ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования

«Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ

УТВЕРЖДАЮ Директор УМЦ СПО

Федерального агентства связи_____________П.Ю. Комаров«______»_____________2015г.

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ И ЦИФРОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ

учебное пособие по МДК.04.02, МДК.03.02

для специальностей09.02.03 – Программирование в компьютерных системах09.02.04 – Информационные системы

Разработалпреподаватель Славкина Т.А.

Самара 2015

Рекомендовано Учебно-методическим центром среднего профессионального образования Федерального агентства связи в качестве учебного пособия для образовательных организаций СПО укрупненной группы специальностей 09.00.00 Информатика и вычислительная техника

Протокол №_____ от «___»___________2015 г.

Рецензенты:

Ситникова А.В., к.т.н., доцент кафедры Электродинамики и антенн ПГУТИ.

Некрылова Т.Б., преподаватель КС ПГУТИ

Основы электроники и цифровой схемотехники. Учебное пособие. Разработано преподавателем КС ПГУТИ Славкиной Т.А., Самара КС ПГУТИ, 2015г. – 2,1 п.л.

В учебном пособии рассмотрены устройство, физические процессы, характеристики, параметры и применение диодов, транзисторов, оптоэлектронных приборов, цифровых устройств, интегральных микросхем.

Учебное пособие предназначено для проведения теоретических занятий по МДК «Основы электроники и цифровой схемотехники» и самостоятельной работы студентов, обучающихся по

специальностям: 09.02.04 «Информационные системы», 09.02.03 «Программирование в компьютерных системах».

Рецензияна учебное пособие

по МДК.03.02, МДК.04.02 «Основы электроники и цифровой схемотехники», разработанное преподавателем КС ПГУТИ Славкиной Т.А.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся в средних

профессиональных учебных заведениях по специальностям: 09.02.04

«Информационные системы», 09.02.03 «Программирование в компьютерных

системах». Пособие разработано в соответствии с Федеральным государственным

образовательным стандартом третьего поколения, соответствует требованиям

предусмотренным программой указанной образовательной дисциплины.

В учебном пособии в доступной для восприятия форме, с достаточным

количеством иллюстраций, таблиц и пояснений рассматриваются устройство

полупроводниковых приборов, физические процессы, протекающие в них, а также

характеристики, основные параметры и особенности их применения в цифровых

устройствах и интегральных микросхемах.

Учебное пособие разработано в рамках создания учебно-методического

комплекса по профессиональному модулю «Выполнение работ по одной или

нескольким профессиям рабочих, должностям служащих» и может быть эффективно

использовано при изучении междисциплинарного курса «Основы электроники и

цифровой схемотехники», а также при выполнении лабораторных, практических и

самостоятельных работ студентами технических специальностей колледжей.

Рецензентк.т.н., доцент кафедрыЭлектродинамики и антенн (ПГУТИ) Ситникова С.В.

Рецензияна учебное пособие

по МДК.03.02, МДК.04.02 «Основы электроники и цифровой схемотехники», разработанное преподавателем КС ПГУТИ Славкиной Т.А.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по

специальностям: 09.02.04 «Информационные системы», 09.02.03 «Программирование

в компьютерных системах».

Учебное пособие по МДК.03.02, МДК.04.02 «Основы электроники и цифровой

схемотехники» разработано в соответствии с рабочей программой

профессионального модуля «Выполнение работ по одной или нескольким

профессиям рабочих, должностям служащих», в рамках которого изучается

указанный междисциплинарный курс.

Современный специалист должен уметь обслуживать ЭВМ, иметь представление

о принципах работы и устройстве интегральных микросхем, простейших цифровых

устройств. Учебное пособие направлено на получение базовых знаний в области

электроники и схемотехники цифровых устройств.

Теоретический материал в учебном пособии изложен в краткой, доступной для

восприятия форме.

Учебное пособие разработано для образовательных организаций СПО

укрупненной группы специальностей 09.00.00 Информатика и вычислительная

техника и может быть использовано в учебном процессе и для самостоятельной

работы студентов.

Рецензентпреподаватель КС ПГУТИ Некрылова Т.Б.

Содержание

Раздел 1. Основы электроники 6

Тема 1.1 Физические основы полупроводниковой электроники 6

Тема 1.2 Полупроводниковые диоды 10

Тема 1.3 Биполярные транзисторы 12

Тема 1.4 Полевые транзисторы 15

Тема 1.5 Элементы оптоэлектроники 19

Тема 1.6 Основы микроэлектроники 22

Раздел 2. Схемотехника цифровых устройств 27

Тема 2.1 Интегральные логические элементы 27

Тема 2.2 Комбинационные цифровые устройства 29

Тема 2.3 Последовательностные цифровые устройства 31

Список использованных источников 36

Раздел 1. Основы электроникиТема 1.1. Физические основы полупроводниковой электроники

5

вокруг него по орбитам разной формы. Электроны, находящиеся на разных орбитах обладают разной энергией, т.е. они находятся на разных энергетических уровнях. Электроны, находящиеся на внешней орбите называются валентными, они обладают наибольшей энергией. Именно они и определяют электропроводимость вещества. Валентные электроны участвуют в образовании ковалентных связей, соединяющих соседние атомы между собой в кристаллическую решетку. Внешние электроны слабее, чем другие связаны с ядром, поэтому при освещении, облучении или нагревании кристалла они отрываются от атома и становятся свободными подвижными носителями заряда. На месте отсутствующего электро-

1. История, перспективы и направления развития электроники2. Собственные и примесные полупроводники3. Образование p–n-перехода4. Прямое и обратное включение p–n-перехода5. Пробой p–n-перехода6. Вольтамперная характеристика p–n-перехода

1. Электронная техника или электроника – отрасль науки, техники, промышленности, занимающаяся исследованием, разработкой, производством и эксплуатацией электронных средств.

Результаты изучения электронных процессов и явлений, а также исследования и разработка методов создания электронных приборов и устройств получают своё воплощение в многообразных средствах электронной техники, развитие которой происходит по двум тесно переплетающимся направлениям. Первое из них связано с созданием электронных приборов различного назначения, второе – с созданием на их основе различной радиоэлектронной аппаратуры для решения задач в области вычислительной техники, информатики, связи, аудио-видеотехники, телемеханики и многих других областях практической деятельности человека.

Электронные приборы развивались и усовершенствовались, и сейчас можно говорить о четырех поколениях электронных устройств.

Первое поколение электронных приборов (начало – 50е годы 20 века) – это электровакуумные приборы: в 1904 году был создан электровакуумный диод, а в 1906 – электронная лампа (триод), способная усиливать электрические сигналы.

Второе поколение электронных приборов (50е – 60е годы 20 века) – это дискретные полупроводниковые приборы: в 1948 году был получен точечный биполярный транзистор, в 1950 году – плоскостной биполярный транзистор, а в 1952 году – полевой (униполярный) транзистор.

Третье поколение электронных приборов (60е – 80е годы 20 века) – это полупроводниковые интегральные схемы, представляющие собой функционально законченные узлы: логические элементы, усилители, генераторы и др. Их применение позволило сократить габариты, массу и энергопотребление радиоэлектронной аппаратуры, повысить её надежность по сравнению с радиоэлектронной аппаратурой первого и второго поколений.

Четвертое поколение электронных приборов (80е годы 20 века) – это большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), микропроцессорные ИС.

2. Основой электронных приборов являются полупроводники – вещества, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками (веществами, способными хорошо проводить электрический ток) и диэлектриками (веществами, неспособными проводить электрический ток). Электропроводность полупроводников в значительной мере зависит от внешних факторов: температуры, освещенности, напряженности электрического поля.

Из большого числа полупроводниковых материалов наиболее часто применяются кремний (Si), германий (Ge) и арсенид галлия (GaAs).

Атомы этих веществ состоят из положительно заряженного ядра и электронов, вращающихся

на образуется дырка, а сам атом становится положительным ионом – неподвижным носителем заряда. Дырка вскоре замещается либо свободным электроном, либо электроном из соседней ковалентной связи. Следовательно, дырку тоже можно считать свободным подвижным носителем заряда. Так как на самом деле перемещается электрон, то его можно считать реальным носителем заряда, а дырку – виртуальным. Процесс образования пары электрон-дырка называется генерацией свободных носителей заряда. Электрон n (negative) имеет отрицательный заряд, а дырка p (positive)

6

Когда пятивалентный атом примеси попадает в кристаллическую решетку четырехвалентного полупроводника, четыре электрона образуют ковалентные связи. Пятый валентный электрон слабо связан со своим атомом и при малых энергиях, сообщаемых извне, легко отрывается от атома и становится свободным подвижным носителем заряда, а атом примеси становится положительным ионом (электрически кристалл остается нейтральным). Дырка при этом не образуется. В полупроводнике с донорной примесью свободных электронов больше, чем дырок и его называют полупроводником с электронной проводимостью или Если трехвалентный атом примеси попадает в кристаллическую решетку четырехвалентного полупроводника, то для образования четырех ковалентных связей у примесного атома не хватает одного электрона. Этот электрон может быть получен от атома основного полупроводника за счет разрыва ковалентной связи. Разрыв ковалентной связи приводит к появлению дырки, а атом примеси становится отрицательным ионом (электрически кристалл остается нейтральным). В полупроводнике с акцепторной примесью дырок больше, чем электронов и его называют полупроводником с дырочной проводимостью или полупроводником p-типа. Дырки являют-

– положительный. Когда электрон возвращается на орбиту, атом восстанавливает свою нейтральность, а пара носителей заряда исчезает. Происходит рекомбинация носителей заряда. Так как свободные электрон и дырка появляются и исчезают одновременно, то их концентрация в полупроводнике равна: ni=pi (индекс i означает, что все атомы в кристалле четырехвалентные). Такой полупроводник называется собственным или беспримесным.

Собственная проводимость полупроводников очень мала. Чтобы ее повысить в полупроводник добавляют примеси. Очень незначительной ее концентрации (один атом примеси на 105 атомов кремния). Различают донорные примеси (увеличивающие число свободных электронов) и акцепторные примеси (захватывающие электроны и увеличивающие число свободных дырок). В качестве донорной примеси используют пятивалентные вещества: фосфор P, сурьму Sb, мышьяк As. В качестве акцепторной примеси используют трехвалентные вещества: индий In, галлий Ga, алюминий Al или бор B.

Электроны являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями заряда.

ются основными носителями заряда, а электроны – неосновными носителями заряда.

3. Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на физических явлениях, происходящих в области контакта твердых тел. Преимущественно используются контакты: полупроводник-полупроводник; металл-полупроводник; металл-диэлектрик-полупроводник.

Если создается контакт между полупроводниками p-типа и n-типа, то между ними возникает тонкий переходный слой, который называется электронно-дырочный переход или p–n-переход. Этот переход обладает особыми электрическими свойствами.

P–n-переход создается в одном кристалле полупроводника с использованием сложных и разнообразных технологических операций.

Изначально p-область и n-область полупроводника электрически нейтральны. В p-области преобладают подвижные носители заряда – дырки, а в n-области – электроны. При возникновении контакта между p- и n-областями подвижные носители заряда стремятся выровнять концентрацию носителей заряда. Возникает процесс диффузии: основные носители зарядов из области с большей концентрацией переходят в область с меньшей концентрацией, т. е. электроны из n-области в p-область, а дырки из p-области в n-область. Этим процессом обусловлен ток диффузии основных носителей заряда Iдиф онз. Хотя диффузионное движение электронов и дырок происходит в противоположных направлениях, токи, обусловленные их движением, направлены в одну сторону, так как заряды электронов и дырок имеют противоположные знаки (за направление тока принято направление движения положительного заряда). Поэтому общий диффузионный ток через p–n-переход равен сумме электронного и дырочного диффузионных токов: Iдиф = Ip диф + In диф7

Подвижные носители заряда, покидая свою область, оставляют на границе p–n-перехода заряженные ионы – неподвижные носители заряда. В p-области концентрируются отрицательные ионы, а в n-области – положительные. Электрическая нейтральность областей нарушается, в переходе образуется электрическое поле, направленное от положительно заряженных доноров к отрицательно заряженным акцепторам. Между p- и n-областями устанавливается контактная разность потенциалов Uк, которая препятствует дальнейшей диффузии основных носителей зарядов (электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область), т.е. между p- и n-областями создается

Прямое напряжение Uпр создает в переходе внешнее электрическое поле (Евнш), направленное навстречу внутреннему полю (Евнт), напряженность результирующего поля падает, потенциальный барьер уменьшается на величину Uпр. Ширина p–n-перехода и его сопротивление также уменьшаются. В результате понижения потенциального барьера начинается интенсивное движение основных носителей зарядов (дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p-область полупроводника). Это ведет к росту диффузионного тока, он становится гораздо больше дрейфового:

Iдиф онз Iдр ннз

Результирующий ток через p–n-переход:

Ip-n= Iдиф онз-Iдр ннз≈Iдиф онз

щий слой для движения основных носителей. Этот барьер будет препятствовать дальнейшему нарастанию диффузионного тока. Электрическое поле p–n-перехода вызывает движение неосновных носителей зарядов из зоны p–n-перехода (дырок из n-области в p-область и электронов из p-области в n-область) – дрейф неосновных носителей заряда. Это движение образует ток дрейфа Iдр ннз, направленный навстречу диффузионному току.

Процессы диффузии и дрейфа уравновешивают друг друга, дрейфовый и диффузионный токи становятся равными по величине, но противоположны по направлению. Результирующий ток через переход равен нулю:

Iдиф онз =-Iдр ннз

Ip-n= Iдиф онз-Iдр ннз=0Ширина p–n-перехода d0 зависит от концентрации примеси. Чем больше концентрация, тем

уже потенциальный барьер.

4. При прямом включении p–n-перехода к p-области подключается положительный полюс внешнего источника питания, а к n-области – отрицательный.

Этот ток называется прямым током Iпр, его величина достигает сотен мА и даже единиц А. Прямое напряжение на p–n-переходе составляет десятые доли В, сопротивление перехода Rпр – единицы Ом. Такое состояние p–n-перехода называют открытым.

При обратном включении p–n-перехода к p-области подключается отрицательный полюс внешнего источника питания, а к n-области – положительный. Обратное напряжение Uобр создает

8

через p–n-переход, от приложенного к нему напряжения. ВАХ p–n-перехода имеет две ветви: прямую Iпр=f(Uпр) и обратную Iобр=f(Uобр). Прямая ветвь (ОА) показывает экспоненциальное нарастание прямого тока и характеризует открытое состояние p–n-перехода. Обратная ветвь имеет три участка: OB – слабое нарастание обратного тока, BC – электрический пробой, BD – тепловой пробой. Обратная ветвь характеризует закрытое состояние p–n-перехода.

внешнее электрическое поле (Евнш), совпадающее по направлению с внутренним полем (Евнт), напряженность результирующего поля растет, потенциальный барьер увеличивается на величину Uобр. Ширина p–n-перехода и его сопротивление также увеличиваются. В результате возрастания потенциального барьера меньшее количество основных носителей заряда сможет его преодолеть. Это ведет к уменьшению диффузионного тока, он становится даже меньше дрейфового:

Iдиф онз Iдр ннз

Результирующий ток через p–n-переход:

Ip-n= Iдиф онз-Iдр ннз≈-Iдр ннз

Этот ток называется обратным током Iобр, его величина составляет от единиц до сотен мкА, что в тысячи раз

ние на p–n-переходе составляет десятки и даже сотни В, сопротивление перехода Rпр – миллионы Ом. Такое состояние p–n-перехода называют закрытым.

5. При обратном включении p–n-перехода при дальнейшем повышении обратного напряжения можно наблюдать пробой p–n-перехода – резкое увеличение обратного тока при некотором определенном обратном напряжении. Различают два вида пробоя: электрический и тепловой. Электрический пробой бывает лавинным и туннельным. При всех видах пробоя резкий рост тока связан с увеличением количества носителей в переходе.

Электрический пробой происходит под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов кристаллической решетки. Электроны под действием сильного электрического поля приобретают большую энергию и, сталкиваясь с атомами кристаллической решетки, могут выбивать из них валентные электроны. Этот процесс нарастает лавинообразно, количество неосновных носителей увеличивается, сопротивление перехода резко падает и обратный ток возрастает. Такой пробой называется лавинным. Туннельный пробой обусловлен прямым переходом валентных электронов из p-области в зону проводимости n-области под действием сильного электрического поля без изменения энергии электрона. Электрический пробой не вызывает необратимых изменений в кристаллической структуре полупроводника; уменьшив обратное напряжение, можно вернуться к закрытому состоянию p–n-перехода.

Тепловой пробой возникает в результате нарушения равновесия между выделяемым в p–n-переходе и отводимым от него теплом, т.е. в результате перегрева. При определенных условиях p–n-переход разрушается, т.е. тепловой пробой необратимый процесс.

6. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p–n-перехода – это зависимость тока, протекающего

9

Тема 1.2. Полупроводниковые диоды1. Определение, классификация, условно-графическое обозначение2. Система обозначений диодов3. Параметры и применение различных типов диодов

1. Полупроводниковый диод – электронный прибор, содержащий один p–n-переход и имеющий два вывода.

В зависимости от выполняемой функции диоды делят на следующие основные группы: выпрямительные, стабилитроны, варикапы, туннельные, фото- и светодиоды, универсальные, импульсные, сверхвысокочастотные.

По типу p–n-перехода различают плоскостные и точечные полупроводниковые диоды. Плоскостным называют p–n-переход, у которого линейные размеры, определяющие его площадь, значительно больше его толщины. Точечным является переход, у которого наоборот линейные размеры, определяющие его площадь, меньше его толщины.

Каждый диод имеет условно-графическое обозначение (УГО), которым он обозначается на электрических схемах различных устройств.

Тип диода Условно-графическоеобозначение

Буквенное обозначениев маркировке

Выпрямительный Д

Стабилитрон С

Варикап В

Туннельный диод И

Фотодиод Ф

Светодиод Л

2. Система обозначений полупроводниковых диодов состоит из буквенных и цифровых элементов и дает четкое представление об электронном приборе. Четыре элемента маркировки диода обозначают следующее:

Первый элемент (буква или цифра) – исходный полупроводниковый материалГ или 1 – германий;К или 2 – кремний;А или 3 – соединения галлия, чаще всего арсенид галлия.

Второй элемент (буква) – тип диода по назначениюД – выпрямительныйС – стабилитронВ – варикапИ – туннельныйФ – фотодиодЛ – светодиод

Третий элемент (число) – электрические свойства диода и порядковый номер разработки Четвертый элемент (буква) – разновидность диода в данной серии.Например,К Д 2 1 3 А – кремниевый выпрямительный диод большой мощности разновидности А.1 2 3 4

3. Принцип работы и назначение диода определяется тем или иным свойством p–n-перехода. Свойства полупроводниковых диодов оценивают параметрами. Различают общие параметры,

10

которыми характеризуется любой полупроводниковый диод, и специальные параметры, присущие только отдельным диодам.

Общими параметрами диодов являются: максимально допустимая температура перехода Tп max – максимальная температура

перехода, при которой не возникает тепловой пробой; максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом Pд max – максимальная мощность,

выделяемая на диоде, не вызывающая его перегрева; максимально допустимый прямой ток Iпр max – прямой ток, при котором температура p–n-

перехода диода достигает значения Tп max; максимально допустимое обратное напряжение Uобр max – максимальное обратное

напряжение, при котором не возникает пробой p–n-перехода.Также общими для всех диодов являются параметры, определяемые по вольт-амперным

характеристикам.Выпрямительный диод – диод, предназначенный для выпрямления переменного тока, т.е. для

преобразования переменного тока в постоянный.Принцип действия выпрямительного диода основан на односторонней проводимости p–n-

перехода и представляет собой электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением: при прямом включении диод открыт, ключ замкнут, через диод протекает ток; при обратном включении диод закрыт, ключ разомкнут, ток через диод не протекает.

Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода аналогична ВАХ p–n-перехода, имеет прямую и обратную ветви. Из ВАХ видно, что прямой ток большой по величине и возрастает при увеличении прямого напряжения, а обратный ток мал и при возрастании обратного напряжения изменяется незначительно.

Основные параметры выпрямительного диода: коэффициент выпрямления K= Iпр / Iобр, который показывает во сколько раз прямой ток

больше обратного при одном и том же значении прямого и обратного напряжений; дифференциальное сопротивление Ri =ΔU / ΔI, которое определяется по ВАХ диода как в

прямом, так и в обратном включении. Выпрямительные диоды применяются в схемах выпрямителей переменного тока в устройствах

электропитания как профессиональной, так и бытовой аппаратуры. Простейшей схемой выпрямления является следующая схема:

Если на схему подается переменное напряжение, то при положительной полуволне диод включен в прямом направлении, через него и сопротивление нагрузки Rн

протекает ток, конденсатор заряжается. При отрицательной полуволне диод включен в обратном направлении и ток не пропускает, а конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки Rн. Таким образом, в нагрузке протекает постоянный

ток с небольшими пульсациями. Чтобы сгладить пульсации, параллельно Rн включается конденсатор С большой емкости. Во время положительной полуволны входного напряжения конденсатор заряжается, а во время отрицательной – разряжается, поддерживая в нагрузке ток.

Стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором практически не зависит от протекающего через него тока. Поэтому стабилитроны используются для стабилизации напряжения. Исходным материалом для стабилитронов является кремний, так как он имеет большую ширину запрещенной зоны, и значительное увеличение обратного тока не приводит к тепловому пробою. Принцип работы стабилитрона основан на явлении электрического пробоя p–n-перехода, поэтому стабилитрон работает при обратных напряжениях.

ВАХ стабилитрона представляет собой обратную ветвь ВАХ p–n-перехода. Рабочим участком является участок электрического пробоя. По ВАХ видно, что при значительном изменении обратного тока напряжение практически не изменяется, т.е. оно стабильно.

Основные параметры стабилитрона: напряжение стабилизации Uст. Значение Uст определяется концентрацией примеси: чем она

меньше, тем выше напряжение стабилизации; минимальный ток стабилизации Iст min, при котором начинается электрический пробой; максимальный ток стабилизации Iст max, при котором температура перехода не выше допустимой;

дифференциальное сопротивление стабилитрона Ri ст = ΔUст / ΔIст. Чем меньше Ri ст, тем меньше разброс Uст, т.е. тем качественнее стабилитрон;

температурный коэффициент αст, который показывает изменение Uст при изменении температуры.

Простейшая схема стабилизации: При повышении входного напряжения Uвх в стабилитроне возникает электрической пробой, т.е. увеличивается число носителей заряда, а значит, уменьшается сопротивление стабилитрона, и увеличивается протекающий через стабилитрон ток. Напряжение на стабилитроне остается неизменным. На Rогр гасится избыток напряжения, благодаря чему не происходит теплового пробоя. При уменьшении Uвх, сопротивление стабилитрона

увеличивается, ток уменьшается, напряжение остается неизменным. Нагрузка включается параллельно стабилитрону.

Варикап – полупроводниковый диод с электрически управляемой емкостью. Принцип работы варикапа основан на зависимости барьерной емкости от приложенного обратного напряжения. Поэтому варикап работает при обратных напряжениях.

Характеристикой варикапа является вольт-фарадная характеристика – зависимость емкости варикапа от приложенного к нему напряжения.

Параметры варикапа: коэффициент перекрытия по емкости – Кс = Сmax / Cmin; добротность Q – отношение реактивного сопротивления варикапа к сопротивлению потерь.

Варикапы применяются в качестве электрически управляемой емкости для регулировки резонансной частоты в устройствах частотной модуляции, автоматической подстройки частоты, параметрических усилителях.

На варикап VD подается обратное напряжение от источника Е. При изменении сопротивления потенциометра R, изменяется подаваемое на варикап напряжение, поэтому изменяется емкость варикапа.

Туннельный диод – диод, имеющий на вольт-амперной характеристике участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Работа туннельного диода основана на туннельном эффекте, когда электроны из n-области напрямую проходят в p-область, не изменяя своей энергии.

ВАХ туннельного диода имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, который является рабочим. На этом участке при увеличении напряжения ток падает.

Основные параметры туннельного диода: ток пика Iп – максимальный ток туннельного эффекта; напряжение пика Uп – соответствует пиковому току; ток впадины Iв – минимальный ток туннельного эффекта; напряжение впадины Uв – соответствует току впадины; отрицательное дифференциальное сопротивление R-= ΔU / ΔI, определяемое на рабочем

участке АВ.Туннельные диоды применяются в качестве генераторов СВЧ колебаний, переключающих

устройств, усилителей с небольшим коэффициентом усиления.

Тема 1.3. Биполярные транзисторы1. Понятие, устройство биполярных транзисторов2. Режимы работы биполярного транзистора3. Схемы включения биполярного транзистора4. Характеристики биполярного транзистора

1. Транзистор – электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими взаимодействующими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности, имеющий три или более выводов. Действие транзистора основано на управлении движением носителей электрических зарядов в полупроводниковом кристалле.

Биполярный транзистор имеет два взаимодействующих p–n-перехода и три полупроводниковые области с чередующейся полярностью. Каждая область имеет вывод

11

12

В активном режиме на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Эмиттерный переход открыт, его сопротивление мало, через переход протекает большой ток. Т.к. концентрация примесей в эмиттере велика, то этот ток в основном будет образован диффузией носителей заряда из эмиттера в базу. Этот процесс называется инжекция, а ток из эмиттера в базу – эмиттерный ток Iэ. В базе часть носителей заряда, инжектированных из эмиттера, рекомбинирует, образуя ток базы Iб. Толщина базы меньше диффузионной длины, поэтому основная часть

(электрод). Полярность крайних областей одинаковая, а средней – противоположная. Поэтому транзистор называют биполярным. В зависимости от чередования полярности областей различают транзистор p-n-p структуры и транзистор n-p-n структуры. Структура транзистора на условно-графическом изображении обозначается направлением стрелки. Она показывает направление тока: от p-области к n-области.

p-n-p структура n-p-n структура

Области биполярного транзистора получили свое название в соответствии с процессами,

которые происходят при его работе: эмиттер (Э) – область с самой высокой концентрацией примеси; база (Б) – средняя область с самой низкой концентрацией примеси и геометрически самая

тонкая (ее толщина меньше диффузионной длины); коллектор (К) – вторая крайняя область.

Между областями транзистора возникают два p-n-перехода: между эмиттером и базой – эмиттерный переход (ЭП), между базой и коллектором – коллекторный переход (КП).

2. При использовании транзистора в качестве элемента схемы к каждому его переходу подключается внешнее напряжение. В зависимости от полярности напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах можно получить четыре режима работы транзистора:

Режим Эмиттерный переход Коллекторный переход Примечаниенапряжение состояние напряжение состояние

Активный Uпр открыт Uобр закрыт транзистор обладает усилительными свойствами

Насыщения Uпр открыт Uпр открыт

транзистор имеет малое сопротивление и хорошо проводит ток – транзистор открыт

Отсечки Uобр закрыт Uобр закрыт

транзистор имеет высокое сопротивление и почти не проводит ток – транзистор закрыт

Инверсный Uобр закрыт Uпр открыт

В активном режиме транзисторы работают в аналоговых, в частности, усилительных схемах. Режимы насыщения и отсечки используются в импульсных или цифровых схемах. Биполярный транзистор является базовым элементом интегральных схем. Инверсный режим используется очень редко.

телей заряда не успевает рекомбинировать, проходит базу до коллекторного перехода и электрическим полем этого перехода перебрасывается в коллектор. Этот процесс называется экстракция, а ток возникающий при этом – коллекторный ток Iк.

Между токами в транзисторе существуют следующие соотношения: Iэ = Iк + Iб Iб<< Iк Iэ≈ Iк

3. При включении транзистора в схему один из его электродов является входным, второй – выходным, а третий – общим. На входной и выходной электроды от внешних источников питания подаются напряжения, отсчитываемые относительно общего электрода. В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей, существуют три схемы включения биполярного транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК).

Схема с общей базой

В этой схеме входной электрод – эмиттер, выходной – коллектор. Входные параметры: Iвх = Iэ, Uвх = Uэб, выходные параметры: Iвых = Iк, Uвых = Uкб.

Коэффициент передачи тока: Кт = α= ΔIк/ ΔIэ. Так как ток коллектора Iк почти равен току эмиттера Iэ (немного меньше его), то Кт < 1 (0,95).

Недостатки схемы: не усиливает ток, имеет низкое входное и высокое выходное сопротивления.Достоинства схемы: температурная стабильность, эффективное усиление колебаний высоких

частот.Схема с общим эмиттером

В этой схеме входной электрод – база, выходной – коллектор. Входные параметры: Iвх = Iб, Uвх

= Uбэ, выходные параметры: Iвых = Iк, Uвых = Uкэ.Коэффициент передачи тока: Кт = β= ΔIк / ΔIб. Так как Iб<< Iк , то коэффициент передачи тока β

велик и достигает сотен раз. У современных транзисторов β находится в диапазоне от 40 до 400.Достоинства схемы: усиливает ток и напряжение, т.е. дает наибольшее усиление по

мощности, большее входное и меньшее выходное сопротивления.Недостатки схемы: не дает усиления по напряжению, худшие, чем у схемы с общей базой

температурные и частотные свойства.Схема с общим коллектором

В этой схеме входной электрод – база, выходной – эмиттер. Входные параметры: Iвх = Iб, Uвх = Uбк, выходные параметры: Iвых = Iэ, Uвых = Uэк.

Коэффициент передачи тока: Кт = γ= ΔIэ / ΔIб = (ΔIк + ΔIб)/ ΔIб = β+1. Достоинства схемы: усиливает ток, имеет высокое входное и низкое выходное

сопротивления, что обеспечивает согласование с различными устройствами на входе и выходе схемы.

Недостатки схемы: не дает усиления по напряжению.

13

4. Статические характеристики – графики, выражающие функциональную связь между токами и напряжениями транзистора, работающего без нагрузки при постоянных напряжениях на его электродах. Различают входные и выходные статические характеристики транзистора.

Входные характеристики – зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении: Iвх = f(Uвх) при Uвых = const.

Выходные характеристики – зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе: Iвых = f(Uвых) при Iвх = const.

В схеме с общей базой входная характеристика это зависимость Iэ = f(Uэб) при Uкб = const. Обычно в справочниках приводят две входные характеристики, измеренные при Uкб = 0 и |Uкб| ≠ 0. Они представляют собой ВАХ открытого эмиттерного p–n-перехода. При повышении напряжения |Uкб| усиливается процесс диффузии носителей из эмиттера в базу, и это приводит к увеличению эмиттерного тока. Поэтому соответствующая характеристика проходит выше, т.е. при одном и том же входном напряжении ток эмиттера больше.

Выходная характеристика это зависимость Iк = f( Uкб) при Iэ = const. В справочниках приводится

семейство выходных характеристик, измеренных при нескольких значениях входного тока. Они представляют собой обратную ветвь ВАХ закрытого коллекторного p–n-перехода. Характеристики почти не имеют наклона, что показывает высокое значение выходного сопротивления транзистора в схеме с ОБ.

В схеме с общим эмиттером входная характеристика это зависимость Iб = f(Uбэ) при Uкэ = const.

Эти характеристики также приводятся при Uкэ = 0 и |Uкэ| ≠ 0 и соответствуют прямой ветви ВАХ открытого эмиттерного p–n-перехода. При повышении напряжения |Uкэ| увеличивается ширина коллекторного p–n-перехода, т.е. уменьшается толщина базы и вероятность рекомбинации носителей заряда в ней, а это приводит к уменьшению тока базы. Поэтому соответствующая характеристика проходит ниже, т.е. при одном и том же входном напряжении ток базы меньше.

Выходная характеристика это зависимость Iк = f(Uкэ) при Iб = const. Они представляют собой обратную ветвь ВАХ закрытого коллекторного p–n-перехода и имеют больший наклон, что

объясняется уменьшением значения выходного сопротивления транзистора в схеме

с ОЭ.

14

Тема 1.4. Полевые транзисторы1. Понятие, типы полевых транзисторов2. Полевой транзистор с управляющим p–n-переходом3. Полевые транзисторы с изолированным затвором4. Параметры полевых транзисторов5. Система обозначений транзисторов

1. Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых прохождение тока обусловлено движением основных носителей заряда под действием продольного электрического поля. Управление током в полевых транзисторах осуществляется путем изменения электропроводности токопроводящего участка полупроводника – канала – поперечным электрическим полем. Это поле создается напряжением, приложенным к управляющему электроду

В отличие от биполярных транзисторов, где движутся носители зарядов обоих знаков, полевые транзисторы являются униполярными, т.е. в создании тока участвуют носители только одного знака.

Различают два типа полевых транзисторов: полевой транзистор с управляющим p–n-переходом; полевой транзистор с изолированным затвором.

2. Полевой транзистор с управляющим p–n-переходом может быть изготовлен на основе кристалла полупроводника n- или p-типа. Этот кристалл представляет собой токопроводящий канал и имеет два вывода: исток – электрод, от которого начинают движение носители заряда, сток – электрод, к которому они притягиваются (стекаются). В центральной части канала располагается

область с проводимостью противоположной проводимости канала. Вывод от этой области является управляющим электродом. Между управляющим электродом и каналом создается p–n-переход, на который подается обратное напряжение. При этом запирающий слой p–n-перехода увеличивается и уменьшает сечение канала (затворяет канал). Поэтому управляющий электрод получил название – затвор. Для повышения

эффективности управления в канал вводят два затвора и делают от них один вывод. Рассмотрим принцип работы полевого транзистора с управляющим p–n-переходом. Если

приложить напряжение между стоком и истоком, то в канале начнется движение носителей заряда, т.е. будет протекать ток стока Iс. К стоку подключается полюс источника напряжения, противоположный полярности носителей заряда канала: «+», если канал n-типа; «-», если канал p-типа. В отсутствие обратного напряжения на затворе канал полностью открыт. Если на затвор подается обратное напряжение, то толщина запирающего слоя p–n-перехода увеличится, сечение канала уменьшится и его сопротивление возрастет (Uзи↑ → Sк↓ → Rк↑ → Ic↓). Обратное напряжение, при котором канал полностью перекрывается и ток стока становится равным нулю, называется напряжением отсечки Uзи отс.

Условно-графическое обозначение полевых транзисторов с управляющим p–n-переходом канал n-типа канал p-типа

Работа полевых транзисторов описывается семейством статических характеристик: стоковыми и стоко-затворными.

15

15

сток и исток. Между истоком и стоком изготавливается тонкий поверхностный канал n-типа. Кристалл покрывается слоем диэлектрика, над которым сделан затвор в виде тонкой металлической пленки. Если между истоком и стоком приложено напряжение соответствующей полярности, а на затворе Uзи=0, то по каналу протекает начальный ток стока Iс. Если к затвору приложено положительное напряжение, то оно притягивает в канал электроны из подложки. Количество электронов в канале увеличивается, сопротивление канала уменьшается, ток стока Iс возрастает (+Uзи↑ →Rк↓ → Ic↑).

Стоковые характеристики показывают зависимость тока стока от напряжения между стоком и истоком при постоянном напряжении на затворе: Iс = f(Uси) при Uзи = const. Самое большое значение Iс получается при напряжении на затворе Uзи=0 В, так как в этом случае ширина запирающего слоя p–n-перехода минимальная, а сечение канала максимальное. Для усиления используется пологая часть характеристик.

Стоко-затворные характеристики показывают зависимость тока стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении между стоком и истоком. Стоко-затворная характеристика наглядно показывает эффективность управления стоковым током с помощью напряжения на затворе: незначительные изменения напряжения Uзи вызывают большие изменения тока стока Iст.

Схемой включения полевого транзистора обычно является схема с общим истоком. Полярность источников напряжения определяется типом канала транзистора.

3. В полевых транзисторах с изолированным затвором металлический затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика. Поэтому такие транзисторы называют МДП-транзисторы (металл–диэлектрик – полупроводник). Так как диэлектриком является двуокись кремния, то такую структуру также называют МОП (металл – окисел – полупроводник). Различают МДП-транзисторы с встроенным каналом и индуцированным каналом.

МДП-транзистор с встроенным каналом (n-типа) представляет собой полупроводниковый кристалл (подложку) p-типа, в котором выполнены две области с повышенной проводимостью n-типа:

Такой режим работы транзистора называется режимом обогащения. Если к затвору приложено отрицательное напряжение, то оно выталкивает из канала электроны в подложку. Количество электронов в канале уменьшается, сопротивление канала увеличивается, ток стока Iс уменьшается (-Uзи↑ → Rк↑ → Ic↓). Такой режим работы транзистора называется режимом обеднения. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать при любой полярности напряжении на затворе.

Условно-графическое обозначение МДП-транзисторов с встроенным каналом канал n-типа канал p-типа

16

переходов обратное напряжение. Сопротивление между истоком и стоком велико, ток не протекает, транзистор закрыт. Если на затвор подать положительное напряжение, то возникшее положительное электрическое поле вытолкнет дырки от затвора в подложку, а электроны из подложки, областей истока и стока притянет к затвору. При некотором значении Uзи, называемом пороговым напряжением Uпор, концентрация электронов в приповерхностном слое превысит концентрацию дырок и возникнет тонкий канал n-типа, транзистор начнет проводить ток. Таким образом, МДП-тран-

По названию и виду статические характеристики МДП-транзистора с встроенным каналом подобны характеристикам транзистора с управляющим p–n-переходом, но с учетом того, что на затвор может подаваться напряжение различной полярности.

стоковые характеристики стоко-затворные характеристики

Схема включения МДП-транзистора с встроенным n-каналом Режим обогащения Режим обеднения

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом канал не встроен в транзистор, а возникает

только при подаче на затвор напряжения определенной полярности, которая зависит от типа канала.Рассмотрим работу МДП-транзистора с индуцированным n-каналом. При отсутствии

напряжения на затворе канала нет, т.к. между истоком и стоком полупроводник p-типа и на одном из p–n-

транзистор с индуцированным каналом может работать только при одной полярности напряжения на затворе, т.е. только в режиме обогащения.

Условно-графическое обозначение МДП-транзисторов с индуцированным каналом. канал n-типа канал p-типа

режимобогащения

режимобеднения

17

Статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом аналогичны характеристикам транзистора с встроенным каналом в режиме обогащения, но отсутствует кривая при Uзи=0, т.к. тока нет.

Схема включения МДП-транзистора с индуцированным каналом

4. Работу всех типов полевых транзисторов описывают следующие дифференциальные параметры:

внутреннее дифференциальное сопротивление Ri – характеризует степень влияния на ток стока выходного напряжения на стоке при постоянном напряжении на затворе

Ri=ΔUси/ ΔIс при Uзи=const крутизна S – характеризует управляющее действие затвора, т.е. изменение тока стока при

изменении напряжения на затворе при постоянном напряжении на стокеS= ΔIс/ ΔUзи при Uси=const

статический коэффициент усиления µ показывает во сколько раз изменение напряжения на затворе Uзи сильнее влияет на ток стока, чем изменение напряжения на стоке Uси .

µ= ΔUси/ ΔUзи при Ic= constПараметры Ri, S, µ связаны между собой соотношением:

µ=S·Ri

5. Система обозначений транзисторов состоит из пяти элементов:Первый элемент (буква или цифра) – обозначает исходный полупроводниковый материал, на

основе которого изготовлен транзисторГ или 1 – германийК или 2 – кремний

Второй элемент (буква) – указывает класс прибораТ – биполярный транзисторП – полевой транзистор

Третий элемент (цифра) – указывает диапазон рабочих частот и рассеиваемой мощности (определяется по справочнику)

Четвертый элемент (число) – обозначает порядковый номер разработкиПятый элемент (буква) – обозначает разновидность прибора в данной серии.Например,К Т 9 7 2 А – кремниевый биполярный транзистор большой мощности высокой частоты 1 2 3 4 5 разновидности А.К П 1 0 3 Л – кремниевый полевой транзистор малой мощности низкой частоты

18

1 2 3 4 5 разновидности А.

Тема 1 . 5 . Основы оптоэлектроники 1. Общие сведения об оптоэлектронике.2. Фотоприемники.3. Фотоизлучатели.

1. Оптоэлектроника – научно-техническое направление, основанное на использовании одновременно как оптических, так и электрических методов передачи, обработки, приема, хранения и отображения информации. Оптоэлектроника синтезирует достижения различных областей науки – оптики, квантовой и полупроводниковой электроники, физики световодов, теории информации и др.

К устройствам оптоэлектроники относятся миниатюрные источники излучения, эффективные фотоприемники, оптроны. А также такие современные устройства обработки информации, как оптические модуляторы, системы оптической памяти, голографические запоминающие устройства с высокой плотностью записи, огромным объемом, высокой скоростью обмена Интерес представляет такое направление оптоэлектроники, как интегральная оптика, нацеленная на создание оптических аналогов интегральных электронных микросхем. В качестве носителя информации в оптоэлектронике используются волны оптического диапазона – от 10 нм до 1 мм.

2. Фотоприемники преобразуют электромагнитное излучение видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой части спектра в электрическую энергию.

Принцип работы фотоприемника строится на: изменении электропроводности вещества под действием света – внутренний фотоэффект; возникновении ЭДС на границе двух материалов – фотоэффект в запирающем слое; испускании электронов – внешний фотоэффект.

Фоторезистор представляет собой однородный полупроводник, сопротивление которого зависит от светового потока. Если светового потока нет, то фоторезистор имеет большое сопротивление Rт – темновое сопротивление. Под действием света происходит генерация дополнительных носителей заряда, электропроводность фоторезистора увеличивается, а сопротивление уменьшается.

Условно-графическое обозначение фоторезистора

Работа фоторезистора описывается вольт-амперной и световой характеристиками. Вольт-

амперная характеристика фоторезистора – зависимость тока, протекающего через резистор, от приложенного к нему напряжения при постоянном световом потоке: Iфр=f(Uфр) при Ф=const. Световая характеристика фоторезистора – нелинейная зависимость тока фоторезистора от светового потока при постоянном напряжении: Iфр=f(Ф) при Uфр= const.

Вольт-амперная характеристика Световая характеристика

Параметры фоторезистора: темновой ток Iт, протекающий при отсутствии света. Он обусловлен собственной

электропроводностью полупроводника;

19

темновое сопротивление Rт – сопротивление резистора при отсутствии освещения; интегральная чувствительность Кф, которая показывает зависимость фототока от светового

потока Кф= ΔIф/ ΔФ при Uфр=const.Фотодиод представляет собой p–n-переход, помещенный в герметичный прозрачный корпус.

Фотодиод может работать как обычный диод (диодный режим) и как фотоэлемент (гальванический режим).

В диодном режиме фотодиод работает в обратном включении. Принцип работы фотодиода основан на зависимости обратного тока от освещенности. При освещении фотодиода происходит генерация неосновных носителей заряда и обратный ток диода увеличивается.

Условно-графическое обозначение фотодиода

Работа фотодиода также описывается вольт-амперной и световой характеристиками. Вольт-

амперная характеристика фотодиода – зависимость обратного тока фотодиода от приложенного к нему напряжения при постоянном световом потоке: Iобр=f(Uобр) при Ф=const. Световая характеристика фотодиода – линейная зависимость обратного тока фотодиода от светового потока при постоянном напряжении: Iобр=f(Ф) при Uобр= const.

Вольт-амперная характеристика Световая характеристика

Параметры фотодиода: темновой ток Iт; обратный ток фотодиода Iд; сопротивление фотодиода Rд; интегральная чувствительность фотодиода Кф= ΔIд/ ΔФ.

Фоторезисторы и фотодиоды, работающие в диодном режиме, применяются в устройствах автоматики, защиты, отключения.

Фотоэлементом является фотодиод, работающий в гальваническом режиме. В этом режиме фотодиод работает без внешнего источника напряжения и сам является источником энергии, которая возникает под действием светового потока. При освещении фотодиода в его полупроводниковых областях генерируются дополнительные носители заряда. Электроны в n-области создают избыточный отрицательный заряд, а дырки в p-области – избыточный положительный заряд. На выходах диода появляется ЭДС, которую называют фото-ЭДС. Фотоэлементы используются в солнечных батареях.

Фототранзистор – полупроводниковый прибор, способный усиливать фототок. Фототранзистор включается по схеме с общим эмиттером. Вывод базы остается свободным. Напряжение, приложенное между эмиттером и коллектором, открывает эмиттерный переход и закрывает коллекторный – фототранзистор работает в активном режиме. При освещении базы в ней происходит генерация дополнительных носителей заряда, которые снижают потенциальный барьер эмиттерного перехода, усиливая процесс инжекции. Кроме того, фототок обогащается дополнительными носителями заряда и усиливается.

Условно-графическое обозначение фототранзистора

20

Основной характеристикой фототранзистора является выходная характеристика: Iк=f(Uкэ) при Iб=0 и Ф=const.

3. Фотоизлучатели преобразуют энергию электромагнитного излучения в область видимой,

инфракрасной и ультрафиолетовой части спектра.Разновидности фотоизлучателей: светоизлучающий диод, инфракрасный светоизлучающий

диод, полупроводниковый лазерный диод. Светоизлучающий диод (светодиод) – малоинерционный полупроводниковый источник

световой энергии широкого спектра. Он представляет собой один p–n-переход с разной площадью полупроводниковых областей и разной концентрацией примесей. Принцип действия светодиода основан на люминесценции (свечении) твердых тел. Под действием прямого напряжения происходит генерация дополнительных носителей заряда и последующая рекомбинация их, сопровождающаяся излучением энергии в виде кванта света – фотона. Для изготовления светодиодов применяются: фосфид галлия, арсенид галлия, карбид кремния. Цвет свечения достигается использованием дополнительных примесей, например, меди (зеленое свечение), марганца (желто-оранжевое), серебра (синее) и т.д.

Условно-графическое обозначение светодиода

Характеристиками светодиода являются излучательная характеристика – зависимость

яркости излучения B от прямого тока: B= f(Iпр) и спектральная – зависимость мощности излучения P от длины волны λ: P= f(λ).

Излучательная характеристика Спектральная характеристика

Основными параметрами светодиодов являются: яркость излучения B; постоянные прямой ток или прямое напряжение Iпр, Uпр; длина волны, определяющая цвет свечения λсв; спектральный диапазон излучения Δλ; полная мощность излучения P.

21

Светодиоды широко применяются для световой и знаковой индикации, в датчиках, в качестве источников света в оптических системах передачи информации, в оптронах.

Оптрон – оптоэлектронный прибор, содержащий источник и приемник излучения, которые связаны друг с другом оптически и конструктивно, т.е. электрически независимы. Элементарный оптрон, содержащий один источник и один приемник излучения, называют также оптопарой.

Источником света обычно является светодиод, в качестве приемника излучения используются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Средой оптического канала, связывающего излучатель и приемник, могут служить воздух, стекло, пластмасса и другие прозрачные вещества.

В оптронах происходит двойное преобразование энергии: входной электрический сигнал преобразуется источником света (ИС) в световой поток Ф, который передается по оптическому каналу (ОК) к фотоприемнику (ФП).

С помощью оптронов получают электрически независимые цепи с высокой помехозащищенностью. Оптроны применяются в пультах дистанционного управления, а с введением обратной связи может использоваться как запоминающее устройство, усилитель или генератор.

Тема 1 . 6 . Основы микроэлектроники 1. Понятие, классификация, система обозначений ИМС.2. Полупроводниковые ИМС.3. Пленочные и гибридные ИМС.4. Параметры и применение БИС.

1. Развитие науки и техники привело к созданию сложной радиоэлектронной аппаратуры, содержащей сотни тысяч элементов и объединенных в схемы большим числом соединений. Выполнение такой аппаратуры на обычных дискретных радиоэлементах привело к ее удорожанию, увеличению габаритов и веса, снижению надежности. Это потребовало новых конструктивных и схемотехнических решений, что привело к появлению нового направления электроники – микроэлектроники.

Микроэлектроника – область электроники, охватывающая проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения электронных устройств с высокой степенью микроминиатюризации. Новый этап в развитии элементной базы электроники начался с создания интегральных микросхем (ИМС) в 1961 году, и микроэлектроника выделилась как самостоятельное направление.

Интегральная микросхема (ИМС) – микроминиатюрное электронное устройство, имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, выполняющее определенную функцию. Интегральная микросхема может содержать элементы и компоненты. Элемент ИМС – часть ИМС, реализующая функцию простого электрорадиоэлемента и выполненная нераздельно от подложки ИМС. Элемент ИМС не может быть отделен от ИМС. Компонент ИМС – часть ИМС, реализующая функцию простого электрорадиоэлемента, но являющаяся самостоятельным изделием, которое может быть отделено от кристалла ИМС, т.е. является дискретным.

Достоинства ИМС: малые габариты и вес малое потребление энергии высокая надежность за счет уменьшения числа соединений высокое быстродействие, т.к. соединительные линии короткие невысокая стоимость.

Интегральные микросхемы классифицируются:по конструктивно-технологическому признаку полупроводниковые пленочные гибридные совмещенные

по функциональному назначению аналоговые – предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по

закону непрерывной функции цифровые – предназначены для преобразования и обработки дискретных сигналов

по степени интеграции

22

малые интегральные схемы (МИС) – содержат от нескольких до 100 элементов средние интегральные схемы (СИС) – содержат от нескольких десятков до 1000 элементов большие интегральные схемы (БИС) – содержат от 1000 до 10000 элементов сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) – содержат свыше 10000 элементов и

представляют собой законченное изделие, способное выполнять функции аппаратуры.Интегральные микросхемы выпускаются сериями. Серия ИМС – совокупность ИМС, выполненных по единому конструктивно-технологическому

признаку, выполняющих разные функции и предназначенных для совместного использования. Система обозначений ИМС состоит из четырех элементов:Первый элемент (цифра) – указывает конструктивно-технологический признак 1, 5, 7 – полупроводниковые2, 4, 6, 8 – гибридные3 – пленочные

Второй элемент (две или три цифры) – указывают порядковый номер разработки серии ИМС;Третий элемент (две буквы) – обозначают функциональную подгруппу и вид;Четвертый элемент (число) – указывает номер разработки ИМС по функциональному виду.

К155ЛН1 широкого применения I II III IV номер разработки логический элемент НЕ номер разработки серии полупроводниковая

2. Полупроводниковые ИМС – такие ИМС, все элементы и межэлементные соединения которых выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла. При изготовлении таких ИМС используется пластина кремния определенного типа проводимости (n или p). На поверхность пластины наносится монокристаллический слой кремния. Такой слой имеет правильную кристаллическую решетку, что позволяет создать элементы с заданными параметрами в объеме слоя. Элементы ИМС, выполняющие различные функции, формируются в объеме кристалла кремния, а соединение между ними осуществляется напылением токопроводящих дорожек на поверхность кремния. Затем пластина разрезается на отдельные микросхемы, и каждая ИМС помещается в герметичный корпус с выводами.

Все элементы ИМС выполнены в едином кристалле, поэтому важно обеспечить электрическую изоляцию элементов от кристалла и друг от друга. Для этого в кристалле кремния формируют области с противоположным типом проводимости – карманы. В каждом кармане изготавливается один элемент ИМС. Изоляция карманов друг от друга и от кристалла производится двумя способами: p-n – переходом и диэлектрическим слоем.

Изоляция диэлектрическим слоем Изоляция p-n – переходом

При изоляции p-n – переходом на кристалл подается отрицательный потенциал и переход между карманом и кристаллом оказывается под обратным напряжением. Высокое сопротивление p-n – перехода при обратном включении выполняет функцию изоляции. Достоинством метода является простота реализации, недостатком – паразитная емкостная связь через емкости p-n – перехода.

При изоляции диэлектрическим слоем между карманом и кристаллом кремния создается тонкий диэлектрический слой. Достоинство этого метода – уменьшение паразитной емкости, недостаток – сложность реализации.

Для удобства производства при создании элементов полупроводниковых ИМС используются транзисторные структуры: биполярные или МДП (МОП). На этих структурах изготавливаются как транзисторы, так и резисторы, диоды, конденсаторы.

23

номер серии

В кармане изготавливаются три области: коллектор, база, эмиттер. На поверхность кремниевой пластины наносится слой диэлектрика и от каждой области транзистора выполняется вывод. Он может быть как с одной стороны области, так и с другой.

Для реализации диодов также используют транзисторные структуры в диодном включении. Технологически это удобнее и дешевле, так как изготавливается большое количество одинаковых структур, а затем в них создаются различные элементы. Таким образом, для получения диода используется один из p-n – переходов биполярного транзистора. При этом два вывода транзистора короткозамкнуты, либо один вывод остается свободным. Возможно несколько вариантов диодного включения транзисторов.

БК-Э Б-Э БЭ-К Б-К Б-ЭК

Наиболее часто используются структуры БК-Э (выводы базы и коллектора замкнуты, и используется p-n – переход между эмиттером и базой) и Б-Э (используется p-n – переход между эмиттером и базой, а вывод коллектора остается свободным).

Резисторы в полупроводниковых ИМС создаются на основе коллекторной, базовой или эмиттерной областей транзистора, т.е. представляют собой полупроводник определенного типа проводимости. Сопротивление резистора зависит от длины, ширины и толщины области и от концентрации примеси. От каждой из используемых областей делаются выводы.

Резистор на основе Резистор на основе Резистор на основе коллекторной области базовой области эмиттерной области

Для получения конденсаторов используется емкость обратносмещенных p-n – переходов: эмиттер-база, коллектор-база, коллектор-подложка.

Конденсатор на основе p-n – перехода коллектор-база

24

Индуктивностей в полупроводниковых ИМС стараются избегать, но при необходимости применяется металлическая спираль, нанесенная на поверхность окисла кремния или создается эквивалент индуктивности. Эквивалентные функции индуктивности могут выполнять полупроводниковые элементы, состоящие из транзисторов, резисторов, конденсаторов.

Активные и пассивные элементы микросхем соединяются в единую функциональную схему с помощью дорожек, которые создаются напылением металлической пленки на поверхность кристалла.

Полупроводниковые ИМС изготавливаются также на МДП (МОП)-структурах, которые имеют относительно простую конструкцию, технологичны, обеспечивают высокий процент выхода годных ИМС и не требуют дополнительной изоляции элементов в схеме. МОП-транзисторы имеют меньшие по сравнению с биполярными размеры, что позволяет значительно повысить степень интеграции. Особенно просто изготавливаются МОП-транзисторы с индуцированным каналом.

МОП-структуры можно использовать в качестве конденсаторов и резисторов, номинальные значения которых изменяются в определенных пределах при изменении приложенного потенциала к управляющему электроду – затвору. При использовании МОП-транзистора в качестве резистора используется сопротивление канала, которое велико при Uзи=0.

При изготовлении конденсатора одной его обкладкой является слой кремния n-типа, на котором создается тонкий слой диэлектрика SiO2. Сверху на этот слой наносится металлическая пленка, которая является второй обкладкой конденсатора.

Особенно широко МДП-структуры применяются при построении цифровых микросхем. Это обусловлено простотой их конструкции, хорошими характеристиками переключения, малыми размерами и низкой потребляемой мощностью.

3. Пленочные ИМС – ИМС, в которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде пленок на диэлектрической пластине – подложке.

Пленочные микросхемы содержат обычно только пассивные элементы: резисторы, конденсаторы, индуктивности. Условно различают тонкопленочные ИМС (толщина пленок до 1 мкм) и толстопленочные (толщина пленок более 1 мкм).

К материалу подложки предъявляется ряд требований: высокая механическая и электрическая прочность, высокая теплопроводность и т.д. Наиболее часто в качестве подложек применяют стекло, керамику и стеклокерамические материалы.

Пленки получают следующими способами: термическое вакуумное напыление, катодное вакуумное распыление, ионно-плазменное распыление и т.д. Наиболее универсальным и часто используемым методом является термическое напыление, которое осуществляется в вакуумных

25

установках. Проводники и контактные площадки образуются напылением металлических слоев. Пленочные резисторы

Пленочный конденсатор

1 – верхняя обкладка2 – диэлектрик3 – нижняя обкладка4 - подложка

Гибридная ИМС – ИМС, в которой пассивные элементы выполняются в виде пленок из различных материалов на диэлектрической подложке, а в качестве активных элементов

применяются навесные дискретные полупроводниковые приборы. Навесными элементами являются, например, бескорпусные транзисторы, диоды, которые размещаются в определенных местах схемы. Соединение навесных элементов

с контактными площадками осуществляется тонкими проводниками термокомпрессией, ультразвуковой сваркой, лучом лазера и др.Гибридные ИМС используют преимущества пленочной технологии в сочетании с технологией полупроводниковых

приборов. 1 – пленочная плата

2 – навесные транзисторы

4. Увеличение числа элементов и усложнение функций ИМС привело к созданию микросхем, содержащих ряд функциональных устройств, объединенных в единый комплекс. Такие микросхемы являются микросхемами с высокой степенью интеграции и называются большими интегральными схемами – БИС (свыше 1000 элементов) и сверхбольшими интегральными схемами – СБИС (свыше 10000 элементов).

Достоинства БИС и СБИС: высокая степень интеграции, высокие качественные показатели, большая надежность, невысокая стоимость.

Параметры БИС: степень интеграции – К=lgN, N – число элементов и компонентов, входящих в ИС; интегральная плотность – число элементов, приходящихся на единицу площади; функциональная плотность – число преобразований с одной переменной, приходящихся на

единицу площади; функциональная сложность – число преобразований в микросхеме, приходящихся на одну

переменную.Как и обычные микросхемы, БИС создают на основе полупроводниковой и пленочной

технологий, поэтому различают полупроводниковые и гибридные БИС.БИС, как правило, не обладают широкой универсальностью и предназначены для конкретных

типов аппаратуры. Для создания БИС и СБИС частного применения используются базовые матричные кристаллы.

Различают цифровые и аналоговые БИС. К аналоговым БИС, например, относятся прецизионные операционные усилители высшего класса, усилители для качественного воспроизведения звука и т.д. Цифровые БИС наибольшее применение нашли в ЭВМ, например, микропроцессорные схемы, схемы оперативной памяти, схемы, осуществляющие функции управления, преобразования, стыковки с реальным объектом и т.д.

Микропроцессорные БИС включают в себя целые устройства ЭВМ. Микропроцессор реализует такие функции, как декодирование, управление выполнением команд и т.д., т.е. он организует заданную в виде программы последовательность действий – процесс.

26

По технологическому признаку БИС делятся на полупроводниковые и гибридные. Наибольшее распространение получили полупроводниковые БИС на основе МДП-транзисторов, обеспечивающих большую степень интеграции за счет меньших размеров транзисторов и меньшей площади изоляции.

Раздел 2. Схемотехника цифровых устройствТема 2.1. Интегральные логические элементы

1. Понятие логической функции и логического устройства2. Основные логические функции3. УГО и таблицы истинности логических элементов

1. В цифровой технике для обозначения различной информации пользуются кодовыми словами. Для их построения используются символы 0 и 1, которые называют логический ноль (лог. 0) и логическая единица (лог. 1), соответственно.

Информация, которая передается между отдельными узлами сложного устройства, представляется в виде кодовых слов. Таким образом, на входы каждого узла поступают одни кодовые слова, а на выходе образуется новое кодовое слово, представляющее собой результат обработки входных слов. Выходное слово зависит от того, какие слова поступают на входы узла. Поэтому можно говорить, что выходное слово есть функция, для которой аргументами являются входные слова. При этом и функция, и ее аргументы могут принимать только значения лог.0 и лог.1. Такая функция называется логической функцией или функцией алгебры логики. Устройство, предназначенное для формирования функции алгебры логики, называется логическим устройством или цифровым устройством (ЦУ).

Логическую функцию можно задать следующими способами: словесно. Например, функция принимает значение лог. 1, если оба аргумента принимают

значение лог. 1. таблично. Функция задается в виде таблицы, в которой приводятся все возможные наборы

аргументов и соответствующие им значения функции. Такая таблица называется таблицей истинности.

аналитически. Функция задается в виде логического выражения.

2. Существует множество логических функций. Основными из них являются следующие функции:

1. Логическое отрицание; инверсия; операция НЕ f = х

2. Логическое сложение; дизъюнкция; операция ИЛИ f = х1 v х2

3. Логическое умножение; конъюнкция; операция И f = х1 · х2

4. Отрицание логического сложения; отрицание дизъюнкции; операция ИЛИ-НЕ; стрелка Пирса

f = х1 v х2

5. Отрицание логического умножения; отрицание конъюнкции; операция И-НЕ; штрих Шеффера

f14 = х1 · х2

6. Функция неравнозначности; сумма по модулю 2; операция исключающее «ИЛИ» f6 = х1 v х2

3. Логическое устройство, реализующее работу какой-либо логической функции, называется логическим элементом.

Общее условно-графическое обозначение (УГО) логических элементов: элемент с прямыми входами и прямым выходом элемент с прямыми входами и инверсным выходом

*

*

27

* - функция, которую выполняет логический элемент.Характеристики логических элементов: напряжение лог.0 и лог.1 (U0, U1); коэффициент объединения по входу – определяет количество входов элемента, по которым

реализуется логическая функция; коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность) – определяет количество

входов аналогичных элементов, которые можно подключить к выходам данного; быстродействие – определяется максимальной задержкой распространения сигнала от

входа к выходу tз = 0,5·(tз0,1 +tз1,0); помехоустойчивость – определяется максимальной величиной помехи, не вызывающей

нарушения работы элемента.

Условно-графическое обозначение и таблицы истинности основных логических элементов: элемент НЕ элемент ИЛИ элемент И

х х х1 х2vх1 х1 х2·х1

х2 х2

элемент ИЛИ-НЕ элемент И-НЕ элемент исключающее ИЛИ

х1 х2vх1 х1 х2·х1 х1 х2vх1

х2 х2 х2

Тема 2.2. Комбинационные цифровые устройства 1. Шифратор и дешифратор2. Мультиплексор и демультиплексор3. Сумматоры

1. Шифратор – КЦУ, служащее для преобразования десятичного числа в двоичный код.

УГО шифратора Таблица истинности шифратора

Десятичноечисло

Двоичный код 8421

х8 х4 х2 х1

0 0 0 0 01 0 0 0 12 0 0 1 03 0 0 1 1

х2 х1 х2vх1

0 0 00 1 11 0 11 1 1

х2 х1 х2·х1

0 0 00 1 01 0 01 1 1

х х0 11 0

х2 х1 х2vх1

0 0 10 1 01 0 01 1 0

х2 х1 х2 v х1

0 0 00 1 11 0 11 1 0

х2 х1 х2·х1

0 0 10 1 11 0 11 1 0

0 CD1 2 3 1 4 25 46 87 8 9

28

&1

&

1

1 =1

4 0 1 0 05 0 1 0 16 0 1 1 07 0 1 1 18 1 0 0 09 1 0 0 1

Шифраторы широко используются в разнообразных устройствах ввода информации в цифровые системы. Такие устройства могут снабжаться клавиатурой, каждая клавиша связана с определенным входом шифратора. При нажатии выбранной клавиши подается сигнал на соответствующий вход шифратора, и на его выходе возникает двоичное число, соответствующее выгравированному на клавише символу.

Дешифратор – КЦУ, служащее для преобразования двоичного кода в десятичное число.

УГО дешифратора Таблица истинности дешифратора

Дешифраторы имеют широкое применение. В частности, они используются в устройствах, печатающих на бумаге выводимые из цифрового устройства числа и текст. В таких устройствах двоичное число, поступая на вход дешифратора, вызывает появление сигнала на определенном его выходе. С помощью этого сигнала производится печать символа, соответствующего входному двоичному числу.

2. Мультиплексор – КЦУ, служащее для коммутации одного из информационных входов с выходом в соответствии с адресом.

УГО мультиплексора Таблица истинности мультиплексора

Назначение выводов мультиплексора: D0 ÷ D3 – информационные входы А0, А1 – адресные входы С – синхровход Q – информационный выход

При отсутствии стробирующего сигнала (С=0) связи между информационными входами и выходом нет. При С=1 на выход Q подключается вход D2, номер которого 2 соответствует двоичному коду на адресных входах 10.

Демультиплексор – КЦУ, служащее для коммутации информационного входа с одним из информационных выходов в соответствии с адресом. УГО демультиплексора Таблица истинности демультиплексора

Двоичный код 8421 Десятичноечислох8 х4 х2 х1

0 0 0 0 00 0 0 1 10 0 1 0 20 0 1 1 30 1 0 0 40 1 0 1 50 1 1 0 60 1 1 1 71 0 0 0 81 0 0 1 9

Входы ВыходА0 А1 Q* * 00 0 D0

0 1 D1

1 0 D2

1 1 D3

DC 0 1 21 32 44 58 6 7 8 9

D0 MSD1

D2

D3 Q A0

A1

DMD Q0

Q1

Q2 А0 Q3

A1

29

Назначение выводов демультиплексора: D – информационный вход А0, А1 – адресные входы Q0 ÷ Q3 – информационные выходы

3. Сумматор – КЦУ, служащее для алгебраического сложения двух двоичных чисел. В зависимости от разрядности складываемых чисел сумматоры бывают одноразрядными и

многоразрядными.В зависимости от способа ввода двоичных слагаемых сумматоры делятся на два типа:

последовательного и параллельного действия. В сумматоры первого типа слагаемые вводятся в последовательной форме, т.е. разряд за разрядом (младшим разрядом вперед), в сумматоры второго типа каждое из слагаемых подается в параллельной форме, т.е. одновременно всеми разрядами.

УГО одноразрядного Таблица истинности двоичного сумматора одноразрядного двоичного сумматора

Назначение выводов сумматора:ai, bi – входы слагаемых;pi – вход переноса;si – выход суммы;pi+1 – выход переноса

УГО многоразрядного сумматора параллельного действия

При подаче слагаемых цифры их разрядов поступают на соответствующие одноразрядные сумматоры. Каждый из одноразрядных сумматоров формирует на своих выходах цифру соответствующего разряда суммы и перенос, передаваемый на вход одноразрядного сумматора следующего (более старшего) разряда.

Тема 2.3. Последовательностные цифровые устройства1. Общие сведения о триггерах2. УГО, схемы, принцип работы триггеров 3. Общие сведения о регистрах4. Регистры памяти и сдвига5. Общие сведения о счетчиках6. Суммирующий и вычитающий счетчики

1. Триггер – это ПЦУ, служащее для длительного хранения одного разряда двоичного числа.Общее условно-графическое обозначение (УГО) триггера

Входы ВыходыА0 А1 Q0 Q1 Q2 Q3

0 0 D 0 0 00 1 0 D 0 01 0 0 0 D 01 1 0 0 0 D

Входы ВыходыСлагаемые Перенос Сумма Перенос

ai bi pi si pi+1

0 0 0 0 00 1 0 1 01 0 0 1 01 1 0 0 10 0 1 1 00 1 1 0 11 0 1 0 11 1 1 1 1

ai SM Si

bi pi pi+1

А1 SMB1

A2 S1

B2 S2

A3 S3

B3 S4

A4 P5

B4

P0

30

Q

Q Триггер может находиться в одном из двух состояний: лог. 0 или лог. 1.Триггер имеет два выхода: прямой Q и инверсный Q. О состоянии триггера судят по уровню

напряжения на выходе Q: если напряжение на выходе Q соответствует уровню лог. 0 (Q=0), то и триггер находится в состоянии лог. 0, при Q=1 триггер находится в состоянии лог.1.

Триггеры имеют различные типы входов, которыми определяется наименование триггера. Различают четыре типа триггеров: RS-триггер, JK-триггер, D-триггер, T-триггер.

Интегральные триггеры реализуются на логических элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ. По характеру реакции на входные сигналы триггеры бывают асинхронными и синхронными.Асинхронный триггер реагирует на входные сигналы с момента их подачи на входы триггера.

Такой триггер не имеет управляющего (синхронизирующего) входа С.Синхронный триггер имеет управляющий (синхронизирующий) вход С и реагирует на входные

сигналы только при подаче синхронизирующего сигнала на этот вход.

2. Асинхронный RS-триггер имеет два информационных входа: R – раздельный вход установки состояния лог. 0, S – раздельный вход установки состояния лог.1, и не имеет синхронизирующего входа.

УГО RS-триггера Структура триггера Таблица истинности RS-триггера на элементах ИЛИ-НЕ (бистабильная ячейка) на элементах ИЛИ-НЕ

Асинхронный RS-триггер переключается с момента поступления сигналов на его входы. Если на вход R подан сигнал лог.1 (активный уровень для элемента ИЛИ-НЕ), то триггер устанавливается в состояние 0. Если на вход S подан сигнал лог.1 (активный для элемента ИЛИ-НЕ), то триггер устанавливается в состояние 1. Если на оба входа подаются сигналы лог.0 (пассивные уровни для элементов ИЛИ-НЕ), то триггер не изменяет своего состояния, т.е. находится в режиме хранения. Если на оба входа подаются сигналы лог.1 (активные уровни для элементов ИЛИ-НЕ), то на выходах триггера появятся одинаковые сигналы, что противоречит определению триггера (такую комбинацию подавать на входы триггера нельзя).

Синхронный D-триггер имеет два входа: информационный вход D – вход установки триггера в состояние, соответствующее логическому уровню на этом входе и синхронизирующий вход С. УГО D-триггера Структура D-триггера

Таблица истинности Временные диаграммы

* т

*

31

При наличии на входе C положительного фронта импульса D-триггер переключается в состояние, соответствующее уровню, действующему на входе D (если D=0, то Q=0; если D=1, то Q=1).

При отсутствии на входе C положительного фронта импульса D-триггер находится в режиме хранения.

Синхронный Т-триггер имеет один вход Т – счетный вход.

УГО триггера Таблица истинности триггера Временные диаграммы

Т-триггер переключается в момент действия отрицательного фронта каждого импульса, поступающего на вход Т. Своими переключениями триггер как бы подсчитывает поступающие импульсы. Поэтому он называется счетным.

Синхронный JK-триггер имеет три входа: J – вход установки состояния лог.1, K – вход установки состояния лог.0, С – синхронизирующий вход. универсального триггера

УГО триггера Таблица истинности триггера

Временная диаграмма

JK- триггер переключается в соответствии с таблицей истинности в момент действия отрицательного фронта импульса на входе С. При отсутствии на входе С отрицательного фронта импульса JK-триггер находится в режиме хранения.

JK-триггер может использоваться в качестве двухступенчатого RS-триггера, D-триггера, Т-триггера, поэтому он называется универсальным.

Использование JK-триггера в качестве:

D-триггера Т-триггера

3. Регистр – ПЦУ, служащее для записи, хранения, сдвига и выдачи многоразрядного

двоичного числа.Регистр строится в виде набора триггеров, каждый из которых предназначается для хранения

цифр определенного числа. Таким образом, регистр для хранения n-разрядного двоичного числа должен содержать n триггеров. Одновременно регистр может хранить только одно слово.

Регистры строятся на основе RS, JK, D-триггеров.В зависимости от способа ввода и вывода двоичного числа регистры могут быть: параллельные; последовательные; параллельно-последовательные;

32

последовательно-параллельные.Параллельные регистры называются также регистрами памяти, остальные регистры являются

регистрами сдвига.УГО универсального регистра Назначение выводов: D0 ÷ D7 – информационные входы при параллельной записи; DR, DL – информационные входы при последовательной записи; S0, S1 – входы выбора режима работы R – вход установки нуля; Q0 ÷ Q7 – информационные выходы.

4. В параллельных регистрах ввод и вывод двоичного числа осуществляется одновременно всеми разрядами. Такие регистры могут только хранить двоичное число, поэтому называются регистрами памяти.

Схема регистра памяти на D – триггерах

Двоичное число поступает на входы D триггеров регистра одновременно всеми разрядами. В момент действия на входе C положительного фронта импульса число записывается в регистр, а затем он переходит в режим хранения.

Регистры, в которых ввод и/или вывод информации осуществляется последовательно, называются регистрами сдвига.

Суть сдвига заключается в перезаписи двоичного разряда из одного триггера в другой (соседний). Если перезапись разряда происходит из старшего разряда в младший, то осуществляется сдвиг вправо; если перезапись происходит из младшего разряда в старший, то осуществляется сдвиг влево.

Схема четырехразрядного регистра сдвига вправо на D – триггерах

Схема четырехразрядного регистра сдвига влево на D – триггерах

C RGDRS1

S0 D0 Q0

D1 Q1

D2 Q2

D3 Q3

D4 Q4

D5 Q5

D6 Q6

D7 Q7

DLR

33

5. Счетчик – ПЦУ, служащее для счета импульсов, поступающих на его вход.Счетчики строятся на основе JK и Т-триггеров. Если в схему счетчика входит n триггеров, то

счетчик является n-разрядным.Характеристики счетчика: коэффициент счета (Ксч) – число импульсов, после поступления которых на вход счетчика

он переключается в исходное состояние. Коэффициент счета зависит от разрядности счетчика n и определяется по формуле Ксч= 2n;

емкость счетчика – максимальное число импульсов, которое может сосчитать счетчик за один полный цикл счета;

быстродействие – определяется временем переключения триггеров и скоростью передачи переноса между разрядами.

Классификация счетчиков:По направлению счета: суммирующий (счет идет в возрастающем порядке); вычитающий (счет идет в убывающем порядке); реверсивный (счет может вестись как в возрастающем, так и в убывающем порядке).

По порядку изменения состояний: с естественным порядком счета (соседние состояния счетчика отличаются на единицу); с произвольным порядком счета (соседние состояния счетчика отличаются более чем на

единицу).По коэффициенту счета: двоичные (Ксч= 2n); десятичные (Ксч=10); недвоичные (Ксч= 2n).

УГО двоично-десятичного реверсивного счетчика

Назначение выводов: D8, D4, D2, D1 – входы предварительной записи; С – вход разрешения предварительной записи; +1, –1 – счетные входы при работе счетчика в суммирующем и вычитающем режимах, соответственно; R – вход установки нуля; Q8, Q4, Q2, Q1 – информационные выходы; ≥9, ≤0 – выходы переноса при работе счетчика в суммирующем и

вычитающем режимах, соответственно.

6. Счетчик, в котором счет идет в возрастающем порядке, называется суммирующим. Триггеры в таком счетчике соединяются следующим образом: прямой выход младшего триггера со счетным входом старшего триггера. Информация о состоянии счетчика снимается с прямых выходов триггеров.

Схема трехразрядного суммирующего счетчика Таблица истинности счетчика на Т-триггерах

D1 СТ D2 2/10 Q1

D4 Q2

D8 Q4

C Q8

+1 ≥9-1 ≤0R

34

Счетчик, в котором счет идет в убывающем порядке, называется вычитающим. Триггеры в таком счетчике соединяются следующим образом: обратный выход младшего триггера со счетным входом старшего триггера. Информация о состоянии счетчика снимается с прямых выходов триггеров.

Схема трехразрядного вычитающего счетчика Таблица истинности счетчика на Т-триггерах

Список использованных источниковУчебные издания

1. Некрылова Т.Б. Электронная техника. Учебное пособие. КС ПГУТИ, 2015. Электронная версия.

2. Славкина Т.А. Вычислительная техника. Учебное пособие. КС ПГУТИ, 2015. Электронная версия.

3. Ушакова Л.В. Электронная техника. Учебное пособие. – М.: УМЦ СПО, 2008.4. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. – М.: Горячая линия

– Телеком, 2007.

Интернет-ресурсы

1. http://www.intuit.ru2. http://ru.wikipedia.org3. http://narod.ru4. http://coolreferat.com5. http://gendocs.ru6. http://www.bestreferat.ru7. http://xreferat.ru

35

36