|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Методично - навчальний посібникСтр 1 из 18Следующая ⇒
Методично - навчальний посібник
для самостійного вивчення предмету
«Комп'ютерна електроніка»
до спеціальності: 5.05010201 „Обслуговування комп’ютерних систем і мереж”
Розробила викладач: Ковальова Т.І.
2010 ЗМІСТ
1 Пояснювальна записка 3 2 Навчальна програма предмету 4 3 Вступ 6 4 Розділ І Фізичні основи електронної техніки 7 5 Розділ ІІ Елементи та компоненти інтегральних схем 12 6 Розділ ІІІ Основи електронної схемотехніки 35 7 Розділ ІV Пристрої відображення інформації 51 8 Розділ V Елементи імпульсних та цифрових пристроїв 51 9 Розділ VІ Функціональні вузли цифрових та імпульсних пристроїв 63 6 Рекомендована література 71 7 Додаток 1 72 8 Додаток 2 73
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА Метою вивчення предмету «Комп′ютерна електроніка» є ознайомлення з фізичними основами, будовою та параметрами електронних напівпровідникових приладів та мікросхем, умовами експлуатації та режимами їх роботи, набуття навичок побудови і аналізу імпульсних та аналогових електронних схем на сучасних дискретних та інтегральних компонентах. Навчальна програма складена з урахуванням знань, отриманих при вивчені дисциплін : «Фізика», «Елементи вищої математики», «Теорія електричних та магнітних кіл», «Інформатика». Завдання курсу – навчити студентів: - принципам роботи електронних та напівпровідникових пристроїв; - сучасній елементній базі аналогових та імпульсних пристроїв; - методичним і схемотехнічним основам побудови елементної бази сучасних комп′ютерів, принципам їх роботи та основним характеристикам. В результаті вивчення предмету студенти повинні вміти: - визначати основні параметри імпульсних та аналогових пристроїв; - користуватися довідковою та спеціальною літературою при застосуванні аналогових і імпульсних пристроїв; - будувати прості пристрої по перетворенню та обробці цифрової та аналогової інформації; - по технічному завданню побудувати пристрій на основі вузлів аналогових й цифрових мікросхем; - обгрунтовати та аналізувати вибір вузлів пристроїв на базі аналогових та цифрових ІМС, вимірювати параметри; - виконувати найпростіші розрахунки каскадів, оцінювати отримані результати. Знання, які отримають студенти під час вивчення курсу, використовуються ними при вивченні предметів: «Мікросхемотехніки», «Електрорадіовимірювання «Мікропроцесорні системи» й інших спеціальних та профілюючих курсів, а також при виконанні курсових і дипломних проектів. При роботі з методичним посібником слід ретельно ознайомитися з викладеним теоретичним матеріалом, для більш ґрунтовної підготовки необхідно звернутися до основної та довідкової літератури наведеної в посібнику. З метою кращого засвоєння навчального матеріалу необхідно розглянути приклади задач, розв'язати практичні задачі для самоконтролю, відповісти на теоретичні питання.
ПРИМІРНИЙ ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ВСТУП Курс «Комп′ютерної електроніки» належить до спеціальних дисциплін спеціальності. Мета дисципліни – ознайомлення з фізичними основами електронних та напівпровідникових приладів та мікросхем, побудови та принципів роботи основних схем імпульсної, цифрової і аналогової техніки, умовами експлуатації та режимами їх роботи. Електроніка - це наука про створення різних за функціями і діями електронних вузлів і пристроїв. Комп'ютерна електроніка - це галузь науки і техніки, яка зв’язана з вивченням принципів дії параметрів електричних пристроїв аналогових та цифрових мікросхем, а також реалізує на їх основі різні пристрої та схеми, які використовують в засобах обчислювальної техніки. При створенні технічних пристроїв інформаційної техніки умовились використовувати або всю сукупність значень того чи іншого носія інформації у деякому часовому та амплітудному інтервалі (аналогова форма представлення інформації) чи тільки деякі її значення (дискретна або цифрова форма представлення інформації). Аналогова обчислювальна машина – це обчислювальний пристрій, який призначений для рішення алгебраїчних систем, тобто лінійних, нелінійних і диференційних рівнянь, які реалізовані у вигляді електричних схем. Числова обчислювальна машина – це електронний пристрій, який побудований з типових елементів (логічних та запам'ятовуючих) і реалізує деякій довільний алгоритм. Розвиток сучасної електроніки нерозривно пов'язаний з досягненнями мікроелектроніки, яка, в свою чергу, базується на інтегральній технології - отримувати вузли електронних пристроїв у вигляді інтегральних мікросхем. Електронні пристрої широко використовуються у радіозв'язку, телебаченні, запису та відтворенні звуку, радіолокації, у сучасних обладнаннях в автоматиці і телемеханіці, провідному зв'язку, атомній та ракетній техніці, астрономії, метрології, машинобудуванні, вимірювальній техніці, медицині і т. ін. Прогрес електроніки сприяв виникненню та розвитку кібернетики - науки, що займається питаннями управління та зв'язку в машинах і живих організмах, а також зробив можливим створення швидкодіючих обчислювальних машин. Розвиток техніки сьогодні сприяє безперервному зростанню часток електронних вузлів у інформаційних пристроях автоматики за рахунок впровадження інтегральної технології, що дала змогу на одному кристалі напівпровідника малої площі (тисячні частки - декілька квадратних міліметрів) виготовляти складні функціональні вузли різного призначення. Промисловість серійно випускає інтегральні підсилювачі електричних сигналів, комутатори, логічні елементи, лічильники імпульсів, кодові ключі, дешифратори і т. ін. В останні роки освоєно випуск великих інтегральних мікросхем (ВІМ) і мікромініатюрних обчислювальних машин, що отримали назву мікропроцесорів. Кількість елементів кожної ВІМ коливається від десятків одиниць до сотень тисяч і сягає кількох мільйонів у надвеликих мікросхемах. Значно підвищився інтерес до оптоелектроніки, де, крім електричних сигналів, використовуються і світлові. Тема 2.4 Транзистори Транзистори - це напівпровідникові прилади, які мають один чи декілька p-n переходів, призначені для підсилення потужності сигналів і мають 3 і більш виводів. За принципом дії транзистори поділяються на: - біполярні - НП прилади в яких використовуються носії зарядів обох знаків (електроні і дірки), мають 2p-n – переходи, керуються струмом. - уніполярні (польові) – використовують носії зарядів одного знака, керуються електричним полем; - одноперехідні (двобазовий діод); фототранзистори – керуються світлом.
Біполярні транзистори – мають три зони провідності, які утворюють два p - n- переходи. Ці області називають: емітерна (джерело носіїв заряду), база (має властивість керувати цими зарядами) і колекторна (збирає носії заряду). Відповідно, кожна має з областей має свій вивід, який маркується: К - колектор; Б - база; Е - емітер. Залежно від типу вільних носіїв заряду в цих областях, транзистори поділяються за типом на p - n - p та n - p - n.
Рисунок 2.25 – Біплярний транзистор: p- n - p - типу – структура (а), схемне зображення (б); n- p- n- типу – структура (в), схемне зображення (г). Наявність p - n - переходів визначає два стани транзистора: відкритий і закритий. У відкритому транзисторі струм проходить від емітера до колектора. Для цього в транзисторі типу p - n - p (рис.2.25,а) до кожного p - n –переходу потрібно прикласти напругу певної полярності, а саме: між емітером і базою – в прямому напрямку, тобто до емітера «+», а до бази «-»; між колектором і базою – в зворотному напрямку – до колектора «-», до бази - «+». Для транзисторів n - p - n- типу полярність протилежна (рис.2.25,в). За наявності прикладених напруг вільні заряди із зони емітера переходять у зону бази, де частина їх рекомбінує. За рахунок того, що область бази є невеликою (декілька мікронів), то більшість цих носіїв потрапляють під дією напруги U БК i переходять в область колектора. Таким чином, уворюються струми емітера ІЕ, бази ІБ та колектора ІК (рис.2.26), які підпорядковані першому закону Кірхгофа ІЕ =ІК + ІБ, а зв'язок з вихідним і вхідним струмами визначається коефіцієнтом пересилання за струмом: α = ∆ ІК / ∆ ІЕ = Кі U КБ = const.
Рисунок 2.26 – Проходження струмів транзистора у відкритому стані
Таке увімкнення називають із спільною базою (рис.2.27,а) але враховуючи, що ІБ є незначним, практично приймають ІЕ =ІК , то в такій схемі Кі <1, тому трназистор доцільно вмикати за схемою зі спільним емітером (рис.2.27, б).
а) б) в) Рисунок 2.27 – Схеми вмикання транзистора: із спільною базою (а), із спільним емітером (б), із спільним колектором (в) Оскільки струм ІБ є вхідним струмом і незначним за величиною, то така схема забезпечує значне підсилення приросту струму в порівнянні зі схемою зі спільною базою КІСЕ = ∆ІК / ∆ІБ = β = h 21 E , при U КЕ = const . h 21 E – h – параметр для схеми зі СЕ. β ≈ 50, а враховуючи, що К U СЕ ≥ 100, отримуємо значний коефіцієнт за потужністю КРСЕ = КІСЕ ∙ К U СЕ . Завдяки цій підсилювальній властивості транзистори знайшли широке застосування в схемах підсилення електричних сигналів. Статичні характеристики БТ – це залежності між струмами та напругами на вході та виході БТ. Статичними називають тому, бо один з параметрів залишається постійним. Використовують 2 види статичних характеристик: - вхідні Івх = f(Uвх) при Uвх = const; - вихідні Івих = f(Uвих) при Івх = const.
а) б) Рисунок 2.28 – Вхідні (а) та вихідні б) характеристики p- n - p транзистора, увімкненого за схемою зі спільним емітером
До основних параметрів БТ відносять: UE К – напруга між емітером і колектором, величина якї може привести до пробою колекторного p - n - переходу; ІК – величина струму колектора, яка визначає нагрівання колекторного p - n – переходу; РК – потужність розсіювання колекторного p - n – переходу, що впливає на його нагрівання. Тому під час вибору транзисторів, ці розрахункові величини порівнюють з допустимими значеннями, поданими в паспортних даних для кожного з типів транзисторів: UE К ≤ UE Кдоп; ІК – ≤ ІКдоп; РК ≤ РКмакс. До параметрів транзистора відносять також граничну частоту fгр, на якій передатний коефіцієнт за струмом h 21Е дорівнює одиниці. Сучасні БТ, що випускаються промисловістю, поділяють за потужністю, основні параметри яких подано в табл.1.
Таблиця 2.1 – Параметри біполярних транзисторів
Польові транзистори (уніполярні) – НП прилади, у яких для утворення струму транзистора використовуються носії заряду тільки одного типу (дірки або електрони). Основною їх ознакою є відсутність на шляху проходження струму p-n-переходів (рис.22), а область, по якій проходить струм називається каналом. Канал має два виводи: витік (В) – звідки рухаються вільні носії зарядів і стік (С) – куди ці заряди стікаються. Третій вивід, який виходить із області напівпровідника протилежного каналу типу провідності, називають затвором (З), що використовується для регулювання площі перетину каналу. Залежно від типу провідності каналу вони поділяються на транзистори з р-каналом або n-каналом, чим визначається полярність прикладеної напруги (рис.2.29).
Рисунок 2.29 – Польовий транзистор з n- каналом: а) структура; б) робочий режим Під дією напруги U СВ вільні носії заряду утворюють в каналі (центральній частині транзистора) струм, величину якого можна регулювати напругою U ВЗ, при сталій напрузі U СВ. Залежність між струмом і напругою виходу для певної схеми ввімкнення транзистора називають вихідною характеристикою транзистора. Переважно це сімейство характеристик для фіксованих значень вхідної величини. На рис.2.30 подано вихідні характеристики ІС = f (U СВ) при U ВЗ = const для польового транзистора з n-каналом (рис.2.31,а), увімкненого за схемою зі спільним витоком.
Рисунок 2.30 – Польовий транзистор з n-каналом: а) – схема увімкнення із спільним витоком; б) – вихідна характеристика Сучасні польові транзистори виконуються з ізольованим від каналу затвором. Введення шару діелектрика зменшує струм спливу. Такі транзистори називають МДН (метал-діелектрик-напівпровідник) або МОН (метал-окисел-напівпровідник), які широко використовуються в інтегральних схемах. Схемні позначення таких транзисторів зображено на рис.24.
Рисунок 2.31 – Схемні позначення польових транзисторів: з р-каналом (а); з n-каналом (б); з ізольованим затвором з вбудованим n-каналом (в) та р-каналом (г); з ізольованим затвором з індукованим n-каналом (д) та р-каналом (е) Використання ізоляційного прошарку забезпечило розширення діапазону основних параметрів транзисторів (табл.) Вибір польових транзисторів здійснюється за такими величинами: напругою стік-витік (U СВ ≤ U СВдоп); потужністю стоку (РС ≤ РСдоп); струмом стоку (ІС ≤ ІСдоп). Допустимі значення цих величин подано в табл. Таблиця 2.2 – Параметри польових транзисторів
Тиристори – напівпровідниковий елемент з трьома переходами та трьома виводами, один з яких, крім анода та катода, називають керувальним (рис.2.32). Використовуються тиристори і з двома виводами (динистори), але відсутність керувального електрода обмежує область використання. Тому, найчастіше використовуються тріодні тиристори (тринистори), що мають ширші функціональні можливості.
Рисунок 2.32 – Тиристор: структура (а); схемне зображення (б); вольт-амперна характеристика (в); схема включення (г)
Приклади до розділу
Задача 2.1. Користуючись ВАХ діода типу Д101, яка зображена на рис.а, визначити при Т=200С диференційний опір R диф , якщо Іпр1 = 0,5 мА і Іпр2 = 1,5 мА. Розв'язання: Із ВАХ знаходимо, що при Іпр1 = 0,5 мА пряма напруга U пр1 = 1 В; при Іпр2 = 1,5 мА пряма напруга U пр2 = 1,5 В. За законом Ома R диф = ∆ U пр /∆ Іпр, де ∆ U пр = U пр2 - U пр1 = 1,5 – 1 = 0,5 В; ∆ Іпр = Іпр2 - Іпр1 = 1,5 – 0,5= 1 мА; отже, R диф = 0,5 / 1 = 0,5 Ом. Задача 2.2. Вибрати тип діода для електротехнічного пристою, щоб забезпечити струм у навантаженні І = 0,27 А. Напргуа, що прикладається до діода у закритому стані U = 40 В.
Розв'язання:Основними параметрами, за якими вибирають діод є І пр.доп та U зв.доп , тому для вибору типу діода (див.Додатки) необхідно, щоб допустимий прямий струм діода був більший за струм навантаження І пр.доп ≥ І, а допустима зворотна напруга перевищувала напругу, прикладену до діода у закритому стані U зв.доп ≥ U. Як видно, таким умовам задовольняє діод типу Д7А, І пр.доп = 0,3 А; U зв.доп = 50 В. Запитання до самоперевірки 1 Для чого призначені випрямні діоди? 2 Як включаються випрямні діоди для отримання більш високої зворотної напруги? 3 Як включаються випрямні діоди для збільшення допустимого прямого струму? 4 Які види пробою характерні для НП діодів? 5 Які основні параметри випрямних діодів? 6 Чи можуть стабілітрони працювати в режимі теплового пробою? 7 За якими параметрами вибирається стабілітрон? 8 Які вимоги пред'являються до високочастотних діодів? Вкажіть правильну відповідь: - висока зворотна напруга; - діод повинен бути площинним; - діод повинен мати мінімальну ємкість; - велика ділянка насичення в області зворотної напруги; - велика потужність розсіювання. 9 Які основні параметри імпульсних діодів? 10 Вкажіть основну характеристику варикапа: - Іпр = f ( U пр ); - C б = f ( U зв ); - Сдиф = f ( U пр ); - U зв = f ( С б ). 11 В яких електронних схемах використовуються тунельні діоди? Вкажіть правильну відповідь: - в схемах генераторів; - в схемах випрямлячів; - для настройки коливальних контурів; - в схемах підсилювачів; - в перемикаючих схемах. 12 Чи можна використовувати властивості фотодіода, якщо до нього підведена пряма напруга? 13 Як працює фотодіод у вентильному режимі? 14 Поясните механізм роботи світлодіодів. 15 Вкажіть можливості застосування світлодіодів. 16 Пояснити роботу біполярного транзистора. 17 За якими величинами вибирають тип транзистора? 18 У чому полягає відмінність між БТ і ПТ? 19 У чому особливість МДН і МОН-транзисторів? 20 Поясніть роботу тиристора.
Тести для самоконтролю 1 Що є нормальним режимом роботи стабілітрону? а) робота при зворотній напрузі, відповідна електричному пробою p-n- переходу; б) робота при прямій напрузі, відповідна електричному пробою p-n- переходу; в) робота при зворотній напрузі, відповідна тепловому пробою p-n- переходу. 2 Яка основна особливість ВАХ p-n – переходу при тунельному ефекті? а) відсутність однобічної провідності; б) однобічна провідність; в) велика крутизна. 3 Яка з приведених ВАХ відповідає варикапу?
а) б) в) г) д) е)
4 Що називається генерацією зарядів? а) перехід через p-n-перехід; б) процес утворення пари електрон — дірка; в) відновлення ковалентного зв'язку.
а) б) в) г) д)
6 Від чого залежить висота потенційного бар'єру? а) матеріалу НП і його температури; б) структури p-n-переходу; в) джерела живлення. 7 Скільки p-n- переходів мають НП діоди? а) два; б) один; в) три; г) чотири. 8 На чому базується принцип дії діодів Шоттки? а) на тунельному ефекті; б) на електричному пробої; в) на випрямній дії контакту метал — напівпровідник. 9 Що являють собою варикапи? а) змінні резистори; б) змінні конденсатори, які керуються механічно; в) змінні конденсатори, які керуються електрично; 10 Вкажіть основну характеристику випрямного діода? а) Іпр = f(Uпр); б) Сб = f(Uзв); в) Сдиф = f(Uпр). 11 Для стабілізації якого діапазону напруг використовується стабістор? а) (5 – 10) В; б) (0,2 – 0,4) В; в) (6 – 30) В.
а) б) в) г) д) е) ж) 13 Виберіть формулу для визначення диференційного опору стабілітрона? а) rст = ∆Uст /Uст ∆T; б) rст = Uст ∆T/∆Uст; в) rст = ∆Uст/∆Iст. 14 До якого типу відноситься НП з переважаючою кількістю вільних електронів? а) р-типу; б) і-типу; в) n-типу; г) немає правильної відповіді. 15 Назвіть принцип дії випрямних діодів? а) однобічна провідність; б) відсутність однобічної провідності; в) електричний пробій. 16 При якій полярності напруги на затворі МДН – транзистор з індукованим каналом р - типу працює в режимі збагачення? а) UЗВ = 0, UЗВ > 0, UЗВ < 0; б) UЗВ > 0; в) UЗВ < 0; г) UЗВ = 0. 17 Як називаються характеристики ПТ, записані у вигляді: ІС = f(UCВ) при UЗВ = const? а) стокозатворна; б) стокові; в) вольт – фарадна; г) амплітудна. 18 Як змінюється опір каналу RК при зменшенні зворотної напруги на затворі UЗВ? а) збільшується; б) зменшується; в) не змінюється; г) залежить від неосновних носіїв заряду.
а) зменшиться; б) збільшиться; в) не зміниться.
20 Якому режиму роботи відповідає умова: емітерний p-n – перехід закритий, колекторний – відкритий? а) насичення; б) активний; в) відсічки; г) інверсний.
22 Який з h – параметрів БТ характеризує вхідний опір? а) h 11; б) h 21; в) h 22; г) h 12. 23 Яка з схем включення БТ має найменший вихідний опір? а) СБ; б) СК; в) СЕ. 24 Чим керується БТ? а) електричним полем; б) струмом; в) потужністю. 25 У якій області знаходиться транзистор n-p-n - структури, якщо UБЕ = - 0,2 В; UКЕ = 5 В? а) активному; б) насичення; в) відсікання. 26 Як позначається диференційний коефіцієнт передачі для схеми зі СБ? а) α; б) β; в) (β + 1). 27 Яка схеми включення БТ найбільш використовується? а) СБ; б) СЕ; в) СК. 28 Які напруги і струми є вихідними для каскаду із СЕ? а) ІБ , UБЕ; б) ІК , UКБ; в) ІК , UКЕ; г) ІЕ , UЕБ. 29 Яким буде вхідний опір ПТ, якщо ΔІЗ = 0,1 мА, ΔUЗВ = 5 В? а) 100 Ом; б) 50 кОм ; в) 20000 Ом; г) 20 кОм. 30 При якій полярності напруги на затворі діє унітрон з каналом n – типу (U ЗВ): а) Uзв < 0; б) Uзв > 0; в) Uзв = 0; г) Uзв = 0; Uзв < 0; Uзв > 0.
Тема 3.1 Підсилювачі Підсилювачі – це пристрої для підвищення потужності вхідного електричного сигналу за рахунок значно більшої потужності джерела живлення. Підсилювачі містять активні (транзистори) і пасивні (резистори, конденсатори, індуктивності) елементи, а також джерело постійної напруги (живлення). За характером вхідного сигналу підсилювачі діляться на: підсилювачі постійного та змінного струму, які в свою чергу діляться на низької частоти ( ПНЧ) (діапазон підсилення від 20 Гц до 20 кГц), підсилювачі високої частоти (ПВЧ) (діапазон підсилення від 20 кГц до 100 МГц) і широкосмугові (відеопідсилювачі). Структурна схема (рис.3.1) містить регулювальний елемент (транзистор) і навантаження.
Робота підсилювачів характеризується такими показниками: - коефіцієнтом підсилення за напругою К U = U ВИХ / U ВХ, де UВХ, UВИХ - вхідна і вихідна напруги підсилювача; - коефіцієнтом підсилення за струмом КІ = ІВИХ / ІВХ, де ІВХ, ІВИХ - вхідний і вихідний струми підсилювача; - коефіцієнтом підсилення за потужністю КР = К U ∙ КІ; - частотною характеристикою К = F ( f ) – залежністю коефіцієнта підсилення від частоти при сталій величині вхідного сигналу; - фазовою характеристикою φ = F ( f ) – залежністю кута зсуву фаз між вхідною і вихідною напругами; - амплітудною (передатною) характеристикою U ВИХ = f ( U ВХ ) – залежністю вихідної напруги від вхідної при сталій частоті; - коефіцієнтом корисної дії (ККД) η – відношенням вихідної потужностіпідсилювача до потужності, спожитої від джерела живлення. Характер навантаження істотно впливає на частотну характеристику (рис.3.2). Тому, залежно від призначення підсилювача (широкосмуовий чи резонансний), визначається й тип навантаження.
Рисунок 3.2 - Вплив типу навантаження регулювального елемента на частотну характеристику підсилювача
Підсилювачі електричних сигналів поділяються на підсилювачі напруги та потужності. Їх застосовують в давачах, перетворювачах електричних сигналів, генераторах, прийомо-передавальних пристроях тощо. Однокаскадний підсилювач. Як активний елемент підсилювача можуть бути використані біполярний або польовий транзистори. Розглянемо роботу однокаскадного підсилювача на базі біполярного транзистора (рис.3.3).
В однокаскадному підсилювачі зі СЕ (рис.3.3) вхідний сигнал подається в коло бази, а вихідний отримуємо між емітером і колектором транзистора. Оскільки вхідний струм і вхідна напруга в такій схемі відповідають відповідно струму бази й напрузі база-емітер, які незначні за величиною, а вихідний струм відповідає струму колектора й завдяки властивостям БТ є значним, отримуємо значне підсилення за струмом та за напругою сигналу. Тобто зміна вхідного струму призводить до зміни вихідного струму ΔІК = β ∙ ІБ , де β – коефіцієнт підсилення за струмом транзистора. Режим роботи підсилювального каскаду задається вибором робочої точки Р (рис.3.4).
Рисунок 3.4 – Вихідні характеристики транзистора з навантажувальною прямою
Для цього необхідно побудувати навантажувальну характеристику (лінію навантаження) за рівнянням U КЕ = U – I К R К. Точка перетину цієї лінії з характеристикою транзистора визначає необхідний струм бази ІБ . Задання робочої точки транзистора реалізується в схемі підсилювача шляхом визначення потенціалу бази транзисора для визначеного струму бази ІБ . Розрахунок параметрів елементів підсилювального каскаду (рис.30) здійснюється на постійному струмі при uвх = 0 (потенціальний режим). Опори резисторів R 1, R 2 розраховують за заданим струмом бази ІБ0 і відповідною йому напругою U БЕ (визначається за вхідною характеристикою U БЕ ( ІБ ) R 1 = U – ( U БЕ0 + I Е R Е ) / (I 1 + ІБ0); R 2 = ( U БЕ0 + I Е R Е ) / I 1 ; де I 1 = (2…5) I Б0 - струм в колі дільника напруги; I Е ≈ I К - значення струму емітера в робочій точці Р. Величину опору R Е вибирають за умови R К /20 ≤ R Е ≤ R К /5. Переважно приймають R Е = R К /10. Значення R К вибирають так, щоб забезпечити необхідні величини струму колектора I К і напруги U КЕ. Найчастіше опір R К вибирають так, щоб U КЕ = U /2, тобто R К = U /2 I К . Струм колектора визначають за паспортними параметрами вибраного транзистора як I К = РКдоп /U КЕдоп . Температурна стабілізація режиму роботи підсилювача забезпечується від'ємним зворотним зв'язком по постійному струму через резистор R Е . Для усунення негативного впливу від'ємного зворотного зв'язку по змінному струму резистор R Е шунтують конденсатором С Е , опір якого повинен задовольняти умову R Е >>1/2π f С Е у частотному діапазоні вхідного сигналу. Розділові конденсатори С1, С2 використовують у випадку підсилення змінного вхідного сигналу для перешкоди протіканню постійного струму від джерела живлення. Їх опір повинен бути незначним в частотному діапазоні вхідного сигналу, тому що це впливає на частотну характеристику підсилювача. Переважно робочу точку вибирають посередині лінійної частини характеристики. Вибір координат робочої точки регламентуєтьсяамплітудою, формою та полярністю вхідного сигналу. Залежно від положення робочої точки, розрізняють три основні режими підсилення сигналів підсилювача, які поділяються відповідно на класи А, В і С. У підсилювачах класу А розташування робочої точки вибирають посередині лінії навантаження. Це забезпечує лінійне підсилення змінного вхідного сигналу. Такий режим найчастіше застосовують в каскадах попереднього підсилення або в малопотужних вихідних каскадах. Недоліком такого підсилювача є низький ККД. У підсилювачах класу В робоча точка вибрана при струмі колектора I К = I К0 . В такому режимі транзистор відкритий тільки протягом половини періоду змінного вхідного сигналу. Особливістю цього режиму є високий ККД підсилювача (60…70 %), тому його використовують у вихідних (двотактних) каскадах підсилення потужності. У підсилювачах класу С підсилюється сигнал, який перевищує порогове значеня, задане робочою точкою. Такий режим роботи підсилювача часто називають «ключовим режимом». Його використовують в підсилювачах-формувачах і схемах автоматики. Такий підсилювач забезпечує високий ККД. На даний час ширше використовуються підсилювачі, виконані на польових транзисторах. На рис.3.5 подано однокаскадний підсилювач за схемою із спільним витоком з одним джерелом живлення.
Режим роботи польового транзистора в режимі спокою забезпечується постійним струмом стоку ІС та відповідно йому напругою стік-витік U СВ0. Задання цього режиму здійснюється напругою зміщення на затворі польового транзистора U З0. Ця напруга виникає на резисторі R В при проходженні струму І В0 = І С0 і прикладається до затвора завдяки гальванічному зв'язку через резистор R З. Резистор R З, окрім забезпечення напруги зміщення затвора, використовується також для температурної стабілізації режиму роботи підсилювача за постійним струмом. Для того, щоб на резисторі R В не виділялася змінна складова напруги, його шунтують конденсатором СВ і таким чином забезпечують незміність коефіцієнта підсилення каскаду. Опір конденсатора СВ на найнижчій частоті сигналу повинен бути набагато більшим від опору резистора R В, який визначають за виразом R В = U З0/І С0 , де U З0 , І С0 - напруга затвора і струм стоку при відсутності вхідного сигналу. Ємність конденсатора вибирається за умови СВ = 10…20/ ( 2π fmin R В), де fmin - найнижча частота вхідного сигналу. Зворотні зв'язки в підсилювачах. Для більш стійкої роботи чи зміни режиму підсилювача використовують зворотний зв'язок, тобто частину вихідного сигналу (або весь сигнал) подають знову на вхід (рис.3.6). Такий зв'язок утворюють спеціально шляхом уведення в схему підсилювача ланки зворотного зв'язку. В цьому випадку на вхід підсилювача подається напруга u вх.п = u вх ± u зв.з ,
Рисунок 3.6 – Структурна схема підсилювача зі зворотним зв'язком
Знак напруги u зв.з визначається схемною реалізацією ланки зворотного зв'язку. Якщо u зв.з брати зі знаком «+», то вона підсилює вхідну напругу і такий зв'язок називається додатним, якщо ж u зв.з брати зі знаком «-», то вона зменшує вхідну напругу, а сам зв'язок називається від'ємним. Крім цього, зворотні зв'язки поділяють на зв'язки за напругою (u зв.з = βu вих) і за струмом (u зв.з = R зв ∙ і вих). Наяність зворотного зв'язку суттєво впливає на коефіцієнт підсилення підсилювача. В цьому випадку він буде визначатись за виразом Кп = К / (1±β∙К), де К – коефіцієнт підсилення підсилювача без ланки ЗЗ. Знак «+» відповідає від'ємному, а знак «-» - додатному зворотному зв'язку. В режимі підсилення електричних сигналів використовується від'ємний зворотний зв'язок. При цьому він забезпечує незмінність коефіцієнта підсилення при зміні параметрів транзисторів, а також понижує рівень спотворень. Наявність додатного зворотного зв'язку змінює режим і підсилювач переходить в режим генерування сигналів.
Операційний підсилювач (ОП) – це багатокаскадний підсилювач із двома входами: прямим і інвертувальним (диференційним входом) і одним виходом, схемне зображення якого подане на рис. 3.7,а. Основною його характеристикою є великий коефіцієнт підсилення за напругою (К u оп →∞). Рисунок 3.7 – Графічне зображення (а) та передатна характеристика ОП (б) До структури ОП (рис.3.8) входять вхідний симетричний диференційний каскад (зменшує дрейф нуля і має два входи: інвертувальний (u вх1) і неінвертувальний, або прямий (u вх2)), несиметричний диференційний каскад (здійснює підсилення сигналу) й емітерний поворювач (забезпечує потужність вихідного сигналу). ОП характеризуються великим вхідним опором (R ВХ →∞), і малим вихідним опором (R ВИХ →0). До основних параметрів ОП відносять: - КU – коефіцієнт підсилення за напругою; - КP - коефіцієнт підсилення за потужністю; - Uвих.макс – максимальне значення вихідної напруги; - fН - нижню граничну частоту сигналу, що підсилюється; - R вх - вхідний опір; - R вих - вихідний опір.
Рисунок 3.8 – Структурна схема ОП Важливою для ОП є передатна характеристика u вих = f (u вх ) (рис.3.7,б). Оскільки підсилювач має два входи (прямий та інвертувальний), то ця характеристика відображає роботу ОП при поданні сигналу на кожний вхід окремо. Горизонтальні ділянки характеристики відповідають режиму відкритого або закритого стану транзистора вихідного каскаду. При цьому величина вихідного сигналу обмежується максимальним значенням напруги на виході ОП додатного (U + вих.макс) чи (U - вих.макс) значення, яка досягає (0,9…0,95) напруги живлення. На цих ділянках зміна вхідного сигналу не буде викликати зміни вихідного сигналу, тобто напруга на виході буде залишатись сталою. На похилих ділянках характеристики величина вихідної напруги буде визначатися коефіцієнтом підсилення К U ОП = Δ u вих / Δ u вх У випадку наявності сигналів на обох входах ОП, його вхідна напруга визначатиметься алгебрічною сумою напруг на цих входах Δ u вх = Δ u вх2 - Δ u вх1 . В цьому випадку u вих = К U ОП (Δ u вх2 - Δ u вх1). Під час розрахунку схем на базі ОП без великої похибки можна приймати, що К U ОП = ∞, де К U ОП - коефіцієнт підсилення за напругою ОП без зворотного зв'язку. При використанні ОП в схемах імпульсної техніки важливим є значення вихідної напруги. Оскільки в імпульсній техниці рівні вхідних сигналів є більші за ті значення, які відповідають лінійній ділянці передатної характеристики, то вихідна напруга ОП визначається додатним U + вих.макс або від'ємним U - вих.макс значеннями.
Аналогові схеми на базі ОП Враховуючи,що ОП мають малий діапазон лінійного підсилення вхідного сигналу, то на практиці ці підсилювачі використовуються з ланками від'ємного зворотного зв'язку. Це значно розширює діапазон підсилення, а також забезпечує регулювання величини вихідної напруги. Таким чином здійснюється масштабування вхідного сигналу.
Масштабні суматори На основі ОП шиоко використовуються схеми інвертувальних та неінвертувальних суматорів. На рис.3.11 показано схеми інвертувального та неінвертувального суматорів.
Рисунок 3.11 – Схема інвертувального (а) та неінвертувального (б) суматорів
Розглянемо роботу інвертувального суматора. Враховуючи особливості роботи інвертуючого підсилювача, запишемо за першим законом Кірхгофа івх1 + івх2 + ізв.з =0 Виразивши струми через напруги, отримаємо: - u вих / R 3 = u вх1 / R 1 + u вх2 / R 2 . Звідки u вих = - ( u вх1 R 3 / R 1 + u вх2 R 3 / R 2 ) . Переважно, в схемах суматора опори вхідних резисторів приймають однаковими за величиною (R 1 = R 2 = R ), тоді вихідна напруга u вих = - R 3 / R ( u вх1 + u вх2 ) . Отже, вихідна напруга ОП буде визначатись сумою вхідних напруг із відповідним масштабним множником. Якщо вхідні сигнали подавати на неінвертувальний вхід ОП (рис.11,б), то отримаємо схему неінвертувального суматора. Враховуючи, що R вх оп = ∞ , отримаємо за першим законом Кірхгофа івх1 + івх2 =0 Або визначивши струми через вхідні напруги за другим законом Кірхгофа, ( u вх1 – u зв.з )/ R +( u вх2 – u зв.з )/ R = 0. Звідки ( u вх1 + u вх2 )=2 u зв.з . З врахуванням того, що u зв.з = β u вих , де β = R 1 / ( R 1 + R 2 ), отримаємо u вих = ( R 1 + R 2 )( u вх1 + u вх2 )/2 R 1 . Якщо неінвертувальний суматор має n входів, то вихідна напруга такого суматора, буде визначатись u вих = (( R 1 + R 2 )/ nR 1 )∙( u вх1 + u вх2 +…+ u вх n ).
Приклади до розділу Задача 3.1. Визначити параметри робочої точки транзисторного каскаду із спільним емітером на базі транзистора КТ208Д, що забезпечує на резисторі R К = 6,8 кОм максимальну амплітуду вихядної напруги. Напруга живлення каскаду U = 20 В. Розв'язок: Напругу емітер-колектор в режимі спокою каскаду для забезпечення максимальної вихідної напруги визначаємо за виразом U КЕ0 = ( U КЕ max + U КЕ min )/2 = 10,2 В, де U КЕ max = U – максимальне значення напруги емітер колектор, U КЕ min = U КЕнас = 0,4 В – мінімальне значення напруги емітер-колектор; U КЕнас – напруга насичення емітер-колектор (за паспортними даними транзистора). Струм колектора дорівнює ІК0 = ( U - U КЕ0 )/ R К =1,44 мА. Струм бази спокою визначаємо за виразом ІБ0 = ІК0 / h 21 E = 0,018 мА, де h 21 E = 40…120 (приймаємо 80) – статичний коефіцієнт за струмом транзистора.
Рисунок до задачі 3.2 Розв'язок: Оскільки опір резистора R К найчастіше вибирають таким, щоб U КЕ0 = U /2 = 5В, то на підставі цього струм колектора в режимі спокою ІК0 = ( U - U КЕ0 )/ R К =1,92 мА. Значення струму емітера в робочій точці дорівнює ІЕ0 = ІК0 = 1,92 мА. Величину опору R Е переважо приймають R Е = R К /10 = 260 Ом, а струм в колі дільника напруги – І1 = (2…5)ІБ0 = 4∙0,75 = 3 мА. За вхідною характеристикою U БЕ = f (ІБ) визначаємо напругу U БЕ0 = 0,33 В для U КЕ0 = 5 В. Значення опорів R 1 , R 2 дільника розраховуємо за виразом R 1 =U - ( U БЕ0 + R Е ∙ ІЕ )/ (І1 + ІБ0) = 2,44 кОм, R 2 = ( U БЕ0 + R Е ∙ ІЕ )/ І1 = 276 Ом. Вибираємо R 1 = 2,4 кОм, R 2 = 270 Ом.
Задача 3.3. Визначити коефіцієнт підсилення інвертувального підсилювача на базі ОП, якщо опір резистора в ланці зворотного зв'язку 910 кОм, а опір резистора на інвертувальному вході ОП 17,5 кОм. Розв'язок: Коефіцієнт підсилення інвертувального підсилювача на базі ОП дорівнює: К u = - R 2 / R 1 = - 52, де R 1 – резистор на інвертувальному вході ОП; R 2 – резистор в ланці зворотного зв'язку.
Задача 3.4. Вибрати стабілітрон для параметричного стабілізатора напруги. Якщо навантаження має такі параметрия: Рн = 75 мВт; напруга – U н = 6,8 В.
Розв'язок: Оскільки стабілітрон вибирається за напругою навантаження, то U ст.н = U н = 6,8 В. Такій умові задовольняє стабілітрон типу КС468А.
Задача 3.5. Визначити частоту гармонійних коливань LC-генератора, якщо індуктивність і ємність LC-ланки відповідно 2 мГн, 10 пФ.
Розв'язок: Частота гармонійних коливань дорівнює f0 = 1/2 π √ LC = 1125966,2 Гц.
Запитання для самоперевірки 1 Подайте визначення та класифікацію підсилювачів електричних сигналів. 2 Які основні показники роботи транзисторних підсилювачів. 3 Поясніть принцип роботи транзисторного підсилювача зі спільним емітером. 4 Які особливості розрахунку потенціального режиму роботи транзисторного каскаду? 5 Дайте характеристику режимів роботи однокаскадного підсилювача. 6 Поясніть, як здійснюється температурна стабілізація режиму роботи підсилювача? 7 Які особливості роботи однокаскадного підсилювача на базі польового транзистора? 8 Які основні характеристики підсилювачів? 9 Яким чином реалізується зворотний зв'язок у підсилювачах? 10 Види зворотних зв'язків і їх особливості. 11 У чому полягає відмінність операційних підсилювачів від звичайних? 12 Які оновні параметри операційного підсилювача? 13 Яка роль зворотного зв'язку в операційному підсилювачі? 14 Як впливає ЗЗ ОП на його передатну характеристику? 15 Назвіть схеми на базі ОП для реалізації математичних операцій. 16 Подайте особливості застосування операційних підсилювачів для перетворення аналогових сигналів. 17 Поясніть роботу інтегратора. 18 Чому і який елемент називають «нуль-органом»? 19 Яка умова генераторного режиму підсилювача? 20 У чому зміст умови самозбудження генератора коливань? 21 Які особливості застосування операційних підсилювачів в генераторах гармонійних коливань? 22 Чим визначається тип автогенератора коливань? 23 Яка різниця в схема RC- і LC- генераторів? 24 У чому суть стабілізації частоти коливань і які методи стабілізації? 25 У чому полягає параметричний метод стабілізації? 26 Подайте умови вибору стабілітрона для параметричного стабілізатора. 27 Для чого необхідний баластний резистор? 28 На чому базується компенсаційний метод стабілізації?
Тема 5.3 Логічні елементи Елементною базою цифрової техніки є логічні елементи, які компонуються разом із запам'ятовуючими пристроями. Логічні елементи – це електронні схеми, що відтворюють логічні функції й оперуютьлогічними величинами, які приймають тільки два значення: логічну одиницю та логічний нуль. Найпоширенішими є елементи потенційного типу, в яких логічній одиниці відповідає рівень високого потенціалу (додатного чи від'ємного) або напруги, а логічному нулю – низький рівень (рис.5.4).
Рисунок 5.4 – Рівні напруг, що відповідають логічним величинам
Логічні елементи виконують логічні операції, внаслідок чого вхідна інформація перетворюється за відповідними логічними правилами у вихідну. Ці правила описуються таблицями істинності для кожної логічної операції, які формуються на основі алгебри логіки. Основними є такі функції:
- АБО – логічне додавання (диз'юнкція). Записується виразом у = х1 v х2 , який вказує, що до логічної величини х1 додається величина х2 ; - І - логічне множення (кон'юнкція). Запис цієї функції має вигляд у = х1 ^ х2 Ці логічні фнкції реалізуються відповідними логічними елементами з аналогічними назвами. Елементною базою логічних пристроїв є напівпровідникові діоди чи біполярні транзистори, які утворюють схеми транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ). Найпростіші схемні реалізації вказаних логічних елементів зображено на рис.5.5.
Рисунок 5.5 – Схемна реалізація логічних елементів: а) – НЕ; б) – АБО; в) – І
Логічні операції, їх таблиці істинності та схемне позначення цих елементів подано в табл.5.1 На практиці рідко використовуються логічні елементи, що реалізують тільки одну операцію. В основному логічні елементи реалізують складні функції. Н а рис.5.6. подані приклади реалізації складних логічних операцій І-НЕ та АБО-НЕ на основі простих логічних елементів.
Рисунок 5.6 – Схемна реалізація складних логічних функцій: а) – І-НЕ; б) – АБО-НЕ
Таблиця 5.1
Тема 5.3 Тригери
Тригери – пристрої, які характеризуються двома стійкими станами рівноваги, а стрибкоподібний перехід із одного стану в інший здійснюється за наявності зовнішнього керуючого імпульсу (сигналу) (рис.5.7). Зазвичай, схеми тригерів реалізуються з використанням біполярних транзисторів, які працюють в ключових режимах. Перехід від закритого стану транзистора ( u вих = U КЕ ) до в і дкритого ( u вих = 0) здійснюється за допомогою керуючого імпульсу, що подається на бази транзисторів.
Рисунок 5.7 – Структурна схема тригера
В даний час тригери є базовими елементами цифрової техніки, тому їх схемна реалізація виконується з використанням логічних елементів АБО-НЕ чи І-НЕ. Тобото, тригерний ефект поєднується з логічними операціями, що значно розширює їх сферу використання. Такий пристрій містить тригер і логічний пристрій керування (ЛПК) (рис.5.7,б), який перетворює вхідну інформацію. Виділяють два входи: інформаційний вхід А і синхронізуючий вхід С. За способом запису інформації тригери поділяються на асинхронні (використовується тільки вхід А) і синхронні (запис інформації відбувається тільки за наявності дозвільного імпульсу, що поступає на вхід С). Виходи тригера: прямий (Q), тобто вихідна інформація відповідає вхідній, і інверсний (Q) – вихідна інформація є протилежною до вхідної. За своїм інформаційним призначенням їх поділяють на RS , D , T , JK- тригери. RS
Рисунок 5.8 – Умовне позначення RS на логічних елементах АБО-НЕ
При поданні імпульсу напруги (логічної одиниці) на вхід S і відсутності імпульсу напруги (логічний нуль) на вході R, на виходах логічних елементів АБО-НЕ отримаємо логічну одиницю Q = 1 (вихід DD1) і логічний нуль Q = 0 (вихід DD2). Ця інформація (напруги) через зворотні зв'язки поступає на входи логічних елементів, внаслідок чого встановлюються стійкий стан рівноваги, який змінюється тільки при зміні інформації на вході S.
Рисунок 5.9 – Схемна реалізація RS
D - тригери (рис.5.10) мають один інформаційний вхід D і один синхронізуючий вхід С.
JK - тригери (рис.5.11,а) відносяться до класу універсальних. У такому тригері інформаційні входи J і K є аналогічними до входів R і S у RS- тригері, а С- синхронізуючий вхід. При поданні імпульсу (логічної одиниці) на вхід (J = 1) тригер встановлюється в один із станів з Q = 1 або Q = 0. При одночасному поданні логічної одиниці на оба входи (J = 1 і K = 1) тригер змінює попередній стан на протилежний. Окремо виділяють Т-тригери (рис.5.10,б), які мають тільки один вхід (лічильний). Кожного разу при поданні вхідного сигналу такий тригер змінює свій стан на протилежний.
Рисунок 5.10 – Схема зображення JK- тригера (а) та Т- тригера (б)
Приклади по розділу Задача 5.1. Розрахувати параметри транзисторного ключа (рис.5.3,а) , якщо напруга джерела живлення U = 40 B, потужність Рн = 40 Вт та напруга навантаження U н = 30 В. Період сигналу керування ключем T = 1 мкс. Розв'язок: Визначаємо струм навантаження Ін = Рн / U н = 1,33 А. За струмом навантаження та напругою джерела живлення вибираємо транзистор за умовами Ік.доп ≥ Ін . Таким умовам задовольняє транзистор КТ814Б: Ік.доп = 1,5 А; U КЕ.доп = 50 В; Рк.доп = 10 Вт; h 21 = 40, f гр = 3 МГц ; U КЕ.нас = 0,6 В. Визначаємо струм насичення бази транзистора за виразом ІБ.нас = S н Рн / U н h 21Е = 1,2∙40 /30∙40 = 0,04 А, де S н Р – коефіцієнт насичення струму бази. Час увімкнення та час вимкнення транзистора визначаємо як tув = tвим = 1/4fгр = 83,3 нс. Перевіряємо транзистор на можливість розсіювання колектором виділеної потужності за виразом ТРк.доп > U КЕ.нас Ік ( Т- t ув - t вим ) + 0,5 U ІК ( t ув + t вим ) 10∙10-6 > 5,1∙10-6. Отже, вибраний транзистор задовольняє цієї умові.
Задача 5.2. Визначити значення логічної функції на виході логічного елемента І-НЕ з двома входами, якщо на ці входи подано логічні величини х1 = 0, х2 = 0. Розв'язок: Відповідно до таблиці істинності логічного елемента І, якщо на його входах сигнали, які відповідають логічному нулю, то на виході теж буде логічний нуль. А згідно з таблицею істинності логічного елемента НЕ, якщо на його вході сигнал логічного нуля, то на виході отримуємо сигнал логічної одиниці. Отже, для заданих вхідних сигналів на виході логічного елемента І-НЕ буде логічна одиниця.
Задача 5.3. Визначити стан прямого виходу Q асинхронного RS- тригера на елементах АБО-НЕ, якщо на вхід S подано сигнал логічного нуля, а на вхід R подано сигнал логічної одиниці. Розв'язок: Оскільки на вхід R асинхронного RS- тригера на елементах АБО-НЕ подано сигнал логічної одиниці, то на прямому виході Q матимемо сигнал логічного нуля. Як видно зі схеми асинхронного RS- тригера на елементах АБО-НЕ, вхід R є входом елемента АБО-НЕ, входом якого є прямий вихід Q тригера. Тому, у випадку сигналу логічної одиниці на одному з входів елемента АБО-НЕ на виході цього елемента, завжди буде логічний нуль. Отже стан прямого виходу асинхронного RS- тригера відповідає логічному нулю.
Задача 5.4. Генератор імпульсів генерує сигнали, період яких Т = 5 мкс, а тривалість імпульсу - t і м = 2 мкс. Визначити шпаруватість імпульсів генератора. Розв'язок: Шпаруватість імпульсів визначається за виразом q = T /t і м = 2,5, де t і м – тривалість імпульсу; Т – період імпульсу.
Запитання для самоперевірки 1 В чому полягає поняття електронний ключ? 2 Подати особливості роботи транзисторного ключа в стані відсіку та насичення. 3 За якими параметрами здійснюється вибір транзисторного ключа? 4 Поясніть поняття логічних величин (логічний нуль та логічна одиниця). 5 Назвіть основні логічні функції та елементи, які їх реалізують. 6 Запишіть таблицю істинності логічної функції АБО. 7 Поясніть принци роботи логічного елемента НЕ на базі транзисторного ключа. 8 Запишіть таблицю істинності логічної функції І. 9 Подайте особливості роботи діодної схеми реалізації логічної операції АБО. 10 Що таке складні логічні елементи? 11 У чому особливість схем ТТЛ. 12 У чому полягає особливість тригерних схем? 13 Яка відмінність між асинхронними і синхронними тригерами? 14 Назвіть основні типи тригерів. 15 Як розуміти одиничний і нульовий вхід тригера? 16 Поясніть відмінність між RS- тригером і JK- тригером. 17 Назвіть основні параметри імпульсу. 18 На чому базується принцип роботи релаксаційного генератора? 19 Які особливості застосування операційних підсилювачів в генераторах імпульсів? 20 Чим визначається тривалість імпульсів? 21 Яка відміність між симетричними і несиметричними мультивібраторами? 22 Поясніть принцип роботи одновібратора на операційному підсилювачі. 23 Яка умова накладається на подання імпульсу запускання одновібратора?
Тести для самоконтролю
а) резисторі; б) конденсаторі; г) транзисторі. Рис.1
2 Скільки квазісталих станів і які має мультивібратор в автоколивальному режимі на рис.2?
в) два: перший - VT1 відкритий, VT2 закритий; другий - VT1 закритий, VT2 відкритий; г) не має.
Рис.2
3 Виконання скількох і яких умов необхідне для збудження блокінг - генератора? а) одна: баланс фаз; б) одна: баланс амплітуд; в) дві: баланс фаз і баланс амплітуд; г) три: баланс фаз, баланс амплітуд, ВЗЗ. 4 Визначити, як зміниться тривалість імпульсу ti на колекторі VT2 у схемі на рис.2, якщо збільшити RБ1? а) збільшиться; б) зменшиться; в) не зміниться. 5 Визначити стан транзистора Т у схемі на рис.1,а у початковому стані? а) закритий; б) насичений; в) в активному режимі; г) однозначно відповісти не можна. 6 На яких елементах мультивібратора виділяється енергія, запасена на конденсаторі? а) резисторах; б) ЕК; в) транзисторах; г) будь-яких. 7 Визначити частоту генеруємого імпульсу симетричного транзисторного мультивібратора, якщо період надходження імпульсів Т = 1 с? а) 1 кГц; б) 0,25 Гц; в) 1 Гц; г) 0,25 кГц. 8 Що визначає у схемі на рис.2 час закритого стану транзистора VT1: а) перезарядження СБ1; б) перезарядження СБ2; в) зарядження СБ1; г) зарядження СБ2. 9 Яку форму імпульсів генерують блокінг - генератори? а) синусоїдальну; б) прямокутну; в) пилкоподібну; г) трикутну. 10 Визначити значення логічної функції на виході логічного елементу І-НЕ з двома входами, якщо на входи подано логічні змінні х1 = 0, х2 = 0? а) 0; б) 1; в) 00; г) 01; д) 10.
а) VD1 і VD2 закриті; б) VD1 і VD2 відкриті; в) VD1 відкритий, VD2 закритий; г) VD1 закритий, VD2 відкритий. 12 Визначити значення логічної функції яку задано виразом а) 00; б) 01; в) 0; г) 1; д) 10.
а) Q = 0; б) Q = 1; в) попередній стан; г) невизначений стан.
14 Яку ДТЛ реалізує логічну функцію? а) АБО; б) АБО-НЕ; в) І-НЕ; г) І. 15 Що визначає вхід S в тригері? а) встановлення в нульовий стан; б) встановлення в одиничний стан;
16 На який вхід мультивібратора на ОП подається ВЗЗ? а) неінвертувальний; б) інвертувальний; в) ВЗЗ не має.
17 Як фактично працює ОП у схемі мультивібратора на ОП? а) суматор; б) диференціатор; в) інтегратор; г) компаратор. 18 Визначте, які сигнали необхідно подати на входи для зберігання інформації?
а) С=1, D=1; б) С=0, D=0; в) С=1, D=0.
19 Який логічний рівень є активним для RS-тригера з прямими входами? а) 0; б) 0 і 1; в) 1; г) 1 і 1. 20 Визначити, у якій формі записана функція F=X1·X2·X3+ X1·X2·X3+ X1·X2·X3: а) ДНФ; б) ДДНФ; в) ДКНФ; г) КНФ. 21 Вкажіть умовне позначення елемента, що реалізує функцію АБО-НЕ:
а) б) в) г) 22 Які комбінації є забороненими для RS-тригера з інверсними входами? а) 0,0; б)1,0; в) 0,1; г) 1,1.
23 Визначте значення сигналу на прямому виході, якщо D = С = 0?
в) 1; г) невизначений стан.
24 У якій області знаходиться транзистор, якщо струм бази насичення ІБН = 600 мкА, а через вивід бази протікає іб = 800 мкА. а) насичення; б) активній; в) відсічки; г) на межі насичення.
а) не зміниться; б) транзистор відкриється; в) транзистор закриється; г) відповісти безумовно не можна.
Приклади до розділу Задача 6.1. Визначити значення аналогового сигналу на виході ЦАП, якщо на його вхід подається восьмирозрядне слово 11001011. Опорна напруга дорівнює Uоп = 10 B. Розв'язок: Для визначення значення вихідної напруги використаємо поданий n вираз U оп = ∑ Si U оп / 2 i . i=1 U вих = 1∙(10 / 2 1 ) + 1∙(10 / 2 2 ) +0 ∙(10 / 2 3 ) +0 ∙(10 / 2 4 ) + 1∙(10 / 2 5 ) +0 ∙(10 / 2 6 ) + 1∙(10 / 2 7 ) + 1∙(10 / 2 8 )=7,93 B. Задача 6.2. Визначити необхідну величину опорної напруги U оп в схемі чотирирозрядного ЦАП з умови максимальної напруги на виході ОП U вих.макс = 10 В. Опір резистора в ланці зворотного зв'язку R = 10 кОм, а опір елемента матриці опор в R 1 = 30 кОм. Розв'язок: Максимальна напруга на виході ЦАП буде за умови, коли всі ключі матриці опорів будуть замкнені. Тобто, використовуючи вираз для вихідної напруги ЦАП, отримаємо U вих.макс = (15 R 1 / R ) U оп . Звідки знаходимо | Uоп | = ( R / 15 R 1 ) U вих.макс = 30∙103∙10/15∙10∙103 = 2 В Запитання для самоперевірки 1 Як називається одиниця інформації? 2 В якій формі подається цифрова інформація? 3 Назвіть основні системи числення, що використовуються в цифовій техниці. 4 Чим визначається розрядність слова? 5 Поясніть необхідність використання перетворювачів інформації. 6 Які є основні види перетворювачів інформації? 7 Назвіть основні компоненти схем перетворювачів інформації. 8 Для чого потрібно квантувати аналоговий сигнал? 9 Поясніть роботу АЦП. 10 Чим визначається розрядність числа в ЦАП? 11 Поясніть принцип роботи ЦАП. 12 Чим визначається похибка перетворювачів інформації? 13 Поясніть роботу цифрового компаратора. 14 Чим визначається розрядність в цифрових компараторах?
Тести для самоконтролю 1 Яке в компараторі виконується порівняння:? а) різнойменних розрядів; б) старшого розряду першого числа з попереднім розрядом другого числа; в) однойменних розрядів; г) молодшого розряду одного числа з наступним розрядом другого числа.
2 Чому дорівнює сума в двійковому коді двох чисел 110000 і 110? а) 110110; б) 111010; в) 101000; г) 101110.
3 При якому порівнянні швидкодія компаратора вище? а) починаючи зі старших розрядів; б) починаючи з молодших розрядів; в) однакова.
4 До яких пристроїв відносяться суматори? а) послідовних; б) комбінаційних; в) послідовнісних.
5 Який вигляд має запис функції, яку виконує компаратор? а) 6 Скільки входів має компаратор? а) 2; б) по кількості чисел; в) по кількості розрядів в числах; г) 4.
7 Виберіть схему напівсуматора: а) б) в)
8 Скільки входів має суматор? а) 1; б) 2; в) 3.
9 Чи може напівсуматор використовуватися для підсумовування у молодшому розряді? а) ні; б) немає правильної відповіді; в) може.
10 Виберіть умовне позначення чотирьохрозрядного суматора? а) б) в) г)
11 Які процеси відбуваються в АЦП? а) дискретизація, декодування, квантування; б) дискретизація, квантування, кодування; в) підсилення сигналу; г) генерація прямокутних імпульсів.
12 Який тригер є універсальним? а) Т; б) RS; в) D; г) JK.
13 Для чого призначені ЦАП? а) зчитування, запису, зберігання інформації; б) перетворення цифрового сигналу в аналоговий; в) перетворення аналогового сигналу в цифровий.
14 Назвіть найпростішу схему ЦАП? а) матриця на вагових резисторах; б) матриця R-2R; в) АЦП слідкуючого типу.
15 Укажіть умовне позначення ЦАП:
а) б) в) г) д) 16 Які сигнали надходять на вхід ЦАП? а) в аналоговій формі; б) в двійковому коді; в) немає різниці. 17 Що визначає вхід R в RS - тригері? а) встановлення в нульовий стан; б) встановлення в одиничний стан; в) синхронізуючий.
18 Як зменшити шум квантування в АЦП? а) збільшити значення опорів резисторів; б) зменшити крок квантування ∆; в) збільшити крок квантування.
19 Який параметр не відноситься до АЦП? а) коефіцієнт підсилення; б) число розрядів; в) час перетворення.
20 Скільки імпульсів необхідно подати на тактовий вхід регістру, щоб паралельно записати в нього число 10101? а) три; б) п'ять; в) сім; г) один. 21 Яку логічну функцію реалізує компаратор? а) нерівнозначності; б) рівнозначності; в) АБО; г) АБО-НЕ.
22 Чому дорівнює сума в двійковому коді двох чисел 0110 і 0111? а) 1011; б) 1101; в) 10101; г) 1111.
23 Скільки виходів має компаратор? а) не більше 3; б) не більше 1; в) тільки 2.
24 До яких пристроїв відносяться компаратори? а) послідовних; б) комбініційних; в) послідовнісних.
25 Як здійснюється підсумовування двійкових чисел у суматорах? а) порозрядно-від молодшого розряду до старшого; б) порозрядно-від старшого розряду до молодшого; в) будь-як.
РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА
1 В.І.Бойко, А.М. Гуржій, В.Я. Жуйков та ін. «Схемотехніка електронних систем»: У3 кн. Кн.1. Аналогова схемотехніка та імпульсні пристрої: Підручник – 2-ге вид., допов. і переробл. – К.: Вища шк., 2004. – 366 с. 2 В.І.Бойко, А.М. Гуржій, В.Я. Жуйков та ін. «Схемотехніка електронних систем»: У3 кн. Кн.2 . Цифрова схемотехніка: Підручник – 2-ге вид., допов. і переробл. – К.: Вища шк., 2004. – 423 с. 3 Л.Д.Васильєва, Б.І. Медведенко, Якименко Ю.І. «Напівпровідникові прилади»: Підручник. – К.: ІВЦ «Видавництво «Політехніка», 2003. – 388 с. 4 А.М.Гуржій, В.В. Самсонов, Н.І. Поворознюк. «Імпульсна та цифрова техніка»: Підручник для учнів професійно-технічних навчальних закладів. – Х.: ТОВ «Компанія СМІТ», 2005. – 424 с. 5 Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы: Учебник для техникумов связи.- М.: Горячая линия-Телеком, 2002. – 336 с. 6 Ю.П.Колонтаєвський, А.Г. Сосков, “Електроніка і мікросхемотехніка»: Підручник. 2-е вид./ за ред. А.Г. Соскова.-К.: Каравела, 2009.-416 с. 7 В.И.Лачин, Н.С. Савелов, „Электроника: Учеб.пособие. 4-е изд. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2004. – 576 с. 8 Матвійків М.Д. і ін. Елементна база електронних апаратів: Підручник / М.Д. Матвійків, В.М.Когут, О.М.Матвійків. – 2-ге вид. – Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2007. - 428 с. 9 В.І.Мілих, О.О. Шавьолкін, «Електротехніка та мікропроцесорна техніка: Підручник. За ред. В.І. Мілих. – К.: Каравела, 2007. – 688 с. 10 Мисюль П.И. Техническое обслуживание и ремонт бытовой радиоаппаратуры: Спецтехнология: Учеб.пособие/П.И.Мисюль. – Мн.: Выш.шк., 2002. – 320 с. 11 В.І Сенько, М.В. Панасенко і ін. Електроніка і мікросхемотехніка: У 4-х т. Том 3. Цифрові пристрої: підручник/за ред. В.І. Сенька. – К.: Каравела, 2008. – 400 с. 12 П.Г.Стахів, В.І. Коруд, О.Є. Гамола і ін. «Основи електроніки з елементами мікроелектроніки»: Навчальний посібник. – 2-ге вид., стереотип. – Львів: «Магнолія плюс», 2006. – 225 с. ДОДАТОК 1 Таблиця 1
ДОДАТОК 2 Правильні відповіді до тестів:
Питання до розділу ІІ:
1 – а); 2 – а); 3 – в); 4 – б); 5 – д); 6 – а); 7 – б); 8 – в); 9 – в); 10 – а); 11 – б); 1 2 – г); 13 – в); 14 – в); 15 – а); 16 – в); 17 – б); 18 – б); 19 – б); 20 – г); 21 – б); 22 – а); 23 – б); 24 – б); 25 – в); 26 – а); 27 – б); 28 – в); 29 – б); 30 – а).
Питання до розділу V:
1 – б); 2 – в); 3 – в); 4 – в); 5 – а); 6 – а); 7 – в); 8 – а); 9 – б); 10 – б); 11 – б); 1 2 – д); 13 – г); 14 – в); 15 – б); 16 – б); 17 – г); 18 – а); 19 – г); 20 – б); 21 – б); 22 – а); 23 – б); 24 – а); 25 – б); 26 – а).
Питання до розділу VІ:
1 – в); 2 – а); 3 – а); 4 – б); 5 – в); 6 – в); 7 – а); 8 – в); 9 – в); 10 – в); 11 – б); 1 2 – г); 13 – б); 14 – а); 15 – г); 16 – б); 17 – а); 18 – б); 19 – б); 20 – г); 21 – б); 22 – в); 23 – а); 24 – б); 25 – а).
Методично - навчальний посібник
для самостійного вивчення предмету
«Комп'ютерна електроніка»
до спеціальності: 5.05010201 „Обслуговування комп’ютерних систем і мереж”
Розробила викладач: Ковальова Т.І.
2010 ЗМІСТ
1 Пояснювальна записка 3 2 Навчальна програма предмету 4 3 Вступ 6 4 Розділ І Фізичні основи електронної техніки 7 5 Розділ ІІ Елементи та компоненти інтегральних схем 12 6 Розділ ІІІ Основи електронної схемотехніки 35 7 Розділ ІV Пристрої відображення інформації 51 8 Розділ V Елементи імпульсних та цифрових пристроїв 51 9 Розділ VІ Функціональні вузли цифрових та імпульсних пристроїв 63 6 Рекомендована література 71 7 Додаток 1 72 8 Додаток 2 73
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА Метою вивчення предмету «Комп′ютерна електроніка» є ознайомлення з фізичними основами, будовою та параметрами електронних напівпровідникових приладів та мікросхем, умовами експлуатації та режимами їх роботи, набуття навичок побудови і аналізу імпульсних та аналогових електронних схем на сучасних дискретних та інтегральних компонентах. Навчальна програма складена з урахуванням знань, отриманих при вивчені дисциплін : «Фізика», «Елементи вищої математики», «Теорія електричних та магнітних кіл», «Інформатика». Завдання курсу – навчити студентів: - принципам роботи електронних та напівпровідникових пристроїв; - сучасній елементній базі аналогових та імпульсних пристроїв; - методичним і схемотехнічним основам побудови елементної бази сучасних комп′ютерів, принципам їх роботи та основним характеристикам. В результаті вивчення предмету студенти повинні вміти: - визначати основні параметри імпульсних та аналогових пристроїв; - користуватися довідковою та спеціальною літературою при застосуванні аналогових і імпульсних пристроїв; - будувати прості пристрої по перетворенню та обробці цифрової та аналогової інформації; - по технічному завданню побудувати пристрій на основі вузлів аналогових й цифрових мікросхем; - обгрунтовати та аналізувати вибір вузлів пристроїв на базі аналогових та цифрових ІМС, вимірювати параметри; - виконувати найпростіші розрахунки каскадів, оцінювати отримані результати. Знання, які отримають студенти під час вивчення курсу, використовуються ними при вивченні предметів: «Мікросхемотехніки», «Електрорадіовимірювання «Мікропроцесорні системи» й інших спеціальних та профілюючих курсів, а також при виконанні курсових і дипломних проектів. При роботі з методичним посібником слід ретельно ознайомитися з викладеним теоретичним матеріалом, для більш ґрунтовної підготовки необхідно звернутися до основної та довідкової літератури наведеної в посібнику. З метою кращого засвоєння навчального матеріалу необхідно розглянути приклади задач, розв'язати практичні задачі для самоконтролю, відповісти на теоретичні питання.
ПРИМІРНИЙ ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ВСТУП Курс «Комп′ютерної електроніки» належить до спеціальних дисциплін спеціальності. Мета дисципліни – ознайомлення з фізичними основами електронних та напівпровідникових приладів та мікросхем, побудови та принципів роботи основних схем імпульсної, цифрової і аналогової техніки, умовами експлуатації та режимами їх роботи. Електроніка - це наука про створення різних за функціями і діями електронних вузлів і пристроїв. Комп'ютерна електроніка - це галузь науки і техніки, яка зв’язана з вивченням принципів дії параметрів електричних пристроїв аналогових та цифрових мікросхем, а також реалізує на їх основі різні пристрої та схеми, які використовують в засобах обчислювальної техніки. При створенні технічних пристроїв інформаційної техніки умовились використовувати або всю сукупність значень того чи іншого носія інформації у деякому часовому та амплітудному інтервалі (аналогова форма представлення інформації) чи тільки деякі її значення (дискретна або цифрова форма представлення інформації). Аналогова обчислювальна машина – це обчислювальний пристрій, який призначений для рішення алгебраїчних систем, тобто лінійних, нелінійних і диференційних рівнянь, які реалізовані у вигляді електричних схем. Числова обчислювальна машина – це електронний пристрій, який побудований з типових елементів (логічних та запам'ятовуючих) і реалізує деякій довільний алгоритм. Розвиток сучасної електроніки нерозривно пов'язаний з досягненнями мікроелектроніки, яка, в свою чергу, базується на інтегральній технології - отримувати вузли електронних пристроїв у вигляді інтегральних мікросхем. Електронні пристрої широко використовуються у радіозв'язку, телебаченні, запису та відтворенні звуку, радіолокації, у сучасних обладнаннях в автоматиці і телемеханіці, провідному зв'язку, атомній та ракетній техніці, астрономії, метрології, машинобудуванні, вимірювальній техніці, медицині і т. ін. Прогрес електроніки сприяв виникненню та розвитку кібернетики - науки, що займається питаннями управління та зв'язку в машинах і живих організмах, а також зробив можливим створення швидкодіючих обчислювальних машин. Розвиток техніки сьогодні сприяє безперервному зростанню часток електронних вузлів у інформаційних пристроях автоматики за рахунок впровадження інтегральної технології, що дала змогу на одному кристалі напівпровідника малої площі (тисячні частки - декілька квадратних міліметрів) виготовляти складні функціональні вузли різного призначення. Промисловість серійно випускає інтегральні підсилювачі електричних сигналів, комутатори, логічні елементи, лічильники імпульсів, кодові ключі, дешифратори і т. ін. В останні роки освоєно випуск великих інтегральних мікросхем (ВІМ) і мікромініатюрних обчислювальних машин, що отримали назву мікропроцесорів. Кількість елементів кожної ВІМ коливається від десятків одиниць до сотень тисяч і сягає кількох мільйонів у надвеликих мікросхемах. Значно підвищився інтерес до оптоелектроніки, де, крім електричних сигналів, використовуються і світлові. |
Последнее изменение этой страницы: 2019-04-11; Просмотров: 228; Нарушение авторского права страницы
На рис.21 подано вхідні ІБ = f(UБЕ), при U КЕ = const і вихідні ІК = f(UКЕ), при ІБ = const характеристики для транзистора типу p - n - p , увімкненого за схемою зі спільним емітером. Характеристики транзистора використовують для вибору робочої точки в схемах підсилювачів сигналів.
г)
5 Виберіть умовне позначення стабілітрона:
12 Виберіть правильну схему подачі живлення на варикап:
19 Якщо зменшити опір навантаження, як зміниться кут нахилу Ө навантажувальної прямої 
21 Виберіть схему із СЕ:
Рисунок 3.1 – Структурна схема підсилювача
Рисунок 3.3 – Однокаскадний підсилювач на БТ
Рисунок 3.5 – Однокаскадний підсилювач на ПТ
де u зв.з = β∙ u вих – напруга зворотного зв'язку, β – передатний коефіцієнт ланки зворотного зв'язку.
Задача 3.2. В транзисторному каскаді зі СЕ на базі транзистора МП40 струм бази спокою ІБ0 = 0,75 мА. Визначити параметри елементів підсилювача, якщо напругаживлення каскаду U = 10 В, опір резистора в колі колектора R К = 2,6 кОм.
- НЕ – логічне заперечення (інверсія). Записується виразом у = х, тобто у дорівнює х;
Якщо RS 
1 На якому елементі формується лінійно змінювана напруга в генераторах пилкоподібних імпульсів на рис.1?
а) один: VT1 закритий, VT2 відкритий; б) один: VT1 відкритий, VT2 закритий;
11 У якому стані знаходяться діоди в схемі, якщо на входи надходять напруги: Uвх1 = U вх2 = 0,2 В, Uпор = 0,6 В?
, якщо х1=0, х2=0, х3=1
13 Визначити значення сигналу на виході Q тригера при С = 1; S = 1; R = 1
в) вхід синхронізації.
25 У схемі рис.2 транзистор знаходиться на межі відсічки. Як зміниться режим транзистора, якщо збільшити температуру оточуючого середовища t ° C?
; б) 
; в) 
; г) 
.
