PÓŁPRZEWODNIKI

a) Podstawowe właściwości:

- wartość przewodności rośnie wraz z temperaturą,

- PP posiadają pasmo wzbronione między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia w zakresie 0-5eV,

- koncentracje nośników ładunków można zmieniać poprzez zmianę temp, natężenie padającego światła lub naprężenie mechatroniczne

Materiały półprzewodnikowe służące do wytwarzania przyrządów półprzewodnikowych wytwarzane są najczęściej w postaci mono kryształu, polikryształu lub proszku.

Rodzaje PP:

- samoistne- posiadają niewiele elektronów swobodnych, co objawia się dużą rezystancją właściwą materiału PP,

- domieszkowe- polega na wprowadzeniu do struktury dodatkowych atomów pierwiastka który nie wchodzi w skład PP samoistnego.

- wprowadzenie domieszki produkującej nadmiar elektronów , powoduje powstanie PP typu n(donorowa). Nadmiar elektronów jest uwalniany do pasma przewodnictwa w postaci elektronów swobodnych zdolnych do przewodzenia prądu, mówi się wtedy o przewodnictwie elektronowym lub typu n

- Wprowadzenie do mieszki produkującej niedobór elektronów , powoduje powstanie przewodnika typu p(akceptorowa) . W takim przewodniku powstaje dodatkowy poziom energetyczny, który wiąże elektrony znajdujące się w paśmie walencyjnym przez co powstają wolne miejsca(dziura elektronowa). Dziura zachowuje się jak wolna cząsteczka o ładunku dodatnim i jest zdolna do przewodzenia prądu. Mówi się wtedy o przewodnictwie dziurawym lub p. PP typu p mają większą rezystancję od typu n.

b) Złącze p-n

Złącze nie spolaryzowane: gdy nie przyłożono żadnego pola elektrycznego swobodne nośniki przemieszczają się pobliżu styków p-n . elektrony przepływają do typu p. Rekombinacja polega na połączeniu elektronu z dziurą, powodując unieruchomienie nośników.

Prąd dyfuzyjny to przepływ nośników większościowych P, przepływ nośników mniejszościowych N to prąd unoszenia, przeciwny zwrotem do dyfuzyjnych, ze względu na niską koncentracje nośników wartość prądu unoszenia jest niewielka.

Pole elektryczne ładunku przestrzennego reprezentuje bariera potencjału w złączu nie spolaryzowanym jest to napięcie dyfuzyjne, którego wartość zależy głownie od koncentracji domieszek i temperatury.

Złącze spolaryzowane w kierunku zaporowym: Poziom energetyczny półprzewodnika typu p jest zwiększany przez zewnętrzny potencjał ujemny, natomiast typu n zmniejszany. Żadne części pasm walencyjnych i przewodnictwa nie mają jednakowych warności energii pasma nie zachodzą na siebie. Elektrony nie przemieszczają się ponieważ mają energię większą od poziomu energetycznego danego pasma w półprzewodniku. Szerokość obszaru zubożonego maleje.

Złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia: Poziom energetyczny półprzewodnika typu p jest zmniejszamy przez zewnętrzny potencjał dodatni natomiast poziom energetyczny pp typu n jest zwiększany przez zewnętrzny potencjał ujemny; szerokość obszaru zubożonego zmniejsza się. Jeżeli wewnątrz różnica potencjałów jest wyższa od napięcia dyfuzyjnego pasma walencyjne i przewodnictwa w obu pp mają podobne wartości energii pasma nachodzą na siebie; zarówno elektrony jak i dziury mogą się swobodnie przemieszczać, następuje przepływ prądu dyfuzyjnego.

Właściwości prądu dyfuzyjnego: równanie shockley`a

Isal- prąd nasycenia złącza

T- temperatura w kelwinach

k- stała boltzmana

U_T- potępiał termodynamiczny ,

Pojemność elektryczna złączna p-n

Pojemność zależy od szerokości obszaru zubożanego, szerokość obszaru zubożanego od przyłożonego napięcia.

gdzie:

Cj0 - pojemność złączowa przy zerowym napięciu,

Fi b- wartość bariery potencjału,

n - wartość zależna od rodzaju złącza i materiału, w granicach 0.3-0.5.

DIODY

Dioda prostownicza:

Właściwości wartość napięcia i prądu zależy od materiału półprzewodnikowego i temp(napięcie maleje a prąd rośnie z jej wzrostem).

Dioda impulsowa:

Charakteryzuje się bardzo dużą szybkością pracy. Parametry dynamiczne: czas załączania, czas wyłączania.

Dioda Schottky`ego:

Jest to dioda półprzewodnikowa w której zamiast złącza p-n zastosowano złącze metal-półprzewodnik . W obszarze tym tworzy się bariera potencjału zwana barierą Schottky`ego charakteryzuje się małą pojemnością elektryczna, dlatego czas przełączenia od piko sekund do nanosekund. Niewielkie napięcie 0,3-0,5V, niewielkie napięcie przebicia do kilkudziesięciu V.

Dioda Zenera:

Przebicie dotyczy małych napięć od5,6V przy większych napięciach zaczyna dominować mechanizm przebicia lawinowego. W kierunku przebicia dioda Zenera ma charakterystykę zbliżoną do diody konwencjonalnej. Charakterystyka robocza odznacza się rezystancją dynamiczną która powinna być jak najmniejsza dla uzyskania właściwości stabilizacyjnych.

Dioda elektroluminescencyjna (LED):

Przyrząd optoelektroniczny emitując promieniowanie w zakresie światła widzialnego i podczerwieni. Wynaleziona w latach 60. działanie opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunków. Elektrony przechodzą z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują swój pseudo-pęd, energia elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Barwa promieniowana zależy od rodzaju materiał pp. Zalety LED mały opór, małą wartość zasilania, duża sprawność. Główne parametry: sprawność kwantowa, długość fali emitowana światła, szerokość widmowa, moc wyjściowa.

Foto dioda:

Przyrząd pp, pracujący jako fotodetektor. Foto diody wykonane są jako elementy złączeniowe p-n lub p-i-n. Tryb pracy: Brak polaryzacji, pracuje jako źródło prądu przy oświetleniu w złączu generowana jest SEM (zastosowanie baterie słoneczne). Polaryzacja w kierunku zaporowym: do diody podłączone jest napięcie w kierunku zaporowym, pełni rolę rezystora w zależności od oświetlenia

Dioda pojemnościowa:

Dioda spolaryzowana zaporowo wykazuje cechy kondensatora, obszar p-n tworzą swego rodzaju okładki a układ zubożony działa jak dielektryk którego grubość zależy od przyłożonego napięcia.

PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE

Tranzystor bipolarny

a) zasada działania I

- tranzystor bipolarny jest to przyrząd półprzewodnikowy zbudowany z trzech warstw półprzewodnikowych o różnym rodzaju przewodnictwa, tworzących dwa złącza p-n. Sposób polaryzacji poszczególnych złącz determinuje stan pracy tranzystora. Sterowany jest prądem, parametrem charakteryzującym tranzystor jest wzmocnienie prądowe.

- tranzystor posiada trzy końcówki (elektrody), z których każda dołączona jest do określonej warstwy półprzewodnika: emiter, baza, kolektor.

- ze względu na kolejność wartw wyróżnia się:

- npn- główny nośnik to elektrony

- pnp- główny nośnik to dziury

- przyrząd stosowany do wzmacniania przebiegów- w liniowych układach wzmacniających lub ich kształtowania- głównie w układach nieliniowych.

b) zasada działania II

- aplikacyjnie zasada działania tranzystora polega na sterowaniu wartością prądu kolektora za pomocą prądu bazy. Prąd kolektora jest proporcjonalny do prądu bazy a wspłóczynnik proporcjonalności nazywany jest wzmocnienie tranzystora.

- napięcie do złącza baza-emiter w kierunku przewodzenia wymusza prąd przez to złącze- nośniki większościowe przechodzą do obszaru bazy, a następnie bezpośrednio do kolektora (dzięki niewielkiej grubości bazy), nośniki wstrzyknięte do bazy dopływają do złączaa kolektor-baza, spolaryzowanego zaporowo i dalej na zasadzie przyciągania, do obszaru kolektora.

- prąd bazy: prąd rekombinacji (powstały z rekombinacji wstrzykniętych do bazy nośników mniejszościowych z nośnikami większościowymi w samej bazie) i wstrzykiwania (prąd złożony z nośników wstrzykniętych z bazy do emitera, jego wartość zależy od stosunku koncentracji domieszek w obszarze bazy i emitera)

- podstawowe znaczenie dla działania tego przyrządu mają zjawiska zachodzące w cienkim obszarze bazy, pomiędzy dwoma złączami półprzeodniokowymi. Wypływające z emitera elektrony swobodne tworzą prąd emitera, który rozdziela się w obszarze bazy na mały, co do wartości, prąd bazy i duży prąd kolektora.

c) podstawowe właściowści

- stan pracy tranzystora bipolarnego

- stan zatkania (odcięcia)- złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym

- stan nasycenia- złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia

- stan aktywny- złącza BE spolaryzowane jest w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo.

- stan aktywny inwersyjny: BE zaporowo, CB w kierunku przewodzenia

- wykorzystanie tranzystora w układach elektronicznych

- stan aktywny- wykorzystywany we wzmacniaczach, duże wzmocnienie prądowe

- stan nasycenia i odcięcia- stosowane w technice impulsowej oraz w układach cyfrowych

- stan aktywny inwersyjny- jest rzadko stosowany, względy konstrukcyjnych, mniejsze wzmocnienie prądowe

d) parametry, charakterystyki statyczne I

- statyczny nieliniowy model Ebersa- Molla- uwzględnia zjawiska rekombinacji oraz prądy nasycenia, płynące przez złączona spolaryzowane zaporowo. Model ten moży być użyty do opisu charakterystyk statycznych tranzystora w każdym z czterech stanów. Model ten opisują równania o takiej samej nazwie. Wiążą one wartości prądów końcówkowych z napięciami złączowymi.

Można wykazać, że dla dowolnej struktury tranzystora parametry te wiążą zależność:

co oznacza, że dla określenia statycznych charakterystyk tranzystora wystarczy znajomość tylko trzech z wymienionych wyżej czterech parametrów.

- jest podstawą tworzenia większości modeli statycznych tranzystora, jeżeli wymagana jest zwiększona dokładność analizy, model ten rozbudowuje się wprowadzając nowe elementy schematu bądź modyfikując zlaeżności prądowo- napięciowe. Stosuje się w programach numerycznej analizy układów elektronicznych.

- charakterystyki statyczne odznaczają się:

- proporcjonalnością między prądem kolektora i bazy nie jest zachowana- zwłaszcza w zakresie dużych prądów

- wartości- prądu kolektora, współczynników α i β zależą od napięcia kolektor- emiter rosnąc z jego wzorostem; wzrost jest bardziej widoczny im większ jest wartość prądu kolektora

- zestawienie podstawowych zależności wielkości opisującymi tranzystor bipolarny:

- współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie pracy WB

- współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie pracy WE

- zależność, w parciu o którą wyznaczyć można wartość prądu kolektora,

- w tranzystorze rzeczywistym wartości wzmocnienia α i β zależą od prądów i napięć złączonych oraz temperatury.

- charakterystyki tranzystora statyczne dla układu pracy WE dzieli się na:

- charakterystyki wyjściowe: I_C=f(U_CE) dla I_B=const

- charakterystyki przejściowe: I_C=f(I_B) dla U_CE=const

- charakterytyki wejściowe: U_BE=f(I_B) dla U_CE=const

e) tranzystor jako czwórnik liniowy- model małosygnałowy tranzystora

- opis czwórnika liniowego za pomocą macierzy mieszanej: charakterystyki są nieliniowe, można aproksymować linią prostą. Parametry macierzy [h] są współczynnikami kierunkowymi prostych aproksymujących charakterystyki tranzystora w określonym punkcie. Parametry te opisują właściwości tylko w pobliżu punktu pracy. Dlatego też mogą być wykorzystywane do obliczania parametrów tranzystora, jako wzmacniacza małych sygnałów. W pobliżu punktu pracy tranzystor można rozpatrywać zatem jako czwórnik liniowy. Prądy i napięcia na zaciskach czwórnika:

cztery parametry typu h opisują w pełni właściwości tranzystora dla małych sygnałów, przyjmując- dla małych częstotliwości wartości rzeczywiste, dla większych- zespolone.

- przykładowe obliczenia:

1) wyznaczanie wartości parametrów macierzy [h] dla układu pracy WE w oparciu i charakterystyki tranzystora rzeczywistego.

2) wyznaczanie wartości parametru h₁₁ na drodze teoretycznej dla układu pracy WE.

- wartości parametru h₁₁ można wyznaczyć znając definicję dynaczmicznej rezystancji złącza emiter- baza.

- wartości parametrów zależą od układu pracy tranzystora (WE, WC, WB) oraz od typu tranzystora identyfikowanego przez:

a) rodzaj półprzewodnika (Si, Ge, GaAs itd.)

b) technologię wykonania (tranzystory: m.cz., w.cz., przełączające, małej i dużej mocy)

- podstawowe układy pracy tranzystora:

a) wspólnego emitera (WE)

b) współnego kolektora (WK)- wtórnika emiterowego

c) wspólnej bazy (WB)

Wzmacniacz małych sygnałów zrealizowany w oparciu o poszczególne konfiguracje ma znacząco różne właściwości.

Parametr	Konfiguracja
		WE	WC	WB
Rezystancja wejść.	Średnia->mała	Duża	b.mała
Rezys. wyjściowa	Średnia->duża	Mała	b.duża
Wzmoc. napięciowe	Duże	~1(<1)	Duże
Wzmoc. prądowe	Duże	Duże	~1(<1)
Częstot. graniczna	Mała	Średnia->duża	Duża->b.duża
Relacja faz sygna.	180^◦ el.	0^◦ el.	0^◦ el.

- nieliniowy model dynamiczny tranzystora

Model nazywany ładunkowym, wszystkie prądy zależne są od wielkości ładunku zgromadzonego w obszarze bazy (w warunkach statyczny i dynamicznych). Dla każdej składowej ładunku nadmiarowego, związanego z normalnym lub inwersyjnym stanem pracy, otrzymujemy zależności opisujące prądy końcówkowe przyrządu. Aby model był pełny należy uwzględnić pojemności złączowe emiter- baza oraz kolektor- baza, mają również charakter nieliniowy.

