Основы цифровой схемотехники. Часть VI

1. Основы цифровой СХЕМОТЕХНИКИ Часть VI

2. P-N-переход - полупроводниковый диод

2
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.

3. Транзистор в ключевом режиме

3
Транзистор в ключевом режиме
Режим, или класс D — режим, в котором активные элементы каскада
работают в ключевом (импульсном) режиме. Схема с общим эмиттером
является инвертором входного сигнала: когда есть сигнал на базе и
ток базы, напряжение на коллекторе близко к 0 В.

4. Типы полевых МОП транзисторов

4
Типы полевых МОП транзисторов
ПТ имеют три электрода — исток (source), сток (drain),
и затвор (gate), ПТ — практически аналог лампы.
ПТ с каналом n-типа и p-типа являются комплементарными по
отношению друг другу так же, как биполярные p-n-p и n-p-n —
транзисторы

5. Усилительный каскад на ПТ

5
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).

6. Каскад на ПТ в ключевом режиме

6
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.

7. Соглашение положительной логики

7
Соглашение положительной логики
Уровень логического «0» соответствует падению напряжения на
открытом транзисторе. Диапазон «неопределенного состояния»
определяет степень помехозащищенности логических схем.

8. Диодно-резисторная логика «И»

8
Диодно-резисторная логика «И»
Конъюнкция, логическое умножение «И» избирательно реагирует
на совпадение прямых сигналов (лог. «1»).

9. Диодно-резисторная логика «ИЛИ»

9
Диодно-резисторная логика «ИЛИ»
Дизъюнкция, логическое сложение «ИЛИ» избирательно реагирует
на совпадение инверсных сигналов (лог. «0»).

10. Диодно-транзисторная логика

10
Диодно-транзисторная логика
«2И-НЕ» — штрих Шеффера ; «2ИЛИ-НЕ» — стрелка Пирса
«2И-НЕ» — универсальный логический элемент.

11. Транзисторно-транзисторная логика

11 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.

12. КМОП-логика (логический базис)

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

13. Устройство логических микросхем

13 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)

14. Макетирование логических схем

14
Макетирование логических схем
Макет схемы исследования логической функции ТТЛ-микросхемы 2И-НЕ
К155ЛА3. Светодиод используется в качестве логического индикатора.

15. Свойства логических вентилей

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

16. Переходная характеристика ТТЛ

16
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.

17. Общие сведения об автогенераторах

17 Общие сведения об автогенераторах
Электронные цепи, в которых периодические изменения напряжения и тока возникают без приложения к ним дополнительного
периодического сигнала, называются автономными автоколебательными цепями, а устройства, выполненные на их основе, —
автогенераторами или генераторами колебаний соответствующей формы. Эти цепи следует рассматривать как
преобразователи энергии источника питания постоянного тока в
энергию периодических электрических колебаний.
Автогенераторы можно разделить на генераторы импульсов и
генераторы синусоидальных колебаний. Генераторы импульсов
в зависимости от формы выходного напряжения делят на
генераторы: напряжения прямоугольной формы (ГПН);
напряжения экспоненциальной формы; линейно изменяющегося
напряжения (ГЛИН); напряжения треугольной формы; ступенчато
изменяющегося напряжения; импульсов, вершина которых имеет
колоколообразную форму (блокинг-генератор).

18. Генераторы синусоидальных колебаний

18 Генераторы синусоидальных колебаний
Генераторы синусоидальных колебаний классифицируют по
типу колебательной системы и подразделяют на: LC–
автогенераторы; RС–автогенераторы; генераторы с кварцевой
стабилизацией частоты; генераторы с электромеханическими
резонансными системами стабилизации частоты. Для получения
незатухающих колебаний во всех названных автогенераторах
используются компоненты электроники, на вольт-амперных
характеристиках которых имеется или создан с помощью цепи
положительной ОС участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В большинстве автогенераторов ныне
используются электронные усилители с положительной ОС.
Генераторы синусоидального напряжения отличаются тем, что у
них цепь обратной связи имеет резонансные свойства. Поэтому
условия возникновения колебаний выполняются только на одной
частоте. В качестве резонаторов, обеспечивающих получение
резонансных
свойств,
используют
LC-контуры,
RС-цепи
определенного вида, кварцевые резонаторы, электромеханические
колебательные системы.

