н.н.
ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА Алматы, 2022
УДК 004 (075.8) ББК 32.973.2 я73 Э93 Рекомендовано Редакционно-издательским советом КарГТУ Рецензенты: B. В. Леонов, к.т.н, доцент, зам. директора по информатизации КИЦ «Энергия; М.М. Коккоз, к.п.н., доцент, зав. кафедрой ИТБ КарГТУ; C. К. Тутанов, д.т.н., проф., профессор кафедры «Высшая математика КарГТУ, член Редакционно-издательского совета. Эттель В.А. Э93 Цифровая схемотехника: учебник / В.А. Эттель, Н.Н. Синкевич. - Алматы: Эпиграф, 2022. - 112 с. ISBN 978-601-342-982-3 В учебнике изложен широкий круг вопросов, связанных с изучением, проектированием цифровых элементов, узлов и устройств, микросхемы которых являются основой для реализации различных средств обработки и хранения информации компьютеров, телекоммуникаций, систем цифровой автоматики, измерений и т.п. Рассмотрены общие проблемы схемотехнической реализации цифровых устройств, их типовые функциональные узты, структуры и схемотехника запоминающих устройств, простых микропроцессоров, интерфейсных схем и схем программируемой логики. В основу учебника положен многолетний опыт авторов по чтению курса лекций «Цифровая схемотехника» на факультете инновационных технологий КарГТУ Учебник предназначен для студентов, обучающихся по специальностях бакалавриата 5В070400 - «Вычислительная техника и программное обеспечение», 5В100200 - «Системы информационной безопасности» и магистратуры 6М070400 - «Вычислительная техника и программное обеспечение». Он может быть также полезен студентам и магистрантам, обучающимся по специальностям бакалавриата и магистратуры' 5В070200, 6М070200- «Автоматизация и управление»; 5В071600, 6М071600 -«Приборостроение», а также инженерно-техническим работникам, занимающимся вопросами схемотехники цифровых устройств. УДК 00i (075.8) ББК 32.У73.2 я73 ISBN 978-601-342-982-3 © Эттель В.А., Синкевич Н.Н., 2022 © Эццраф, 2022
Введение.....................................................................................................5 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЦИФРОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ...... 8 1.1 Сигнал, электрический сигнал, аналоговый сигнал и цифровой сигнал....................................................................................... 8 1.2 Алгебра логики................................................................................... 9 1.3 Основные законы алгебры логики................................................. 14 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ.......................................... 16 2.1 Диоды.................................................................................................. 16 2.2 Транзисторы...................................................................................... 25 3. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЛОГИКИ ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ.....................................................................35 3.1 Диодно-транзисторная логика........................................................ 36 3.2 Транзисторно-транзисторная логика.............................................40 3.3 Эмиттерно-связанная логика.......................................................... 44 4. ТРИГГЕРЫ...........................................................................................47 4.1 Общие сведения о триггерах.......................................................... 47 4.2 Т - триггеры.......................................................................................50 4.3 JK- триггеры.......................................................................................51 4.4 D - триггеры.......................................................................................52 5. РЕГИСТРЫ...........................................................................................55 6. СЧЕТЧИКИ..........................................................................................60 6.1 Общие сведения о счетчиках.......................................................... 60 6.2 Счетчики - делители........................................................................ 66 6.3 Счетчики с параллельным переносом...........................................67 7. БАЗОВЫЕ СХЕМЫ ЛОГИКИ......................................................... 69 7.1 Схемы диодной логики....................................................................69 7.2 Схемы транзисторной логики........................................................ 70 8. ДЕШИФРАТОРЫ............................................................................... 75 8.1 Общие сведения о дешифраторах.................................................. 75 8.2 Дешифраторы с выходом на семисегментный код.....................80 9. ШИФРАТОРЫ.....................................................................................82 10. МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ...................................................................... 86 11. ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ....................89 11.1 Общие сведения о цифровых интегральных микросхемах............................................................................................. 89 11.2 Основные параметры ЦИС............................................................90
11.3 Условное обозначение типа микросхем................................... 93 12. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ........... ..........95 12.1 Общие сведения об аналого-цифровых преобразователях................................................................................... 95 12.2 Последовательные АЦП ...............................................................96 12.3 АЦП параллельного типа..............................................................99 12.4 Применение АЦП .........................................................................101 13. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.....................103 13.1 Общие сведения о цифро-аналоговых преобразователях.................................................................................. 103 13.2 Применение ЦАП .........................................................................104 Заключение................................................................................. 106 • Библиографический список..................................................... 108
В настоящее время цифровая схемотехника базируется на да* стижениях микроэлектроники, для которой характерно органическое единство физических, конструкторско-технических и схемотехнических аспектов. Микроэлектроника охватывает вопросы исследования, разработки и принципов применения интегральных микросхем. Интегральная микросхема (ИС) - это совокупность электрически связанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле на единой полупроводниковой основе (подложке). Интегральная микросхема выполняет определенные функции обработки (преобразования) информации, заданной в виде электрических сигналов: напряжений или токов. Электрические сигналы могут представлять информацию в непрерывной (аналоговой), дискретной и цифровой форме. Аналоговые и дискретные сигналы обрабатываются аналоговыми или линейными микросхемами, цифровые сигналы —цифровыми микросхемами. Существует целый класс устройств и соответственно микросхем называемых аналого-цифровыми или цифро- аналоговыми и служащих для преобразования сигналов из одной формы в другую. Компоненты, входящие в состав ИС, не могут быть выделены из нее в качестве самостоятельных изделий, кроме того, они характеризуются некоторыми особенностями по сравнению с дискретными транзисторами, диодами и т. д. Особенностью цифровых ИС является высокая сложность выполняемых ими функций, поэтому количество компонентов в одной микросхеме может исчисляться сотнями тысяч и даже миллионами. Функциональную сложность ИС обычно характеризуют степенью компонентной интеграции, т. е. количеством чаще всего транзисторов на кристалле. Количественно степень интеграции описывается условным коэффициентом К = lg N , где N - число компонентов. В зависимости от значений К интегральные схемы подразделяются: 1). К < 1...2, (N < 100) - малая интегральная схема (МИС или IS);
2) . 2 < К < 3...4, (N < 10000) - интегральная схема средней сте пени интеграции (СИС или MSI); 3) . 3...4 < К < 5, (N < 105) —большая интегральная схема (БИС или LSI); 4) . К > 5, (N > 105) —сверхбольшая интегральная схема (СБИС или VLSI). Сокращения, приведенные на английском языке, имеют следующий смысл: IS - Integrated Circuit; MSI - Medium Scale Integration; LSI - Large Scale Integration; VLSI - Very Large Scale Integration. Иногда сложность ИС характеризуют таким показателем, как плотность упаковки. Это количество компонентов, приходящихся на единицу площади кристалла. Этот показатель характеризует уровень технологии, и в настоящее время он составляет ~ 1000 компоПри изготовлении интегральных схем используется групповой метод производства и в основном планарная технология. Групповой метод производства предполагает изготовление на одной полупроводниковой пластине большого количества однотипных ИС и одновременную обработку десятков таких пластин. После завершения цикла изготовления пластины разрезаются в двух взаимно перпендикулярных направлениях на отдельные кристаллы - чипы (chip), каждый из которых представляет собой ИС. Планарная (плоскостная) технология - это такая организация технологического процесса, при которой все составляющие ИС формируются в одной плоскости. Необходимо отметить, что создание и освоение изделий микроэлектроники является чрезвычайно дорогостоящим делом. Стоимость D одной ИС (одного кристалла) упрощенно можно вычислить следующим образом: где А - затраты на НИР и ОКР по созданию ИС; В - затраты на технологическое оборудование; С - текущие расходы на материалы, электроэнергию, заработную плату в пересчете на одну пластину; Z - количество пластин, изготавливаемых до амортизации основных производственных фондов; X - количество кристаллов на пластине; нентов/мм2.
Ү - отношение годных ИС к количеству, запущенных в производство. Увеличение Ү достигается совершенствованием технологии, а рост числа кристаллов X достигается увеличением размера пластины и уменьшением размеров элементов ИС. Размеры кристаллов у современных полупроводниковых ИС достигают 20x20 мм2, а размеры фрагментов элементов ИС составляют десятые доли микрометра. Исторические этапы цифровой схемотехники: Первый этап - изобретение точечного германиевого транзистора в 1948 году в лаборатории Bell Telephone Laboratories. Второй этап - создание плоскостных кремниевых транзисторов в 1953 году на фирме Texas Instrument Incorporation и налаживание их группового производства. Третий этап - создание первой интегральной схемы в 1961 году на фирме Fairchild Semiconductor, представляющей собой триггер, состоящий из четырех биполярных транзисторов и двух резисторов.
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ц иф ро во й с х ем о т е х н и к и 1.1 Сигнал, электрический сигнал, аналоговый сигнал и цифровой сигнал Цифровые схемы по сравнению с аналоговыми схемами гой же сложности значительно проще в разработке и анализе. Это связано с тем, что логические ячейки на выходе выдают только определённые уровни напряжений, и разработчику не надо заботиться об искажениях, усилении, смещении напряжения и прочих аспектах, которые необходимо учитывать при разработке аналоговых устройств. По этой причине, на основе логических элементов могут создаваться сверхсложные схемы с огромной степенью интеграции элементов, содержащие на одном кристалле миллиарды транзисторов, стоимость каждого из которых получается ничтожно малой. Именно это во многом и определило развитие современной цифровой схемотехники. Рассмотрим основные понятия. Сигнал - это любая физическая величина, изменяющаяся во времени. Именно благодаря изменениям во времени сигнал несет в себе какую-либо информацию. Электрический сигнал - электрическая величина (напряжение, ток, мощность), изменяющаяся во времени. Вся электроника работает именно с этими сигналами. Электрические сигналы, в свою очередь, делятся на аналоговые и цифровые. Аналоговый сигнал может принимать любое значение в определенных пределах, и это значение обычно меняется достаточно плавно. Устройства, работающие только с аналоговыми сигналами, называются аналоговыми. Цифровой сигнал может принимать только несколько значений (как правило, два - логический «О» и логическая «1»), Как известно, двоичные числа 0 и 1 могут быть представлены различными значениями электрического напряжения. Широко применяется кодирование логического нуля отсутствием напряжения, а логической единицы - наличием положительного напряжения (рисунок 1.1).
и Рисунок 1.1 - График кодирования цифрового сигнала электрическим напряжением Сигналы можно преобразовывать. Для этого на практике используются логические элементы, а чтобы это записать формально используются логические функции. 1.2 Алгебра логики Для описания алгоритмов работы цифровых устройств необходим соответствующий математический аппарат. Такой аппарат для решения задач формальной логики в середине гтрошлого века разработал ирландский математик Д. Буль. По его имени математический аппарат и получил название булевой алгебры или алгебры логики. Алгебра логики является теоретической основой построения ЭВМ и цифровых устройств. Алгебра логики - это раздел математики, изучающий высказывания, рассматриваемые со стороны их логических значений (истинности или ложности) и логических операций над ними. 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 ло- гическзгх переменных тоже два: "1" и "О". Основоположником математической логики является английский математик Джордж Буль (1815 - 1864). Он впервые высказал идеи логического истолкования теории множеств. Рассмотрим 2х элементное множество В, элементы которого 0 и 1. Однако они не являются числами в обычном смысле. Наиболее распространенная интерпретация двоичных переменных - это логические: “ДА - НЕТ” или “ИСТИННО - ЛОЖНО”. Например: в языках программирования вводится специальный тип переменной - ло
гическая переменная, значения которой обозначаются TRUE и FALSE. Таким образом, элементы множества В={0,1} будем рассматривать как формальные символы, а не числа. Алгебра, образованная множеством В вместе со всеми возможными операциями на нем, называется алгеброй логики или Булевой алгеброй. Булевой функцией f(xb Х2, ... , хи) называется функция, которая принимает два значения 0 или 1 в зависимости от переменных х;, каждая из которых может также принимать только два значения О или 1. В таблице наборы переменных расположены в определенном порядке, который совпадает с порядком возрастания наборов, рассматриваемых как двоичные числа. Этим упорядочиванием будем пользоваться и дальше. Рассмотрим основные функции алгебры логики. 1. Логическое отрицание (инверсия) обозначается чертой над аргументом. Это функция одной переменной: f(x) = /х; /0=1; /1=0. Схема, реализующая логическое отрицание, называется логическим элементом «НЕ». Условное графическое обозначение элемента: Рисунок 1.2 - Условно графическое обозначение элемента «И» 2. Логическое сложение (дизъюнкция). Это функция нескольких переменных. Функция обозначается следующим образом: f(xbx2) = x, V х2 V х3...
Для двух переменных таблица истинности имеет вид: Х 1 х 2 f (X b * 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Условное графическое обозначение схемы «ИЛИ»: 52 Рисунок 1.3 —Условное графическое обозначение элемента «ИЛИ» 3. Логическое умножение (конъюнкция). Это функция несколь ких переменных. Функция обозначается следующим образом: 1?(хіхг) = X) Л х2Л х3 ... Функция определяется следующей таблицей истинности для двух переменных: Х| х2 f(x !X2) 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Условное графическое обозначение схемы «И»: S i ------- & 52 .____J 5і *х2 Рисунок 1.4 - Условное графическое обозначение элемента «И»
4. Функция Шеффера (штрих Ш еффера) реализует умножение отрицанием. Определяется для двух переменных следующей таблицей истинности. Это функция нескольких переменных: *1 *2 f(x ,x2) 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Функция имеет вид f(X]X2) = X) | х2= /(х. Л х2). Условное графическое обозначение схемы «И-НЕ»: 51S2Рисунок 1.5 - Условное графическое обозначение элемента «И-НЕ» 5. Функция Пирса (стрелка Пирса) реализует логическое слож ние с отрицанием. Определяется следующей таблицей истинности для двух переменных: х, х2 f(x,x2) О 0 1 0 1 О 1 О О 1 1 О Функция имеет вид f(xtx2) = Хі i х2=/(х, v х2). Условное графическое обозначение схемы «ИЛИ-НЕ»: х1 х2 Рисунок 1.6 - Условное графическое обозначение элемента «ИЛИ-НЕ» 12
Функции дизъюнкции и конъюнкции могуг быть не только функциями двух переменных. В общем случае произвольного числа аргументов. 6. Сложение по mod 2. Выполняет логическую операцию XOR (исключающее «ИЛИ»). Это функция нескольких переменных и определяется следующей таблицей истинности для двух переменных: X1 х2 Ү 0 0 0 0 1 I 1 0 1 1 1 0 Функция имеет вид Ү=Хі Ө х2 . Условное графическое обозначение элемента исключающее «ИЛИ». Ъх Ий Ү = хі Ө х2 Рисунок 1.7 - Условное графическое обозначение элемента исключающее «ИЛИ» Всякая логическая функция “п” переменных может быть задана таблицей, в левой части которой перечислены: все 2п наборов значений переменных, а в правой части - значения функции на этих наборах. Например, для 3-х переменных имеем: XI х2 Хз Ү 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0
Наборы (строки) х, на которых функция Y=l, называют единичным набором. Наборы х, на которых Ү=0, называют нулевым набором Ү. Составим логическую функцию из таблицы значений. Для этого возьмем конъюнкции аргументов в той строке, где функция равна единице. Причем, если аргумент равен нулю, то он берется с инверсией. Если аргумент равен единице, то он берется без инверсии. Полученные конъюнкции соединяем дизъюнкцией. Для нашего примера имеем три конъюнкции (три строки таблицы, где функция равна единице). Логическая функция имеет вид: Ү = (/XI А /Х2 АХЗ) V (XI N Х2 А/ХЗ) V (XI А 1X2 АХЗ). Инверсия обозначается чертой над аргументом. В первой конъюнкции аргументы XI, Х2 взяты с инверсией, так как их значения во второй строке таблицы равны нулю. Во второй конъюнкции аргументы Х2, ХЗ взяты с инверсией, так как их значения в пятой строке таблицы равны нулю. В третьей конъюнкции аргумент Х2 взят с инверсией, так как его значение в шестой строке таблицы равно нулю. Полученные конъюнкции объединены операциями дизъюнкции. 1.3 Основные законы алгебры логики 1. Переместительный закон. Коммутативность (от лат. - «менять», «изменять»). X, v Х2= Х2v X,, X, а Х2 = Х2лХ ,. 2. Сочетательный закон. Ассоциативность (от лат. - «соединять»). X, v (Х2 v Х3) = (X, v Х2) v Х3, X, л (Х2 л Х3) = (X, а Х2) л Х3’
3. Распределительный закон. Дистрибутивность. X, л (Х2 v Х3) = (X, л Х2) v (X, л Х3), X, v (Х2 а Х3) = (X, v Х3) л (X, v Х3). 4. Закон поглощения. X, v (X, аХ 2) = X,. X, a(Xi v Х2) = X ,’ 5. Закон склеивания. (XI ЛХ2) v (X l ЛХ2) = Х1> (Xi v X2)A (X , vX2) = X ,.’ 6. Правило де Моргана. /(Ххv Х2 v Х3) = /X, Л /Х2 Л /Х3, /(XI Л Х2 Л ХЗ) = /X, V /Х2 V /Х3. Выполнение логических операций производится в соответствии с приоритетом: 1 - инверсия, 2 - конъюнкция, 3 - дизъюнкция и 4 - сложение по mod 2. Операции одного приоритета выполняются слева направо. Для изменения порядка выполнения операций могут использоваться скобки.
2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ 2.1 Диоды 2.1.1 Полупроводниковые диоды Комбинация двух полупроводниковых слоев с разным типом проводимости (р - дырочной и п - электронной) обладает выпрямляющими свойствами: она гораздо лучше пропускает ток в прямом направлении, чем в обратном. Полярность напряжения, соответствующая большим токам, называется прямой, а меньшим токам - обратной. Полупроводниковым диодом называется прибор, который имеет два вывода и содержит один рп-переход. Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Специальные диоды используют различные свойства рп-переходов. К специальным диодам относятся светодиоды, фотодиоды, импульсные диоды и стабилитроны. Рисунок 2.1 - Классификация полупроводниковых диодов 2.12 Выпрямительные диоды Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные. Плоскостные диоды благодаря большой площади рп- перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные
диоды имеют малую площадь перехода и предназначены для выпрямления малых токов. Условное графическое обозначение полупроводникового диода представлено на рисунке 2.2,а. а) б) Рисунок 2.2 - Условное графическое изображение и структура полупроводникового диода Структура полупроводникового диода представлена на рисунке 2.2,6. Вывод подключенный к p-области называется анодом (А), а вывод, подключенный к n-области называется катодом (К). Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малое сопротивление в прямом направлении и позволяют пропускать большие токи. При включении обратного напряжения сопротивление диодов резко возрастает. Работа полупроводникового диода в электрической схеме определяется его вольтамперной характеристикой (ВАХ). На рисунке 2.3 представлены вольтамперные характеристики кремниевого и германиевого диодов. Анализ вольтамперных характеристик кремниевого и германиевого диодов позволяет сделать следующие выводы: - прямое падение напряжения Unp на германиевом диоде почти в два раза меньше, чем на кремниевом, при одинаковых значениях прямого тока 1пр; - германиевый диод начинает проводить ток при ничтожно малом прямом напряжении Unp= 0,2 - 0,3В, а кремниевый — только при U,ip= 0,6 - 0,8В; - обратный ток Іобр кремниевого диода значительно меньше обратного тока германиевого при одинаковых обратных напряжениях.
Рисунок 2.3 - ВАХ кремниевого и германиевого диодов Эти выводы позволяют разграничить назначение германиевых и кремниевых диодов. Германиевые диоды применяют для обработки сигналов малой амплитуды (до 0,3 В). Кремниевые диоды при подаче на них сигналов такой амплитуды одинаково плохо проводят ток, как в прямом направлении, так и в обратном направлении. Кремниевые диоды применяются в тех случаях, когда обратный ток недопустим. Кроме того, они сохраняют работоспособность до температуры окружающей среды 125 - 150 °С, тогда как германиевые могут работать только до 70 °С. Основными параметрами выпрямительных диодов являются: - максимально допустимое обратное напряжение Uo6pmax. Это значение обратного напряжения, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности. - средний выпрямленный ток 1ср ш„ определяемый как средний за период значение выпрямленного тока. -обратный ток 1обр диода, при определенном постоянном обратном напряжении. - постоянное прямое напряжение Unp при определенном для каждого диода постоянном прямом токе. Отношение этих величин определяет сопротивление диода прямому току.
Превышение и оврmax переводит диод в режим пробоя. Различают электрический и тепловой пробои р-п-перехода. Электрический пробой может быть лавинным или туннельным и не сопровождаться разрушением р-п-перехода. Тепловой пробой, как правило, приводит к разрушению р-п-перехода и выходу диода из строя. Рассмотрим схему работы выпрямительного диода (рисунок 2.4). О VD -Uв.\ о. о + п - Рисунок 2.4 - Схема работы выпрямительного диода Диод пропускает положительную полуволну входного переменного напряжения. Временные диаграммы работы выпрямительного диода представлены на рисунке 2.5. Рисунок 2.5 - Временные диаграммы работы выпрямительного диода Перевернем диод. Теперь диод пропускает отрицательную полуволну входного напряжения.
Рисунок 2.6 - Схема работы выпрямительного диода Рисунок 2.7 - Временные диаграммы работы выпрямительного диода Таким образом, в зависимости от схемы включения диода на выход проходит или положительная полуволна входного напряжения или отрицательная полуволна входного напряжения. 2.1.3 Диоды специального назначения Существуют различные типы диодов специального назначения: туннельные диоды, варикапы, светодиоды, фотодиоды, импульсные диоды, стабилитроны и т.д. Диоды применяются также для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п.
2.1.4 Импульсные диоды Импульсные диоды имеют малую длительность переходных про* нессов и предназначены для работы в импульсных цепях. В отличие от выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями рп-перехода. Уменьшение емкости достигается за счет уменьшения площади рп-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики. Импульсные диоды имеют высокую частоту переключения и используются при создании логических элементов. 2.1.5 Стабилитроны Если к рп-переходу подключить обратное напряжение, то при определенном его значении переход пробивается. Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (необратимый), выводящий полупроводниковый прибор из строя. Если не ограничивать обратный ток, то элекгрический пробой перейдет в тепловой. Увеличение тока приводит к повышению температуры и дальнейшей генерации носителей процесс нарастает лавинообразно и приводит к изменению структуры кристалла и выхода его из строя. Явление пробоя находят практическое применение в стабилитронах - приборах, предназначенных для стабилизации напряжения. При прямом напряжении на стабилитроне его ВАХ ничем не отличается от обычного диода. При обратном включении напряжения у стабилитрона используется участок ВАХ в области и^имс • Схема включения стабилитрона представлена на рисунке 2.8,а. Условное графическое обозначение стабилитрона представлено на рисунке 2.8.6. О- - Ubx - О + 1)вых О Рисунок 2.8 - Условное графическое обозначение и схема включения стабилитрона
При изменении величины напряжения Ubx в широком диапазоне напряжение Ublix остается постоянным. Ubbix всегда меньше Ubx. Сопротивление стабилитрона при прямом включении маленькое. Достоинствами полупроводниковых диодов являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность. Недостатком диодов является зависимость параметров от температуры. 2.1.6 Светодиоды Светодиод - это электронный прибор, преобразующий электрическую энергию в световую. Условное обозначение и схема включения светодиода представлены на рисунке 3.8. Рисунок 2.9 - Условное ірафическое обозначение и схема включения светодиода В светодиоде предусмотрена возможность вывода светового излучения из области рп- перехода сквозь прозрачное окно в корпусе. При прохождении через светодиод тока в прилегающих к рп- переходу областях полупроводника происходит интенсивная рекомбинация носителей зарядов — электронов и дырок. Часть освобождающейся энергии выделяется в виде квантов света. В зависимости от ширины запрещенной зоны полупроводника излучение может иметь длину волны либо в области видимого глазом света, либо невидимого инфракрасного излучения. Излучение переходов на основе арсенида галлия имеет длину волны около 0,8 мкм. Пере-
ходы из карбида кремния или фосфида галлия излучают видимый свет в диапазоне от красного до голубого цвета. Важнейшими параметрами светодиода являются яркость, измеряемая в нитах, и цвет свечения. Для светодиода дополнительно указывается минимальный ток в прямом направлении, при превышении которого светодиод зажигается. 2.1.7 Фотодиоды Фотодиод - электронный прибор, преобразующий световую энергию в электрическую. Простейший фотодиод представляет собой обычный диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на рп-переход. Его корпус снабжен линзой, создающей внешний световой поток, направленный на рп-переход. При поглощении квантов света в рп переходе и в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к рп- переходу, диффундируют в рп-переход и проходят через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в рп переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком. Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками. а) вольтамперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке от напряжения; б) световая характеристика фотодиода, то есть зависимость фототока от освещенности; г) спектральная характеристика фотодиода - это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод; д) постоянная времени - это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода на 63% по отношению к установившемуся значению;
с) темновос сопротивление - сопротивление фотодиода в отсутствие освещения. Фотодиод является составным элементом во многих сложных онтоэлскгронных устройствах. И поэтому он находит широкое применение. Например, а) оптоэлектронные интегральные микросхемы; б) многоэлементные фотоприемники. Многоэлементные фотоприемники представляют собой сканирующие системы, то есть устройства, позволяющие производить анализ исследуемого пространства путем последовательного его просмотра (поэлементного разложения). Условное обозначение и схема включения фотодиода представлены на рисунке 2.10. Рисунок 2.10 - Условное обозначение и схема включения фотодиода Под воздействие светового потока сопротивление фотодиода резко уменьшается и в электрической цепи протекает ток. При отсутствии освещения сопротивление фотодиода резко возрастает и по цепи протекает небольшой темновой ток. При отсутствии освещения фотодиод ничем не отличается от обычного диода, включенного в обратном направлении. Важная особенность фотодиодов - высокое быстродействие. Они могут работать на частотах до нескольких миллионов герц. Фотодиоды обычно изготовляют из германия или кремния. Фотодиод является потенциально широкополосным приемником. Этим и обуславливается его повсеместное применение. В будущем крайне важно повышение рабочей температуры фотодиодов. Оценивая сегодняшнюю оптоэлсктронику в целом, можно сказать, что она скорее «криогенная», чем «комнатная».
Будущее оптоэлектроники находится в прямой зависимости от прогресса фотодиодных структур. Оптическая электроника бурно развивается, разрабатываются новые типы фотоприемников, и наверняка уже скоро появятся фотодиоды на основе новых материалов с большей чувствительностью, повышенным быстродействием и с улучшенными характеристиками в целом. 2.2 Транзисторы В декабре 1947 г. американские физики Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн обнаружили эффект усиления тока в полупроводниковой структуре с двумя рп-переходами. В 1956 году исследователи получили Нобелевскую премию по физике "За исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта". В 1958 году два транзистора уместили на кремниевой подложке - в мире появилась первая интегральная схема. Человечество постоянно занимается тем, что пытается уместить на полупроводниковых подложках как можно больше транзисторов - и по той же цене. Свыше сорока лет соблюдается выведенный в 1965 году закон Гордона Мура о том, что число транзисторов на чипе каждые два года удваивается, а стоимость чипа падает на 50 процентов. Сегодня на одном чипе размещается до миллиарда столь необходимых переключателей. Ежегодно производятся миллиарды микросхем. Общее число транзисторов в них в 10 тысяч раз превышает число муравьев на Земле и в 10 миллионов раз - число звезд в Млечном Пути. Первоначально название «транзистор» относилось к резисторам, сопротивление которых управляется напряжением. В самом деле, транзистор можно представить как сопротивление, регулируемое напряжением на управляющем электроде. Транзистор — это трёхэлектродный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом.
atu.kzRkJQdWJsaXNoZXIy MTExODQxMg==