Транзисторные ключи и логические элементы

Глава третья

ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ И ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Общие сведения

В современной информационной и силовой электронике импульсный принцип построения систем занимает доминирующее положение по сравнению с аналоговым. На базе импульсных устройств основана цифровая вычислительная техника. Преобладающее применение импульсных и цифровых устройств обусловлено их высоким к.п.д., более высокой точностью, меньшей критичностью к изменению температуры, большей помехоустойчивостью. Немаловажную роль играют также относительная простота средств представления информации в импульсной форме и наличие эффективных способов ее обработки.

В импульсной технике применяются импульсы различной формы. Распространены импульсы, близкие по форме к прямоугольной, пилообразной и экспоненциальной (рис. 3.1.), а также импульсы положительной, отрицательной и чередующейся полярности.

Импульсный сигнал характеризуется рядом параметров. Рассмотрим их на примере импульса напряжения с формой, близкой к прямоугольной (рис. 3.2.). Основными параметрами импульса являются амплитуда , длительность импульса , длительности фронта и спада (иногда обозначают нарастающий фронт импульса , а спадающий фронт ). Длительность импульса определяют на уровне 0,1 . Иногда длительность импульса определяют на уровне 0,5 и тогда ее называют активной длительностью импульса . Длительности фронтов импульса определяются изменением напряжения относительно уровней 0,1 и 0,9 (см. рис. 3.2.). Параметрами последовательности импульсов (см. рис. 3.1.) являются период повторения, частота повторения, скважность. Периодом повторения импульсов называют интервал времени между соответствующими точками (например, между началами) двух соседних импульсов. Величину, обратную периоду повторения, называют частотой повторения импульсов: . Скважность импульсов характеризуется отношением периода повторения к длительности импульса . Величину обратную скважности называют коэффициентом заполнения.

В схемах импульсной техники для обработки и преобразования информации широко применяют цифровые методы. Они базируются на использовании сигнала прямоугольной формы, имеющего два фиксированных уровня напряжения. Это позволяет представить сигнал в цифровой форме: уровню высокого напряжения приписывают символ <1>, а уровню низкого напряжения – символ <0>.На указанном виде сигнала основана работа цифровых вычислительных устройств, а также используемая в них двоичная система счисления.

Цифровая форма представления сигнала упрощает рассмотрение импульсных систем и позволяет использовать при их анализе и разработке соответствующий математический аппарат – алгебру логики. Цифровые методы построения и проектирования импульсных систем занимают в современной электронике ведущее место. Целью настоящей главы является изучение наиболее характерных элементов импульсной и цифровой техники.

Логические элементы

Диодно-транзисторная логика

Диодно-транзисторная логика (ДТЛ) – одна из первых разработок цифровых микросхем на биполярных транзисторах, сохранившая значение до настоящего времени. Схема простейшего базового ЛЭ ДТЛ (рис. 3.23) реализует логическую функцию И – НЕ .

 

В ней логическая функция И осуществляется диодами D1, D2 и резистором R1, а транзистор, работающий в ключевом режиме, выполняет функцию инверсии НЕ. Только в том случае, когда на всех входах действуют высокие уровни напряжения , диоды D1 и D2 заперты и по цепи источник питания, резистор R1, переходы диодов D3, D4 и переход база – эмиттер транзистора протекает ток, достаточный для насыщения транзистора. Напряжение на коллекторе насыщенного транзистора близко к нулю.

Если хотя бы на одном из входов действует низкий уровень напряжения , то соответствующий диод откроется (например D1) и через него потечет большой ток, вследствие чего напряжение в точке А соединения анодов диодов будет мало и недостаточно для открывания двух переходов диодов D3, D4 и эмиттерного перехода транзистора, соединенных последовательно. Транзистор закрыт, его коллекторное напряжение близко к Е и представляет собой высокий уровень . На рис. 3.23.б представлены для иллюстрации работы ЛЭ И – НЕ временные диаграммы входных и выходных сигналов.

Вопросы для самопроверки

1. Нарисуйте принципиальную схему насыщенного ключа на биполярном транзисторе.

2. Постройте нагрузочную прямую для ключа и отметьте на ней точки, соответствующие режиму насыщения и отсечки.

3. Приведите эквивалентную схему ключа, соответствующую режиму отсечки, и укажите на ней токи, протекающие в схеме.

4. Приведите эквивалентную схему ключа, соответствующую режиму насыщения, и укажите на ней токи, протекающие в схеме.

5. От чего зависят токи транзистора в режиме насыщения. Запишите их значения.

6. Нарисуйте временные диаграммы токов и напряжений в ключе при открывании транзистора.

7. От каких элементов схемы ключа и каким образом зависит длительность положительного фронта импульса?

8. Нарисуйте временные диаграммы токов и напряжений в ключе при закрывании транзистора.

9. Почему при закрывании транзистора ток базы становится отрицательным?

10. Как можно уменьшить время рассасывания в насыщенном ключе?

11. От каких элементов схемы ключа и каким образом зависит длительность отрицательного фронта импульса?

12. Нарисуйте принципиальную схему ключа с ускоряющей емкостью.

13. Объясните, почему включение конденсатора позволяет сократить время переходного процесса.

14. Нарисуйте принципиальную схему ключа с нелинейной обратной связью.

15. Объясните работу ключа с нелинейной обратной связью.

16. Нарисуйте принципиальную схему транзисторного переключателя тока и объясните принцип его работы.

17. Почему переключатель тока имеет высокое быстродействие?

18. Нарисуйте схему ключа на n-канальных МДП-транзисторах и объясните принцип его работы.

19. Нарисуйте схему ключа на комплементарных МДП-транзисторах и объясните принцип его работы.

20. Укажите основные достоинства ключа на комплементарных транзисторах.

21. Какие логические операции Вы знаете?

22. По каким признакам классифицируют логические элементы?

23. Назовите основные параметры логических элементов.

24. Нарисуйте простейшую схему ЛЭ ТТЛ и объясните принцип его работы.

25. Укажите основные недостатки простейшего ЛЭ ТТЛ.

26. Нарисуйте схему базового ЛЭ ТТЛ со сложным инвертором.

27. Объясните принцип работы ЛЭ ТТЛ со сложным инвертором.

28. Нарисуйте схему ЛЭ ТТЛ с тремя выходными состояниями.

29. Нарисуйте схему базового ЛЭ ЭСЛ.

30. Объясните принцип работы базового ЛЭ ЭСЛ.

31. Укажите основные достоинства и недостатки ЭСЛ.

32. Нарисуйте схему базового ЛЭ И²Л и объясните принцип его работы.

33. Укажите основные достоинства и недостатки И²Л.

34. Нарисуйте схемы ЛЭ И-НЕ и ИЛИ-НЕ n-МДП – логики и объясните принцип их работы.

35. Нарисуйте схемы ЛЭ И-НЕ и ИЛИ-НЕ КМДП – логики и объясните принцип их работы.

36. Укажите основные достоинства и недостатки КМДП – логики по сравнению с ТТЛ.

Глава третья

ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ И ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Общие сведения

В современной информационной и силовой электронике импульсный принцип построения систем занимает доминирующее положение по сравнению с аналоговым. На базе импульсных устройств основана цифровая вычислительная техника. Преобладающее применение импульсных и цифровых устройств обусловлено их высоким к.п.д., более высокой точностью, меньшей критичностью к изменению температуры, большей помехоустойчивостью. Немаловажную роль играют также относительная простота средств представления информации в импульсной форме и наличие эффективных способов ее обработки.

В импульсной технике применяются импульсы различной формы. Распространены импульсы, близкие по форме к прямоугольной, пилообразной и экспоненциальной (рис. 3.1.), а также импульсы положительной, отрицательной и чередующейся полярности.

Импульсный сигнал характеризуется рядом параметров. Рассмотрим их на примере импульса напряжения с формой, близкой к прямоугольной (рис. 3.2.). Основными параметрами импульса являются амплитуда , длительность импульса , длительности фронта и спада (иногда обозначают нарастающий фронт импульса , а спадающий фронт ). Длительность импульса определяют на уровне 0,1 . Иногда длительность импульса определяют на уровне 0,5 и тогда ее называют активной длительностью импульса . Длительности фронтов импульса определяются изменением напряжения относительно уровней 0,1 и 0,9 (см. рис. 3.2.). Параметрами последовательности импульсов (см. рис. 3.1.) являются период повторения, частота повторения, скважность. Периодом повторения импульсов называют интервал времени между соответствующими точками (например, между началами) двух соседних импульсов. Величину, обратную периоду повторения, называют частотой повторения импульсов: . Скважность импульсов характеризуется отношением периода повторения к длительности импульса . Величину обратную скважности называют коэффициентом заполнения.

В схемах импульсной техники для обработки и преобразования информации широко применяют цифровые методы. Они базируются на использовании сигнала прямоугольной формы, имеющего два фиксированных уровня напряжения. Это позволяет представить сигнал в цифровой форме: уровню высокого напряжения приписывают символ <1>, а уровню низкого напряжения – символ <0>.На указанном виде сигнала основана работа цифровых вычислительных устройств, а также используемая в них двоичная система счисления.

Цифровая форма представления сигнала упрощает рассмотрение импульсных систем и позволяет использовать при их анализе и разработке соответствующий математический аппарат – алгебру логики. Цифровые методы построения и проектирования импульсных систем занимают в современной электронике ведущее место. Целью настоящей главы является изучение наиболее характерных элементов импульсной и цифровой техники.