19. Режимы возникновения автоколебаний

19 Режимы возникновения автоколебаний
Различают «мягкий» и «жесткий» режимы возбуждения
генераторов. При мягком режиме петлевое усиление больше
единицы в момент включения напряжения питания. Тогда любые
шумы или возмущения в системе, вызванные случайными
факторами, усиливаются и через цепь обратной связи подаются на
вход усилителя в фазе, совпадающей с фазой входного сигнала,
причем величина этого дополнительного сигнала больше того
возмущения, которое вызвало его появление. Соответственно
увеличится выходное напряжение, что приведет к дальнейшему
увеличению входного сигнала и т.д. В итоге случайно возникшее
возмущение приведет к непрерывному нарастанию выходного
сигнала, которое достигло бы бесконечного большого значения,
если бы это было возможно. Однако при определенном уровне
сигнала начинают проявляться нелинейные свойства электронного
усилителя. Коэффициент усиления начинает уменьшаться с
увеличением значения сигнала в системе. Амплитуда автоколебаний
стабилизируется и автогенератор начинает давать колебания,
имеющие постоянную амплитуду.

20. Жесткий режим возбуждения

20
Жесткий режим возбуждения
Жесткий режим возбуждения отличается от рассмотренного
ранее мягкого режима тем, что при нем для возникновения автоколебаний необходимо приложить к устройству дополнительный
внешний сигнал, не меньший определенного значения. Это связано
с особенностями нелинейности усилительного устройства. В
момент включения напряжения питания автоколебания отсутствуют.
Сами собой возникнуть не могут. Коэффициент усиления К зависит
от амплитуды выходного сигнала. Поэтому если на вход усилителя
подать дополнительный электрический
сигнал, то при
определенном его значении начнет выполняться условие
возникновения автоколебания, амплитуда которых будет нарастать и
примет в итоге стационарное значение.
При приложении входного сигнала он усиливается и снова подается
на вход. Процесс увеличения амплитуды прекратится при
достижении выходным сигналом определенного значения. Если
каким-либо путем амплитуду выходного сигнала уменьшить до
значения, меньше этого, то автоколебания прекратятся.

21. Генераторы периодических сигналов

21 Генераторы периодических сигналов
Генератор, в принципе, может быть построен на любом
усилительном элементе, охваченном положительной обратной
связью. Обобщённая схема генератора незатухающих колебаний
приведена на рисунке:
1.
2.
Для самовозбуждения колебаний в такой схеме необходимо
выполнить два условия: Баланс фаз и Баланс амплитуд.
Баланс амплитуд выполняется в случае, когда произведение
коэффициента усиления усилителя K и коэффициента передачи
цепи обратной связи B будет больше единицы.
Баланс фаз выполняется, если сумма фазового сдвига усилителя a и фазового сдвига цепи обратной связи ф будет равным 0°
или 360°.

22. Мультивибраторы

22
Мультивибраторы
Распространённой схемой генераторов на логических элементах
является схема мультивибратора. В этой схеме для реализации
положительной обратной связи используется два инвертора.
Каждый из усилителей осуществляет поворот фазы генерируемого
сигнала на 180°. В результате реализуется баланс фаз.
Коэффициент усиления каждого из усилителей определяется
соотношением номиналов резисторов R2/R1 и R4/R3. В этой схеме
возможна независимая регулировка частоты и скважности
генерируемых колебаний. Длительность импульсов и длительность
паузы между импульсами регулируется независимо при помощи RC
цепочек R1 C2 и R3 C1. Период следования импульсов Т
определяется как сумма двух времен заряда конденсаторов.

23. Релаксационные генераторы

23
Релаксационные генераторы
Простой генератор можно получить следующим образом: зарядим
конденсатор через резистор (или источник тока), а затем, когда
напряжение достигнет некоторого порогового значения, быстро его
разрядим и начнем цикл сначала. Генераторы, построенные на
этом принципе, известны под названием «релаксационные
генераторы». Они просты и при умелом проектировании могут
обеспечивать удовлетворительную стабильность по частоте. Для
создания релаксационных генераторов используют компараторы,
ОУ, логические элементы или специальные интегральные схемы
таймеров.

24. Генераторы линейно изменяющегося напряжения

24 Генераторы линейно изменяющегося
напряжения
Такие генераторы можно создать на основе схем релаксационных
RC-генераторов. Если у такого RC-генератора времязадающий
конденсатор С заряжать не через резистор, а через источник
стабильного тока, то напряжение на конденсаторе будет
изменяться линейно. Подстроечные резисторы выводят транзисторы источников тока в активный режим. Генератор формирует
сигнал треугольной формы. Для получения сигнала
пилообразной формы один из источников тока следует заменить
ключом, быстро разряжающим времязадающий конденсатор С.

25. Колебательный LC–контур

25
Колебательный LC–контур
Q1
Q2 < Q1
Колебательный контур – хороший кандидат на роль
источника синусоидального сигнала. Вот только колебания в нём
затухают из-за потерь, которые следовало бы как-то компенсировать для возникновения незатухающих автоколебаний.

