронная теория проводимости Друде-Лоренца
Модель твердого тела. Атомы решетки и носители заряда.
Атомы
+
+
Заряды
-
+ V + -
+
+
+
-
+
- +
T≠0
Условия для
существования тока
носителей
+ -
E
-
+
F qE
j E
+
Идеальный газ электронов
Движение=Хаотическое(тепловое)+
Направленное( эл. поле)
V VT VE
V VT VE
VT 0, VE 0
1. Наличие носителей заряда
2. Свободное движение
4

5.

Модель атома Бора
Потенциальная яма
0
+
-
En
-
E1
E0
Свойства уровней энергии
1. Уровни энергии
дискретны
2. Число уровней
бесконечно
3. На каждом уровне не
более 2 электронов
2r
2r
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
5

6.

Энергетические диаграммы
Диэлектрики
c
Полупроводники
v
c
v
Сильная связь
v -валентная зона
c -зона проводимости
-запрещенная зона
Средняя связь
c
v
Металлы
Слабая связь
>3 эВ (диэлектрики)
0.6-3 эВ (полупроводники)
<0.6 эВ (металлы)
П/П
Δε, эВ
Ge (IV группа)
0.65
Si (IV группа)
1.1
GaAs (Ga-III гр., As-V гр.)
1.42
6

7.

Статистика Ферми-Дирака
f ( , T )
1
1 e
F
kT
Статистика Ферми-Дирака
7

8.

Полупроводники с собственным типом проводимости
(химически чистые п/п, i-тип проводимости)
Si, Ge
T=0
T>0
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
v
Все
Все
c свободны
v заняты
Диэлектрик
Электрон (-)
+
+
Дырка (+)
+
+
1
+
c
+
+
2
1-генерация электр.- дырочной пары
2-рекомбинация электр.- дырочной пары
1
2
c
v
c Частично заняты
v Частично свободны
Проводник i-типа
8

9.

c
v
Концентрация носителей заряда
Какова вероятность занятия электроном
конкретного уровня с энергией ε при
2
c
v
данной температуре T?
F
1
Направление
возрастания
энергии для
электронов
Направление
возрастания
энергии для
дырок
kT
Распределение МаксвеллаБольцмана по энергиям
( F )
электроны
kT
n
f e
fp e
,
( F )
kT
1
f ( , T )
2
1 e
F
kT
Статистика Ферми-Дирака
k=1.38*10-23 Дж/град – постоянная Больцмана
kT=0.025 эВ
При условии
( F )
дырки
Концентрация носителей в
единице объема п/п
2kT
i
n p n e
Зависит только от температуры и
ширины запрещенной зоны
9

10.

1. Существуют три типа веществ по типу проводимости: диэлектрики, полупроводники и
проводники (металлы)
2. При T=0 п/п является диэлектриком
3. При T>0 п/п является проводником
4. Разрыв связи между атомами можно трактовать как рождение квазичастицы -«дырки»,
обладающей положительным зарядом (+e). Дырки могут «свободно» двигаться в
валентной зоне.
5. При T>0 непрерывно происходит генерация и рекомбинация эл.-дыр. пар
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.
8. В химически чистых п/п уровень Ферми находится посередине запрещенной зоны.
9. Уровень Ферми в различных частях неоднородного п/п в равновесном состоянии
одинаков.
10.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).
10

11.

Примесные полупроводники
Si, Ge (IV-группа),
п/п n-типа
концентрация атомов п/п N≈5*1022 см-3
Концентрация атомов
Доноры
п/п
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
Si
Si
Si
Si
Si
P
Si
Si
B
Si
Si
Si
Si
Si
c
Si
Si
c
d
F
v
Основные носители заряда- электроны
При T≈200-400 K
n≈Nd>>p
c
d
a
v
F
Основные носители заряда- дырки
При T≈200-400 K
p≈Na>>n
0.01 0.04 эВ
11

12.

12

13.

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
13

14.

2. Электрические токи в полупроводниках
2.1 Дрейфовый ток
Ток зарядов под действием приложенного электрического поля
Второй з-н Ньютона
+
+
- +
+ V + +
+
+
+
+ -
+
E
μ, [м2/(В*с)]
Ge
Si
μn
0.39
0.13 1
μp
0.19
0.05 0.04
GaAs
+
ma qE
q=+e, -e (для дырок и
электронов)
+
Средняя скорость
q
+
v
E , v E
m
+
q 0 Подвижность носителей
зарядов (электронов
m или дырок). [м2/(В*с)]
Малые поля E
μ=const
Большие поля E
μ=1/E
14

15.

Плотность дрейфового тока (по определению)
jE qn v qn E E
З-н Ома в дифф. форме
Плотность полного (электронного и дырочного) дрейфового ток в п/п
jE q ( n n p p ) E
Плотность дрейфового тока в п/п i-типа
jE q ni ( n p ) E e
2 kT
E
Плотность дрейфового тока в п/п n-типа
jEn q nn n E N d E
Плотность дрейфового тока в п/п p-типа
jEp q n p p E N a E
15

16.

Энергетическая диаграмма
L
катод
+
p
ВАХ
п/п i-типа
I
анод
-
n
U
E
-
U
+
j E q ( n n p p ) E
c
v
электроны
c
v
qU
дырки
L
Куда исчезают дырки?
x
16

17.

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.
17

18.

2.2 Генерация и рекомбинация носителей заряда. Время жизни носителей.
Дырки
An- сечение захвата электрона дыркой
An
S
Вероятность захвата при
прохождении слоя толщиной dx
dx
Электрон
Vn
S An pSdx
dW
An pdx
S
S
dW An pVdt
Вероятность захвата за ед.
P
An pV времени
dt
dt
1
1
n
Среднее время жизни электрона
Pn An pVn
1
1
p
Среднее время жизни дырки
Pp Ap nV p
18

19.

Равновесное состояние
носителей
n, p const
2.3 Диффузионный ток в п/п
n, p
Неравновесное состояние
n( x, y, z ), p ( x, y, z )
T
нагрев
kT
D
q
dn( x)
jD q D
dx
jD
п/п
n,p=const
X
Коэффициент диффузии
(ф-ла Эйнштейна)
Какое расстояние пройдет частица за
время t в результате диффузии?
[D]=m2/c
За время жизни τ?
LD D
L Dt
dp ( x) Полный диффузионный ток
dn( x)
jD q Dn
Dp
dx
dx
Диффузионная
длина
19

20.

Виды контактов. Металл-металл и
металл-полупроводник
Разность потенциалов
20

21.

Контакт полупроводникполупроводник
• Наиболее интересным являются контакты типа
полупроводник-полупроводник.
• Если переходы происходят между п/п с одинаковыми
шириной запрещенной зоны, диэлектрической
проницаемостью и работой выхода, то такие переходы
называются гомопереходами.
• Если переходы происходят между п/п с различными
характеристиками, то это гетеропереходы.
• Если переход организован между п/п с одинаковым типом
проводимости – изотипными, если же переходы
организованы в виде n-p или p-n – анизотипные.
21

22.

Область объемных
зарядов шириной L
3. Полупроводниковый диод.
p-n переход
L
n
Ферми одинаков во
F Уровень
всех частях системы !!
p
+ + -
Ширина перехода L
Eсоб
Nd
U
Na
Внутреннее электрическое
поле
U=0
E =Eсоб
Энергетическая диаграмма для U=0
jEn
c
jDn
qψ
v
c
v
jDp
jEp
Ψ=
F
qψ-
0.35 В (Ge) Контактная разность
потенциалов
0.7 В (Si)
Высота потенциального
барьера
jDn+jEn =0
jDp+jEp =0
Полный ток равен нулю
22

23.

Выводы
1. При соединении двух п/п c разным типом проводимости (p- и n- типов)
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.
23

24.

3.1 Обратно-смещенный pn- переход
Область объемных
зарядов шириной Lобр
n
p
Eобр
Ширина перехода
увеличивается
+ + Eсоб
Nd
Lобр>L
Na
Iобр≠0
+ U -
Внутреннее электрическое
поле возрастает
E =Eсоб +Eобр
Uобр
Энергетическая диаграмма при Uобр
Экстракция
F
c
v
jEn
jDn
c
F
jDp
jEp
q(ψ+Uобр)
q(ψ+Uобр)
v
jEn >>jDn
Высота потенциального
барьера увеличилась
jEp >>jDp
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.
24

25.

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 – экстракция электронов, из области n- экстракция дырок)
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.
25

26.

3.2 Прямо-смещенный pn -переход
Область объемных
зарядов шириной Lпр
n
Ширина перехода уменьшается
p
Eпр
+ + -
Lпр<L
Eсоб
Nd
Na
Iпр≠0
- UU +
Внутреннее электрическое
поле уменьшается
E =Eсоб -Eпр
пр
Энергетическая диаграмма при Uпр
jEn
Инжекция
F
c
c
jDn
q(ψ-Uпр)
jDp
v
jEp
F
v
q(ψ-Uпр)
jDn >>jEn
Высота потенциального
барьера уменьшилась
jDp >>jEp
Iпр= IDn+IDp –(IEn+IEp)
Полный ток носителей (ток
прямо-смещенного pnперехода)
Экспоненциально зависит от Uпр и T
26

27.

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:
I p /(I p I n )
где Ip и In – токи инжекции дырок и электронов соответственно.
В большинстве случаев Ip >> In и γ = 1.
27

28.

3.3 Формула Шокли для тока через идеальный pn-переход .
Зависимость тока через pn-переход от
приложенного к нему напряжения U
U
T
I I 0 (e 1)
kT
T
- тепловой потенциал.
q
k – постоянная Больцмана,
q – заряд электрона,
T – температура,
I0=Iобр – обратный ток.
При T = 293ºК = 20ºС
T 0.025B 25mB
Прямое включение
и Uпр > 0,1B
Обратное включение
и
Uобр > (0,1-0,2)B
U
U
e
T
1
U
e T 1
I пр I 0 e T
I обр I 0
28

29.

Вольт-амперная характеристика
pn-перехода (ВАХ)
I
пр
2
U* - режим
Ge
1
отпирания
pn-перехода
Si
о
20 C
Кусочно-линейная
аппроксимация ВАХ
Uобр
B
U* Uпр
I0
Iобр
0,2
0,4
ψ
B
0,6
ψ
1
Область (прямое смещение), где сопротивление перехода мало
2
Область (обратное смещение), где сопротивление перехода велико Rpn – десятки кОм и
более
Rpn – единицы Ом
29

30.

Выводы
1.
2.
3.
Идеализированный pn-переход обладает свойством изменять
сопротивление при подключении внешнего напряжения разной
полярности.
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.
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.
30

31.

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
+eNd
Ln
p
Na
Несимметричный pn-переход Nd>>Na
ρ
n
Ln=Lp
L=Ln+Lp
+eNd
p
Lp
Lp
-eNa
x
Ln
x
Условие электрической
нейтральности перехода
-eNa
x
Ln<<Lp L≈Lp
+eNd*Ln-eNa*Lp=0
Qd+Qa=0
31

32.

Электрическое поле в несимметричном pn-переходе
Nd>>Na
E
n
Ширина области pn-перехода L –функция
приложенного напряжения
p
0
L≈Lp
L(U )
e Na
+ - обратное смещение, увеличение L
- - прямое смещение, уменьшение L
x
Барьерная емкость pn- перехода
Cb
e N a 0
+
0 S
Cb
S
+
L
2 U
L
2 0 U
Cb
Рабочая
область
+ обратное смещение,
уменьшение Cb
- прямое смещение,
увеличение Сb
Емкость перехода зависит от
приложенного напряжения
0
U
32

33.

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.
33

34.

В узких p-n-переходах при относительно
небольших обратных напряжениях обычно
возникает полевой пробой на основе
туннельного эффекта.
ВАХ
Iпр
Uобр
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.
34

35.

4. Классификация и применение полупроводниковых диодов
Класс диодов
Назначение
Обозначение
Выпрямительные
Преобразование
переменного напряжения
в постоянное
Анод
Детектирующие
Детектирование сигналов
Стабилитроны
Стабилизация параметров
эл. схем
Варикапы
Управляемые
напряжением генераторы
сигналов
Генераторные
Генерация сигналов в
различных диапазонах
радиоволн
Примечание
Катод
Iпр
Слабо и
сильноточные
Квадратичная
нелинейность
ВАХ
Фотодиоды/светодио Регистрация/генерация
ды
света
35

36.

4.1 Сопротивление перехода.Рабочий режим работы диода на постоянном токе
Сопротивление на постоянном токе
(статическое сопротивление)
Дифференциальное сопротивление
(динамическое сопротивление)
Iпр
Iпр
Секущая
ВАХ
С
I0
ΔI
I0
Касательная
к ВАХ
Uпр
U0
U0
R
U0
I0
U
r
I
1
r
S g
g
Uпр
ΔU
U0
Дифф. проводимость
Крутизна ВАХ
36

37.

-
D
ВАХ диода нелинейна.
U
Как найти ток в цепи и падение
напряжения на диоде?
E
R
+
I
Из ур. (1,2)
Точка А
(I=0)
Точка B
(U=0)
E U IR
U
T
I I 0 e 1
U=E
I=E/R
Точка C (рабочая точка) определяет
режим работы диода по постоянному току
(1)
2 з-н Кирхгофа
(2)
ВАХ
Iпр
B
E/R
Iр
С
Uр
A
Uпр
E
37

38.

D
E
~
4.2 Однополупериодный выпрямитель
Напряжение
источника E(t)
Rн
Напряжение
на Rн ,
Uн(t)= RнI(t)
E t U sin t
T
1
Среднее значение
s t s (t )dt
периодической функции
T0
Среднее значение
напряжения на нагрузке
Uc Uн(t ) Um
Um1
0.5Um
Коэффициент
k
1.57
п
пульсации
Uc 0.318Um
Э.Д.С. источника
E t 0
переменного напряжения
0.318Um
Слишком большой коэфф. kп для
практического применения!
Um1 Амплитуда 1 гармоники напряжения, т.е на частоте ω
38

39.

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
1
Rн
С
~
kп 1
E I
Uc
ФНЧ
D
E
Коэфф. пульсации
C
Rн
Область применения: устройства с малыми токами и высокими напряжениями
Недостатки: низкий к.п.д. и высокий уровень пульсаций
39

40.

+
E
4.3 Двухполупериодный выпрямитель
I2
I1
~
-
+
I1
1
4
I1 I2
3
Rн
+
I2
2
I1
I1
I2
I2
Uc 0.636U 2 m
0.424U 2 m
kп
0.667
Uc
40

41.

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.
41

42.

Схема включения стабилитрона
Источник
напряжения
E
Напряжение на
нагрузке
I СТ
Iн
E E U б U СT
U б Rб I н I СТ
Основные параметры стабилитрона
Напряжение стабилизации U СT (3-180 В)
Минимальные и максимальные токи стабилизации
Номинальный ток стабилизации ( I СТ min I СТ max ) / 2
Динамическое сопротивление
Rd
U СТ
I СТ
I СТ min , I СТ max
(5 mA-5A)
42

43.

4.5 Варикапы
Барьерная емкость pn- перехода зависит от приложенного напряжения
Cb
-
+
+
-
+ обратное смещение, уменьшение Cb
e N a 0
Cb
S - прямое смещение, увеличение Сb
L
2 U
0 S
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
0
1
LC (U )
43

44.

Фотодиоды
4.6 Фото -и светодиоды
Фототок в зависимости
от энергии фотонов
Свет с энергией фотонов EФ h
IФ
p
n Область генерации
носителей заряда
IФ
+
Обратно смещенный
переход
h
Оптроны
Светодиоды
Свет с энергией
EФ h
фотонов
А
Фотодиод
Rн
+
Цепи А и Б
гальванически
развязаны
p Область
n рекомбинации
носителей заряда
-
Прямо смещенный
переход
GaAs
Светодиод
E
Б
Rн
1.41 эВ, 0.89 мкм
44

45.

5. Транзисторы
Транзистор - трех электродный полупроводниковый прибор, позволяющий
усиливать мощность электрических сигналов.
Классификация
Транзисторы
Биполярные
n-p-n
Полевые
p-n-p
Первые биполярные транзисторы были разработаны в 1947 г. (Д. Бардин, У. Браттейн и У.
Шокли).
Основными материалами для изготовления транзисторов служат Si, Ge и GaAs
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).
45

46.

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
Коллектор
n
n-p-n
э
к
б
Uэб
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.
46

47.

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
Прямое
Отсечки
Обратное
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
47

48.

Эмиттер
База
n, Nd
p, Na
n-p-n транзистор.
Активный режим
Коллектор
n, Nd
c
э
б
c
к
qψ
v
э
Iэ
Uэб
Uкб
Энергетическая диаграмма
без смещений
c
F
v
Eэк
-
Uэб
б
+ + -
-+
-+
Eсоб
Eсоб
Iб
-
+
Uэб≠0
Iк Iэ
Iк Iб
100
1
α-коэфф. передачи
эмиттерного тока
Iэ
э
c
qUэб
β-коэфф. передачи
базового тока
I к I б
Iк
Uкб
+
Iэ=Iб+Iк
Iк Iэ
α=0.95÷0.99
к
Uкб≠0
Полный ток в цепи равен 0
I э Iб Iк
Eбк
1
v
Iб
б
c
к
Iк
c
qUкб
F
v
48

49.

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
э
Iк
─
Uэб
+
Uэб -прямое
Uбк -обратное
Iэ = Iк + Iб
Iк = α·Iэ+Iкбо
α<1
Iэ
Iб
б
к
+
Uбк
─
Модель позволяет получить ВАХ:
- входную Iэ = ƒ(Uэб,Uбк),
- выходную (коллекторную) Iк = ƒ(Uбк,Iэ),
ƒ – некоторая функция.
49

50.

Схема включения с общей базой
Входная (эмиттерная) характеристика
Iэ = ƒ(Uэб,Uбк), (Uбк- задаваемый параметр)
Переход ЭБ включен в прямом направлении (прямая ветвь pn-перехода).
Uбк- определяет семейство характеристик Iэ = ƒ(Uэб) при Uбк=const.
Общая база (ОБ)
Iэ
Uэб
Iк
э
Iб
к
б
Uбк > 0
Iэ
Uбк = 0
Uбк
0
Uэб
Iкбо
50

51.

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
Iк = α·Iэ, α < 1
Нормальный
активный режим
Iк
Iэ3
Iэ3>Iэ2>Iэ1
Iэ2
Iэ1
Пробой
Iэ = 0
0
Iкбо
Uбк
51

52.

Iк
+
Uбэ
+
к
Iб
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
Iк Iб
При Uкэ > 0 ВАХ сдвигается вправо на
величину так называемого порогового
напряжения Uбэ.пор, различающегося у
германиевых и кремниевых транзисторов.
Uбэ
0
Iкбо
52

53.

Коллекторная характеристика
Iк = ƒ(Uкэ,Iб), (Iб- параметр)
Iк
Iб3
Iб3>Iб2>Iб1
Iб2
Iк Iб
Iб1
Iб = 0
Iкэо
Рк.доп
Uкэ
Мощность рассеяния Рк =UкIк < Рк.доп
Рк.доп – допустимая мощность рассеяния коллекторной цепи.
Эта мощность выделяется в виде тепла.
Iкэо - сквозной ток транзистора в схеме ОЭ
53

54.

5.3 Эквивалентные схемы замещения транзисторов
Различают:
1. Физическую Т-образную эквивалентную схему,
2. формальные модели в h-параметрах, Y-параметрах, Zпараметрах.
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.
54

55.

Физическая Т-образная эквивалентная схема с ОБ
Опорная точка
Б
Э
Ток эмиттера является управляющим,
ток коллектора – управляемым.
К
Iэ = Iк + Iб
Uэб
Iк ·Iэ Iкбо
Uкб
Ск
Э
rэ
rк
-
Iэ
Uэб
+
α·Iэ
rб
Iб
Iкбo
Б
Uкб
rк
+ К
rб- объемное
Iк
Uкб
rк –дифф. сопротивление
-
rэ –дифф. сопротивление
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.
55

56.

Физическая Т-образная эквивалентная схема с ОЭ
Ток базы является управляющим, ток коллектора – управляемым.
Ск
rб
+Б
rк
Iб
rЭ
Uбэ
Iэ
-
rб- объемное
сопротивление базы
rэ
β·Iб
T
IЭ
Iкэo
Э
+ К
Iк
Uкэ
Iэ = Iк + Iб
Iк ·Iб Iкэо
Uкэ
rк
-
rк –дифф. сопротивление
перехода КБ (обр. вкл)
( T 0.025 В, I Э 1mА)
rэ –дифф. сопротивление
перехода ЭБ (прямое вкл.)
rэ 25 Ом
Для эквивалентной схемы по постоянному току необходимо в исходной схеме заменить
дифференциальные сопротивления на соответствующие статические и удалить
конденсатор.
56

57.

Выводы
1.
2.
3.
4.
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.
Наличие в эквивалентных схемах конденсаторов указывает на то, что
характеристики транзистора являются частотно-зависимыми.
Во многих случаях дырочными токами коллектор-база и коллекторэмиттер можно пренебречь.
Недостаток эквивалентных схем заключается в том, что сопротивления (rпараметры) можно получить только теоретическим путем.
57

58.

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.
I1
э
U1
dU1
f- линейная функция 2-х перем.
I2
к
U2
б
U1
U1
dI1
dU 2
I1
U 2
I
I
dI 2 2 dI1 2 dU 2
I1
U 2
U1 f ( I1 ,U 2 )
I 2 f ( I1 ,U 2 )
h-параметры транзистора
Замена
U1 h11 I1 h12U 2
dU1 U1 и т.д.
U1
U1
I1
I1 U
h11 и т.д.
2 const
I 2 h21 I1 h22U 2
58

59.

Смысл и значения h-параметров зависит от конкретной схемы
включения транзистора (ОБ, ОЭ, ОК)
U1
h11
I1
Входное сопротивление [Ом].
U1
h12
U 2
Коэффициент внутренней обратной
связи по напряжению,
безразмерный.
I 2
h21
I1
Коэффициент передачи по току,
безразмерный
I 2
h22
U 2
Выходная
проводимость[Сименс],
1/h22 –Выходное сопротивление
[Ом]
ΔU1
ΔI1
h11
h12
h21
h22
ΔU2
ΔI2
59

60.

Эквивалентная электрическая схема транзистора для h-параметров
I1 ,U1 I вх ,U вх
Замена
I 2 ,U 2 I вых ,U вых
h11
Iвых
Iвх
Uвх
h12·Uвых
~
h21·Iвх
h22
Uвых
h12·Uвых << Uвх.
Можно удалить источник напряжения
60

61.

Связь h-параметров с параметрами T-схемы на примере включения с ОЭ
Iк
+
к
Iб
Uкэ
+
б
Uбэ
э
─
─
r
Iб
Выходные токи и напряжения
Uбэ
Iк
Uкэ
I э I к I б ( 1) I б
h11 U
кэ
б
rэ I э
Iб
Iк Iб
Iэ
T-схема
Входные токи и напряжения
h21 U
h22
Iб
кэ
U бэ
Rвх
rб ( 1)rЭ
Iб
Ik
Iб
Iк
1
U кэ rk
h12
Iк
61

62.

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
Iб
U кэ 0 В
U кэ' 5 В
Выходные характеристики ОЭ
I к
Iб 2
I б
I б"
I б'
I к
I б1
I к'
Iб 0
U бэ
U
U бэ
h11
I б
'
бэ
U кэ
U бэ
U бэ'
h12
U кэ
I б I б" I б'
I к
h21
I б
I к'
1
h22
U кэ rк
U кэ
rэ
T
IЭ
62

63.

Дополнительно:
1.
2.
3.
ВАХ транзистора существенно нелинейны. Значение h-параметров
зависит от точки ВАХ, в которой они определяются.
Значения h-параметров зависят от температуры и приводятся в
справочной литературе.
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
h11
1-10 Ом
100-1000 Ом
10кОм-100кОм
h12
10-3-10-4
10-3-10-4
10-3-10-4
h21
0.95-0.98
10-500
10-100
1/h22
100кОм-1мОм
1кОм-10кОм
100-1000 Ом
63

64.

6. Транзисторный усилитель
Общая структурная схема с усилителем
Помехи
Источник
сигнала
Усилитель
Нагрузка
усилителя
Источник
питания
Источник сигнала – например, микрофон,
Нагрузка усилителя – например, динамики
Источник питания – батарея, аккумулятор
Помехи – воздействие температуры, ЭМ-наводки
64

65.

Общая структурная схема с усилителем
I вх
o
Uc(t )
I вых I Н
Rвых
Rвх
o
KU U вх
U вх
o
ZН
o
UН
U вых
Усилитель
Требования к усилителю: процесс усиления должен быть непрерывным,
линейным, однозначным.
Параметры усилителя
Коэффициенты усиления:
U вх
I вх
U
KU вых - по напряжению
U вх
Rвх
I
K I вых - по току
I вх
P
K P вых KU K I - по мощности
Pвх
Rвых
U вых
I вых
Частотный коэфф.
усиления
K ( j ) K ( j ) ei
U
K [дБ] 20lg вых
U вх
65

66.

Частотный коэффициент усиления
Амплитудная характеристика
K j
U вых
1
Рабочий диапазон
частот
U вх
min
mах
Линейная (рабочая)
область усилителя
Характерные параметры усилителей
Максимальные частоты до 100 ГГц
Выходная мощность до 100 Вт
К.п.д. 80-95%
66

67.

Принципиальная схема усилителя с ОЭ
Eк
Rб1
RК
I вх С1
Uc
~
I К С2
RН
IБ
U вх Rб 2
RЭ
IЭ
I вых
U вых U Н
СЭ
Расчет усилителя производится в 2 этапа
1. Расчет по постоянному току (напряжениям)- статический режим.
2. Расчет по переменным токам и напряжениям- динамический режим.
67

68.

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)
Eк Rк I к U кэ
Rк
Iк
Iк
Iк Iб
Eк
Iб3
Eк
Rк
Iб2
Rк I к
Iк0
Iб3>Iб2>Iб1
Iб 0
РТ
Iк0
Iб1
Iб = 0
U кэ
U кэ 0
Eк
Uкэ
Определили РТ для выходной характеристики,
переход к определению РТ для входных характеристик
68

69.

Б)
Iб 0
Входная (эмиттерная) характеристика Iб = ƒ(Uбэ,Uкэ) , Uкэ -параметр
Делитель
напряжения.
Uкэ0 Схема с фиксированным
Iб
напряжением базы
Rб1
Iк0
Uбэ
U бэ 0
Eк Rб 2
Rб1 Rб 2
RК
Iб 0
РТ
0
Eк
U бэ 0
U бэ 0 R
б2
RЭ
Все рабочие точки в статическом режиме определены.
Переход к определению параметров динамического режима.
69

70.

2. Расчет по переменным токам и напряжениям- динамический режим.
Цель- определить коэффициенты усиления (тока, напряжения, мощности) для
переменных (усиливаемых) токов и напряжений.
Для цепи переменного тока характеристики усилителя находятся из h-параметров после
преобразования схемы усилителя.
Входная цепь транзистора
Схема замещения
Rб Rб1 || Rб 2
Iвх
h11
I вх
Uвх
U вх R
б
U вх U вх
I вх
Rб
h11
Rвх
h11 Rб
h11 Rб
Rб
h11
Rб
Rвх h11
70

71.

Выходная цепь транзистора
Схема замещения
1
h22
RКН RK / / RН
I вых
RКН
h22
IЭ
RКН U вых
RКН
Iвых
Uвых
h21·Iвх
Rвых RКН
KI
U вх Rвх I вх h11 I вх
U вых RКН h21 I вх RКН h21 RКН
KU
U вх
h11 I вх
h11
h11
I вых h21 I вх
I вх
I вх
U вых RКН h21 I вх
RКН 2
K P K I KU
h11
71

72.

Оценим значения параметров усилителя
Параметры схемы:
Rн = ∞ (нагрузка отключена
холостой ход),
Rк = 1000 Ом
Параметры транзистора:
h11 = 100 Oм,
h21 =β = 100.
Rвх h11 100 Ом
Rвых RК 1000 Ом
I вых h21 I вх
KI
100
I вх
I вх
U вых RК
KU
U вх
h11
1000
RКН 2
K P K I KU
105
h11
72

73.

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.
73

74.

Дрейф рабочей точки на примере транзисторного усилителя
включенного по схеме с ОЭ
Изменение тока
эмиттера IЭ0
Iк0
Uвых
РТ
Изменение положения
рабочей точки (РТ)
Iк
t
Eк
Rк
Iк0
РТ=const
Uвых
Iб 0
РТ
U кэ 0
Iк0
РТ≠const
Iб1
Iб = 0
Eк
t
Uкэ
74

75.

Используется несколько схем стабилизации:
- эмиттерная стабилизация (обратная связь по току),
- коллекторная стабилизация (обратная связь по напряжению),
- термокомпенсация.
Схема с эмиттерной стабилизацией
+ Ек
Rб1
Rк
С повышением температуры T
ток Iк увеличивается,
увеличивается напряжение Uэ
Iк
Напряжение остается Uб
неизменным.
Uбэ
Uб
Rб2
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
75

76.

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 T1, Т2 и равенство
Uп
сопротивлений Rк1, Rк2.
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 Т1, Т2 .
Rк0
Rк2
Rк1
Rн
Uк2
Uк1
Uвых
Uвх2
Uвх1
T2
T1
Rэ
Uвх1
Uвх2
ΔU
Uдиф
ΔU
Ucф
t
2. Uвх1=Uвх2 =Ucф– синфазные
напряжения
Iк1=Iк2, Uк1=Uк2, Uвых=0
3. Uвх1= - Uвх2=Uдиф – противофазные
(дифференциальные) напряжения
Iк1=-Ik2, Uк1=-Uк2, Uвых=Uк1-Uк2
Rвх≈2h11
Rвых≈2(Rк1+ Rк2) KU
h21
Rk
h11
76

77.

7. Схема включения транзистора с ОК. Эмиттерный повторитель
Принципиальная схема
Сф
Eп
Rб1
VT
С1
Rс
Uc
Ес
Iб
С2
Rэ
Rн
Iн
Uвых
~
77

78.

Параметры схемы с ОК
RЭН RЭ / / RН
Входное сопротивление
Rвх rб 1 (rЭ RЭН ) h11 1 RЭН
h11 RЭ , RЭ RН
Выходное сопротивление
Усиление по току
Rвх 1 RЭ
Rвых RЭН RЭ
IЭ
KI
1
IБ
Усиление по напряжению
U вх Rвх I б
U вых Rвых I Э
Усиление по мощности
RЭН 1
U вых
KU
1
U вх h11 1 RЭН
K P K I KU 1
78

79.

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
Эмиттерный повторитель используется для согласования выходного
сопротивления источника сигнала с нагрузкой.
79

80.

8.Полевые транзисторы
Идея работы полевого транзистора была высказана в 1920-е годы
Лилиенфельдом . Первые рабочие полевые транзисторы были
представлены в 50-е годы.
Полевой транзистор - 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).
80

81.

Основная идея ПТ
j n Eис
Uзи=0
Uи -
Eси
Концентрация носителей
уменьшилась
Uи -
- Uзи>0
Eси
Eз
+Uс
j n(Uзи ) Eис
I ис f U зи ,U си
+Uс
n f (U зи )
+
81

82.

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
n-канальный
p-канальный
МДП - металл, диэлектрик, полупроводник
МОП - металл, окисел, полупроводник
р-канальный
82

83.

8.1 Полевой транзистор с pn-переходом
n- <<p+
Структура
Iс
-
-
+
Исток
Uси
Uзи
+
С
Затвор
p+
n-
Обозначение
Сток
И
З
n-
n-канал
С
Канал
область
обедненная
носителями
И
З
p-канал
83

84.

Принцип работы ПТ c pn-переходом
Управляющий p-n-переход (Uзи) включен в обратном направлении и имеет
высокое сопротивление.
При изменении напряжения на затворе изменяется ширина области p-n
перехода, 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 область перехода
будет расширяться, причем около стока в большей мере, чем около истока.
Сечение канала будет уменьшаться и рост тока замедлится.
84

85.

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, мА
Uзи = 0
4
Ic.нас
Uзи = 0,5В
Uзи = 1,0В
2
Uзи = 1,5В
4
8
12
16
20
Uси, В
Uси.проб.
85

86.

Стокозатворная характеристика Ic = ƒ(Uзи, Uси)
Эта характеристика хорошо описывается выражением
2
Uзи
Ic Ic.нач 1
Uзи
.
отс
Ic, мА
Uси = 10В
4
Ic.нач
Uси = 5В
2
∆Uси
- 2,0
Uси.отс
∆Ic
- 1,0
Uзи, В
∆Uзи
Дифф. параметры
Крутизна, [mA/В]
Iс
S
Uзи
Uси const
Дифф. сопротивление
сток-исток, [Ом]
Uси
rси
Iс
Uзи const
Коэфф. усиления
по напряжению
Uси
Uзи
Iс const
Связь параметров
S rси
86

87.

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 стоком, общим затвором.
Наибольшее применение находит схема ОИ.
В рабочем режиме в цепи затвора протекает ток обратносмещенного
p-n-перехода, составляющий единицы наноампер.
Полевой транзистор с управляемым p-n переходом имеет высокое
входное сопротивление, что является одним из основных его
достоинств.
Еще одним достоинством транзисторов такого типа является меньшая
зависимость от температуры в сравнении с биполярным транзистором. Что
связано с тем, что ток вызван движением основных носителей заряда,
концентрация которых по большей степени определяется количеством
примеси, а не температурой. Также такие транзисторы обладают большей
стойкостью к ионизирующему излучению.
87

88.

8.2 МДП-транзисторы
В транзисторах этого типа затвор отделен от полупроводника (канала) слоем
диэлектрика. Если используется двуокись кремния SiO2, 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.
88

89.

МДП-транзистор со встроенным каналом
Структура
-
Обозначение
+ Uси
Ic
- Uзи
n+
С
p-
И
З
З
И
С
n+
Металл Al
n-канал
SiO2
С
канал n-типа
p-тип
И
З
p-канал
П -подложка
Транзистор может работать в двух режимах:
- обеднения,
- обогащения.
89

90.

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.
90

91.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом
Структура
-
Обозначение
+ Uси
С
Ic
+ Uзи
И
З
З
С
И
Металл Al
n-канал
SiO2
np+
n-
Индуцированный
канал
С
И
З
n-тип
П -подложка
p-канал
Транзистор может работать только в режиме обогащения.
91

92.

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.
92

93.

Обобщенная стокозатворная характеристика
транзисторов различного типа
р-канал
n-канал
С
С
С
З
И
Ic
З
З
И
З
С
И
И
С
З
И
Uзи.пор
Uзи.отс
Uзи
93

94.

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
Si3N4
SiO2
n+
n+
p-типа GaAs
p
П -подложка
94

95.

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.
95

96.

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.
С
Сзс
З
Сзи
rс
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
96

97.

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.
U вых U cи
Схема содержит
источник питания цепи стока Ес,
источник смещения Ез0 в цепи затвора, в
которой действует также источник
усиливаемого напряжения Uвх, резистор Rс
в цепи стока и резистор утечки Rз в цепи
затвора.
97

98.

