Цуркин А.П., Мосолов Д.Н. Учебное пособие по курсу электротехники и электроники
Подождите немного. Документ загружается.
141
Рис 14-1. Аналоговый коммутатор(механический ключ).
Если ключ идеален, то есть его сопротивление в разомкнутом состоянии бесконечно велико,
а в замкнутом равно 0, то ток в цепи при разомкнутом ключе I=0, а при замкнутом I=E/R.
Аналоговый коммутатор на биополярном транзисторе
(электронный ключ).
На рисунке 14-2 показана схема коммутатора на биополярном транзисторе.
Рис. 14-2 Схема аналогового коммутатора на биополярном транзисторе.
Для перевода транзистора в режим отсечки следует подать на базу отрицательное
напряжение и на выходе U
вых
= 0 (выключено). Чтобы открыть VT следует на вход подать
напряжение больше, чем напряжение отсечки на величину ΔU=I
1
R
1
и переход коллектор-база
откроется и VT будет работать как ключ в инверсном включении.
Диодный коммутатор (аналоговый ключ).
Если на вход подать положительное напряжение (рис 14-3) VD открывается и через него
протекает ток (включено), а при отрицательном напряжении, подаваемом на вход, через
диод идет незначительный ток(отключен). Диодный коммутатор подобен механическому
ключу.
Рис 14-3. Схема последовательного диодного ключа.
142
Цифровой электронный ключ на биполярном транзисторе
(рис 14-4).
Рис 14-4. Схема цифрового ключа на биполярном транзисторе(а) входная статистическая
характеристика VT(б).
В схеме цифрового ключа (рис 14-4), транзистор, работающий в ключевом режиме, должен
находится только в определенном состоянии. Первое состояние соответствует точке 1 на
выходных статистических характеристиках транзистора(рис 14-4 б) когда Uвх=0, транзистор
закрыт и устанавливается это состояние резистором R1. При этом ток коллектора также
равен 0 и Uвых=Ек. Второе состояние транзистора соответствует точке 2, которое
обеспечивается подачей на вход высокого положительного напряжения и при этом Uвых=0.
В этом случае коллекторный ток достигает максимального значения (Ik=Ek/Rk). Так
работает цифровой ключ на биполярном транзисторе. Следует заметить, что в настоящее
время находят применение цифровые ключи на полевых транзисторах, которые в
изготовлении проще, чем на биполярных транзисторах.
РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА
Принципы построения и режим работы регенеративных импульсных устройств.
На вход различных импульсных устройств часто требуется подать импульсы напряжений
прямоугольной формы или крутые перепады напряжений. Крутые перепады напряжений
(токов) могут создаваться в результате возникновения регенеративных процессов.
Регенеративными называются процессы, протекающие лавинообразно под воздействием
положительной обратной связи.
Регенеративными импульсными устройствами называются устройства, в которых в ре-
зультате регенеративных процессов возникают крутые перепады напряжений и токов. В этих
устройствах используют усилители с положительной обратной связью. По построению и
назначению регенеративные импульсные устройства делятся на две группы: муль-
тивибраторы и триггеры.
. Мультивибраторы на биполярных транзисторах (рис.14-6)
143
Мультивибратор это генератор, вырабатывающий импульсы прямоугольной формы.
Рассмотрим мультивибратор на биполярных транзисторах V
1
T
и V
2
T
. Схема
мультивибратора с коллекторно-базовыми связями представляет собой двухкаскадный
усилитель.
1k
i
2k
i
1k
2k
1
C
2
C
Рис.14-6 Схема мультивибратора в режиме автоколебаний.
1
C
и
2
C
- обеспечивают ПОС;
1Б
R
и
2Б
R
- резисторы, которые осуществляют подачу напряжения смещения на базы
V
1
T
и V
2
T
;
1 1 1 1 1 1
0;
вых k k k k k k
U U E i R
2 2 2 2 2 2
0;
вых k k k k k k
U U E i R
Схема симметрична и
12
;
kk
RR
12
;
ББ
RR
12
СС
и V
1
T
и V
2
T
одного типа. Каждый
транзистор работает в режиме ключа, т.е. переходит от отсечки к насыщению и наоборот.
1
C
заряжается по контуру , а
2
C
- по контуру
1 2 2
0 ( )
kk
T C R E
. На базы V
1
T
и V
2
T
от
()
k
E
через
1Б
R
и
2Б
R
подается
отрицательное смещение, поэтому
1
T
и
2
T
будут работать в активном режиме. При
малейшем нарушении симметрии в цепи наступает самовозбуждение. Предположим, что в
какой-то момент
1k
i
скачком окажется больше
2k
i
, т.е.
