1. Przewodnictwo elektryczne, obraz makro- i mikroskopowy.

Przewodnictwo elektryczne to zjawisko przepływu ładunków elektrycznych pod wpływem pola elektrycznego.

Prąd elektryczny - uporządkowany ruch ładunków elektrycznych

Wyróżniamy:

a) Przewodniki - z łatwością przewodzą prąd, gdyż występują w nich swobodne nośniki ładunku (np. elektrony, jony)

• Służą one głównie do przewodzenia prądu wzdłuż określonej drogi (przewodów).

• Konduktywność: 10^-2 S/m (woda, ale nie destylowana!) - 10⁷ S/m (metale)

• Konduktywność metali maleje wraz ze wzrostem temperatury.

b) Izolatory (dielektryki) - Nie przewodzą prądu stałego, gdyż nie ma w nich swobodnych ładunków

• Służą do blokowania przepływu prądu (izolowania części obwodu elektrycznego)

• Konduktywność: 10^-24 S/m - 10^-10 S/m

• Przyłożenie dużego napięcia powoduje jonizację dielektryka - wówczas staje się on przewodnikiem (np. plazma)

c) Półprzewodniki

• Szereg zastosowań w elektronice (diody, tranzystory, tyrystory) i technice mikropocesorowej.

• Konduktywność: zależna od wielu czynników zewnętrznych (np. natężenia pola elektrycznego, temperatury, oświetlenia, sposobu obróbki) i może się zmieniać od 10^-8 S/m - 10⁶ S/m

• Konduktywność półprzewodników rośnie wraz ze wzrostem temperatury.

Obraz mikroskopowy:

Atomy, które wiążą się w sieć krystaliczną, nieodwracalnie tracą wolne elektrony, stając się tym samym jonami dodatnimi. Odłączone od atomów elektrony swobodne nazywamy elektronami przewodnictwa, gdyż dzięki nim metal przewodzi prąd elektryczny. Jony metalu stawiają opór przemieszczającym się wśród nich elektronom. Zderzające się z jonami, elektrony tracą energię i w rezultacie przesuwają się wzdłuż przewodu powoli.

Znając przybliżoną budowę atomu, który składa się z dodatnio naładowanego jądra i krążących wokół niego ujemnie naładowanych elektronów, wiemy, że pod wpływem sił zewnętrznych elektrony z ostatniej powłoki mogą zostać oderwane od atomy stając się elektronami swobodnymi (a więc mogą przewodzić prąd).

2. Obwód elektryczny, prawo Ohma i prawa Kirchhoffa.

a) Prawo Ohma:

Stosunek natężenia prądu płynącego przez przewodnik do napięcia pomiędzy jego końcami jest stały.

b) I prawo Kirchoffa

Suma natężeń prądów wpływających do rozgałęzienia, równa jest sumie natężeń prądów wypływających z tego rozgałęzienia.

Σ I_wpływające = Σ I_{wypływające}

c) II prawo Kirchoffa

W obwodzie zamkniętym suma spadków napięć na wszystkich odbiornikach prądu musi być równa sumie napięć na źródłach napięcia.

3. Źródła idealne i rzeczywiste, zależne i niezależne.

• Źródła sterowane - ich parametry zależą od wybranego prądu lub napięcia lub napięcia w obwodzie

• Rzeczywiste źródło napięcia/prądu składa się z idealnego źródła napięciowego/prądowego i rezystora połączonego z nim szeregowo/równolegle.

• Idealne źródło napięciowe/prądowe - rezystancja wejściowa zerowa/nieskończenie wielka. W źródle prądowym bez obciążenia na zaciskach występuje max napięcie

4. Praca i moc stałego prądu elektrycznego.

Praca prądu elektrycznego:

Przepływ prądu elektrycznego jest związany z pewną pracą. Praca ta wykonywana jest przez powstające pole elektryczne, które wywołuje przepływ elektronów. Pracę wykonaną przez prąd obliczamy korzystając ze wzoru:

W=UIt

Moc prądu elektrycznego:
Moc prądu elektrycznego to praca, jaką wykonuje prąd w określonym czasie:

P=W/t
lub

P=UI

5. Twierdzenie Thévenina i twierdzenie Nortona. Prawo Ohma dla obwodu zamkniętego.

Twierdzenie Thevenina:

Obwód elektryczny liniowy o dowolnym ukształtowaniu, traktowany jako złożony dwójnik liniowy aktywny o zaciskach AB, można zastąpić jednym źródłem o napięciu źródłowym E, równym napięciu stanu jałowego U₀ na zaciskach AB i o rezystancji wewnętrznej R_w, równej rezystancji zastępczej mierzonej na zaciskach AB obwodu.

Inaczej:

Dowolny dwójnik SL jest równoważny zaciskowo NZE={u₀, R_w}, którego parametry to:

u₀ - napięcie jałowe ( i Ⴚ 0 ) na zaciskach dwójnika;

R_w - rezystancja wewnętrzna dwójnika.

Twierdzenie Nortona:

Dowolny aktywny obwód liniowy można od strony wybranych zacisków AB zastąpić obwodem równoważnym złożonym z równolegle połączonego jednego idealnego źródła prądu o prądzie źródłowym równym prądowi w gałęzi AB przy zwarciu zacisków AB oraz jednej admitancji zastępczej tego obwodu pasywnego widzianej od strony wybranych zacisków AB

Inaczej:

Dowolny dwójnik SL jest równoważny zaciskowo PZE={j_z, G_w}, którego parametry to:

j_z - prąd zwarcia ( u Ⴚ 0 ) zacisków dwójnika,

G_w - konduktancja wewnętrzna dwójnika.

Prawo Ohma dla obwodu zamkniętego:

Natężenie prądu płynącego w obwodzie zamkniętym jest wprost proporcjonalne do siły elektromotorycznej, a odwrotnie proporcjonalne do całkowitego oporu obwodu.

Konsekwencje wynikające z prawa Ohma dla obwodu zamkniętego

Ze wzoru tego wynika, siła elektromotoryczna równa jest sumie spadków potencjału.

6. Prąd zmienny i jego charakterystyka. Opis obwodów AC za pomocą fazorów.

zależności: natężenia prądu sinusoidalnego od czasu, a także napięcia od czasu są opisane za pomocą matematycznej funkcji sinus:

I = I₀sinωt

U = U₀sinωt

Podstawowymi parametrami charakteryzującymi prąd przemienny są:
- okres T - czas jednego pełnego cyklu zmian wartości natężenia prądu;
- częstotliwość f - liczba pełnych cykli zmian natężenia prądu w jednostce czasu;
- amplituda I₀ - zwana też wartością szczytową, oznacza maksymalną wartość natężenia prądu;
- wartość skuteczna I_sk - odpowiada takiej wartości prądu stałego, który przepływając przez odbiornik o oporze R, powoduje wydzielenie takiej samej mocy, która wydzieliłaby się przy przepływie przez ten sam opór danego prądu przemiennego.

Prąd przemienny sinusoidalny w sieci miejskiej posiada następujące wartości parametrów:

f = 50 Hz, T = 0,02 s, U₀ = 325 V, U_sk = 230 V.

Wykres wskazowy - wektorowe przedstawienie sygnału sinusoidalnego

Długość wskazu odpowiada amplitudzie przebiegu sinusoidalnie zmiennego, a jego położenie kątowe reprezentuje przesunięcie fazowe.

Napięcie na cewce zawsze wyprzedza w fazie prąd o 90°, natomiast napięcie na kondensatorze jest opóźnione o 90° do prądu płynącego przez niego.

W zapamiętaniu tej reguły, wynikającej z podstawowych praw fizyki opisujących obwód elektryczny, pomocna jest mnemotechniczna reguła CIUL. Na kondensatorze C prąd I wyprzedza napięcie U, czytając od drugiej strony, na cewce L napięcie U wyprzedza prąd I.

7. Metoda symboliczna. Praca i moc prądu zmiennego. Kompensacja mocy biernej.

!Slajdy el-2!

Kompensacja mocy - zamiast produkować moc bierną w elektrowni i przesyłać ją linią energetyczną, lepiej wyprodukować ją tuż przy odbiorniku (zmniejszając prąd płynący linią energetyczną w efekcie czego zmniejszają się straty energii wydzielanej w liniach przesyłowych, zmniejszają się spadki napięcia w przewodach linii, można przesłać większą moc czynną). Polega ona na podłączeniu do odbiornika równolegle kondensatora, który kompensuje całkowicie część składową bierną prądu pobieraną z sieci.

8. Charakterystyki i parametry podstawowych biernych elementów układów elektronicznych - oporników, kondensatorów i cewek. Reaktancja pojemnościowa i indukcyjna, impedancja.

Cewka - składa się z pewnej liczby zwojów nawiniętych np. na powierzchnie walca lub pierścienia dla prądu stałego cewka jest elementem rezystancyjnym o rezystancji przewodnika z którego jest wykonana . Dla prądu o pulsacji rożnej od zera wykazuje wartość oporu zwaną reaktancją indukcyjną reaktancja jest tym większa im większa jest wartość pulsacji i prądu .

Siła elektromotoryczna indukowana w cewce : E=-L dI/dt

Strumień indukcji pola przepływającego przez cewke : ф =LI

Parametry cewki :

Indukcyjność- to zdolność do wytwarzania strumienia pola magnetycznego wokół przewodnika przewodzącego prąd zmienny . L = kф/i [1Henr] współczynnik k zależy od geometrii układu (liczby zwojów kształtu cewki , grubości użytego druta)

Dobroć cewki - to parametr określający ilościowo ile razy amplituda sygnału częstotliwości roboczej jest większa od amplitudy sygnału o innej częstotliwości . dobroć jest ściśle związana ze stratami zawsze występującymi w cewce , biorą się one z oporności czynnej R występującej w cewce i obwodach rezonansowych Q= X_L/R

Impedancja cewki- jest wartością zespolona dwóch rodzajów oporności danej cewki (oporu czynnego i reaktancji indukcyjnej )

Reaktancja indukcyjna - to oporność cewki wykazywana dla płynącego przez nią prądu zmiennego. Reaktancja indukcyjna nie powoduje strat energii , jest zależna od indukcyjności cewki oraz częstotliwości prądu : X_L =ωL; ω=2πf;

Łączenie cewek - szeregowe w połączeniu szeregowym przez wszystkie cewki płynie ten sam prąd lecz na każdej występuje inne napięcie . L_z= L1+L2..+ Ln =

Równoległe - Lz =1/L1+1/L2……+1/Ln=
zależność ta zachodzi tylko wtedy gdy pole magnetyczne każdej z cewek nie wnika do pozostałych w przeciwnym wypadku pojawia się indukcyjność wzajemna zmieniająca indukcyjność cewek składowych.

Kondensator - stanowi układ co najmniej dwóch elektrod wykonanych z materiału przewodzącego oddzielonych od siebie dielektrykiem , kondensator służy do gromadzenia ładunku elektrycznego. niektóre kondensatory wygładzają kształt przebiegu prądu inne przepuszczają sygnały i sprzęgają je ze sobą , specjalne kondensatory o zmiennej pojemności służą do przestrajania radia i wyszukiwania stacji .

Parametry :

pojemność kondensatora - stosunek ładunku kondensatora do napiecia występującego miedzy okładzinami . C=Q/U

Pojemność znamieniowa C_n kondensatora - to wartość pojemności złożona przy wytworzeniu kondensatora która z uwzględnieniem tolerancji jest podawana jako jego cecha .

Napięcie znamieniowe U_n kondensatora - to wartość napięcia stałego które może być długotrwale doprowadzone do kondensatora nie powodując jego uszkodzenia ani jakiej kol wiek zmiany jego parametrów .

Reaktancja pojemnościowa - jest to taki opór dla prądu przemiennego o danej częstotliwości jaki tworzy pojemność : Xc= -1/ωC; ω= 2πf

Łączenie kondensatorów - szeregowe

C_Z=1/C₁ + 1/C₂ + ...

Równoległe

C_Z=C₁ + C₂ + ...

Rezystor (opornik) - element elektroniczny bierny ,którego podstawowym parametrem jest rezystancja wyrażona w omach, a pozostałe parametry (pojemność i indukcyjność) są nieistotne .Zadaniem rezystora w obwodzie elektrycznym jest ustalenie określonej wartości prądu I=U/R lub spadku napięcia U=RI. Moc wydzielana na rezystorze P=UI jest zamieniana w ciepło. Rezystory pracują w obwodach prądu stałego, zmiennego oraz impulsowego.

Parametry:

Rezystancja nominalna (znamionowa) R - jest to wartość rezystancji podawana jako cecha rezystora. Różnica pomiędzy wartościami rezystancji rzeczywistej (którą ma rezystor w określonych warunkach) i nominalnej jest nazywana odchyłką rezystancji i wiąże się z tzw. tolerancją rezystora.

Tolerancja (klasa dokładności)- określa maksymalne dopuszczalne odchyłki, wyrażone w procentach wartości rezystancji znamionowej. Odchyłki te wynikają z różnic rezystorów powstających podczas produkcji, tzw. rozrzuty produkcyjne. Zazwyczaj tolerancja jest podawana na rezystorze w postaci oznaczenia kodowego [napis, literka lub pasek], brak takiego oznaczenia sugeruje, że jest to rezystor o tolerancji 20%.

Moc znamionowa P - jest to największa dopuszczalna moc, jaka może być wydzielona w postaci ciepła podczas pracy rezystora w określonych warunkach, przy zachowaniu wartości pozostałych parametrów w granicach ustalonych dla danego typu rezystora. Wartość tej mocy zależy przede wszystkim od konstrukcji rezystora, zastosowanych materiałów i warunków chłodzenia. Moc znamionową ustala się, przyjmując najwyższą dopuszczalną temperaturę, do jakiej może się rozgrzać rezystor. Podaje się ją w odniesieniu do temperatury otoczenia 

Napięcie graniczne U_gr - jest to największa wartość napięcia stałego (lub największa wartość skuteczna napięcia przemiennego), którą można doprowadzić do końcówek rezystora nie powodując jego uszkodzenia. Zależy ono od konstrukcji rezystora. głównie wytrzymałości izolacji.

Temperaturowy współczynnik rezystancji TCR (TWR) - określa zmiany rezystancji pod wpływem temperatury. Czym mniejsza wartość TCR, tym bardziej stabilny rezystor.

Impedancja Z - wielkość charakteryzująca zależność między natężeniem prądu i napięciem w obwodach prądu zmiennego. Impedancja jest uogólnieniem oporu elektrycznego, charakteryzującego tę zależność w obwodach prądu stałego. Impedancja jest wielkością zespoloną. Część rzeczywista impedancji opisuje opór związany z prądem płynącym w fazie zgodnej z przyłożonym napięciem, część urojona - z prądem przesuniętym w fazie, który wyprzedza przyłożone napięcie lub jest opóźniony względem niego.

9. Dzielniki napięcia i prądu, filtry, obwody RLC.

Dzielnik napięcia:


Układ, który dzieli napięcia, doprowadzone do jego wejścia. Napięcie wyjścia jest częścią napięcia wejściowego. Jest to po prostu układ dwóch rezystorów połączonych szeregowo Napięcie wejściowe doprowadzone jest do rezystora R₁ i R₂, a wyjściowe jest równe spadkowi napięć na R₂.

Zastosowanie:
- są one głównie wykorzystywane w potencjometrach. Potencjometry to szczególne odmiany dzielnika napięć, w których opory R1 i R2 mogą być płynnie regulowane.
- w mostkach

Dzielnik prądu:


Układ, który dzieli natężenia prądu. Składa się z pasywnych elementów elektrycznych (np. oporników) połączonych ze sobą równolegle. Natężenie w gałęziach dzielnika jest zawsze mniejsze od natężenie wejściowego

Zastosowanie:
-wykorzystywane w amperomierzach, szczególnie do poszerzania zakresu pomiarowego amplitudy.

Filtr:

Fragment obwodu elektrycznego lub obwodu elektronicznego odpowiedzialny za przepuszczanie lub blokowanie sygnałów o określonym zakresie częstotliwości.

- Układ całkujący (filtr dolnoprzepustowy) -

przenosi bez tłumienia, składowe widma sygnału wejściowego leżącego w dolnej jego części (niskie częstotliwości)

Tłumienie składowych widma leżących w górnej jego części (wysokie częstotliwości)

Filtr dolnoprzepustowy jest czwórnikiem całkującym i wprowadza ujemne przesunięcie fazowe -45°

- Układ różniczkujący (filtr górnoprzepustowy) -
przenoszenie bez tłumienia, składowych widma sygnału wejściowego leżącego w górnej jego części.

Tłumienie składowych widma leżących w dolnej jego części

Filtr dolnoprzepustowy jest czwórnikiem różniczkującym i wprowadza przesunięcie fazowe +45°

Charakterystyki amplitudowe i fazowe filtrów dolnoprzepustowego, górnoprzepustowego, środkowoprzepustowego i filtru - pułapki

Amplitudowa

Fazowa

Amplitudowa

Fazowa

Amplitudowa

Fazowa

Amplitudowa

Fazowa

Dolnoprzepustowy

Górnoprzepustowy

Filtr - pułapka (środkowozaporowy)

Środkowoprzepustowy

Obwód RLC:
Zawada kondensatora:


Zawada cewki:

szeregwy:




różnica faz między napięcie a natężeniem prądu:


Amplituda prądu:



Impedancja obwodu:

równoległy:

10. Zjawiska w złączu p-n. Diody półprzewodnikowe i układy z diodami, układy prostownicze.

Złącze p-n niespolaryzowane- W stanie równowagi termodynamicznej tj. gdy z zewnątrz nie przyłożono żadnego pola elektrycznego, w pobliżu styku obszarów p i n swobodne nośniki większościowe przemieszczają się co spowodowane jest różnicą koncentracji nośników. Gdy elektrony przemieszczą się do obszaru typu p, natomiast dziury do obszaru typu n (stając się wówczas nośnikami mniejszościowymi) dochodzi do rekombinacji z nośnikami większościowymi, które nie przeszły na drugą stronę złącza. Rekombinacja polega na "połączeniu" elektronu z dziurą, a więc powoduje "unieruchomienie" tych dwóch swobodnych nośników. Zatem rekombinacja powoduje redukcję nośników po obu stronach złącza, które zapobiegają dalszej dyfuzji nośników. W efekcie w pobliżu złącza powstaje warstwa ładunku przestrzennego, nazywana też warstwą zubożoną.

Złącze p-n spolaryzowane zaporowo- Złącze jest spolaryzowane w kierunku zaporowym wtedy, gdy do półprzewodnika typu n przyłożymy potencjał wyższy (plus), a do półprzewodnika typu p - niższy (minus). Następuje dalszy odpływ swobodnych nośników z obszaru otaczającego warstwę zaporową.

Złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia

W tym przypadku bariera potencjału zmniejsza się o wartość zewnętrznego napięcia U, zmniejsza się również szerokość obszaru zubożonego. Gdy U przekroczy wartość napięcia dyfuzyjnego, wówczas obszar zubożony znika i praktycznie bez przeszkód następuje dyfuzja nośników mniejszościowych z obszaru n do p i z p do n. Te dodatkowe nośniki rekombinują z nośnikami większościowymi w danym obszarze. Ze źródła zasilania dopływają nowe nośniki większościowe, dyfuzja nie zatrzymuje się, lecz ma miejsce cały czas. W efekcie w obwodzie płynie prąd dyfuzyjny.

Zastosowanie diod półprzewodnikowych.

Diody stosowane są w układach analogowych i cyfrowych. W układach analogowych wykorzystywana jest zależność rezystancji dynamicznej od napięcia lub prądu wejściowego, lub też zależność pojemności od napięcia. W układach cyfrowych istotne są natomiast właściwości przełączające diody. Diody półprzewodnikowe stosuje się w układach prostowania prądu zmiennego, w układach modulacji i detekcji, przełączania, generacji i wzmacniania sygnałów elektrycznych.

Układ jednofazowy jednopołówkowy.

Najprostszym układem do prostowania półfalowego, zwanego również jednopołówkowym jest układ jednoprostownikowy. Załóżmy że do zacisków obwodu jest doprowadzone napięcie sinusoidalne. W pierwszej połowie okresu zmienności napięcia, gdy wartość chwilowa tego napięcia jest dodatnia (u > 0), dioda znajduje się w stanie przewodzenia, prąd w obwodzie i=u/R zmienia się też sinusoidalnie. W końcu tego półokresu napięcie u=0, zatem prąd i=0. W drugiej połowie okresu napięcie zmienia znak, u < 0, a więc do prostownika zostaje doprowadzone napięcie o biegunowości ujemnej. W związku z tym prostownik przechodzi w stan zaporowy i prąd w obwodzie nie płynie i=0. Do końca okresu prąd w obwodzie jest

Mostek Graetza

To pełnookresowy prostownik z czterech diod prostowniczych połączonych w specyficzny układ prostujący prąd przy wykorzystaniu obu połówek napięcia przemiennego (prostownik dwupołówkowy). W układzie takim niezależnie od kierunku przepływu prądu na wejściu prąd na wyjściu płynie zawsze w tę samą stronę. W określonej chwili dwie z tych diod pracują przy polaryzacji w kierunku przewodzenia, a dwie w kierunku zaporowym; przy zmianie kierunku prądu wejściowego te pary zamieniają się rolami. Mostek ten jest czwórnikiem - ma dwa zaciski wejściowe (napięcie przemienne) oraz dwa zaciski wyjściowe.

Powielacz napięcia

obwód elektryczny transformujący prąd zmienny na prąd stały o wyższym, względem wejściowego, napięciu. Powielacz napięcia składa się z układu odpowiednio połączonych kondensatorów oraz diod prostowniczych.

11. Tranzystory bipolarne - budowa i zasada działania. Parametry tranzystorów. Ustalanie punktu pracy. Podstawowe układy z tranzystorami. Układ Darlingtona. Lustro prądowe,

! slajdy el-3!

Tranzystor bipolarny: półprzewodnikowy element elektroniczny, mający zdolność wzmacniania sygnału. Charakteryzuje się tym, że niewielki prąd płynący pomiędzy dwiema jego elektrodami steruje większym prądem płynącym między emiterem, a trzecią elektrodą. Składa się z trzech warstw półprzewodnika: p-n-p lub n-p-n. Poszczególne warstwy noszą nazwy:  

emiter (E) warstwa silnie domieszkowana

baza (B) warstwa cienka i słabo domieszkowana

kolektor (C)

Działanie tranzystora: 

W stanie bez polaryzacji zewnętrznej, dziury z  emitera nie przenikają do kolektora, gdyż są blokowane przez barierę potencjału emiter-baza. Podobna bariera potencjału istnieje na złączu baza-kolektor.  

Po przyłożeniu zewnętrznego napięcia między kolektor i emiter również nie obserwuje się przepływu prądu. Napięcie UCE odkłada się na zaporowo spolaryzowanym złączu baza-kolektor.  

Jeżeli między bazę i emiter zostanie przyłożone napięcie UBE zmniejszające tę barierę potencjału, dziury z emitera dostana się do bazy, a następnie, o ile nie zrekombinują w niej, przedyfundują do kolektora,  tworząc prąd IC. Regulując napięcie UBE regulujemy  wysokość bariery potencjału na tym złączu, kontrolując  jednocześnie ilość dziur dostających się do bazy. Dzięki  temu za pomocą sygnału elektrycznego dostarczanego do  bazy kontrolujemy oporność między emiterem i  kolektorem.

Parametry tranzystorów:

Ic - prąd kolektora
Ic(max) - maksymalny prąd kolektora
Uce - napięcie kolektor-emiter
Ib - prąd bazy
Uce(sat) - napięcie nasycenia(napięcie kolektor-emiter w stanie przewodzenia/pełnego otwarcia)
Uce(max) - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter(powyżej tranzystor się uszkodzi)
Ice(0) - prąd zerowy(w stanie odcięcia/nieprzewodzenia)
Pc(max) - dopuszczalne straty mocy w strukturze tranzystora(żeby to rozproszyć stosuje się radiatory)

Różne układy tranzystora bipolarnego

Parametr	wspólny emiter	wspólny kolektor	wspólna baza
Rezystancja wejściowa	Średnia	Duża	Mała
Wzmocnienie napięciowe	Duże	Równe jedności	Średnie
Wzmocnienie prądowe	Średnie	Duże	Mniejsze od jedności
Rezystancja wyjściowa	Duża	Mała	Duża

Charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego

- wejściowa (U_BE = f (I_B), przy U_KE = const)

- przejściowa (I_B = f (I_K), przy U_KE = const)

- wyjściowa (I_K = f (U_KE), przy I_B = const)

- zwrotna (U_BE = f (U_KE), przy I_B = const)

 

Ustalanie punktu pracy:

Aby znaleźć optymalny punkt pracy tranzystora posługujemy się najczęściej graficzną

analizą jego charakterystyk. Postępuje się wówczas według następującego schematu:

1. Przestrzeń punktów pracy, czyli punktów o współrzędnych (U_CE, I_C), w jakich może

znajdować się tranzystor (bez dodatkowych elementów) jest ograniczona przez hiperbolę maksymalnej dopuszczalnej cieplnej mocy strat tranzystora, określonej w katalogu przez producenta: P_MAX=I_C·U_CE. Przekroczenie jej grozi spaleniem tranzystora.

2. Jeżeli tranzystor współpracuje w układzie dzielnika napięcia z rezystorem RL, przestrzeń punktów pracy ogranicza się do prostej opisanej równaniem : U_CE=E-R_L·I_C (tzw. prosta obciążenia). W praktyce należy tak dobrać napięcie zasilania wzmacniacza E oraz opór pracy R_L, by prosta ta była styczna do hiperboli obciążenia (lub przebiegała nieco poniżej).

3. Prosta obciążenia przecina oś napięć kolektor-emiter w punkcie E, a oś prądów kolektora w punkcie E/RL. Żaden z tych parametrów nie może przekraczać maksymalnych wielkości tranzystora (I_Cmax, U_CEmax) dopuszczonych przez producenta.

4.Środkowy punkt odcinka prostej obciążenia leżący w powyżej przedstawionej ćwiartce układu współrzędnych odpowiada optymalnemu punktowi pracy wzmacniacza. Z odpowiadającej mu gałęzi charakterystyki tranzystora można odczytać optymalny prąd polaryzacji I_B0 (czyli prąd stałego podkładu), jaki należy wprowadzić do bazy. Pozwala to wyznaczyć wartość opornika R_b z równania : E-0.65V=I_B0·R_b.

Układ Darlingtona:

Układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczególnie dużym wzmocnieniu, w którym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego, a kolektory obu tranzystorów są połączone ze sobą. Prąd emitera pierwszego tranzystora równy jest więc prądowi bazy drugiego, a prądy kolektorów obu tranzystorów sumują się.

Lustro prądowe: (układ powielania prądu)

układ elektroniczny, którego zadaniem jest wymuszanie w gałęzi obwodu elektrycznego prądu o natężeniu takim samym jak prąd odniesienia. Lustra prądowe wykonywane są zazwyczaj w formie układów scalonych. Układy te znajdują zastosowanie m.in. jako obciążenie aktywne w stopniach wejściowych (różnicowych) wzmacniaczy operacyjnych.

12. Tranzystory polowe i ich podstawowe układy pracy. Technologia MOSFET. Parametry i charakterystyki tranzystorów. Klucze tranzystorowe.

TRANZYSTOR POLOWY - EL-4 (Prezentacje u Duraja)

Tranzystor polowy - półprzewodnikowy element elektroniczny, mający zdolność wzmacniania sygnału. Zbudowany jest z dwóch warstw półprzewodnika o różnym typie przewodnictwa (np lub pn). Napięcie bramka-źródło steruje prądem drenu.

Przyłożone napięcie do bramka-źródło wpływa na rozkład nośników prądu w kanale. Skutkiem tego jest zmiana efektywnego przekroju kanału, co objawia się jako zmiana oporu dren-źródło. Jeżeli rezystancja kanału jest bardzo duża to mówi się wówczas, że kanał jest zatkany, ponieważ prąd dren-źródło praktycznie nie płynie. Po przekroczeniu pewnego napięcia bramka-źródło kanał zaczyna się stopniowo otwierać. Rezystancja kanału zmniejsza się wraz ze wzrostem napięcia bramka-źródło

Charakterystyki tranzystora polowego

Jeżeli różnicę (U_GS- U_P) nazwie się wysterowaniem bramki, to można na podstawie przedstawionej charakterystyki powiedzieć, że:

- w obszarze nienasycenia (liniowym) rezystancja kanału jest odwrotnie proporcjonalna do wysterowania bramki,

- granicą obszaru liniowego jest linia, dla której napięcie dren-źródło jest równe wysterowaniu bramki U_DS=(U_GS- U_P),

- prąd nasycenia drenu jest proporcjonalny do kwadratu wysterowania bramki.

Charakterystyka wyjściowa:

Zalety tranzystorów polowych:

- duża rezystancja wejściowa,

- małe szumy w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi (w zakresie małych i średnich częstotliwości),

- możliwość autokompensacji temperaturowej,

- odporność na promieniowanie,

- małe wymiary powodują, że są one coraz powszechniej stosowane w układach analogowych i cyfrowych.

13. Tyrystory i ich zastosowanie

Tyrystory wchodzą w skład sterowanych elementów półprzewodnikowych, których cechę wspólną stanowi dwustanowość charakterystyki napięciowo -prądowej. Elementy te mogą więc znajdować się w stanie przewodzenia lub w stanie zaporowym. Przejście od jednego ze stanów do kolejnego zachodzi w sposób skokowy. Jednym z najczęściej stosowanych sterowanych elementów półprzewodnikowych jest tyrystor.

Tyrystor jest nazywany również sterowaną diodą półprzewodnikową. Składa się on z czterech warstw półprzewodnika o odpowiednim profilu domieszkowania: p- n- p- n. Wyprowadzenia tyrystora są podłączone do trzech z czterech warstw półprzewodnika. Anoda jest podłączona do warstwy skrajnej P₁, katoda jest podłączona do skrajnej warstwyN₂, natomiast bramka podłączona jest do jednej z warstw wewnętrznych - P₂. Symbol elektryczny oraz układ strukturalny tyrystora są przedstawione na rysunkach poniżej.

(Budowa i schemat zastępczy)

Tyrystor przewodzi w kierunku od anody do katody. Jeżeli anoda jest na dodatnim potencjale względem katody, to złącza skrajne typu p-n są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze środkowe n-p w kierunku zaporowym. Dopóki do bramki nie doprowadzi się napięcia, dopóty tyrystor praktycznie nie przewodzi prądu. Doprowadzenie do bramki dodatniego napięcia względem katody spowoduje przepływ prądu bramkowego i właściwości zaporowe środkowego złącza zanikają. "Zapalony" tyrystor przewodzi prąd nawet, jeśli napięcie do bramki nie jest już przyłożone, traci on te właściwości dopiero po zaniku prądu przewodzenia konieczny jest wówczas ponowny zapłon tyrystora.

Zastosowanie:

- jako sterowniki prądu stałego - stabilizatory, automatyka silników prądu stałego

- jako sterowniki prądu przemiennego - automatyka silników indukcyjnych, technika oświetleniowa

- jako łączniki i przerywacze prądu stałego i przemiennego - automatyka napędu elektrycznego, układy stabilizacji napięcia, technika zabezpieczeń

- jako przemienniki częstotliwości - automatyka silników indukcyjnych, technika ultradźwięków

- jako układy impulsowe - generatory odchylenia strumienia elektronowego w telewizorach kolorowych, urządzenia zapłonowe silników spalinowych

14 .Elementy optoelektroniczne i ich parametry - LED-y, fotoopory, fotodiody, fototranzystory, fotoogniwa, transoptory

Elekroluminescencja to zjawisko zachodzące przy spotkaniu bezpośrednim elektronu (-) z dziurą (+). Obdarzone przeciwnymi ładunkami ulegają one rekombinacji. Zjawisko to przebiega w obszarze złącza p-n. Elektron z półprzewodnika n posiadający wyższą energię (jest w paśmie przewodnictwa), gdy przechodzi do obszaru typu p, gdzie jest nadmiar dziur posiadających niższą energię (są w paśmie walencyjnym), gdy znajdzie się w bezpośrednim sąsiedztwie dodatnio naładowanej dziury ulega jej przyciąganiu i zajmuje gwałtownie jej miejsce.

Diody elektroluminescencyjne (LED) stosowane są zwykle jako świecące sygnalizatory, wyświetlacze liczb i liter (8-składnikowy typowy wyświetlacz jednego charakteru oraz jako elementy transoptorów). Długości fal świetlnych emitowanych rozciągają się od podczerwieni do zieleni (~900nm-550nm). Trudno jest jednak skonstruować diody niebieskie. Materiały półprzewodnikowe stosowane do produkcji diod elektroluminescencyjnych to GaAs, GaP i inne.

Fototranzystor jest przeważnie elementem dwu-końcówkowym zbudowanym podobnie jak tranzystor bipolarny. W wersji dwu-końcówkowej z obudowy fototranzystora wyprowadzony jest emiter i kolektor. Fizycznie rzecz biorąc, fototranzystor posiada jeszcze trzecie wejście: okienko wpuszczające promieniowanie, które pada na obszar złącza kolektor-(baza).

Fototranzystory są czulsze na światło niż fotodiody, a charakterystyki prądowo-napięciowe fototranzystorów są podobne do charakterystyk wyjściowych tranzystora w układzie ze wspólnym emiterem.

Fotodioda - dioda półprzewodnikowa pracująca jako fotodetektor.

Fotodiody wykonane są jako elementy złącze p-n lub p-i-n, z warstwą samoistną (niedomieszkowaną). Fotony padające na złącze są absorbowane (zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne) w rezultacie czego elektron zostaje przeniesiony do pasma przewodnictwa i powstaje para elektron-dziura. Elektrony swobodne są przyciągane przez dodatni ładunek przestrzenny na granicy obszaru typu n, dziury zaś wędrują do obszaru typu p. Prąd przewodzenia złącza p-n zwiększa się wraz ze wzrostem strumienia świetlnego. Złącze musi być polaryzowana zaporowo z zewnętrznego źródła napięcia..

Fotoogniwo -  element półprzewodnikowy, w którym następuje konwersja energii światła na energię elektryczną.

Transoptor - półprzewodnikowy element optoelektroniczny składający się z co najmniej jednego fotoemitera i co najmniej jednego fotodetektora umieszczonych we wspólnej obudowie.

Sprzężenie optyczne między fotodetektorem a fotoemiterem umożliwia światłowód (element przezroczysty, żywica, szkło). Transoptor pozwala przesyłać sygnały elektryczne z wejścia na wyjście bez połączeń galwanicznych obwodów wejściowego i wyjściowego.

Funkcję fotoemitera pełni zazwyczaj dioda elektroluminescencyjna, a fotodetektora - fotorezystor, fotodioda lub fototranzystor. Fotodetektorem może być także fototriak - wtedy mamy do czynienia z optotriakiem. Istnieją także transoptory liniowe, przeznaczone do przenoszenia sygnałów analogowych.

Fotooporami nazywamy elementy, których opór elektryczny zmienia się pod wpływem oświetlenia. Właściwość ta jest cechą charakterystyczną dla półprzewodników i dielektryków. Zjawisko zmiany oporu elektrycznego pod wpływem padającego światła nosi nazwę efektu fotoelektrycznego wewnętrznego. Zmniejszenie oporu elektrycznego półprzewodnika pod wpływem światła spowodowane jest wzrostem liczby swobodnych elektronów, mogących brać udział w procesie przepływu prądu. Mówimy wówczas, że zwiększyło się przewodnictwo właściwe materiału z którego zbudowany jest fotoopór.

Parametry źródeł światła, w tym LED, można w zasadzie podzielić na trzy najważniejsze grupy: - parametry świetlne - do których zaliczamy wielkości radiometryczne, fotometryczne i kolorymetryczne, - parametry elektryczne - ważne przede wszystkim dla projektantów systemów LED, - parametry użytkowe - opisujące najważniejsze cechy źródeł światła dla końcowego użytkownika.

15.Wzmacniacze operacyjne - podział i parametry. Sprzężenie zwrotne

!WZMACNIACZE - EL 6!

Klasyfikacja wzmacniaczy:

• W zależności od zakresu przenoszenia częstotliwości

Wzmacniacze stałoprądowe	Wzmacniacze pasmowe
		Selektywne	Szerokopasmowe

• W zależności od położenia spoczynkowego punktu pracy na charakterystyce roboczej

• Wzmacniacz prądu

• Wzmacniacz napięcia

• Wzmacniacz mocy

- wzmacniacze napięć wolnozmiennych nazywane też wzmacniaczami napięcia stałego, mają maksymalne wzmocnienie już przy częstotliwości f = 0, zmniejszające się przy większych częstotliwościach

- wzmacniacze napięcia zmiennego , których wzmocnienie jest równe zero przy f=0 , następnie zaś wzrasta, osiąga maksimum i znowu maleje. Wzmacniacze takie mogą być np. szerokopasmowe, selektywne lub górnoprzepustowe


Wzmacniacz prądu stałego o bardzo dużym wzmocnieniu. Jego nazwa wywodzi się od pierwotnego zastosowania do wykonywania operacji matematycznych w maszynach analogowych. Właściwości funkcjonalne wzmacniacza operacyjnego mogą być bowiem kształtowane przez odpowiedni dobór pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego. Z tego względu jest to najbardziej uniwersalny układ analogowy o bardzo szerokich możliwościach zastosowań.

Parametry:

Idealny wzmacniacz operacyjny powinien charakteryzować się następującymi właściwościami:

- nieskończenie dużym wzmocnieniem przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (A₀=> ∞);

- nieskończenie szerokim pasmem przenoszenia (od 0 do ∞)

- zerową rezystancją wyjściową (R₀ =>0) i nieskończenie duża rezystancją wejściową (R_I=> ∞) przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego

- napięciem wyjściowym równym zeru przy zerowej wartości różnicowego napięcia wejściowego, czyli zerowym napięciem niezrównoważeni (U_I0=>0)

Właściwości idealnego wzmacniacza operacyjnego można w skrócie przedstawić następująco:

• nieskończenie duże wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego,

• nieskończenie duża wejściowa impedancja zarówno różnicowa jak i pomiędzy każdym wejściem i masą,

• impedancja wyjściowa równa zeru,

• nieskończenie szerokie pasmo przenoszenia częstotliwości,

• napięcie wyjściowe równe zeru przy równych napięciach wejściowych,

• zerowy prąd wejściowy,

• nieskończenie duży dopuszczalny prąd wyjściowy,

• nieskończenie duże tłumienie sygnału współbieżnego,

niezmienność parametrów pod wpływem temperatury.

Sprzężenie zwrotne - oddziaływanie sygnału wyjściowego na sygnał wejściowy (referencyjny) w celu dokonania oczekiwanych zmian - doprowadzenie części sygnału wyjściowego z powrotem do wejścia. Część sygnału wyjściowego, zwana sygnałem zwrotnym, zostaje skierowana do wejścia układu i zsumowana z sygnałem wejściowym, wskutek czego ulegają zmianie warunki sterowania układu.

Sprzężenie zwrotne może być zarówno dodatnie jak i ujemne to znaczy, że sygnał wejściowy może być zarówno wzmacniany jak i przytłumiany.

Zyskiem za zmniejszenie sygnału wejściowego jest polepszenie jego parametrów np. zmniejszenie zniekształceń i poprawienie liniowości. Dodatnie sprzężenie zwrotne wykorzystywane jest na przykład w generatorach.

Najbardziej typowym układem służącym do pracy ze sprzężeniem zwrotnym jest wzmacniacz

operacyjny.


Ogólny schemat blokowy układu ze sprzężeniem zwrotnym

Ujemne sprzężenie zwrotne ma miejsce, gdy fazy sygnału wejściowego i sygnału sprzężenia zwrotnego są przeciwne. Dla dodatniego sprzężenia zwrotnego fazy te są zgodne.

Dodatnie sprzężenie zwrotne:

Sprzężenie zwrotne nazywamy dodatnim, gdy faza napięcia zwrotnego doprowadzonego z wyjścia do wejścia układu jest zgodna z fazą napięcia wejściowego. Przy zgodności faz obu sygnałów sterujących wzmacniacz, efektywny sygnał sterujący ulega zwiększeniu.




Dodatnie sprzężenie zwrotne jest podstawą działania generatorów, przy czym warunki generacji można wyrazić następująco: układ działa jak generator, gdy sprzężenie zwrotne jest dodatnie i dostatecznie silne (β K = l), aby podtrzymywać drgania. Jeżeli β K < l, w układzie następuje tylko wzrost wzmocnienia.

Ujemne sprzężenie zwrotne:

Sprzężenie zwrotne nazywamy ujemnym, gdy faza napięcia zwrotnego doprowadzonego z wyjścia do wejścia układu jest przeciwna w porównaniu z fazą napięcia wejściowego.




Ujemne sprzężenie zwrotne powoduje zmniejszenie wzmocnienia wzmacniacza. Wynika to z faktu, że w układzie z ujemnym sprzężeniem zwrotnym doprowadzona na wejście część napięcia wyjściowego ma przeciwną fazę niż napięcie wejściowe, a więc odejmuje się od napięcia wejściowego.

Ujemne sprzężenie zwrotne, szeroko stosowane w układach wzmacniających, wpływa na ogół korzystnie na większość parametrów wzmacniaczy:

- poprawia stabilność wzmocnienia (układ jest mniej wrażliwy np. na wahania napięć zasilających i

zmianę temperatury);

- zmniejszają się szumy i zniekształcenia (tak liniowe, jak i nieliniowe);
- zwiększa się górna częstotliwość graniczna (czyli ulega poszerzeniu pasmo);
- możliwe jest kształtowanie charakterystyki częstotliwościowej;
- możliwa jest modyfikacja impedancji wejściowej i wyjściowej.

Sygnał sprzężenia zwrotnego może być proporcjonalny do napięcia wyjściowego - mówi się wówczas o sprzężeniu napięciowym- lub prądu wyjściowego - w tym przypadku mówi się o sprzężeniu prądowym. Gdy sygnał sprzężenia zwrotnego jest doprowadzany do wejścia szeregowo z sygnałem wejściowym, takie sprzężenie nazywa się szeregowym, gdy zaś równolegle -równoległym. Rozróżnia się cztery podstawowe układy z ujemnym sprzężeniem zwrotnym.

Wpływ sprzężenia zwrotnego na impedancje wejściowe i wyjściowe oraz częstotliwości graniczne wzmacniacza:

a) impedancja wyjściowa

Rezystancja wejściowa układu ze sprzężeniem zwrotnym jest zależna od sposobu pobierania sygnału sprzężenia zwrotnego z wyjścia układu. W układzie ze sprzężeniem napięciowym (rys. 5 i 6), wskutek równoległego dołączenia do wyjścia obwodu pętli sprzężenia zwrotnego, rezystancja (impedancja) wyjściowa jest mniejsza (1+β K) razy niż w układzie bez sprzężenia zwrotnego.

b) impedancja wejściowa

Sprzężenie szeregowe zwiększa impedancję wejściową układu z otwartą pętlą (1+β K) razy, natomiast sprzężenie równoległe zmniejsza ją tyle samo razy.

c) częstotliwości graniczne

Zastosowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczu powoduje rozszerzenie pasma przenoszonych przez wzmacniacz częstotliwości, dla których parametry całego układu będą stałe. Zmniejsza się dolna częstotliwość graniczna, zwiększa się natomiast górna częstotliwość graniczna. Dzięki temu pasmo przenoszenia układu zwiększa się.

16. Wybrane układy ze wzmacniaczami operacyjnymi

Wzmacniacze operacyjne w przeważającej większości zastosowań a szczególnie w układach liniowych, pracują z pętlą napięciowego ujemnego sprężenia zwrotnego. W tym celu część napięcia wyjściowego jest podawana zwrotnie na wejście odwracające. Właściwości obwodu sprężenia zwrotnego decydują w głównej mierze o właściwościach całego układu ze wzmacniaczem operacyjnym. Zależnie od tego, które z wejść wzmacniacza jest wejściem odniesienia, a do którego jest doprowadzany sygnał, rozróżniamy się dwa podstawowe układu pracy: układ odwracający oraz układ nieodwracający.

• Układ całkujący (integrator Millera):




• Układ różniczkujący:




• Układ o regulowanym wzmocnieniu:




• Wzmacniacz odwracający:




• Wzmacniacz sumujący:




• Wzmacniacz nieodwracający:




• Wtórnik napięciowy:




17. Generatory, komparatory analogowe, multiwibratory monostabilne, bistabilne i astabilne

EL - 8

18. Przerzutnik Schmitta

Przerzutnik Schmitta ma w obwodzie wejściowym dwa progi przełączania, przy których wyjście zmienia stan na przeciwny. Osiągnięcie przez napięcie wejściowe określonego progu zależy od kierunku zmiany tego napięcia. Dla napięcia narastającego obowiązuje próg górny, dla opadającego - dolny. Odległość między progami określa się mianem szerokości pętli histerezy. Przerzutniki Schmitta są wytwarzane w postaci scalonych komparatorów lub mogą być łatwo realizowane na wzmacniaczach operacyjnych. Poziomy progowe napięć można regulować poprzez zmianę stosunku dwóch rezystancji. Przerzutniki Schmitta wykorzystują histerezę w celu ochrony przed szumem, który w przeciwnym wypadku mógłby powodować ciągłe przełączanie między dwoma przeciwnymi stanami w sytuacji, gdy sygnał wejściowy oscyluje wokół poziomu progowego. W układzie komparatora zbudowanym na wzmacniaczu operacyjnym, napięcie na wyjściu przyjmuje poziom zbliżony do dodatniego napięcia zasilania tylko wtedy, gdy potencjał występujący na wejściu nieodwracającym (+) przekracza (co najmniej o wartość tzw. napięcia niezrównoważenia) potencjał wejścia odwracającego (-). Szybkość przełączania pomiędzy szynami napięcia określa szybkość narastania (opadania) napięcia wyjściowego. Wyjście może być dwu- lub trójstanowe i przystosowane do współpracy z układami cyfrowymi.

19. Podział i klasyfikacja układów cyfrowych. Bramki logiczne

Układy cyfrowe dzielimy na :
-Kombinacyjne -to takie układy cyfrowe, których stan wejść jednocześnie określa stan wyjść. Przykładem mogą być układy złożone z bramek; układy „bez pamięci”, w których sygnały wyjściowe są zawsze takie same dla określonych sygnałów wejściowych;
-Sekwencyjne - to układy cyfrowe, których stan wyjść zależy od stanu wejść oraz od poprzednich stanów układu, układy „z pamięcią”. Przykładem są liczniki.
-Asynchroniczne - nazywamy układy cyfrowe, dla których w dowolnym momencie stan wejść oddziałuje na stan wyjść. Przykładem są liczniki.
-Synchroniczne - nazywamy układy, w którym stan wejść wpływa jedynie w pewnych określonych odcinkach czasu pracy układu. Odcinki te wyznaczane są przez podanie specjalnego przebiegu czasowego zwanego przebiegiem zegarowym.

Ze względu na technologie w jakiej wykonano bramki logiczne:

• bipolarne(TTL, ECL,)

• unipolarne(NMOS i PMOS, CMOS ).

BRAMKI LOGICZNE




20. Uklady scalone TTL i CMOS. Zastosowanie układów kombinacyjnych

O liczbie elementów użytych do budowy jakiegoś urządzenia elektronicznego, a więc i o możliwości obniżenia jego ceny, decyduje dzisiaj liczba zastosowanych w nim układów scalonych. Najstarszą rodziną układów scalonych są układy TTL. Skrót ten pochodzi od angielskiej nazwy Transistor-Transistor-Logic i oznacza technologię, w której do budowy pojedynczego obwodu logicznego stosuje się wiele tranzystorów scalonych w jeden układ.

Układy TTL

Układy scalone z serii 74 są zasilane napięciem 5 V (4:5%). Logiczne zero (stan niski) leży w przedziale napięć O...0,8 V, a logiczna jedynka (stan wysoki) odpowiada napięciom z przedziału 2,4... 5 V. Jeden układ scalony zawiera zazwyczaj więcej niż jedną bramkę albo pojedynczy, dość złożony obwód logiczny. Większość układów TTL ma czternaste- lub szesnastonóżkową obudowę typu DIL.

Istnieją też scalone układy TTL zawierające w obwodzie wyjściowym tylko jeden tranzystor z tzw. otwartym kolektorem (rys. 11). Możliwe jest wówczas przełączanie napięć wyjściowych wyższych niż 5 V (np. do 20 V w układzie 7406). Oczywiste jest, że dopóki takie wyjście nie jest nigdzie podłączone, to nie można zmierzyć na nim żadnego napięcia. Nigdzie nie podłączone wejścia układu TTL znajdują się w stanie l (w stanie wysokim), co wynika z zastosowania tranzystora wieloemiterowego. Można więc wykorzystać bramkę NAND jako inwerter, używając pojedynczego wejścia lub obydwu wejść połączonych ze sobą. W niezupełnie "cyfrowy" sposób (rozpatrując to od strony wejścia) pracuje tzw. przerzutnik Schmitta: przekształca on zmieniający się monotonicznie sygnał wejściowy na "czysto" cyfrowy sygnał wyjściowy


Układ CMOS

Układy wykonane w technologii TTL są mało przydatne do budowy urządzeń zasilanych z baterii, gdyż już jedna bramka pobiera prąd o natężeniu kilku miliamperów, a w przypadku np. dekodera adresów w komputerze bramek takich jest dość dużo. Wynika stąd również, że nawet w urządzeniach wyposażonych w zasilacz sieciowy pojawi się problem odprowadzania dużych ilości ciepła wytwa-rzanego przez prąd płynący w układach TTL.

W technologii CMOS stosuje się dwa komplementarne tranzystory polowe MOS (rys. 14). Jak już wspomniano wcześniej, elektroda sterująca (bramka) jest całkowicie odizolowana od kanału dren-źródło i nie pobiera żadnego prądu. Aby przez kanał również nie płynął prąd, łączy się po prostu szeregowo tranzystor z kanałem typu p z tranzystorem z kanałem typu n. W takim obwodzie tylko jeden z tranzystorów może być w stanie przewodzenia.

Jeżeli na wejściu E pojawi się stan wysoki, to będzie przewodził dolny tranzystor (z kanałem typu n), górny zaś (z kanałem typu p) będzie zablokowany. Wyjście Q przejdzie więc w stan niski. Sytuacja odwróci się, jeśli na wejściu E pojawi się stan wysoki: wówczas będzie przewodził tranzystor górny, co prowadzi do pojawienia się stanu wysokiego na wyjściu


Czy można łączyć układy CMOS i układy TTL ze sobą? Oczywiście, można, lecz należy wówczas przestrzegać kilku następujących zasad:
• Układy CMOS muszą być zasilane napięciem 5 V, tak jak układy TTL.
• Jedno wyjście układu CMOS może sterować jednym wejściem układu TTL.
• Do sprzężenia wejścia CMOS z wyjściem TTL najkorzystniej jest stosować układy TTL z otwartym kolektorem


Zastosowanie układów kombinacyjnych

• Komutatory - multiplekser, de-multiplekser

• Konwertery kodów - koder, dekoder, transkoder

• Bloki arytmetyczne - sumator, komparator, ALU

21. Układy sekwencyjne. Przerzutniki RS, T, JK, D. Rejestry przesuwające. Liczniki

Przerzutnik asynchroniczny typu RS

    Podstawowa wersja tego przerzutnika zawiera dwa wejścia: S i R. Wejście S (ang. SET - ustawić) powoduje ustawienie na wyjściu przerzutnika Q poziomu H (ang. HIGH - wysoki). Wejście R (ang. RESET - kasuj) służy do ustawiania na wyjściu sygnału L (ang. LOW - niski). W przerzutniku tym doprowadzenie do wejść R i S poziomu L(0) jest niedopuszczalne.

Tabela prawdy

S	R	Q
0	0	X	X
0	1	1	0
1	0	0	1
1	1	Qn	Qn

Przerzutnik asynchroniczny typu SR

Podstawowa wersja tego przerzutnika zawiera dwa wejścia: R i S. Wejście S (ang. SET - ustawić) powoduje ustawienie na wyjściu przerzutnika Q poziomu H (ang. HIGH - wysoki). Wejście R (ang. RESET - kasuj) służy do ustawiania na wyjściu sygnału L (ang. LOW - niski). Syganły doprowadzone do wejść R, S przyjmują stany H lub L. W przerzutniku tym doprowadzenie do wejść sygnłu H(1) jest niedopuszczalne.


Tabela prawdy

R	S	Q
0	0	Qn	Qn
0	1	0	1
1	0	1	0
1	1	X	X

Przerzutnik synchroniczny typu RS

    Przerzutnik synchroniczny RS ma, w porównaniu z przerzutnikiem asynchronicznym RS, dodatkowe wejście C, do którego doprowadza się sygnał taktujący (synchronizujący). Pracę przerzutnika synchronicznego RS można opisać podobnie jak przerzutnika asynchronicznego RS. Istotna różnica polega na tym, że zmiana stanu przerzutnika synchronicznego następuje w chwilach wyznaczonych przez sygnał taktujący.
Stan logiczny wyjścia Q w umownym czasie t_n+1 (po przyjściu sygnału taktującego) zależy od stanów logicznych S, R, Q w czasie t_n (przed przyjściem sygnału taktującego). Stan S = R = 1 jest niedozwolony. W przedziale czasu między impulsami taktującymi przerzutnik nie zmienia stanu, innymi słowy, zachowuje swój stan niezależnie od stanów pojawiających się na wejściach S, R.

Tabela prawdy

S	R	Q(n+1)
0	0	Qn
0	1	0
1	0	1
1	1	X

Przerzutnik typu D

    Podstawowy przerzutnik RS może być wykorzystany jako podstawowa komórka pamięci. Wadą tego układu jest konieczność używania dwóch sygnałów wejściowych w celu wpisania do układu zera lub jedynki. Z punktu widzenia zastosowań praktycznych wygodniejszy byłby układ z jednym wejściem danych. Taką możliwość daje przerzutnik typu D (ang. DATA), nazywany często zatrzaskiem (ang. LATCH).
  Aby można było rozróżnić wartość wielkości wejściowej jest stosowany zegar. Przerzutnik zapamiętuje taką wartość danej, jaka występowała w momencie pojawienia się impulsu zegarowego. Mówimy, że ta wartość jest "zatrzaskiwana" w przerzutniku.

Tabela prawdy

Clk	D	Qn	Qn+1
0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	0	0
0	1	1	1
1	0	0	0
1	0	1	0
1	1	0	1
1	1	1	1

Przerzutnik typu T

    Synchroniczny przerzutnik typu T (ang. TOGGLE) ma dwa wejścia: zegarowe C i przełączające T. Przerzutnik typu T można skonstruować używając przerzutnik typu RS. Poniżej przedstawiono przerzutnik typu T z komórką pamięci RS.
    Zmiana stanu przerzutnika odbywa się w momencie, kiedy sygnał zegara zmienia wartość z wysokiej na niską. Mówimy wówczas, że przerzutnik jest wyzwalany opadającym zboczem zegara.

Tabela prawdy

Clk	T	Qn	Qn+1
0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	0	0
0	1	1	1
1	0	0	0
1	0	1	1
1	1	0	1
1	1	1	0

Przerzutnik JK dwutaktowy (ang. master-slave)

    Cechą charakterystyczną pracy przerzutnika dwutaktowego typu MS (ang. Master - pan, Slave - niewolnik) jest oddzielenie fazy wpisywania informacji logicznej do przerzutnika od fazy przekazywania tej informacji na jego wyjście.
Przerzutnik JK dwutaktowy stanowi układ dwóch przerzutników oznaczonych w skrócie M (Master) i S (Slave) wewnętrznie połączonych w sposób przedstawiony poniżej.

Rejestry służą do przechowywania informacji i w urządzeniach cyfrowychspełniają funkcję pomocniczych układów pamięciowych, zwykle o niewielkiej pojemności. Często są one układami buforowymi, pośredniczącymi między urządzeniami o różnej szybkości pracy lub różnym sposobie przedstawiania informacji. W układach elementami pamięciowymi rejestrów są przerzutniki.
    Istotnym zagadnieniem w rejestrze jest sposób wprowadzania informacji. W związku z tym rejestry dzieli się na:
 - równoległe lub szeregowe, w zależności od tego, czy informacja jest wprowadzana i wyprowadzana równolegle czy szeregowo, przy czym rejestry z wprowadzaniem szeregowym i wyprowadzaniem równoległym lub odwrotnie zalicza się do szeregowych.
 - synchroniczne lub asynchroniczne, w zależności od tego, czy wprowadzanie informacji do przerzutników odbywa się za pośrednictwem wejść D, JK, RS, czy też wejść statystycznych W i Z.
    W rejestrze równoległym wprowadzanie i wyprowadzanie informacji odbywa się jednocześnie we wszystkich bitach rejestru. W najprostszym przypadku rejestr równoległy jest zespołem nie powiązanych ze sobą przerzutników, zaopatrzonych w bramki wejściowe.
    W rejestrze szeregowym wprowadzanie i wyprowadzanie informacji odbywa się kolejno bit po bicie. Funkcję rejestru szweregowego spełnia tzw. rejestr przesuwający; umożliwia on przesuwanie zapamiętanej w nim kombinacji w prawo lub w lewo. Poniżej przedstawiono uproszczony schemat rejestru przesuwającego.

Liczniki to układy cyfrowe, które służą do zliczania i pamiętania ilości impulsów podawanych na ich wejścia zliczające (zliczanie to odbywa się w pewnym przedziale czasowym). Oprócz wejścia zliczającego posiadają one również wejście zerujące, służące do ustawienia stanu początkowego licznika tzn. do jego wyzerowania. Zerowanie polega na ustawieniu w stan 0 wszystkich przerzutników z których zbudowany jest licznik. Pojemność licznika to ilość stanów jaką licznik może przyjmować w jednym pełnym cyklu, zależy ona od liczby przerzutników i jest często nazywana długością cyklu danego licznika.
Podstawowymi elementami liczników są przerzutniki synchroniczne, ich liczba jest liczbą wyjść licznika. Każde wyjście przerzutnika Q jest jednocześnie wyjściem licznika. W postaci popularnych układów 4-bitowych są dostępne liczniki BCD (dzielące przez 10) i liczniki binarne lub szesnastkowe, dzielące przez 16 (jeżeli licznik ma współpracować z wyświetlaczem, konieczne jest użycie transkodera), oraz liczniki modulo n, umożliwiające dzielenie częstotliwości wejściowej przez liczbę n, zadawaną jako słowo wejściowe.

22. Pamięci półprzewodnikowe typu RAM, ROM, EPROM, EEPROM i FLASH

RAM - podstawowy rodzaj pamięci cyfrowej.W pamięci RAM przechowywane są aktualnie wykonywane programy i dane dla tych programów oraz wyniki ich pracy. W temperaturze pokojowej zawartość większości pamięci RAM jest tracona w czasie mniejszym niż sekunda po zaniku napięcia zasilania. Pamięci RAM dzieli się na pamięci statyczne (ang. Static RAM, w skrócie SRAM) oraz pamięci dynamiczne (ang. Dynamic RAM, w skrócie DRAM). Pamięci statyczne są szybsze od pamięci dynamicznych, które wymagają ponadto częstego odświeżania, bez którego szybko tracą swoją zawartość.

Pamięć RAM jest stosowana głównie jako pamięć operacyjna komputera, jako pamięć niektórych komponentów (procesorów specjalizowanych) komputera (np. kart graficznych, dźwiękowych itp.), jako pamięć danych sterowników mikroprocesorowych.

Współczesna pamięć RAM jest realizowana sprzętowo w postaci układów scalonych występujących w różnych technologiach lub jako fragmenty bardziej złożonych scalonych układów cyfrowych (np. pamięć cache L1, L2 procesora, a ostatnio także L3) oraz w postaci różnych modułów, znajdujących głównie zastosowanie w komputerach. Wyróżnia się pamięci trwałe (NVRAM) i ulotne.

ROM  - rodzaj pamięci półprzewodnikowej urządzenia elektronicznego, w szczególności komputera, z której dane można tylko odczytywać, a zapis jest niemożliwy, trwa długo lub może wymagać dodatkowych czynności lub sprzętu. W tego typu pamięciach przechowywane są dane, które muszą być zachowane, nawet jeśli urządzenie nie jest zasilane.

Określenie ROM stosowane jest też także do nie półprzewodnikowych niekasowalnych nośników danych, na przykład CD-ROM, DVD-ROM.

EPROM  - rodzaj pamięci cyfrowej w postaci układu scalonego, przechowującej zawartość także po odłączeniu zasilania. Wykorzystuje specjalnie skonstruowany tranzystorMOS z dwiema bramkami: sterującą, normalnie połączoną elektrycznie z resztą układu i bramką pamiętającą, odizolowaną od reszty układu.

Pamięć EPROM programowana jest przy pomocy urządzenia elektronicznego, które podaje na dren tranzystora napięcie wyższe niż normalnie używane w obwodach elektronicznych (zwykle ok. 18 V, w układach cyfrowych stosuje się napięcia 3,3-5 V), zdolne do chwilowego przebicia warstwy izolacyjnej wokół bramki pamiętającej. Programowanie układu polega na przebiciu cienkiej warstwy izolatora i wpuszczeniu do bramki pamiętającej określonego ładunku elektrycznego. Jego obecność na stałe zatyka tranzystor, niezależnie od stanu drugiej bramki. Skasowanie pamięci polega na odprowadzeniu ładunku z bramki.Pamięć tego typu do powtórnego zaprogramowania wymaga kasowania, które przeprowadza się poprzez naświetlanie ultrafioletem. Pamięci tego typu montowane są zazwyczaj w obudowie ceramicznej z „okienkiem” ze szkła kwarcowego umożliwiającym skasowanie.

EEPROM - rodzaj nieulotnej pamięci komputerowej. Oznaczana również jest jako E²PROM.

Pamięć EEPROM w odróżnieniu od pamięci EPROM może być kasowana tylko przy użyciu prądu elektrycznego. Liczba zapisów i kasowań jest ograniczona, w zależności od typu i producenta pamięci wynosi od 10.000 do 1.000.000 cykli. Po przekroczeniu tej wartości pamięć ulega uszkodzeniu. Liczba odczytów pamięci jest nieograniczona.

Pamięć flash  - rodzaj nieulotnej pamięci komputerowej, stanowiącej rozwinięcie konstrukcyjne i kontynuację pamięci typu EEPROM. Dostęp do danych zapisanych w pamięci flash wykorzystuje tzw. stronicowanie pamięci: operacje odczytu, zapisu lub kasowania wykonywane są jednocześnie na ustalonej konstrukcyjnie liczbie komórek, pogrupowanych w strukturę będącą wielokrotnością słowa maszynowego (bajtu). Cechą wyróżniającą pamięć flash jest wykorzystanie technologii komórek wielostanowych (ang. multi level cell, MLC).

Klasyfikacja

W zależności od wykorzystanego typu bramki logicznej, można wyróżnić dwa rodzaje pamięci flash:

pamięć flash typu NOR - wykorzystuje funktor binegacji logicznej (NOR)

pamięć flash typu NAND - wykorzystuje funktor dysjunkcji logicznej (NAND)

Pamięć flash typu NOR umożliwia bezpośredni dostęp do każdej komórki pamięci, ale ma stosunkowo długie czasy zapisu i kasowania.

Pamięć flash typu NAND, w stosunku do pamięci typu NOR, ma krótszy czas zapisu i kasowania, większą gęstość upakowania danych, korzystniejszy stosunek kosztu do pojemności oraz dziesięciokrotnie większą trwałość. Jednak główną cechą pamięci tego typu jest sekwencyjny dostęp do danych.

Pamięci flash są powszechnie stosowane we wszelkich kartach pamięci, pamięciach USB (pendrive) oraz pamięciach SSD (dysk SSD).

17

---