Цифровая и импульсная электроника

Импульсный режим работы и цифровое представление преобразуемой информации. Импульсный режим работы электронного устройства характерен резкими изменениями токов и напряжений. Импульсный режим широко используется в устройствах как силовой, так и информативной электроники.

Импульсный режим работы устройств информативной электроники имеет следующие два важнейших преимущества:

· резко повышается помехоустойчивость, так как и при высоком уровне помех обычно не возникает проблемы отличить одно состояние схемы от другого, а именно состояние схемы определяет информацию о преобразуемом сигнале;

· информация о сигнале простым и естественным образом представляется в цифровой форме, что позволяет использовать большие и все возрастающие возможности цифровой обработки информации.

Импульсные сигналы. Основные термины. Обратимся для примера к идеализированному импульсу, который называют трапецеидальным (рис. 15.1, а).

Рис. 15.1. Виды идеализированных импульсов

Участок трапецеидального импульса АВ называют фронтом, участок ВС – вершиной, участок СD – срезом, отрезок АD – основанием. Иногда участок АВ называют передним фронтом, а участок СD – задним фронтом.

На рис. 15.1, б приведены другие идеализированные импульсы характерных форм и даны их названия.

Более сложный по форме, приближенный к реальному, вид импульса показан на рис. 15.2, а.

Рис. 15.2. Характерные параметры импульса

Участок импульса, соответствующий отрицательному напряжению, называют хвостом импульса, или обратным выбросом.

Для величин, указанных на рис. 15.2, обычно используют следующие названия:

t_и – длительность импульса;

t_ф – длительность фронта импульса;

t_с – длительность среза импульса;

t_х – длительность хвоста импульса;

U_m – амплитуда (высота) импульса;

Δ U – спад вершины импульса;

U_обр – амплитуда обратного выброса.

При определении параметров реальных импульсов обычно нет возможности однозначно разделить импульс на характерные участки, поэтому в этих случаях параметры импульсов определяют исходя из тех или иных допущений. Например, длительность импульса и фронта импульса часто определяют так, как показано на рис. 15.2, б.

Обратимся к периодически повторяющимся импульсам (рис. 15.3).

Рис. 15.3. Периодически повторяющиеся импульсы

В этом случае используют следующие параметры:

Т – период повторения импульсов;

f=1/T – частота повторения импульсов;

t_и – длительность импульса;

t_п – длительность паузы;

Q=T/t_и – скважность импульса;

К_з=1/Q=t_и/T – коэффициент заполнения.

Цифровое представление преобразуемой информации. Для цифрового представления информации характерно полное абстрагирование от особенностей электрических процессов в электронной схеме, выполняющей обработку сигналов.

В устройствах цифровой электроники в большинстве случаев используется сигналы двух уровней – высокого и низкого. При этом обычно имеется в виду уровни напряжения, а не тока. Важным является не абсолютные значения амплитуд напряжений для высокого и низкого уровня, а их четко различимая разность. Изобразим диаграмму, поясняющую изложенное (рис. 15.4):

Рис. 15.4. Соотношение высокого и низкого уровня сигналов

На этой диаграмме, соответствующей цифровым схемам транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), имеющей напряжение питания 5 В, укажем диапазоны напряжений для входных и выходных сигналов (заштрихованные прямоугольники). Это такие диапазоны, что сигнал, оказавшись в одном из них, безошибочно квалифицируется как сигнал высокого или низкого уровня. Высокому и низкому уровню сигналов ставятся в соответствие логические состояния 1 и 0. Если высокому уровню сигналов ставится в соответствие состояние 1, а низкому – состояние 0, то говорят о так называемой позитивной логике. Если высокому уровню соответствует состояние 0, а низкому – 1, то говорят о так называемой негативной логике.

Транзисторные ключи

Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники и очень многих устройств силовой электроники. Параметры и характеристики транзисторного ключа в очень большой степени определяют свойства соответствующих схем.

Ключи на биполярных транзисторах. Простейший ключ на биполярном транзисторе, включенный по схеме с общим эмиттером, и соответствующая временная диаграмма входного напряжения представлены на рис. 15.5.

Рис. 15.5. Ключ на биполярном транзисторе

Рассмотрим работу транзисторного ключа в установившихся режимах. До момента времени t₁ эмиттерный переход транзистора заперт и транзистор находится в режиме отсечки. В этом режиме i_к = –i_б = I_ко (I_ко – обратный ток коллектора), i_э ≈ 0. При этом u_Rб ≈ u_Rк ≈ 0; u_бэ ≈ – U₂; u_кэ ≈ –Е_к.

В промежутке времени t₁ … t₂ транзистор открыт. Для того, чтобы напряжение на транзисторе u_кэ было минимальным, напряжение U₁ обычно выбирают так, чтобы транзистор находится или в режиме насыщения, или в пограничном режиме, очень близким к режиму насыщения.

Ключи на полевых транзисторах отличаются малым остаточным напряжением. Они могут коммутировать слабые сигналы (в единицы микровольт и меньше). Это следствие того, что выходные характеристики полевых транзисторов проходят через начало координат.

Для примера изобразим выходные характеристики транзистора с управляющим переходом и каналом p -типа в области, прилегающей к началу координат (рис. 15.6).

Рис. 15.6. Полевой транзистор с каналом p-типа

Обратим внимание, что характеристики в третьем квадранте соответствуют заданным напряжениям между затвором и стоком.

В статическом состоянии ключ на полевом транзисторе потребляет очень малый ток управления. Однако этот ток увеличивается при увеличении частоты переключения. Очень большое входное сопротивление ключей на полевых транзисторах фактически обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей. Это позволяет обойтись без трансформаторов в цепях управления.