1k
i
>
2k
i
. Тогда
11kk
iR
возрастает и
1k
1 1 1
()
k k k k
E i R
станет менее отрицательным, следовательно,
2Б
тоже станет менее
отрицательным (т.к. напряжение на
1
C
по второму закону коммутации скачком измениться
не может ) и
2
T
подзакроется и
2k
i
уменьшится. Уменьшение
2k
i
приведет к уменьшению
22kk
iR
и
2k
2 2 2
()
k k k k
E i R
станет более отрицательным, следовательно,
1Б
станет
более отрицательным, V
1
T
еще больше откроется и
1k
i
еще больше возрастет. Это
закончится тем, что транзистор V
1
T
войдет в режим насыщения, а V
2
T
- в режим отсечки.
Этот процесс называют лавинообразным (регенеративным). Он происходит очень быстро.
Во время лавинообразного процесса формируются крутые фронты импульса (аб).рис 14-7)
t
1k
U
а
144
kб
E
б
t
2k
U
а
k
E
б
Рис 14-7 эпюры напряжений на выходе мультивибратора
Лавинообразный процесс прекращается после того, как V
1
T
войдет в режим насыщения,
а V
2
T
- в режим отсечки. Тогда
1 1 1 1
0
вых k k k k
U U E i R
, а
2 2 2
( 0)
вых k k k
U U E I
.
В схеме наступает состояние квазиустойчивого равновесия, во время которого формируются
плоские вершины (см. графики) импульсов.
Режим насыщения V
1
T
поддерживается отрицательным смещением на базе от
()
k
E
через
1Б
R
, а режим отсечки V
2
T
поддерживается положительным потенциалом
1
C
.
При этом
2
C
заряжается по контуру: с постоянной
времени зарядки
3 2 2k
RC
, а
1
C
перезаряжается по контуру: с
постоянной времени перезарядки.
Ждущий мультивибратор с коллекторно-базовыми связями (одновибратор).
Этот мультивибратор используется для получения одиночных импульсов заданной
длительности (рис 3-8).
Рис 14-8. Схема ждущего мультивибратора (одновибратор).
Из рис 14-8 видно, батарея
á
E
запирает транзистор
1
VT
и открывает он тогда, когда его
подключают к
çàï
E
(запускающаяся батарея). Параметры сопротивлений
1
Á
R
и
2
Á
R
145
подбираются так, чтобы
1
VT
был закрыт батареей +
á
E
, а
2
VT
был бы открыт и насыщен.
Зарядка конденсатора идет по цепи 0,
2
T
,С,
ê
R
, и
k
E
.
Для генерации импульса на базу
1
VT
подают запускающий импульс (-
çàï
E
),
1
VT
и
2
VT
открываются, в цепи устанавливается лавинообразный процесс, изменяются токи
1k
I
и
2k
I
и
схема опрокидывается. После опрокидывания схема
1
VT
открывается и переходит в режим
насыщения, а
2
VT
в режим отсечки. В этом случае
1
C
и
2
VT
подсоединяются к нулевому
зажиму
k
E
.
Теперь
1
C
работает по цепи 0,
1
VT
,
1
C
,
2
Á
R
,
k
E
. И по этой цепи
1
C
разряжается. Когда
1c
U
=0,
то потенциал базы
2
VT
тоже станет равен нулю. При значении 0
2
VT
открывается и теперь
1
VT
и
2
VT
- открыты, в схеме развивается лавинообразный процесс и схема опрокидывается.
При этом
1
VT
- закрыта,
2
VT
-открыт и
1
0
c
U
,
1
C
перезаряжается по схеме 0,
2
VT
,
1
C
,
1k
R
,
k
E
. Схема опять приходит в устойчивое состояние, а на выходе
получаются почти прямоугольные импульсы с любой заданной длительностью.
ТРИГГЕРЫ НА ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
Триггер это устройство, имеющее два состояния устойчивого равновесия, которые
скачкообразно переходят одно в другое под воздействием внешнего импульса.
Триггер – цифровой автомат, обладающий памятью и служащий для хранения одного
разряда двоичных чисел (одного бита информации).Его называют также автоматом Мура.
Триггеры изготавливаются как на отдельных (дискретных) элементах, так и в
интегральном исполнении. В различных устройствах они выполняют функцию счетных,
переключающих, пороговых и запоминающих элементов.
Физические процессы удобнее рассмотреть на схеме триггера в дискретном
исполнении с коллекторно-базовыми связями на биполярных транзисторах с независимым
смещением (рис.14-9).
Рис.14-9 Схема триггера с коллекторно-базовыми связями на биполярных транзисторах.
146
Схема триггера – двухкаскадный усилитель постоянного тока с ПОС, осуществляемой
через цепи
11
RC
и
22
RC
, которые соединяют коллектор одного с базой другого транзистора.