Parametry dynamiczne tranzystora, w tym jego częstotliwości graniczne, zależą od:

a) wartości czasów przelotu nośników

b) wartości czasów ładowania pojemności złączowych

- częstotliwościowy model małosygnałowy tranzystora „hybryd-π”

Należy do modeli małosygnałowych, które są słuszne wyłącznie dla aktywnego stanu pracy przyrządu. Uwzględnia on parametry częstotliwościowe do projektowania układów wzmacniających.

Definicje wielkości opisujących model:

a) transkonduktancja: g_m (jest podstawową wielkością modelu i opisuje jego właściwości wzmacniające)

b) rezystancja wejściowa: r_b,e:

c) rezystancja wyjściowa: r_c,e:

d) rezystancja zwrotna: r_b,c:

e) rezystancja rozproszenia bazy: r_bb

f) pojemność dyfuzyjna złącza BE: C_dBe

g) pojemność złączowa złącza BC: C_jbc

h) pulsacja graniczna tranzystora:

SZUMY TRANZYSTORÓW

Szum- sygnał elektr. Generowany przez pasożytnicze źródło napięcia lub prądu o właściwościach na ogół niedeterministycznych.

Na szum tranzystorów składa się:

-szumy cieplne (z: rozproszone rezystancje półprzewodn.)

-sz. śrutowe(z: fluktuacji wszystkich składowych prądów tranzystora)

-sz. strukturalne(z: rekombinacji powierzchniowej)

Parametry szumowe ukł. Elektronicznego:

-stosunek sygnału do szumu C(stosunek średnich mocy sygnału i szumu mierzonych w tym samym punkcie)!!!WZÓR!!!!!

-wąskopasmowy wsp. Szumów F(miara szumów w wąskim przedziale czestotliw. df)

Parametry graniczne i eksploatacyjne

-Elektryczne:

-max dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter

-max dopuszczalne Napięcie kolektor-emiter

-max prąd kolektora

-max prąd bazy

-Cieplne:

-max dopuszczalna moc strat

= (moc strat w obszarze CB) - (moc str w obszarze złącza BE)

Wartość dopuszczalnej mocy strat ograniczona jest maksymalna temperaturą złącza i zdolnością odprowadzania ciepła ze złącza do otoczenia(opór cieplny)

Specjalne układy:

-Układ Darlingtona: ukł. 2 połączonych tranzystorów odznaczający się dużą wartością wsp. Wzmocnienia prądowego

-Układ Kaskoda: układ 2 szeregowo połączonych tranzystorów łączy w sobie zaletą wysokiego wzmocnienia napięciowego ze znaczna redukcja wartości wejściowej pojemności pasożytniczej. Stosowany we wzmacniaczach wysokiej częstotliwości i szerokopasmowych.

Efekt Millera- pozorne powiększanie pojemności kolektor-baza powodujące w efekcie ograniczenie pasma przenoszenia wzmacniacza.

-Wzmacniacz różnicowy

-zależność prądu kolektora od napiec wejściowych:

-mało sygnałowy współczynnik wzmocnienia sygnału różnicowego:

- wsp. wzmocnienia sygnału wspólnego:

Wzmacniacz różnicowy stanowi stopień wejściowy większości monolitycznych wzmacniaczy operacyjnych.

Tranzystor jako przełącznik

Praca tranzystora jako klucza polega na max szybkim przejściu od stanu wyłączenia do stanu załączenia. Stany te charakteryzują: czas opóźnienia (t_d), czas narastania (t_r), czas przetrzymywania (t_s), czas opadania (t_f)

Zastosowania: układy kształtowania przebiegów i technika cyfrowa.

Zasotosowania liniowe: wzmaciacz m.cz, zastosowania nieliniowe

Przerzutnik Schmitta;

Układ z dodatnim sprzężeniem zwrotnym służący do regeneracji przebiegów (ma pętle histerezy)

Przerzutnik monostabilny:

Służy do generacji impulsu o określonym czasie trwania. Jest wyzwalany zewnętrznym impulsem.

Przerzutnik bistabilny:

Posiada dwa stabilne stany napięcia wyjściowego. Stanowi podstawę cyfrowej pamięci statycznej

Ogranicznik amplitudy przebiegu:

Ogranicza amplitudę na zadanym poziomie.

Układ próbkująco-pamiętajacy:

Utrzymuje na stałym poziomie sygnał wyjściowy którego wartość= wartości chwilowej amplitudy syg. Wejściowego. Jest istotnym elementem przetworników analogowo - cyfrowych.

FOTOTRANZYSTOR

Przyrząd półprzewodnikowy optoelektroniczny zbudowany z 3 warstw półprzewodnika.

Łączy w sobie właściwości fotodiody i detektora promień elektromagnet. Oraz tranzystora jako wzmacniacza prądu. Działanie: promieniowanie el-mag. Powoduje generacje nośników prądu w obszarze bazy co powoduje przepływ prądu kolektora. Zastosowanie: w ukł. automatyki, ukł. pomiarowych, oraz sprzęgaczach optycznych.

TRANZYSTORY POLOWE (UNIPOLARNE)

Tranzystor złączowy JFET (ang. Junction Field Effect Transistor)

Tranzystor JFET składa się z warstwy półprzewodnika typu n lub typu oraz wbudowanej w nią silnie domieszkowanej warstwy półprzewodnika przeciwnego typu. Na zewnątrz obudowy wyprowadzone są trzy końcówki dołączone do odpowiednich obszarów półprzewodnika; są to: dren, źródło i bramka. Działanie: związane jest z przepływem nośników większościowych w kanale. Tranzystor polaryzuje się tak, ażeby nośniki większościowe przepływały od drenu od źródła. Natomiast złącze bramka-źródło polaryzuje się zaporowo. W tranzystorze polowym przepływ prądu w obszarze S-D kontrolowany jest zewnętrznym potencjałem przyłożonym do bramki.

Charakterystyka wyjściowa I_D=f(U_DS)

Można na niej wydzielić następujące obszary:

- liniowy (triodowy) - prąd drenu liniowo zależy od napięcia dren-żródlo; tranzystor zachowuje się jak rezystor półprzewodnikowy,

- nasycenia - po przekroczeniu określonej wartości napięcia dren-źródlo U_DS(snl) prąd drenu zależy wyłącznie od napięcia bramka-źródlo,

-powielania lawinowego (przebicia).

Podstawowe parametry tranzystora JFET:

■ prąd wyłączenia: l_0(0FF) - prąd drenu dla napięcia bramka-źródło o wartości U_GS(OFF)

■ rezystancja statyczna włączenia: R_DS(ON)

■ rezystancja statyczna wyłączenia: R_DS(OFF)

■ maksymalny prąd drenu: I_D(max)

■ maksymalny prąd bramki: l_G(max)

■ maksymalne napięcie dren-żródlo: U_DS(max)

■ dopuszczalne straty mocy: P_Str(max)

Tranzystor MOSFET (ang. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

Budowa: W podłożu, którym jest płytka słabo domieszkowanego półprzewodnika typu p albo n tworzone są dwie wyspy zbudowane z półprzewodnika o przeciwnym typie przewodnictwa. Wsypy te tworzą dren oraz źródło do których doprowadzane są metaliczne kontakty. Powierzchnia półprzewodnika pomiędzy drenem i źródłem jest pokryta cienką warstwą dielektryka. Na dielektryk napylana jest warstwa materiału przewodzącego tworząca elektrodę bramki.

W odniesieniu do zasady działania rozróżnia się dwa typy tranzystorów MOS:

-z kanałem zubożanym (z kanałem wbudowanym) - normalnie włączone, tj. takie, w których istnieje kanał przy zerowym napięciu bramka-źródło,

-z kanałem wzbogacanym - normalnie wyłączone; kanał tworzy się dopiero, gdy napięcie bramka-źródło przekroczy charakterystyczną wartość UGS(0FF) (napięcie progowe).

Charakterystyka wyjściowa ID=f(UDS)

liniowy (triodowy) - prąd drenu liniowo zależy od napięcia dren-źródło; tranzystor zachowuje się jak rezystor półprzewodnikowy

nasycenia - po przekroczeniu określonej wartości napięcia dren-źródło UDS(sal) prąd drenu zależy praktycznie wyłącznie od napięcia bramka-źródło

powielania lawinowego (przebicia).

Parametry tranzystora:

■ transkonduktancja -

określa jak zmiany napięcia bramka-żródło wpływają na prąd drenu; określa nachylenie charakterystyki przejściowej,

■ parametry graniczne -maksymalne napięcia i prądy elektrod, maksymalna moc tracona - określają zakres bezpiecznej pracy przyrządu,

■ napięcie odcięcia U_GS(off) -

wartość napięcia bramka-żródło dla którego zanika prąd drenu; dla tranzystorów wzbogacanych jest zawsze dodatnie, a dla zubożonych zawsze ujemne,

■ rezystancja dren-źródło w stanie załączenia R_os(on) -określa oporność kanału tranzystora w stanie pełnego otwarcia,

■czasy załączenia I wyłączenia - czasy po którym tranzystor z pełnego zatkania przejdzie w stan pełnego otwarcia i odwrotnie lub ze stanu pełnego nasycenia do stanu zatkania,

■ pojemność bramka - źródło

TRANZYSTORY PODSUMOWANIE

Rodzaj tranzystora Właściwość	Bipolarny	unipolarny
				JFET		MOSFET
Sterowanie	Prądem	Napięciem	Napięciem
Impedancja wejściowa	Mała<->średnia	b.duża	Największa
Częstotliwość graniczna pracy	Średnia<->duża	Duża	Duża<->b.duża
Obszar zastosowań	Wzmacniacze oraz ukł analogowe i cyfrowe	Wzmacniacze oraz ukł analogowe	Wzmacniacze oraz ukł analogowe i cyfrowe
inne			Czułość na ład. elektrostatyczne

Sprzęzenia zwrotne

W odniesieniu do ukl. Elektronicznych sprzężenie zwrotne polega na oddziaływaniu części sygn. wyjściowego określonego jako sygnał zwrotny na sygnał wejściowy ukł. Sygnał zwrotny sumuje się z sygnałem wejściowym modyfikując warunki sterowania układem.

Sprzężenie zwrotne dzieli się na:

- ujemne - sygn. WE osłabiany - zast. układy wzmacniające.

- dodatnie - sygn. WE wzmocniony - zast. ukł. generacyjne lub regeneracyjne.

Zalety sprzężenia zwrotnego:

- zmniejszenie czułości wartości wzmocnienia na zmiany: parametrów elementów składowych, warunków zasilania.

-zmniejszenie zniekształceń nieliniowych sygn. WE

-możliwośc kształtowania charakterystyk częstotliwościowych.

Wady:

-ograniczenie wzmocnienia ukł.

-ograniczenie stabilności ukł.

Każdy ukł. ze sprzężeniem zawiera pętle sprzężenia zwrotnego, takie układy dzieli się na:

-z pojedyńczą pętla sprzęż. zwrotnego.

-z podwójną petlą s.z.

-sprzężenie jednostopniowe (lokalne)

-sprzężenie wielostopniowe

-sprzęż. napięciowe - sygn. zwrotny proporcjonalny do napięciowa wyjściowego

-sprzęż. prądowe - sygn. zwrotny proporcjonalny do prądu wyjściowego

-sprzęż szeregowe - sygnał zwrotny wprowadzany w szereg z wejściowym

-sprzęż. równoległe - sygnał zwrotny wprowadzany równolegle z wejściowym

Rozróżniamy 4 podstawowe układy z pojedynczą pętlą sprzężenia zwrotnego, ze sprzężeniem:

- prądowym-szeregowym

- napięciowym-równoległym

- napięciowym-szeregowym

- prądowym-równoległym

Analiza układów liniowych pojedynczą pętlą sprzężenia zwrotnego:

Transmitancja ukł. zamkniętego:

wzmacniacz z napięciowym-szeregowym sprzężeniem zwrotnym.

K(s) = U₂(s)/ ΔU(s)

β(s) = U_z(s)/ U₂ (s)

K_f(s) = K(s)/[1- β(s) K(s)]

(dla tego przypadku sprzężenia interpretowana jako operatorowe wzmocnienie napięciowe)

K_f = Φ₂/ Φ₁

K = Φ₂/ ΔΦ

β = Φ_z/ Φ₂

znaczenia wielkości do powyższych równań

- |K_f(jω)/ K(jω)| < 1 - sprzężenie zwrotne jest ujemne (w przeciwnym razie jest dodatnie)

- jeśli β(jω)/ K(jω) (stosunek zwrotny) jest liczbą rzeczywista to sprzężenie zwrotne jest albo czysto ujemne albo czysto dodatnie.

Wrażliwość wzmocnienia układu zamkniętego na zmiany parametrów czwórników K i β:

Czułość jest miarą zależności dowolnego parametru układu od innego parametru.

Czułość różniczkowa S parametru A względem parametru W:

S^W_A = (da/A) / (dW/W)

Czułość zmiany wzmocnienia S_f

S_f = (S) / (1 - |β(jω)/ K(jω)|)

S- czułość układu na zmiany wzmocnienia czwórników w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego

Redukcja sygnałów zakłócających:

N₁,N₂,N₃ - sygnały zakłucające

k1,k2,β - wzmocnienie napięciowe - bloków o transmisji 0-rzędu (7)

Zależność (7) jest słuszna dla poszczególnych harmonicznych generowanych przez nieliniowości stopnia wyjściowego wzmacniacza, pod warunkiem że:

- nieliniowość nie jest zbyt duża

- poziom sygnału na wyjściu układu jest taki sam

- funkcje przenoszenia są 0-rzędu

Wtedy h_f = h/(1- βk)

Stabilność układów ze sprzężeniem zwrotnym

Układ jest stabilny jeżeli jego odp. na zewnętrzne wymuszenie o skończonym czasie trwania znika do zera.

Zagadnienie oceny stabilności układów ze sprzężeniem zwrotnym.

Układ jest stabilny jeżeli zera (pierwiastki) leżą w lewej półpłaszczyźnie zmiennej s, gdzie F(s)=1 - T_z(s)

Często konieczne jest posługiwanie się kryteriami stabilności odniesionymi bezpośrednio do funkcji F(s), a nie do jej zer.

Kryteria stabilności:

- o charakterze ogólnym kryterium algebraiczne Routha-Hurwitza

- uwzględniające specyfike sprzężenia zwrotnego - kryterium Nyquista, kryteria impedancyjne, badanie charakterystyk Bodego.

W myśl kryterium Bodego układ jest stabilny o ile spełnione są 2 warunki:

- jeżeli dla pewnej wartości pulsacji ω_T wartość modułu:

|T_z(jω_T)| = 1 , to wartość fazy: arg{T_z(jω_T)} < π

- jeżeli dla pewnej wartości pulsacji ω_T wartość modułu:

arg{T_z(jω_Φ)} = π, to wartość modułu: |T_z(jω_Φ)| < 1

W odnieś.do oceny wzgl.stabilności ukł, def.się miary tzw.zapasu stabilności w postaci: Marginesu(zapasu)fazy:Ф_M=π-arg{T_Z(jω_T)} pkt.krytycznym | T_Z(jω_T|=1;

Marginesu(zapasu)amplitudy:T_M=20log |T_Z(jω_Ф)|w pkt kryt.:arg{ T_Z(jω_Ф)}= π.

W układzie stabilnym: Ф_M>0 oraz T_M<0.

Wzmacniacz operacyjny (zas.dział,bud):jest analogowym wzmacniaczem nap z wejściem różnicowym.Nap wyjść jest zależne poprzez wart wzmoc od różnicy nap wejściowych. Jest to najbardziej rozpowszechniony monolityczny analogowy ukł.scalony.1 wzmac służyły do realizacji oper.matematycznych. Pracuje on niemal zawsze z zew.obw.sprzężeń zwrotnych. RYS:

Idealny wzm.operacyjny:nieskoń duża wart.wsp.napieciowego k; nieograni szer pasma przenoszenia; nieskoncz duże wart.rezyst(imp)wejściowych;rez(imp)wyjść = 0;zerową wart.prądów wejść(polaryzacji);nieograni cz wydajność prądowa;zerowe nap.wyjściowe w syt.równości obu nap.wejść(U₁₍₊₎=U_1(-));zerowe wzmoc.sygn.wspólnego dla obu wejść;niezależność paramet.od czynników zew(np.temp);

Uproszczony schemat elektryczny:

Schem.blokowy:

Wzm.operacyjny - elementarne ukł.pracy:

Wzm.odwracający: (idealny);podst.zal: I₁=U_we/R₁;I₂=I₂;U_d=0; Wzmoc.napięciowe: A_uf=U_wy/U_we=-R₂/R₁; ogólność: T_f(jω)=-Z₂(jω)/Z₁(jω).

Wzm.nieodwracający:(idealny);pod.zal: I₁=0;U_d=0;Wzm.nap: A_uf=U_wy/U_we=1+R₂/R₁;ogólność: T_f(jω)=1+Z₂(jω)/Z₁(jω).

Podstawowe zast.układowe:

a) Liniowe: wtórnik napięciowy; wzmac.różnicowy; sumator; układ całkujący(integrator);ukł.różniczkujący; konwerter prąd-napięcie; przesuwnik fazowy.

b) Nieliniowe: ogranicznik amplitudy; prostownik idealny 1- lub 2- połówkowy.

Błędy wnoszone przez rzeczywisty wzm.operacyjny powodowane są: prądy polaryzacji;napięcie niezrównoważenia; nieograniczona wart.imp.wejść; niekorzystne char.częstotliwościowe.

Metody kompensacji charakt.dziel.na 3 gr: modyfikacja transmitancji obwodu sprzężenia zwrotnego β(jω) (stos wszystkie wzmac); mod.impedancji wejściowej wzm.op(wszystkie wzm);mod.funkcji przenoszenia wzm.op. K(jω) (wzm.ze specjalnymi wyprowadzeniami).

Ukł.uważa się za skompensowany jeżeli wzg.przeciecie char. β(jω) i K(jω) następuje z nachyleniem nie większym niż 12 dB/okt.

Kompator analogowy (zas.działania,parametry i zastosowania): ukł.elektroniczny, który na podst.relacji pomiędzy wart.napięć na swoich 2 wejsciach generuje na wyjsciu stan logiczny „0” lub „1”. Są to wzmacniacze o dużej wart.współczynnika wzmocnienia nap,pracują z otwartą pętlą sprzęż.zwrot.bądź dodatnim sprz.zwrot.

Parametry kompatorów: wart.nap.wyjściowych w stanach logicznych 0 lub 1; czasem propagacji sygnału rzędu dziesiątek ps do us; szybkością zmian napięcia na wyjsciu(0->1;1->0). W

W przypadku konieczności regeneracji przebiegów lub zwiększenia odporności układu cyfrowego na zakłócenia stos.się kompatory z histerezą. Rys:

WZMACNIACZE MOCY

Zadaniem wzmacniacza mocy jest dostarczenie do obciążenia odpowiednio dużej mocy sygnału. Przy pracy przyrządów półprzewodnikowych z sygnałami dużymi, ich parametry pasożytnicze bardziej oddziaływają na kształt sygnału niż w przypadku sygnałów małych.

Do parametrów tych zalicza się:

- nieliniowość charakterystyki przejściowej wzmacniacza

- ograniczone pasmo przenoszonych częstotliwości

- szczególne parametry dynamiczne

Głównymi parametrami roboczymi są:

- czułość wejściowa

- znamionowa moc wyjściowa

- sprawność energetyczna

- współczynnik zakłóceń nieliniowych sygnału wyjściowego

- kształt charakterystyki częstotliwościowej

Klasyfikacja

Najważniejsze różnicują wzmacniacze pod kątem:

- Klasy pracy elementów aktywnych (najczęściej stosowane klasy to:

- Dla pracy ciągłej elementu aktywnego: A, AB, B

- Dla pracy impulsowej elementu aktywnego: C, D, E

- Sposobu sprzężenia wzmacniacza z obciążeniem:

- Bezpośrednie

- Transformatorowe

- Konfiguracja stopnia wyjściowego:

- Wzmacniacze półmostkowe i pełno mostkowe

- Wzmacniacze proste oraz przeciwsobne

- Rodzaju zastosowanych elementów aktywnych:

- Tranzystory

- Lampy elektronowe

- Pasma przenoszenia oraz kształtu charakterystyki przenoszenia

- wzmacniacze prądu stałego

Zakłócenia skrośne we wzmacniaczu klasy B:

W obszarze małych wartości napięcia sterującego U_BE wypadkowa charakterystyka robocza stopnia wyjściowego wzmacniacza przeciwsobnego wykazuje silną nieliniowość, co jest przyczyna powstawania zniekształceń sygnału wyjściowego. Zniekształcenia te nazywane są zniekształceniami skrośnymi ponieważ powstają w obszarze przejściowym charakterystyk obu elementów aktywnych, gdzie jeden z nich jest wyłączony a drugo załączony. Zniekształcenie powoduje ze praca „czysta” klasie B jest bardzo niekorzystna.

Problem dopasowania energetycznego obciążenia do źródła sygnału:

Przez dopasowanie energetyczne obciążenia do źródła mocy rozumie się zapewnienie warunków pozwalających na przekazywanie maksymalnej mocy ze źródła do odbiornika.

GENERATORY

Generator drgań elektrycznych jest układem, którego celem działania jest wytworzenie przebiegów elektrycznych o określonym kształcie i częstotliwości.

Generator składa się z dwóch podstawowych układów: 1)wzmacniacza, 2) obwodu dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Aby układ rozpoczął generacje drgań muszą zastać spełnione 2 warunki:

- amplitudy

- fazy

W zależności od sposobu realizacji obwodu sprzężenia zwrotnego rozróżnia się następujące rodzaje generatorów:

- RC

- LC

- Z rezystorem kwarcowym

Generatory LC charakteryzują się większą stabilnością częstotliwości generowanego przebiegu w stosunku do generatorów RC. Generatory kwarcowe posiadają znacznie większą stabilność częstotliwości w stosunku do obu tych grup.

Generator relaksacyjny - wykorzystuje okresowo powtarzalne ładowanie i rozładowanie kondensatora poprzez rezystor.

Generatory specjalizowane:

- generatory przestrajane sygnałem elektrycznym

- generatory funkcyjne

Parametry generatorów:

- Kształt przebiegu wyjściowego

- Widmo gęstości mocy sygnału wyjściowego

- Tolerancja częstotliwości sygnału wyjściowego

- Stabilność częstotliwości oraz amplitudy sygnału wyjściowego

- Zakres przestrajania

- Sposób przestrajania

- Moc wyjściowa - w przypadku generatorów mocy

Zastosowanie generatorów:

- telekomunikacja

- technika pomiarowa

- generatory taktujące (synchronizujące)

- Przemysłowa obróbka oraz topienie metali

- Zastosowania specjalne

Filtry analogowe

Z matematycznego punkty widzenia układ liniowy może być opisany za pomocą liniowych równań różniczkowych i spełniają zasadę super pozycji. W układzie liniowym zawierającym stałe elementy skupione zależność między sygnałami wyjściowymi y(t), a wejściowym x(t) może być opisany za pomocą operatorowej funkcji przenoszenia K(s) będącą wymierną funkcją zespoloną pulsacji s =δ+jω:

Pierwiastki zespolone z_j, s_j są, odpowiednio zerami oraz biegunami funkcji przenoszenia K(s).

Doprowadzając na wejście układu sygnał sinusoidalny otrzymuje się częstotliwościową funkcję przenoszenia K(jω), tzn.:

która, będąc zespoloną funkcją pulsacji ω, może być przedstawiona za pomocą dwóch składowych: części rzeczywistej P(ω ) i urojonej Q(ω) bądź modułu A(ω) i fazy φ(ω). Definiuje się też opóźnienie grupowe τ(ω) = -d φ(ω)/dω. W układach stabilnych składowa rzeczywista P(ω) oraz urojona Q(ω) wiążą zależności całkowe zwane związkami Hilberta. Ważną klasą układów stanowią układy minimalnofazowe dla których danej charakterystyce A(ω) odpowiada minimalna wartość fazy φ(ω). W stabilne układy minimalnofazowe nie tylko bieguny ale i zera funkcji przenoszenia leżą w lewej półpłaszczyźnie zmiennej s. W układach charakterystyki amplitudowa i fazowa powiązane są zależnościami całkowymi zwanymi związkami Bodego.

Aproksymacja idealnych charakterystyk częstotliwościowych, projektowania filtrów analogowych

W ogólnych przypadkach za idealny układ niezniekształcający przyjmuje się taki układ, którego funkcja przenoszenia dana jest wzorem:

Idealny układ niezniekształcający odznacza się więc niezależną od częstotliwości charakterystyką amplitudową oraz liniową charakterystyką fazową i stalą wartość opóźnienia. Podział filtrów pod kątem właściwości częstotliwościowych: dolnoprzepustowe, górnoprzepustowe, pasmowoprzepustowe, pasmowo zaporowe, mieszane.

Najczęściej stosowane charakterystyki rzeczywiste aproksymujące charakterystyki idealne to:

• Maksymalnie płaska (wartość modułu A(ω) ) - Butterwortha - ma najbardziej płaski przebieg w paśmie przepustowym, kosztem mniejszej stromości charakterystyki w paśmie zaporowym

• Równomiernie falista (wartość modułu A(ω)) - Czebyszewa - w paśmie przepustowym ma jednakowe odchyły od wartości średniej, taki filtr ma dobre właściwości pasmowe i filtracje.

• Max liniowej fazy - równomierny przebieg charakterystyki fazowej kosztem niezbyt dobrych właściwości pasmowych i filtracji, taki filtr posiada zbliżoną do aperiodycznego odpowiedź jednostkową, przez co stosowany jest w układach impulsowych.

PROJEKTOWANIE FILTRÓW ANALOGOWYCH

Transformacja częstotliwościowa polega na zamianie zmiennej s lub ω na odpowiednik zgodny z docelowym typem filtru, zgodnie z zależnością: p = s + ω₀²/s, gdzie: ω₀ - częstotliwość środkowa (nowego) filtru pasmowo przepustowego. Transformata nie jest natomiast odwrotna!

Metoda obwiedni polega na zamianie charakterystyki filtra, np. układu dolnoprzepustowego na:

• Górnoprzepustowy - następuje zamiana indukcyjności ( pojemności) na pojemności (indukcyjności) p=1/s

• Pasmowo zaporowy - następuje zamiana indukcyjności (pojemności) na obwód rezonansu równoległego (szeregowego) p=1/(s+ω₀²/s)

Pod względem sposobu realizacji filtry analogowe podzielić można na:

• Pasywne (RC, LC) - filtry te buduje się przy wykorzystaniu R, C i L. Układ LC wykorzystuje się przy wysokich i b. wysokich częstotliwościach (radiowych i telewizyjnych). Filtry LC są trudno przestrajalne.

• Aktywne (RC, LC) - filtry te buduję się z R, C, L oraz elementów aktywnych (np. tranzystorów) lub złożonych układów elektronicznych. Mogą posiadać właściwości nieosiągalne w układach pasywnych. Filtry aktywne są łatwiej przestrajalne.

• Ceramiczne ( kwarcowe) - charakteryzują się dobrymi właściwościami filtracyjnymi i bardzo dużą stałością parametrów w czasie. Ich wadą jest praktyczna nieprzestrajalność. Zastosowanie: w technice radiowej, telewizyjnej i telekomunikacji.

PODSTAWY TECHNIKI CYFROWEJ

Pamięć półprzewodnikowa - służy do przechowywania danych w postaci cyfrowej (0-1). Zawiera komórki pamięci (jedna komórka przechowuje info. o 1 bicie). Pamięci organizowane są w słowa o długości N bitów.

Pamięć charakteryzowana głownie jest przez:

-Pojemność (M słów N bitowych, co daje M x N bitów)

-sposób dostępu (1-pamięć o dostępie swobodnym (zapis/odczyt) -SRAM(Static Random Acces Memory);(pamięci statyczne zbudowane są na bazie przerzutników bistabilnych ( jeden przerzutnik = jedna kom. pamięci); 2-pamięć tylko do odczytu -ROM(Read Only Memory)

-parametry elektryczne (1- statyczne; 2 - dynamiczne)

Stany logiczne i operacje arytmetyczno logiczne

Wprowadzenie

Elektronika cyfrowa (technika cyfrowa) zajmuje się realizacją operacji na liczbach będących odzwierciedleniem wartości różnych wielkości fizycznych. Taki sposób wyrażania wartości tychże wielkości jest znacznie bardziej powtarzalny i, na ogół, obarczony mniejszym błędem niż przy przetwarzaniu analogowym. Podstawowymi operacjami matematycznymi służącymi przetwarzaniu sygnałów na drodze cyfrowej są operacje arytmetyczne - dodawania (odejmowania) i mnożenia. Elektronika cyfrowa do realizacji swych zadań posługuje się układami lub systemami cyfrowymi. Systemy te projektowane są, w szczególności, na bazie matematycznej teorii automatów zajmującej się mi.in.: algebrą Boole'a, metodami syntezy układów kombinacyjnych oraz metodami syntezy synchronicznych układów sekwencyjnych.

We współczesnych systemach cyfrowych stosuje się praktycznie wyłącznie binarny system liczbowy, gdzie elementarnym nośnikiem informacji jest jeden bit, który może przyjąć 2 wartości (stany)

- wartość "0" - reprezentowana przez niską (logika dodatnia) lub wysoką (logika ujemna) wartość napięcia,

- wartość "1" - reprezentowana przez wysoką (logika dodatnia) lub niską (logika ujemna) wartość napięcia

Ukł cyfr. pracuję dwustanowo, tzn. że elementy aktywne (przyrządy półprzewodnikowe- gł. tranzystory oraz diody) użyte do ich realizacji działają jako przełączniki (klucze). Oznacza to, że nap. kolektora może być wysokie ( zbliżone do nap. zasilania) lub niskie ( zbliż do 0). Wartości napięć związane są ze stanami logicznymi pochodną technologii w jakiej realizowane są ukł. cyfrowe (np. TTL-transistor-transistor-logic, LVTTL-Low Voltage TTL, CMOS itd.)

Operacje logiczne na liczbach binarnych

-reprezentacja liczb w syst. binarnym:

Waga pozycji ->	2^N-1	2^N-2		2^1	2^0
Liczba N-bitowa	bN-1	bN-2	…	b1	b0
Gdzie bi=0 lub bi=1

Ogólnie za pomocą liczby N-bitowej ( ciagu bitów zapisanych 0-1 na N-polach) - wyrazić można 2^N kombinacji 0-1 (np. 2^N różnych liczb)

-operacje realizowane w oparciu o systemy cyfrowe

1-arytmetyczne dodawanie, odejmowanie, mnożenie

Ogólnie:

-wynik dodawania+ 2 liczb N-bitowych reprezentowany jest na N-1 pozycjach.

-wynik mnożenia 2 liczb N-bitowych reprezentowany jest na 2N pozycjach.

!! Właściwość ta może spowodować przepełnienie w syst. cyfrowym co może być przyczyną błędów.

2- logiczne (funkcje algebry Boole'a - 3 podst. i złożone): negacja logiczna, suma logiczna, iloczyn logiczny, suma logiczna modulo 2.

Każdą żł. f-cję log ( f-cję przełączającą) można przedst., za pomocą operacji logicznych: sumy, negacji i iloczyny - ale wymaga to użycia 3 rodzajów funktorów logicznych! Stosuje się w tym celu różne metody syntezy f-cji przełączających.

Układy cyfrowe realizujące elementarne operacje matematyczne - buduje się z podst. struktur cyfrowych (bramek logicznych). w oparciu o nie buduje się ukł. cyfr, realizujące złożone operacje. istotnym elementem przy projektowaniu staje się minimalizacji liczby bramek.

Metoda Karnaugh - sposób minimalizacji funkcji boolowskich. Został odkryty w 1950 roku przez Maurice Karnaugha. W ogólnym przypadku znalezienie formuły minimalnej dla zadanej funkcji boolowskiej jest bardzo skomplikowanym problemem. Jednak jeśli funkcja ma małą liczbę zmiennych (do sześciu) i zostanie zapisana w specjalnej tablicy zwanej tablica Karnaugh, wówczas znalezienie minimalnej formuły odbywa się na drodze intuicyjnej. W celu minimalizacji funkcji o większej liczbie wejść stosuje się z powodzeniem metody komputerowe.

Formaty zapisu (notacji) liczb binarnych w oparciu o inne systemy (konwersja formatu)

Oprócz zapisu dwójkowego (0-1) stosuje się również zapis ósemkowy (zakres 0,1,2…7), szesnastkowy (heksadecymalny; 0,…,15 i zast symboli cyfrowych i literowych), które są bardziej zwięzłe.

(47-zapis dziesiątkowy): b00101110 -> b00|101|110 -> o056

(47-zapis dziesiątkowy): b00101110 -> b0010|1110 -> x2E

Bramki (funktory) logiczne

Symbole elektr. i f-cje logiczne realizowane przez najczęściej spotykane bramki:

Z punktu widzenia technicznej realizacji syst. cyfr zł. z bramek log. :NOR i NAND. Z tego powodu br. log. stanowiące funktory tych właśnie operacji są najbardziej rozpowszechnione i uznano je za podstawowe. Najczęściej stosowane w literaturze oznaczenia elementów i ukł. log. zgodne są z normą ameryk. IEEE Std. 91-1973.

Przykładowy zapis funkcji jednej lub dwóch zmiennych log. A i B.

!! Pojedyncze bramki log. lub ich niewielkie zespoły produkowane są w formie układów scalonych o małej skali integracji - SSI (Small Scale Integration) !!

Przykład

Synteza ukł. logicznego realizującego funkcję przełączającą y za pomocą bramek NAND. Funkcja zadana:

KOMBINACYJNE BLOKI FUNKCJONALNE

1. BLOKI ARYTMETYCZNE

1. Sumator (arytmetyczny) - 4 bitowy

Sumatory tego typu można łączyć kaskadowo ( n-jednostek) w celu realizacji operacji na liczbach o dł n x 4 bit. Istotnymi stają się wtedy linie przeniesień.

• 2. Jednostka arytmetyczno-logiczna.
  
  

2. BLOKI KOMUTACYJNE

1. Dekoder prosty kodu dwójkowego

2. Demultiplekser (przykład demultipleksera 3-bitowego z wyjściami komplementarnymi 3-stanowymi)

3. Multiplekser ( na przykładzie podwójnego multipleksera 2-bitowego)

4. kodery ( a-proste; b-priorytetowe)

5. Konwertery kodów (a-kodu dwójkowego na kod Graya, b-kodu dwójkowego na kod wskaźnika 7-segmentowego ( typu LED); c-innego typu)

6. Inne ( generatory parzystości)

BLOKI FUNKCJONALNE CZASOWE

1. Generatory przebiegów (a-o stałej. częstotliwości syg. wyj. (RC , kwarcowe); b-przestrajane (napięciem))

2. Układy z pętlą synchronizacji fazy (PPL) (zawierają rozwiązania z pogranicza tech, cyfrowej i analogowej)

3. Multiwibratory monostabilne

4. Układy opóźniające (linie opóźniające)

5. Układy specjalne

Wymienione dotąd bloki funkcjonalne realizowane są najczęściej w formie układów scalonych o średniej skali integracji MSI (Medium Scale Integration)

Przerzutniki

Przerzutnik - element pamięciowy lub inaczej - element z pamięcią ostatniego stanu logicznego

Rodzaje przerzutników

- przerzutniki statyczne pola (ang. latch)

- synchronizowane przerzutniki zlożone (ang flip-flop)

Przerzutniki synchronizowane (synchroniczne) posiadają szereg wejść i wyjść o ściśle określonych funkcjach i właściwościach:

- wejścia zegarowe C(ang.CLOCK) - o działaniu synchronicznym (dynamicznym),

- wejścia zerowania R(ang.RESET) i ustawiania wyjścia S (ang.SET) o działaniu synchron.

- wejścia danych (D - ang DATA) - dynamiczne, synchronizowane przebiegiem zegarowym C,

- wyjścia - proste (Q) oraz zanegowane (Q)

W układach cyfrowych złożonych z większej liczby przerzutników sterowanych wspólnym sygnałem zegarowym występuje zwykle tzw. Problem synchronizacji, który może spowodować błędne działanie układu (systemu) !

Techniczne (praktyczne) realizacje przerzutników

- przerzutnik JK dwutaktowy ( ang. Master - Slave - MS)

Konstrukcja przerzutnika dwutaktowego zapewnie jego niezawodną pracę niezależnie od stromości (szybkości zmian) sygnału zegarowego (taktującego). Ponadto, ponieważ wejście nie oddziaływują bezpośrednio na wyjścia układu, przerzutnik taki może realizować specyficzne funkcje.

-przerzutnik typu D wyzwalany zboczem ( ang. egde-triggered)

Przerzutniki T, D oraz JK realizowane na bazie innych przerzutników JK oraz D.

Przetworniki służą do realizacji założonych bloków funkcjonalnych w postaci: rejestrów, pamięci, liczników, układów specjalnych.

SEKWENCYJNE BLOKI FUNKCJONALNE

1. Rejestry

Rejestry służą do przechowywania informacji. Pełnią często rolę układów buforujących - pośredniczących w przesyłaniu danych pomiędzy urządzeniami cyfrowymi o różnych szybkościach pracy.

Istotnym zagadnieniem jest tutaj sposób wprowadzania i wyprowadzania informacji. W związku z czym rejestry dzieli się na:

- równoległe [dane wprowadzane są i wyprowadzana równolegle tylko równolegle)

-szeregowe

Dane mogą być:

- wyprowadzane równolegle, a wyprowadzane szeregowo (inna nazwa „rejestry równoległo-szeregowe”)

- wprowadzane szeregowo, a wyprowadzane równolegle (inna nazwa: "rejestry szeregowo -równoległe").

W zależności od tego czy informację do rejestru wprowadza się za pomocą wejść synchronizowanych czy też statycznych, rejestry dzielą się na:

- synchroniczne,

- asynchroniczne.

Kolejnym istotnym czynnikiem różnicującym rejestry jest ich pojemność (liczba bitów, które mogą znajdować się w tym samym czasie w rejestrze).

Przykłady:

4-bitowy, synchroniczny rejestr równoległy zbudowany z przerzutników typu

4-bitowy, synchroniczny rejestr z wejściem oraz wyjściem szeregowym zbudowany z przerzutników typu D

B. Liczniki

Licznik służy do zliczania impulsów (zmian stanów cyfrowych sygnału wejściowego) i pamiętania ich liczby. Na ogół ma on wyjścia równolegle, na których pojawia się informacja o liczbie zliczonych impulsów.

Odmianą licznika jest dzielnik częstotliwości posiadający z reguły - w odróżnieniu od licznika - tylko jedno wyjście.

Każdy licznik ma pewną pojemność P zwana również okresem licznika (licznik zlicza impulsy "modulo P") przy czym: P <= 2^N , gdzie: N - liczba bitów licznika lub długość licznika (inaczej: liczba przerzutników, które trzeba użyć to budowy licznika). Jedną z kombinacji kodu wyjściowego przyjmuje się za początkową ół jest to liczba „b0…0”). Licznik o okresie P = 2^N, liczący w naturalnym kodzie dwójkowym nazywa się licznikiem dwójkowym (często spotykane są również liczniki dziesiątkowe tzn. o pojemności: P=10).

Wartość początkowa może być często ustawiana za pomocą dedykowanego wejścia tzw. wejścia zerującego (asynchronicznego).

Po podaniu na wejście licznika P zmian sygnału osiąga on wartość maksymalną - generowany jest wtedy tzw. sygnał przeniesienia (przepełnienia) licznika. Kolejny impuls powoduje zerowanie się licznika (osiągnięcie wartości początkowej)

Pod względem sposobu działania rozróżnia się liczniki:

- asynchroniczne (szeregowe) lub synchroniczne (równoległe),

W tym synchroniczne - z przeniesieniem szeregowym lub równoległym.

- liczniki z wpisywaniem równoległym,

- liczniki rewersyjne (tzn. liczące w górę lub w dół),

- liczniki specjalne (np. pseudo pierścieniowe Johnsona).

Przykłady

3-bitowy licznik asynchroniczny "modulo 8" liczący w górę, z wejściem zerującym

Cyfrowe układy scalone TTL

Układy scalone zawierające cyfrowe elementy logiczne wykonane w bipolarnej technologii TTL (ang. TTL - Transistor-Transistor Logic) zostały wprowadzone na rynek przez amerykańską firmę Texas Instruments w roku 1962 w formie rodziny typu 7400. Układy te produkowane są do dnia dzisiejszego - głównie w szeregu zaawansowanych rozwinięciach technologii TTL oraz jej migracji w kierunku technologii CMOS oraz mieszanej: Bi-CMOS (rodziny: HC, HCT, LVC, LVT, ABT, AUG.itd.).

Układy scalone TTL zawierają głównie:

• zespoły bramek logicznych (skala integracji: SSI),

• pojedyncze przerzutniki oraz ich zespoły (skala integracji: SSI),

• kombinacyjne oraz sekwencyjne bloki funkcjonalne (skala integracji: MSI).

Pełne oznaczenie rodziny TTL: SN 74XXX( 7-wersja temperaturowa: komercyjna), gdzie: XXX - 2- lub 3-cyfrowa liczba.

Istotnym przełomem technicznym i technologicznym w dziedzinie techniki cyfrowej było wprowadzenie na rynek układów TTL z diodami Schottky'ego w postaci rodzin: SN74LS XXX, SN74S XXX, SN74ALS XXX, SN74AS XXX, które odznaczają się większą szybkością działania i (lub) mniejszym poborem mocy w stosunku do pierwowzoru.

Parametry układów TTL:

• parametry elektryczne

- statyczne: napięcie zasilania (+5V), wartości poziomów logicznych, obciążalność wyjść, średni pobór mocy

- dynamiczne: czas propagacji sygnału, czasy narastania i opadania przebiegów.

• parametry cieplne

- zakres temperatur pracy (otoczenia)

MIGRACJA TECHNOLOGI DTL W KIERYNKU TTL

Bramka NAND-DTL (ang. Diode-Transistor Logic)

Przykłady układów cyfrowych TTL zawierających bramki.

---