Опорный конспект по разделу "Электроника" курса "Электротехника и электроника"
advertisement
Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ПО РАЗДЕЛУ "ЭЛЕКТРОНИКА" КУРСА "ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА" Методические указания к изучению дисциплины "Электротехника и электроника" Уфа 2009 7 Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет Кафедра теоретических основ электротехники ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ПО РАЗДЕЛУ "ЭЛЕКТРОНИКА" КУРСА "ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА" Методические указания к изучению дисциплины "Электротехника и электроника" Уфа 2010 8 Составители: Р. В. Ахмадеев, Т. М. Крымская, О. В. Мельничук УДК 621.38(07) ББК 32.85 (я7) Опорный конспект по разделу "Электроника" курса "Электротехника и электроника": Методические указания к изучению дисциплины "Электротехника и электроника" / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост.: Р. В. Ахмадеев, Т. М. Крымская, О. В. Мельничук. – Уфа, 2010. – 44 с. Содержит сведения об элементной базе современных устройств полупроводниковой электроники: классификацию, вольтамперные характеристики, основные схемы включения и особенности применения в различных режимах работы, а также принципах построения типовых аналоговых, импульсных и цифровых устройств. Соответствует Государственному образовательному стандарту по дисциплине "Электротехника и электроника" для студентов следующих направлений подготовки и специальностей: 090100; 140100; 140500; 150200; 150400;150500; 150600; 150700; 150800; 150900; 151000; 160100; 160300; 190700; 200500; 220100; 220200; 220300; 220400; 230100; 230200; 230300; 230400; 280100; 280200. Предназначено для студентов вышеуказанных специальностей и направлений подготовки очной, очно-заочной и заочной форм обучения, включая филиалы. Библиогр.: 6 назв. Рецензенты: канд. техн. наук ст. преп. каф. ТОЭ Фаррахов Р. Г., канд. техн. наук доц. каф. ИИТ Мукаев Р. Ю. © Уфимский государственный авиационный технический университет, 2010 9 СОДЕРЖАНИЕ 1. 2. 3. 4. 5. ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………. ..5 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СОВРЕМЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ ....... ..7 1.1. Полупроводниковые диоды..................................................... ..7 1.2. Транзисторы.............................................................................. ..8 1.3. Тиристоры................................................................................. 13 1.4. Оптоэлектроника...................................................................... 14 ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА НА ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ.................................................................................... 15 2.1. Выпрямители............................................................................. 15 2.2. Сглаживающие фильтры......................................................... 17 2.3. Стабилизаторы.......................................................................... 18 2.4. Усилительные каскады на биполярных транзисторах.......... 19 2.5. Электронные генераторы (автогенераторы).......................... 21 2.6. Мультивибраторы…………………………............................ 22 2.7. Импульсные устройства (триггеры)....................................... 22 АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА............................................... 23 3.1. Операционные усилители (ОУ).............................................. 23 3.2. Импульсные устройства (триггеры)....................................... 25 3.3. Мультивибраторы.................................................................... 26 ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА........................................................ 28 4.1. Базовые логические элементы (БЛЭ)..................................... 28 4.2. Основные типы логических элементов.................................. 28 4.3. Основные типы БЛЭ................................................................ 29 4.4. Импульсные устройства (триггеры)....................................... 30 4.5. Мультивибраторы.................................................................... 33 4.6. Шифраторы............................................................................... 34 4.7. Дешифраторы........................................................................... 34 4.8. Мультиплексоры...................................................................... 35 4.9. Демультиплексоры................................................................... 35 4.10. Регистры.................................................................................... 36 4.11. Счётчики.................................................................................... 36 4.12. Сумматоры................................................................................ 37 ДИСКРЕТНО-АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА............................ 39 5.1. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)......................... 39 5.2. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)......................... 39 10 6. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА.......................................... 6.1. Структурная схема микроЭВМ............................................... 6.2. Структурная схема микропроцессора.................................... 7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................. 11 40 40 41 44 ВВЕДЕНИЕ Опорный конспект предназначен для изучения раздела "Электроника" дисциплины "Электротехника и электроника" для следующих неэлектротехнических направлений подготовки бакалавров и дипломированных специалистов: 090100; 140100; 140500; 150200; 150400;150500; 150600; 150700; 150800; 150900; 151000; 160100; 160300; 190700; 200500; 220100; 220200; 220300; 220400; 230100; 230200; 230300; 230400; 280100; 280200. Методические указания являются составной частью учебнометодического комплекса (УМК) по курсу "Электротехника и электроника" и помогают в решении основных задач изучения дисциплины, таких как формирование у студентов минимально необходимых знаний об элементной базе современных устройств полупроводниковой электроники, принципах построения типовых аналоговых, импульсных и цифровых устройств. Дисциплина "Электротехника и электроника" базируется главным образом на дисциплинах естественно-научного цикла: "Физика" (разделы "Электричество и магнетизм", "Колебания и волны"); "Высшая математика" (разделы "Дифференциальное и интегральное исчисления", "Векторный анализ", "Теория функций комплексного переменного", "Алгебра логики") и "Основы информатики и вычислительной техники" (разделы "Вычислительные методы решения дифференциальных уравнений", операции с матрицами), "Материаловедение" (раздел "Электротехнические материалы"). В свою очередь, данная дисциплина является основой для изучения специальных дисциплин. В материалах опорного конспекта изложены краткие теоретические сведения по электронике, которые могут быть использованы при проведении всех видов занятий и в процессе самостоятельной работы студентов при изучении следующих тем: "Элементная база современной электроники" (раздел 1), "Электронные устройства на дискретных элементах" (раздел 2), "Аналоговая схемотехника" (раздел 3), "Цифровая электроника" (раздел 4), "Дискретно-аналоговые устройства" (раздел 5), "Микропроцессорная техника" (раздел 6). 12 Опорный конспект предназначен для более эффективного усвоения лекционного материала, а также для выполнения расчётнографических и курсовых работ и подготовки к лабораторнопрактическим занятиям, зачетам и экзаменам. Опорный конспект охватывает весь объем материала раздела "Электроника", предусмотренного примерной программой дисциплины "Общая электротехника и электроника", рекомендованной Минобразованием России для направлений подготовки (специальностей) в области техники и технологии. 13 1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СОВРЕМЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 1.5. Полупроводниковые диоды Прямое включение p-n-перехода Обратное включение p-n-перехода Езап А p Езап К n А p n Eвн Eвн Iпр ( ) I = I s eu /φt − 1 , φt = kT qe Выпрямительные Диоды точечные СВЧ-диоды Выпрямительные Стабилитроны Туннельные Варикапы Обращённые Диоды плоскостные Светодиоды Фотодиоды Фотоэлементы полупроводниковые 14 К Iобр≈0 Вольтамперная характеристика (ВАХ) Реальная Идеализированная Идеальная диод Iпр I I Uпр Uобр Uобр max U U I0 Iобр стабилитрон Iпр I I Uпр Uобр Uст Iст min U U Iст Iст max Iобр 1.6. Транзисторы 1.2.1. Биполярные транзисторы (БПТ) Типы БПТ Структура БПТ Эмиттер n p n n-p-n Эмиттернобазовый переход Эмиттер p n p-n-p Эмиттернобазовый переход База Коллектор Базовоколлекторный переход База p Условное графическое обозначение (УГО) Коллектор Базовоколлекторный переход 15 К Э Б К Э Б Режимы работы БПТ Основной (активный, усилительный) режим Инверсный режим Режим насыщения Режим отсечки Переход КБ БЭ заперт открыт открыт заперт открыт открыт заперт заперт С общим коллектором (ОК) С общим эмиттером (ОЭ) С общей базой (ОБ) Электрические схемы включения БПТ IЭ IК VT UКБ UБЭ Iвх ОБ=-IЭ, Uвх ОБ=-UБЭ, Iвых ОБ=IК, Uвых ОБ=UКБ; ∂I α= К , ∂I Э U =const КБ IБ α < 1 ≈ 0,9...0,99 IК IБ VT UКЭ Iвх ОЭ=IБ, Uвх ОЭ=UБЭ, Iвых ОЭ=IК, Uвых ОЭ=UКЭ; ∂I α β= К = ∂I Б U =const 1-α КЭ UБЭ IЭ IЭ IБ VT UКЭ UКБ Iвх ОК=IБ, Uвх ОК=-UКБ, Iвых ОК=-IЭ, Uвых ОК=-UКЭ; U KU ОК = вых ОК ≈ 1 U вх ОК IК 16 Вольтамперные характеристики БПТ, включенного по схеме с ОЭ Входные Выходные мА UКЭ2> UКЭ1 мкА IБ IК доп UКЭ=0 UКЭ1 UКЭ2 800 IБ1< IБ2< IБ3< IБ4 IК IБ3 IБ4 600 Рк доп max IБ2 400 IБ1 200 |UБЭ| |UКЭ| IБ=0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 В 0 Транзистор в виде четырёхполюсника I&1 I&2 А U&1 h11 = U& 2 h12 = h 21 = U&1 = h11 I&1 + h12U& 2 , & I 2 = h 21I&1 + h 22U& 2 h 22 = U&1 I&1 U& U&1 U& 2 I&2 I&1 2 =0 I&1 = 0 U& 2 = 0 I&2 U& 2 I&1 =0 |UКЭ доп max| В Физический смысл hпараметров входное сопротивление транзистора при к.з. на выходе, [Ом] коэффициент обратной связи по напряжению при х.х. на входе коэффициент передачи тока при к.з. на выходе выходная проводимость при х.х. на входе, [См] Эквивалентная схема замещения транзистора (с ОЭ) I&1 U&1 I&2 h11 h12U& 2 h21I&1 17 1/h22 J U& 2 1.2.2. Полевые транзисторы (ПТ) Исток Сток С Исток З И n p З Исток Затвор n С И Затвор p n p Сток nтипа УГО Затвор n p n с каналом n-типа З С П И З С П И З С П И З С П И Подложка ртипа Сток Исток Затвор p p n Подложка с индуцированным каналом МДП Структура ПТ Сток со встроенным каналом С p-n переходом Типы ПТ с каналом р-типа nтипа Сток Затвор n Исток n p Подложка ртипа Сток Затвор p n Исток p Подложка 18 Электрические схемы включения ПТ IИ С общим затвором UЗИ (ОЗ) Iвх ОЗ=-IИ, Uвх ОЗ=-UЗИ, Iвых ОЗ=IС, Uвых ОЗ=UСЗ UСЗ IЗ IС VT С общим IЗ истоком UЗИ (ОИ) С общим стоком UСЗ (ОС) IС VT UСИ IИ IЗ Типы ПТ С p-n переходом VT Iвх ОИ=IЗ, Uвх ОИ=UЗИ, Iвых ОИ=IС, Uвых ОИ=UСИ IИ Iвх ОС=IЗ, Uвх ОС=-UСЗ, Iвых ОС=-IИ, Uвых ОС=-UСИ UСИ IС Вольтамперные характеристики ПТ, включенного по схеме с ОИ Стокозатворные Выходные IС UСИ1< UСИ2 UСИ2 UЗИотс IC UСИ1 UЗИ 0 UЗИ=0 UЗИ>0 UCИ 0 IC IC UЗИ>0 UЗИ=0 со встроенным каналом n-типа UЗИ<0 0 МДП UЗИ UCИ 0 IC IC с индуцированным каналом n-типа UЗИ>0 UЗИ=0 0 UЗИпор 19 UЗИ 0 UCИ 1.3. Тиристоры Классификация УГО Несимметричные Диодные тиристоры (динисторы) Симметричные Несимметричные Триодные тиристоры (тринисторы) Симметричные Динистор Структура Анод n p p Тринистор n Катод Анод p n p n Катод Управляющий электрод Статические ВАХ Iпр Iпр Iу1>Iу2>Iу3>Iу Iу1 Iу2 Iу3 Iу=0 Iвыкл Uобр Iвкл Iобр Uпр Uпр Uобр Uвкл 0 Iобр Iобр 20 1.4. Оптоэлектроника Фоторезистор УГО Электрические схемы включения ВАХ I Ф2>Ф1 Iс Rн Ф1 R Iф Ф=0 Iт 0 U U Е I Uраб а) Rн Фотодиод VD U Еобр I Iт Ф=0 Ф1 Ф2>Ф1 I U б) Uxx Rн Iкз VD U Фототранзистор Светодиод I Rн I VD – U Еп U 0 + I Uраб Iк Ф1<Ф2 Ф2 Ф1 Ф=0 |Uкэ| 0 21 Rн VT UКЭ IК Еп 2. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА НА ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ 2.1. Выпрямители 2.1.1. Однофазные выпрямители Электрические схемы Основные соотношения Временные диаграммы Однополупериодный выпрямитель Тр ~u1 iVD ~u2 VD U2max ωt iн=iVD Rн u2 π 0 uн IVD ср 2π uVD, iuVD u iVD ωt IVDср = I нср , Uобр max = U2max, U н max U н ср = = π U = 2max , π 0 Uобр max Uн max uн, iн I нср = uVD u iн Uн ср uн Iн max q= ωt 0 I н max π , U1max π = ≈ 1,57 Uн ср 2 Iн ср Двухполупериодные выпрямители U2max Мостовая схема выпрямления Тр ∼u1 ωt ∼u2 2π uVD4,2, iVD4,2 iVD4,2 ωt IVD cp 0 VD3 iн π 0 VD1 VD4 u2 Rн VD2 uн 0 uн Uн ср ωt q = iн Iн ср 22 I н ср , 2 Uобр max = U2max, 2U н max = U н ср = π 2U 2max = , π uVD4,2 Uобр max uн, iн Uн max Iн max IVDср = I н ср = 2 I н max π , U1max 2π = ≈ 0,67 U н ср 3 Электрические схемы Схема с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора Тр ∼u1 ∼u2″ u2″ u2′ u2 U2max ωt π 0 2π U н ср = uVD1, iVD1 VD1 ∼u2′ Основные соотношения I н ср IVDср = , 2 Uобр max = 2U2max, Временные диаграммы iVD1 ωt = 0 uVD1 Rн iн Uобр max uн Uн max uн, iн uн Uн ср Iн max VD2 q= 2U н max π = 2U 2max , π 2 I н max I н ср = , π U1max 2π = ≈ 0,67 U н ср 3 ωt 0 iн Iн ср 2.1.2. Трехфазные выпрямители Временные диаграммы Электрические схемы Трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом А В С Тр u2а U2max u2 u2а u2b u2c t 0 a VD1 u2b b VD2 u2c c VD3 Rн uн uн, iн Uн max Uн cp Iн max Iн cp 0 uн t iн T iн 23 T/3 Основные соотношения I н ср IVDср = , 3 Uобр.max = Uл max, 3 3U н max U н ср = , 2π 3 3I н max I н ср = ≈ 2π ≈ 0,827 I н max , U q = 1max ≈ 0, 25 U н ср Временные диаграммы Электрические схемы Мостовой трехфазный выпрямитель U2max u2 u2a u2b u2c t u2а А u2b В VD1 VD3 a b u2c С iн VD5 0 uн, iн Rн uн Uн max Iн max c t 0 iн VD2 VD4 VD6 T T/3 Основные соотношения I н ср , IVDср = 3 Uобр max=Uл max, 3 3U фmax U н ср = , π 3I н max I н ср = ≅ π ≅ 0,955I н max , U q = 1max ≈ 0,057 U н ср 2.2. Сглаживающие фильтры Электрические схемы Временные диаграммы Основные соотношения C-фильтр τ = RнC, τ >> T uвх Uвх max uвх C Rн uн t 0 u н с фильтром Uн max t 0 τ без фильтра L-фильтр uвх, uн L uвх iн uвх L , Rн τ >> T τ= uн Rн uн t 0 24 Типы фильтров RC-фильтр LC-фильтр L Rф Г-образный uвх Rн uн C uвх Rф C Rн uн L П-образный uвх C1 C2 Rн u н uвх C1 C2 Rн u н 2.3. Стабилизаторы Параметрический стабилизатор напряжения Непрерывный компенсационный стабилизатор напряжения + + Uвх Iб Iэ VT Rб VD Iст Rн Uн Uк Iн R1 VD - - 25 Uбэ Uоп Uэ 2.4. Усилительные каскады на БПТ Электрические схемы с общим эмиттером +EК RБ RК Свых Свх VT ∼uвх Rн ∼uвых Основные соотношения U R I R RвхОЭ = вхОЭ = вхОБ Э = вхОБ , I вхОЭ (1 − α) I Э (1 − α) I I α = β > 1, K I ОЭ = выхОЭ = К = I вхОЭ IБ 1 − α U R (1 − α)αI Э KU ОЭ = выхОЭ = н = U вхОЭ (1 − α) RвхОБ I Э =α с общей базой RК VT +ЕК RБ CЭ Rн ∼uвых с общим коллектором +EК Свх ∼uвх RБ1 VT Свых RБ2 RЭ Rн ∼uвых Характеристики усилительного каскада на БПТ Входное сопротивление Выходное сопротивление Усиление по току Усиление по напряжению I выхОБ I К αI Э = ≈ = α < 1, I вхОБ IЭ IЭ U RI = выхОБ = н К ≈ U вхОБ RБЭ I Э K I ОБ = KU ОБ ∼uвх Rн = KU ОБ > 1 RвхОБ ≈ Rн αI Э R = α н >1 RБЭ I Э RБЭ U вхОК U ЭК − U БЭ Rн + RвхОБ = = , I вхОК (1 − α) I Э (1 − α) I IЭ 1 K I ОК = выхОК = = > 1, I вхОК (1 − α) I Э (1 − α) U Rн I Э KU ОК = выхОК = = U вхОК RвхОК (1 − α) I Э Rвх ОК = = Rн (1 − α) I Э Rн = ≈1 (1 − α)( Rн + RвхОБ ) I Э Rн + RвхОБ Электрические схемы включения БПТ с ОБ с ОЭ с ОК низкое среднее высокое высокое среднее низкое отсутствует имеется имеется имеется имеется отсутствует 26 Температурная стабилизация рабочей точки введением отрицательной обратной связи по току эмиттера +EК IК RК Свых RБ1 Свх IБ1>IБ0 IК max VT ∼uвх RБ2 точка насыщения RЭ СЭ Rн ∼uвых A IК П IБ0 0 линия нагрузки точка отсечки UКЭ UКЭ max UКЭ П EК , UКЭ max=EК, RК E U I К = К − КЭ RК RК I К max = Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) Амплитудная характеристика Uвых участок насыщения Ku Ku max K u max 2 линейный участок 0 Uвх 0 начальный (нелинейный) участок 27 f fн f0 fв 2.5. Электронные генераторы (автогенераторы) Структурная схема k& U& вх Условие самовозбуждения U& вых k& ⋅ β& = 1 ⇒ jψ k& = k ⋅ e u ⇒ jψ β& = β ⋅ e ос β& U& oc 2.5.1. LC – автогенераторы Маломощный LC – автогенератор +Ек M Lк Мощный LC – автогенератор Lб С L +Ек Cб Rб Rб VT M VT Lб ∼uвых Rэ Cэ Rэ rLб < Lб , ω0 = Cб 1 Lб Cб 28 Lк Cэ ω0 = τ Lб > τ Cб ∼uвых 1 Lк Cк Cк 2.5.2. RC – автогенераторы Cр Rб1 +Eк Rк C1 C2 C3 VT Rб2 Rэ Uвых R1 Cэ R3 R2 2.6. Мультивибраторы +Ек Rк1 Rб2 С1 Rб1 Rк2 С2 & VT2 U вых2 U& вых1 VT1 2.7. Импульсные устройства (триггеры) R1 R2 С1 С2 Rк1 U& вых1 +Ек Rк2 VT1 VT2 I&вх1 I&вх2 R3 -Еб 29 R4 U& вых2 3. АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА 3.1. Операционные усилители (ОУ) 3.1.1. Основные схемы включения операционных усилителей Неинвертирующая Инвертирующая Электрические схемы включения I&1 U& вх Z1 I&oc Zос I&вх DA Основные соотношения U& вых Z & KU = ≅ − ос U& вх Z1 U& вх и U& вых U& вых Z & KU = ≅ 1 + ос U& вх Z1 DA Zос U& вх U& вых Z1 3.1.2. Функции ОУ Выполняемые функции масштабирования Электрические схемы I&1 U& вх R1 I&oc Rос I&вх DA U& вх и U& вых R & KU = ≅ − ос U& вх R1 U& вых 30 Основные соотношения Выполняемые функции суммирования Основные соотношения U& вых Z & KU = n = − ос , Z1 ∑U& вх i Электрические схемы Zос Z1 Z1 DA i =1 Z1 n U& вх1 U& вх2 U& вх n дифференцирования U& вых Z K& U = − ос = − jωRC Z1 R DA С Z U& вых = − ос ∑U& вх i Z 1 i=1 U& вх U& вых интегрирования C Z 1 K& U = − ос = − Z1 jωRC DA R U& вых U& вх логарифмирования VD R DA U вых = U T ln( U вх U вых а) VT R U вых б) 31 U вх ); RIVDобр б) U вых = U T ln( где UT = DA U вх а) kT qe U вх RIVTобр нас ), Выполняемые Электрические схемы функции потенцииро- а) R вания Основные соотношения а) U вых = − RIVDобр e б) DA VD U вых = − RIVTобр насe kT где U T = qe U вх U вых U вх UT U вх UT ; , б) R DA VT U вх U вых 3.2. Импульсные устройства (триггеры) Электрические схемы Триггеркомпаратор (однопороговая U& вх схема U& оп сравнения) Триггер Шмитта (регенеративная схема сравнения) Передаточные характеристики DA R1 Uвых Uвых max Uвх U& вых R2 R3 R1 0 Uоп -Uвых max R4 DA Uвых Uвых max U& вх Uвх U& oc R2 R3 U& вых Uотп 0 -Uвых max 32 Uсраб 3.3. Мультивибраторы 3.3.1. Мультивибраторы в автоколебательном режиме симметричные колебания Электрические схемы С несимметричные колебания R3 R2 VD1 DA R3 VD2 DA С U& вых R2 R1 U& вых R4 R1 Временные диаграммы Uвых max UC max uC 0 t1 -UC max -Uвых max t t2 Uвых max UC max uC -UC max0 t3 -Uвых max uвых t t2 t1 t3 uвых Uвых max Uвых max tП tИ t t 0 t1 t2 t3 t1 t2 t3 -Uвых max -Uвых max Основные соотношения 0 R1 U вых max , R1 + R2 τ = R3C , R T = 2 R3C ln(1 + 2 1 ) R2 U C max = 33 R1 U вых max , R1 + R4 τ1 = R2C , τ 2 = R3C , R tИ = R2C ln(1 + 2 1 ) , R4 R tП = R3C ln(1 + 2 1 ) , R4 T = t И + tП U C max = 3.3.2. Мультивибраторы в ждущем режиме Электрическая схема R3 VD DA С2 С1 U& зап U& вых R2 R1 Временные диаграммы uзап t t1 0 Uвых max uC UC max 0 Uвых max uвых t t2 tИ 0 t1 t t2 -Uвых max Основные соотношения R1 U вых max , R1 + R2 τ = R3C2 , R tИ = R3C2 ln(1 + 1 ) R2 U C max = 34 4. ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 4.1. Базовые логические элементы (БЛЭ) И X1 X2 X3 УГО ИЛИ X1 X2 X3 & F Реализуемые F = X ∧ X ∧ X 1 2 3 функции X1 X2 X3 F 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 Таблицы истинности 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 X1 Временные X 2 диаграммы X3 F t t t t НЕ 1 & X1 F F = X1 ∨ X 2 ∨ X 3 X1 0 0 0 0 1 1 1 1 X2 0 0 1 1 0 0 1 1 X3 0 1 0 1 0 1 0 1 F = X1 F 0 1 1 1 1 1 1 1 X1 F 0 1 1 0 t t t t X1 X2 X3 F F t t X1 F 4.2. Основные типы логических элементов Названия ИЛИ-НЕ Стрелка Пирса Реализуемые функции F = X1 ∨ X 2 И-НЕ Штрих F = X1 ∧ X 2 Шеффера Исключающее ИЛИ Сумма по F = X ⊕ X 1 2 модулю 2 35 Таблицы истинности X1 0 1 0 1 X2 0 0 1 1 F 1 0 0 0 X1 0 1 0 1 X2 0 0 1 1 F 1 1 1 0 X1 0 1 0 1 X2 0 0 1 1 F 0 1 1 0 УГО X1 X2 1 X1 X2 & X1 X2 =1 F F F 4.3. Основные типы БЛЭ 4.3.1. Диодная логика 2И VD1 2ИЛИ VD1 R1 X1 X1 +Eк X2 VD2 F VD2 X2 F R2 R 4.3.2. ДТЛ – логика 2И-НЕ 2ИЛИ-НЕ +Eк +Eк VD1 R1 VD1 X1 X2 R2 F VT VD2 F VD2 R2 X1 X2 VT R1 4.3.3. ТТЛ - логика 2И-НЕ 2ИЛИ-НЕ +Eк R1 R2 +Eк R1 R3 R4 R2 R5 VT1 VT3 X1 VT2 VT2 X1 VD X2 F VT5 VT3 VD VT1 VT4 X2 F VT6 VT4 R4 R3 36 4.4. Импульсные устройства (триггеры) 4.4.1. Триггеры со статическим управлением Типы УГО Асинхронный RS-триггер R S T Q R Q 1 Q 1 Q S & S Q S T Q R Q & Q Синхронный RS-триггер R R S T C R Таблицы истинности Функциональные схемы & R' 1 Q Q C Q 1 & S S' 37 Q R S Qt Qt 0 0 1 1 0 1 0 1 Qt -1 1 0 * Qt -1 0 1 * S 0 0 1 1 R Qt 0 * 1 1 0 0 1 Qt -1 Qt * 0 1 Qt -1 C R 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 S Qt Qt 0 1 Q Qt -1 0 t -1 1 0 Qt -1 Qt -1 1 1 0 0 0 1 1 * * Асинхронный Т-триггер Синхронный D-триггер Синхронный RS-триггер Типы УГО S' & C Q & & R Q C Q Q R' S' & D D T C R 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 Q Q & Q C & & & Q R' & T S' & Q T Q Q S Qt Qt 0 1 Q Qt -1 0 t -1 1 0 Qt -1 Qt -1 1 1 0 0 0 1 1 * * C D Qt Qt 0 0 Q Q 1 t -1 t -1 1 0 0 1 1 1 0 T Qt 0 Qt -1 T & & & Q 1 Qt -1 Qt Qt -1 Qt -1 R' J JK-триггер & S S T C R Таблицы истинности Функциональные схемы J TТ Q C Q K & 1 & 1 Q C 1 & K & 1 38 1 Q C J 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 K 0 1 0 1 0 1 0 1 Qt Qt Qt Qt Qt -1 Qt -1 0 1 1 0 Qt -1 Qt -1 4.4.2. Триггеры с динамическим управлением (на примере синхронного JK-триггера с динамическим управлением) Типы C прямым динамическим входом (по фронту) C инверсным динамическим входом (по срезу) УГО Временные диаграммы Таблицы истинности C J K Qt 0 Х Х Q 1 Х Х t -1 0 0 Qt -1 0 1 0 1 0 1 1 1 Qt -1 J TТ Q C Q K J TТ Q C Q K C 0 1 J TТ Q C Q K J TТ Q C Q K J Х Х 0 0 1 1 K Х Х 0 1 0 1 Qt Qt Qt -1 Qt -1 1 0 Qt -1 С t t t t J K Q Qt Qt -1 Qt -1 С t t t t Qt -1 Qt -1 J K 0 1 Q 1 0 Qt -1 Qt -1 4.4.3. Триггеры на основе универсального JK-триггера Типы триггера RS-триггер Т-триггер D-триггер асинхронный синхронный S J TТ Q «1» C Q R K R J TТ Q C C Q S K «1» T D «1» 1 J TТ Q C Q K 39 J TТ Q C Q K T C J TТ Q C Q K D C 1 J TТ Q C Q K 4.5. Мультивибраторы 4.5.1. Мультивибраторы в автоколебательном режиме (автогенераторы) Электрическая схема Временные диаграммы uвх1 Uпор VD1 U0 0 DD1 & R1 uвх2 С1 uвх1 DD2 & Uпор uвых1 U0 0 С2 1 VD2 «0» t uвых2 R1 uвх2 «0» t uC2 U -Uпор t 0 uвых2 t 0 tИ tП 4.5.2. Мультивибраторы в ждущем режиме Электрическая схема DD1 & Временные диаграммы uзап DD2 & uзап t С1 uвых1 0 Uпор DD3 & R1 uвх2 «1» «0»t 0 VD2 uвх2 uвых2 U0 0 40 uвых2 t 4.6. Шифраторы Функциональная схема I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I0 A0 1 0 0 A2 0 0 0 A4 0 0 1 1 1 I1 0 1 0 0 0 0 0 0 Таблица истинности Входы Выходы I2 I3 I4 I5 I6 I7 A0 A1 A2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 УГО I0 СD A0 I1 A2 I2 A4 I3 I4 I5 I6 I7 4.7. Дешифраторы Функциональная схема A0 A0 A2 A2 A4 A4 & & & & & & & & 0 1 2 3 Таблица истинности Входы A0 A2 A4 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 4 5 6 7 41 1 0 1 0 0 0 0 0 0 Выходы 2 3 4 5 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 1 0 УГО 7 0 0 0 0 0 0 0 1 A0 DС 0 1 A2 2 A4 3 4 5 6 7 4.8. Мультиплексоры Функциональная схема I0 I1 Таблица истинности & A0 0 0 1 1 & 1 I2 & I3 & y Входы Выход A2 I0 I1 I2 I3 y 0 I0 1 I1 I0 I1 I2 I3 0 I2 1 I3 УГО I0 MUX I1 4-1 I2 y I3 A0 A2 A0 A0 DС 0 1 A2 A2 2 2 3 4.9. Демультиплексоры Функциональная схема y & & & & A0 A0 DС 0 A2 A2 1 2 2 3 I0 I1 I2 Таблица истинности Входы A0 A2 y 0 0 0 1 y 1 0 1 1 I3 42 Выходы I0 I1 I2 I3 y 0 0 0 0 y 0 0 0 0 y 0 0 0 0 y УГО y A0 A2 DX I0 1-4 I1 I2 I3 4.10. Регистры Последовательный Параллельный (регистр сдвига) (регистр памяти) Типы Функциональные схемы Q1 С Q0 R T C S R T C S D1 D1 D0 УГО Таблицы истинности Входы Выходы C D0 D1 Q0 t Q1 t 0 x x Q0t-1 Q1t-1 1 a b a b D0 RG Q0 Q1 D1 C Входы Выходы C D0 Qt Qt 0 x Qt-1 Qt −1 1 D0t D0t-1 D0t −1 D0 RG Q D 0 D0 D T D T Q C C Q C C Q 4.11. Счётчики Двоичный суммирующий счётчик с последовательным переносом Типы Функциональные схемы Таблицы состояний Q0 +1 Счёт Вход Выходы C R Q1 Q0 x 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 2 1 0 3 1 1 Q1 T TT T TT R R R 43 УГО +1 CT Q0 Q1 R Функциональные схемы Таблицы состояний Двоичный реверсивный счётчик с последовательным переносом Двоичный вычитающий счётчик с последовательным переносом Типы Выходы Q1 Q0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 -1 CT Q0 Q1 S Счёт Вход Выходы C V Q1 Q0 Q1 0 1 1 1 1 0 0 TT 2 0 1 T 3 0 0 0 0 0 1 0 1 1 2 1 0 3 1 1 C CT Q0 Q1 V Q0 -1 Счёт Вход C S x 1 0 1 0 2 3 Q1 T TT T TT S S S Q0 TT C V T & 1 & 1 УГО 4.12. Сумматоры Типы Двоичный полусумматор Функциональные схемы a b =1 & 44 s p УГО a SM s b p a SM s Одноразрядный сумматор p b a SM s s b 1 p a SM s b p-1 p p p-1 ai Q C Последовательный многоразрядный сумматор bi a SM s b p p-1 D0 RG Q D0 RG Q si Q C D0 RG Q a SM s b p C Q C p D T C C s0 Параллельный многоразрядный сумматор a0 a SM s b0 b p p-1 p-1 a SM s b p p-1 a1 b1 45 s1 p a1 SM s b1 a2 p b2 p-1 5. ДИСКРЕТНО-АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА 5.1. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) Основные соотношения Электрическая схема R/2n R/21 R/20 I0·2n I0·21 I0·20 U оп I0=Uоп/R, Rоос Xn Sn X1 S1 n I ∑ = I 0 ∑ 2i X i , S0 IΣ X0 i =0 Uвых=RоосIΣ U вых 5.2. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) Функциональная схема Мульти- С вибратор Пуск Временные диаграммы Q0 Q1 Q2 C CT Q0 Q1 V Q2 R C t ЦАП u uвх uс Uc Компаратор Uвх 46 Q0 Q1 Q2 t t t t 6. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА 6.1. Структурная схема микроЭВМ Генератор тактовых сигналов Запоминающее устройство (ЗУ) Устройство ввода/вывода Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) Микропроцессор Шина данных Шина управления Шина адреса 47 Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 6.2. Структурная схема микропроцессора Шина данных Регистровая память Регистры общего назначения Специальные регистры Буферный регистр Регистр признаков Счётчик команд Указатель стека Регистр команд Дешифратор команд Схема управления Шина управления 48 Шина адреса АЛУ Аккумулятор 6.2.1. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) УГО Ci a0 a1 a2 a3 b0 b1 b2 b3 s0 s1 s2 s3 M ALU Перечень выполняемых операций Ci G Логические Арифметикологические s3 s2 s1 s0 функции функции (М=1) (М=0) 0 0 0 0 A A+Ci H f0 f1 f2 f4 0 0 0 1 A∨ B A ∨ B + Ci 0 0 1 0 AB A ∨ B + Ci 0 0 1 1 0 1+Ci A=B 0 1 0 0 AB A + AB + Ci 0 1 0 1 B A ∨ B + AB + Ci 0 1 1 0 A⊕ B A + B + Ci 0 1 1 1 AB AB + 1 + Ci 1 0 0 0 A∨ B A + AB + Ci 1 0 0 1 A⊕ B A + B + Ci 1 0 1 0 B A ∨ B + AB + Ci 1 0 1 1 AB AB + 1 + Ci 1 1 0 0 1 A + A + Ci 1 1 0 1 A∨ B A ∨ B + A + Ci 1 1 1 0 A∨ B A ∨ B + A + Ci 1 1 1 1 A A + 1 + Ci 49 6.2.2. Запоминающее устройство Структурная схема УГО m n A n m DC ЗЭ ЗЭ ЗЭ m A M DI R/W CS OE DO ЗЭ ЗЭ ЗЭ k=2n CS ЗЭ R/W ЗЭ ЗЭ Усилители записи/чтения Данные 50 Матрица запоминающих элементов (ЗЭ) 7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов. Под редакцией О. П. Глудкина. М.: Горячая линия - Телеком, 2003. 768с. 2. Лачин В. И., Савелов Н. С. Электроника: Учеб. пособие. Ростов н/Д: Феникс, 2000. 448с. 3. Кузовкин В. А. Электроника. М.: Логос, 2005. 328с. 4. Миловзоров О. В., Панков И. Г. Электроника: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. М.: Высш. шк., 2005. 288с. 5. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М.: Додэка-XXI, 2005. 528с. 6. Новожилов О. П. Электротехника и электроника: учебник. М.: Гардарики, 2008. 653с. 51 Составители: АХМАДЕЕВ Рашит Вадутович КРЫМСКАЯ Татьяна Махмутовна МЕЛЬНИЧУК Ольга Васильевна ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ПО РАЗДЕЛУ "ЭЛЕКТРОНИКА" КУРСА "ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА" Методические указания к изучению дисциплины "Электротехника и электроника" Редактор Подписано в печать 12.01.2010. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. 2,7 л. Усл. кр.-отт. Уч.-изд. л. 2,6 Тираж 100 экз. Заказ № 6 Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии УГАТУ 450000, Уфа - центр, ул. К.Маркса, 12 52