Схема симметрична:
12
;
kk
RR
12
;
ББ
RR
12
СС
, V
1
T
и V
2
T
одного типа. В отличии от
мультивибратора триггер имеет источник смещения
Б
E
>0, (запирающий транзисторы ) и
1
R
и
2
R
в цепях связи между усилительными каскадами.
Параметры триггера подбираются так, чтобы открытый транзистор работал в режиме
насыщения, а закрытый – в режиме отсечки. Открытый транзистор имеет потенциал
коллектора, близкий к нулю (можно приписать ему уровень “0”), т.к.
0
T
R
. Закрытый
транзистор имеет потенциал коллектора близкий к напряжению источника питания, т.е.
kk
E
(можно приписать ему уровень “1”), т.к.
0
k
I
. Это состояние триггера устойчивое
до тех пор, пока на вход триггера не будет подан запускающий импульс, который переводит
триггер из одного устойчивого состояния в другое. Пусть триггер находится в таком
устойчивом состоянии, когда V
1
T
- открыт, а V
2
T
- закрыт, т.е.
1
0
k
U
, a
2kk
UE
. Это
состояние протекает сколь угодно долго. На базу V
1
T
снизу подается напряжение
Б
E
, а
сверху
()
k
E
, но т.к.
k Б
EE
, то на базу подается отрицательный потенциал, который
удерживает V
1
T
в состоянии насыщения. На базу V
2
T
снизу
()
Б
E
, а сверху (с коллектора
V
1
T
)
1
0
k
. Следовательно, на базу V
2
T
подается положительный потенциал, который
удерживает V
2
T
в состоянии отсечки.
Чтобы вывести схему из устойчивого состояния нужно подать на базу
1
T
через
2
Вых
запускающий импульс положительной полярности (положительный потенциал)
зап
U
.
U
зап
φ
б1
φ
б2
φ
б1
φ
б2
t
1k
U
t
О Н О Н
k
E
2k
U
t
Н О Н
k
E
147
Рис.14-10 Эпюры напряжений на выходах триггера:
1б
,
2б
- входные импульсы на базы
1
T
и
2
T
;
0 – отсечка;
Н – насыщение;
1k
U
,
2k
U
примерно равное
k
E
.
Тогда
1б
становится менее отрицательным и V
1
T
начинает закрываться, а
1k
I
-
уменьшается и
11kk
IR
- уменьшается. При этом
k
становится более отрицательным, а,
следовательно,
2б
тоже более отрицательным и V
2
T
будет приоткрываться и т.д. Процесс
будет развиваться лавинообразно и закончится тем, что V
1
T
закроется (отсечка), а V
2
T
откроется (насыщение). Чтобы вывести схему из этого устойчивого состояния, нужно подать
запускающий импульс на базу открытого теперь V
2
T
.
1
C
и
2
C
шунтируют
1
R
и
2
R
ускоряют процесс открывания и закрывания VT. Их
обычно называют ускоряющими. Если V
1
T
открыт, а V
2
T
закрыт, то
1
0
C
U
и
2
Ck
UE
.
Как только V
1
T
закроется,
1
C
начнет заряжаться и в цепи базы V
2
T
потечет зарядный ток,
который добавится к току базы открывающегося V
2
T
. Это ускорит процесс открывания V
2
T
.
Схемы запуска триггера.
Существует два способа запуска триггера: раздельный и счетный (общий).
Раздельный запуск.(без пунктирной линии)
Раздельный запуск осуществляется подачей импульсов одной полярности,
попеременно то на один, то на другой входы триггера (на базы транзисторов).
Рассмотрим схему триггера с раздельным запуском с подачей запускающих
импульсов на базы через диоды (рис.14-11).
Рис 14-11 Схемы запусков триггера
V
1
Д
и V
2
Д
,
31
С
и
32
С
,
31
R
и
32
R
- элементы цепи запуска. Пусть V
1
T
открыт
(насыщен), а V
2
T
закрыт (отсечка). Подадим на
1х
B
. Он продифференцируется
31 31
RC
на два коротких импульса остроконечной формы и противоположенной полярности.
148
Так как
1
T
открыт, то
1
0
k
, а, следовательно,
0
A
, но
0
катод
. V
1
Д
открыт и
пропустит положительный импульс на базу. Тогда V
1
T
начинает закрываться, а V
2
T
открываться. В результате лавинообразного процесса V
1
T
закроется (отсечка), а V
2
T
откроется (насыщение). Это состояние будет сохраняться до тех пор, пока не поступит
на
2х
В
. Когда V
1
T
закроется, то
1kk
E
( 0)
катода
, VД1 закрывается и отключает
1х
В
от базы V
1
T
(поэтому диоды V
1
Д
и V
2
Д
называются отсекающими).До подачи
следующего
3
С
разряжается через
31
R
. Такой триггер называют RS- триггером.