Расчет по постоянному току (напряжениям)- статический режим.
Ec U си Rc I c
Ic, мА
Uси = 10В
РТ
4
Ic, мА
4
Uзи = 0
А
Uзи = 0,5В
I c0
I c0
РТ
2
2
Uзи = 1,0В
Б
- 2,0
- 1,0
Uзи, В
Uзи0
4
8
12
Uси0
Uзи = 1,5В
16
20
Uси, В
KU S Rс
98

99.

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.
99

100.

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 – RcIc уменьшается.
Выходное напряжение открытого ключа тем
меньше (что желательно), чем выше
сопротивление резистора Rс и больше ток
транзистора в режиме открытого канала.
100

101.

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.
101

102.

9. Операционные усилители
Операционный усилитель- устройство с большим коэффициентом усиления K0=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
Uвх1
Uвх
Дифф.
усилитель
Усилитель
напр..
Эмитт.
повтор.
Uвых Uвх2
Обозначения
+Uп
-
+
Uвых
-Uп
Идеальный ОУ
Инвертирующий
вход
K0=∞, Rвх=∞, Rвых=0
Uвых=K0(Uвх2-Uвх1)
102

103.

ОУ с отрицательной обратной связью
I2
I1
Z1
U вх
Идеальный ОУ
I1 I 2
U вх U вых
Z1
K ОУ
a
Uа
Z2
-
+
Замена
U вх U а U а U вых
Z1
K0
U вых
U вых K 0U a
Z2
Замена
U вых 1 K 0 1
K ОУ
Z2
Z2
Z 2 K 0 Z1 1 K 0 1
U вых
U вх
Учтем
K0
1
K ОУ
Z2
Z1
103

104.

9.1 Функциональные элементы на базе ОУ
Масштабный усилитель
Z1 R1 , Z 2 R2
R2
R1
-
U вх
+
Интегратор
U вых
U вх
Z1 R1 , Z 2 C
Для гармонических токов и
напряжений c частотой ω
С
Частотный
коэфф. передачи
R1
-
U вх
R2
K ОУ
R1
Усиление не зависит от
R
напряжения питания и
сопротивления нагрузки
U вых (t ) 2 U вх (t )
R1
U вых
+
U вых
1
Z2 С
j C
1
K ОУ
j R1C
Во временной области
1
U вых (t )
U вх t dt
R1C
R1C 100Tимп
104

105.

Для гармонических токов и
напряжений c частотой ω
Дифференциатор
Z1 С , Z 2 R2
1
Z1 С
j C
R2
С
-
U вх
Частотный коэфф. передачи
+
K ОУ j R2C
U вых
Во временной области
U вых (t ) R2C
U2
U1
dt
1
R2C
Tимп
100
Сумматор
U3
dU вх t
R1
Rос
R1
R1
+
Rос
U вых (t )
(U1 (t ) U 2 (t ) U 3 (t ))
R1
U вых
105

106.

Компараторы
Устройство сравнения величин двух сигналов для фиксации факта и момента их равенства.
Однопороговый двухвходовый компаратор
R1
U вх1
R2
U вх 2
U диф
Uвых≈Un*sign(Uдиф)
+
U вых
U вых
Un
U диф
U вх1
-Un
U вх 2
0
t1
t2
t
U вых
+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
106

107.

U вх 2
+
R2
+
R2
Rос
Положительная обратная связь
(ПОС)
Достоинство двухпорогового компаратора:
высокая помехоустойчивость
U вх U 0 cos( t )
Найти
U вх 2 U 0 cos( t )
U вых
Гистерезисный компаратор. Триггер Шмитта
R1
U вх
U вых
-
U вых (t )
U вх1 E const
Дано
Однопороговый одновходовый компаратор
R1
U вх1
-
U вых (t )
Найти
Коэфф. ПОС
R2
1
R2 Rос K 0
Два устойчивых состояния на выходе
U вых U или U вых U
Напряжения срабатывания и отпирания
U ср U , U от U
U
U вых
0
U ср
U от
U
U вх
107

108.

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
108

109.

Генератор прямоугольных импульсов (меандра)
Триггер Шмитта + ООС
U вх
С
R2
R2 R1
ООС
R3
Два состояния напряжений на выходе
+
R2
R1
U0
ПОС
U вых
U вых U или U вых U
U 0 U , U 0 U
Условие
U1
t
U вх t
U2
U
U вых t
t1
U
t2
(ПОС)
t3
t
U вх U 0 0
U1 U , U 2 U
Релаксационный генератор
Период колебаний
2 R1
T 2 R3C ln 2
R
2
109

110.

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)
yi f ( x1 , x2 , x3 .....xn )
yi
xn
Логическая функция
Аргументы логической функции
110

111.

Основные логические операции
Обозначение
Логическое сложение (дизъюнкция)
y x1 x2 x1 x2
x1
x2
y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
+
x1
x2
1
ИЛИ
OR
Схемная реализация
Графическое
обозначение
Таблица истинности
Операция
x1
y
x2
y
I
U=RI
111

112.

Логическое умножение (конъюнкция)
Обозначение
y x1 x2 x1 x2
x1
x2
y
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
x1
x2
&
И
AND
Схемная реализация
Графическое
обозначение
Таблица истинности
Операция
x1
I
+Uп
y
x2
y
U=Un-RI
112

113.

Логическая инверсия
Операция
Обозначение
y x
x
y
0
1
1
0
x
1
NOT
Схемная реализация
I
Графическое
обозначение
Таблица истинности
x
НЕ
+Uп
y
y
x
U=Un-RI
113

114.

Базовые логические элементы
На основе базовых логических элементов можно реализовать логические функции
любой степени сложности
Функция Пирса
Функция Шеффера
ИЛИ-НЕ
y x1 x2 x1 x2
Таблица
истинности
x1
x2 y
0
0
1
0
1
0
1
0
1
1
И-НЕ
y x1 x2 x1 x2
Таблица
истинности
Графическое
обозначение
x1
x2 y
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
x1
x2
1
y
Графическое
обозначение
x1
&
y
x2
На основе базовых элементов реализуются цифровые микросхемы
различной степени интеграции (определяется количеством элементов в 1
корпусе, например СБИС — более 10 тыс. элементов в кристалле)
114

115.

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.
115

116.

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.
116

117.

КМОП (КМПД) - логика- комплиментарные полевые транзисторы со структурой металлокисел-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.
117

118.

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”.
118

119.

Основные характеристики микросхем логики
U0, В – значение напряжения уровня логического нуля;
U1, В - значение напряжения уровня логической единицы;
P, мВт – средняя потребляемая мощность;
Eп., В – напряжение источника питания в вольтах;
F, мГц – предельная частота переключения,
Параметры
ТТЛ
КМОП
ЭСЛ
U0 , В
0.3-0.4
0-0.3
-1.6
U1 , В
2.4-2.7
3..15
-0.9
Еп , В
+5
+3..15
-5.2
P, мВт
1..40
0.1
35..70
Fпр , МГЦ
3-60
3-8
2000
119

120.

Пример схемной реализации логической функции
1) Получение таблицы истинности логической функции у=f(a,b,c)
а
b
c
y
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
2а) Представление y в совершенной
дизъюнктивной нормальной форме
СДНФ
Для y=1 минитермы
y abc abc abc abc
или
2б) Представление y в совершенной
конъюктивной нормальной форме
СКНФ
Для y=0
макстермы
a b c, a b c , a b c, a b c
y (a b c)(a b c )(a b c)(a b c )
120

121.

3) Реализация логической схемы по логической функции
y (a b c)(a b c )(a b c )(a b c )
СКНФ
1
a
1
1
b
1
c
1
&
y
1
1
4) Схемная реализация на основе выбранного типа цифровых микросхем
121

122.

Дешифраторы
Дешифратор (декодер)-комбинационная схема преобразующая n-разрядное
двоичное число в m-разрядный унитарный код.
Содержит n входов и m=2n 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 2x4
Лог. функция
Таблица истинности дешифратора
x1
x2
y4
y3
y2
y1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
0
y 2 x1 x2
1
0
0
1
0
0
1
1
1
0
0
0
y3 x1 x 2
y1 x1 x 2
y 4 x1 x2
Широко используются дешифраторы 3x8, 4x16, 8x256
122

123.

Пример схемотехнической реализации дешифратора 2x4
Графическое обозначение дешифратора
3x8
x
y
DC
E
Стробирующий сигнал
E=0 Выходные сигналы =0
E=1 Выходные сигналы – унитарный код
123

124.

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
8x3
y
3x8
CD
E
Стробирующий сигнал
E=0
E=1
Выходные сигналы =0
0
8x3
0
DC
CD
7
E
7
E
Замена входного кода символа на
код выходного символа согласно таблице подстановки
Вход
Выход
011
101
124

125.

Мультиплексоры
Графическое обозначение
Выход
x1
MS
x2
y
a
b
c
d
E
Данные
Адрес
Пример реализации
x1
DC
x2
a
b
c
E- cтробирующий сигнал
d
&
1
&
y
&
&
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)
125

126.

Демультиплексоры
Пример реализации
Адрес
Графическое обозначение
Данные
Выход
DMS
D
y0
x1
y1
y2
x2
y3
E
E- cтробирующий сигнал
X1
X2
y3
y2
y1
y0
1
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
0
1
1
1
1
0
0
0
x1
MS
x2
a
b
c
d
D
Адрес
D
x3
x4
E
Назначение демультиплексоров
-преобразование последовательных кодов в параллельные
-разделение единого входного потока данных на несколько выходных
потоков
DMS
y0
y1
y2
y3
E
126

127.

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
yi ai bi ai bi
Пример реализации для одного разряда двоичных чисел
ai
1
bi
&
1
1
yi
&
127

128.

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).
128

129.

Асинхронный и синхронный RS - триггер
Пример реализации
Асинхронный RS-триггер
S
R
T
S
Q
R
S
&
&
Q
Q
Таблица истинности
R
S
Q(t)
Q(t+1)
Пояснения
0
0
0
0
Режим хранения
0
0
1
1
информации R=S=0
0
1
0
1
Режим установки
0
1
1
1
единицы S=1
1
0
0
0
Режим записи нуля R=1
1
0
1
0
1
1
0
*
R=S=1 запрещенная
1
1
1
*
комбинация
Синхронный RS-триггер
S
C
R
S TT
R
S
R
Q
Q
Q
Временная диаграмма
Q
R
&
&
Q
t
t
t
t
129

130.

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
C
D
&
Q
&
Q
C
Синхронный
RS-триггер
Q
1
&
&
Q
Временная диаграмма
t
C
t
D
t
Q
Запись 1
Запись 0
Запись 1
Назначение – ячейка для хранение бита информации
130

131.

T-триггер
Т-триггер переключается каждым импульсом подаваемым на единственный вход T.
Пример реализации
Графическое обозначение
T-триггер
T
S TT
Q
T
R1
R
S1
S TT
C
T1
R
S TT
C T2
R
Q1
Q2
1
t
t
R1
t
Q1
t
Q2
Q2
Q
Временная диаграмма
T
S1
Q1
t
131

132.

JK-триггеры
Таблица истинности
JK-триггер
J
C
K
J T
C
K
Q
Q
Jt
Kt
Qt
Q(t+1)
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
1
0
J=1, K=1 – счетный режим
132

133.

Регистры
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
представления делятся на
• Последовательные
• Параллельные
• Последовательно-параллельные
Логические операции и преобразования
• Умножение и сложение
Преобразование кодов
• последовательный - параллельный
• прямой – обратный
Сдвиг двоичных чисел
(сдвигающие регистры)
• Прямой (вправо в сторону млад. разрядов)
• Обратный (влево в сторону старш.
разрядов)
• Реверсивный –прямой/обратный
• Кольцевые регистры (кольцевые счетчик)
(последовательный регистр у которого вход
соединен с выходом)
133

134.

n-разрядный параллельный регистр (реализация)
x1
x0
………..
xn
Dir
&
S TT Q0
&
R
&
1
&
&
S TT Q1
R
1
&
WR
Inv
CL
y0
Запись в регистр происходит в два такта
вход триггера
1 такт CL=1
WR=0
2 такт CL=0
WR=1
выход триггера
Q0 =0…Qn =0
y0 =0…. yn =0
Q0 =x0…Qn =xn
y1
Хранение
/чтение
yn
Обратный
код
Прямой
код
CL=0
Dir=0
Dir=1
WR=0
Inv=1
Inv=0
y x
y=x
134

135.

Последовательный 4-разрядный регистр (реализация)
135

136.

Счетчики
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=2n-1
Типы счетчиков
-суммирующие
-вычитающие
-реверсивные
По способу переключения
-асинхронные (переключение разрядов последовательное)
-синхронные (переключение разрядов одновременное)
Назначение
-таймеры
-делители частоты
- и т.д.
136

137.

Графическое изображение
Счетный
вход
\+1CT Q0
Выход
Q1
Q2
R CR
Перенос единицы
Сброс
Обозначения
+1- суммирующий счетчик
-1- вычитающий
Полярность переключения
\ - при переходе 1 – 0 счетного
импульса
/- при переходе 0 – 1 счетного
импульса
IN
Асинхронный суммирующий счетчик с непосредственными связями
\ +1 T1
R
Q0
\
T2
Q1
\
R
T3
Q2
R
Reset (1)
IN
Q0
Q1
Q2
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Временная диаграмма
x
x
t
137

138.

Асинхронный вычитающий счетчик с непосредственными связями
S1
S0
IN
\ -1 T1
Q0
R
S2
\
T2
R
\
Q1
T3
R
Q2
Reset (1)
Таблица переходов
N импульса
на входе
S0
S1
S2
Q0
Q1
Q2
0
1
0
1
1
0
0
1
2
1
1
0
….
…
…
….
138

139.

Суммирующий синхронный счетчик
&1
&3
&2
+1
J T1
Q1
C
K
R
T
J T2
Q2
C
K
R
J T3
Q3
C
K
R
J T4
Q4
C
K
R
Reset (0)
T1- переключается счетными импульсами T
Условия переключения остальных триггеров
T2
T3
T4
Q1=1
Q1=1 & Q2=1
Q1=1 & Q2=1 &
Q3=1
139

140.

Арифметико-логические устройства
(АЛУ)
АЛУ- функционально законченный узел ЭВМ, предназначенный для реализации
логических и арифметических операций по обработке информации.
Эти операции могут выполняться аппаратным либо программным способом .
Структурная схема АЛУ
Регистр
состояний
Блок
управления
Вх1
Буферный
регистр 1
АЛУ
Вых1
Вх2
Аккумулятор
Буферный
регистр 2
Шина данных
Вых2
Буферные регистрывременное хранение nразрядных слов
Аккумуляторвременное хранение
результатов текущих или
предыдущих операций
Регистр состоянийслужебная информация
о результатах операций
Основные выполняемые
операции
• сложение (ариф. И лог.)
• вычитание (ариф. И лог.)
• инверсия
• сдвиги разрядов
• Декременты/Инкременты
Более сложные операции (умножение, деление) выполняются как правило программным путем
140

141.

Пример обозначения конкретного АЛУ в интегральном исполнении
4-разрядное АЛУ, 16 арифметических и 16
логических операций
P0
A0
B0
A1
B2
A2
B2
A3
B3
S0
S1
S2
S3
M
ALU
G
H
Pn
М=1 арифметические операции
M=0 логические
P0, Pn- разряды переносов
F0
F1
А0,B0…A3,B3 – входные данные
(4-разрядные слова)
F0…F3- выходные данные
F2
F3
S0…S3- коды возможных операций (всего 16)
G,H,K- организация многоразрядных вычислений
K
141

142.

Сумматоры
Сумматор –комбинационное логическое устройство предназначенное для
выполнения операций арифметического сложения чисел, представленных в виде
двоичных кодов.
Таблица истинности сложения
одноразрядных двоичных кодов
x1
x0
s
p
s x1 x0 x1 x0 ,
0
0
0
0
p x1 x0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
Исключающее ИЛИ
(XOR)
s
x1 x0
142

143.

Классификация сумматоров
Полусумматор- сложение двух одноразрядных кодов
Содержит два входа, два выхода (сумма и перенос в старший разряд)
Одноразрядный сумматор- сложение двух одноразрядных кодов
Содержит три входа (данные и перенос) , два выхода (сумма и перенос в старший
разряд )
Многоразрядный сумматор – сложение n-разрядных кодов
Содержит 2n входов, n+1 выходов (сумма и перенос в старший разряд)
Последовательные
(суммирование
последовательное
разряд за разрядом)
Параллельные
(суммирование
одновременное по всем
разрядам)
Комбинационные
сумматоры
(без собственной памяти)
Накапливающие
сумматоры
(с собственной внутренней памятью)
Синхронные сумматоры
(время выполнения не зависит
от входных кодов)
Асинхронные сумматоры
(время выполнения зависит от
входных кодов)
Системы счисления сумматоров:двоичные, двоично-десятичные и т.д.
143

144.

Двоичный полусумматор
Реализация на базе ЛЭ И-НЕ
x1
&
&
&
x1 x0
=1
x0
&
&
x1
Графическое
обозначение
XOR
x0
Таблица
истинности И-НЕ
x0
x1
y
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
Реализация полусумматора
Обозначение
x1
x0
=1
&
s
p
a
b
SM
s
p
144

145.

Одноразрядный сумматор
x1
a
SM
s
a
SM
s
s
Выполнить проверку
x0
b
p
b
p
1+1=?
1
p-1
p
Таблица истинности ИЛИ
x1 x2 y
Обозначение
0
0
0
a
0
1
1
1
0
1
1
1
1
SM
s
b
p-1
p
145

146.

Многоразрядный сумматор
(параллельный с последовательным переносом)
x0
x1
Z
a SM s
&
s0
&
s1
b
Z-шина стробирования
p
x2
x3
x4
x5
x6
x7
a SM s
b
p-1
p
Таблица истинности И
a SM s
b
p-1
&
s2
p
a SM s
&
b
p-1
&
p
s3
x1
x2 y
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
p
146

147.

Многоразрядный сумматор
последовательного действия
x 0 (D 0 )
x0
x n 1
Qn
D0
Q
Dn-1 RG 0
Dn
Qn
C
a
SM
s
C
b
y0
y n 1
p-1
V
RG Q0
Qn
p
D0
Q
Dn-1 RG 0
Dn
Qn
C
D T
pn+1
Q
C
C
Q
Временная диаграмма
147

148.

Вычитание двоичных чисел
Представление отрицательных
двоичных чисел
Ст. р.
Мл. р.
1001
1 – в старшем разряде интерпретируется как знак «-» (минус)
0- в старшем разряде интерпретируется как знак «+»(плюс)
Пример
1001=-110
Основная идея- замена операции вычитания операцией сложения
Алгоритм
1. Вычитаемое представляется в дополнительном коде
т.е. а) Поразрядная операция инверсии, б)Прибавление к результату единицы
2. Операция сложения кода уменьшаемого (прямой код) с кодом вычитаемого
(дополнительный код)
3.Результат
Старший разряд 0 –получено положительное число в прямом коде
Старший разряд 1-получено отрицательное число в дополнительном коде
4. Если необходимо, преобразование результата из дополнительного кода в прямой
Пример
1) 31-12=?
2) 12-31=?
148

149.

Пример 1
Прямые коды
12=00001100
31=00011111
Обратный код вычитаемого (12)
00001100 11110011
Дополнительный
11110011+00000001=11110100
Сложение
00011111+11110100=100010011
9 разряд отбрасывается
Старший разряд (8)=0
Результат положительное число
в прямом коде
00010011=1910
Пример 2
Обратный код вычитаемого (31)
00011111 11100000
Дополнительный
11100000+00000001=11100001
Сложение
00001100+11100001=11101101
Старший разряд (8)=1
Результат отрицательное
число в дополнительном коде
11101101
Преобразование в прямой код
11101101 00010011
С учетом знака ответ -1910
149

150.

Двоично-десятичный счетчик
Дв. код
Двоично
-десятичный код
Двоично-дес. код
Десятичное число
0000
0000
0
0001
0001
1
0010
0010
2
0011
0011
3
0100
0100
4
0101
0101
5
0110
0110
6
0111
0111
7
1000
1000
8
1001
1001
9
1010
0001
0000
10
1011
0001
0001
11
1100
0001
0010
12
1101
0001
0011
13
1110
0001
0100
14
1111
0001
0101
15
150

151.

Пример реализации
s0
DD1
X0
X3
Y0
Y3
a
.0
.
a3
SM
b
.0
.
b3
s0
a0
s1
a1
s2
b0
s3
p
SM
a2
1
11
«0»
DD2
&
DD3
b1
s0
s1
s1
s2
s2
s3
p
b2
DD5
1
p
DD4
Пример
0111+0100=?
151

152.

Арифметическое сложение
Пример: умножение двухразрядных двоичных чисел
b1
b0
b 0 a0
&
x
+
M3
a1
a0
b1
b0
b 0 a1
&
b 1 a1 b 1 a0
a SM s
b 0 a1 b 0 a0
M2
M1
b 1 a0
&
M0
b
p
p
b 1 a1
&
a SM s
b
p
a1
a0
p
M3 M2 M1 M0
152