Электронные цепи и микросхемотехника. Импульсные и цифровые устройства

В. В. Кожухов







                ЭЛЕКТРОННЫЕ ЦЕПИ И МИКРОСХЕМОТЕХНИКА




ИМПУЛЬСНЫЕ И ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА



Учебное пособие










Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.3.049.77
ББК 32.844.1
      К58

Рецензенты:
канд. техн, наук, доцент В. М. Кавешников; ст. преп. С. В. Кучак






      Кожухов, В. В.
К58 Электронные цепи и микросхемотехника. Импульсные и цифровые устройства : учебное пособие / В. В. Кожухов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -172 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-1459-3

         Рассматриваются принципы построения и свойства устройств на транзисторах и интегральных элементах, работающих в импульсном режиме. Даны основы построения устройств комбинационной логики: шифраторов, мультиплексоров, триггеров, регистров, счетчиков, сумматоров. Излагаются основы построения и свойства таких базовых схем, как мультивибраторы, генераторы линейно изменяющегося напряжения, триггеры, блокинг-генераторы.
         Для студентов, обучающихся по специальностям «Электроника и наноэлектроника», «Оптотехника», «Фотоника и оптоинформатика».


                                                                                      УДК 621.3.049.77
                                                                                      ББК 32.844.1














ISBN 978-5-9729-1459-3

               © Кожухов В. В., 2023
               © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                                      © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


Импульсные режимы работы электронных цепей. Введение.........6

1. Ключевойрежимработы транзистора......................... 11
  1.1. Влияние нагрузки на статические режимы ключевой схемы.13
  1.2. Параллельное соединение ключей.......................14
  1.3. Последовательная ключевая цепочка....................15
  1.4. Переходные процессы в транзисторном ключе............17
  1.5. Повышение быстродействия транзисторного ключа........21
  1.6. Потери мощности в транзисторном ключе................24
  1.7. Особенности работы ТК на индуктивную нагрузку........26
  1.8. Работа ТК при емкостной нагрузке.....................28
  1.9. Использование транзисторного переключателя тока......29
  1.10. Разновидности транзисторных ключей..................32
     1.10.1. Ключ на основе схемы ОБ........................32
     1.10.2. Ключ на основе схемы ОК........................32
     1.10.3. Ключ типа«звезда»..............................33
     1.10.4. Ключ на составном транзисторе..................34
     1.10.5. Ключи на полевых транзисторах..................35
     1.10.6. Комбинированные транзисторные ключи............39
  1.11. Основы построения импульсных усилителей мощности.....43

2. Импульсные генераторы....................................48
  2.1. Общие сведения об импульсных генераторах.............48
  2.2. Мультивибраторы......................................49
     2.2.1. Симметричный автоколебательный мультивибратор на транзисторах с коллекторно-базовыми связями............50
     2.2.2. Ждущий мультивибратор (одновибратор)............55
     2.2.3. Мультивибратор с отсекающими диодами............60

3

     2.2.4. Мультивибратор с коллекторно-эмиттерной связью...61
     2.2.5. Ждущий мультивибратор на транзисторах с эмиттерной связью...................................62
     2.2.6. Мультивибратор на транзисторах разного типа проводимости..........................................63
     2.2.7. Мультивибратор на полевых транзисторах.........65
     2.2.8. Мультивибратор на ОУ...........................66
     2.2.9. Мультивибратор с мостовым времязадающим элементом .. 69
     2.2.10. Мультивибратор налогических элементах.........71
     2.2.11. Блокинг-генератор.............................76
     2.2.12. Двухтактный генератор (схема Роера)...........82
  2.3. Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)....88
     2.3.1. ГЛИН с зарядным резистором и внешним управлением.90
     2.3.2. Генератор пилообразного напряжения с зарядным транзистором..........................................92
     2.3.3. ГЛИН с компенсирующей обратной связью..........94
     2.3.4. ГЛИН с внешним управлением на основе интегрирующего усилителя..............................97
     2.3.5. Автоколебательный ГЛИН треугольной формы.......98