На рис. 15.7 приведена схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n -типа и резистивной нагрузкой и соответствующие временные диаграммы.

Рис. 15.7. Цифровой ключ на полевом транзисторе

На схеме изображена емкость нагрузки С_н, моделирующая емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт и u_си = Е_с. Если напряжение uвх больше порогового напряжения U_{зи.порог} транзистора, то он открывается и напряжение u_си уменьшается.

Логические элементы

Логический элемент (логический вентиль) – это электронная схема, выполняющая некоторую простейшую логическую операцию. На рис. 10.8 приведены примеры условных графических обозначений некоторых логических элементов.

Рис. 15.8. Логические элементы

Логический элемент может быть реализован в виде отдельной интегральной схемы. Часто интегральная схема содержит несколько логических элементов.

Логические элементы используются в устройствах цифровой электроники (логических устройствах) для выполнения простого преобразования логических сигналов.

Классификация логических элементов. Выделяются следующие классы логических элементов (так называемые логики):

· резисторно-транзисторная логика (ТРЛ);

· диодно-транзисторная логика (ДТЛ);

· транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

· эмиттерно-транзисторная логика (ЭСЛ);

· транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ);

· логика на основе МОП-транзисторов с каналами типа р (р -МДП);

· логика на основе МОП-транзисторов с каналами типа n (n -МДП);

· логика на основе комплементарных ключей на МДП-транзисторах (КМДП, КМОП);

· интегральная инжекционная логика И²Л;

· логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs.

В настоящее время наиболее широко используются следующие логики: ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ. Логические элементы и другие цифровые электронные устройства выпускаются в составе серий микросхем: ТТЛ – К155, КМ155, К133, КМ133; ТТЛШ – 530, КР531, КМ531, КР1531, 533, К555, Км555, 1533, КР1533; ЭСЛ – 100, К500, К1500; КМОП – 564, К561, 1564, КР1554; GaAs – К6500.

Наиболее важные параметры логических элементов:

· Быстродействие характеризуется временем задержки распространения сигнала t_зр и максимальной рабочей частотой F_макс. Время задержки принято определять по перепадам уровней 0,5 U_вх и 0,5Δ U_вых. Максимальная рабочая частота F_макс – это частота, при которой сохраняется работоспособность схемы.

· Нагрузочная способность характеризуется коэффициентом объединения по входу К_об (иногда используют термин «коэффициент объединения по выходу»). Величина К_об – это число логических входов, величина К_раз – максимальное число однотипных логических элементов, которые могут быть подключены к выходу данного логического элемента. Типичные значения их таковы: К_об =2…8, К_раз =4…10. Для элементов с повышенной нагрузочной способностью К_раз =20…30.

· Помехоустойчивость в статическом режиме характеризуется напряжением U_пст, которое называется статической помехоустойчивостью. Это такое максимально допустимое напряжение статической помехи на входе, при котором еще не происходит изменение выходных уровней логического элемента.

· Мощность, потребляемая микросхемой от источника питания. Если эта мощность различна для двух логических состояний, то часто указывают среднюю потребляемую мощность для этих состояний.

· Напряжение питания.

· Входные пороговые напряжения высокого и низкого уровня U_{вх.1порог} и U_{вх.0порог}, соответствующие изменению состояния логического элемента.

· Выходные напряжения высокого и низкого уровней U_вых1 и U_вых0.

Используются и другие параметры.

Особенности логических элементов различных логик. Для конкретной серии микросхем характерно использование типового электронного узла – базового логического элемента. Этот элемент является основой построения самых разнообразных цифровых электронных устройств.

· Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И, и сложный инвертор (рис. 15.9).

Рис. 15.9. Базовый элемент ТТЛ

Если на один или оба входа одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмитттерный транзистор находится в состоянии насыщения и транзистор Т₂ закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т₄, т. е. на выходе будет высокий уровень напряжения. Если на обоих входах одновременно действует высокий уровень напряжения, то транзистор Т₂ открывается и входит в режим насыщения, что приводит к открытию и насыщению транзистора Т₄ и запиранию транзистора Т₃, т.е. реализуется функция И-НЕ. Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами или транзисторами Шоттки.

· Базовый логический элемент ТТЛШ (на примере серии К555). В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент

И-НЕ (рис. 15.10, а), а на рис. 15.10, б показано графическое изображение транзистора Шоттки.

Рис. 15.10. Логический элемент ТТЛШ

Транзистор VT4 – обычный биполярный транзистор. Если оба входных напряжения u_вх1 и u_вх2 имеют высокий уровень, то диоды VD3 и VD4 закрыты, транзисторы VT1, VT5 открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторы VT1 и VT5 закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами:

· напряжение питания +5 В;

· выходное напряжение низкого уровня не более 0,4 В;

· выходное напряжение высокого уровня не менее 2,5 В;

· помехоустойчивость – не менее 0,3 В;

· среднее время задержки распространения сигнала 20 нс;

· максимальная рабочая частота 25 МГц.

Особенности других логик. Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ, схема которого подобна схеме дифференциального усилителя. Микросхема ЭСЛ питается отрицательным напряжением (–4 В для серии К1500). Транзисторы этой микросхемы не входят в режим насыщения, что является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.

В микросхемах n -МОП и p -МОП используются ключи соответственно на МОП-транзисторах с n -каналами и динамической нагрузкой и на МОП-транзисторах с p -каналом. Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комплементарные МДП-логические элементы (КМДП или КМОП-логика).

Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs характеризуется наиболее высоким быстродействием, что является следствием высокой подвижности электронов (в 3…6 раз больше по сравнению с кремнием). Микросхемы на основе GaAs могут работать на частотах порядка 10 ГГц.