Обратные связи в усилителях

Режимы работы усилительных каскадов

В зависимости от положения рабочей точки в режиме покоя на характеристиках транзисторов, а также значения усиливаемого напряжения различают три основных режима работы усилительных каскадов, или классов усиления: А, В и С. Основными характеристиками этих режимов являются нелинейные искажения и к. п. д.

Режим А. Режим А характеризуется тем, что рабочую точку П в режиме покоя выбирают на линейном участке (обычно.посередине) входной и переходной характеристик транзистора. К. п. д. усилителя определяется отношением выходной мощности к мощности, потребляемой усилителем от источника питания.

Режим В. Режим В характеризуется тем, что рабочую точку П выбирают в начале переходной характеристики транзистора. Эта точка называется точкой отсечки. В режиме В переменные составляющие тока и напряжения транзистора возникают лишь в положительные полупериоды входного напряжения. Выходное напряжение усилительного каскада при синусоидальном входном напряжении имеет форму полусинусоиды, т. е. нелинейные искажения очень большие. Поэтому режим В используют, как правило, только в двухтактных усилителях мощности. Режим В характеризуется значительно более высоким к. п. д. усилителя по сравнению с режимом А, так как ток покоя в этом случае практически равен нулю, а постоянная составляющая тока при наличии входного напряжения имеет сравнительно небольшое значение. К. п. д. усилителя, работающего в режиме В, может достигать 80%.

Режим С. Режим С характеризуется тем, что рабочую точку П выбирают за точкой отсечки и ток в транзисторе возникает только в течение некоторой части положительного полупериода входного напряжения. Этот режим сопровождается большими искажениями усиливаемого напряжения, но к. п. д. устройства может быть очень высоким и приближаться к единице. Режим С применяют в избирательных усилителях и автогенераторах, которые благодаря наличию колебательных контуров или других частотно-зависимых устройств выделяют лишь основную гармонику из несинусоидального напряжения, возникающего вследствие больших нелинейных искажений.

Обратной связью в усилителях называют подачу части (или всего) выходного сигнала усилителя на его вход.

На рис. 32 изображена структурная схема усилителя с обратной связью.

Обратные связи в усилителях обычно создают специально. Однако иногда они возникают самопроизвольно. Самопроизвольные обратные связи называют паразитными.

Если при наличии обратной связи входное напряжение U_вх складывается с напряжением обратной связи U_ос, в результате чего на усилитель подается увеличенное напряжение U₁, то такую обратную связь называют положительной.

Если после введения обратной связи напряжения U₁ на входе и U_вых на выходе усилителя уменьшаются, что вызывается вычитанием напряжения обратной связи из входного напряжения U_вх, то такую обратную связь называют отрицательной.

Все обратные связи делятся на обратные связи по напряжению и по току.

Усилители постоянного тока

Часто при проведении измерений в электронных устройствах автоматики необходимо усиливать сигналы очень низких частот — порядка долей герц. Для этого требуются усилители, имеющие равномерную амплитудно-частотную характеристику до самых низких частот. Такие, усилители называют усилителями постоянного тока (УПТ). В многокаскадных УПТ для связи между каскадами не могут быть использованы реактивные элементы связи (конденсаторы, трансформаторы), поэтому для этой цепи, как правило, служат резисторы. На рис. 33 приведены для сравнения частотные характеристики УПТ (кривая 1) и усилителя с резистивно-емкостной связью (кривая 2). В области низких и средних частот амплитудно-частотная характеристика УПТ равномерна. В области высоких частот в УПТ фазовые сдвиги и частотные искажения появляются на частотах, на которых начинают сказываться паразитные емкости усилительных каскадов, так же как и в усилителях с резистивно-емкостной связью.

В усилителях постоянного тока возникают специфические трудности, связанные с отделением полезного сигнала от постоянных составляющих напряжения и тока, необходимых для работы транзисторов, используемых в усилителях.

Характеристики усилителей постоянного тока должны отвечать ряду требований:

1) в отсутствие входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал;

2)при изменении знака входного сигнала должен изменять знак и выходной сигнал;

3)напряжение на нагрузочном устройстве должно быть пропорционально входному напряжению.

Второе и третье требования в УПТ, так же как и в других усилителях, выполняются при работе усилителя в режиме А. Для выполнения первого условия необходимо отделить полезный выходной сигнал от постоянных составляющих тока и напряжения транзистора.

В усилителях постоянного тока отделение постоянных составляющих напряжения, как правило, производится компенсационным методом. Такие усилители можно условно подразделять на усилители с одним и с двумя источниками питания.

УПТ с одним источником питания. Простейшая схема УПТ с одним источником питания приведена на рис. 34(а). На рис. 34(б) показаны временные диаграммы его работы. Простейший УПТ с одним источником питания (рис. 34(а)) состоит из обычного усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме ОЭ с температурной стабилизацией (на рисунке он выделен штриховыми линиями). У этого усилительного каскада отсутствует конденсатор в цепи эмиттера, что приводит к снижению коэффициента усиления из-за возникновения отрицательной обратной связи, но обеспечивает большую полосу пропускания.

В рассматриваемом УПТ (рис. 34(а)) нагрузочный резистор включен между коллектором транзистора и средней точкой делителя R₃R₄, а входное напряжение приложено между базой транзистора и средней точкой делителя R₁R₂. Потенциалы средних точек делителей таковы, что в отсутствие входного напряжения (U_вх=0) j_б=j₁ и j_к=j₂, вследствие чего отсутствует как ток во входной цепи, так и ток в нагрузочном резисторе (I_н=0). Для точной подстройки режима в выходной цепи имеется переменный резистор R₅.

При подаче входного сигнала появляется ток во входной цепи, изменяются базовый и коллекторный токи транзистора, что приводит к изменению напряжения на коллекторе транзистора и появлению тока I_н. Потенциальная диаграмма усилителя (рис. 34(б)) показывает, что в отсутствие входного напряжения (0 £ t £ t₁) выходное напряжение U_вых=0; в интервале t₁<t<t₂ при U_вх<0 выходное напряжение U_вых>0, а в интервале t>t₂ U_вх>0 и U_вых <0. В УПТ с одним источником питания и в других подобных усилителях вместо усилительного каскада с коллекторной нагрузкой может применяться эмиттерный повторитель или усилительный каскад на полевом транзисторе. Способ включения нагрузочного резистора и подачи входного напряжения при этом не изменится.

Схемы усилителей с одним источником питания обладают рядом недостатков. Во-первых, в них нагрузочные резисторы включаются между электродом транзистора и средней точкой делителя и не могут быть соединены с общей точкой усилителя (корпусом), имеющей нулевой потенциал. Такое соединение с общей точкой необходимо в сложных электронных устройствах со многими усилительными каскадами. Во-вторых, источник входного напряжения (рис. 6.9, а) тоже не соединен с общей точкой усилителя.

Дрейф в УПТ. Усилители постоянного тока имеют специфический недостаток, затрудняющий усиление очень малых постоянных напряжений и токов. В УПТ существует так называемый дрейф нуля, который определяет нижний предел усиливаемых напряжений. Дрейф нуля заключается в том, что с течением времени изменяются токи транзисторов и напряжения на их электродах. При этом нарушается компенсация постоянной составляющей напряжения и на выходе усилителя появляется напряжение в отсутствие входного сигнала. Поскольку УПТ должен усиливать напряжения вплоть до самых низких частот, всякое изменение постоянных составляющих напряжения U_ко, U_бо из-за нестабильности источников питания, старения транзисторов, изменения температуры окружающей среды и т. д. принципиально не отличается от полезного сигнала.

В транзисторных усилителях главной причиной дрейфа является температурная нестабильность транзисторов.

Для борьбы с дрейфом нуля принимают целый ряд мер:

1) стабилизацию напряжения источников питания, стабилизацию температурного режима и тренировку транзисторов;

2) использование дифференциальных (балансных) схем УПТ;

3) преобразование усиливаемого напряжения.

Рассмотрим, как осуществляется и насколько позволяет снизить дрейф каждая из указанных мер.

Дифференциальный УПТ. Кроме стабилизации питающих напряжений для борьбы с дрейфом УПТ принимают специальные схемы усилителей, так называемые дифференциальные (балансные УПТ). Они построены по принципу четырехплечего моста (рис. 35).

Действительно, если мост сбалансирован, т. е.

R₁/R₂=R₄/R₃

то при изменении Е_к баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе R_н ток равен нулю. С другой стороны, при пропорциональном изменении сопротивлений резисторов R₁, R₂ или R₃, R₄ баланс моста тоже не нарушается. Если заменить резисторы R₂, R₃ транзисторами, то получим дифференциальную схему, очень часто применяемую в УПТ.