Счетный запуск.(с учетом пунктирной линии, С31 переносится на 1 и С32 на 2)
При счетном запуске импульсы определенной полярности подаются на общий вход и
каждый импульс приводит к опрокидыванию триггера. В отличие от RS- триггера здесь
31
С
и
32
С
соединены вместе. Эта схема применяется для счета импульсов.
Пусть V
1
T
открыт (режим насыщения) (
1
0
k
,
1
0
Б
), а V
2
T
закрыт (режим
отсечки) (
2kk
E
,
2
0
Б
). Тогда V
1
Д
открыт, а V
2
Д
- заперт.
31
С
заряжен до
31
C
U
0, а
32
С
до
32
Ck
UE
. Положительный , продифференцированный
31 31
RC
, проходит через
открытый
1
Д
на базу V
1
T
, подзакрывая его. При этом V
2
T
начинает открываться
2
(
Б
становится более отрицательным). В результате лавинообразного процесса V
1
T
запирается, а
V
2
T
открывается, т.е. триггер опрокидывается. V
1
Д
и V
2
Д
пропускают запускающий
импульс только на базу открытого VТ2.
Разрешающие время триггера – время, за которое триггер переходит из одного
устойчивого состояния в другое.
раз зап пер вос
T t t t
зап
t
- время, в течение которого транзисторы открываются и устанавливается ПОС;
перекл
t
- время, в течение которого длится лавинообразный процесс;
восстановл
t
- время, в течение которого заканчивается переходной процесс;
Величина, обратная
раз
T
, называется быстродействием триггера.
Основные логические элементы.
В алгебре логики истинность суждения (высказывания) обозначают символом "I", а ложное-
"0". Значение параметров электронных элементов необходимо перевести на язык алгебры
логики ("0" или "I"). Значение параметров можно задавать уровнем напряжения или
полярностью импульсов.
Если сигналы подаются в виде высокого и низкого напряжения, то такой способ подачи сиг-
нала называть потенциальным. Логика называется положительной, если высокому
потенциалу приписывается "I", а низкому "ноль" "0".
149
Логика называется отрицательной, если высокому потенциалу приписывается «0»,а низкому
«1»
Если сигнал подают в форме импульса, то такой способ подачи называют импульсным.
Наличие импульса – «1», отсутствие - «0». Это положительная логика. Если наоборот-
отрицательная логика. Если наоборот-отрицательная.
Любые логические операции можно выполнить с помощью трёх основных и простых
логических элементов(базисных логических функций), выполняющих операции:
"НЕ"- логическое отрицание (инверсия); "И"- логическое умножение (конъюнкция);
"ИЛИ"-логическое сложение (дизъюнкция).
Функционально полную систему могут обеспечить составные (комбинированные) логические
элементы, выполняющие логические операции:
"И-НЕ"- отрицание конъюнкции;
"ИЛИ-НЕ"- отрицание дизъюнкции.
Логические элементы в дискретном исполнении
Базисные логические функции(логические элементы) могут быть представлены как в
дискретном исполнении, так и методами интегральной технологии. Базисные логические
функции(логические элементы) «И», «ИЛИ» и «НЕ» могут выполняться на диодах,
резисторах, биполярных полевых транзисторах. В соответствии с конструкцией построения
логических элементов различают резисторно-транзисторную логику(РТЛ), диодно-
транзисторную(ДТЛ), транзисторно-транзисторную логику(ТТЛ), а также логику на полевых
транзисторах(«р»-канальная-рМОП, «n»-nМОП), комплементарную (КМДП) и
динамическую (МОП).
t
“0”
10
UU
1
U
0
U
U
“1”
150
Логический элемент "НЕ" (логическое отрицание).
Логический элемент "НЕ" имеет один вход и один выход. Условно обозначается в схемах:
Таблица истинности операции "НЕ" имеет вид:
Логический элемент " НЕ" представляет собой усилительный каскад на транзисторе, вклю-
чённом по схеме ОЭ и работает в ключевом режиме. На вход подаются положительные
сигналы в положительной логике. Используется транзистор типа n-p-n (рис.14-12.).
РИС. 14-12. Электронная схема реализующая логический элемент "НЕ".
Допустим, что транзистор VT закрыт отрицательным потенциалом на базе от -Еб.
Если на "Вх" подать низкий потенциал, соответствующий "0"
0
âõ
U
, то VT остаётся
закрытым, а при этом Iк=0 и
()
âûõ k k âûõ ê ê
U E E U I R
. Следовательно, на выходе
будет высокое напряжение соответствующее "I".
Если на “Вх” подать высокий положительный потенциал соответствующий "I", то VT
будет в состоянии насыщения и
0
âûõ k ê ê
U E I R
.Такой логический элемент еще
называют "инвертором".
Логический элемент "И" (логическое умножение).
Обозначается . Элемент имеет как минимум два входа и один выход.
Условное обозначение элемента “И”:
X
Y
0
1
1
0