26. LC–генератор с индуктивной связью

26 LC–генератор с индуктивной связью
Схема Мейсснера (1913)
Катушка связи L2 включена
таким образом, что фаза сигнала,
подаваемого на базу транзистора
VT1, отличается на 180° от фазы
сигнала, формируемого на его
коллекторе.
В результате сигнал, поступающий базу транзистора через цепь
обратной связи, оказывается в
фазе с исходным сигналом.
То есть, выполняется условие баланса фаз, необходимое для возникновения
устойчивой генерации. ЭДС взаимоиндукции, приложенная к участку базаэмиттер транзистора VT1, инициирует соответствующие изменения
коллекторного тока транзистора. В результате в составе коллекторного тока
транзистора VT1 формируется переменная составляющая с частотой колебаний в
контуре. Именно эта переменная составляющая коллекторного тока обеспечивает
восполнение потерь энергии в контуре.

27. LC–генератор с индуктивной связью

27 LC–генератор с индуктивной связью
Схема Хартли (1915)
или схема с автотрансформаторной
индуктивной
связью.
Индуктивная трёхточка:
является электронным LC–
генератором в котором положительная
обратная
связь
берётся через отвод от части
катушки индуктивности параллельного LC–контура.
Величина обратной связи в этой схеме зависит от положения
отвода катушки L1. Выходной сигнал снимается с катушки связи
L3. Достоинство схем с индуктивной связью – сравнительно
большая выходная мощность. Но настоящее время схема индуктивной трёхточки практически не применяется, что обусловлено
высокой стоимостью индуктивностей.

28. LC–генераторы – емкостные трёхточки

28 LC–генераторы – емкостные трёхточки
Генераторы по схеме емкостной трёхточки имеют три
варианта включения колебательного контура. Эти варианты
в англоязычной литературе имеют свои названия:
Схема Пирса
Схема Колпитца
Схема Клаппа
Схемы такого типа называют трехточечными, так
как
колебатель-ный
контур
подключается
к
усилителю тремя точками. Во всех изображенных
выше типах автогенераторов частота генерируемых
колебаний в основном определяется элементами
контура.
В зависимости от схемы включения по высокой частоте
активного элемента транзисторного ВЧ-генератора возможны три
основных варианта включения как индуктивной, так и емкостной

29. LC–генератор по схеме Клаппа

29
LC–генератор по схеме Клаппа
Схема Клаппа (1948)
Транзистор включен по схеме
с общим коллектором (эмиттерный повторитель), что обеспечи
вает высокое входное сопротивление, но коэффициент усиления схемы по напряжению
меньше единицы. Выходное
напряжение синфазно входному.
Данное схемотехническое решение, основанное на замене катушки с малой
индуктивностью последовательно включенными конденсатором и катушкой
индуктивности. При этом на рабочей частоте комплексное сопротивление этого
последовательного колебательного контура должно быть таким же, как и у
катушки в классической схеме трёхточки. Отличительной особенностью LCгенераторов, выполненных по схеме Клаппа, является сравнительно высокая
стабильность частоты. Последовательный колебательный контур в данной схеме
образован катушкой L1 и конденсатором С2. Параллельно этому контуру включены конденсаторы С3 и С4, образующие емкостной делитель. Коэффициент
передачи цепи обратной связи или глубина обратной связи зависит как от величин емкостей указанных конденсаторов, так и от соотношения этих значений.

30. LC–генератор по схеме Колпитца

30
LC–генератор по схеме Колпитца
Схема Колпитца (1919)
Одной из ключевых особенностей
генераторов этого вида является их
простота – необходима только одна
индуктивность без отводов.
Напряжение обратной связи обычно снимается с ёмкостного делителя
напряжения.
Транзистор включен по схеме с общей базой. Это позволяет применять
данную схему генератора на очень высоких частотах. Как и в схеме включения
транзистора с общим коллектором, она не инвертирует входной сигнал, поэтому
для самовозбуждения колебаний достаточно подать на вход часть энергии
колебаний из выходного контура. Частотно-задающий параллельный контур в
данной схеме генератора образуют элементы L1, C1, C2. Глубина обратной
связи определяется соотношением емкостей конденсаторов C1 и C2.
Развязывающий конденсатор большой емкости C4 обеспечивает заземление
верхнего по схеме конца индуктивности L1. Конденсатор C3 обеспечивает
заземление базы транзистора VT1 по переменному току.

31. LC–генератор по схеме Пирса

31
LC–генератор по схеме Пирса
Схема Дж. Пирса (1956)
Схема Пирса является производной от генератора Колпитца. В
схеме
используется
минимум
компонентов: один инвертирующий усилитель, два конденсатора
и кварцевый резонатор, который
действует
как
высокоизбирательный элемент фильтра..
В рассматриваемой схеме активный элемент выполнен на биполярном
транзисторе VT1, который по переменному току включен по схеме с общим
эмиттером. Стабилизация рабочей точки транзистора обеспечивается с помощью
цепи ООС, а режим работы транзистора VT1 по постоянному току определяется
величиной сопротивления резистора R1. Особенностью данной схемы является
включение кварцевого резонатора BQ1 между базой и коллектором транзистора,
то есть в цепи отрицательной обратной связи. Генераторы Пирса вполне
заслуженно считаются генераторами с наилучшей кратковременной стабильностью частоты. Недостатком генераторов по схеме Пирса можно считать и то, что
ни один из выводов кварцевого резонатора не подключен к шине корпуса.

32. Кварцевый резонатор

32
Кварцевый резонатор
В кварцевом резонаторе используется пьезоэлектрический эффект для
возбуждения электрических колебаний заданной частоты и построения
резонансного элемента высокой добротности. Если частота подаваемого
напряжения равна или близка к частоте собственных механических
колебаний кварца, в резонаторе возникает явление резонанса. Применение
кварцевых резонаторов обширно, они используются в генераторах
опорной частоты, фильтрах, часовых схемах и других электронных
схемах. Их использование в составе опорных генераторов обеспечивает
высокую температурную стабильность частоты (т.е. независимость
центральной частоты от температурных изменений).

33. Кварцевая стабилизация частоты

33 Кварцевая стабилизация частоты
Революционным прорывом в повышении стабильности колебаний
оказалась разработка генераторов с применением кварцевых
резонаторов. Нестабильности частоты 1·10–5 достаточно для
большинства радиоэлектронных устройств, поэтому кварцевые
генераторы без специальных мер по повышению стабильности
частоты применяются очень широко.

34. Фазосдвигающий RC-генератор

34
Фазосдвигающий RC-генератор
В генераторах этого типа баланс фаз достигается за счет специальной
фазосдвигающей RC–цепи, устанавливаемой в цепи обратной связи.
Схема простейшего RС–генератора на транзисторе приведена на рисунке.
Трехзвенная RC–цепь на частоте квазирезонанса обеспечивает сдвиг фазы,
равный 180°. Схема с общим эмиттером, на которой собран генератор,
изменяет фазу сигнала на выходе по отношению ко входному также на
180°, т.е. суммарный фазовый сдвиг равен 360°, за счет чего выполняется
условие баланса фаз. При С1=С2=С3=С и R3=R4=RвхVT= R
коэффициент передачи трехзвенной RC-цепи равен примерно 1/29,
поэтому, если коэффициент усиления транзисторного каскада КU< 29, в
схеме возникают незатухающие автоколебания.

35. Мостовые генераторы Вина

35
Мостовые генераторы Вина
Хорошим источником синусоидальных колебаний с малым уровнем искажений
служит мостовой генератор Вина. Идея его состоит в том, чтобы создать
усилитель с обратной связью, имеющий сдвиг фазы 180° на нужной частоте, а
затем отрегулировать петлевое усиление таким образом, чтобы возникли
автоколебания. Для одинаковых значений R и С коэффициент усиления по
напряжению выходного сигнала по отношению к сигналу на неинвертирующем
входе ОУ должен быть точно равен 3. При меньшем усилении колебания
затухают, при большем - выходной сигнал будет достигать насыщения.

36. RC-генераторы с двойным Т-образным мостом

36
RC-генераторы с двойным
Т-образным мостом
В качестве избирательного четырехполюсника RC-генератора используются
также Т-образный или двойной Т-образный мост. На квазирезонансной частоте
f0 = fр коэффициент передачи двойного симметричного Т-образного моста равен
нулю. Следовательно, нулю будет равен и фазовый сдвиг на этой частоте. При
включении такого моста в цепь ООС усилителя на частоте f0 напряжение ООС
равно нулю и увеличивается по мере удаления частоты от квазирезонансной в ту
или другую сторону. Следовательно, для построения RC-генератора с двойным
Т-образным мостом, мост необходимо включать в цепь ООС. С помощью
делителя R1 R2 создается необходимая ПОС, при которой обеспечивается
генерация на частоте f0.

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

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.

40. Задание №3

Исследовать схему фазосдвигающего RC–генератора
гармонических колебаний:
Оценить влияние смещения на работу схемы и
оценить какая из следующих формул наиболее точно
определяет рабочую частоту генератора: