Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) Электронная цифровая подпись

Логические элементы

Логический элемент (логический
вентиль) – это электронная схема,
выполняющая некоторую простейшую
логическую операцию. На рис. 14.8 приведены
примеры условных графических обозначений
некоторых логических элементов.

Рис. 14.8. 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);

    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 И 2 Л;

    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 частотойF
    макс
    .
    Время задержки принято определять по
    перепадам уровней 0,5U
    вх
    и 0,5ΔU
    вых
    .
    Максимальная рабочая частотаF
    макс
    – это частота, при которой сохраняется
    работоспособность схемы.

    Нагрузочная способность характеризуется
    коэффициентом объединения по входу
    К
    об
    (иногда используют термин
    «коэффициент объединения по выходу»).
    ВеличинаК
    об
    – это число логических входов,
    величинаК
    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
    способностьюК
    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

    иU
    вх.0порог
    ,
    соответствующие изменению состояния
    логического элемента.

    Выходные напряжения высокого и низкого
    уровней U
    вых1
    иU
    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. 14.9).

Рис. 14.9. Базовый элемент ТТЛ

Если на один или оба входа одновременно
подан низкий уровень напряжения, то
многоэмитттерный транзистор находится
в состоянии насыщения и транзистор Т 2 закрыт, а следовательно, закрыт и
транзистор Т 4 , т. е. на выходе будет
высокий уровень напряжения.

Если на
обоих входах одновременно действует
высокий уровень напряжения, то транзистор
Т 2 открывается и входит в режим
насыщения, что приводит к открытию и
насыщению транзистора Т 4 и запиранию
транзистора Т 3 , т.е. реализуется
функция И-НЕ.

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

И-НЕ (рис. 14.10,а
), а на рис. 14.10,б
показано графическое изображение
транзистора Шоттки.

Рис. 14.10. Логический элемент ТТЛШ

Транзистор VT4 – обычный
биполярный транзистор. Если оба входных
напряженияu
вх1
иu
вх2
имеют высокий уровень, то диодыVD3 иVD4
закрыты, транзисторыVT1,VT5 открыты и на выходе
имеет место напряжение низкого уровня.

    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 (–4В
для
серии К1500).

В микросхемах n
-МОП
иp
-МОП используются
ключи соответственно на МОП-транзисторах
сn
-каналами и
динамической нагрузкой и на МОП-транзисторах
сp
-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 GaAsхарактеризуется наиболее высоким
быстродействием, что является следствием
высокой подвижности электронов (в 3…6
раз больше по сравнению с кремнием).
Микросхемы на основеGaAsмогут работать на частотах порядка 10ГГц
.

При работе со сложными схемами полезным является использование различных технических хитростей, которые позволяют добиться поставленной цели малыми усилиями. Одной из них является создание транзисторных ключей. Чем они являются? Зачем их стоит создавать? Почему их ещё называют «электронные ключи»? Какие особенности данного процесса есть и на что следует обращать внимание?

Рекомендации по выбору транзисторов для электронных ключей

    Номинальное напряжение между коллектором и эмиттером, которое указывается производителем, должно быть выше напряжения источника питания.

    Номинальный ток коллектора, который также указывается производителем, должен быть больше тока нагрузки.

    Необходимо следить за тем, чтобы ток и напряжение базы транзистора не превышали допустимых значений.

  1. Также напряжение на базе в режиме насыщения не должно быть ниже минимально значения, иначе транзисторный ключ будет работать нестабильно.

О какой нагрузке идет речь? Да о любой — релюшки, лампочки, соленоиды, двигатели, сразу несколько светодиодов или сверхмощный силовой светодиод-прожектор. Короче, все что потребляет больше 15мА и/или требует напряжения питания больше 5 вольт.

Вот взять, например, реле. Пусть это будет BS-115C. Ток обмотки порядка 80мА, напряжение обмотки 12 вольт. Максимальное напряжение контактов 250В и 10А.

Подключение реле к микроконтроллеру это задача которая возникала практически у каждого. Одна проблема — микроконтроллер не может обеспечить мощность необходимую для нормальной работы катушки. Максимальный ток который может пропустить через себя выход контроллера редко превышает 20мА и это еще считается круто — мощный выход.

Первое что приходит на ум — поставить транзистор. Верное решение — транзистор можно подобрать на сотни миллиампер, а то и на амперы. Если не хватает одного транзистора, то их можно включать каскадами, когда слабый открывает более сильный.

Поскольку у нас принято, что 1 это включено, а 0 выключено (это логично, хотя и противоречит моей давней привычке, пришедшей еще с архитектуры AT89C51), то 1 у нас будет подавать питание, а 0 снимать нагрузку. Возьмем биполярный транзистор. Реле требуется 80мА, поэтому ищем транзистор с коллекторным током более 80мА.

В импортных даташитах этот параметр называется I c , в наших I к. Первое что пришло на ум — КТ315 — шедевральный совковый транзистор который применялся практически везде:) Оранжевенький такой. Стоит не более одного рубля. Также прокатит КТ3107 с любым буквенным индексом или импортный BC546 (а также BC547, BC548, BC549).

Если смотреть на его лицевую сторону, та что с надписями, и держать ножками вниз, то выводы, слева направо: Эмиттер, Колектор, База.

Берем транзистор и подключаем его по такой схеме:

Коллектор к нагрузке, эмиттер, тот что со стрелочкой, на землю. А базу на выход контроллера.

Транзистор это усилитель тока, то есть если мы пропустим через цепь База-Эмиттер ток, то через цепь Колектор-Эмиттер сможет пройти ток равный входному, помноженному на коэффициент усиления h fe .h fe для этого транзистора составляет несколько сотен. Что то около 300, точно не помню.

Максимальное напряжение вывода микроконтроллера при подаче в порт единицы = 5 вольт (падением напряжения в 0.7 вольт на База-Эмиттерном переходе тут можно пренебречь). Сопротивление в базовой цепи равно 10000 Ом. Значит ток, по закону Ома, будет равен 5/10000=0.0005А или 0.

5мА — совершенно незначительный ток от которого контроллер даже не вспотеет. А на выходе в этот момент времени будет I c =I be *h fe =0.0005*300 = 0.150А. 150мА больше чем чем 100мА, но это всего лишь означает, что транзистор откроется нараспашку и выдаст максимум что может. А значит наша релюха получит питание сполна.

Все счастливы, все довольны? А вот нет, есть тут западло. В реле же в качестве исполнительного элемента используется катушка. А катушка имеет неслабую индуктивность, так что резко оборвать ток в ней невозможно. Если это попытаться сделать, то потенциальная энергия, накопленная в электромагнитом поле, вылезет в другом месте.

При нулевом токе обрыва, этим местом будет напряжение — при резком прерывании тока, на катушке будет мощный всплеск напряжения, в сотни вольт. Если ток обрывается механическим контактом, то будет воздушный пробой — искра. А если обрывать транзистором, то его просто напросто угробит.

Надо что то делать, куда то девать энергию катушки. Не проблема, замкнм ее на себя же, поставив диод. При нормальной работе диод включен встречно напряжению и ток через него не идет. А при выключении напряжение на индуктивности будет уже в другую сторону и пройдет через диод.

Правда эти игры с бросками напряжения гадским образом сказываются на стабильности питающей сети устройства, поэтому имеет смысл возле катушек между плюсом и минусом питания вкрутить электролитический конденсатор на сотню другую микрофарад. Он примет на себя большую часть пульсации.

Красота! Но можно сделать еще лучше — снизить потребление. У реле довольно большой ток срывания с места, а вот ток удержания якоря меньше раза в три. Кому как, а меня давит жаба кормить катушку больше чем она того заслуживает. Это ведь и нагрев и энергозатраты и много еще чего. Берем и вставляем в цепь еще и полярный конденсатор на десяток другой микрофарад с резистором. Что теперь получается:

При открытии транзистора конденсатор С2 еще не заряжен, а значит в момент его заряда он представляет собой почти короткое замыкание и ток через катушку идет без ограничений. Недолго, но этого хватает для срыва якоря реле с места. Потом конденсатор зарядится и превратится в обрыв.

А реле будет питаться через резистор ограничивающий ток. Резистор и конденсатор следует подбирать таким образом, чтобы реле четко срабатывало.После закрытия транзистора конденсатор разряжается через резистор. Из этого следует встречное западло — если сразу же попытаться реле включить, когда конденсатор еще не разрядился, то тока на рывок может и не хватить.

Добавим еще один апгрейд.При размыкании реле энергия магнитного поля стравливается через диод, только вот при этом в катушке продолжает течь ток, а значит она продолжает держать якорь. Увеличивается время между снятием сигнала управления и отпаданием контактной группы. Западло.

Надо сделать препятствие протеканию тока, но такое, чтобы не убило транзистор. Воткнем стабилитрон с напряжением открывания ниже предельного напряжения пробоя транзистора.Из куска даташита видно, что предельное напряжение Коллектор-База (Collector-Base voltage) для BC549 составляет 30 вольт. Вкручиваем стабилитрон на 27 вольт — Profit!

В итоге, мы обеспечиваем бросок напряжения на катушке, но он контроллируемый и ниже критической точки пробоя. Тем самым мы значительно (в разы!) снижаем задержку на выключение.

Вот теперь можно довольно потянуться и начать мучительно чесать репу на предмет того как же весь этот хлам разместить на печатной плате… Приходится искать компромиссы и оставлять только то, что нужно в данной схеме. Но это уже инженерное чутье и приходит с опытом.

Разумеется вместо реле можно воткнуть и лампочку и соленоид и даже моторчик, если по току проходит. Реле взято как пример. Ну и, естественно, для лампочки не потребуется весь диодно-конденсаторный обвес.

Пока хватит. В следующий раз расскажу про Дарлингтоновские сборки и MOSFET ключи.

В импульсных устройствах очень часто можно встретить транзисторные ключи. Транзисторные ключи присутствуют в триггерах, коммутаторах, мультивибраторах, блокинг-генераторах и в других электронных схемах. В каждой схеме транзисторный ключ выполняет свою функцию, и в зависимости от режима работы транзистора, схема ключа в целом может меняться, однако основная принципиальная схема транзисторного ключа – следующая:

Есть несколько основных режимов работы транзисторного ключа: нормальный активный режим, режим насыщения, режим отсечки и активный инверсный режим. Хотя схема транзисторного ключа – это в принципе схема транзисторного усилителя с общим эмиттером, по функциям и режимам эта схема отличается от типичного усилительного каскада.

В ключевом применении транзистор служит быстродействующим ключом, и главными статическими состояниями являются два: транзистор закрыт и транзистор открыт. Запертое состояние – состояние разомкнутое, когда транзистор пребывает в режиме отсечки. Замкнутое состояние – состояние насыщения транзистора, или близкое к насыщению состояние, в этом состоянии транзистор открыт.

Статические состояния описываются в соответствии со статическими характеристиками транзистора. Характеристик две: семейство выходных – зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер и семейство входных – зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер.

Для режима отсечки характерно смещение обеих p-n переходов транзистора в обратном направлении, причем бывает глубокая отсечка и неглубокая отсечка. Глубокая отсечка – это когда приложенное к переходам напряжение в 3-5 раз превышает пороговое и имеет полярность обратную рабочей. В таком состоянии транзистор разомкнут, и токи его электродов чрезвычайно малы.

При неглубокой же отсечке напряжение, приложенное к одному из электродов, ниже, и токи электродов больше чем при глубокой отсечке, в результате токи уже зависят от приложенного напряжения в соответствии с нижней кривой из семейства выходных характеристик, эту кривую так и называют «характеристика отсечки».

Для примера проведем упрощенный расчет для ключевого режима транзистора, который будет работать на резистивную нагрузку. Транзистор будет длительное время находиться лишь в одном из двух главных состояний: полностью открыт (насыщение) или полностью закрыт (отсечка).

Пусть нагрузкой транзистора будет обмотка реле SRD-12VDC-SL-C, сопротивление катушки которого при номинальных 12 В будет составлять 400 Ом. Пренебрежем индуктивным характером обмотки реле, пусть разработчики предусмотрят снаббер для защиты от выбросов в переходном режиме, мы же проведем расчет исходя из того, что реле включат один раз и очень надолго. Ток коллектора найдем по формуле:

Iк = (Uпит-Uкэнас) / Rн.

Где: Iк – постоянный ток коллектора; Uпит – напряжение питания (12 вольт); Uкэнас – напряжение насыщения биполярного транзистора (0,5 вольт); Rн – сопротивление нагрузки (400 Ом).

Получаем Iк = (12-0,5) / 400 = 0,02875 А = 28,7 мА.

Для верности возьмем транзистор с запасом по предельному току и по предельному напряжению. Подойдет BD139 в корпусе SOT-32. Этот транзистор обладает параметрами Iкмакс = 1,5 А, Uкэмакс = 80 В. Будет хороший запас.

Чтобы обеспечить ток коллектора в 28,7 мА, необходимо обеспечить соответствующий ток базы. Ток базы определяется формулой: Iб = Iк / h21э, где h21э – статический коэффициент передачи по току.

Современные мультиметры позволяют измерять этот параметр, и в нашем случае он составил 50. Значит Iб = 0,0287 / 50 = 574 мкА. Если значение коэффициента h21э неизвестно, можно для надежности взять минимальное из документации на данный транзистор.

Чтобы нужно определить необходимое значение резистора базы. Напряжение насыщения база-эмиттер составляет 1 вольт. Значит, если управление будет осуществляться сигналом с выхода логической микросхемы, напряжение которого 5 В, то для обеспечения требуемого тока базы в 574 мкА, при падении на переходе 1 В, получим:

R1 = (Uвх-Uбэнас) / Iб = (5-1) / 0,000574 = 6968 Ом

Выберем в меньшую сторону (чтобы тока точно хватило) из стандартного ряда резистор 6,8 кОм.

НО, чтобы транзистор переключался быстрее и чтобы срабатывание было надежным, будем применять дополнительный резистор R2 между базой и эмиттером, а на нем будет падать некоторая мощность, значит необходимо понизить сопротивление резистора R1. Примем R2 = 6,8 кОм и скорректируем значение R1:

R1 = (Uвх-Uбэнас) / (Iб I(через резистор R2) = (Uвх-Uбэнас) / (Iб Uбэнас/R2)

R1 = (5-1) / (0,000574 1/6800) = 5547 Ом.

Пусть будет R1 = 5,1 кОм, а R2 = 6,8 кОм.

Посчитаем потери на ключе: P = Iк * Uкэнас = 0,0287 * 0,5 = 0,014 Вт. Радиатор транзистору не потребуется.

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. 14.5.

Рис. 14.5. Ключ на биполярном транзисторе

Рассмотрим работу транзисторного
ключа в установившихся режимах. До
момента времени t
1
эмиттерный переход транзистора заперт
и транзистор находится в режиме отсечки.
В этом режимеi
к
=–
i
б
=I
ко
(I
ко
– обратный ток коллектора),i
э
≈ 0.

При этомu
R
б
≈u
R
к
≈ 0;u
бэ
≈ –U
2
;u
кэ
≈–Е
к
.

В промежутке времени t
1
…t
2
транзистор открыт. Для того, чтобы
напряжение на транзистореu
кэ

было минимальным, напряжениеU
1

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. 14.6).

Рис. 14.6. 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. 14.7 приведена схема цифрового
ключа на МДП-транзисторе с индуцированным
каналом n
-типа и
резистивной нагрузкой и соответствующие
временные диаграммы.

Рис. 14.7. 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 иu
си

с
.

Цифровые электронные ключи на биполярных транзисторах

Чаще всего используются ключи, собранные по схеме с общим эмиттером, как показано на рис. 3.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) В ключевом режиме биполярный транзистор работает в режиме насыщения (замкнутый ключ) или режиме отсечки (разомкнутый ключ). Полезно помнить, что в режиме насыщения оба перехода (коллектор-база и эмиттер-база) открыты, а в режиме отсечки – заперты. В режиме насыщения выходную цепь транзистора можно представить эквивалентным источником напряжения, величина ЭДС которого приводится в справочниках ( Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) – напряжение насыщения). Строго говоря, следует учитывать также внутреннее сопротивление этого источника, величина которого определяется крутизной наклона линии граничного режима, однако, в большинстве практически важных случаев для инженерных расчетов можно ограничиться величиной – Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Резисторы Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) должны обеспечивать надежное запирание транзистора при низком уровне управляющего сигнала во всем диапазоне рабочих температур и насыщение при высоком уровне управляющего сигнала.

Рисунок 3 – Схема электронного ключа на биполярном транзисторе

При расчете необходимо учитывать обратный ток коллектора, протекающий через резистор Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , и создающий на нем падение напряжения. Суммарное напряжение на эмиттерном переходе определяется выражением:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ,

где Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) – максимальный ток обратный коллектора, Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) – напряжение низкого уровня управляющего сигнала. Очевидно, для надежного запирания транзистора необходимо, чтобы Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Необходимо учитывать сильную температурную зависимость обратного тока коллектора, и для расчета выбирать максимальное значение. В противном случае ключ может “подтекать” при изменении температуры.

Открытый транзистор может находиться в активном режиме или режиме насыщения. Для электронных ключей активный режим является невыгодным, так как в этом режиме на коллекторе рассеивается значительная мощность. Поэтому активный режим допустим только в течение переходных процессов (где он, собственно говоря, неизбежен).

Для обеспечения насыщения необходимо, чтобы выполнялось соотношение Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Ток базы можно определить по формуле: Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Ток насыщения определяется сопротивлением резистора в цепи коллектора, усилительными свойствами транзистора и сопротивлением между коллектором и эмиттером в насыщенном состоянии: Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . При расчетах целесообразно пользоваться наихудшим значением Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Отметим, что при нарушении условия насыщения транзистор переходит в активный режим, что сопровождается ростом напряжения на коллекторе и увеличением мощности рассеяния. В ряде случаев используют иной критерий насыщения – прямое смещение обоих переходов транзистора (база-эмиттер и база-коллектор). В активном режиме переход база-коллектор смещен в обратном направлении.

Используя этот критерий, легко понять, что составной транзистор (по схеме Дарлингтона) не удастся полностью насытить, так как база выходного транзистора в лучшем случае может иметь потенциал, равный потенциалу коллектора.

Необходимой частью проектирования электронных ключей является оценка их динамических свойств, определяющих скорость переключения и потери энергии на этом этапе (динамические потери).

Переходные процессы в электронном ключе на биполярном транзисторе характеризуются длительностью цикла переключения, который можно разделить на несколько отдельных этапов:

  • задержка включения;
  • включение (нарастание тока до величины, соответствующей насыщению);
  • задержка выключения (обусловлена рассасыванием заряда в базе при переходе из режима насыщения в активный режим);
  • выключение (обусловлено уменьшением тока коллектора до значения, соответствующего отсечке).

Необходимо также учитывать процессы заряда ёмкостей монтажа и нагрузки, которые не имеют прямого отношения к транзистору, но могут существенно влиять на длительность переходного процесса в целом.

Рассмотрим характерные участки переходного процесса по временным диаграммам (рис.4).

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рисунок 4 – Переходные процессы в ключе на биполярном транзисторе

  • Транзистор заперт, ток базы определяется обратным током коллектора, заряд в базе практически отсутствует, на выходе ключа высокий уровень.
  • Потенциал на входе ключа скачком увеличивается, начинается заряд входной ёмкости. Токи базы и коллектора не изменяются, пока напряжение на переходе база-эмиттер не превышает напряжения отсечки (время задержки включения).
  • В момент превышения напряжения отсечки открывается эмиттерный переход, и транзистор переходит в активный режим. Инжектируемые в базу неосновные носители нарушают равновесное состояние базы, и начинается накопление заряда. Пропорционально увеличивается ток коллектора, обусловленный экстракцией носителей в область коллектора. Время до перехода в режим насыщения – время включения.
  • В режиме насыщения все токи и напряжения остаются постоянными, при этом заряд в базе продолжает нарастать, хотя и с меньшей скоростью. Заряд, превышающий величину, соответствующую переходу в режим насыщения, называется избыточным.
  • При скачкообразном изменении потенциала на входе ключа ток базы также быстро уменьшается, нарушается равновесное состояние заряда базы и начинается его рассасывание. Транзистор остается насыщенным до тех пор, пока заряд не уменьшится до граничной величины, после чего переходит в активный режим (время задержки выключения).
  • В активном режиме заряд базы и ток коллектора уменьшаются до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим отсечки. В этот момент входное сопротивление ключа возрастает. Этот этап определяет время выключения.
  • После перехода транзистора в режим отсечки напряжение на выходе продолжает нарастать, так как заряжаются ёмкости нагрузки, монтажа и ёмкость коллектора.

Очевидно, ключевую роль играет степень (глубина) насыщения транзистора Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Для количественной оценки коммутационных параметров можно воспользоваться следующими выражениями:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , где Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Существуют схемотехнические методы повышения быстродействия ключа: форсирующая цепочка (рис. 5а) и нелинейная обратная связь (рис. 5б).

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

а) Ключ с форсирующей цепочкой

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

б) Ключ с нелинейной обратной связью

Рисунок 5 – схемотехнические приемы повышения быстродействия

Принцип работы форсирующей цепочки очевиден: при отпирании транзистора ток базы определяется процессом заряда форсирующей ёмкости (быстрый переход в режим насыщения), в открытом состоянии ток базы определяется резистором, величина которого выбирается таким образом, чтобы обеспечить неглубокое насыщение транзистора. Таким образом, уменьшается время рассасывания неосновных носителей в базе.

При использовании нелинейной обратной связи применяется диод, включенный между базой и коллектором транзистора. Запертый диод не влияет на работу схемы, когда ключ открывается, диод оказывается смещенным в прямом направлении, а транзистор охваченным глубокой отрицательной обратной связью. Для уменьшения времени выключения необходимо обеспечить малое время восстановления обратного сопротивления диода, для чего применяются диоды с барьером Шоттки. Монолитная структура диод Шоттки – биполярный транзистор называется транзистором Шоттки.

Ключи на биполярных транзисторах имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение:

  • Ограниченное быстродействие, вызванное конечной скоростью рассасывания неосновных носителей в базе;
  • Значительная мощность, потребляемая цепями управления в статическом режиме;
  • При параллельном включении биполярных транзисторов необходимо применение выравнивающих резисторов в цепях эмиттеров, что приводит к снижению КПД схемы;
  • Термическая неустойчивость, определяемая ростом тока коллектора при увеличении температуры транзистора.

7. (2.3) Полевые транзисторы. Принцип работы, параметры, классификация.

В названии этого класса полупроводниковых приборов отражен факт управления потоком основных носителей заряда, двигающихся в полупроводнике p- или n-типа (канале), посредством электрического поля. Различают полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и полевые транзисторы с изолированным каналом. Первые часто называют просто полевые транзисторы, а вторые – МДП-транзисторы, в названии которых отражена их структура (М – металл; Д – диэлектрик; П – полупроводник) (международный термин — MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor).

Принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (полевых транзисторов) можно рассмотреть на примере структуры, показанной на рис. 1.15,а. Область полупроводника, имеющая два вывода, называется каналом, а область с повышенной концентрацией примеси, как и соответствующий вывод, называется затвором. Эти области имеют разный тип проводимости (на рис. 1.15,а изображена структура с каналом n-типа). Один из выводов канала называется истоком (соответствующая область канала является источником подвижных носителей заряда), а другой вывод – стоком (через этот вывод носители заряда вытекают из канала). Между затвором и каналом расположена обедненная подвижными носителями заряда область (p-n-переход), в основном сосредоточенная в канале, как более высокоомном, по сравнению с затвором, слое (в канале концентрация примеси гораздо меньше). Внешние источники напряжения должны подключаться к транзистору в такой полярности, чтобы p-n-переход всегда был смещен в обратном направлении, т.е. закрыт (на рис. 1.15,а обедненная область показана для случая, когда внешние напряжения равны нулю).

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) Если напряжение между затвором и истоком Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) задать равным нулю, а напряжение между стоком и истоком Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) – больше нуля, то в канале потечет ток основных носителей заряда (в данном случае – электронов), причем с увеличением Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) будет увеличиваться и ток стока Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Но если при малых значениях Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ток Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) растет пропорционально напряжению Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , то с увеличением Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) эта зависимость становится нелинейной (рис. 1.15,г), что объясняется увеличением сопротивления канала. Это происходит потому, что напряжение Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) приложено не только между стоком и истоком, но и между стоком и затвором (через источник Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ), причем в полярности, смещающей p-n-пере-ход в обратном направлении, в результате чего p-n-переход (а значит, и обедненная область) расширяется (в сторону канала), а канал сужается. Приращение обедненной области по длине канала будет неравномерным – оно будет наибольшим в районе стока и близким к нулю в районе истока, поскольку падение напряжения на разных участках канала под действием протекающего тока Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) будет разным (отсчитанное от истока падение напряжения, которое прикладывается к p-n-переходу, максимально на стоке и равно нулю на истоке). При достаточно больших напряжениях Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ток стока Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) может резко увеличиться, что связано с электрическим пробоем p-n-перехода.

Если при постоянном напряжении Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) увеличивать обратное напряжение Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , то обедненная область p-n-перехода будет расширяться в сторону канала равномерно, что приведет к увеличению сопротивления канала и уменьшению тока стока Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) (см. сток-затворные вольт-амперные характери­стики на рис. 1.15,д). При некотором достаточно большом напряжении Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) (напряжении отсечки Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ) ток стока прекращается, поэтому стоковая характеристика (рис. 1.15,г) при Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) пройдет по оси напряжений Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Поскольку во входной цепи (цепи затвор–исток) ток практически отсутствует (большое сопротивление закрытого p-n-перехода), это позволяет управлять значительными токами Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) выходной цепи (цепи сток–исток), по существу не затрачивая энергии входного сигнала, в чем и проявляются усилительные свойства полевого транзистора. Условные графические обозначения полевых транзисторов с каналом n– и p-типа показаны на рис. 1.15,б и в.

Полевые транзисторы с изолированным каналом (МДП-транзисторы) подразделяются на транзисторы со встро­енным и индуцированным каналом. Структура МДП-транзистора со встроенным каналом представляет собой подложку из полупроводника p- или n-типа, в которую встраивается канал в виде полупроводника другого типа проводимости (на рис. 1.16,а канал n-типа). Полупроводниковый канал отделен от металлического затвора (З) тонким слоем диэлектрика, в качестве которого (в случае кремниевой подложки) чаще всего используется двуокись (окисел) кремния Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) (отсюда еще одно название МДП-транзисторов – МОП-транзисторы). К каналу через области с повышенной концентрацией примеси (на рис. 1.16,а области Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ) подсоединяются металлические выводы, называемые, как и соответствующие области канала, стоком (С) и истоком (И). Полупроводниковая подложка (чаще всего кремний), изолированная от внешней среды диэлектриком ( Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ), также имеет металлический вывод (П), который обычно соединяется с истоком для того, чтобы p-n-переход между каналом и подложкой был закрыт. Это обеспечивает изоляцию канала от подложки при нормальной полярности напряжения Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) (рис. 1.16,а).

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) У МДП-транзисторов со встроенным каналом нелинейность стоковых характеристик (рис. 1.16,г) объясняется тем, что при увеличении напряжения Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , подсоединенного одним своим зажимом к стоку, а другим к затвору (через источник Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ), подвижные носители заряда вытесняются из области канала, расположенной под затвором, в области с повышенной концентрацией примеси ( Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) на рис. 1.16,а), что приводит к увеличению сопротивления канала. Происходящее при этом обеднение канала подвижными носителями заряда, как и в случае транзистора с управляющим p-n-переходом, будет по длине канала неравномерным (наибольшим у стока). Повышение по модулю напряжения между затвором и истоком Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , при указанной на рис. 1.16,а полярности, также приводит к обеднению канала, но только равномерному по длине канала (без учета областей Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ), поэтому стоковые характеристики при Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) пройдут ниже относительно характеристики, снятой при Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) (рис. 1.16,г).

МДП-транзисторы со встроенным каналом могут работать и в режиме обогащения при другой (по сравнению с показанной на рис. 1.16,а) полярности напряжения Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . В этом режиме основные носители заряда (в данном случае электроны) под действием поля затвора будут втягиваться в канал из областей Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ( Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) в случае подложки n-типа), тем самым обогащая канал подвижными носителями заряда (которых в канале при Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) сравнительно немного), поэтому стоковые характеристики в режиме обогащения расположатся выше характеристики, снятой при Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Сток-затвор­ные вольт-ам­пер­ные характеристики (рис. 1.16,д) могут быть построены по данным стоковых характеристик (рис. 1.16,г), для чего необходимо при выбранных значениях Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) провести прямые, параллельные оси токов, и отметить точки пересечения указанных прямых со стоковыми характеристиками. Поскольку у МДП-транзисторов канал от затвора изолирован диэлектриком, входное сопротивление (сопротивление участка затвор–исток) таких транзисторов очень велико. У МДП-тран­зи­сторов с каналом p-типа (условное графическое обозначение показано на рис. 1.16,в) полярности напряжений Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) противоположны тем, что присущи транзисторам с каналом n-типа, но стоковые характеристики транзисторов с p-каналом, как и транзисторов с n-кана­лом, принято изображать в первом квадранте.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) Отличительной особенностью МДП-транзисторов с индуцированным каналом является отсутствие встроенного канала (рис. 1.17,а), поэтому у них стоковый ток Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) равен нулю не только при нулевом или отрицательном (в случае p-подложки) напряжении на затворе, но и при небольших положительных напряжениях, поскольку на пути между стоком и истоком находятся два встречно-включен­ных p-n-перехода. Только при напряжении Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , превышающем пороговое напряжение Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , в той части подложки, которая расположена не­по­средственно под затвором, наводится (индуцируется) канал, который образуется из втянутых полем затвора неосновных носителей заряда (одновременно из указанной области подложки полем затвора вытесняются основные носители заряда). Чтобы облегчить образование канала и улучшить его управляемость, подложку МДП-транзистора делают из полупроводника с низкой концентрацией примеси. При увеличении напряжения Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) канал обогащается подвижными носителями заряда, и ток стока увеличивается (рис. 1.17,д). Механизм действия напряжения Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , обусловливающий форму стоковых характери­стик МДП-транзисторов с индуцированным каналом (рис. 1.17,г), примерно такой же, как и у транзисторов со встроенным каналом. Условное графиче­ское обозначение МДП-транзи­сто­ров с индуцированным n-каналом пока­зано на рис. 1.17,б, а с p-каналом – на рис. 1.17,в. МДП-транзисторы с индуцированным каналом применяются гораздо шире по сравнению с транзисторами со встроенным каналом, что вызвано, в первую очередь, отсутствием у них тока стока при нулевом напряжении на затворе.

Стоковые характеристики, приведенные на рис. 1.15,г – 1.17,г, сняты при напряжениях Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , меньших напряжения электрического пробоя, и при таких токах стока, когда мощность, рассеиваемая транзистором в виде тепла, меньше допустимой мощности, выше которой возможен тепловой пробой.

Существует разновидность МДП-транзисторов с индуцированным каналом – МНОП-транзисторы, у которых между пленкой двуокиси кремния (О) и металлическим затвором (М) помещен слой еще одного диэлектрика – нитрида кремния (Н). Характерной особенностью таких транзисторов является то, что у них путем подачи на затвор импульса напряжения определенной полярности можно установить низкий или высокий уровень порогового напряжения Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) (например, 3 или 15 вольт). Это связано с тем, что под действием импульсного напряжения определенной амплитуды на границе между нитридом кремния и двуокисью кремния происходит накопление зарядов, которые могут сохраняться в течение нескольких лет.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) Относительно малых приращений напряжений, вызванных действием источника входного сигнала, транзистор можно рассматривать как линейный элемент электрической цепи и представлять в виде малосигнальной эквивалентной схемы. Эквивалентные схемы подразделяются на два класса: схемы замещения и моделирующие схемы. Схема замещения составляется на основе уравнений эквивалентного четырехполюсника, а моделирующая схема – путем моделирования физических процессов в транзисторе.

В моделирующей эквивалентной схеме полевого тран­зистора, приведенной на рис. 1.18, не показаны сопротивления между затвором и каналом, что оправданно, поскольку их значения очень большие: 106…109 Ом у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом и 1012…1014 Ом у МДП-транзисторов. Все элементы моделирующей схемы – дифференциальные, т.е. определенные для приращений токов и напряжений, обозначенных в схеме строчными буквами. Источник тока, действующий в выходной цепи, управляется входным напряжением Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , причем эффективность управления отображается параметром “крутизна”, показывающим насколько изменится ток стока Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) при изменении напряжения Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и постоянном напряжении Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) : Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Типовые значения крутизны полевых транзисторов – 1…25 мА/В. Внутреннее сопротивление Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

на начальных линейных участках стоковых характеристик (при малых напряжениях Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ) моделирует сопротивление материала канала, а на пологих участках – еще и процесс обеднения канала под действием Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) (в этом режиме у различных типов транзисторов Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ). Внутреннее сопротивление Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и крутизну s в рабочей точке (т.е. при заданных значениях Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ) можно вычислить, определив соответствующие приращения на графиках стоковых и сток-затворных ВАХ. Ёмкости Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) моделируют барьерную ёмкость закрытого p-n-перехода между затвором и каналом (у транзисторов с управляющим p-n-переходом) или ёмкость плоского конденсатора, образованного металлическим затвором и полупроводниковым каналом (у МДП-транзисторов); у маломощных транзисторов Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) Ёмкость Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) полевых транзисторов, включая и транзисторы с управляющим p-n-переходом, является барьерной ёмкостью закрытого p-n-перехода между стоком и подложкой; она обычно меньше ёмкостей Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Условные графические обозначения полевых транзисторов приведены ниже. Графическое обозначение транзистора содержит максимальную информацию об его устройстве. Канал транзистора изображается вертикальной штриховой или сплошной линией. Штриховая линия обозначает индуцированный канал, а сплошная – встроенный. Исток и сток действуют как невыпрямляющие контакты, поэтому изображаются под прямым углом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, направление которой указывает тип проводимости канала. Затвор изображается вертикальной линией, параллельной каналу. Вывод затвора обращен к электроду истока.

Рис. УГО полевых транзисторов

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

§

      Транзисторы            
   
                                 
                     
  Биполярные           Полевые    
   
                                           
                         
p-n-p   n-p-n   С p-n-переходом    С изолированным затвором          
   
                                                     
                          
            С каналом n-типа   С каналом p-типа  Со встроенным каналом   С индуцированным каналом  
  
                                     

Вне зависимости от типа транзистора, принцип применения его един:

  • Источник питания питает электрической энергией нагрузку, которой может быть громкоговоритель, реле, лампа накаливания, вход другого, более мощного транзистора, электронной лампы и т. п. Именно источник питания даёт нужную мощность для «раскачки» нагрузки.
  • Транзистор же используется для ограничения силы тока, поступающего в нагрузку, и включается в разрыв между источником питания и нагрузкой. То есть транзистор представляет собой некий вариант полупроводникового резистора, сопротивление которого можно очень быстро изменять.
  • Выходное сопротивление транзистора меняется в зависимости от напряжения на управляющем электроде. Важно то, что это напряжение, а также сила тока, потребляемая входной цепью транзистора, гораздо меньше напряжения и силы тока в выходной цепи. Таким образом, за счёт контролируемого управления источником питания достигается усиление сигнала.
  • Если мощности входного сигнала недостаточно для «раскачки» входной цепи применяемого транзистора, или конкретный транзистор не даёт нужного усиления, применяют каскадное включение транзисторов, когда более чувствительный и менее мощный транзистор управляет энергией источника питания на входе более мощного транзистора. Также подключение выхода одного транзистора ко входу другого может использоваться в генераторных схемах типа мультивибратора. В этом случае применяются одинаковые по мощности транзисторы.

Вся современная цифровая техника построена, в основном, на полевых (металл-оксид-полупроводник)-транзисторах (МОПТ), как более экономичных, по сравнению с БТ, элементах. Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т. п. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 22 нм. В настоящее время на одном современном кристалле площадью 1—2 см² могут разместиться несколько (пока единицы) миллиардов МОПТ. На протяжении 60 лет происходит уменьшение размеров (миниатюризация) МОПТ и увеличение их количества на одном чипе (степень интеграции), в ближайшие годы ожидается дальнейшее увеличение степени интеграции транзисторов на чипе (см. Закон Мура). Уменьшение размеров МОПТ приводит также к повышению быстродействия процессоров, снижению энергопотребления и тепловыделения.

8. (1.3) Полупроводниковые запоминающие устройства. Физические механизмы работы полупроводниковых устройств памяти. Разновидности ПЗУ. Принцип работы запоминающего элемента на биполярном транзисторе.

Полупроводниковые запоминающие устройства (ЗУ) в настоящее время представляют собой большой класс запоминающих устройств, различных по своим функциональным и техническим характеристикам, широко используемых в качестве внутренних ЗУ ЭВМ. Но этим их использование не ограничивается. Подавляющее большинство электронной и бытовой техники переходит на цифровые методы представления данных (не только текстовых, но и аудио, графических и видео) и управления (использование микроконтроллеров).

Различные сферы применения накладывают свои особенности на реализацию полупроводниковых ЗУ, однако это чаще касается их конструктивных особенностей, а принципы построения одинаковы.

Высокое быстродействие полупроводниковых ЗУ обусловливает то, что большинство из них имеет организацию с произвольным доступом. Хотя такие ЗУ, как флэш-память и ЗУ с переносом зарядов (используемые, например, в фото- и видеокамерах), организованы несколько иначе.

Это же высокое быстродействие определяет и основные области применения полупроводниковых ЗУ в ЭВМ: кэш-память и оперативная память.

Причем надо отметить, что термин “ЗУ с произвольным доступом” (Random Access Memory – RAM) не соответствует в точности термину “оперативная память”, поскольку первый из них указывает на способ доступа, а второй – на функциональное назначение. И действительно, кэш-память и постоянные ЗУ также являются ЗУ с произвольным доступом. Однако, в соответствии с принятой в русскоязычной литературе терминологией, термин “оперативные ЗУ” иногда используется как синоним ЗУ с произвольным доступом.

В основе работы электрических элементов памяти (ЭП) лежат различные эффекты перераспределения в ЭП тока, заряда или напряжения. Физ. принципы работы ЭП и технология изготовления устройств памяти (УП) определяют минимально достижимую энергию переключения ЭП, что в конечном счёте определяет плотность размещения информации на носителе.

Полупроводниковые запоминающие устройства являются наиболее разработанными и широко распространёнными УП, использующими электрические ЭП. К числу основных разновидностей полупроводниковых УП относятся постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), программируемые ПЗУ (ППЗУ), стираемые ППЗУ (СППЗУ), ППЗУ с электрич. стиранием (ЭСППЗУ), статические и динамические УП с произвольной выборкой (СЗУПВ и ДЗУПВ). Принципиальные схемы ЭП П. у. перечисленных типов приведены на рис. 1.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рис. 1. Схемы различных полупроводниковых элементов памяти: а – МДП ПЗУ; б – биполярное ППЗУ; в – МДП СППЗУ; г – МДП ЭСППЗУ; д – МДП СЗУПВ с нагрузкой R; е – биполярное СЗУПВ с нагрузкой R; ж – МДП ДЗУПВ.

§

Тип устройства памяти Запоминание заряда Метод записи Метод считывания Примечание
ПЗУ Не производится Формирование (разрушение) перемычек при изготовлении Неразрушающий “опрос” перемычек
СППЗУ На плавающем затворе транзистора ЭП Инжекция на плавающий затвор триггера Считывание (без изменения) напряжения на триггере Стирание информации при освещении УФ-излучением
ЭСППЗУ На поверхностном состоянии плавающего затвора транзистора ЭП Туннельная инжекция – ” – Стирание информации при инжекции заряда другого знака
СЗУПВ В статическим триггере ЭП Передача сигнального заряда на информац. вход Считывание сигнального заряда (без его изменения)
ДЗУПВ На ёмкости затвора транзистора ЭП Передача сигнального за-ряда на информац. вход Считывание сигнального заряда (с его изменением) Необходима периодическая регенерация

Простейшие ПЗУ

В русском языке термин Постоянное Запоминающее Устройство(ПЗУ) используется как эквивалент английского термина ROM (Read Only Memory) – память только для чтения.

Строго говоря, к данному виду памяти можно отнести только две разновидности: Mask-ROM (Масочные ПЗУ) и PROM (Programmable ROM), или однократно Программируемые ПЗУ.

Другие типы памяти– EPROM, EEPROM, Flash-ROM – только исторически произошли от полупроводникового ROM. Однако эти виды памяти никак не могут быть ROM, поскольку ROM переводится как «память только для чтения» и ни о какой возможности перезаписи в ROM речи быть не может. Тем не менее эти типы памяти классифицируются как ROM. Небольшая неточность не обращала на себя внимания, однако с развитием технологий, когда флэш-память стала выдерживать до1 миллиона циклов перезаписи и стала использоваться как накопитель общего назначения, этот недочет в классификации на-чал бросаться в глаза. По своим функциональным характеристикам память EPROM, EEPROM и Flash относятся к классу энергонезависимой перезаписываемой памяти(английский эквивалент– NonVolatile Read-Write Memory илиNVRWM).

ROM память устроена в виде матрицы, каждая ячейка которой имеет свой адрес и может кодировать один бит информации. Данные на масочные ПЗУ записывались во время производства путем нанесения по маске(отсюда и название) алюминиевых соединительных дорожек литографическим способом. Наличие или отсутствие в соответствующем месте такой дорожки кодировало«0» или«1». Содержимое Mask-ROM после того, как она произведена, изменить невозможно. Этот подход к созданию схем является индивидуальным и для каждой новой задачи потребуется изготовление нового ПЗУ. Тем не менее преимущества такой технологии очевидны – это низкая стоимость готовой микросхемы(правда, это проявляется только при больших объемах производства), высокая скорость доступа к ячейкам памяти, а также высокая надежность готовой микросхемы и устойчивость к электромагнитным полям.

Читайте также:  Аккредитация удостоверяющих центров :: Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации

PROM (Programmable ROM), или однократно Программируемые ПЗУ. В качестве ячеек памяти в данном типе памяти использовались плавкие перемычки. В отличие от Mask-ROM, в PROM появилась возможность кодировать(«пережигать») перемычки при наличии специального программатора, что дало возможность пользователям записывать в ПЗУ любую информацию. В каждой отдельной ячейке PROM плавкая перемычка либо разрушалась(запись логического0) путем подачи достаточно высокого напряжения(значительно больше стандарт-ного напряжения питания), либо оставлялась без изменений(логиче-ская1). Возможность самостоятельной записи информации в PROM сделало их пригодными для штучного и мелкосерийного производства.

Тем не менее, PROM практически полностью вышли из употребления в конце80-х годов ХХ века.

Схема простейшего программируемого ПЗУ состоит из дешифратора n ´ 2n и схемы ИЛИ, к входам которой через плавкие перемычки подключены выходы дешифратора

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Функция DO по форме совпадает с СДНФ, т. е. с помощью ПЗУ, имеющего n адресных входов xp, можно реализовать любую функцию n переменных.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рис.2. Постоянное запоминающее устройство с плавкими перемычками

EPROM

В различных источниках эта аббревиатура расшифровывается по-разному. В одних случаях ее называют какErasable Programmable ROM (стираемые программируемые ПЗУ), в других– как Electrically Programmable ROM (электрически программируемые ПЗУ). Обе этих расшифровки отражают качественные отличия EEPROM. Этот тип памяти программируется электрическим сигналом, но для того, чтобы за-писать новую информацию, необходимо произвести стирание. Стирание ячеек EPROM выполняется сразу для всей микросхемы посредством облучения чипа ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами в течение нескольких минут. Микросхемы, стирание которых производится путем засвечивания ультрафиолетом, были разработаны Intel в1971 году, и носят названиеUV-EPROM (приставкаUV (Ultraviolet) – ультрафиолет). Они содержат окошки из кварцевого стекла, которые по окончании процесса стирания заклеивают.

EPROM отIntel была основана на МОП-транзисторах с лавинной инжекцией заряда(FAMOS – Floating Gate Avalanche injection Metal Oxide Semiconductor, русский эквивалент– ЛИЗМОП). В первом приближении такой транзистор представляет собой конденсатор с очень малой утечкой заряда. Позднее, в1973 году, компания Toshiba разработала ячейки на основеSAMOS (Stacked gate Avalanche injection MOS, по другой версии– Silicon and Aluminum MOS) дляEPROM памяти, а в1977 году Intel разработала свой вариант SAMOS.

В EPROM стирание приводит все биты стираемой области в одно состояние(обычно во все единицы, реже – во все нули). Запись на EPROM, как и в PROM, осуществляется при помощи специальных программаторов (они, однако, отличаются от программаторов для PROM).

Появление этого типа памяти значительно расширило возможности разработчиков. Тем не менее, EPROM свойственны некоторые недостатки – небольшое количество циклов перезаписи, невозможность стирания части хранимых данных. Кроме того, обращаться с ними было непросто– с одной стороны, существует высокая вероятность не до конца удалить имеющиеся данные, что в конечном итоге приведет к сбоям, а с другой стороны, есть вероятность передержать микросхему под ультрафиолетом, что может уменьшить срок службы микросхемы и даже привести к ее полной негодности. В настоящее время EPROM практически полностью вытеснена с рынка EEPROM и Flash.

EEPROM

(Electronically EPROM) – электрически стираемые ППЗУ были разработаны в1979 году в той же Intel. В1983 году вышел первый16 Кбит образец, изготовленный на основе FLOTOX-транзисторов(Floating Gate Tunnel-OXide – «плавающий» затвор с туннелированием в окисле).

Флэш-память является разновидностью EEPROM, но в ней используется несколько отличный от EEPROM тип ячейки-транзистора.

Главной отличительной особенностью EEPROM (в т. ч. Flash) от ранее рассмотренных нами типов энергонезависимой памяти является возможность перепрограммирования при подключении к стандартной системной шине микропроцессорного устройства. ВEEPROM появилась возможность производить стирание отдельной ячейки при помощи электрического тока. Для EEPROM стирание каждой ячейки выполняется автоматически при записи в нее новой информации, т. е. можно изменить данные в любой ячейке, не затрагивая остальные. Процедура стирания обычно существенно более длительная, чем процедура записи.

Запоминающий элемент ПЗУ

Основой данного ЗЭ является биполярный транзистор VT. База транзистора подключена к адресной линии АЛ, а эмиттер – к линии данных ЛД (рис. 3).

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)Рис. 3. Запоминающий элемент ПЗУ на биполярном транзисторе

Для выбора данного ЗЭ необходимо на базу транзистора подать уровень логической 1, тогда транзистор VT открыт и состояние на разрядной линии данных будет потенциал, близкий к 5 В (отличающийся от него на величину падения напряжения на открытом транзисторе), т.е. логическая 1. Для программируемого ПЗУ, запоминающий элемент которого показан на рис. 42, при со-хранении плавкой вставки П замыкается цепь ” 5 В; открытый транзистор VT ; плавкая вставка П; ЛД, подключенная к потенциалу земли через сопротивление (на рис. 2 не показано и находится за пределами ЗЭ)”. Вследствие протекания тока по данной цепи потенциал ЛД повышается почти до 5 В, как было сказано выше. Если вставка расплавлена, ток по данной цепи не течет, на ЛД – потенциал земли, что соответствует занесению в данный ЗЭ логического нуля.

9. (3.6) Ячейка памяти ОЗУ динамического типа. Схема и принцип работы запоминающих элементов ОЗУ на биполярных и на полевых транзисторах.

§

Данный запоминающий элемент (ЗЭ) представляет собой триггер, построенный на двух биполярных транзисторах, базы которых соединены с коллекторами “крест накрест” (1,а). образуя положительную обратную связь. За уровень логического нуля принимается потенциал, близкий к потенциалу земли, а за уровень логической единицы – напряжение, близкое к 5 В. К накопителю данный ЗЭ подключается адресной линией АЛ и разрядной линией РЛ (1,б).

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рис. 1. Запоминающий элемент статического биполярного ОЗУ: а – принципиальная схема; б – структурная схема подключения к линиям.

Доступ к ЗЭ обеспечивается подачей напряжения 5 В (уровень логической единицы) на АЛ. При этом возможны режимы:

  1. запись информации
    • запись “0” – когда на разрядную линию РЛ подаётся логический 0. При этом транзистор VT 1 открыт через верхний эмиттер, в точке “а” (1,а) будет низкий потенциал, отличающийся от потенциала земли на величину падения напряжения на открытом транзисторе (порядка 0,4 В). Этот низкий потенциал поступает на базу VT 2 и закрывает его. Таким образом, через VT 2 ток не протекает, падения напряжения на сопротивлении R 2 нет, поэтому в точке “б” схемы будет потенциал, практически равный 5 В. Он подается на базу транзистора VT 1 и подтверждает его открытое состояние. Триггер пришёл в устойчивое состояние: VT 1 открыт, VT 2 закрыт. Это состояние принимается за нулевое ;
    • запись “1” – когда на разрядную линию РЛ подается логическая 1. Потенциалы обоих эмиттеров и коллектора транзистора VT 1 будут одинаковы и равны 5 В. Поэтому VT 1 закрыт, ток через него не протекает, падения напряжения на сопротивлении R 1 нет. Следовательно, потенциал точки “а” будет практически равен 5 В. Он подается на базу VT 2 и открывает его. Из-за разности потенциалов между 5 В на коллекторе VT 2 и 1,5 В на его верхнем эмиттере через открытый VT 2 протекает ток по цепи: 5 В, сопротивление R 2, коллектор, база, верхний эмиттер VT 2. Основная часть падения напряжения в этой цепи в силу малого сопротивления открытого транзистора VT 2 приходится на сопротивление R 2. Поэтому в точке “б” будет низкий потенциал. Он поступает на базу транзистора VT 1 и подтверждает его закрытое состояние. Таким образом триггер пришёл в другое устойчивое состояние: VT 1 закрыт, VT 2 открыт. Оно принимается за единичное.
  2. считывание информации – когда на РЛ подается промежуточный потенциал 1,5 В. Доступ к ЗЭ по-прежнему обеспечивается пода-чей на адресную линию логической 1. При этом возможны варианты:
    • чтение “0”. Если ЗЭ находился в состоянии логического 0 ( VT 1 был открыт, а VT 2 закрыт) по РЛ потечёт больший ток, который преобразуется с помощью схем обрамления и на выход схемы подаётся как потенциал логического нуля;
    • чтение “1”. Если же в предыдущий момент времени ЗЭ находился в состоянии логической 1 ( VT 2 был открыт, а VT 1 закрыт) по РЛ потечёт меньший ток, который преобразуется с помощью схем обрамления и на выход схемы подаётся как потенциал логической единицы.
  3. хранение информации – когда на Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) подаётся 0, а на РЛ уровень логической 1 независимо от подаваемого на информационный вход памяти уровня сигнала. При этом переключение триггера в новое состояние невозможно, поэтому ЗЭ сохраняет ранее записанную информацию. Её сохранение происходит сколь угодно долго (“статично”) при наличии электропитания в схеме. Отсюда и название данного типа ОЗУстатическое.

При потере и восстановлении питания состояние каждого ЗЭ непредсказуемо и определяется разбросом параметров транзисторов. Как правило, в управляющей программе предусматривается обнуление памяти.

§

Основой данного ЗЭ является n МОП-транзистор VT 1 (рис 2,а). Транзисторы VT 2 и VT 3 служат для обеспечения доступа к ЗЭ (его выбора) с помощью двух линий адреса: либо адресной линии записи Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , либо адресной линии считывания Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) (рис. 2,б). Уровни логических сигналов те же, что и в предыдущем случае.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рис. 2. Запоминающий элемент динамического ОЗУ на МОП-транзисторах: а – принципиальная схема; б – структурная схема подключения к линиям.
 

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Возможны следующие состояния схемы:

  1. запись информации обеспечивается подачей на адресную линию записи АЛзап логической единицы. При этом в транзисторе VT 2 образуется n -канал между стоком и истоком. Тогда потенциалы истока и стока VT 2 отличаются между собой на маленькую (порядка 0,2 В) величину падения напряжения открытого транзистора. В это же время на адресную линию считывания АЛсч должен подаваться сигнал логического нуля для изоляции VT 1 от разрядной линии считывания Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . При этом возможны два случая:
  2. Чтение информации обеспечивается подачей на адресную линию чтения Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) логической единицы. В этом случае Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) -канал между стоком и истоком образуется в транзисторе VT 3. В это же время на адресную линию записи Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) должен подаваться сигнал логического нуля для изоляции VT 1 от разрядной линии записи Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Тогда в силу того, что потенциалы истока и стока транзистора VT 3 практически одинаковы, состояние на разрядной линии считывания Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) определяется состоянием схемы в предыдущий момент времени:
  3. Хранение информации обеспечивается комбинацией сигналов: Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . При этом VT 2 и VT 3 закрыты, конденсатор между затвором и подложкой VT 1 (в идеале) заряд не изменяет.

Поскольку в действительности токи утечки в VT 1 весьма существенны, для реальной работы данного ОЗУ нужно постоянно, через определенные промежутки времени (в пределах 2 миллисекунд) подпитывать конденсатор на транзисторе VT 1, компенсируя утечку заряда. Этот процесс называется регенерацией. Осуществляется он с помощью специальных схем, которые могут быть и внешними, и внутренними для БИС ОЗУ. Поскольку любая зависимость от времени в технической литературе носит название динамической, данное ОЗУ называется динамическим. Очевидно, что при потере электропитания информация теряется.

Альтернативное пояснение

В качестве запоминающего элемента в ячейке памяти динамического ОЗУ используется конденсатор небольшой емкости (рис. 3). При записи данных происходит отпирание транзистора VT1, и через его малое сопротивление осуществляется заряд (если необходимо запомнить 1) или разряд (если запоминается 0) конденсатора С от источника входного информационного сигнала DI. В режиме хранения транзистор VT1 заперт, и конденсатор медленно разряжается через входное сопротивление VT3 и высокое выходное сопротивление транзистора VT1. Если время хранения логической 1 больше 2–4 мс, то конденсатор С необходимо периодически подзаряжать, подключая его к источнику напряжения питания (элементы схемы регенерации на рисунке не показаны). Обычно в качестве конденсатора С используется входная емкость транзистора VT3, составляющая единицы пикофарад.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) Рис.3

Информация считывается при подаче логической 1 на затвор VT2. При этом транзистор VT2 открывается, и на сток транзистора VT3 подается напряжение питания. Если конденсатор С заряжен, то транзистор VT3 открывается и на выходе DO действует напряжение логического нуля. VT3 работает как транзисторный ключ, нагрузкой которого является транзистор VT2, поэтому он инвертирует входной сигнал. Если конденсатор С разряжен, то VT3 оказывается запертым и на линии DO действует логическая 1.

В DRAM требуется периодическое восстановление (регенерация) записанного состояния. В большинстве случаев современные СБИС динамической памяти имеют встроенные средства регенерации. DRAM позволяют реализовать большой объем памяти на кристалле.

См. также анимацию:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

10. (2.6) Организация flash-памяти. Принцип считывания и записи информации в ячейке флэш-памяти.

В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов – типичная ячейка флэш-памяти состоит всего-навсего из одного транзистора особой архитектуры. Ячейка флэш-памяти прекрасно масштабируется, что достигается не только благодаря успехам в миниатюризации размеров транзисторов, но и благодаря конструктивным находкам, позволяющим в одной ячейке флэш-памяти хранить несколько бит информации.

Флэш-память исторически происходит от ROM-памяти, но функционирует подобно RAM. Данные флэш хранит в ячейках памяти, похожих на ячейки в динамической RAM. В отличие от RAM, при отключении питания данные из флэш-памяти не пропадают. Это выгодно отличает флэш-память, однако замены памяти RAM не происходит из-за двух особенностей флэш-памяти: флэш работает существенно медленнее и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10 тыс. до 1 млн для разных типов).

Информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (от 20 до 100 лет) и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5–10 раз превышающие предельно допустимые для обычных жестких дисков).

Основное преимущество флэш-памяти перед жесткими дисками и носителями CD-ROM состоит в том, что флэш-память потребляет значительно (примерно в 10–20 и более раз) меньше энергии во время работы. В устройствах CD-ROM, жестких дисках, кассетах и других механических носителях информации бóльшая часть энергии уходит на приведение в движение механики этих устройств. Кроме того, флэш-память компактнее большинства других механических носителей.

Благодаря низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию, флэш-память идеально подходит для использования в качестве накопителя в таких портативных устройствах, как цифровые фото- и видеокамеры, сотовые телефоны, портативные компьютеры, MP3-плееры, цифровые диктофоны и т. п.

Ячейки флэш-памяти бывают как на одном, так и на двух транзисторах.

В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной областью («плавающим» затвором – floating gate), способной хранить заряд многие годы. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации. Принцип конструирования ячеек флэш-памяти представлен на рис. 1:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рис. 1 – Ячейка флэш-памяти

При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двух способов (зависит от типа ячейки): методом инжекции «горячих» электронов или методом туннелирования электронов. Стирание содержимого ячейки (снятие заряда с «плавающего» затвора) производится методом туннелирования.

Как правило, наличие заряда на транзисторе понимается как логический «0», а его отсутствие – как логическая «1».

Рассмотрим простейшую ячейку флэш-памяти на одном n-p-n транзисторе. Ячейки подобного типа чаще всего применялись в накопителях flash-памяти, а также в микросхемах EPROM.

Поведение транзистора зависит от количества электронов на «плавающем» затворе. «Плавающий» затвор играет ту же роль, что и конденсатор в DRAM, т. е. хранит запрограммированное значение.

Помещение заряда на «плавающий» затвор в такой ячейке производится методом инжекции «горячих» электронов (CHE – channel hot electrons), а снятие заряда осуществляется методом квантовомеханического туннелирования Фаулера-Нордхейма (Fowler-Nordheim, FN).

При чтении, в отсутствие заряда на «плавающем» затворе, под воздействием положительного поля на управляющем затворе образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток.

Наличие заряда на «плавающем» затворе меняет вольт-амперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает.

При программировании на сток и управляющий затвор подается высокое напряжение (причем на управляющий затвор напряжение подается приблизительно в два раза выше). «Горячие» электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольт-амперные характеристики транзистора. Такие электроны называют «горячими», поскольку они обладают высокой энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонкой пленкой диэлектрика.

При стирании высокое напряжение подается на исток. На управляющий затвор (опционально) подается высокое отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток.

Рис. 2. Принцип считывания информации в ячейке флэш-памяти

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Эффект туннелирования – один из эффектов, использующих волновые свойства электрона. Сам эффект заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой «толщины». Для наглядности представим себе структуру, состоящую из двух проводящих областей, разделенных тонким слоем диэлектрика (обедненная область).

Преодолеть этот слой обычным способом электрон не может – не хватает энергии. Но при создании определенных условий (соответствующее напряжение и т. п.) электрон проскакивает слой диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая ток.

Различия методов туннелирования Фаулера – Нордхейма (FN) и метода инжекции «горячих» электронов:

Ø Channel FN tunneling – не требует большого напряжения. Ячейки, использующие FN, могут быть меньше ячеек, использующих CHE.

Ø CHE injection (CHEI) – требует более высокого напряжения по сравнению с FN. Таким образом, для работы памяти требуется поддержка двойного питания.

Ø Программирование методом CHE осуществляется быстрее, чем методом FN.

Следует заметить, что кроме FN и CHE существуют другие методы программирования и стирания ячейки, которые успешно используются на практике, однако два описанных нами применяются чаще всего.

Процедуры стирания и записи сильно изнашивают ячейку флэш-памяти, поэтому в устройствах флэш-памяти помимо самой микросхемы памяти дополнительно используют специальную микросхему-контроллер, которая управляет процессом стирания-записи и обеспечивает равномерное использование различных ячеек памяти. Права, в последнее время все чаще производители устройств флэш-памяти такой контроллер не используют, что приводит к снижению надежности.

Кроме наиболее часто встречающихся ячеек с «плавающим» затвором существуют также ячейки на основе SONOS-транзисторов, которые не содержат плавающего затвора. SONOS-транзистор напоминает обычный МНОП (MNOS) транзистор. В SONOS-ячейках функцию «плавающего» затвора и окружающего его изолятора выполняет композитный диэлектрик ONO. Расшифровывается SONOS (Semiconductor Oxide Nitride Oxide Semiconductor) как Полупроводник-Диэлектрик-Нитрид-Диэлектрик-Полупроводник. Вместо давшего название этому типу ячейки нитрида в будущем планируется использовать поликристаллический кремний.

Многоуровневые ячейки

В последнее время многие компании проводят исследования микросхем флэш-памяти, в которых одна ячейка хранит не один, а два и более бит.

Такие ячейки называются многоуровневыми (в английском варианте MLC – Multi Level Cell). Флэш-память, в которой используются двухбитовые ячейки, уже анонсированы. Кроме того, уже известно, что в лабораторных условиях получены прототипы, хранящие 4 бита в одной ячейке. В настоящее время активно ведутся исследования, связанные с поиском предельного числа бит, которое способна хранить многоуровневая ячейка.

В технологии MLC используется аналоговая природа ячейки памяти. Как известно, обычная однобитная ячейка памяти может принимать два состояния – «0» или «1». Во флэш-памяти эти два состояния различаются по величине заряда, помещенного на «плавающий» затвор транзистора. В отличие от «обычной» флэш-памяти, MLC способна различать более двух величин зарядов, помещенных на «плавающий» затвор, и, соответственно, большее число состояний. При этом каждому состоянию в соответствие ставится определенная комбинация значений бит. Например, для того, чтобы емкость ячейки была равна двум битам, необходимо различать четыре уровня заряда.

Во время записи на «плавающий» затвор помещается количество заряда, соответствующее необходимому состоянию. От величины заряда на «плавающем» затворе зависит пороговое напряжение транзистора. Пороговое напряжение транзистора можно измерить при чтении и определить по нему записанное состояние, а значит и записанную последовательность бит.

Идеология построения MLC микросхем определяет их основное преимущество по сравнению с обычными микросхемами флэш-памяти: при равном размере микросхем и одинаковом техпроцессе «обычной» и MLC-памяти, последняя способна хранить больше информации (размер ячейки тот же, а количество хранимых в ней бит – больше).

К основным недостаткам MLC можно отнести следующие:

Ø снижается помехоустойчивость этих ячеек и, соответственно, надежность хранения по сравнению с однобитными ячейками. Это приводит к необходимости встраивать более сложный механизм коррекции ошибок, что в свою очередь приводит к усложнению схемы;

Ø быстродействие микросхем на основе MLC зачастую ниже, чем у микросхем на основе однобитных ячеек;

Ø поскольку компьютерная система целиком работает с двоичными цифровыми сигналами, необходимо разработать и встроить в устройство памяти специфические схемы чтения/записи многоуровневых ячеек.

11. (3.3) Усилители электрических сигналов. Классификация, основные характеристики усилителей. Операционные усилители.

Устройства, с помощью которых путем затраты небольшого количества электрической энергии управляют энергией существенно большей, называют усилителями. Усилитель предназначен для усиления мощности электрического сигнала, что достигается за счет энергии источников питания. Усилители находят широкое применение в различных областях науки и техники. В состав усилителя входят усилительный (активный) элемент, пассивные элементы и источник питания. Назначение усилительного элемента – преобразование электрической энергии источника питания в энергию усиливаемых сигналов. Активными элементами, с помощью которых осуществляется управление энергией источников питания, чаще всего являются транзисторы.

Усиливаемый сигнал, подаваемый на вход усилителя, осуществляет управление процессом преобразования этой энергии. В результате выходной сигнал является функцией входного сигнала. Мощность выходного сигнала за счет энергии источника питания во много раз больше мощности усиливаемого сигнала. Мощность усиленных сигналов выделяется в нагрузке, которую включают в выходную цепь усилителя. Пассивные элементы усилителя служат для обеспечения нужного режима работы усилительного элемента и для некоторых других целей.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) Усилитель можно представить в виде четырехполюсника 2 к входным зажимам которого подключен источник сигнала 1, а к выходным – нагрузка 3 (рисунок 1). Если один усилительный элемент усилителя не обеспечивает нужного усиления сигнала, используют несколько усилительных элементов, соединяя их между собой с помощью тех или иных элементов связи; резисторов, трансформаторов и др. Один усилительный элемент и отнесенные к нему элементы называют усилительным каскадом.

Классификация усилителей

Признаки классификации:

  • Характер входного сигнала.
  • Назначение.
  • Режим работы нелинейного активного элемента.
  • Тип активного элемента.
  • Полоса усиливаемых частот.

По характеру усиливаемых сигналов различают:

    • Усилители непрерывных сигналов. Здесь пренебрегают процессами установления. Основная характеристика – частотная передаточная.
    • Усилители импульсных сигналов. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя.

По назначению усилителя делятся на:

    • усилители напряжения,
    • усилители тока,
    • усилители мощности.

Все они усиливают мощность входного сигнала. Однако собственно усилители мощности должны и способны отдать в нагрузку заданную мощность при высоком коэффициенте полезного действия.

С точки зрения выбора режима работы активного элемента различают:

    • Режим слабого сигнала. Нелинейный активный элемент работает в квазилинейном режиме. Применяется в усилителях напряжения или тока.
    • Режим большого сигнала. Применяется в усилителях мощности.

По типу используемых активных элементов усилители делятся на ламповые; транзисторные; диодные; параметрические; СВЧ-усилители, работающие с помощью специальных СВЧ-приборов и др.

В зависимости от вида частотной передаточной характеристики усилителя и абсолютным значениям полосы частот различают:

    • Усилители постоянного тока (УПТ). Такое название обусловлено тем, что они способны усиливать очень медленные изменения сигналов (в том числе постоянные), т.е. рабочая полоса частот начинается от нулевой частоты до некоторой верхней граничной частоты. Величина верхней граничной частоты fв зависит от вида усиливаемых сигналов. Так, если УПТ используется в канале изображения телевизионной системы, то fв составляет 6 – 6,5 МГц , т.е. УПТ это, как правило, широкополосный усилитель.
    • Усилители низкой частоты (усилители звуковой частоты). Название условное, оно подчеркивает, что нижняя граничная частота лежит в области низких частот, несоизмеримо ниже верхней граничной частоты. Само значение верхней граничной частоты может быть разным: от единиц-десятков КГц до сотен МГц. АЧХ таких усилителей имеет вид:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

  • Усилители радиочастоты (полосовые усилители, усилители высокой частоты, избирательные усилители). АЧХ таких усилителей имеет вид:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Полоса частот усилителя значительно меньше средней частоты: Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

§

1. Коэффициенты передачи по напряжению, по току и по мощности в полосе пропускания.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Часто используют значения коэффициента передачи в децибеллах

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

2. Полоса пропускания усилителя по уровню половинной мощности ( Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) по амплитуде) 2D f0,7, нижняя и верхняя граничные частоты: fн , fв .

3. Входное сопротивление – сопротивление между входными зажимами усилителя при подключенной нагрузке.

4. Выходное сопротивление усилителя – сопротивление между выходными зажимами вместе с известным сопротивлением источника сигнала.

5. КПД для усилителя мощности.

Важным свойством усилителя является неискаженная передача входного сигнала в нагрузку. Искажения сигналов в усилителе обусловлены двумя факторами:

1. Наличием в схеме усилителя реактивных элементов и межэлектродных ёмкостей в активном элементе , что приводит к так называемым частотным (линейным) искажениям сигналов. Различные частотные составляющие входного сигнала усиливаются по-разному, приводя к изменению формы сигнала. Линейные (амплитудные и фазовые) искажения определяются неравномерностью АЧХ и нелинейностью ФЧХ усилителя. Мерой амплитудных искажений является отношение коэффициента передачи усилителя на заданной частоте к коэффициенту передачи в полосе пропускания.

М=K(f)/Ko .

При М=1 амплитудные искажения отсутствуют, М>1 характеризует подъем АЧХ, М<1 характеризует спад АЧХ.

Нелинейность ФЧХ приводит к изменениям соотношений между фазами составляющих сигнала, и в конечном итоге к искажению формы сигнала. Частотные искажения называются линейными, т.к. они обусловлены линейными элементами схемы. Равномерность АЧХ и линейность ФЧХ усилителя в полосе сигнала характеризует передачу без искажений.

2. Наличие нелинейного элемента в усилителе приводит к появлению в спектре выходного сигнала составляющих с частотами, которых не было в исходном входном сигнале. Искажения, вызванные этими составляющими, называются нелинейными. Оценка нелинейных искажений производится по формуле

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ,

где Um,1 – амплитуда первой гармоники усиливаемого сигнала, Um,n – амплитуды высших гармонических составляющих сигнала на выходе усилителя.

Характеристикой, позволяющей выбрать режим работы с минимальными нелинейными искажениями, является амплитудная характеристика усилителя – зависимость амплитуды первой гармоники выходного сигнала от амплитуды гармонического сигнала на входе.
Примеры АХ:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Амплитуды входного сигнала Um,вх,minи Um,вх,max определяют динамический диапазон усилителя.

Для импульсных усилителей важной является переходная g(t) (или импульсная h(t)) характеристика усилителя. Это зависимость значения выходного напряжения от времени при скачкообразном изменении входного напряжения. При прохождении импульсного сигнала переходная характеристика позволяет оценить степень искажения сигнала на выходе. Типичный вид переходной характеристики УНЧ показан ниже.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Импульсная характеристика усилителя определяется как производная от переходной:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Она связана парой преобразований Фурье с частотной характеристикой усилителя:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Чем шире частотная характеристика, тем короче переходные процессы в усилителе; так нижняя граничная частота УНЧ отвечает за неискаженную передачу медленно меняющейся части усиливаемого сигнала (например, полочки в импульсе прямоугольной формы), а верхняя граничная частота – за неискаженную передачу быстро меняющейся части сигнала (например, фронтов прямоугольных импульсов).

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) При анализе электронных цепей в режиме малого сигнала усилитель представляют в виде линейного эквивалентного четырехполюсника (рис. 2.1), у которого Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) – соответственно входное и выходное сопротивления, а Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) – коэффициент усиления напряжения в режиме холостого хода (p – обобщенный оператор, принимающий частные значения в зависимости от типа преобразования). Если Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , то усилитель управляется напряжением, при обратном соотношении – током. Усилитель имеет потенциальный или токовый выход в зависимости от соотношения между выходным сопротивлением и сопротивлением нагрузки: Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) или Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . В общем случае усилитель характеризуется тремя коэффициентами усиления: напряжения Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , тока Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и мощности Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , которые можно выразить через параметры эквивалентной схемы:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) Поскольку параметры Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) зависят от p, их называют функциями: Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) – входная функция; Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) – выходная функция; Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) – передаточные функции. Если рассматриваются свойства усилителя в частотной области, то Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) – мнимая частота и передаточные функции имеют вид

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Зависимость модуля Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) от частоты Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), а зависимость аргумента Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) – фазочастотной характеристикой (ФЧХ). Общий вид этих характеристик показан на рис. 2.2. Кривые 1 относятся к усилителю постоянного тока (УПТ), у которого номинальный коэффициент усиления Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) определяется на частоте Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , а кривые 2 – к усилителю переменного тока (УПрТ), у которого Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) определяется в области средних частот, где фазовый сдвиг Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Отклонение Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) от горизонтальной прямой Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) харак­тери­зует частотные искажения, кото­рые оцениваются соответствующим коэффициентом Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Частоты, на которых коэффициент частотных искажений Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) равен определенной величине (чаще всего 0,707), называются граничными частотами полосы пропускания: Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) – нижняя граничная частота (у УПТ Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) = 0); Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) – верхняя граничная частота. Фазовые искажения харак­теризуются величиной отклонения реальной ФЧХ от касательной, проведенной к ней в точке, где Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Во временной области свойства усилителя описываются переходной характеристикой, являющейся реакцией усилителя на скачок входного напряжения (или тока): Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Общий вид изменения выходного напряжения Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) при скачкообразном изменении входного напряжения Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) от нуля до некоторого постоянного значения показан на рис. 2.3, где, как и на рис. 2.2, кривая 1 относится к УПТ, а кривая 2 – к УПрТ. Временные искажения в области малых времен характеризуются временем нарастания Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и временем установления Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , а в области больших времен (в усилителях переменного тока) – временем спада Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Время установления Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) отсчитывается до того момента, после которого выходное напряжение не будет выходить за пределы заданного коридора значений (обычно это 5…10 % от установившегося значения Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ). Аналитическое выражение переходной характери­стики получают путем обратного преобразования Лапласа произведения изображения единичного скачка и передаточной функции:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Кроме переходной характеристики к временным относится также импульсная характеристика Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Переходные искажения в области малых времен, как и частотные (фазовые) искажения в области верхних частот, вызываются паразитными ёмкостями схемы, межэлектродными ёмкостями полевых транзисторов, барьерной ёмкостью, а также инерционностью носителей в базе биполярных транзисторов. В усилителях переменного тока в качестве элементов межкаскадной связи используются разделительные конденсаторы, а для устранения местных отрицательных обратных связей по переменному току – блокирующие конденсаторы. Эти конденсаторы и являются причиной переходных искажений в области больших времен и частотных (фазовых) искажений в области нижних частот.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) Частные, фазовые и переходные искажения являются линейными, поскольку они вызваны наличием в схеме линейных реактивных элементов или их аналогов и не приводят к изменению формы гармонического сигнала. Нелинейные искажения в усилителе возникают при большом выходном сигнале из-за нелинейных свойств транзисторов и проявляются в нарушении пропорциональной зависимости между амплитудами выходного и входного сигналов ( Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) на рис. 2.4), а также в искажении формы гармонического сигнала, что приводит к появлению на выходе усилителя высших гармоник (2-й, 3-й и т.д.). Мерой нелинейных искажений гармонического сигнала служит коэффициент гармоник

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ,

где Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) – коэффициент κ-й гармоники; Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) – амплитуда первой (основной) гармоники; Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) – амплитуды высших гармоник. При вычислении Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) часто ограничиваются учетом только нескольких первых гармоник, поскольку амплитуды высших гармоник, как правило, резко убывают с ростом их номеров.

Строго говоря, амплитудная характеристика (рис. 2.4) начинается не из точки “0”, что связано с выходным напряжением дрейфа в усилителях постоянного тока и электрическими флуктуациями, т.е. с шумами. Шумовые свойства усилителя оцениваются коэффициентом шума

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ,
который показывает во сколько раз отношение мощностей сигнала ( Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ) и шума ( Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ) на выходе усилителя хуже (меньше) этого же отношения на его входе. Таким образом, для каждого усилителя существует вполне определенный диапазон амплитуд усиливаемых сигналов (от Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) до Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ), так называемый динамический диапазон

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ,
который, с одной стороны, ограничивается допустимым отношением сигнал/шум (и дрейфом нуля в УПТ), а с другой стороны – допустимым значением коэффициента гармоник. Параметр Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) измеряется в децибелах.

Усилитель постоянного тока

Усилителями постоянного тока (УПТ) называют такие приборы, которые могут усиливать медленно изменяющиеся электрические сигналы, т. е. они способны усиливать не только переменные, но и постоянные составляющие напряжения и тока. Низшая рабочая частота таких усилителей нулевая, а верхняя может быть любой, вплоть до очень высокой (несколько мегагерц).

Усилители постоянного тока – наиболее распространенный тип усилительных устройств в вычислительной технике. Они имеют много разновидностей (дифференциальные, операционные, усилители с преобразованием сигнала и др.). Амплитудно-частотная характеристика УПТ равномерна.

Исходя из назначения УПТ, связь между каскадами должна осуществляться таким образом, чтобы обеспечивалось прохождение постоянной составляющей, поэтому для межкаскадной связи нельзя использовать конденсаторы и трансформаторы. Усилители не должны содержать также блокировочных и разделительных конденсаторов. Связь между каскадами осуществляется или через резисторы, или непосредственно с помощью соединительных проводников (гальваническая межкаскадная связь).

В УПТ необходимо обеспечить условие, чтобы в отсутствие входного сигнала на выходе отсутствовали как переменная, так и постоянная составляющие сигнала, иначе нарушится пропорциональность между входным и выходным напряжениями. Однако если не будут приняты соответствующие меры, это требование в УПТ не будет соблюдаться. Отклонение напряжения на выходе усилителя от начального (нулевого) значения в отсутствие сигнала называется дрейфом усилителя.

Основными причинами дрейфа являются температурная и временная нестабильность параметров усилительных элементов, резисторов и источников питания, а также низкочастотные шумы и помехи. Дрейф нуля искажает усиливаемые сигналы, может нарушить работу цепи настолько, что она будет неработоспособна.

Для компенсации дрейфа нуля, возникающего за счет изменения температуры, применяют специальные термокомпенсационные схемы, а на входе усилителя – дифференциальные каскады. Иногда усилитель предварительно прогревают, чтобы все его элементы к началу работы имели постоянную температуру, реже – термостатируют. Для исключения дрейфа, являющегося следствием нестабильности источников питания, последние стабилизируют с помощью электронных, магнитных и других стабилизаторов.

УПТ не содержат элементов, которые не поддаются микромииатюризации, поэтому в основном выполняются в виде гибридных и полупроводниковых интегральных микросхем. Усилители могут быть однотактными и двухтактными (дифференциальными). В настоящее время усилители постоянного тока выполняют по дифференциальной схеме.

Дифференциальный усилитель

По структуре дифференциальные усилители (ДУ) являются усилителями постоянного тока. В микроэлектронике они являются одним из универсальных элементов линейных интегральных микросхем. Другое название их – параллельно-балансные каскады Их используют с целью обеспечения значительного снижения дрейфа нуля в усилителях постоянного тока.

Принцип работы балансной схемы можно пояснить на примере четырехплечевого моста, показанного на рисунке 2.5. Если выполняется условие R1/R2=R3/R4, т.е. мост сбалансирован, то в нагрузочном сопротивлении RH ток равен нулю. Баланс не нарушится и в том случае, если будут изменяться напряжение Е и сопротивления резисторов плеч моста, но при условии, что соотношение между сопротивлениями резисторов сохраняется.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) Рис. 2.5

Операционные усилители

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель постоянного тока с дифференциальным входным каскадом, с очень высоким и стабильным коэффициентом усиления (от 1000 до 100000), широкой полосой пропускания (fв = 10 ÷ 100 МГц), высоким входным сопротивлением (Rвх >10 кОм), малым выходным сопротивлением (Rвых < 100 Ом), малым дрейфом нуля, высоким коэффициентом подавления синфазных сигналов, несимметричным выходом.

Таким образом, под термином «операционный усилитель» понимают высококачественный универсальный усилитель.

Условное обозначение ОУ показано на рисунке 2.6 а, а его амплитудная характеристика – на рисунке 2.6 б. Вход 1, обозначенный знаком плюс на рисунке 2.6 а, называют неинвертирующим (прямым), так как сигнал на выходе и CИГНАЛ на этом входе имеют одинаковую полярность. Вход 2, обозначенный знаком «–», называют инвертирующим, так как сигнал на выходе по отношению к сигналу на этом входе имеет противоположную полярность. На рисунке 2.6 в показана принципиальная схема ОУ.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) Рис. 2.6

Питание осуществляется от двух последовательно включенных источников, напряжения которых одинаковы, но знаки относительно заземленной точки разные. Этим обеспечивается нулевой сигнал на выходе в отсутствие входного сигнала и возможность получить выходной сигнал или положительной, или отрицательной полярности. Сигнал можно подавать от симметричного источника сигнала, соединенного с общим проводом, на вход 1 – вход 2 либо от двух отдельных источников, один из которых подключают к инвертирующему входу и общему проводу, Другой – к неинвертирующему и общему проводу. Часто сигнал подают на неинвертирующий вход, а через инвертирующий вход ОУ охватывают глубокой ОС. В этом случае можно получать устройства с различными свойствами, которые будут определяться параметрами цепи ОС. С помощью такого ОУ можно осуществлять математические операции (умножение, интегрирование, дифференцирование, сравнение и др. отсюда название этих усилителей – операционные).

На рис.2.7 дано ещё одно схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. В дальнейшем будем, при необходимости, обозначать неинвертирующий вход буквой p (positive – положительный), а инвертирующий – буквой n (negative – отрицательный). Выходное напряжение Uвых находится в одной фазе с разностью входных напряжений:

Uвых = U1 – U2

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) Рис. 2.7

Рис. 1. Обозначение ОУ

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двухполярное питающее напряжение. Для этого нужно предусмотреть два источника постоянного тока, которые, как это показано на рис. 1, подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ. Обычно интегральные операционные усилители работают с напряжением питания /-15 В. В дальнейшем, рассматривая схемы на ОУ, мы, как правило, не будем указывать выводы питания.

Наконец, очень важное обстоятельство: операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.

Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется рис. 2.8.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рис. 2.8. Принцип отрицательной обратной связи

Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной связи ко входу усилителя. Если, как это показано на рис. 2, напряжение обратной связи вычитается из входного напряжения, обратная связь называется отрицательной.

Для физического анализа схемы, представленной на рис. 2, допустим, что входное напряжение изменилось от нуля до некоторого положительного значения Uвх. В первый момент выходное напряжение Uвых, а следовательно, и напряжение обратной связи bUвых также равны нулю. При этом напряжение, приложенное ко входу операционного усилителя, составит Uд = Uвх. Так как это напряжение усиливается усилителем с большим коэффициентом усиления KU, то величина Uвых быстро возрастет до некоторого положительного значения и вместе с ней возрастет также величина bUвых. Это приведет к уменьшению напряжения Uд, приложенного ко входу усилителя. Тот факт, что выходное напряжение воздействует на входное напряжение, причем так, что это влияние направлено в сторону, противоположную изменениям входной величины и есть проявление отрицательной обратной связи. После достижения устойчивого состояния выходное напряжение ОУ

Uвых =KUUд =KU(Uвх – bUвых).

Решив это уравнение относительно Uвых, получим:

K=Uвых /Uвх =KU/(1 bKU) (1)

При bKU >> 1 коэффициент усиления ОУ, охваченного обратной связью составит

K ≈1/b (2)

Таким образом, из этого соотношения следует, что коэффициент усиления ОУ с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и мало зависит от параметров самого усилителя. В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения. При этом схема с ОУ работает как линейный усилитель, коэффициент усиления которого определяется только коэффициентом ослабления цепи обратной связи. Если в качестве цепи обратной связи применяется RC-цепь, то образуется активный фильтр. Наконец, включение в цепь обратной связи ОУ диодов и транзисторов позволяет реализовать нелинейные преобразования сигналов с высокой точностью.

Типовая схема ОУ показана на рисунке 2.9. В ней имеется два дифференциальных каскада. Один – на транзисторах Т1 И Т2, другой – на транзисторах Т3 и Т4 (каскады предварительного усиления); переходный однотактный каскад на транзисторе Т5, и выходной каскад (мощный) на транзисторах T6 и Т7 , выполненный по схеме эмиттерного повторителя с дополнительной симметрией. Диоды играют роль нелинейных сопротивлений, обеспечивающих температурную стабильность.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) Рис. 2.9

Многообразие функций, которые можно выполнять ОУ, сделало его основным универсальным устройством аналоговых (линейных) интегральных микросхем.

По размерам и цене операционные усилители практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому операционные усилители почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем (“кирпичиков”) во многих областях аналоговой схемотехники.

12. (1.4) Источники вторичного питания. Выпрямители. Сглаживающие фильтры. Стабилизация напряжения и тока.

§

Источники вторичного питания предназначены для создания напряжений и токов, необходимых для питания радиоэлектронной аппаратуры. Они обеспечивают допустимый уровень переменных составляющих в выходном постоянном напряжении, стабильность выходного напряжения (или тока) при изменении напряжения сети или тока нагрузки, заданную экономичность, устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям выходных зажимов, работоспособность в заданном диапазоне температур.

Функциональная схема источника питания показана на рисунке 1.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Трансформатор Т служит для преобразования переменного напряжения U1 сети в необходимое напряжение U2 и для гальванической развязки источника питания от сети. Выпрямитель В, состоящий из выпрямительных диодов, преобразует переменное напряжение U в постоянное пульсирующее напряжение U3, а сглаживающий фильтр СФ преобразует его в постоянное напряжение U4 с небольшими пульсациями. Напряжение U4 может быть использовано для питания каскадов аппаратуры, нормально работающих и при пульсациях (например, оконечных каскадов усилителей мощности звуковой частоты). Стабилизатор напряжения СН предназначен для окончательного сглаживания пульсаций, а также создания напряжения U которое мало зависит от напряжения U1 сети и тока IH нагрузки.

Выпрямители

Выпрямители – это устройства, предназначенные для преобразования переменных напряжений (токов) в постоянные напряжения (токи). В схеме однополупериодного выпрямления (рисунок 2 а, б) в течение первого полупериода (полярность напряжения U2, вторичной обмотки трансформатора Т указана без скобок) ток нагрузки Iн проходит по цепи: вывод 1 трансформатора Т, диод VD, резистор Rн, вывод 2. При этом на нагрузке появляется синусоидальный импульс напряжения URH (рисунок 2 б), а на диоде VD – малое прямое напряжение Uпр (рисунок 2 г). В течение следующего полупериода (полярность напряжения указана в скобках) в цепи нагрузки протекает малый обратный ток Iобр диода VD, максимальное обратное напряжение на котором будет равно амплитуде вторичного напряжения U2m.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Так как при однополупериодном выпрямлении выходное напряжение один раз за период достигает максимального значения, частота его пульсаций равна частоте сети. Такую схему выпрямления имеют, например, слаботочные высоковольтные выпрямители, служащие для питания анодов электронно-лучевых трубок.

В схеме двухполупериодного выпрямления с нулевым выводом (рисунок 3 а), временные диаграммы которой показаны на рисунке 3 б, в, г, д, е, в первый полупериод в точке 1 относительно точки 2 действует положительное напряжение, а в точке 3 – отрицательное. Вторичную обмотку трансформатора Т выполняют так, чтобы в точках 1 и 3 были одинаковые, но противофазные относительно точки 2 напряжения. U’2 и U”2– Напряжение U’2 вызывает ток I1, который протекает по цепи: точка 1, диод VD1, резистор RН, точка 2 (т.е. ток в нагрузку поступает с верхней половины вторичной обмотки трансформатора Т). Ток I1 создает на резисторе RH падение напряжения URH, полярность которого указана, а амплитуда равна амплитуде напряжения U2m между точками 1 и 2. В течение этого полупериода диод VD2 закрыт напряжением, действующим между точками 1 и 3, максимальное значение которого равно амплитудному значению напряжения на всей вторичной обмотке трансформатора или двойной его амплитуде 2U2m на ее половине. При этом на проводящем ток в течение всего полупериода диоде VD1 образуется небольшое прямое падение напряжения U .

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

В следующий полупериод диод VD2 начинает проводить ток по цепи: точка 3, диод VD2, резистор RH, точка 2. При этом на нагрузке появляется синусоидальный импульс напряжения той же полярности, что и в первый полупериод. Диод VD1 в течение второго полупериода закрыт. Таким образом, диоды поочередно проводят ток в нагрузку.

Частота пульсаций выходного напряжения при двухполупериодном выпрямлении равна удвоенной частоте напряжения сети, так как за один период ток нагрузки дважды достигает максимума. Такую схему выпрямления используют в сильноточных низковольтных выпрямителях.

Читайте также:  Установка сертификата ЭЦП на компьютер: с флешки в реестр, с чего начать

Сглаживающие фильтры

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения до необходимого уровня. Оценивают выпрямленное напряжение коэффициентом пульсаций kп – отношением амплитуды первой гармоники U

1m

, к среднему выходному напряжению Ucp, т.е.

kп= U1m/Ucp.

Обычно kп определяют как отношение половины размаха пульсаций ∆U (рисунок 4) к среднему выходному напряжению Ucp , т.e.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) (1)

Сглаживание пульсаций оценивают коэффициентом сглаживания kсгл, который показывает, во сколько раз коэффициент пульсаций kпвых на выходе фильтра меньше коэффициента пульсаций kпвх на его входе, т.е. kсгл = kпвх / kпвых (2)

Индуктивный фильтр

Индуктивный сглаживающий фильтр (рисунок 5 а) представляет собой катушку индуктивности L (дроссель), активное сопротивление которой RДP (рисунок 5 б) постоянному току I невелико и значительно меньше сопротивления нагрузки RН. Поэтому напряжение на нагрузке URH близко по значению постоянной составляющей U= входного напряжения Uвх.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Для переменной составляющей тока I= реактивное сопротивление ХДР значительно больше сопротивлений Rдр и Rн, поэтому основное падение напряжения, вызванное током I приходится на катушку индуктивности, а на нагрузке переменное напряжение невелико.

Коэффициент сглаживания такого фильтра может быть определен как:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) (3)

Для улучшения сглаживания выбирают схему выпрямления с наибольшей частотой пульсаций fп индуктивность катушки L должна быть по возможности большей, а ее активное сопротивление RДP – малым.

Индуктивные сглаживающие фильтры применяют в сильноточных выпрямителях.

Мкостной фильтр

Ёмкостной фильтр (рисунок 5.6 а) представляет собой конденсатор Сф, сопротивление которого переменному току значительно меньше сопротивления нагрузки RH. Поэтому общее сопротивление параллельно включенных конденсатора Сф и нагрузки RH оказывается значительно меньше сопротивлений диодов и обмотки трансформатора, являющихся внутренним сопротивлением выпрямителя. Падение напряжения, вызываемое переменной составляющей выпрямленного тока, происходит в основном на внутреннем сопротивлении выпрямителя и лишь незначительное переменное напряжение пульсаций выделяется на нагрузке RH. Сглаживание пульсаций тем лучше, чем больше ёмкость конденсатора Сф и сопротивление нагрузки RH. Ёмкостные фильтры широко используются в источниках питания.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Индуктивно-ёмкостной фильтр

Индуктивно-ёмкостной (LC) фильтр (рисунок 5.6 б) состоит из катушки индуктивности Lф и конденсатора Сф. Коэффициент сглаживания LC-фильтра определяется:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) (4)

LC-фильтры обладают лучшими по сравнению с другими фильтрами параметрами, но громоздки и довольно дороги. Эти фильтры применяют в выпрямителях, предназначенных для питания выходных каскадов мощных передатчиков на электронных лампах, а также в тиристорных выпрямителях, так как тиристоры могут работать только на индуктивную нагрузку и выходят из строя, если первый элемент сглаживающего фильтра – конденсатор.

Резистивно-ёмкостной фильтр

Резистивно-ёмкостной (RC) фильтр (рисунок 6 в) состоит из резистора Rф и конденсатора Сф.

Коэффициент сглаживания RC-фильтра:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) (5)

Для увеличения kcгл номиналы резистора Rф и конденсатора Сф должны быть как можно большими, а схема выпрямления иметь наибольшую частоту пульсаций. Однако чрезмерное увеличение сопротивления резистора Rф уменьшает выходное напряжение и КПД фильтра, т.к. на резисторе Rф рассеивается слишком большая мощность, поэтому его сопротивление рассчитывают по формуле:

Rф =(0,15 ÷ 0,5)Rн. (6)

RС-фильтры просты по конструкции, сравнительно дешевы и применяются в маломощных источниках питания, имеющих ток нагрузки несколько десятков миллиампер.

§

Стабилизатор – электронное устройство, предназначенное для стабилизации напряжения (тока) в цепи вторичного электропитания Стабилизированные источники питания в основном применяют в радиоэлектронных устройствах, выполненных на транзисторах интегральных микросхемах, так как для их работы необходимы постоянные и независимые питающие напряжения и токи. Кроме тoго, стабилизаторы напряжения защищают эти устройства от кратковременных бросков напряжения сети, предохраняя от перенапряжений транзисторы и микросхемы. Одновременно стабилизаторы сглаживают пульсации выпрямленного напряжения, т. е. ведут себя как активные сглаживающие фильтры.

Стабилизатор напряжения

Стабильность выходного напряжения оценивают коэффициентом стабилизации:

kст = (∆Uвx / ∆Uвых)⋅(Uвыx / Uвx), (7)

где ∆Uвх – изменение входного напряжения;

∆Uвых – изменение выходного напряжения, вызванное изменением входного.

В параметрических стабилизаторах напряжения (рисунок 7) используется малая зависимость напряжения стабилитрона от проходящего через него тока (см. ВАХ стабилитрона).

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

При этом входное напряжение Uвх распределяется между ограничивающим резистором Rогр и параллельно включенными стабилитроном VD и резистором нагрузки RH. Схему стабилизатора рассчитывают так, чтобы при полных изменениях напряжения Uвх режим стабилитрона соответствовал рабочему участку. В этом случае напряжение на нагрузке изменяется не более чем на малую величину δUст, т.е. будет стабильным. При импульсном изменении нагрузки параллельно стабилитрону включают конденсатор С (см. рисунок 7), зарядом которого поддерживается выходное напряжение в моменты увеличения нагрузки.

Параметрический стабилизатор имеет kст порядка 20-30. Больший kст получают последовательным включением двух параметрических стабилизаторов, но в этом случае недопустимо мал КПД. Параметрические стабилизаторы применяют в качестве вспомогательных опорных источников напряжения в стабилизаторах напряжения и тока других типов, а также когда ток нагрузки невелик – несколько миллиампер.

Компенсационные стабилизаторы напряжения бывают двух типов: с параллельным (рисунок 8) и последовательным (рисунок 9) регулирующими элементами.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

В схеме, показанной на рисунке 8, регулирующий элемент РЭ включен параллельно нагрузке Rн и его сопротивление задается выходным сигналом управляющего элемента УЭ, на вход которого для сравнения поступают выходные напряжения Uвыx и Uon соответственно стабилизатора и источника опорного напряжения ИОН (обычно это параметрический стабилизатор). При увеличении входного напряжения Uвх (или нагрузки RH) увеличивается выходное URH. Сигнал рассогласования UР = U – Uоп, усиливаемый управляющим элементом УЭ, уменьшает сопротивление РЭ. При этом токи I1 и Iо= I1 Iн увеличиваются, увеличивая падение напряжения U на балластном резисторе Rо частично компенсируя рост Uвx. При уменьшении входного напряжения происходит обратное: ток I1 и напряжение U уменьшаются, частично компенсируя уменьшение Uвx.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

В схеме, показанной на рисунке 5.9, регулирующий элемент включен последовательно нагрузке RН. При увеличении Uвx увеличиваются напряжение нагрузки U, сигнал рассогласование Uр = Uвых – Uоп и сопротивление регулирующего элемента РЭ. При этом напряжение UРЭ увеличивается, частично компенсируя рост U.

Компенсационный стабилизатор напряжения на транзисторах (рисунок 10) имеет цепь тока нагрузки, состоящую из двух участков коллектор-эмиттер регулирующего транзистора VT1 (так выполнен регулирующий элемент) и резистора нагрузки RH. Входное напряжение распределяется между этими участками цепи, т.е. Uвx = Uкэ1 U . Усилитель сигнала рассогласования выполнен на транзисторе VT2, на переход база – эмиттер которого поступает напряжение рассогласования:

Uр = αU – Uоп , (8)

где αU – напряжение базы, пропорциональное напряжению U нагрузки;

α = R4 / (R3 R4) – коэффициент пропорциональности.

Вырабатываемое параметрическим стабилизатором на стабилитроне VD опорное напряжение Uon не зависит от напряжения Uвx и тока нагрузки IН .

При подаче усиленного сигнала рассогласования UP на базу регулирующего транзистора VT1, потенциал эмиттера которого равен напряжению нагрузки URH , напряжение на эмиттерном переходе:

UБЭ1=UК2 – U . (9)

При увеличении входного напряжения напряжение нагрузки растет и увеличиваются напряжение базы αU и токи транзистора VT2. При этом уменьшаются напряжения Uк2 и Uбэ, и соответственно токи базы и эмиттера транзистора VT1. Это равноценно увеличению сопротивления промежутка коллектор-эмиттер транзистора VT1 и падения напряжения на нем, т.е. почти все приращение входного напряжения Uвх приходится на регулирующий транзистор.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

При уменьшении входного напряжения уменьшаются сопротивление промежутка коллектор-эмиттер транзистора VT1 и напряжение на этом транзисторе, а выходное напряжение остается неизменным. Коэффициент стабилизации компенсационных стабилизаторов напряжения достигает сотен и даже тысяч единиц. Эти стабилизаторы являются основными источниками питания радиоэлектронных устройств на транзисторах и микросхемах.

Стабилизатор тока

Для питания некоторых каскадов радиоэлектронной аппаратуры необходимы стабилизированные токи, значения которых не зависят от входных напряжений и сопротивлений нагрузки. Параметрический стабилизатор тока (рисунок 11 а) выполняется на транзисторе, включенном по схеме с ОБ.

Эмиттерный ток транзистора IЭ=Ucт/R1, поскольку обычно сопротивление резистора R1 значительно больше сопротивления, эмиттерного перехода. Т.к. ток коллектора
IК = Н21⋅Iэ = H21 ⋅ Uст /Rэ не зависит от сопротивления нагрузки и входного напряжения, данная схема является стабилизатором тока.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Компенсационный стабилизатор тока (рисунок 11 б) имеет схему, аналогичную схеме компенсационного стабилизатора напряжения. Отличие состоит лишь в том, что резистор нагрузки подключается вместо резистора R3.

В качестве источника опорного напряжения используется параметрический стабилизатор на низковольтном стабилитроне VD. Сопротивление эталонного резистора определяют по формуле:

RЭТ = (Uоп UбэVT2) / Iн . (10)

Поскольку все параметры в этой формуле стабильны и не зависят от входного напряжения и тока нагрузки, стабилен и ток нагрузки.

13. (2.5) Выпрямители переменного напряжения.

Выпрямители используются в блоках питания радиоэлектронных устройств и компьютеров для преобразования переменного напряжения в постоянное. Схема любого выпрямителя содержит 3 основных элемента:

· Силовой трансформатор – устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с аппаратурой.

· Выпрямительный элемент (вентиль), имеющий одностороннюю проводимость – для преобразования переменного напряжения в пульсирующее.

· Фильтр – для сглаживания пульсирующего напряжения.

Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков:

· по схеме выпрямления – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и др.

· По типу выпрямительного элемента – ламповые(кенотронные), полупроводниковые, газотронные и др.

· По величине выпрямленного напряжения – низкого напряжения и высокого.

· По назначению – для питания анодных цепей, цепей экранирующих сеток, цепей управляющих сеток, коллекторных цепей транзисторов, для зарядки аккумуляторов и др.

Основные характеристики выпрямителей:

Основными характеристиками выпрямителей являются:

· Номинальное напряжение постоянного тока – среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. Обычно указывается напряжение до фильтра U и напряжение после фильтра (или отдельных его звеньев – U. Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем устройств.

· Номинальный выпрямленный ток I – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей питаемых выпрямителем.

· Напряжение сети Uсети – напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети – 220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10 %.

· Пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.

· Частота пульсаций – частота наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для самой простой-однополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте питающей сети. Двухполупериодные, мостовые схемы и схемы удвоения напряжения дают пульсации, частота которых равна удвоенной частоте питающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз.

· Коэффициент пульсаций – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра (p %) и коэффициент пульсаций на выходе фильтра (p %). Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером нагрузки.

· Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) – отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра kс = p0/p. Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

· Колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя – изменение напряжения постоянного тока относительно номинального. При отсутствии стабилизаторов напряжения определяются отклонениями напряжения сети.

Схемы выпрямителей.

Выпрямители, применяемые для однофазной бытовой сети выполняются по 4 основным схемам: однополупериодной, двухполупериодной с нулевой точкой(или просто- двухполупериодной), двухполупериодной мостовой(или просто –мостовой, реже называется как “схема Греца”), и схема удвоения(умножения) напряжения(схема Латура). Для многофазных промышленных сетей применяются две разновидности схем: Однополупериодная многофазная и схема Ларионова.

Чаще всего используются трехфазные схемы выпрямителей.

Основные показатели, характеризующие схемы выпрямителей могут быть разбиты на 3 группы:

· Относящиеся ко всему выпрямителю в целом: U -напряжение постоянного тока до фильтра, I – среднее значение выпрямленного тока, p – коэффициент пульсаций на входе фильтра.

· Определяющие выбор выпрямительного элемента (вентиля): Uобр – обратное напряжение (напряжение на выпрямительном элементе(вентиле) в непроводящую часть периода), Iмакс – максимальный ток проходящий через выпрямительный элемент (вентиль) в проводящую часть периода.

· Определяющие выбор трансформатора: U2 – действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, I2 – действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора, Pтр – расчетная мощность трансформатора.

§

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

U2 – Напряжение на одной половине вторичной обмотки трансформатора

Uн – Напряжение на нагрузке.

Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

В этом выпрямителе используются два вентиля, имеющие общую нагрузку и две одинаковые вторичные обмотки трансформатора(или одну со средней точкой).

Практически схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, имеющих два разных источника и общую нагрузку. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку проходит с одной половины вторичной обмотки через один вентиль, в другом полупериоде – с другой половины обмотки, через другой вентиль.

Преимущество: Эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньше пульсации по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций может быть в 2 раза меньше.

Недостатки: Более сложная конструкция трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.

Мостовая схема выпрямителя.

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

U2 – Напряжение вторичной обмотки трансформатора

Uн – Напряжение на нагрузке.

Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

Основная особенность данной схемы – использование одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения.

При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Верхний вывод вторичной обмотки – вентиль V2 – верхний вывод нагрузки – нагрузка – нижний вывод нагрузки – вентиль V3 – нижний вывод вторичной обмотки – обмотка.

При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Нижний вывод вторичной обмотки – вентиль V4 – верхний вывод нагрузки – нагрузка – нижний вывод нагрузки – вентиль V1 – верхний вывод вторичной обмотки – обмотка.

Как мы видим, в обоих случаях направление тока через нагрузку (выделено курсивом) одинаково.

Преимущества: По сравнению с однополупериодной схемой мостовая схема имеет в 2 раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной мощности. По сравнению с двухполупериодной схемой мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций. Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых двух схемах.

Недостатки: Увеличение числа вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них.

Эта схема выпрямителя наиболее часто применяется в самых различных устройствах. На основе этой схемы, при наличии среднего вывода с вторичной обмотки трансформатора можно получить еще два варианта схем выпрямления:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

На левой схеме отвод от средины вторичной обмотки позволяет получить еще одно напряжение, меньше основного в 2 раза. Таким образом основное напряжение получается с мостовой схемы выпрямления, дополнительное – с двухполупериодной.

На правой схеме получается двуполярное напряжение амплитудой в 2 раза меньше чем получаемое в основной схеме. Оба напряжения получаются с помощью двуполупериодных схем выпрямления.

§

В схеме двухполупериодного выпрямителя со средней точкой вывода вторичной обмотки трансформатора, приведённой на рис. 3, диоды D1 и D2 работают поочередно.

В данный момент времени ток протекает через тот диод, у которого анод положителен относительно катода. Ток через нагрузку протекает в течение обоих полупериодов, но в одном направлении (на рис.3,а, сверху вниз). Так же как в однополупериодной схеме, выходное напряжение является пульсирующим с амплитудой U2m, но с частотой, вдвое большей частоты сети; это увеличивает постоянную составляющую в два раза по сравнению с однополупериодной схемой. Изменится в двухполупериодной схеме и величина максимального напряжения: Uобр = 2U2m

На практике широкое распространение получила мостовая схема выпрямителя (рис.1), в которой используется силовой трансформатор с обмоткой без средней точки и четыре диода. Переменное напряжение подводится к одной диагонали моста (диагональ АВ), а выпрямленное напряжение снимается с другой (диагональ БГ).

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)
Рис. 1. Двухполупериодная схема мостового выпрямителя

В мостовой схеме ток протекает в течение одного полупериода, когда потенциал точки А выше потенциала точки В, через последовательно соединённые диод D1, нагрузку Rн и диод D3, а в течении другого – через диод D2, нагрузку Rн и диод D4, т.к. в это время потенциал точки В выше потенциала точки А. Временные диаграммы мостовой схемы совпадают с диаграммами двухполупериодной схемы; лишь обратное напряжение на диодах будет вдвое меньше. В мостовой схеме выпрямителя Uобр = U2m

Добавим в схему конденсатор фильтра:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Приведённая схема позволяет получить однополярное напряжение с одной обмотки трансформатора

Схема удвоения напряжения.

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

U2 – Напряжение вторичной обмотки трансформатора

Uн – Напряжение на нагрузке.

Отличительной особенностью данной схемы является то, что в одном полупериоде переменного напряжения от вторичной обмотки трансформатора “заряжается” один конденсатор, а во втором полупериоде от той же обмотки – другой. Поскольку конденсаторы включены последовательно, то результирующее напряжение на обоих конденсаторах ( на нагрузке) в два раза выше, чем можно получить от той же вторичной обмотки в схеме с однополупериодным выпрямителем.

Преимущества: Вторичную обмотку трансформатора можно расчитывать на значительно меньшее напряжение.

Недостатки: Значительные токи через вентили выпрямителя, Уровень пульсаций значительно выше, чем в схемах двухполупериодных выпрямителей.

Эта же схема может использоваться еще в двух вариантах:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Левая схема предназначена для получения двух напряжений питания одной полярности, правая – для получения двуполярного напряжения с общей точкой.

Во втором варианте схемы характеристики выпрямителя соответствуют характеристикам однополупериодного выпрямителя.

14. (3.5) Устройство компьютерных блоков питания

Главное назначение компьютерных блоков питания — преобразование электрической энергии, поступающей из сети переменного тока, в энергию, пригодную для питания узлов компьютера. Блок питания преобразует сетевое переменное напряжение 220 В, 50 Гц (120 В, 60 Гц) в постоянные напряжения в 3,3, 5 и 12 В.

§

Компьютерный блок питания состоит из нескольких основных узлов (см. рис.1). При включении сетевое переменное напряжение подается на входной фильтр [1], в котором сглаживаются и подавляются пульсации и помехи. В дешевых блоках этот фильтр часто упрощен либо вообще отсутствует.

Далее напряжение попадает на инвертор сетевого напряжения [2]. В сети проходит переменный ток, который меняет потенциал 50 раз в секунду, т. е. с частотой 50 Гц. Инвертор же повышает эту частоту до десятков, а иногда и сотен килогерц, за счет чего габариты и масса основного преобразующего трансформатора сильно уменьшаются при сохранении полезной мощности. Для лучшего понимания данного решения представьте себе большое ведро, в котором за раз можно перенести 25 л воды, и маленькое ведерко емкостью 1 л, в котором можно перенести такой же объем за то же время, но воду придется носить в 25 раз быстрее.

Импульсный трансформатор [3] преобразовывает высоковольтное напряжение от инвертора в низковольтное. Благодаря высокой частоте преобразования мощность, которую можно передать через такой небольшой компонент, достигает 600–700 Вт. В дорогих БП встречаются два или даже три трансформатора.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рядом с основным трансформатором обычно имеются один или два меньших, которые служат для создания дежурного напряжения, присутствующего внутри блока питания и на материнской плате всегда, когда к БП подключена сетевая вилка. Этот узел вместе со специальным контроллером отмечен на рисунке цифрой [4].

Пониженное напряжение поступает на быстрые выпрямительные диодные сборки, установленные на мощном радиаторе [5]. Диоды, конденсаторы и дроссели сглаживают и выпрямляют высокочастотные пульсации, позволяя получить на выходе почти постоянное напряжение, которое идет далее на разъемы питания материнской платы и периферийных устройств.

В недорогих блоках применяется так называемая групповая стабилизация напряжений. Основной силовой дроссель [6] сглаживает только разницу между напряжениями 12 и 5 В. Подобным образом достигается экономия на количестве элементов в БП, но делается это за счет снижения качества стабилизации отдельных напряжений. Если возникает большая нагрузка на каком-то из каналов, напряжение на нем снижается. Схема коррекции в блоке питания, в свою очередь, повышает напряжение, стараясь компенсировать недостачу, но одновременно возрастает напряжение и на втором канале, который оказался малонагруженным. Налицо своеобразный эффект качелей. Отметим, что дорогие БП имеют выпрямительные цепи и силовые дроссели, полностью независимые для каждой из основных линий.

Кроме силовых узлов в блоке есть дополнительные – сигнальные. Это и контроллер регулировки оборотов вентиляторов, часто монтируемый на небольших дочерних платах [7], и схема контроля за напряжением и потребляемым током, выполненная на интегральной микросхеме [9]. Она же управляет работой системы защиты от коротких замыканий, перегрузки по мощности, перенапряжения или, наоборот, слишком низкого напряжения.

Кожух блока питания с установленным 120-миллиметровым вентилятором. Часто для формирования необходимого воздушного потока используются специальные вставки-направляющие

Зачастую мощные БП оснащены активным корректором коэффициента мощности. Старые модели таких блоков имели проблемы совместимости с недорогими источниками бесперебойного питания. В момент перехода подобного устройства на батареи напряжение на выходе снижалось, и корректор коэффициента мощности в БП интеллектуально переключался в режим питания от сети 110 В. Контроллер бесперебойного источника считал это перегрузкой по току и послушно выключался. Так вели себя многие модели недорогих ИБП мощностью до 1000 Вт. Современные блоки питания практически полностью лишены данной «особенности».

Многие БП предоставляют возможность отключать неиспользуемые разъемы, для этого на внутренней торцевой стенке монтируется плата с силовыми разъемами [8]. При правильном подходе к проектированию такой узел не влияет на электрические характеристики блока питания. Но бывает и наоборот, некачественные разъемы могут ухудшать контакт либо неверное подключение приводит к выходу комплектующих из строя.

Для подключения комплектующих к БП используется несколько стандартных типов штекеров: самый крупный из них – двухрядный – служит для питания материнской платы. Ранее устанавливались двадцатиконтактные разъемы, но современные системы имеют большую нагрузочную способность, и в результате штекер нового образца получил 24 проводника, причем часто добавочные 4 контакта отсоединяются от основного набора. Кроме силовых каналов нагрузки, на материнскую плату передаются сигналы управления (PS_ON#, PWR_OK), а также дополнительные линии ( 5Vsb, -12V). Включение проводится только при наличии на проводе PS_ON# нулевого напряжения. Поэтому, чтобы запустить блок без материнской платы, нужно замкнуть контакт 16 (зеленый провод) на любой из черных проводов («земля»). Исправный БП должен заработать, и все напряжения сразу же установятся в соответствии с характеристиками стандарта ATX. Сигнал PWR_OK служит для сообщения материнской плате о нормальном функционировании схем стабилизации БП. Напряжение 5Vsb используется для питания USB-устройств и чипсета в дежурном режиме (Standby) работы ПК, а -12 – для последовательных портов RS-232 на плате.

Стабилизатор процессора на материнской плате подключается отдельно и использует четырех- либо восьмиконтактный кабель, подающий напряжение 12 В. Питание мощных видеокарт с интерфейсом PCI-Express осуществляется по одному 6-контактному либо по двум разъемам для старших моделей. Существует также 8-контактная модификация данного штекера. Жесткие диски и накопители с интерфейсом SATA используют собственный тип контактов с напряжениями 5, 12 и 3,3 В. Для старых устройств подобного рода и дополнительной периферии имеется 4-контактный разъем питания с напряжениями 5 и 12 В (так называемый molex).

Основное потребление мощности всех современных систем, начиная с Socket 775, 754, 939 и более новых, приходится на линию 12 В. Процессоры могут нагружать данный канал токами до 10–15 А, а видеокарты до 20–25 А (особенно при разгоне). В итоге мощные игровые конфигурации с четырехъядерными CPU и несколькими графическими адаптерами запросто «съедают» 500–700 Вт. Материнские платы со всеми распаянными на РСВ контроллерами потребляют сравнительно мало (до 50 Вт), оперативная память довольствуется мощностью до 15–25 Вт для одной планки. А вот винчестеры, хоть они и неэнергоемкие (до 15 Вт), но требуют качественного питания. Чувствительные схемы управления головками и шпинделем легко выходят из строя при превышении напряжения 12 В либо при сильных пульсациях.

§

Как правило, для питания цифровых схем (системной платы, плат адаптеров и дисковых накопителей) используется на­пряжение 3,3 или 5 В, а для двигателей (дисководов и различных вентиляторов) — 12 В. Компьютер работает надежно только в том случае, если значения напряжения в этих цепях не выходят за установленные пределы.

Таблица Потребляемая мощность компонентов компьютера

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Если вы заглянете в паспорт типичного блока питания, то увидите, что блок вырабатывает не только положительные напряжения, но и отрицательные -5 и -12 В. На практике для питания всех компонентов системы (электронных схем и двигателей) достаточно положительных напряжений, в большинстве современных компьютеров отрицательные не используются.

Когда фирма Intel начала выпускать процессоры, для которых требовалось напряжение 3,3 В, источников питания с таким выходным напряжением еще не было. Поэтому изготовители сис­темных плат начали встраивать преобразователи напряжения, преобразовывающие напряже­ние 5 В в 3,3 В. Преобразователи напряжения также генерируют много теплоты, которая всегда нежелательна для персонального компьютера. Теперь есть источники питания и систем­ные платы, рассчитанные на 3,3 В, на таких платах преобразователь, который преобразовы­вает напряжения 5 В в 3,3 В не нужен.

Хотя напряжения -5 и -12 В подаются на системную плату через разъемы питания, для ее работы нужен только 5-вольтовый источник питания. Питание -5 В поступает на контакт В5 шины ISA, а на самой системной плате оно не используется. Это напряжение предназначалось для питания аналоговых схем в старых контроллерах накопителей на гибких дисках, поэтому оно и подведено к шине. В современных контроллерах напряжение -5 В не используется; оно сохраняется лишь как часть стандарта шины ISA. Блок питания в системе с шиной MCA (MicroChannel Architecture) не имеет сигнала-5 В. В подобных системах это напряжение не использу­ется, поскольку в них всегда устанавливаются новейшие контроллеры дисковода.

Напряжения 12 и -12 В на системной плате также не используются, а соответствующие цепи подключены к контактам В9 и В7 шины ISA. К ним могут подсоединяться схемы любых плат адаптеров, но чаще всего подключаются передатчики и приемники последовательных портов. Если последовательные порты смонтированы на самой системной плате, то для их питания могут использоваться напряжения -12 и 12 В. Нагрузка источников питания для схемы последовательных портов весьма незначительна Например, работающий одновремен­но на два порта сдвоенный асинхронный адаптер компьютеров PS/2 для выполнения опера­ций с портами потребляет всего 35 мА по цепи 12 В и 35 мА — по цепи -12 В.

В большинстве схем современных последовательных портов указанные напряжения не используются. Для их питания достаточно напряжения 5 В (или даже 3,3 В). Если в компью­тере установлены именно такие порты, значит, сигнал 12 В от блока питания не подается.

Напряжение 12 В предназначено, в основном, для питания двигателей дисковых накопи­телей. Источник питания по этой цепи должен обеспечивать большой выходной ток, особен­но в компьютерах с множеством отсеков для дисководов, например в корпусах типа Tower. Напряжение 12 В подается также на вентиляторы, которые, как правило, работают постоян­но. Обычно двигатель вентилятора потребляет от 100 до 250 мА, но в новых компьютерах это значение ниже 100 мА. В большинстве ПК вентиляторы работают от источника 12 В, но в портативных моделях для них используется напряжение 5 В (или даже 3,3 В).

Блок питания не только вырабатывает необходимое для работы узлов компьютера напря­жение, но и приостанавливает функционирование системы до тех пор, пока величины этого напряжения не достигнут значений, достаточных для нормальной работы. Иными словами, блок питания не позволит компьютеру работать при “нештатном” уровне напряжения пита­ния. В каждом блоке питания перед получением разрешения на запуск системы выполняется внутренняя проверка и тестирование выходного напряжения. После этого на системную пла­ту посылается специальный сигнал PowerjGood (питание в норме). Если такого сигнала не поступило, компьютер работать не будет. Напряжение сети может оказаться слишком высо­ким (или низким) для нормальной работы блока питания, и он может перегреться. В любом случае сигнал Power_Good исчезнет, что приведет либо к перезапуску, либо к полному от­ключению системы. Если ваш компьютер не подает признаков жизни при включении, но вен­тиляторы и двигатели накопителей работают, то, возможно, отсутствует сигнал Power_Good.

Столь радикальный способ защиты был предусмотрен фирмой IBM исходя из тех соображе­ний, что при перегрузке или перегреве блока питания его выходные напряжения могут выйти за допустимые пределы, и работать на таком компьютере будет невозможно. Иногда сигнал Power_Good используется для сброса вручную. Он подается на микросхему тактового генератора (8284 или 82284 в компьютерах PC/XT и AT). Эта микросхема управляет формированием такто­вых импульсов и вырабатывает сигнал начальной перезагрузки. Если сигнальную цепь PowerGood заземлить каким-либо переключателем, то генерация тактовых сигналов прекраща­ется и процессор останавливается. После размыкания переключателя вырабатывается кратко­временный сигнал начальной установки процессора и разрешается нормальное прохождение сигнала Power_Good. В результате выполняется аппаратная перезагрузка компьютера.

В компьютерах с более новыми форм-факторами системной платы, типа АТХ и LPX, пре­дусмотрен другой специальный сигнал. Этот сигнал, называемый PS_ON, может использо­ваться программным обеспечением для отключения источника питания (и, таким образом, всего компьютера). Сигнал PS_ON используется операционной системой, которая поддерживает стандарт Advanced Power Management {АРМ). Когда вы выбираете пункт Завершение работы меню Пуск, Windows полностью автоматически отключает ис­точник питания компьютера. Система без этой особенности только отображает сообщение о том, что можно выключить компьютер.

§

Структура многоколлекторного транзистора (МКТ) (рисунок 11.6 а) такая же, как и структура МЭТ, но используется она иначе. Здесь роль эмиттера выполняет эпитаксиальный n-слой, а коллекторами являются высоколегированные n -слои малых размеров. Поэтому МКТ можно рассматривать как МЭТ в инверсном режиме (рисунок 4.4 б, в).

Исходя из такого использования структуры, необходимо увеличивать коэффициент инжекции эмиттера. С этой цепью подложку n -типа располагают по возможности ближе к базовому слою. Будучи высоколегированной, она обеспечивает увеличение коэффициента инжекции.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

МКТ используют для создания логических схем с инжекционным питанием, называемых схемами И2Л (интегральная инжекционная логика).

Такие схемы нельзя выполнить на дискретных элементах. В общем случае схемы И2Л состоят из нескольких многоколлекторных n-р-n-транзисторов и многоколлекторного p-n-p-транзистора, выполняющего функции источника питания многоколлекторных транзисторов и называемого инжекторным.

Эмиттер инжекторного транзистора называют инжектором и обозначают И.

Схема из двух МКТ и одного двухколлекторного инжекторного транзистора показана на рисунке 7 а.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

На рисунке 7 б представлена структура этой схемы (И2Л).

Эпитаксиальный n-слой (вместе с подложкой n -типа) является эмиттером всех n-p-n-транзисторов, базой каждого МКТ является свой р-слой, а коллектором – малые n -слои. Инжекторный p-n-p-транзистор имеет отдельно выполненный в виде длинной р-полоски инжектор, его базой служит эпитаксиальный n-слой, а коллекторами – базовые р-слои многоколлекторных n-р-n-транзисторов. Таким образом, в схеме один и тот же слой выполняет две функции: является базой р-n-р- транзистора и коллективом n-р-n-транзистора, эмиттер n-р-n-транзистора является базой р-n-р-транзистора.

Полевые МДП-транзисторы.

В ИМС в основном применяют МДП-транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. В качестве диэлектрика обычно используют SiO2, тогда эти транзисторы называют МОП-транзисторами. Канал транзисторов может быть, и р-, и n-типа. По сравнению с ИМС на биполярных транзисторах ИМС на МОП-транзисторах технологически проще, так как при этом не требуется изоляции элементов, истоки и стоки смежных транзисторов разделены встречно включенными p-n-переходами.

Поэтому МДП-транзисторы можно располагать близко друг к другу, что обеспечивает большую плотность компоновки. МДП-транзисторы можно использовать и в качестве пассивных элементов ИМС, а также нагрузочных резисторов (при соответствующем включении). Все это позволяет создавать логические ИМС полностью на базе только МДП-структур.

Диоды.

Для создания диода нужно сформировать один р-n-переход. Но в биполярных ИМС основной структурой является транзисторная, поэтому диоды получают путем диодного включения транзисторов. Возможны пять вариантов таких включений (рисунок 8).

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

На рисунке обозначены подложки П, пунктиром показаны паразитные емкости, барьерные CЭбар и CКбар между соответствующими р-n-переходами, а также между коллектором и подложкой CКП . В первом варианте (а) используется p-n-переход эмиттер – база, p-n-переход коллектор-база замкнут; во втором варианте (б) используется p-n-переход коллектор-база, а эмиттер разомкнут, в третьем варианте (в) используется р-n-переход коллектор-база, а p-n-переход эмиттер-база замкнут; в четвертом варианте (г) используется p-n-переход коллектор-база, а эмиттер разомкнут; в пятом варианте (д) используются оба p-n-перехода, но эмиттер и коллектор соединены между собой так, что эмиттерный и коллекторный p-n-переходы включены параллельно. В каждом варианте включения параметры диодов разные. Первый вариант обеспечивает получение быстродействующих диодов, так как в этом случае накопление носителей заряда может происходить только в базовой области, которая очень тонкая, поэтому время восстановления обратного тока τВОС в этом варианте минимально. В других вариантах заряд накапливается не только в базе, но и в коллекторе (τВОС большое). Вследствие этого первый вариант используют в логических ИМС, где необходимо высокое быстродействие.

Резисторы.

В биполярных ИМС для создания резисторов используют одну из областей биполярной транзисторной структуры: эмиттер, базу или коллектор. Основу этих структур составляет один из слоев ИМС, получаемый методом диффузии. Отсюда название таких резисторов – диффузионные.

Диффузионные резисторы изолированы от остального объема полупроводника p-n-переходами. Полупроводниковые резисторы с большими значениями сопротивлений получают не диффузией, а методом ионной имплантации примесей. Такие резисторы называют ионно-легированными.

Резисторы получают также на основе различных вариантов МОП-структур Их используют в качестве нагрузочных резисторов в цифровых ИМС на основе МОП-транзисторов.

Конденсаторы.

В полупроводниковых биполярных ИМС применяют конденсаторы на основе p-n-переходов, смещенных в обратном направлении (диффузионные конденсаторы). Формирование конденсаторов производится в едином технологическом цикле одновременно с изготовлением транзисторов и диффузионных резисторов, что не требует дополнительных технологических операций для их изготовления.

Диэлектриком в таком конденсаторе служит область объемного заряда р-n-перехода. Условием работы конденсаторов является правильное включение напряжения смещения, так как принцип их работы основан на том, что барьерная емкость p-n-перехода проявляется при обратном смещении перехода и зависит от смещения. Диффузионные конденсаторы могут выполнять функции как постоянной, так и переменной емкостей.

Конденсаторы могут быть созданы и на основе МОП-транзисторов В качестве диэлектрика используют слой Si02. Одной обкладкой такого конденсатора служит слой металла – пленка алюминия, другой – сильнолегированная область полупроводника (n -слой). Индуктивные катушки и трансформаторы в полупроводниковых ИМС отсутствуют.

Элементы пленочных ИМС. Технология пленочных ИМ позволяет выполнить только пассивные элементы, в том числе и индуктивные катушки Резисторы, конденсаторы и индуктивные катушки изготовляют путем напыления или нанесения многослойных резистивных, проводящих и изолирующих пленок на поверхность подложки.

Пленочные ИМС в зависимости от способа нанесения и толщины пленок подразделяют на тонкопленочные (толщина пленок до 1-2 мкм) и толстопленочные (толщина пленок 10-20 мкм и выше). Так как все пленочные элементы располагают на диэлектрической подложке, отпадает необходимость в их изоляции. Расстояния между элементами сравнительно большие, подложка достаточна толстая, поэтому паразитные емкости практически отсутствуют.

Индуктивные катушки изготовляют путем напыления на подложку проводящих спиралей различной конфигурации. На рисунке 9 показана пленочная катушка индуктивности в виде прямоугольной спирали.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Транзистор Шоттки (рис. 3, г и 3, в) состоит из биполярного транзистора и диода Шоттки, включенного между базой и коллектором транзистора.

При создании диффузионного резистора (рис. 3, и) используется один из слоев биполярного транзистора: базовый ( Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ), коллекторный ( Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ) или эмиттерный ( Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ). Точность таких резисторов невысокая ( Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ), и они имеют большой температурный коэффициент: Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Если необходимо иметь резистор с сопротивлением больше 100 кОм, то используется сопротивление канала полевого транзистора (рис. 3,л) – это так называемый пинч-резистор; у него нелинейное сопротивление. Конденсаторы реализуются или в виде барьерных ёмкостей закрытых коллекторных переходов (на рис. 3,к показана структура неполярного конденсатора в виде двух встречновключенных p-n-переходов), или ёмкостей между затвором и каналом МДП-транзисторов (рис. 3,м). Барьерные ёмкости не превышают 100 пФ, имеют невысокую добротность (до 10) и точность ( Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ), тогда как МДП-ёмкости могут достигать нескольких тысяч пикофарад и имеют добротность до 100.

Наибольшая плотность упаковки (число элементов на площади в 1 мм2) достигается в микросхемах на основе МДП-транзисторов – до 100 тысяч, при этом число транзисторов на единой полупроводниковой подложке (степень интеграции) может доходить до 50 миллионов и более. Толщина подзатворного окисла кремния составляет 5 нм и менее (у МНОП-транзисторов 2 нм окисла и 50 нм нитрида кремния), а толщина окисла, разделяющего уровни металлизации, – 0,6…3 мкм.

§

Создание БИС (см. в таблице 1) характеризует новый этап в развитии микроэлектроники. Высокая степень интеграции в БИС может быть обеспечена увеличением плотности упаковки элементов. Функциональная сложность БИС связана с большим числом контактов, сложным рисунком и большой площадью металлизации, а также значительной площадью для изоляции элементов. Все это требует решения схемотехнических проблем, размещения базовых элементов.

Решение комплекса проблем – технологических, схемотехнических физических и других – привело к функциональной интеграции, то есть к интеграции элемента, иначе – к использованию одного и того же участка кристалла для выполнения нескольких функций. С этой целью совмещают пассивные элементы с базовыми или коллекторными элементами транзисторов; рабочие области диодов и транзисторов; области различных транзисторов с вертикальной и горизонтальной структурами. Кроме того, функциональная интеграция предусматривает новую организацию цепи питания. Типичным примером такой интеграции могут служить схемы И2Л.

В качестве активных элементов, на базе которых создают БИС, используют и биполярные транзисторы, и МДП-транзисторы. БИС одинакового функционального назначения на биполярных транзисторах обладают большими быстродействием и отношением быстродействия к потребляемой мощности, чем БИС на МДП-транзисторах. Однако использование МДП-транзисторов позволяет значительно увеличить степень интеграции.

Наиболее перспективными являются схемы с инжекционным питанием И2Л. Поскольку БИС представляют собой сложные ИМС, содержащие огромное число активных элементов, производство их может быть экономически оправдано только в случае массового выпуска. Для этого необходимо, чтобы БИС были универсальными.

Этапы производства ИМС

При производстве современных полупроводниковых микросхем используется 0,09-микронная технология. Перечислим основные технологические операции изготовления полупроводниковых интегральных схем.

1. Подготовительные операции: цилиндрический слиток кремния диаметром 80…200 мм разрезается на тонкие пластины толщиной 0,2…0,5 мм, после чего удаляется приповерхностный слой с нарушенной кристаллической решеткой путем механической обработки (шлифовки и полировки), а окончательно – путем химического травления.

2. Эпитаксия – процесс ориентированного наращивания кристаллической решетки кремния на монокристаллической пластине за счет осаждения слоев. Добавляя примеси, можно получить слои полупроводника с заданным типом проводимости. Операции проводятся в специальных печах при высокой температуре (около Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) C).

3. Диффузия – процесс внедрения примесей в пластину полупроводника. Проводится, как и эпитаксия, в специальных печах при высокой температуре.

4. Термическое окисление кремния применяется для получения диэлектрической пленки SiO2, выполняющей функцию защиты поверхности подложки и встроенных в нее элементов, функцию подзатворного диэлектрика в МДП-транзисторах или функцию маски, через окна которой производятся необходимые операции при создании элементов.

5. Комплекс фотолитографических операций включает в себя нанесение на окисленную пластину кремния тонкого слоя светочувствительной эмульсии (фоторезиста), засвечивание этого слоя через фотошаблон с рисунком элементов, проявление, закрепление фоторезиста, вскрытие необходимых окон на поверхности окиси кремния путем химического травления.

6. С целью создания соединений между элементами на диэлектрическую пленку со вскрытыми под выводы окнами наносится тонкий слой алюминия, который затем в ненужных местах удаляется с помощью фотолитографии. При многоуровневой металлизации для изоляции одного слоя межэлементных соединений от другого применяется напыление изоляционных пленок.

Гибридные интегральные схемы состоят из пленочных пассивных элементов (резисторов, конденсаторов) и активных компонентов в виде бескорпусных полупроводниковых микросхем, размещенных на единой диэлектрической подложке (ситалл, стекло, керамика) под одним защитным корпусом. Пленочные пассивные элементы по сравнению с полупроводниковыми имеют лучшие эксплуатационные свойства (большую точность, меньший температурный коэффициент, больший диапазон типономиналов). Пленки (резистивные, диэлектрические, проводящие) получают путем осаждения соответствующего материала из паровой или газовой фазы. Для резистивных пленок используется хром, нихром, тантал, металлокерамика; для диэлектрических пленок – моноокись кремния, окислы титана, титанад бария; для проводящих пленок – алюминий, медь, никель. Гибридная технология чаще всего применяется при создании прецизионных аналоговых микросхем и в мелкосерийном производстве. Гибридные ИС уступают полупроводниковым по плот­ности упаковки элементов.

В соответствии с принятой системой (ГОСТ 11073915-80) условное обозначение (маркировка) интегральных схем состоит, как и полупроводниковых приборов, из четырех элементов.

Элемент I представляет собой одну цифру, указывающую на конструктивно-технологическое исполнение: 1, 5, 7 – полупроводниковые; 2, 4, 6, 8 – гибридные; 3 – прочие.

Элемент II включает в себя две–три цифры и обозначает номер серии.

Элемент III состоит из двух букв и обозначает функциональную подгруппу и вид.

Элемент IV состоит из одной или нескольких цифр и указывает на порядковый номер разработки ИС в данной серии.

16. (1.6) Типы логики интегральных схем. Наиболее распространённые технологии построения логических элементов

Для современной схемотехники характерно широкое использование базисов И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Для их реализации логические элементы строят, как правило, из двух частей: части схемы, выполняющей операции И или ИЛИ(так называемой входной логики), и инвертора, выполняющего операцию НЕ. Входная логика может быть выполнена на различных полупроводниковых элементах: диодах, биполярных и полевых транзисторах. В зависимости от вида полупроводниковых элементов, применяемых для изготовления входной логики и инверторов, различают:

• ДТЛ— диодно-транзисторную логику;

• ТТЛ— транзисторно-транзисторную логику;

• ТТЛШ— ТТЛ с диодами Шоттки;

• ЭСЛ— эмиттерно-связанную логику;

• И2Л— интегральную инжекционную логику;

• КМОП— логику на комплементарных парах полевых транзисторов;

• ИСЛ(GaAs) — истоково-связанная логика с управляющим затвором Шоттки.

Наиболее широкое применение в настоящее время имеют базовые элементы ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ и КМОП.

§

имеют дополнительный вход V — вход разрешения (рисунок 3,а). При подаче на этот вход напряжения U0 транзистор VT5 открыт и насыщен, а транзисторы VT6 и VT7 закрыты и поэтому не влияют на работу логического элемента. В зависимости от комбинации сигналов на информационных входах на выходе ЛЭ может быть сигнал с уровнем «лог. 0» или «лог. 1». При подаче на вход V напряжения с уровнем «лог. 1» транзистор VT5 закрывается, а транзисторы VT6 и VT7 открываются, напряжение на базе транзистора VT3 уменьшается до уровня UБЭ.нас Uд, транзисторы VT2, VT3, VT4 закрываются и ЛЭ переходит в высокоимпедансное (третье) состояние, то есть отключается от нагрузки.

На рисунке 3,б показано УГО этого элемента. Значок ∇ указывает на то, что выход имеет три состояния. Значок E «Разрешение третьего состояния» указывает, что сигналом Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) =0 ЛЭ переводится в третье (высокоомное) состояние.

Для уменьшения помех по цепи питания в точках подключения к шинам групп ЛЭ устанавливают развязывающие керамические конденсаторы ёмкостью порядка 0,1 мкФ на один корпус. На каждой плате между цепью питания и общей шиной 1–2 электролитических конденсатора ёмкостью 4,7–10 мкФ.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рисунок 3 Логический элемент ТТЛ

И-НЕ с тремя выходными состояниями а) и его УГО б).

В таблице 1 приведены параметры некоторых серий ЛЭ ТТЛ.

ПАРАМЕТРЫ СЕРИИ
Универсальные Высокого быстродействия Микромощные
133, 155 К531 КР1531 К555 Кр1533
Входной ток IВХ, мА -1,6 -2,0 -0,6 -0,36 -0,2
Входной ток I1ВХ, мА 0,04 0,05 0,02 0,02 0,02
Выходное напряжение UВЫХ, В 0,4 0,5 0,5 0,5 0,4
Выходное напряжение U1ВЫХ, В 2,4 2,7 2,7 2,7 2,5
Коэффициент разветвления по выходу KРАЗ
Коэффициент объединения по входу KОБ
Время задержки распространения сигнала tЗАД.ср 4,8 3,8
Потребляемый ток, мА:
IПОТ (при UВЫХ) 10,2 4,4
I1ПОТ (при U1ВЫХ) 2,8 1,6 0,85
Допустимое напряжение помехи, В 0,4 0,3 0,3 0,3 0,4
Напряжение питания, В
Выходные токи, мА:
IВЫХ
I1ВЫХ -0,4 -1 -1 -0,4 -0,4
Средняя потребляемая мощность на элемент, мВт 1,2
Читайте также:  Программа для открытия домофонов на телефон - Всё о видеонаблюдении и сигнализациях

Эмиттерно-связанная логика

Основой эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) является быстродействующий переключатель тока (Рисунок 14,а). Он состоит из двух транзисторов, в коллекторную цепь которых включены резисторы нагрузки RК, а в цепь эмиттеров обоих транзисторов — общий резистор Rэ, по величине значительно больший Rк. На вход одного из транзисторов подаётся входной сигнал Uвх, а на вход другого — опорное напряжение Uоп. Схема симметрична, поэтому в исходном состоянии (Uвх=Uоп) и через оба транзистора протекают одинаковые токи. Через сопротивление Rэ протекает общий ток IО.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рисунок 4 Эмиттерно-связанная логика: а) переключатель тока;

б) упрощенная принципиальная схема

При увеличении Uвх ток через транзистор VT1 увеличивается, возрастает падение напряжения на сопротивлении Rэ, транзистор VT2 подзакрывается и ток через него уменьшается. При входном напряжении, равном уровню лог «1» (Uвх=U1), транзистор VT2 закрывается и весь ток протекает через транзистор VT1. Параметры схемы и ток I0 выбираются таким образом, чтобы транзистор VT1 в открытом состоянии работал в линейном режиме на границе области насыщения.

При уменьшении Uвх до уровня лог. «0» (Uвх=U), наоборот, транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 находится в линейном режиме на границе с областью насыщения.

В схеме ЭСЛ (Рисунок 4, б) параллельно транзистору VT1 включается ещё один или несколько транзисторов (в зависимости от коэффициента объединения по входу), которые составляют одно из плеч переключателя тока. К выходам ЛЭ для повышения нагрузочной способности подключены два эмиттерных повторителя VT4 и VT5.

При подаче на все входы или на один из них, например, первый, сигнала UВХ1=U1, транзистор VT1 открывается и через него протекает ток I, а транзистор VT3 закрывается.

UВЫХ1 = U1UБЭ.нас = U

UВЫХ2 = UПИТ – UБЭ.нас = U1

Таким образом, по первому выходу данная схема реализует логическую операцию ИЛИ-НЕ, а по второму — операцию ИЛИ. Нетрудно видеть, что пороговое напряжение UПОР=UОП, логический перепад ΔU=U1U=UБЭ.нас и помехоустойчивость схемыU ПОМ=UПОМ=0,5UБЭ.нас.

Входные токи элемента, а следовательно, и токи нагрузки ЭСЛ малы: IВХ≈0, ток I1ВХ равен базовому току транзистора, работающего на границе области насыщения, а не в области насыщения. Поэтому нагрузочная способность элемента велика и коэффициент разветвления достигает 20 и более.

Поскольку логический перепад невелик, то нестабильность напряжения источника питания существенно влияет на помехоустойчивость ЭСЛ. Для повышения помехоустойчивости в схемах ЭСЛ заземляют не отрицательный полюс источника питания, а положительный. Это делается для того, чтобы большая доля напряжения помехи падала на большом сопротивлении Rэ и только малая её доля попадала на входы схемы.

При совместном использовании ЛЭ ЭСЛ и ТТЛ между ними приходится включать специальные микросхемы, которые согласуют уровни логических сигналов. Их называют преобразователями уровней (ПУ).

Высокое быстродействие ЭСЛ обусловлено следующими основными факторами:

1. Открытые транзисторы не находятся в насыщении, поэтому исключается этап рассасывания неосновных носителей в базах.

2. Управление входными транзисторами осуществляется от эмиттерных повторителей предшествующих элементов, которые, имея малое выходное сопротивление, обеспечивают большой базовый ток и, следовательно, малое время открывания и закрывания входных и опорного транзисторов.

3. Малый логический перепад сокращает до минимума время перезарядки паразитных ёмкостей элемента.

Все эти факторы в комплексе обеспечивают малое время фронта и среза выходного напряжения элементов ЭСЛ.

Для ЭСЛ характерны следующие средние параметры: Uпит=–5В; U1=–(0,7–0,9)В; U=–(1,5–2)В; Д.ср=3–7 нс; Pпот=10–20 мВт.

Перспективными считаются серии К500 и К1500, причём серия К1500 относится к числу субнаносекундных и имеет время задержки распространения менее 1 нс. (Таблица 2).

Таблица 2. Параметры основных серий ЛЭ ЭСЛ

§

Комплементарный ключ состоит из двух МОП-транзисторов с каналами разного типа проводимости, входы которых соединены параллельно, а выходы последовательно (рисунок 12.9,а). При напряжении на затворах, больших порогового, для транзистора с каналом определённого типа соответствующий транзистор открыт, а другой закрыт. При напряжении противоположной полярности, открытый и закрытый транзисторы меняются местами.

ЛЭ на комплементарных ключах (КМОП) имеют ряд неоспоримых достоинств.

Они успешно работают при изменении в широких пределах напряжения источника питания (от 3 до 15 В), что недостижимо для ЛЭ, в состав которых входят резисторы.

В статическом режиме при большом сопротивлении нагрузки ЛЭ КМОП практически не потребляют мощности.

Для них также характерны: стабильность уровней выходного сигнала и малое его отличие от напряжения источника питания; высокое входное и малое выходное сопротивления; лёгкость согласования с микросхемами других технологий.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)Рисунок 9 Схемы логических элементов КМОП ТЛ: а) инвертор, б) ИЛИ-НЕ, в) И-НЕ.

Схема ЛЭ КМОП, выполняющего функцию 2ИЛИ-НЕ, приведена на рисунке 12.9,б. Транзисторы VT1 и VT3 имеют канал р-типа и открыты при напряжениях на затворах, близких к нулю. Транзисторы VT2 и VT4 имеют канал n-типа и открыты при напряжениях на затворах, больших порогового значения. Если на обоих или на одном из входов действует уровень лог. «1», то на выходе схемы будет сигнал лог. «0», что соответствует выполнению логической операции ИЛИ-НЕ.

Если группы ярусно и параллельно включённых транзисторов поменять местами, то будет реализован элемент, выполняющий функцию И-НЕ (рисунок 9,в). Он работает аналогично предыдущему. Транзисторы VT1 и VT3 имеют канал p-типа и открыты при напряжении на затворах, близких к нулю. Транзисторы VT2 и VT4 имеют канал n-типа и открыты при напряжениях на затворах, больших порогового значения. Если открыты оба эти транзистора, то на выходе будет установлен сигнал «лог. 0».

Таким образом, сочетание параллельного включения транзисторов с каналами p-типа электропроводности, и ярусного соединения транзисторов с каналами n-типа позволили реализовать функцию И-НЕ.

В ЛЭ КМОП очень просто реализуют элементы с тремя устойчивыми состояниями. Для этого последовательно с транзисторами инвертора включают два комплементарных транзистора VT1, VT4 (рисунок 10,а), управляемых инверсными сигналами Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рисунок 10 Инвертор с тремя выходными состояниями а); согласование ЛЭ ТТЛ с ЛЭ КМОП б).

Согласование ЛЭ ТТЛ с ЛЭ КМОП можно выполнить несколькими способами:

1) Питать ЛЭ КМОП малым напряжением ( 5 В), при которых сигналы ЛЭ ТТЛ переключают транзисторы ЛЭ КМОП;

2) Использовать ЛЭ ТТЛ с открытым коллектором, в цепь выхода которых включён резистор, подключенный к дополнительному источнику напряжения (рисунок 10,б).

При хранении и монтаже следует опасаться статического электричества. Поэтому при хранении выводы микросхем электрически замыкают между собой. Монтаж их производится при выключенном напряжении питания, причём обязательно использование браслетов, с помощью которых тело электромонтажников соединяется с землёй.

ЛЭ КМОП-серий широко применяются при построении экономичных цифровых устройств малого и среднего быстродействия.

Таблица 3. Параметры некоторых серий ЛЭ КМОП типа

Параметры серия
176, 561, 564
Напряжение питания UПИТ, В 3…15 2…6
Выходные напряжения, В:
низкого уровня UВЫХ <0,05 <0,1
высокого уровня U1ВЫХUПИТ–0,05UПИТ–0,01
Среднее время задержки сигнала, нс:
для UПИТ=5 В 3,5
для UПИТ=10 В
Допустимое напряжение помехи, В 0,3 UПИТ
Мощность, потребляемая в статическом режиме, мВт/корпус 0,1 0,1…0,5
Входное напряжение, В 0,5…(UПИТ 0,5 В) 0,5…(UПИТ 0,5 В)
Выходные токи, мА 1…2,6 >2,4
Мощность, потребляемая при частоте переключения f=1 МГц, UПИТ=10 В, Cн=50 пф, мВт/корпус
Тактовая частота, МГц

17. (1.5) Устройства сопряжения аналоговых и цифровых систем. Квантование, дискретизация, кодирование. Теорема Котельникова-Шеннона.

Типы сигналов

Выделяют следующие типы сигналов, которым соответствуют определенные формы их математического описания.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рис.1. Аналоговый сигнал.

Аналоговый сигнал (analog signal) является непрерывной или кусочно-непрерывной функцией y=x(t) непрерывного аргумента, т.е. как сама функция, так и ее аргумент могут принимать любые значения в пределах некоторого интервала y1 £ y £ y2, t1 £ t £ t2. Если интервалы значений сигнала или его независимых переменных не ограничиваются, то по умолчанию они принимаются равными от -¥ до ¥. Множество возможных значений сигнала образует континуум – непрерывное пространство, в котором любая сигнальная точка может быть определена с точностью до бесконечности.

Источниками аналоговых сигналов, как правило, являются физические процессы и явления, непрерывные в динамике своего развития во времени, в пространстве или по любой другой независимой переменной, при этом регистрируемый сигнал подобен (“аналогичен”) порождающему его процессу. Пример графического отображения сигнала приведен на рис.1. Примеры сигналов, аналоговых по своей природе – изменение напряженности электрического, магнитного, электромагнитного поля во времени и в пространстве.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рис.2. Дискретный сигнал

Дискретный сигнал (discrete signal) по своим значениям также является непрерывной функцией, но определенной только по дискретным значениям аргумента. По множеству своих значений он является конечным (счетным) и описывается дискретной последовательностью отсчетов (samples) y(nDt), где y1 £ y £ y2, Dt – интервал между отсчетами (интервал или шаг дискретизации, sample time), n = 0, 1, 2,…,N. Величина, обратная шагу дискретизации: f = 1/Dt, называется частотой дискретизации (sampling frequency). Если дискретный сигнал получен дискретизацией (sampling) аналогового сигнала, то он представляет собой последовательность отсчетов, значения которых в точности равны значениям исходного сигнала по координатам nDt.

Пример дискретизации аналогового сигнала (рис.1) представлен на рис.2. При Dt = const (равномерная дискретизация данных) дискретный сигнал можно описывать сокращенным обозначением y(n). В технической литературе в обозначениях дискретизированных функций иногда оставляют прежние индексы аргументов аналоговых функций, заключая их в квадратные скобки – y[t]. При неравномерной дискретизации сигнала обозначения дискретных последовательностей обычно заключаются в фигурные скобки – {s(ti)}, а значения отсчетов приводятся в виде таблиц с указанием значений координат ti. Для числовых последовательностей (равномерных и неравномерных) применяется и следующее числовое описание: s(ti) = {a1, a2, …, aN}, t = t1, t2, …,tN. Примеры дискретных геофизических сигналов – результаты вертикального электрического зондирования (дискретная величина разноса токовых электродов), профили геохимического опробования, и т.п.

Цифровой сигнал (digital signal) квантован по своим значениям и дискретен по аргументу. Он описывается квантованной решетчатой функцией yn = Qk[y(nDt)], где Qk – функция квантования с числом уровней квантования k, при этом интервалы квантования могут быть как с равномерным распределением, так и с неравномерным, например – логарифмическим. Задается цифровой сигнал, как правило, в виде дискретного ряда (discrete series) числовых данных – числового массива по последовательным значениям аргумента при Dt = const, но в общем случае сигнал может задаваться и в виде таблицы для произвольных значений аргумента.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рис. 3. Цифровой сигнал

По существу, цифровой сигнал по своим значениям (отсчетам) является формализованной разновидностью дискретного сигнала при округлении отсчетов последнего до определенного количества цифр, как это показано на рис.3. Цифровой сигнал конечен по множеству своих значений. Процесс преобразования бесконечных по значениям аналоговых отсчетов в конечное число цифровых значений называется квантованием по уровню, а возникающие при квантовании ошибки округления отсчетов (отбрасываемые значения) – шумами (noise) или ошибками (error) квантования (quantization).

В системах цифровой обработки данных и в ЭВМ сигнал всегда представлен с точностью до определенного количества разрядов, а, следовательно, всегда является цифровым. С учетом этих факторов при описании цифровых сигналов функция квантования обычно опускается (подразумевается равномерной по умолчанию), а для описания сигналов используются правила описания дискретных сигналов. Что касается формы обращения цифровых сигналов в системах хранения, передачи и обработки, то, как правило, они представляет собой комбинации коротких одно- или двуполярных импульсов одинаковой амплитуды, которыми в двоичном коде с определенным количеством числовых разрядов кодируются числовые последовательности сигналов (массивов данных).

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рис. 4. Дискретно-аналоговый сигнал

В принципе, квантованными по своим значениям могут быть и аналоговые сигналы, зарегистрированные соответствующей аппаратурой (рис.4), которые принято называть дискретно-аналоговыми. Но выделять эти сигналы в отдельный тип не имеет смысла – они остаются аналоговыми кусочно-непрерывными сигналами с шагом квантования, который определяется допустимой погрешностью измерений.

Большинство сигналов, с которыми приходится иметь дело при обработке геофизических данных, являются аналоговыми по своей природе, дискретизированными и квантованными в силу методических особенностей измерений или технических особенностей регистрации, т.е. преобразованными в цифровые сигналы. Но существуют и сигналы, которые изначально относятся к классу цифровых, как, например отсчеты количества гамма-квантов, зарегистрированных по последовательным интервалам времени.

Сигнал, значения которого отличны от нуля только на конечном интервале Т, называют финитным. Если спектральная функция X(f) сигналов (преобразование Фурье) обращается в нуль вне некоторого конечного интервала частот, то они называются сигналами с финитным спектром. Если сигнал X(t) определен только для значений аргумента t≥0, то он считается каузальным (причинным).

Преобразования типа сигналов.

Формы математического отображения сигналов, как правило, отражают их физическую природу. Однако последнее не является обязательным и зависит от методики измерений и технических средств детектирования, преобразования, передачи, хранения и обработки сигналов. На разных этапах процессов получения и обработки информации как материальное представление сигналов в устройствах регистрации и обработки, так и формы их математического описания при анализе данных, могут изменяться путем соответствующих операций преобразования типа сигналов.

Операция дискретизации (discretization) осуществляет преобразование аналоговых сигналов (функций), непрерывных по аргументу, в функции мгновенных значений сигналов по дискретному аргументу. Дискретизация обычно производится с постоянным шагом по аргументу (равномерная дискретизация), при этом s(t) Þ s(nDt), где значения s(nDt) представляют собой отсчеты функции s(t) в моменты времени t = nDt, n = 0, 1, 2,…, N. Частота, с которой выполняются замеры аналогового сигнала, называется частотой дискретизации. В общем случае, сетка отсчетов по аргументу может быть произвольной, как, например, s(t) Þ s(tk), k=1, 2, …, K, или задаваться по определенному закону. В результате дискретизации непрерывный (аналоговый) сигнал переводится в последовательность чисел.

Операция восстановления аналогового сигнала из его дискретного представления обратна операции дискретизации и представляет, по существу, интерполяцию данных.

Дискретизация сигналов может приводить к определенной потере информации о поведении сигналов в промежутках между отсчетами. Однако существуют условия, определенные теоремой Котельникова-Шеннона, согласно которым аналоговый сигнал с ограниченным частотным спектром может быть без потерь информации преобразован в дискретный сигнал, и затем абсолютно точно восстановлен по значениям своих дискретных отсчетов.

Любая непрерывная функция на конечном отрезке может быть разложена в ряд Фурье, т.е. представлена в спектральной форме – в виде суммы ряда синусоид с кратными (нумерованными) частотами с определенными амплитудами и фазами. У относительно гладких функций спектр быстро убывает (коэффициенты модуля спектра быстро стремятся к нулю). Для представления “изрезанных” функций, с разрывами и “изломами”, нужны синусоиды с большими частотами. Говорят, что сигнал имеет ограниченный спектр, если после определенной частоты F все коэффициенты спектра равны нулю, т.е. сигнал представляется в виде конечной суммы ряда Фурье.

§

Теоремой Котельникова-Шеннона устанавливается, что если спектр сигнала ограничен максимальной частотой f, то после дискретизации сигнала с частотой не менее 2f можно восстановить исходный непрерывный сигнал по полученному цифровому сигналу абсолютно точно. Для этого нужно выполнить интерполяцию цифрового сигнала “между отсчетами” специальной функцией (Котельникова-Шеннона).

Физический смысл теоремы Котельникова-Шеннона достаточно прост. Если максимальная частота в сигнале равна f, то достаточно на одном периоде этой гармоники иметь минимум 2 отсчета с известными значениями t1 и t2, как появляется возможность записать систему из двух уравнений (y1=a cos 2pft1 и y2=a cos 2pft2) и решить систему относительно 2-х неизвестных – амплитуды а и частоты f этой гармоники. Следовательно, частота дискретизации должна быть в 2 раза больше максимальной частоты f в сигнале. Для более низких частот это условие будет выполнено автоматически.

На практике эта теорема имеет огромное значение. Например, известно, что диапазон звуковых сигналов, воспринимаемых человеком, не превышает 20 кГц. Следовательно, при дискретизации записанных звуковых сигналов с частотой не менее 40 кГц мы можем точно восстановить исходный аналоговый сигнал по его цифровым отсчетам, что и выполняется в проигрывателях компакт-дисков для восстановления звука. Частота дискретизации звукового сигнала при записи на компакт-диск составляет 44100 Гц.

Операция квантования или аналого-цифрового преобразования (АЦП; английский термин Analog-to-Digital Converter, ADC) заключается в преобразовании дискретного сигнала s(tn) в цифровой сигнал s(n) = sn » s(tn), n = 0, 1, 2,.., N, как правило, кодированный в двоичной системе счисления. Процесс преобразования отсчетов сигнала в числа называется квантованием по уровню (quantization), а возникающие при этом потери информации за счет округления – ошибками или шумами квантования (quantization error, quantization noise).

При преобразовании аналогового сигнала непосредственно в цифровой сигнал операции дискретизации и квантования совмещаются.

Операция цифро-аналогового преобразования (ЦАП; Digital-to-Analog Converter, DAC) обратна операции квантования, при этом на выходе регистрируется либо дискретно-аналоговый сигнал s(tn), который имеет ступенчатую форму (рис.4), либо непосредственно аналоговый сигнал s(t), который восстанавливается из s(tn), например, путем сглаживания.

Так как квантование сигналов всегда выполняется с определенной и неустранимой погрешностью (максимум – до половины интервала квантования), то операции АЦП и ЦАП не являются взаимно обратными с абсолютной точностью.

Алиасинг. А что произойдет, если спектр аналогового сигнала был неограниченным или имел частоту, выше частоты дискретизации?

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рис. 5. Появление кажущейся частоты при дискретизации.

Предположим, что при записи акустического сигнала оркестра в помещении от какого-то устройства присутствует ультразвуковой сигнал с частотой 30 кГц. Запись выполняется с дискретизацией сигнала на выходе микрофона с типовой частотой 44.1 кГц. При прослушивании такой записи с использованием ЦАП мы услышим шумовой сигнал на частоте 30 – 44.1/2 » 8 кГц. Восстановленный сигнал будет выглядеть так, как если бы частоты, лежащие выше половины частоты дискретизации, “зеркально” от нее отразились в нижнюю часть спектра и сложились с присутствующими там гармониками. Это так называемый эффект появления ложных (кажущихся) частот (aliasing). Эффект аналогичен известному эффекту обратного вращения колес автомобиля на экранах кино и телевизоров, когда скорость их вращения начинает превышать частоту смены кадров. Природу эффекта можно наглядно видеть на рис. 5. Аналогично в главный частотный диапазон дискретных сигналов “отражаются” от частоты дискретизации и все высокочастотные шумы, присутствующие в исходном аналоговом сигнале.

Для предотвращения алиасинга следует повышать частоту дискретизации или ограничить спектр сигнала перед оцифровкой фильтрами низких частот (НЧ-фильтры, low-pass filters), которые пропускают без изменения все частоты, ниже заданной, и подавляют в сигнале частоты, выше заданной. Эта граничная частота называется частотой среза (cutoff frequency) фильтра. Частота среза анти-алиасинговых фильтров устанавливается равной половине частоты дискретизации. В реальные АЦП почти всегда встраивается анти-алиасинговый фильтр.

18. (2.4) Цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи.

§

В большинстве случаев получаемый непосредственно от источника информации сигнал оказывается представленным в форме непрерывно меняющегося по своему значению напряжения либо тока. Таков, в частности, характер электрического сигнала, соответствующего телефонным, телевизионным и другим видам сообщения. Для передачи таких сообщений по линии связи или для их обработки (например, при отфильтровании помех) могут быть использованы две формы: аналоговая или цифровая. Аналоговая форма предусматривает оперирование со всеми значениями сигнала, цифровая форма с отдельными его значениями, представленными в форме кодовых комбинаций.

Преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую выполняется в устройстве, называемом аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

В преобразователе сигналов из аналоговой формы в цифровую можно выделить следующие процессы: дискретизацию, квантование, кодирование. Рассмотрим сущность этих процессов. При этом для определенности в последующем изложении будем считать, что преобразование в цифровую форму осуществляется над сигналом, представленным в форме меняющегося во времени напряжения.

Дискретизация непрерывных сигналов.

Процесс дискретизации заключается в том, что из непрерывного во времени сигнала выбираются отдельные его значения, соответствующие моментам времени, следующим через определенный временной интервал Т (на рис. 0 – моменты Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ). Интервал Т называется тактовым интервалом времени, а моменты времени Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) в которые берутся отсчеты, — тактовыми моментами времени.

Дискретные значения сигнала следует отсчитывать с таким малым тактовым интервалом Т, чтобы по ним можно было бы восстановить сигнал в аналоговой форме с требуемой точностью.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)Квантование и кодирование

. Сущность этих операций заключается в следующем. Создается сетка так называемых уровней квантования (рис. 14.0), сдвинутых друг относительно друга на величину ∆, называемую шагом квантования. Каждому уровню квантования можно приписать порядковый номер (0, 1, 2, 3 и т.д.). Далее, полученные в результате дискретизации значения исходного аналогового напряжения заменяются ближайшими к ним уровнями квантования. Так, на диаграмме рис. 14.0 значение напряжения в момент

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

заменяется ближайшим к нему уровнем квантования с номером 3, в тактовый момент

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

значение напряжения ближе к уровню 6 и заменяется этим уровнем и т. д.

Описанный процесс носит название операции квантования, смысл которого состоит в округлении значений аналогового напряжения, выбранных в тактовые моменты времени. Как и всякое округление, процесс квантования приводит к погрешности (к ошибкам квантования) в представлении дискретных значений напряжения, создавая так называемый шум квантования. При проектировании АЦП стремятся снизить шум квантования до такого уровня, при котором он еще обеспечивает требуемую точность представления сигнала. Подробнее шум квантования будет рассмотрен далее.

Следующая операция, выполняемая при аналого-цифровом преобразовании сигналов, – кодирование. Смысл ее состоит в следующем. Округление значения напряжения, осуществляемое при операции квантования, позволяет эти значения представлять числами – номерами соответствующих уровней квантования. Для диаграммы, представленной на рис. 14.0, образуется последовательность чисел: 3, 6, 7, 4, 1, 2 и т.д. Далее, получаемая таким образом последовательность чисел представляется двоичным кодом.

Вернемся к искажениям, связанным с процессом квантования, названным шумом квантования. При телефонной связи шум квантования воспринимается ухом человека действительно в виде шума, сопровождающего речь.

Так как в процессе квантования значение напряжения в каждый тактовый момент времени округляется до ближайшего уровня квантования, ошибка в представлении значений напряжения оказывается в пределах Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Следовательно, чем больше шаг квантования Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , тем больше ошибки квантования Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Считая, что в указанных пределах любые значения Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) равновероятны, можно получить выражение среднеквадратичного значения ошибки квантования Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Уменьшение шума квантования достигается только уменьшением шага квантования Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Так как Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) – промежуток между соседними уровнями квантования, то с уменьшением Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , очевидно, должно возрасти число уровней квантования в заданном диапазоне значений напряжения. Пусть Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) – ширина диапазона изменений напряжения. Тогда требуемое число уровней квантования Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Обычно Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Отсюда видно, что уменьшение шума квантования путем уменьшения Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) приводит к увеличению числа уровней квантования N. Это увеличивает число разрядов при представлении номеров уровней квантования двоичными кодами.

При организации телефонной связи номера уровней квантования обычно выражают семи-восьмиразрядными двоичными числами, а число уровней квантования оказывается равным Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Наряду с рассмотренными выше погрешностями – погрешностями квантования – при аналого-цифровом преобразовании возникают погрешности аппаратурные, связанные с неточностью работы отдельных узлов АЦП. Эти погрешности будут выявляться далее при рассмотрении различных схемных построений АЦП.

Ниже будут рассмотрены цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), построенные по принципу суммирования напряжений или токов, пропорциональных весовым коэффициентам двоичного кода.

Схема ЦАП с суммированием напряжений.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Одна из таких схем с суммированием напряжений на операционном усилителе приведена на рис.1. Триггеры

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

образуют регистр, в который помещаются двоичные числа, предназначенные для перевода в пропорциональные им значения напряжения на выходе. Будем считать, что напряжение на выходе каждого из триггеров может принимать одно из двух возможных значений: Е — при состоянии 1 и 0 при состоянии 0.

Напряжения с выходов триггеров передаются на выход ЦАП через операционный усилитель, работающий в режиме взвешенного суммирования напряжений (аналогового сумматора). Для каждого триггера предусматривается отдельный вход в сумматоре с определенным коэффициентом передачи

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Таким образом, напряжение с выхода триггера n-го разряда передается на выход усилителя с коэффициентом передачи: Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ; этот коэффициент для (n-1)-го разряда: Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) ; для (n-2)-го разряда: Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и т. д.

Обратим внимание на то, что коэффициенты передачи усилителя с отдельных его входов находятся в том же соотношении, что и весовые коэффициенты соответствующих разрядов двоичного числа. Так, Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) в 2 раза [больше Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и весовой коэффициент n-го разряда в 2 раза больше весового коэффициента (n-1)-го разряда. Следовательно, напряжения, передаваемые на выход усилителя с выходов триггеров отдельных разрядов, находящихся в состоянии 1, пропорциональны весовым коэффициентам разрядов.

Если в состоянии 1 находятся одновременно триггеры нескольких разрядов, то напряжение на выходе усилителя равно сумме напряжений, передаваемых на этот выход от отдельных триггеров. Пусть цифры отдельных разрядов двоичного числа в регистре Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Тогда напряжение на выходе усилителя

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Здесь N — десятичное значение двоичного числа, введенного в регистр. Из последнего выражения видно, что напряжение на выходе ЦАП пропорционально значению числа в регистре.

Рассмотрим работу ЦАП в случае, когда на триггерах Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) построен двоичный счетчик. Если подать на вход этого счетчика последовательность импульсов, то с приходом каждого очередного импульса число в счетчике будет увеличиваться на единицу и напряжение на выходе ЦАП будет возрастать на ступеньку, соответствующую единице младшего разряда счетчика. Величина такой ступеньки Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Таким образом, напряжение на выходе ЦАП будет иметь ступенчатую форму, как показано на рис. 14.2. После поступления Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) импульсов все разряды счетчика будут содержать 1, на выходе ЦАП образуется максимальное напряжение

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

При большом числе разрядов Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Далее очередным импульсом счетчик будет сброшен в нулевое состояние, нулевым будет и выходное напряжение ЦАП. После этого счетчик начинает счет импульсов сначала и на выходе ЦАП вновь формируется напряжение ступенчатой формы.

Суммарная абсолютная погрешность преобразователя Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) должна быть меньше выходного напряжения, соответствующего единице младшего разряда входного двоичного числа:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Отсюда можно получить условие для относительной погрешности:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Это соотношение определяет связь между относительной погрешностью преобразователя Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и числом его разрядов п. Так, при Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Недостатки рассмотренной схемы преобразователя:

· используются высокоточные резисторы с различными сопротивлениями;

· трудно обеспечить высокую точность выходного напряжения триггеров.

Эти недостатки устранены в схеме ЦАП, приведенной на рис. 3, где показана схема трехразрядного преобразователя. Нетрудно построить схему с любым заданным числом разрядов. Особенности этой схемы, называемой схемой с суммированием напряжений на аттенюаторе сопротивлений, состоит в том, что, во-первых, используются резисторы лишь с двумя значениями сопротивлений (R и 2R) и, во-вторых, выходные напряжения триггеров непосредственно не участвуют в формировании выходного напряжения ЦАП, а используются лишь для управления состоянием ключей, т. е. устранены отмеченные выше недостатки предыдущей схемы ЦАП (см. рис. 1).

Рассмотрим подробнее работу такого преобразователя. В каждом разряде имеется два .ключа, через один из них в аттенюатор сопротивлений подается напряжение Е, через другой – нулевое напряжение.

Определим напряжения, возникающие на выходе ЦАП от единиц отдельных разрядов числа, помещаемого в регистр. Пусть в регистр введено число Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Триггер Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) в состоянии 1, и в третьем разряде открыт ключ Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , в остальных разрядах триггеры в состоянии 0, и открыты ключи Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) (рис. 4,а). Последовательными преобразованиями можно получить схему (рис. 14.4,<3), из которой следует, что напряжение в точке Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Если в регистр поместить число Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , то аттенюатор можно представить схемой, показанной на рис. 5,а. Путем преобразования ее можно привести к схеме, представленной на рис. 14.5,в. Возникающее в точке Ач напряжение имеет то же [значение, что и в предыдущей схеме в точке Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Из рис. 14.5 видно, что при передаче на выход преобразователя это напряжение делится на два и, таким образом, Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Можно показать, что при числе Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) напряжение в точке Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . При передаче этого .напряжения в точку Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и далее от точки Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) к точке Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) напряжение каждый раз делится на два и Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Итак, напряжение на выходе, соответствующее единицам отдельных разрядов двоичного числа в регистре, пропорционально весовым коэффициентам разрядов. При n-разрядном регистре, обозначив цифры разрядов двоичного числа Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , получим выражение напряжения на выходе ЦАП:

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Из выражения видно, что выходное напряжение ЦАП пропорционально значению числа N, помещаемого в регистр.

Аппаратурные погрешности преобразования в данной схеме связаны с отклонениями сопротивлений резисторов от их номинальных значений, неидеальностью ключей (сопротивление реального ключа в закрытом состоянии не равно бесконечности, а в открытом – неравно нулю), нестабильностью источника напряжения Е. Наибольшее влияние на погрешность ЦАП оказывают эти отклонения в старших разрядах.

Схема ЦАП с суммированием токов.

На рис. 14.6 показан еще один вариант схемы ЦАП – схема с суммированием токов на аттенюаторе сопротивлений. Вместо источника стабильного напряжения Е, в данной схеме используются источники стабильного тока. Если триггер находится в состоянии 1, ток I источника через открытый ключ втекает в аттенюатор сопротивлений; если триггер в состоянии 0, то открывается другой ключ, который замыкает источник. На рис. 7,а показана схема, соответствующая числу Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Путем преобразований она приводится к эквивалентным схемам на рис. 7,6 и в, откуда следует Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Такое же напряжение образуется в любой из точек Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , если соответствующий разряд регистра содержит единицу. При передаче напряжения между этими точками напряжение делится на два и, следовательно, выходное напряжение

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Элементы, используемые в ЦАП.

Рассмотрим схемные решения элементов, используемых в ЦАП.

Источник стабильного напряжения. На рис. 14.8 представлена схема простого стабилизатора напряжения. В цепь между входом и выходом стабилизатора последовательно включен транзистор Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Стабилизация выходного напряжения Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) обеспечивается тем, что при возрастании входного напряжения Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) увеличивается напряжение на транзисторе Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и наоборот, при снижении Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) напряжение на транзисторе уменьшается. Таким образом, все изменения входного напряжения гасятся на транзисторе Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Такой режим транзистора Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) обеспечивается усилителем, построенным на транзисторе Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Пусть, например, Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) растет и вследствие этого имеет тенденцию к росту и Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Малый рост Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , усиливаясь, значительно уменьшает напряжение на коллекторе Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и базе Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , возрастает падение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Цепочка из резистора Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и стабилитрона Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) обеспечивает в цепи эмиттера Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) постоянное напряжение Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , которое стремится запереть транзистор. Для компенсации этого отрицательного смещения используется положительное напряжение, снимаемое с резистора Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) делителя напряжения, составленного из резисторов Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Чем больше Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , тем большая часть напряжения Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) должна передаваться с Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) на базу Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и вместе с этим и большая часть изменений напряжения Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) будет прикладываться к базе Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и, усиливаясь, передаваться на базу Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) .

Источник стабильного тока. Стабилизатор тока, схема которого приведена на рис. 14.9, работает аналогично стабилизатору напряжения. Отличие состоит в том, что входное напряжение усилителя на транзисторе Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) снимается с резистора Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , который в схеме стабилизатора тока включен последовательно с нагрузкой (ток нагрузки I проходит через Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Если, например, Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) возрастает или Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) уменьшится и, таким образом, ток имеет тенденцию к росту, возрастает напряжение на Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и на базе транзистора Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) . Это приводит к снижению потенциала коллектора Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и базы Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , растет напряжение между коллектором и базой транзистора Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , что препятствует росту тока I.

Ключевые устройства. Ключи преобразователя с суммированием напряжений на сетке сопротивлений (см. рис. 14.3) могут быть выполнены по схеме, представленной на рис. 14.80,а. Транзисторы Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) управляются напряжениями с выходов триггера. Выход подключается к аттенюатору сопротивлений.

Пусть триггер находится в состоянии 1. На его инверсном выходе нулевой потенциал и транзистор Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , на базу которого этот потенциал поступает, закрыт. На прямом выходе триггера высокое напряжение, которое, поступая на вход транзистора Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , удерживает его в открытом состоянии. Через открытый транзистор Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) в аттенюатор сопротивлений подается напряжение Е. Если триггер находится в состоянии 0, закрыт транзистор Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) , а через открытый транзистор Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) в аттенюатор сопротивлений поступает нулевое напряжение.

Таким образом, выполненное по данной схеме устройство исполняет роль двух ключей в разряде преобразователя.

В преобразователе с суммированием токов не предъявляется высоких требований к малости сопротивления открытого ключа. В этом преобразователе может быть использован диодный переключатель, схема которого представлена на рис. 14.80,6. Если триггер находится в состоянии 0, высокое напряжение, поступающее с инверсного выхода триггера, удерживает диод Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) в открытом состоянии. Ток источника замыкается через диод Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и триггер. Если триггер находится в состоянии 1, диод Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) закрыт и ток I замыкается через диод Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT) и аттенюатор сопротивлений.

§

В информационных и управляющих системах часть (или вся) информация от датчиков бывает представлена в аналоговой форме. Для ее ввода в цифровые ЭВМ и цифровое управляющее устройство широко применяются аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). В большинстве случаев АЦП выполняют преобразование входного напряжения или тока в двоичный цифровой код.

Интерфейсы АЦП

Важную часть аналого-цифрового преобразователя составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь АЦП с приемниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения АЦП к приемнику выходного кода, например, микропроцессору, микроконтроллеру или цифровому процессору сигналов. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют на уровень верхней границы частоты преобразования АЦП.

Наиболее часто применяют способ связи АЦП с процессором, при котором АЦП является для процессора как бы одной из ячеек памяти. При этом АЦП имеет необходимое число адресных входов, дешифратор адреса и подключается непосредственно к адресной шине и шине данных процессора. Для этого он обязательно должен иметь выходные каскады с тремя состояниями.

Другое требование совместной работы АЦП с микропроцессорами, называемое программным сопряжением, является общим для любых систем, в которые входят ЭВМ и АЦП. Имеется несколько способов программного сопряжения АЦП с процессорами. Рассмотрим основные.

Проверка сигнала преобразования. Этот способ состоит в том, что команда начала преобразования “Пуск” периодически подается на АЦП от таймера. Процессор находится в цикле ожидания от АЦП сигнала окончания преобразования “Готов”, после которого выходит из цикла, считывает данные с АЦП и в соответствии с ними приступает либо к следующему преобразованию, либо к выполнению основной программы, а затем вновь входит в цикл ожидания. Здесь АЦП выступает в роли ведущего устройства (master), а процессор – ведомого (slave). Этот способ почти не требует дополнительной аппаратуры, но пригоден только в системах, где процессор не слишком загружен, т.е. длительность обработки данных от АЦП меньше времени преобразования АЦП. Указанный способ позволяет максимально использовать производительность АЦП.

Если длительность обработки данных от АЦП составляет заметно больше времени преобразования АЦП, можно использовать вариант этого способа, отличающийся тем, что сигнал “Пуск” поступает от процессора. Процессор выполняет основную программу обработки данных, а затем считывает данные с АЦП и вновь запускает его. В этом случае процессор выступает в роли ведущего устройства, а АЦП – ведомого.

Простое прерывание. Выдав команду “Пуск”, процессор продолжает работу по основной программе. После окончания преобразования формируется сигнал прерывания, который прерывает в процессоре вычисления и включает процедуру поиска периферийного прибора, пославшего сигнал прерывания. Эта процедура состоит в переборе всех периферийных устройств до тех пор, пока не будет найден нужный. Преимущество этого способа по сравнению с предыдущим проявляется в большем числе преобразований за одно и то же время, если используемый АЦП работает медленно. Если же АЦП быстродействующий, то этот способ работы может оказаться даже медленнее предыдущего, так как на обработку прерывания требуется значительное время.

Векторное прерывание. Этот способ отличается от предыдущего тем, что вместе с сигналом прерывания посылается и адрес программы обращения к данному АЦП. Следовательно, не нужно перебирать все периферийные приборы.

Прямой доступ к памяти. Здесь также используется прерывание, но в отличие от предыдущих двух способов, управление по системе прерывания передается на специальный интерфейс, который и производит перезапись данных преобразования в память, минуя регистры процессора. Это позволяет сократить длительность прерывания до одного такта. Номера ячеек памяти хранятся адресном регистре интерфейса. Для этой цели выпускаются ИМС контроллеров прямого доступа к памяти.

В зависимости от способа пересылки выходного слова из АЦП в цифровой приемник различают преобразователи с последовательным и параллельным интерфейсами выходных данных. Последовательный интерфейс медленнее параллельного, однако он позволяет осуществить связь с цифровым приемником значительно меньшим количеством линий и в несколько раз сократить число выводов ИМС. Поэтому обычно параллельный интерфейс используется в параллельных и последовательно-параллельных АЦП, а последовательный – в интегрирующих. В АЦП последовательного приближения применяются как параллельный, так и последовательный интерфейсы. Некоторые АЦП последовательного имеют интерфейс обоих типов.

§

АЦП с последовательным интерфейсом выходных данных. В АЦП последовательного приближения, оснащенных простейшей цифровой частью, выходная величина может быть считана в виде последовательного кода прямо с компаратора или регистра последовательного приближения (РПП). На рис. 2 представлена функциональная схема такого интерфейса (а) и временные диаграммы его работы (б).

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рис. 2 – Простейший последовательный интерфейс.

Здесь приведена схема, реализующая SPI-интерфейс. Процессор является ведущим (master). Он инициирует начало процесса преобразования подачей среза на вход “Пуск” АЦП. С тактового выхода процессора на синхровход АЦП поступает последовательность тактовых импульсов. Начиная со второго такта после пуска на выходе данных АЦП формируется последовательный код выходного слова старшими битами вперед. Этот сигнал поступает на MISO (master – input, slave – output) вход процессора.

Простейший интерфейс обеспечивает наименьшее время цикла “преобразование – передача данных”. Однако он обладает двумя существенными недостатками. Во-первых, переключение выходных каскадов АЦП во время преобразования привносит импульсную помеху в аналоговую часть преобразователя, что вызывает уменьшение соотношение сигнал/шум (например, для АЦП AD7893 среднеквадратическое значение шума при передаче данных во время преобразования почти в три раза больше, чем при считывании данных после преобразования). Во-вторых, если АЦП имеет большое время преобразования, то процессор будет занят приемом информации от него существенную часть вычислительного цикла. По этим причинам современные модели АЦП с последовательной передачей выходных данных оснащаются выходным сдвиговым регистром, в который загружается результат преобразования из РПП. Временные диаграммы такого интерфейса приведены на рис. 3.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рис. 3 – Последовательный интерфейс с передачей данных по окончании преобразования.

По заднему фронту сигнала “Пуск” УВХ переходит в режим хранения и начинается преобразование. При этом на соответствующем выводе АЦП выставляется сигнал “Занят”. По окончании преобразования начинается передача данных. Процессор подает на синхровход АЦП последовательность синхроимпульсов CLK. Если 8 < N < =16, то число синхроимпульсов обычно составляет 16. При N < 16 вначале вместо отсутствующих старших битов передаются нули, а затем выходное слово старшими битами вперед. До и после передачи данных выходная линия АЦП находится в высокоимпедансном состоянии.

Увеличение длительности цикла “преобразование – передача данных” по сравнению с простейшим интерфейсом обычно несущественно, так как синхроимпульсы могут иметь большую частоту. Например, для 12-разрядного АЦП последовательного приближения AD7896 минимальный интервал между отсчетами составляет 10 мкс. Из них последовательное чтение данных занимает только 1,6 мкс при частоте синхросигнала 10 МГц.

§

Существенное уменьшение tпр удается получить в АЦП параллельного типа. Его структурная схема приведена на рис3. Здесь входная аналоговая величина U с выхода схемы ВХ сравнивается с помощью 2n 1 – 1 компараторов с 2(2n-1) эталонными уровнями, образованными делителями из резисторов равного сопротивления. При этом срабатывают m младших компараторов, образующих на выходах схем И-НЕ нормальный единичный код, затем который с помощью специального дешифратора ДШ преобразуется в двоичный выходной сигнал.

Погрешность АЦПП определяется неточностью и нестабильностью эталонного напряжения, резистивного делителя и погрешностями компараторов. Значительную роль могут играть входные токи компараторов, если делитель недостаточно низкоомный. На рисунке 5 приведена структурная схема АЦП параллельного типа.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рисунок 5. – Схема АЦП параллельного типа.

Время преобразования складывается из следующих составляющих:

tпр = tвх tз,к a tл,сi ,

гдеtл,сi– Время задержки логичесих схем; k – число последовательно включенных логических схем.

При использовании компаратров со стробированием АЦПП может быть без схемы ВХ. При этом он обеспечивает наибольшее быстродействие по сравнению с любыми другими АЦП.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рисунок 6 – АЦП и ЦАП.

На рисунке 6, показана схема для преобразование аналоговой величины (напряжения) в цифровой код и обратное проебразование цифрового кода в аналоговую величину. Процесс работы схемы показан на временной диаграмме. Временная диаграмма, иллюстрирующая работу АЦП и ЦАП, приведена на рисунке 7.

Биполярный транзистор как ключ (БТ, BJT)

Рисунок 7 – Диаграмма работы АЦП и ЦАП.

Оглавление

1. (1.1) История развития электроники. Роль элементной базы. 2

2. (2.1). Основные положения зонной теории твёрдого тела. Физические основы полупроводниковых приборов. 5

Физические основы полупроводниковых приборов. 10

Примесные полупроводники. 12

3. (3.1) Работа выхода электрона. Виды электронной эмиссии. 14

Виды электронной эмиссии. 16

4. (2.2). P-n переход как основной элемент структуры полупроводниковых приборов. 19

5. (1.2) Полупроводниковые диоды. Переходные процессы в диодах. Разновидности диодов. 21

1. Выпрямительные диоды.. 21

2. Стабилитроны.. 22

3. Варикапы.. 22

4. Туннельные диоды.. 23

5. Фотодиоды.. 24

6. Излучающие диоды.. 25

6. (3.2) Биполярные транзисторы. Принцип работы, параметры, применение. Принцип действия ключа на биполярном транзисторе. 26

Транзисторный ключ. 31

Цифровые электронные ключи на биполярных транзисторах. 31

7. (2.3) Полевые транзисторы. Принцип работы, параметры, классификация. 34

Классификация транзисторов по структуре. 39

8. (1.3) Полупроводниковые запоминающие устройства. Физические механизмы работы полупроводниковых устройств памяти. Разновидности ПЗУ. Принцип работы запоминающего элемента на биполярном транзисторе. 40

Физические механизмы работы полупроводниковых устройств памяти. 41

Простейшие ПЗУ. 42

EPROM… 43

EEPROM… 43

Запоминающий элемент ПЗУ. 44

9. (3.6) Ячейка памяти ОЗУ динамического типа. Схема и принцип работы запоминающих элементов ОЗУ на биполярных и на полевых транзисторах. 44

Запоминающий элемент статического биполярного ОЗУ. 44

Запоминающий элемент динамического ОЗУ на МОП-транзисторах. 46

10. (2.6) Организация flash-памяти. Принцип считывания и записи информации в ячейке флэш-памяти. 48

Многоуровневые ячейки. 51

11. (3.3) Усилители электрических сигналов. Классификация, основные характеристики усилителей. Операционные усилители. 52

1. Классификация усилителей. 52

2. Основные показатели и характеристики усилителя. 53

3. Усилитель постоянного тока. 58

4. Дифференциальный усилитель. 58

5. Операционные усилители. 59

12. (1.4) Источники вторичного питания. Выпрямители. Сглаживающие фильтры. Стабилизация напряжения и тока. 62

1 Назначение источников вторичного питания. 62

2 Выпрямители. 62

3 Сглаживающие фильтры.. 64

3.1 Индуктивный фильтр. 65

3.2 Ёмкостной фильтр. 65

3.3 Индуктивно-ёмкостной фильтр. 65

3.4 Резистивно-ёмкостной фильтр. 66

4 Стабилизация напряжения и тока. 66

4.1 Стабилизатор напряжения. 66

4.2 Стабилизатор тока. 68

13. (2.5) Выпрямители переменного напряжения. 69

Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков: 69

Основные характеристики выпрямителей: 69

Схемы выпрямителей. 70

Основные характеристики различных схем выпрямления. 70

Однополупериодный выпрямитель. 71

Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой. 71

Мостовая схема выпрямителя. 72

Схема удвоения напряжения. 74

14. (3.5) Устройство компьютерных блоков питания. 75

Устройство типового компьютерного блока питания. 75

Напряжения, вырабатываемые блоками питания. 78

Конструктивные размеры блоков питания. 79

Стандарт АТХ. 80

Разъёмы блоков питания. 82

15. (3.4) Технологии цифровых интегральных схем. Классификация логических элементов в зависимости от вида полупроводниковых элементов. 86

Классификация ИМС. 86

Элементы интегральных микросхем.. 88

Биполярные транзисторы. 89

Многоэмиттерные транзисторы. 89

Многоколлекторные транзисторы. 90

Полевые МДП-транзисторы. 91

Диоды. 91

Резисторы. 92

Конденсаторы. 92

Большие интегральные схемы (БИС). 94

Этапы производства ИМС. 94

16. (1.6) Типы логики интегральных схем. Наиболее распространённые технологии построения логических элементов. 95

Транзисторно-транзисторная логика. 96

Элементы ТТЛШ… 98

Элементы ТТЛ с тремя выходными состояниями. 98

Эмиттерно-связанная логика. 99

Транзисторная логика с непосредственными связями (ТЛНС). 101

Интегральная инжекционная логика. 102

Логические элементы на МОП-транзисторах. 103

Логические элементы на ключах с динамической нагрузкой. 104

Логические элементы на комплементарных ключах. 104

17. (1.5) Устройства сопряжения аналоговых и цифровых систем. Квантование, дискретизация, кодирование. Теорема Котельникова-Шеннона. 107

Типы сигналов. 107

Преобразования типа сигналов. 109

Теорема Котельникова-Шеннона. 110

18. (2.4) Цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи. 111

Цифро-аналоговые преобразователи. 111

Дискретизация непрерывных сигналов. 112

Схема ЦАП с суммированием напряжений. 113

Схема ЦАП с суммированием токов. 116

Элементы, используемые в ЦАП. 116

Аналогово-цифровые преобразователи. 118

АЦП с параллельным интерфейсом выходных данных. 119

АЦП с последовательным интерфейсом выходных данных. 120

АЦП параллельного типа (АЦПП). 122

Оцените статью
ЭЦП Эксперт
Добавить комментарий

Adblock
detector