2.Билет

1. p — n-переход можно рассматривать как плоский конденсатор, обкладками которого служат области n- и p-типа вне перехода, а изолятором является область объемного заряда, обеднённая носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Такая ёмкость называется барьерной. Она зависит от внешнего приложенного напряжения, поскольку внешнее напряжение меняет пространственный заряд. Действительно, повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между n- и p-областями полупроводника, и, отсюда, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды неподвижны и связаны с ионами доноров и акцепторов, увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением электрической ёмкости перехода. В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад. Барьерная ёмкость проявляется при обратном напряжении; при прямом напряжении она шунтируется малым сопротивлением p — n-перехода. За счёт барьерной ёмкости работают варикапы.

Кроме барьерной ёмкости p — n-переход обладает так называемой диффузионной ёмкостью. Диффузионная ёмкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов в области базы. Диффузионная ёмкость обусловлена тем, что увеличение напряжения на p — n-переходе приводит к увеличению концентрации основных и неосновных носителей, то есть к изменению заряда. Величина диффузионной ёмкости пропорциональна току через p — n-переход. При подаче прямого смещения значение диффузионной ёмкости может достигать десятков тысяч пикофарад.

Эквивалентная схема p — n-перехода. Cб — барьерная ёмкость, Cд — диффузионная ёмкость, Ra — дифференциальное сопротивление p — n-перехода, r — объёмное сопротивление базы.

Суммарная ёмкость p — n-перехода определяется суммой барьерной и диффузионной ёмкостей. Эквивалентная схема p — n-перехода на переменном токе представлена на рисунке. На эквивалентной схеме параллельно дифференциальному сопротивлению p — n-перехода Rа включены диффузионная ёмкость Cд и барьерная ёмкость Сб; последовательно с ними включено объёмное сопротивление базы r. С ростом частоты переменного напряжения, поданного на p — n-переход, емкостные свойства проявляются все сильнее, Rа шунтируется ёмкостным сопротивлением, и общее сопротивление p — n-перехода определяется объёмным сопротивлением базы. Таким образом, на высоких частотах p — n-переход теряет свои нелинейные свойства.

2. Операционный усилитель — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

Пусть необходимо построить цепь на ОУ с требуемыми свойствами. Требуемые свойства заключаются прежде всего в заданном состоянии выхода (выходное напряжение, выходной ток и т. д.), которое, возможно, зависит от какого-либо входного воздействия. Для создания схемы нужно подключить к ОУ такую обратную связь, чтобы при требуемом выходном состоянии достигалось равенство напряжений на входах ОУ (инвертирующем и неинвертирующем), а обратная связь была бы отрицательной.

Таким образом, требуемое состояние системы будет устойчивым состоянием равновесия, и система будет в нем находиться неограниченно долго[6]. Пользуясь этим упрощённым подходом, несложно получить простейшую схему неинвертирующего усилителя.

От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, отличающегося от входного в   раз, т.е.  . В соответствии с приведённой выше методикой подадим на неинвертирующий вход ОУ сам входной сигнал, а на инвертирующий — часть выходного сигнала с резистивного делителя.

Неинвертирующий усилитель

Расчёт реального коэффициента усиления для идеального (или реального, но который можно с определёнными допущениями считать идеальным) усилителя очень прост. Заметим, что в том случае, когда усилитель находится в состоянии равновесия, напряжения на его входах можно считать одинаковыми. Исходя из этого следует, что падение напряжения на резисторе   равно  , а на всём делителе сопротивлением  , падает  . Заметим, что, поскольку входное сопротивление операционного усилителя очень велико, то током, поступающим на инвертирующий (−) вход усилителя можно пренебречь, и ток, протекающий в цепи делителя можно считать постоянным. Ток через   равен  , а через весь делитель  .

Таким образом:

Откуда:

Следует обратить внимание, что в неинвертирующей схеме включения коэффициент усиления напряжения всегда больше или равен 1, вне зависимости от номиналов используемых резисторов. Если сопротивление   равно нулю, то мы получаем неинвертирующий повторитель напряжения имеющий коэффициент усиления напряжения 1, и в этом случае сопротивление   не оказывает существенного влияния на работу схемы, поэтому его можно попросту убрать, приняв его равным бесконечности.

Можно рассуждать немного проще, сразу заметив, что  .

Таким образом, коэффициент передачи усилителя, построенного на ОУ с достаточно большим усилением, практически зависит только от параметров обратной связи. Это полезное свойство позволяет проектировать системы с очень стабильным коэффициентом передачи, необходимые, например, при измерениях и обработке сигналов.

3. Логические ключи. На рис. 3.56 показан простейший тип логического переключателя на МОП - транзисторе. В обеих схемах в качестве нагрузки используется резистор и обе они осуществляют логическую функцию инвертирования - высокий логический уровень на входе создает низкий уровень на выходе, и наоборот. Вариант схемы на n- канальном транзисторе включает выход на землю при подаче на затвор высокого уровня, тогда как в p- канальном варианте на резисторе образуется высокий логический уровень при заземленном (низкий уровень) входе. Обратите внимание на то, что МОП - транзисторы в этих схемах используются как инверторы с общим истоком, а не как истоковые повторители. В цифровых логических схемах подобных представленным нас обычно интересует выходное напряжение («логический уровень»), продуцируемое некоторым входным напряжением; резистор служит просто пассивной нагрузкой в цепи стока, обеспечивая при запертом ПТ выходное напряжение, равное напряжению питания стока. С другой стороны, если мы заменим резистор осветительной лампочкой, реле, приводом печатающей головки или какой-то другой мощной нагрузкой, получим схему мощного переключателя (рис. 3.3). Хотя мы используем ту же самую схему «инвертора», однако при переключении мощной нагрузки нас интересует ее включение и выключение, а не напряжение выхода.

Рис. 3.56. Логические инверторы на n- канальном (а) и p- канальном (б) МОП - транзисторах.

3Билет

1. Пробой - это скачкообразное изменение тока, при неизменном напряжении. В зависимости от причин его вызвавших различают лавинный, туннельный и тепловой пробои. На рисунке пробой изображен на участке 1-2.

  Лавинный пробой – возникает в широком электронно-дырочном переходе. Неосновные носители заряда, ускоряются большим обратным напряжением и приобретают значительную энергию, которой хватает, чтобы столкнувшись с атомами кристаллической решетки, оторвать валентные электроны. Электрон, уходя со своего места, создает дырку. И вновь созданные носители снова ускоряются полем и также отрывают другие электроны. Процесс происходит лавинообразно. Отсюда название пробоя.

  Туннельный пробой возникает в узких p-n переходах. Под действием большой напряженности поля, валентные электроны отрываются от своих атомов, образую при этом дырку, и увеличивают обратный ток. Такой пробой возникает только в узких переходах, потому что в них при небольших значениях напряжения, возникает значительная напряженность электрического поля.

  Выше были приведены электрические виды пробоя. А так как разрушения электронно-дырочного перехода при них не происходит, то эти процессы обратимые и используются, например в стабилитронах.

  В отличие от электрических пробоев, тепловой пробой, процесс необратимый. При повышении температуры, термогенерация носителей увеличивается. Следовательно, увеличивается обратный ток, что в свою очередь вызывает еще больший нагрев перехода. В результате структура кристалла разрушается и переход расплавляется.

Барье́р Шо́ттки — потенциальный барьер, образующийся в приконтактном слое полупроводника, граничащего с металлом, равный разности работ выхода (энергий, затрачиваемых на удаление электрона из твёрдого тела или жидкости в вакуум) металла и полупроводника:  [1].

 Для возникновения потенциального барьера необходимо, чтобы работы выхода металла и полупроводника были различными. При сближении полупроводника n-типа с металлом, имеющим большую, чем у полупроводника, работу выхода  , металл заряжается отрицательно, а полупроводник — положительно, так как электронам легче перейти из полупроводника в металл, чем обратно. Напротив, при сближении полупроводника p-типа с металлом, обладающим меньшей  , металл заряжается положительно, а полупроводник — отрицательно. При установлении равновесия между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов:

, где   — заряд электрона.

Из-за большой электропроводности металла электрическое поле в него не проникает, и разность потенциалов   создается в приповерхностном слое полупроводника. Направление электрического поля в этом слое таково, что энергия основных носителей заряда в нем больше, чем в толще полупроводника. В результате в полупроводнике вблизи контакта с металлом при   для полупроводника n-типа, или при   для полупроводника p-типа возникает потенциальный барьер.

В реальных структурах металл-полупроводник соотношение   не выполняется, так как на поверхности полупроводника или в тонкой диэлектрической прослойке, часто образующейся между металлом и полупроводником, обычно имеются поверхностные состояния.

Барьер Шоттки обладает выпрямляющими свойствами. Ток через него при наложении внешнего электрического поля создается почти целиком основными носителями заряда. Контакты металл — полупроводник с барьером Шоттки широко используются в сверхвысокочастотных детекторах, транзисторах и фотодиодах.[1]

2. Эмиттерный повторитель — частный случай повторителей напряжения на основе биполярного транзистора. Характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. При этом входное сопротивление относительно велико (однако оно меньше, чем входное сопротивление истокового повторителя), а выходное — мало.

В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором (ОК). То есть напряжение питания подаётся на коллектор, входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с эмиттера. В результате чего образуется 100 % отрицательная обратная связь по напряжению, что позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, возникающие при работе. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают. Такая схема включения используется для построения входных усилителей, в случае если выходное сопротивление источника велико, и как буферный усилитель, а также в качестве выходных каскадов усилителей мощности.

3.

Статический режим работы КМОП-ключа

Если входное напряжение равно нулю, то транзистор VT2 находится в состоянии отсечки. Напряжение затвора p-канального транзистора VT1  равно  , напряжение  , и он находится в линейном режиме. Таким образом, при    выходное напряжение  .

Эквивалентная схема КМОП-ключа, соответствующая случаю, когда входное напряжение имеет низкий уровень, показана на рис. 8.2.3, а. Транзистор VT2 эквивалентен разомкнутому идеальному ключу. Ненулевое сопротивление VT1 моделируется резистором  . Его сопротивление

.

            

    а                                                   б

Рис. 8.2.3

Если входное напряжение имеет высокий уровень  , то транзистор VT2 находится в состоянии насыщения, а VT1 – отсечки, и выходное напряжение не превышает 10 мВ.  Эквивалентная схема ключа для этого случая показана на рис. 8.2.3, б. Теперь транзистор VT1 эквивалентен разомкнутому ключу, а ненулевое сопротивление VT2 моделируется резистором  , сопротивление которого

.

Транзисторы в схеме ключа рассчитывают так, чтобы они были согласованы, т. е. имели одинаковые (по модулю) пороговые напряжения и удельные проводимости:

,

.

Этим обеспечивается одинаковая нагрузочная способность ключа как в открытом, так и в закрытом состояниях. Поскольку приповерхностная подвижность дырок   в 2–4 раза меньше подвижности электронов  , для согласования ширину канала транзистора VТ1 выбирают в 2–4 раза большей, чем у VТ2. Длина каналов обоих транзисторов одинакова, а ширину выбирают так, чтобы выполнялось равенство

.

Перечислим основные свойства КМОП-ключа:

В обоих состояниях ключа один из транзисторов заперт, поэтому ток в цепи между источником и землей ничтожно мал, и в статическом режиме схема практически не потребляет мощность от источника питания.

В обоих статических состояниях выход схемы подключен к общей шине или источнику питания через небольшие сопротивления каналов открытых транзисторов. Поэтому выходное напряжение равно нулю или напряжению питания и почти не зависит от параметров транзисторов.

Разность выходных напряжений ключа в закрытом и открытом состояниях максимальна (близка к величине напряжения питания Е). Это обеспечивает высокую помехоустойчивость схемы.

КМОП-ключи обладают значительно большей нагрузочной способностью, чем ключи на биполярных транзисторах. Входное сопротивление КМОП-ключа бесконечно велико. Поэтому к его выходу можно подключить большое число аналогичных ключей. При этом уровень выходного напряжения практически не изменится. Однако каждый дополнительный ключ увеличивает емкость нагрузки, что приводит к замедлению переключения.

Динамический режим работы КМОП-ключа

Переходные процессы в МОП-ключах обусловлены в основном перезарядом емкостей, входящих в состав нагрузки. Типичные значения суммарной емкости у ключей, использующих транзисторы с длиной канала менее 1 мкм, не превышают 1 пФ.

Заряд емкости происходит через открытый транзистор VT1 при закрытом VT2,  а разряд – через VT2 при закрытом VT1. Если транзисторы согласованы, т. е. их удельные проводимости одинаковы, длительность переходных процессов в обоих случаях примерно равна. Время переключения схемы из состояния логической единицы в состояние логического нуля определяют с помощью приближенного равенства

                                           .                                            (8.2.1)

Полученное выражение является приближенным. Его значение состоит в первую очередь в том, что оно позволяет оценивать влияние параметров цепи на время переключения. Если транзисторы в схеме ключа согласованы, то время переключения из состояния логического нуля в состояние логической единицы    также определяется формулой (8.2.1).  Из (8.2.1) следует, что для уменьшения времени переключения необходимо уменьшить суммарную емкость и увеличить напряжение питания  . Однако при увеличении   растет и мощность, потребляемая ключом. Поэтому главный путь увеличения быстродействия – уменьшение емкости  . КМОП-ключ является практически идеальным логическим инвертором. Быстродействие комплементарного ключа оказывается значительно выше, чем у других типов ключей. Совершенствование технологии производства КМОП-интегральных схем привело к тому, что в настоящее время они стали доминирующими при производстве цифровых схем не только высокой, но и средней степени интеграции.  Другое важное свойство комплементарного ключа заключается в очень малом потреблении энергии от источника питания в статическом режиме. Динамические потери, т. е. мощность, рассеиваемая КМОП-инвертором при тактовой частоте  , определяются формулой

.

Из последнего равенства следует, что для уменьшения динамических потерь необходимо уменьшать емкость нагрузки и напряжение питания схемы. Однако уменьшение напряжения приводит к снижению быстродействия. Поэтому главным путем повышения быстродействия и снижения потерь является уменьшение емкостей транзисторов и нагрузки.

Экзаменационный билет 4

1.

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электрического перехода (незначительная коррекция данного определения может понадобиться лишь для очень узкого круга приборов, например, для некоторых диодов СВЧ и прецизионных стабилитронов).

К противоположным областям выпрямляющего электрического перехода привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус. Область полупроводникового кристалла диода, имеющая более высокую концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией, — базой. По аналогии с электровакуумными диодами, ту сторону диода, к которой при прямом включении подключается отрицательный полюс источника питания, часто называют катодом, а другую — анодом.

В зависимости от области применения полупроводниковые диоды делят на следующие основные группы:

выпрямительные,

универсальные,

импульсные,

сверхвысокочастотные,

стабилитроны,

варикапы,

туннельные,

обращенные,

фотодиоды,

светоизлучающие диоды,

генераторы шума,

магнитодиоды.

По конструктивному исполнению полупроводниковые диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные (следует понимать, что существует множество разных подвидов этих технологий). В плоскостных диодах электрический переход имеет линейные размеры значительно большие толщины самого перехода. К точечным относят диоды, у которых размеры электрического перехода, определяющие его площадь, меньше толщины области объемного заряда. Такой диод образуется, например, в месте контакта небольшой пластины полупроводника и острия металлической пружины (точечно-контактные диоды).

2.

Рисунок 3.5 – Инвертирующее (а, б) и не инвертирующее (в, г)

включения операционных усилителей

 

В соответствии с обозначениями на рисунке через сопротивление обратной связи RОС протекает ток

через R1 – ток

 

В случае идеального ОУ, входное сопротивление которого стремиться к бесконечности, а следовательно, ток, втекающий в ОУ, равен нулю, можно записать, что IОС = –i1, следовательно:

 

(3.1)

 

Напряжение на неинвентируемом входе равно нулю, поэтому u(–) = uвх = 0 и из (3.1) получаем

 

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя с параллельной обратной связью определяется параметрами только пассивной части схемы:

 

 

Выбор RОС = R1, когда КUИ = –1 (рис. 3.5, б), придает схеме инвертирующего усилителя свойство инвертирующего повторителя напряжения (инвертора сигнала).

Неинвертирующий усилитель (рис. 3.5, в) содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, поданную по инвертирующему входу.

Согласно обозначениям на рисунке

 

;

 

Для идеального ОУ, с учетом того, что iОС = i1, можно записать:

 

 

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя с параллельной обратной связью КUН = uвых/uвх также как и в инвертирующем усилителе определяется параметрами только пассивной части схемы:

 

Если замкнуть выход ОУ в его инвертирующим входом (рис. 3.5, г), можно получить повторитель напряжения. (Интегральный повторитель).

3.

Базовые логические элементы "И", "ИЛИ", "НЕ".

Алгебра логики – это математический аппарат, с помощью которого записывают, вычисляют, упрощают и преобразовывают логические высказывания.

Создателем алгебры логики является английский математик Джордж Буль (19 век), в честь которого она названа булевой алгеброй высказываний.

Логическое высказывание – это любое повествовательное предложение, в отношении которого можно однозначно сказать, истинно оно или ложно.

Например, предложение «6 – четное число» - высказывание, так как оно истинное. Математический аппарат алгебры логики очень удобен для описания того, как функционируют аппаратные средства компьютера, поскольку основной системой счисления в компьютере является двоичная, в которой используются цифры 1 и 0, а значений логических переменных тоже два: 1 и 0.

Логический элемент компьютера — это часть электронной логической схемы, которая реализует элементарную логическую функцию.

Логическими элементами компьютеров являются электронные схемы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др. (называемые также вентилями), а также триггер. С помощью этих схем можно реализовать любую логическую функцию, описывающую работу устройств компьютера. Работу логических элементов описывают с помощью таблиц истинности.

Базовые логические элементы И, ИЛИ, НЕ

 Схема И реализует конъюнкцию (логическое умножение) двух или более логических значений. 

Единица на выходе схемы И будет тогда и только тогда, когда на всех входах будут единицы. Когда хотя бы на одном входе будет нуль, на выходе также будет нуль. Связь между выходом z этой схемы и входами х и у описывается соотношением z = х ^ у (читается как «х и у»). Операция конъюнкции на функциональных схемах обозначается знаком & (читается как «амперсэнд»), являющимся сокращенной записью английского слова and.

Схема ИЛИ реализует дизъюнкцию (логическое сложение) двух или более логических значений.

 

Когда хотя бы на одном входе схемы ИЛИ будет единица, на ее выходе также будет единица. Знак «1» на схеме — от устаревшего обозначения дизъюнкции как «>=!» (т.е. значение дизъюнкции равно единице, если сумма значений операндов больше или равна 1). Связь между выходом z этой схемы и входами х и у описывается соотношением z = х или у.

Схема НЕ (инвертор) реализует операцию отрицания.

Связь между входом х этой схемы и выходом z можно записать соотношением Z = , где х читается как «не х» или «инверсия. Если на входе схемы 0, то на выходе 1. Когда на входе 1 на выходе 0.

Экзаменационный билет 5

1.

Стабилитроном называют полупроводниковый диод, напряжение на обратной ветви ВАХ которого в области электрического пробоя слабо зависит от значения проходящего тока. Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 2.5‑1. Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне (Uст) лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации (Iст). Такая характеристика используется для получения стабильного (опорного) напряжения. В стабилитронах могут возникать два вида электрического пробоя: туннельный (зенеровский) пробой — для диодов с Uст>5 В, лавинный пробой — для диодов с Uст>7 В. В интервале 5...7 В возникает смешанный вид пробоя.

Независимо от напряжения стабилизации и существующего вида пробоя, в различной литературе (особенно в зарубежной)стабилитроны часто называют по имени первооткрывателя туннельного пробоя — зенеровскими диодами или просто зенерами (Zeners).

Существующие стабилитроны имеют минимальное напряжение стабилизации примерно до 3 В. Для получения меньшего напряжения стабилизации используется прямая ветвь ВАХ p-n-перехода (рис. 2.5‑2), а полупроводниковые приборы, реализующие такую функцию называются стабисторами. В области прямого смещения p-n-перехода напряжение на нем имеет значение 0,7...2 В и мало зависит от тока. В связи с этим стабисторы позволяют стабилизировать только малые напряжения (не более 2 В). Помимо кремниевых стабисторов, хорошие показатели реализуемы у приборов, изготовленных из селена (селеновые стабисторы).

 

Некоторые стабилитроны могут использоваться в импульсных режимах. Они применяются для стабилизации амплитуды импульсов, их ограничения, а также для защиты входов чувствительных устройств от перегрузок по напряжению. Такие стабилитроны называются импульсными стабилитронами.

Для применения в критически важных каскадах и измерительной аппаратуре разработаны специальные прецизионные стабилитроны. В этих приборах путем последовательного соединения двух или более p-n-переходов достигается высокая точность и устойчивость напряжения стабилизации к изменениям тока и температуры (αUст ≤0,0005 %/∘C).

Наряду со стабилитронами, имеющими несимметричную ВАХ, выпускаются двуханодные стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ. Они применяются для двустороннего ограничения напряжения, могут использоваться так же и как опорные стабилитроны

2.

Усилитель — элемент системы управления (или регистрации и контроля), предназначенный для усиления входного сигнала до уровня, достаточного для срабатывания исполнительного механизма (или регистрирующих элементов), за счёт энергии вспомогательного источника, или за счёт уменьшения других характеристик входного сигнала (под термином «сигнал» здесь и далее понимается любое явление (или процесс), характеристики которого необходимо увеличить).[источник не указан 1439 дней]

Термин усилитель в своём первичном (основном) значении относится к преобразованию (увеличению, усилению) одной из характеристик исходного входного сигнала (будь то механическое движение, колебания звуковых частот, давление жидкости или поток света), при этом вид сигнала остаётся неизменным (остаётся механическим движением и т. д.; из одного вида в другой сигнал преобразуют датчики и устройства управления).

В то же время, термин «усилитель» не вполне корректно, но традиционно употребляется для устройств управления мощными электрическими нагрузками, например, «релейный усилитель» и «магнитный усилитель».

Типы усилителей

Активный усилитель — усиление сигнала осуществляется за счёт энергии внешнего источника: в сервоприводах (как то: гидро-, электро-, пневмоусилители) усиливается исходное механическое движение (как правило, оператора), за счёт внешней энергии. В электрических усилителях увеличивается амплитуда исходного сигнала (по напряжению и силе тока), в фотоумножителях — усиливается интенсивность исходного светового потока. В активных усилителях часто используется обратная связь: положительная — для повышения чувствительности, и отрицательная — для улучшения точности/стабильности.

Пассивный усилитель — усиление одной (необходимой) характеристики сигнала осуществляется за счёт уменьшения других характеристик: например, домкрат (а также тисы, ручная таль, рычаг) является усилителем — движения (силы) руки — за счёт скорости (эта характеристика сигнала уменьшается). Мухобойка, теннисная ракетка — для сравнения — являются усилителями скорости (за счёт уменьшения силы и/или времени воздействия).

Резонаторы и экраны — виды пассивных усилителей, применяемых для усиления периодических (гармонических) колебаний в приёмниках и передатчиках звуковых и радиоволн (происходит усиление рабочей полосы в выбранном направлении за счёт уменьшения общей полосы и других направлений приёма/излучения).

Зеркала и линзы — аналогично предыдущему, для оптики, происходит усиление для выбранного участка (угла) наблюдения/освещения, в ущерб остальным (участкам, углам). Сюда относятся все оптические системы от лупы до телескопа.

Системы с накоплением энергии — виды пассивных усилителей, в которых большую часть времени происходит только накопление энергии сигнала (подаваемой относительно равномерно), и меньшую часть времени (чаще — импульсно) — отдачу накопленного и усиленного сигнала на выходе: молоток, преодоление крутой горки автомобилем «с разгона», система зажигания (катушка зажигания) бензиновых двигателей, рубиновые лазеры, гидротаранный насос.

3.

Триггер (триггерная система) — класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам — их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.

Отличительной особенностью триггера как функционального устройства является свойство запоминания двоичной информации. Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в одном из двух состояний и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за «1», а другое за «0», можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа, записанного в двоичном коде.

При изготовлении триггеров применяются преимущественно полупроводниковые приборы (обычно биполярные и полевые транзисторы), в прошлом — электромагнитные реле, электронные лампы. В настоящее время логические схемы, в том числе с использованием триггеров, создают в интегрированных средах разработки под различные программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Используются, в основном, в вычислительной технике для организации компонентов вычислительных систем: регистров, счётчиков, процессоров, ОЗУ.

Классификация

Рис. 3. Временная диаграмма работы динамического триггера

Рис. 4. Симметричные триггеры: а — с непосредственной связью между каскадами; б — с резистивной связью

Рис. 5. Функциональная классификация триггеров

Рис. 6. Классификация триггеров по способу ввода информации

Триггеры подразделяются на две большие группы — динамические и статические. Названы они так по способу представления выходной информации.

Динамический триггер представляет собой управляемый генератор, одно из состояний которого (единичное) характеризуется наличием на выходе непрерывной последовательности импульсов определённой частоты, а другое (нулевое) — отсутствием выходных импульсов. Смена состояний производится внешними импульсами (рис. 3). Динамические триггеры в настоящее время используются редко.

К статическим триггерам относят устройства, каждое состояние которых характеризуется неизменными уровнями выходного напряжения (выходными потенциалами): высоким — близким к напряжению питания и низким — около нуля. Статические триггеры по способу представления выходной информации часто называют потенциальными.

Асинхронный триггер изменяет своё состояние непосредственно в момент появления соответствующего информационного сигнала(ов), с некоторой задержкой равной сумме задержек на элементах, составляющих данный триггер.

Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на так называемом входе синхронизации С (от англ. clock). Этот вход также обозначают термином «такт». Такие информационные сигналы называют синхронными. Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим и с динамическим управлением по входу синхронизации С.

Триггеры со статическим управлением воспринимают информационные сигналы при подаче на вход С логической единицы (прямой вход) или логического нуля (инверсный вход).

Триггеры с динамическим управлением воспринимают информационные сигналы при изменении (перепаде) сигнала на входе С от 0 к 1 (прямой динамический С-вход) или от 1 к 0 (инверсный динамический С-вход). Также встречается название «триггер управляемый фронтом».

Триггеры со сложной логикой бывают также одно- и двухступенчатые. В этих триггерах наряду с синхронными сигналами присутствуют и асинхронные. Такой триггер изображён на рис. 1, верхний (S) и нижний (R) входные сигналы являются асинхронными.

Триггерные схемы классифицируют также по следующим признакам:

числу целочисленных устойчивых состояний (основанию системы счисления) (обычно устойчивых состояний два, реже — больше, см. двоичный триггер, троичный триггер, четверичный триггер[8], …, десятичный триггер, …, n-ичный триггер, …);

числу уровней — два уровня (высокий, низкий) в двухуровневых элементах, три уровня (положительный, ноль, отрицательный) в трёхуровневых элементах[9], …, N-уровней в N-уровневых элементах, … ;

по способу реакции на помехи — прозрачные и непрозрачные. Непрозрачные, в свою очередь, делятся на проницаемые и непроницаемые.

по составу логических элементов (триггеры на элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др.).

Экзаменационный билет 6

1

Диод – двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p–n-переходом, обладающий односторонней проводимостью тока. Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др.

Выпрямительные диоды

Работа выпрямительного диода объясняется свойствами электрического p–n-перехода.

Вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда (из-за рекомбинации) и обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер).

Если к p–n-переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле в направлении, противоположном полю электрического слоя, то толщина этого слоя уменьшится и при напряжении 0,4 - 0,6 В запирающий слой исчезнет, а ток существенно в озрастет (этот ток называют прямым).

При подключении внешнего напряжения другой полярности запирающий слой увеличится и сопротивление p–n-перехода возрастет, а ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, будет незначительным даже при сравнительно больших напряжениях.

Прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. Положительный (прямой) ток диод пропускает в направлении от анода к катоду.

На рис. 1 показаны условное графическое обозначение (УГО) и характеристики выпрямительных диодов (их идеальная и реальная вольт-амперная характеристики). Видимый излом вольт-амперной характеристики диода (ВАХ) в начале координат связан с различными масштабами токов и напряжений в первом и третьем квадранте графика. Два вывода диода: анод А и катод К в УГО не обозначаются и на рисунке показаны для пояснения.

На вольт-амперная характеристика реального диода обозначена область электрического пробоя, когда при небольшом увеличении обратного напряжения ток резко возрастает.

Электрический пробой является обратимым явлением. При возвращении в рабочую область диод не теряет своих свойств. Если обратный ток превысит определенное значение, то электрический пробой перейдет в необратимый тепловой с выходом прибора из строя.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

– максимально допустимый прямой ток Iпр.max,

– максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max,

– максимально допустимая частота fmax.

По первому параметру выпрямительные диоды делят на диоды:

– малой мощности, прямой ток до 300 мА,

– средней мощности, прямой ток 300 мА - 10 А,

– большой мощности – силовые, максимальный прямой ток определяется классом и составляет 10, 16, 25, 40,

- 1600 А.

Для повышения коэффициента полезного действия выпрямительные диоды включают по мостовой (реже полумостовой) схеме, чтобы питание нагрузки осуществлялось на протяжении обоих полупериодов.

2.

Избирательными называются усилители, усиливающие сигналы в относительно узкой полосе частот. Основными показателями избирательных усилителей являются максимальный коэффициент усиления, полоса пропускания, средняя частота полосы пропускания и избирательность. Основным требованием, предъявляемым к избирательным усилителям, является получение высокой избирательности, которая определяется крутизной склонов его амплитудно-частотной характеристики. Чем круче спады частотной характеристики и чем меньше коэффициент усиления усилителя за пределами полосы пропускания, тем выше его избирательность. Избирательность таких усилителей оценивают величиной коэффициента прямоугольности АЧХ, который равен отношению ширины полосы пропускания на уровне 0,7 к ширине полосы на уровне 0,1 (или к ширине полосы на уровне 0,01):

(5.85)

Или

. (5.86)

Избирательные усилители применяются в основном для усиления сигналов высокой частоты и разделяются на два вида: резонансные усилители и полосовые усилители. В резонансных усилителях нагрузкой обычно является одиночный параллельный колебательный контур. Перестраивая контур, можно изменять резонансную частоту в некоторых пределах.

3.

D-триггер, также как и другие типы триггеров имеют два устойчивых состояния. D-триггеры имеет в своем составе два входа: информационный — D и вход синхронизации C, т.е. D-триггер всегда синхронный.Асинхронных D-триггеров не существует.

Принцип работы D-триггера заключается в том, что при поступлении синхросигнала в триггер записывается значение, которое в этот момент установлено на информационном входе D. В другое время (при отсутствии синхросигнала) изменение значений на входе D никакого воздействия на состояние триггера не оказывает. Вот диаграмма работы D-триггера: