Принципы построения цифровых вычислительных систем. Часть III

1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Часть III

2. Классификация материалов по электропроводности

2
Классификация материалов по
электропроводности
Электропроводность (электрическая проводимость, проводимость)
способность тела пропускать электрический ток под воздействием
электрического поля, а также физическая величина, количественно
характеризующая эту способность.
Удельная электропроводность — величина, обратная удельному
сопротивлению единичного объёма вещества, заключенного между
двумя параллельными электродами, имеющими площадь по 1 м и
расположенными на расстоянии 1 м друг от друга.
Единица измерения удельной электропроводности [Ом·м] или [См/м].
• Металлы — 0.5 ·10-4 …0.5 ·10-3 Ом·м
• Полупроводники — 10-3…105 Ом·м
• Диэлектрики — 106…1017 Ом·м

3. Свойства полупроводников

3
Свойства полупроводников
Удельное сопротивление полупроводников уменьшается с повышением температуры, в отличие от металлов, у которых удельное
сопротивление с повышением температуры увеличивается.
Удельная электропроводность полупроводников увеличивается
под воздействием освещения.
Нелинейная зависимость закона Ома контактов разнородных полупроводников и контактов полупроводников с металлами.

4. Модель атома по Н.Бору

4
Модель атома по Н.Бору
Атом состоит из ядра и окружающего его электронного «облака».
Электроны в электронном облаке несут отрицательный электрический
заряд. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Протоны, входящие в
состав ядра, несут положительный заряд, нейтроны — нейтральны.
Число протонов в ядре в точности равно числу электронов в электронном облаке, поэтому атом в целом – нейтральная частица.
Размер атома - диаметр его электронной оболочки ~ от 0,3 до 2,6 Ă
(Ă = 10–8 см). Если атом увеличить до размеров Земли, то ядро имело
бы всего около 60 м в диаметре. Электрон – квантовая частица.

5. Ковалентная связь

5
Ковалентная связь
Ковалентной связью называется связывание атомов с помощью
общих (поделенных между ними) электронных пар, "ко-" означает
"совместное участие", а "валента" – сила, способность атомов
связываться с другими атомами. В новой (молекулярной) оболочке
электроны обобществлены. Когда электронные оболочки двух атомов
водорода сближаются и образуют новую, теперь уже молекулярную электронную оболочку, суммарная энергия новой системы – молекулы
водорода – оказывается гораздо ниже суммарной энергии двух
несвязанных атомов водорода. При этом выделяется теплота.

6. Ковалентные связи кремния

6
Ковалентные связи кремния
Оксид кремния SiO2 – строение атомного кристалла
Четыре орбитали валентных электронов внешней оболочки
кремния расположены под углом 109.5О по отношению друг к
другу и направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого
находится ядро атома кремния. В вершинах тетраэдра находятся атомы кислорода, обобществившие с атомом кремния свои
валентные электроны. Такие кристаллы называются ковалентными каркасными кристаллами или атомными кристаллами.

7. Кристаллическая решетка кремния

7 Кристаллическая решетка кремния
Кристаллическая решетка кремния (как и германия) кубическая
гранецентрированная типа алмаза. Каждый атом кремния в
структу-ре кристалла расположен в центре
тетраэдра, вершинами которого служат четыре
ближайших атома. Каждый из атомов связан со своими четырьмя ближайшими соседями, симметрично
расположен-ными по тетраэдра, «прочной»
химической связью — ковалентной.

8. Движение электрона в периодическом поле кристалла под действием внешнего поля

8 Движение электрона в периодическом поле
кристалла под действием внешнего поля
Под действием внешней силы F, возникающей при наложении электрического поля E, электрон в периодическое поле решетки кристалла
движется в среднем так, как двигался бы под действием этой силы
свободный электрон некоторой массы m*, называемой эффективной
массой электрона в решетке.
Эффективная масса является величиной тензорной и свидетельствует об
анизотропии кристаллов, обусловливающей анизотропию динамических
свойств электронов при их движении в поле решетки.

9. Собственная проводимость кремния

9
Собственная проводимость кремния
Обобществленные валентные электроны принадлежат всему кристаллу.
При нагревании кристалла или при облучении его светом электроны
приобретают энергию активации, разрывают ковалентную связь и становятся свободными, и на локализованной связи образуется вакансия.
Вакансия так же, как и свободный электрон, перемещается по объему
полупроводника, ведет себя как частица, поэтому формально её
рассматривают как квазичастицу — носитель положительного заряда,
который получил собственное название — дырка (hole).

10. Квазичастицы во внешнем поле

10
Квазичастицы во внешнем поле
Во внешнем электрическом поле электроны перемещаются в сторону,
противоположную направлению напряженности электрического поля.
Положительные дырки перемещаются в направлении напряженности
электрического поля. У чистых полупроводников число электронов
проводимости всегда равно числу дырок. Поэтому говорят, что чистые
полупроводники обладают электронно-дырочной проводимостью, или
собственной проводимостью.

11. Примесная проводимость кремния

11 Примесная проводимость кремния
Донорная примесь: n-тип
Акцепторная примесь: p-тип
Донорные примеси легко отдают электроны и, следовательно, увеличивают
число свободных электронов, и в кристалле возникает электронная примесная
проводимость.
Акцепторные примеси, захватывая электроны и создавая тем самым подвижные дырки, не увеличивают при этом числа электронов проводимости. Основные носители заряда в полупроводнике с акцепторной примесью — дырки, а
неосновные — электроны.

12. Электронно-дырочный переход

12 Электронно-дырочный переход
Электроны и дырки на границе диффундируют в смежные области.
В результате диффузии между p- и n-областями образуется двойной
электрический слой разноименно заряженных ионов, толщина
которого не превышает долей микрометра. Между слоями ионов
возникает электрическое поле р-n-перехода E, препятствующее
дальнейшему переходу электронов и дырок через границу раздела двух
полупроводников.Запирающий слой имеет повышенное сопротивление
по сравнению с остальными объемами полупроводников.

13. P-N-переход в электрическом поле

13 P-N-переход в электрическом поле
При включении p-n-перехода в «обратном» направлении электроны в
n-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике под действием электрического поля будут перемещаться от границы раздела в противоположные стороны, что приводит к утолщению запирающего слоя и увеличению его сопротивления, p-n-переход практически не проводит ток.
При включении p-n-перехода в «прямом» направлении электроны в
n-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике будут двигаться
навстречу друг другу к границе раздела полупроводников. Толщина
запирающего слоя и его сопротивление при этом непрерывно
уменьшаются. Электрический ток проходит через р-n-переход.

14. P-N-переход - полупроводниковый диод

14 P-N-переход - полупроводниковый диод
Диод проводит ток в «прямом» направлении и не проводит в «обратном».
Основное свойство диода - односторонняя проводимость - используется
для «выпрямления» переменного тока: создания пульсирующего тока
односторонней направленности. (Ламповый диод изображен для сравнения.)
В цифровой технике односторонняя проводимость используется при
создании логических элементов — логических вентилей.

15. Типы диодов

15
Типы диодов
а) выпрямительные, высокочастотные, СВЧ, импульсные и диоды
Гана; б) стабилитроны; в) варикапы; г) туннельные диоды;
д) диоды Шоттки; е) светодиоды; ж) фотодиоды; з) выпрямительные сборки: диодные «мостики».
Светодиод или светоизлучающий
диод — полупроводниковый прибор
с p-n-переходом, создающий оптическое излучение при пропускании
через него электрического тока.
Элементы индикации в цифр.системах.

16. Биполярные транзисторы

16
Биполярные транзисторы
Базовая область делается тонкой, чтобы носители заряда могли достичь
обратно смещенного коллекторного перехода.
Площадь переходов делается большой, чтобы большое количество носителей смогло достичь коллекторного перехода, не рекомбинируя в базе.
Область базы слабо легирована, также, чтобы снизить процент рекомбинации. Основной принцип: малый ток рекомбинации базы является той
«задвижкой», которая управляет большим током коллектора.

17. Принцип работы БПТ

17
Принцип работы БПТ
Ток коллектора связан с током базы соотношением: IК = h21IБ ;
где h21—коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером

18. Усилительный каскад на БПТ

18 Усилительный каскад на БПТ
Транзистор, как и лампа, перераспределяет энергию источника питания
между резистором нагрузки и сопротивлением участка К-Э по закону
слабого сигнала на базе в схеме делителя напряжения (схема ОЭ).

19. Типы биполярных транзисторов

19 Типы биполярных транзисторов
Транзистор можно проверить на исправность как два диода,
соединенных по выводу базы.

20. Устройство биполярных транзисторов

20 Устройство биполярных транзисторов
Коллектор обычно выполняется так, чтобы он «охватывал» область
базы и «собирал» все носители заряда.
На коллекторе также рассеивается тепловая мощность.

21. Транзистор в ключевом режиме

21 Транзистор в ключевом режиме
Схема с общим эмиттером является инвертором входного сигнала: когда
есть сигнал на базе и ток базы, напряжение на коллекторе близко к 0 В.

22. Изобретение БП Транзистора

22
Изобретение БП Транзистора
Первый работоспособный транзистор появился на свет в 1947 году,
создали его Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн
получившие в 1956 году Нобелевскую премию по физике.

23. Полевой (униполярный) транзистор

23 Полевой (униполярный) транзистор
Полевой транзистор является твердотельным аналогом электронной
лампы. Электрическим полем, приложенным к затвору относительно ис-
тока и подложки в ПТ можно отталкивать или притягивать носители заряда, тем самым создавая проводящий канал или прекращая ток во встроенном канале. Транзисторы со встроенным каналом и с индуцированным каналом — разновидности МДП-(МОП)-транзисторов.

24. Типы полевых МОП транзисторов

24 Типы полевых МОП транзисторов
ПТ имеют три электрода — исток (source), сток (drain),
и затвор (gate).
ПТ с каналом n-типа и p-типа являются комплиментарными по
отношению друг другу так же, как биполярные p-n-p и n-p-n —
транзисторы

25. Усилительный каскад на ПТ

25
Усилительный каскад на ПТ
ПТ также перераспределяет энергию источника питания между резистором нагрузки и сопротивлением участка С-И по закону слабого сигнала
на затворе (gate) в схеме делителя напряжения (схема ОИ).
MOSFET расшифровывается как Metal — Oxide — Semiconductor
— Field — Effect (металл – оксид – полупроводник – эффект поля).

26. Каскад на ПТ в ключевом режиме

26 Каскад на ПТ в ключевом режиме
ПТ в отличие от биполярного транзистора управляется напряжением
на затворе. У ПТ высокое входное сопротивление и тока затвора
практически нет.
В зависимости от типа используемого ПТ, напряжение на затворе
вызывает ток в канале и ПТ открывается. При 0В на затворе он закрыт,
то есть ключевой каскад на ПТ является инвертирующим.

27. Соглашение положительной логики

27 Соглашение положительной логики
Уровень логического «0» соответствует падению напряжения на
открытом транзисторе. Диапазон «неопределенного состояния»
определяет степень помехозащищенности логических схем.

28. Диодно-транзисторная логика «И»

28 Диодно-транзисторная логика «И»
Конъюнкция, логическое умножение «И» избирательно реагирует
на совпадение прямых сигналов (лог. «1»).

29. Диодно-транзисторная логика «ИЛИ»

29 Диодно-транзисторная логика «ИЛИ»
Дизъюнкция, логическое сложение «ИЛИ» избирательно реагирует
на совпадение инверсных сигналов (лог. «0»).

30. Диодно-транзисторная логика

30
Диодно-транзисторная логика
«2И-НЕ» — штрих Шеффера ; «2ИЛИ-НЕ» — стрелка Пирса
«2И-НЕ» — универсальный логический элемент.

31. Транзисторно-транзисторная логика

31 Транзисторно-транзисторная логика
«2И-НЕ» универсальный логический элемент транзисторно-транзисторной логики «ТТЛ» содержит многоэмиттерный транзистор на входе,
выполняющий логическую функцию и сложный инвертор на выходе.

32. КМОП-логика (логический базис)

32 КМОП-логика (логический базис)
«2И-НЕ»
«2ИЛИ-НЕ»
«НЕ»
Элементы «КМОП» логики схемотехнически просты, поэтому они
являются элементной базой цифровых микропроцессорных БИС.

33. Устройство логических микросхем

33 Устройство логических микросхем
ТТЛ-микросхемы оказались более технологичны для массового производства и при этом превосходили по параметрам ранее выпускавшиеся серии
микросхем (резисторно-транзисторная и диодно-транзисторная логика)

34. Макетирование логических схем

34
Макетирование логических схем
Макет схемы исследования логической функции ТТЛ-микросхемы 2И-НЕ
К155ЛА3. Светодиод используется в качестве логического индикатора.

35. Переходная характеристика ТТЛ

35
Переходная характеристика ТТЛ
Элемент логической ТТЛ-микросхемы в зоне неопределенности представляет собой инвертирующий усилитель с большим коэффициентом усилен.
Аналоговые свойства логических вентилей ТТЛ-микросхем используются
при создании автогенераторов прямоугольных импульсов.

36. Свойства логических вентилей

36 Свойства логических вентилей
• Вентиль «ИЛИ»
“прозрачен” по “0”
• Вентиль «И»
“прозрачен” по “1”

37. THE END!

38. Задание №1

Лифт поедет, если в кабине есть пассажиры И двери
кабины закрыты И нажата кнопка 1-го ИЛИ 2-го ИЛИ
3-го ИЛИ … ИЛИ 9-го этажа И вес пассажиров НЕ
превышает максимально дозволенный.
Составить электрическую схему лифта, включающую
в себя Э.Д.С. питания, двигатель и механические
выключатели.

39. Задание №2

Лифт поедет, если в кабине есть пассажиры И двери
кабины закрыты И нажата кнопка 1-го ИЛИ 2-го ИЛИ
3-го ИЛИ … ИЛИ 9-го этажа И вес пассажиров НЕ
превышает максимально дозволенный.
Составить схему управления лифтом, включающую в
себя Э.Д.С. питания, двигатель, датчики на замыкание,
мощный MOSFET-ключ и необходимые логические
элементы.

40. Задание №3

Время включения логического инвертора серии К155
составляет примерно 25 нс, время выключения —
примерно 15 нс.
Разработать
схему
генератора
прямоугольных
импульсов на логических инверторах с частотой
повторения ориентировочно 5 МГц, без применения
дополнительных времязадающих элементов.