В дифференциальном усилителе (рис. 36(а)) сопротивления резисторов R₂, R₃ в коллекторных цепях транзисторов выбирают равными, режимы обоих транзисторов устанавливают одинаковыми. В таких усилителях подбирают пары транзисторов со строго идентичными характеристиками.

Операционные усилители

Операционными усилителями (ОУ) называют многокаскадные усилители постоянного тока с дифференциальным входным каскадом, большим усилением и несимметричным выходом, предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе с глубокой отрицательной ОС (рис.37). Первоначально эти усилители предназначались для выполнения математических операций (сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование и т.д.) над непрерывными электрическими сигналами в аналоговых вычислительных машинах. Первые ОУ строились на электронных лампах, работали с высокими напряжениями (до ±300 В), имели большие размеры и стоимость. В начале 60-х годов ОУ стали серийно выпускаться в виде интегральных микросхем. Они имеют малые размеры, низкую стоимость, высокую надежность, и область применения их необычайно широко раздвинулась за те границы, которые предвидели их первые разработчики. ОУ применяются в системах телекоммуникации, вычислительной технике, в управлении процессами производства и др. При этом ОУ остается очень хорошим усилителем постоянного тока с большим коэффициентом усиления.

В настоящее время операционный усилитель – усилитель постоянного тока с полосой пропускания в несколько Гц с непосредственной связью (без разделительных конденсаторов) между высоким входным и малым выходным сопротивлением.

Выходной каскад операционного усилителя выполняется в виде дифференциального симметричного каскада. Поэтому он имеет два входа и реагирует на разность приложенным к ним напряжениям.

Большинство операционных усилителей имеют один несимметричный выход и два входа симметричных по отношению к общему проводу. Так как фаза выходного сигнала совпадает с фазой сигнала поданного на этот вход, его называют прямым. Инвертирующий вход – т.к. фаза выходного сигнала сдвинута на 180. Если ко входам приложены синфазные одинаковые по величине и фазе относительно общего провода сигналы, то их влияние будет взаимно скомпенсировано и выход будет иметь нулевой потенциал. Выходное напряжение измеряется относительно общего провода. Чтобы обеспечить возможность работы как с положительным так и отрицательным выходными сигналами для операционного усилителя необходимо двухполярное питающее напряжение. Коэффициент усиления является основным параметром и определяется отношением выходного напряжения от усилителя без обратной связи в режиме холостого хода к дифференциальному входному напряжению:

(19)

Величина U_д бесконечно мала по сравнению с U₂, поэтому при расчетах принято считать U_д 0; U₁ ’ U₁ ”.

Инвертирующая схема включения операционного усилителя

В данной схеме (рис. 38) входной сигнал подается на инвертирующий вход, поэтому входной и выходной сигналы сдвинуты по фазе на 180. Прямой вход соединен с общим проводом.

По первому закону Кирхгофа баланс токов в точке а равен: I_вх=I_ос+I_оу.

Т.к. мы приняли допущение, что R_вх®, то I_вх=I_ос.

I_вх= U_вх/R₁

I_ос= - U_вых/R_ос

(20)

Знак минус говорит о том, что выход и вход в противофазе. Из последнего соотношения коэффициент усиления инвертирующей схемы равен:

(21)

Не инвертирующая схема включения операционного усилителя

В данной схеме (рис. 39) сигнал подается на инвертирующий вход. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для входной цепи запишем:

(22)

Отсюда коэффициент усиления для не инвертирующей схемы будет равен:

(23)

Важным частным случаем не инвертирующей схемы является операционный повторитель (R₁®; R_ос=0).

Операционный повторитель (рис. 40) передает входной сигнал на выход без изменения фазы и амплитуды. У такого повторителя очень большое входное и очень малое выходное сопротивление, что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.

2.2.3 Тема 3 «Импульсные и цифровые устройства»

На предыдущих лекциях рассматривался в основном непрерывный режим работы электронных устройств, предполагающий длительное воздействие сигналов. Однако наряду с непрерывным в электронных устройствах часто используется импульсный режим работы, при котором кратковременное воздействие сигнала чередуется с паузой.

Импульсные устройства широко распространены в вычислительной технике, радиолокации, телевидении, автоматике, промышленной электронике. Переход к дискретному представлению сигналов в виде сочетания импульсов в измерительной технике позволил резко повысить точность измерительных приборов. Импульсный режим работы лежит в основе современных быстродействующих цифровых вычислительных машин. Мощные импульсы передатчиков излучаются антеннами радиолокаторов, а слабые, отраженные от различных объектов импульсы, принимаются и обрабатываются приемниками, причем импульсный режим позволяет выделять сигналы, амплитуда которых значительно меньше уровня помех.

В импульсных устройствах используют импульсы различной формы: прямоугольные, трапецеидальные, экспоненциальные, колоколообразные, ступенчатые, пилообразные и др. (рис. 41(а - е)). Их называют видеоимпульсами в отличие от радиоимпульсов, представляющих собой пакеты высокочастотных колебаний (рис. 42(а, б)). В импульсной технике применяют, как правило, видеоимпульсы.

Обычно импульсы следуют периодически с периодом Т, которому соответствует частота повторения F=l/T (рис. 43). Отношение периода Т к длительности t_и импульсов называют скважностью:

(24)

Скважность обычно колеблется в пределах от 2-10 (автоматика, вычислительная техника) до 10000 (радиолокация).

Приведенные на рис. 41 импульсы идеализированы. Реальные импульсы искажены, что выражается обычно в замедлении нарастания и убывания импульса, а также в спаде его плоской вершины.

Реальные импульсы характеризуют следующими основными параметрами (рис. 44):

1.Амплитудой импульса А;

2.Длительностью импульса t_и, обычно определяемой на уровне 0,1 А;

3.Длительностью фронта импульса t_ф - временем нарастания импульса от 0,1 до 0,9 А;

4.Длительностью среза импульса t_c - временем убывания импульса от 0,9 до 0,1 А;

5.Спадом вершины импульса DА.

Электронные ключи и простейшие формирователи импульсных сигналов

В состав многих импульсных устройств входят электронные ключи. Основу любого электронного ключа составляет активный элемент (полупроводниковый диод, транзистор, тиристор, электронная лампа), работающий в ключевом режиме. Ключевой режим характеризуется двумя состояниями ключа: «Включено» - «Выключено». На рис. 45(а-в) приведены упрощенная схема и временные диаграммы идеального ключа. При разомкнутом ключе i=0, U_вых=Е. При замкнутом ключе i=E/R, U_вых=0. При этом предполагается, что сопротивление разомкнутого ключа бесконечно велико, а сопротивление замкнутого ключа равно нулю. В реальных ключах токи, а также уровни выходного напряжения, соответствующие состояниям «Включено» - «Выключено», зависят от типа и параметров применяемых активных элементов и переход из одного состояния в другое происходит не мгновенно, а в течение времени, обусловленного инерционностью активного элемента и наличием паразитных емкостей и индуктивностей цепи.

Качество электронного ключа определяется следующими основными параметрами:

1.Падением напряжения на ключе в замкнутом состоянии U_з;

2.Током через ключ в разомкнутом состоянии i_р;

3.Временем перехода ключа из одного состояния в другое (временем переключения) t_пер.

Чем меньше значения величин U_з, i_р и t_пер, тем выше качество ключа.

Компаратор

Многие устройства импульсной и цифровой техники успешно выполняются на операционных усилителях.

Компаратором называют устройство, предназначенное для сравнения двух напряжений.

Компаратор изменяет уровень выходного напряжения, когда уровни непрерывно изменяющихся входных сигналов становятся равными. На рис. 8.46 (а) изображена схема простейшего компаратора на операционном усилителе для сравнения напряжений одного знака. Выходное напряжение

(25)

На рис. 46(б) приведена передаточная характеристика компаратора, а на рис. 46(в) - его условное обозначение. Благодаря высокому коэффициенту усиления К компаратор переключается при очень малой разности входных напряжений U₁ - U₂.

Если требуется сравнить по значению достаточно большие входные напряжения разных знаков, применяют схему рис. 47. Компаратор срабатывает при равенстве нулю потенциала точки а. При этом U₁/R₁ = -U₂/R₂. Благодаря включению диодов потенциал точки а не превышает ±0,6В (прямое напряжение на открытом диоде) при достаточно больших U₁ и U₂, чем защищаются входные цепи операционного усилителя от перегрузки.

Компараторы выпускаются в виде микросхем, например К597СА1, или 521СА4.

Триггер Шмитта

Компаратор, уровни включения и выключения которого не совпадают, называют триггером Шмитта (пороговым элементом).

Разница в уровнях называется гистерезисом переключения. Триггер Шмитта может быть построен на двух транзисторных каскадах усиления, охваченных положительной обратной связью, или на компараторе с положительной обратной связью. На рис. 48(а – в) приведены схема, передаточная характеристика и условное обозначение инвертирующего триггера Шмитта.

На рис. 49(а - в) приведены схема, передаточная характеристика и условное обозначение неинвертирующего триггера Шмитта.

Триггеры Шмитта выпускаются в виде микросхем, например К155ТЛ1 (два триггера Шмитта с элементами И на входе).

Одна из основных областей применения триггера Шмитта - формирование напряжения прямоугольной формы из входного напряжения произвольной формы (рис. 50). Триггер Шмита используют также в качестве порогового устройства для регистрации превышения входным напряжением порогового значения U_вкл (или U_выкл).

Мультивибраторы и одновибраторы

Для получения прямоугольных импульсов широко используют устройства, называемые релаксационными генераторами (релаксаторами) (от англ. relax - ослаблять, уменьшать напряжение): Релаксаторы, как и триггеры, относятся к классу спусковых устройств и основаны на применении усилителей с положительной обратной связью или электронных приборов с отрицательным сопротивлением, например туннельных диодов или тиристоров.

В отличие от триггеров, обладающих двумя состояниями устойчивого равновесия, релаксаторы имеют не более одного состояния. Кроме того, они имеют состояния квазиравновесия, характеризуемые сравнительно медленными изменениями токов и напряжений, приводящими к некоторому критическому состоянию, при котором создаются условия для скачкообразного перехода релаксатора из одного состояния в другое.

Релаксаторы могут работать в одном из трех режимов: 1) автоколебаний; 2) ждущем; 3) синхронизации. На практике чаще применяют устройства, основанные на использовании первых двух режимов.

В режиме автоколебаний в релаксаторе нет состояния устойчивого равновесия, имеется только два состояния квазиравновесия. Релаксатор переходит из одного состояния квазиравновесия в другое без внешних воздействий, генерируя импульсы, параметры которых зависят от параметров релаксатора. Такой релаксатор называется мультивибратором.

В ждущем режиме релаксатор имеет состояние устойчивого равновесия и состояние квазиравновесия. Переход из первого состояния во второе происходит под воздействием внешнего запускающего импульса, а обратный переход - самопроизвольно по истечении некоторого времени, определяемого параметрами устройства. Таким образом, в ждущем режиме релаксатор генерирует один импульс с определенными параметрами при воздействии запускающего импульса. Отсюда и название устройства - одновибратор.

В режиме синхронизации частота повторения импульсов релаксатора определяется частотой внешнего синхронизирующего напряжения. Релаксатор имеет два чередующихся состояния квазиравновесия, а время пребывания в этих состояниях зависит не только от параметров релаксатора, но также от периода синхронизирующего напряжения. Если синхронизирующее напряжение снять, устанавливается режим автоколебаний.

Схемы мультивибраторов разнообразны и по элементной базе и по способам построения. Рассмотрим мультивибраторы на операционных усилителях. На рис. 51(а) приведена схема мультивибратора, выполненного на основе инвертирующего триггера Шмитта, в котором отрицательная обратная связь осуществляется через фильтр нижних частот в виде RС -цепи. Допустим, что выходное напряжение мультивибратора равно U_{вых mах}. Тогда напряжение на инвертирующем входе (равное напряжению U_с на конденсаторе) отрицательно, а на прямом входе положительно и равно

(26)

Напряжение на конденсаторе U_с=U_ возрастает, так как конденсатор начинает перезаряжаться через резистор R, и стремится к U_{вых max} (рис. 51(б)). Когда U_с достигает уровня U_выкл выключения триггера Шмитта, напряжение U_вых скачком изменяется до U_{вых min}. Так как U_{вых max} = -U_{вых min} = U_{m ax}, то конденсатор С начинает перезаряжаться от U_выкл до -U_max и обратное переключение происходит при U_c = U_вкл. Затем процесс периодически повторяется.

Мультивибраторы и одновибраторы могут быть выполнены на логических элементах. Мультивибраторы и одновибраторы на логических элементах позволяют получить импульсы с малой длительностью фронта и среза. Однако температурная стабильность и диапазон регулирования длительности импульсов у них ниже, чем в схемах на операционных усилителях.

Как отмечалось, мультивибраторы применяют в качестве генераторов импульсов прямоугольной формы. Одновибраторы используют для различных целей:

1. Расширение импульсов (реализуется благодаря тому, что длительность импульса одновибратора определяется параметрами схемы и не зависит от длительности запускающего импульса);

2. Задержка сигнала на заданное время (Входной сигнал (запускающий импульс) может быть задержан на время, равное длительности импульса одновибратора, если к его выходу подключить устройство (например, динамический триггер), реагирующее на перепад напряжения, соответствующий окончанию выходного импульса. На этом принципе реализуют реле времени - устройство, предназначенное для выдачи сигнала спустя заданное время после входной команды. Для задания точных, регулируемых в широком диапазоне интервалов времени, применяют специальные устройства - таймеры (от англ. time - время), выпускаемые в виде интегральных микросхем, например КР1006ВИ1.

Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)

Линейно изменяющимся (пилообразным) напряжением (ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню (см. рис. 41(е)).

ЛИН характеризуется следующими основными параметрами (рис. 52): периодом Т, длительностью рабочего хода Т_р, длительностью обратного хода Т_обр, амплитудой U_m, коэффициентом нелинейности e.

В ГЛИН, используемых на практике, T_р изменяется от десятых долей микросекунды до десятков секунд, U_m - от единиц до тысяч вольт, T_обр - от 1 до 50% от Т_р. В большинстве реальных схем e <1%.

Обычно линейное изменение напряжения получают при зарядке и разрядке конденсатора.

Как известно, напряжение на конденсаторе U_с связано с током, проходящим через конденсатор, соотношением

(27)

В случае линейного изменения напряжения U_с

(28)

Подставляя (27) в (28), получаем

(29)

т. е. для обеспечения линейности необходимо, чтобы зарядный ток конденсатора был постоянен. Тогда

(30)

Для получения периодической последовательности импульсов ЛИН требуется периодически заряжать конденсатор. Таким образом, функциональная схема ГЛИН должна иметь вид, показанный на рис. 53. При разомкнутом ключе К конденсатор С заряжается от источника тока постоянным током I_c. Замыкание ключа K приводит к разрядке конденсатора, затем процесс повторяется.

На рис. 54(а) приведена электрическая схема простейшего ГЛИН. На транзисторе Т собран ключ, управляемый прямоугольными импульсами U_{в х} отрицательной полярности (рис. 54(б)). В исходном состоянии транзистор насыщен (ключ замкнут), что обеспечивается выбором соотношения сопротивлений резисторов R_б и R_к. При воздействии входного импульса длительностью Т_р транзистор закрывается (ключ разомкнут) и конденсатор С заряжается от источника +Е_к через резистор R_к. Напряжение на конденсаторе изменяется по экспоненте (рис. 54(б)): . По окончании входного импульса транзистор переходит в режим насыщения (ключ замкнут) и конденсатор быстро разряжается через промежуток коллектор - эмиттер (рис. 54(а)). Используя начальный участок экспоненты, линейность которого достаточно высока, можно получить импульсы с малым коэффициентом нелинейности. Однако при этом отношение U_m/E_к мало, в чем и состоит основной недостаток данной схемы. Высококачественные ГЛИН создают на основе операционных усилителей.

Логические элементы

Логические элементы вместе с запоминающими элементами составляют основу устройств цифровой (дискретной) обработки информации — вычислительных машин, цифровых измерительных приборов и устройств - автоматики. Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией, а запоминающие элементы служат для ее хранения.

Логическая операция преобразует по определенным правилам входную информацию в выходную. Логические элементы чаще всего строят на базе электронных устройств работающих в ключевом режиме. Поэтому цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы принимают только два значения: «0» (логический нуль) и «1» (логическая единица), соответствующие двум состояниям ключа.

Логические преобразования двоичных сигналов включают три элементарные операции:

1. Логическое сложение (дизъюнкцию), или о перацию ИЛИ, обозначаемую знаками «+» или v: Y=x₁+x₂;

2. Логическое умножение (конъюнкцию), или операцию И, обозначаемую знаками «•», L или написанием переменных рядом без знаков разделения: Y=x₁x₂;

3. Логическое отрицание (инверсию), или операцию НЕ, обозначаемую чертой над переменной: .

Правила выполнения логических операций над двоичными переменными для случая двух переменных имеют следующий вид:

Операция ИЛИ		Операция И		Операция НЕ

Логические элементы, реализующие операцию ИЛИ, называют элементами ИЛИ. Выходной сигнал Y элемента ИЛИ равен единице, если хотя бы на один из n входов подан сигнал «1».

Логические элементы, реализующие операцию И, называют элементами И либо схемами совпадения. Выходной сигнал Y элемента И равен единице, если одновременно на все n входов подан сигнал «1».

Операция НЕ реализуется логическим элементом НЕ или инвертором.

Помимо рассмотренных логических элементов на практике широко применяют комбинированные элементы, реализующие две (и более) логические операции.

В таблице 5 приведены основные логические функции, обозначения соответствующих элементов и их схемы.

Логические элементы обычно выполняют на интегральных микросхемах.

В зависимости от вида используемых сигналов логические элементы подразделяют на потенциальные и импульсные. В потенциальных элементах логические «0» и «1» представляются двумя разными уровнями электрического потенциала, а в импульсных элементах - наличием или отсутствием перепада напряжения от низкого уровня к высокому или наоборот. Наибольшее распространение получили потенциальные элементы.

Таблица 5 - Основные логические функции

Элемент	Обозначение	Выполняемая функция и схема
НЕ	ЛН
И	ЛИ
И-НЕ	ЛА
ИЛИ	ЛЛ
ИЛИ-НЕ	ЛЕ
И-ИЛИ	ЛС
И-ИЛИ-НЕ	ЛР
Исключающее ИЛИ	ЛП

Классификация логических элементов

Выделяют следующие классы логических элементов:

1. Резисторно-транзисторная логика (РТЛ);

2. Диодно-транзисторная логика (ДТЛ);

3. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

4. Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);

5. Транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ);

6. Логика на основе МОП транзисторов с каналами типа р (р -МДП);

7. Логика на основе МОП транзисторов с каналами типа n (n -МДП);

8. Логика на основе комплементарных ключей на МДП-транзисторах (КМПДП, КМОП);

9. Интегральная инжекционная логика (И²Л);

10. Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs.

В настоящее время более широко используются следующие логики: ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ. Устарела и практически не используется РТЛ. Для разрабатываемых в настоящее время устройств можно рекомендовать использовать КМОП-логику, а также логику на основе GaAs.

Логические элементы и другие цифровые электронные устройства выпускаются в составе серий микросхем. Серия микросхем – это совокупность микросхем, характеризуемых общими технологическими и схемотехническими решениями, а также уровнями электрических сигналов и напряжения питания.

Приведем примеры серий микросхем:

ТТЛ – К155, КМ155, К133, КМ133;

ТТЛШ – 530, КР531, КМ531, КР1531, 522, К555, КМ555, 1533, КР1533;

ЭСЛ – 100, К500, К1500;

КМОП – 564, К561, 1564, КР1554;

GaAs – К6500.

Параметры логических элементов:

1.Время задержки распространения сигнала (tзр);

- t_зр10 – время задержки распространения сигнала при переключении из состояния «1» в состояние «0»;

- t_зр01 – время задержки распространения сигнала при переключении из состояния «0» в состояние «1»;

2.Максимальная рабочая частота (F_max) – частота, при которой сохраняется работоспособность схемы;

(пункты 1-2 характеризуют быстродействие)

3.Коэффициент объединения по входу (К_об) – число логических входов;

4.Коэффициент разветвления по выходу (К_раз) – максимальное число однотипных логических элементов, которые могут быть подключены к выходу данного логического элемента;

(пункты 3-4 характеризуют нагрузочную способность);

5.Статическая помехоустойчивость U_пст – максимально допустимое напряжение статической помехи на входе, при котором еще не происходит изменение выходных уровней логического элемента (характеризует помехоустойчивость);

6.Мощность, потребляемая микросхемой от источника питания;

7.Напряжение питания;

8.Входные пороговые напряжения высокого и низкого уровня U_{вх1порог} и U_{вх0порог}, соответствующие изменению состояния логического элемента;

9.Выходные напряжения высокого и низкого уровней U_вых1 и U_вых0.

Устройства на логических элементах

Дешифратор

Дешифратором (декодером) называют устройство, предназначенное для распознавания различных кодовых комбинаций (слов).

Каждому слову на входе дешифратора соответствует «1» на одном из его выходов. На рис. 55 показано условное обозначение дешифратора, преобразующего двоичные четырехразрядные входные коды от 0 до 9 в «1» (преобразователь 1 из 10), а табл. 6 иллюстрирует состояния дешифратора для разных кодовых комбинаций.