3. Триггеры...............................................101
  3.1. Триггер на транзисторных ключах....................101
     3.1.1. Стационарное состояние триггера...............102
     3.1.2. Переключение триггера на транзисторных ключах.104
     3.1.3. Роль емкостей С1 и С₂ при переключении триггера..106
  3.2. Триггер с автоматическим смещением.................108
  3.3. Несимметричный триггер с эмиттерной связью (триггер Шмитта)........................................109
  3.4. Триггер Шмиттана ОУ................................111

4. Цифровые устройства....................................114
  4.1. Алгебра логики как аппарат математического описания цифровых устройств......................................114

4

     4.1.1. Суперпозиция логических функций...............114
     4.1.2. Основные законы алгебры логики................116
     4.1.3. Основные равносильности алгебры логики.......119
     4.1.4. Нормальные и совершенные нормальные формы записи логических алгоритмов........................120
     4.1.5. Методы представления логических алгоритмов...121
     4.1.6. Базис функций алгебры логики.................123
     4.1.7. Упрощение и минимизация логических функций...125
  4.2. Триггеры на логических элементах..................130
     4.2.1. RS-триггер...................................132
     4.2.2. Триггер задержки - D-триггер.................137
     4.2.3. Т-триггер....................................139
     4.2.4. JK-триггер...................................141
  4.3. Регистры памяти и сдвига..........................142
  4.4. Счетчики импульсов................................145
     4.4.1. Суммирующий счетчик..........................146
     4.4.2. Вычитающий счетчик...........................147
     4.4.3. Кольцевые счетчики...........................148
  4.5. Шифратор (coder)..................................152
  4.6. Дешифратор (decoder)..............................155
  4.7. Мультиплексор (multiplexer).......................158
  4.8. Демультиплексор (распределитель импульсов)........161
  4.9. Сумматоры.........................................162

Контрольные вопросы......................................168

Библиографический список.................................170

ИМПУЛЬСНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ

Введение

   Широкое внедрение импульсных устройств обусловлено тем, что они позволяют осуществлять огромную концентрацию энергии во времени, снижать потери мощности и, следовательно, повышать КПД устройств.
   Импульсные устройства широко внедрены в такие области техники, как автоматика, вычислительная техника, приборостроение, преобразовательная техника, радиотехника, и имеют большое разнообразие технических решений.
   Для генерации импульсов различной формы и величины и для выполнения логических операций над ними служат типовые импульсные устройства и логические схемы, общие в своих основных чертах
   Формы импульсов, используемых в импульсных устройствах различного назначения, разнообразны. Наиболее распространенные из них приведены на рис. В1: прямоугольный (а), трапецеидальный (б), треугольный (в), пилообразный (г), экспоненциальный (д), колоколообразный (е).

в с

A       D

в с

в,с

д е

б            в

Рис. В1


    Принято различать следующие участки импульса: фронт (АВ), вершина (ВС), срез (CD), основание (AD).
    Реальная форма импульса, в отличие от идеальной, может выглядеть, как на рис. В2.

6

u

   Фронт соответствует быстрому возрастанию сигнала; вершина - медленному его изменению; срез - быстрому убыванию сигнала. Иногда срез называют задним фронтом, в отличие от переднего фронта.
   Основными параметрами импульса являются следующие (рис. В2):
     1) высота импульса (амплитуда) - А;
     2) спад вершины импульса ДА находится как разность высоты импульса в момент окончания переходного процесса и в момент окончания вершины импульса;
     3) длительность импульса tи определяют на уровне 0,1 А;
     4) длительность фронта импульса tф определяется временем нарастания сигнала от уровня 0,1 до уровня 0,9 амплитуды импульса А;
     5) длительность среза импульса tс определяется аналогично tф;
     6) длительность вершины импульса tв, обычно определяется науровне 0,9 А:
     7) длительность хвоста импульса tх, который определяет в ряде устройств длительность стадии восстановления, т. е. длительность возврата устройства к исходному состоянию и готовности к следующим действиям.

7

    Так как tф и tс определяют по уровням 0,1 А и 0,9 А, то их иногда называют активными длительностями фронта и среза.
    В случае приобретения колоколообразной формы сигнала вводят так называемую активную длительность импульса tиа, измеряемую на уровне 0,5 А. Смысл введения этой величины заключается в том, что часто основной результат воздействия импульса на то или иное устройство проявляется только после того, как его значение достигнет некоторого уровня, близкого к 50 % высоты импульса.
    Обычно основное значение имеет не абсолютная величина ДА, а относительная величина спада вершины
а-.\А / А.
    При формировании очень коротких импульсов X стремится к нулю, а импульс вырождается в треугольный.
    При наличии периодической последовательности импульсов вводят параметры, характеризующие эту последовательность: период повторения импульсов Т, частоту повторения импульсов f = 1/T, скважность импульсов Q = T /1и ; коэффициент заполнения K = 1/ Q = t / T. з и и
    Частоту повторения выражают в герцах (число импульсов в 1 с), а скважность и коэффициент заполнения - в относительных единицах.
    Импульсы пилообразной формы (см. рис. В1, в) и треугольной формы (рис. В1, г) используются в измерительной технике, преобразовательной технике, в системах автоматического регулирования. У такого вида сигналов можно выделить длительность прямого хода tп(AB) и обратного хода tₒ (CD).
    Анализ импульсных процессов представляет собой довольно сложную задачу, особенно при наличии существенных нелинейностей у цепи, преобразующей импульсы. Поэтому чаще всего эту цепь стремятся свести к линейной. Исследование ее проводят следующими методами: «классическим» методом анализа переходных процессов, который заключается в составлении дифференциальных уравнений, характеризующих процессы в цепи, с последующим их решением; спектральным (частотным); мето

8

дом суперпозиции (с использованием интеграла Дюамеля); операторным.
   Одним из эффективных и удобных методов анализа переходных процессов в электронных цепях является операционное исчисление.
   Во многих практически важных случаях нарастание и срез импульса происходят по экспоненциальному закону, или закону, который может быть аппроксимирован экспонентой. В этом случае анализ импульсных цепей существенно упрощается, так как мгновенные значения импульса во время его нарастания и среза описываются уравнениями соответственно
u = A (1 - e ⁻ t/т), u = Ae ⁻ t/т ,
где т - постоянная времени экспоненты.
   Зная мгновенное значение импульса, можно найти время t, в течение которого импульс достиг этого значения:
t = тln(u / A).
   Так как активную длительность фронта (время установления) и среза определяем как промежуток времени между значениями, равными 0,1и 0,9 амплитуды Л, то
tф -1с = т[1п(0,9 A / A) - 1n(0,1 A / A)] « 2,2т .

   К достоинствам импульсных (дискретных) устройств можно отнести следующее.
   1.     В импульсных устройствах импульсная Ри и средняя Рср мощности связаны соотношением
Р = ОР и ср •
   Как видно, при большой скважности (Q ^ те) можно получить существенное превышение мощности в импульсе над средним ее значением. Это (по сравнению с аналоговыми устройствами) способствует улучшению массогабаритных показателей отдельных элементов дискретных электронных устройств (ДЭУ).
   2.     В ДЭУ усилительные приборы (транзисторы) используют в специфическом режиме ключа (включено - выключено), при кото

9

ром мощность, рассеиваемая в них, минимальна. Это повышает коэффициент использования усилительного прибора
K = P / P,
Лис гн ' к к max ,

где Рн = IнUн - полезная мощность нагрузочного устройства;
   Ркₘₐₓ ⁼ IнUост — мощность, рассеиваемая в выходной цепи усилительного прибора;
   Uн и Uост - напряжения нагрузочного устройства и выходной цепи усилительного прибора в режиме «включено».
   Как видно из приведенной формулы, при Uн > Uост мощность нагрузки может многократно превышать мощность, рассеиваемую в самом усилительном приборе. Это позволяет для управления большой мощностью применять в ДЭУ маломощные усилительные приборы. В транзисторных устройствах кратность превышения мощности может достигать 10.. .20.
   3.    Свойства дискретных устройств в меньшей степени зависят от нестабильности параметров используемых элементов. Это объясняется как меньшим тепловыделением, что, снижая перегрев, сужает реальный диапазон рабочих температур, так и работой полупроводниковых приборов в режиме ключа.
   4.    Помехоустойчивость ДЭУ выше, чем аналоговых электронных устройств (АЭУ), так как при передаче импульсов сокращается время, в течение которого помеха может повлиять на передаваемый сигнал.
   5.    ДЭУ характеризуются применением однотипных элементов в каналах обработки, передачи и хранения информации. В связи с этим облегчается их изготовление средствами интегральной технологии, обеспечивающей повышенную надежность, малогабаритность, дешевизну и т. п.
   Однако и ключевые элементы неидеальны и с ростом частоты их переключения потери мощности возрастают, снижается качество передаваемой информации, и необходимы специальные схемотехнические решения (будут рассмотрены ниже), направленные на форсированное включение и выключение транзисторов как основных элементов импульсных устройств.

1. КЛЮЧЕВОЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА

   В настоящее время принято делить электронные схемы на два класса: цифровые и аналоговые.
   В основе цифровых схем лежат простейшие транзисторные ключи (ТК), от свойств которых зависят свойства более сложных схем.
   В транзисторном ключе имеются два устойчивых состояния -разомкнутое и замкнутое, или режим отсечки и режим насыщения. Передаточная характеристика простейшего транзисторного ключа (рис. 1.1) отражена на рис. 1.2, а входная и выходные характеристики - на рис. 1.3 и 1.4.
   В замкнутом состоянии ключа, строго говоря, должно выполняться условие Uвх < 0 . Однако, учитывая, что ток p-n-перехода экспоненциально зависит от приложенного напряжения (рис. 1.3), для кремниевых n-p-n-транзисторов можно считать состояние запертым, если Uвх < Uу ® (0,4...0,5) В. При этом токи всех трех электродов транзистора обычно не превышают долей микроампера, и можно считать Uкэ = Ек (рис. 1.4).
   При достаточно большом Rб необходимо учитывать падение напряжения на нем от Iко, и для надежного запирания транзистора необходимо IкоR << Uст.
   Когда напряжение Uвх достигает Uу, транзистор отпирается. Начинает протекать базовый ток Iб и пропорциональный ему коллекторный ток Iк (для линейного, или активного режима).
   При увеличении Iк напряжение на коллекторе уменьшается (так как увеличивается падение напряжения на Rк).
   При Uкэ = Uбэ транзистор оказывается на границе насыщения.

11

Рис. 1.2

Рис. 1.4

При

Iб > Iбн = -j^- (условие насыщения)


(1-1)

транзистор входит в режим насыщения, характеризующийся тем, что

Uк < Ug (критерий насыщения),


(1-2)

а токи ключа определяются внешними цепями (Uвх, Rg, Ек, Rк):


12

Iб = (Uвх - и,)/R;               (1.3)
IкН = (Eк - Uкн)/R к « Ек/ R к.      (1.4)
   Отношение
¹б¹¹бн = S                   (1.5)
характеризует степень насыщения S. Условие насыщения должно выполняться для всех значений коэффициента Р транзисторов, включая и минимально возможные значения. Отсюда
R₆ <ртш ивх Rк, или R₆ = bs-ивх Rк.
v । тш j—г к '     и к к к
E к           ^ min Е к



1.1. Влияние нагрузки на статические режимы ключевой схемы


   В качестве нагрузки может служить само сопротивление Rк, или нагрузка Rн подключается параллельно сопротивлению Rк, или Rн - параллельно транзистору (рис. 1.1). При этом подключение нагрузки не должно нарушать статический режим «ключа».
   1.  Рассмотрим случай подключения Rн :
   а)  режим запирания:
Iк = Iко,

Uк = Ек -1ко(Rк / /Rн) ,то есть практически не нарушается;
   б)  режим насыщения:

I = ———, кн RK // RН к н

то есть увеличивается, а ток базы при этом остается прежним. Транзистор может выйти из насыщения. При расчете статического режима необходимо предусматривать минимальную степень насыщения:

13