Существуют дешифраторы, преобразующие входной код х в выходной код у, называемые преобразователями кодов (например, преобразователи двоичного кода в двоично-десятичный и наоборот). В таких преобразователях каждому слову на входе соответствует определенное слово на выходе.

Дешифраторы находят разнообразное применение в вычислительной и информационно-измерительной технике. Одно из них - управление индикаторами, отображающими знаковую информацию.

Таблица 6 - Таблица состояний двоично-десятичного семисегментного дешифратора

Цифра	Двоично-десятичный код	Семисегментный выход
2^3	2^2	2^1	2^0	A	b	c	d	e	f	G

Дешифраторы выпускаются в виде интегральных микросхем, например трехразрядный дешифратор К500ИД162М, преобразующий двоичный код в восьмеричный, четырехразрядные преобразователи двоичного кода в десятичный К176ИД1 и К155ИД1. Существуют также микросхемы, объединяющие счетчик с дешифратором, например микросхемы К176ИЕЗ и К176ИЕ4, предназначенные для управления семисегментными цифровыми индикаторами.

Микропроцессоры

Развитие микроэлектроники, с одной стороны, и вычислительной техники - с другой, привело к появлению в начале 70-х годов качественно новых технических средств - микропроцессоров и микро-ЭВМ.

Главный узел цифровой вычислительной машины – процессор.

Процессором называют устройство обработки информации, осуществляемой по программе. Микропроцессор (МП) - это процессор, выполненный по интегральной технологии в одной или нескольких БИС.

Например, широко распространенный микропроцессор КР580ИК80 (серия 580) содержит 5000 транзисторов и выполнен в одном кристалле БИС. Структура микропроцессора приведена на рис. 56.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) реализует арифметические (сложение, вычитание) и логические (сравнение, И, ИЛИ) операции над двумя числами и выдает результат операций. Регистры (Р) служат для хранения и выдачи команд (регистр команд), адресов (регистр адресов) и данных (аккумулятор). Устройство управления (УУ) служит для преобразования команд, поступающих из регистров и внешнего запоминающего устройства (ЗУ), в сигналы, непосредственно воздействующие на все элементы МП и стимулирующие выполнение команд. Все блоки МП связаны между собой и с внешними устройствами тремя шинами: шиной данных (ШД), шиной адресов (ША) и шиной управления (ШУ). Шина состоит из параллельных проводников, к которым подключаются блоки МП и внешние устройства. Она служит для обмена информацией между этими блоками. Устройство управления определяет разделение во времени связей между блоками по одним и тем же проводникам (мультиплексирование).

Шина данных служит для обмена операндами - исходными элементами данных, под которыми можно понимать числовые данные или команды (также представляемые числами). Шина адресов служит для передачи адресов - указаний (в виде чисел) местоположения ячейки памяти в запоминающем устройстве. Шина управления служит для обмена сигналами управления.

Для того чтобы получить законченную ЭВМ, к процессору необходимо добавить, как минимум, устройство ввода - вывода информации (УВВ), запоминающее устройство (ЗУ) и тактовый генератор (ТГ) (рис. 57). Первое служит для ввода информации от внешних устройств в процессор или в ЗУ и для вывода информации во внешние устройства, второе - для приема, хранения и выдачи программы и данных. Тактовый генератор синхронизирует через МП работу всех блоков системы. Показанную на рис. 57 систему называют микро-ЭВМ или микропроцессорной системой (комплектом).

Микропроцессорные комплекты оперируют информацией, представленной в двоичном коде в виде электрических сигналов. Большинство МП рассчитаны на работу с 4, 8, 12 и 16-разрядными «словами». Программа, по которой работает МП, обычно хранится в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), в которое она заносится однократно при изготовлении ПЗУ. Возможно применение репрограммируемых ПЗУ (РеПЗУ), допускающих многократную запись и стирание информации (например, микросхемы К573РФ1 - К573РФ5), в которых стирание происходит при ультрафиолетовом облучении. Для хранения данных применяют оперативные ЗУ (ОЗУ), в которые информация может быть введена микропроцессором или внешними устройствами (например, клавиатурой ввода, каналом связи с объектом).

В МП и микро-ЭВМ используется микропрограммное управление, при котором каждая команда представляется набором микрокоманд - реализуемых электрической схемой элементарных машинных операций. Обычно число команд (или микрокоманд), которые могут выполняться микропроцессорной системой, невелико (десятки и сотни).

2.2.4 Тема 4 «Источники вторичного электропитания»

Дата добавления: 2014-01-06