Sygnały nieciągłe - w transmisjach radiowych wykorzystuje się także inne syg. analogowe, we wszystkich takich przypadkach następuje istota modyfikacji toru. Dotychczas mimo różnorodnych sposobów przekształcenia syg. w torze np.:rodiofonicznych mieliśmy do czynienia z ciągłymi zmianami syg. nośnika informacji. Dotyczyło to zarówno wartości napięcia małej częstotliwości niosącego informację np.:o źródle dzwięku jak i np.:chwilowych zmian częstotliwości fali elektromagnetycznej w modulacji FM. Parametr zawierający informację użyteczną mógł przyjmować dowolne wartości z określonego zakresu. Warto pamiętać że każdy z elementów toru przesyłowego jest potencjalnym i często faktycznym źródłem zniekształceń i zakłuceń syg. użytecznego. Sygnały analogowe są z natury podatne na zniekształcenia i zakłucenia sytuacje znacznie można poprawić przez zmianę formy informacji i zakodowanie syg. użytecznych małej częstotliwości. Istnieje kilka metod przekształcania syg. analogowego na syg. nieciągły. Do podstawowych należą: PAM - modulacja amplitudy impulsów, polega ona na „próbkowaniu” syg. tj dokonanywaniu pomiarów wartości chwilowej syg. w ściśle określonych i równomiernych odstępach czasu, czas pomiaru powinien być ostatecznie krótki aby wartość chwilowa analizowania nie zmieniła się, po próbkowaniu ciągły sygnał analogowy przyjmuje postać ciągu krótkich impulsów o amplitudach wartości chwilowej syg. orginalnego. PDM -modulacja szerokości impulsów, w tej metodzie następuje przekształcenie amplitód próbek na szerokość impulsów,otrzymany przebieg ma postać impulsów o jednakowej amplitudzie ale o różnym czasie trwania. PPM - modulacja położenia impulsów, w tej metodzie syg. ostateczny ma postać ciągu impulsów o jednakowej amplitudzie i jednakowym czasie trwania, informacja o chwilowej amplitudzie przebiegu orginalnego jest zawarta w przesunięciu impulsów na osi czasu proporcjonalnym do tej amplitudy, podstawowym zabiegiem przy przekształcaniu syg. analogowego na postać cyfrową jest próbkowanie. Kotielnikowa - Schanona: ciąg próbek zawiera pewną informacjię o sygnale orginalnym wówczas gdy częstotliwość próbkowania fp jest co najmniej dwa razy większa od częstotliwość najwyższej jego składowej. Przykład: jeśli więc dowolnie złożony przebieg akustyczny zawiera się w całkowicie w pasmie do fg częstotliwość górna 20kHz to wystarczy aby częstotliwość próbkowania wynosiła co najmniej 40kHz zwykle częstotliwość próbkowania powinna być nieco większa niż 2fg. W systemie płyty cyfrowej CD stosuje się np.: próbkowanie o częstotliwości 44,1kHz, próbkowanie zmienia się w sposób istotny widmoi przebiegu orginalnego nowe widmo nosi nazwę powtarzanego jego część zawarta pomiędzy 0 a fg stanowi widmo syg. orginalnego. Przy nieskończenie wąskich impulsach próbkujących widmo powtarzane rozciąga się w nieskończoność w odstępach fg, poszczególne próbki syg. analogowych mogą przyjmować każdą wartość z pewnego przedziału ich zmian wartość tę można przedstawić w postaci liczbowej i w takiej formie przesyłać lub zmagazynować, należy jednak pamiętać że oprócz częstotliwości próbkowania na precyzję odwzorowania decydujący wpływ ma także dokładność pomiaru. Jeśli np.: przyjmniemy że syg. zmieniający się od 0 do 10V możemy zmieżyć z dokład ± 0,5V to wynik pomiarów wystarczy zapisać tylko jako 012...10V oznacza to że cały przedział zmian sygnału zostanie podzielony na 10 poziomów kwantyzacji, błąd związany z przyjęciem określonej liczby poziomów kwantyzacjinosi nazwę szumu kwantyzacji. W transmisjach wysokiej jakości do jakich stosowane jest kodowanie cyfrowe błąd ten powinien być mały i dlatego stosuje się 10 tyś poziomów kwantyzacji. Systemy transmisji cyfrowych operują wartościami liczbowymi przedstawionymi w postaci binarnej, każdej próbce może zostać przyporządkowana wartość zapisana w systemie binarnym. Zmieniając syg. skwantowany na cyfrowy uzyskujemy 4 bitowe bloki stanowiące zakodowany syg. analogowy, należy zwrócić uwagę na zależności czasowe między próbkami a ciągiem impulsów reprezentujących ich wartości, we wspomnianym systemie CD syg. małej częstotliwości jest przekazywany z dokładnością 16 bitową, przy częstotliwościach próbkowania 441kHz częstotliwość impulsu sygnału zakodowanego przekracza1,4MHz a w praktyce jeszcze więcej 4,3MHz ze względu na umieszczenie w sygnale pewnych informacji służących do korekcji. Pasmowo energetyczny model ciała stałego - materiał może znajdować się w 4 podstawowych stanach skupienia: - gazowy, plazmowy,ciekły i stały, elementy półprzewodników realizuje się w większości z materiałów w stanie stałym, ze względu na stopień uporządkowania atomów ciała stałe dzielą się : - amorficzne czyli bezpostaciowe,- uporządkowane na poziomie elementarnych krysztalików,- ciała o struktórze polikrystakicznej złożone z wielu nieregularnych przylegających do siebie obszarów monokrystalicznych zwanych ziarnami oraz ciała o struktórze monokrystalicznej uporządkowanych w całej objętości. Siecią krystaliczną nazywany jest przestrzenne uporządkowanie atomów, czysty kryształ krzemu nie zawierających atomów(zanieczyszczeń lub domieszek) nazyw jest półprzewodnikiem samoistnym. Zgodnie ze znanym modelem atomu Bohra w temp 00K elektrony obsadzają najniższe możliwe poziomy energetyczne(powłoki). Przez doprowadzenie energi do atomu można spowodować przejścia skokowe elektronu do następnej powłoki jesto tzw powłoka przewodnictwa, gdyż elektron przestaje być związany z jądrem atomu i staje się nośnikiem ładunku elektrycznego, w krysztale krzemu wobec bardzo małych odległości atomów i dużej ich ilości powłoki te tworzą tzw poziomy energetyczne a zbiór tych poziomów można uważać za pasmo energetyczne. Na rys przedstawiono jednowymiarowy model energetyczny izolatora półprzewodnika i przewodnika zawiera on pasmo podstawowe(walencyjne) zabronione(przerwa energetyczna) i pasmo przewodnictwa. Gdy pasmo zabronione nie występuje czyli pasmo walencyjne i przewodnictwa zachodzą na siebie wówczas mówimy że są to przewodniki i do tej grupy należą głównie metale, gdy Wg<2eV przewodnictwo może wystąpić ale dopiero przy dopływie energii z zewnątrz ciała i nazywamy je półprzewodnikami, Wg>2eV ciała te są izolatorami niewykazującymi w warunkach normalnych przewodnictwa elektrycznego. Generacja i rekombinacja półprzewodnika - w temp 00K pasmo przewodnictwa w półprzewodnikach jest puste nie ma swobodnych nośników ładunku elektrycznego w rzeczywistości nigdy nie mamy do czynienia z kryształem idealnym(super czystym) zawsze występują pewne zanieczyszczenia a ponadto temp półprzewodnika jest równa temp otoczenia, jeśli ilość energi cieplnej jest większa od bariery energetycznej Wg może nastąpić jonizacja atomu krzemu czyli przejście elektonu z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa, w pasmie przewodnictwa elektron przestaje być związany z konkretnym jądrem atomu i może się przemieszczać swobodnie wewnątrz półprzewodnika stając się elektronem swobodnym, zjawisko to nazywamy generacją nośników albo tzw emisją wewnętrzną. Pozostająca w paśmie walencyjnym luka po elektronie zachowuje się tak jakby była nośnikiem elementarnego ładunku dodatniego jest nazywana dziurą, w związku z tym mówi się o generacji par elektron - dziura. W skali makroskopowej półrzewodnik pozostaje neutralny gdyż liczba dziur i elektronów jest sobie równa. Liczba nośników ładunku elektrycznego elektronów lub dziur w jednostce objętości nazywa się koncentracją nośników, w generacji par elektron - dziura towarzyszy proces odwrotny anichilacja zwana rekombinacją, rekombinacja bezpośrednia występuje w półprzewodniku arsenu galu a energia wypromieniowania jest w postaci fotonu, zjawisko jest wykorzystane w diodach świecących typu LED. Półprzewodnki domieszkowe oraz ruch nośników w półrzewodnikach - w krysztale krzemu w rzeczywistości znajdują się zawsze obce atomy nie ma super czystego kryształu są tzw zanieczyszczenia. Atomy celowo wprowadzono do sieci krystalicznej półprzewodnika nazywamy domieszkami, rozróżniamy 2 rodzaje półprzewodników domieszkowych: - półprzewodniki typu „n” i typu „p”, jeśli do sieci krystalicznej krzemu wprowadzimy
Napięcie Uk jest całkowane w integratorze i porównywane w komparatorze K z napięciem Uo w chwili gdy oba napięcia zrównają się na wyjściu komparatora pojawia się impuls który przy przejściu przez bramkę B zostaje zarejestrowany przez licznik L, jednocześnie impuls pobudza generator impulsów roskładających Gr znajdującyhc się w pętli sprzężenia zwrotnego, z wyjścia generatora GL jest doprowadzone do wejścia integratora wzorcowa porcja ładunków w postaci impulsu o stabilnej amplitudzie Uv i czasie trwania tr powodująca częściowe rozładowanie integratora, po skończeniu impulsu rozładowującego następuje pozorne narastanie napięcia wyjściowego Uwyj po przekroczeniu poziomu Uo impuls komparatora pobudza Gr i następuje ponowne rozładowanie integratora w czasie tr ustala się wiec równowaga dynamiczna między średnim prządem l1 doprowadzony ze żródła Ux a prądem Ip doprowadzonym ze źródła Ur wynik przetworzenia będzie wyrażony: fx=Rv/Rurtr*Ux, z tej zależności wynika że dokładność przetwarzania zależy od dokładności elementów sprzężenia zwrotnego czyl iamplitudy Uv i czasu tr impulsu rozładowującego oraz rezystancji w obwodzie ładowania R i rozładowania Rr. Przerzutniki - należą do elementów logicznych z pamięcią, mają one własności zapamietywania stanów logicznych wymuszonych impulsem zapisującym przy czym zmiana tych stanów jest możliwa jedynie pod wpływem innego impulsu-kasującego, w zależności od funkcji jaka spełniają w sieci logicznej można wyróżnić 4 podstawowe typy przerzutników, RS,JK,T,D, mogą być budowane w wersji statycznej lub dynamiczej, dynamiczne w odróżnieniu od statycznej posiada bramki impulsów zamiast punktorów iloczynowych Architektura wewnątzr mikrokomputera 8051 - podstawowy układ rodzimy MCS 8051 jest mikrokomputer 8051 oraz nierozbudowany mikrokomp 8052, mikrokomp produkowane są w kilku odmianach które różnią się między sobą wielkościa wewnętrz pamięci programu danych oraz poborem energi, Pamięć programu licznik rozkazu - może mieć max 64kB pojemności zawarta wewnątrz układu posiada wielkości w zależności od wersji mikrokomp od 0kB dla układu 8031 po przez 4kB 8051 do 8 kB dla wersji 8052 do systemów z większym iwymaganiami trzeba dołączyć zewnętrzną pamięć programu która od strony programowej stanowi logiczną ciągłość tzn niema rozróżnienia na pamięc zew i wew, mikrokomp MCS 8051 mogą pracować wyłązcnie z zew pamięcia programu wtedy końcówka jest oznaczona jako EA musi być podłączona do logicznego układu, pamięć programu podzielona jest na strony wielkości 2kB, strony wyznaczają bity od11 do15 licznika roskazów PC natomiast przemieszczanie od początku strony określają bity od 0-10 tegoż rejestru, oprócz roskazu dla mikroprocesora w pamięci programu można umieszczać dane do kótrych dostęp uzyskujemy przez użycie specjalnych rozkazów. Wewnetrzna pamięć - danych ma w zależności od typu układu wielkości 128 lub 256 bajtów, mikrokomp MCS 8051 i wersje wcześniejsze nie zostały wyposażone w rejestr ogólnego przeznaczenia w powszechnie przyjętym znaczeniu, funkcje tych rejetrów spełnia pewien obszar wew pamięci danych do którego dostęp uzyskujemy przez nazwę, obszar ten ograniczony do dołu adresem 0 i od góry adresem 20h podzielony jest na 4 części stanoiwiące zbiory uniwersalnych rejestrów roboczych, w danej chwili są dostępne rejestry tylko z jednego zbioru przez 2 bitowy wskażnik RS tzn mieszczący się w słowie stanu programu PSW, rejestry z pozostałych zbiorów mogą być używane jako rozszerzenie pierwszego, konstrukcja mikrokomp sugeruje ich wykorzystanie do programowania obsługi przerwań ponieważ wartość wskażnika RS jest automatycznie odtwarzane przy wykonaniu roskazu RET-1 kończącego tego programu, w ramach wew pamięci danych w adresach 128-255 znajduje się nie wpełni wykorzystany obszar rejestrów specjalnych SFR, w grupie tej znajdują się wszystkie istotne rejestry np. akumulator A czy słowo stanu PSW, dzieki umieszczeniu ich w przestrzeni adresowej wew pamięci danych jest możliy @ i jednolity dostęp programowy za pomocą roskazu przesłań aparacji logicznych oraz operacji na bitach do portów wejścia-wyjścia rejestrów sterujących pracą bloków funkcjonalnych mikrokomp oraz innych najważniejszych rejestrów, obszar wewnątrz pamieci danych o adresach 20h-2Fh oprócz dostępu bajtowego może być adresowany bitowo za pomocą specjalnej grupy roskazów, komórki tego obszaru oraz bitowe adresy rejestrów dla procesora bullowskiego, drugim argumentem jest wskażnik CY który w tych roskazach pełni rolę akumulatora, w dalszym obszarze wew pamieci danych może być umieszczony stos którego wierzchołek adresowany jest przez należacy do grupy rejestrów specjalnych 9 bitowy wskażnik stosu tzw SP, Zew pamięć danych - do układu MCS 51 można dołączyć zew pamięć danych o max pojemności 46kB, komunikacja procesora z tą pamięcią odbywa się port PO i PL, port PO będący dwukierunkową @ magistralą oznaczoną adres-dana w pierwszej fazie przesyła 8 mniej znaczących bitów adresu stopowanych sygnałem ALE sygnał ten steruje zew zatrzaskiem zachowującym tę część adresu do chwili pojawienia się na porcie PO słowa danych odczytywanych z pamięci lub zapisywanych do niej 8 partii znaczących bitów adresu przesyłany jest przez port PZ, adres na PZ utrzymywany jest do końca odczytywania lub zapisywania w pamięci lub z pamięci danych, natomiast na PO @ . Jednostka arytmetyczno logiczna - ALU zgodnie z powszechnie stosowaną konwencją współpracyje z jednym z najważniejszych rejestrów a mianowicie akumulatorem, akumulator jest miejscem pobytu jednego z operatorów i miejscem przekazywania wyniku większości operacji arytmetycznych i logicznych, jednostka arytmetyczno-logiczna może wykonywać działanie arytmetyczne na liczbach 8 bitowych są to następujące rozkazy:-dodawanie i dodawaniez przeniesieniem,- odejmowanie i odejmowanie z przeniesieniem,- mnożenie,- dzielenie,-negacje logiczne,-sumy logiczne,- różnice symetrycznej,-przesuwanie cykliczne, Jednostka arytmetyczno logiczna współpracuje ze słowem stanu PSU złożonym z szeregu wskaźników informujących o przebiegu oraz wyniku operacji logicznych i arytmetycznych, słowo steru należy do górnych rejestrów specjalnych więc do jego wszystkich bitów mamy wygodny dostęp za pomocą adresowania bitowego, strunkuta słowa programu PSW - znaczenia poszczególnychbitów słowa stanu:-P-znacznik parzystości-ustawiany jeżeli akumulator zawiera parzystą liczbę jedynek zerowany w przypadku w przypadku przeciwnym adres Doh, -OV-znacznik nadmiaru-ustawiany jeżeli w wyniku operacji + lub - przekazany został zakres liczb w kodzie uzupełnień do dwóch natomiast w operacji dzielenia wskazuje próbę dzielenia przez 0 adres D2h,-RS0 i RS1-wskażnik zbioru rejestrów roboczych-zmiemniany wyłącznie programowo wpisana do niego 2 bitowa liczba wswkazuje na numer zbioru rejestrów adresy RS0-D3h,RS1-D4h, -FO-znacznik programowy-ustawiany wyłącznie programowo może służyć do przekazywania informacji między różnymi częściami programu adres D5h,-AC- znacznik przeniesienia pomocniczego-ustawiany gdy w wyniku operacji + lub - nastąpi przeniesienie lub pożyczka z bitu 3 znacznik jest wykorzystywany podczas dziesiętnej korekcji liczb w kodzie BCD adres D6h,-CY- znacznik przeniesienia- ustawiany gdy w wyniku operacji + lub - nastąpi przeniesienie lub pożyczka z najbardziej znaczącego bitu znacznik przeniesienia może być zmieniany w wyniku operacji przesunięć zawartości akumulatora adres D7h, Porty równoiległe - minikomp 8051 mają 32 linie wyjściowe zgrupowane po 4, 8 bitowe porty oznaczone P0-P3, porty umieszczone są w przestrzeni adresowej wew pamięci danych odpowiednio pod adresami: 080h,090h,0Ah,0Bh, wszystkie porty są dwukierunkowe przy czym w każdy z nich można mieszać linie wejścia i wyjścia, z pośród 4 portów port PO wyróżnia się tym że oprócz możliwosci pracy jako bezpośrednie wej-wyj pracuje także jako @magistrala adres-dana, natomiast port P3 w tym że wszystkie jego linie posiadają dodatkowe alternatywne funkcjie zależne od trybu w jakim współpracuje mikrokomp, Struktura wew portów - porty P1-P3 posiadają na wyj układ polaryzujący zbudowany z tranzystora polowego i tzw rezystora podciągającego
|
domieszkę pierwiastka 5 wartościowego np.:arsenu lub fosforu 4 elekrtony domieszki wiążą się z elektronami sieci krystalicznej krzemu, natomiast jeden elektron domieszki jest słabo związany i może łatwo przejść do pasma przewodnictwa krzemu tak uzyskany półprzewodnik nazywamy półprzewodnikiem typu „n”(nadmiarowy) domieszkę tego typu nazywamy donorową, oprócz nośników większościowych których liczba zależy od koncentracji domieszki w półrzewodniku są również obecne nośniki dodatnie czyli dziury które dla tego typu półprzewodników są nośnikami mniejszościowymi, dziury powstaja w wyniku procesu generacji termicznej czyli ich liczba zależy głównie od temp. Jeśli do sieci krystalicznej krzemu domieszkujemy pierwisatki z 3 grupy np.: bor lub aluminium otrzymamy półprzewodnik typu „p”, 3 elektrony domieszki wiążą się z atomami krzemu jedno wiązanie jest niepełne wystarczy niewielka ilość energi aby elektron opuścił pasmo walencyjne pozostawiając swobodną dziurę którą dla tego typu półprzewodnika nazywamy nośnikiem większościowym, domieszkę tą nazywamy akceptorową. Elementy półprzewodnikowe - klasyfikacja i opis elementów półprzewodnikowych ze względu na obszar determinujący właściwości elementu dzielimy je na: - elementy objętościowe -takie w których zjawiska zachodzą w całej objętości półprzewodnika do nich zaliczamy termistory, hallotrony, fotorezystory, - elementy złączowe - w których właściwości elementu determinuje obszar graniczny złącza p-n np.: dioda tranzystor dipolarny, bądź złącze półprzewodnik-metal, - elementy powierzchniowe - właściwości elementów zależą od zjawisk występujących na powierzchni półprzewodnika np.: elementy typu mos, tranzystory polowe typu mosfet, Elementy półprzewodnikow złączowe - zjawisko w łączu p-n, złącze p-n - obszar półprzewodnika w którym występuje zmiana przewodnika z „p” na „n”, z właściwości złącza p - n korzysta się przy budowie większości elementów półprzewodnikowych tj diody, tranzystory, wzmacniacze operacyjne, układy logiczne. Można stwierdzić że złącza są najistotniejszymi częściami obszarów roboczych elementów półprzewodnikowych. Uproszczony mechanizm fizyczny zjawisk w złączu jest następujący, nośniki większościowe warstwy „n” dziury obszaru przygranicznego ze względu na ich dużą koncentrację w stosunku do warstwy „p” przemieszczają się w jej kierunku(zjawisko dyfuzji), odpływ elektronów z warstwy przygranicznej „n” powoduje powstanie ładunków ujemnych jonowych domieszki donorowej, elektrony z kolei przechodzą na stronę obszaru „p” rekombinują(neutralizują się) z dziurami tworząc jony ujemne domieszki akceptorowej ładunki jonowe nie mogą się przemieszczać w przestrzeni wytwarzają więc stałe pole elektryczne na złączu oraz różnicę potencjałów zwane napieciem bariery potencjału Ubp, bariera ta uniemożliwia dalszy przepływ nośników większościowych, ustala się stan równowagi elektrycznej. Wytworzona bariera potencjału nie stanowi przeszkody dla przepływu nośników mniejszościowych przez złącze a wiec elektronów z warstwy „p” i dziur z warstwy „n”, wielkość napięcia bariery potencjału zależy od poziomu domieszkowania i temp dla germanu wynosi ona 0,1-0,3V a dla krzemu 0,4-0,8V, warstwa przygraniczna ze względu na brak nośników ma bardzo dużą rezystancję znacznie większą od rezystancji obszarów przylegających do niej dlatego napięcie zewnętrzne U przyłożone do złącza prawie w całości odkłada się na tej warstwie, wyróżnia się 2 kierunki polaryzacji złącza p - n : - w kierunku zaporowym, przewodzenia. Polaryzacja w kierunku zaporowym - uzyskuje się polaryzację w kierunku zaporowym jeżeli napięcie zewnętrzne przyłoży się zgodnie z napięciem bariery potencjału czyli `+' do warstwy „n” a '-` do warstwy „p” w wyniku tak przyłożonego napięcia bariera potencjału powiększa się, zmniejsza się natomiast dyfuzja nośników większościowych czyli koncentracja nośników wprowadzonych na drugie złącze, jedynie nośniki mniejszościowe mogą dalej przepływać przez złącze i one tworzą prąd złącza w kierunku zaporowym liczba nośników mniejszościowych zależy głównie od temp toteż prąd zaporowy w złączach jest silnie zakleżny od temp a prawie niezależny od zaporowego napięcia polaryzacji liczność tego prądu dla z…łącza krzemowego wynosi poniżej 1μA, zwiększenie napięcia w kierunku zaporowym powoduje przy przekroczeniu pewnej wartości napięcia oznaczonych UBR przebicie złącza objawiajace się gwałtownym wzrostem prądu. Wyróżnia się 2 grupy przyczyn gwałtownego wzrostu prądu: elektryczne i termiczne, elektryczne prowadzą do przebicia Zenera i lawinowego wzrostu prądu natomiast przyczyny termiczne prowadzą do przebicia cieplnego, przebicie Zenera występuje w złączach o bardzo cienkiej warstwie przejściowej grubość której nie przekracza średniej drogi swobodnej elektronu, tak cienkij warstwie przejściowej pole lektryczne może osiągnąć tak duże wartości natężenia że możliwe jest wyrwanie elktronów i wiązań atomowych przez siły pola, w wyniku tego wyrwania generuje się para nośników swobodna dziura i swobodny elektron co powoduje gwałtowny wzrost prądu. Przebicie Zenera może mieć charakter powtarzalny i stabilny lub może prowadzić do zniszczenia złącza w zależności od elektronów cieplnych towarzyszących zjawisku, warunkiem stabilności powtarzalności jest niedopuszczenie do przekroczenia dopuszczalnej temp pracy złącza w których przebicie występuje. Przebicie laminowe występuje w złączach w warstwie przejściowej mającej grubośc kilku średnich dróg swobodnych elektronu, w tak grubych warstwach przejściowych może dochodzić do kilku następujących po sobie zderzeń danego elektronu z atomami przy dostatecznie dużym natężeniu pola elektrycznego w trakcie tych zderzeń mogą być jonizowane atomy co zwielokrotnia koncentracje nośników ładunków a więc zwiększa prąd wsteczny złącza. Polaryzacja w kierunku przewodzenia - uzyskuje się jeżeli napięcie zewnętrzne przyłoży się przeciwnie do bariery potencjału a więc `+' do warstwy „p” a `-` do warstwy „n” w wyniku tak przyłożonego napięcia bariera potencjału zostaje zmniejszona, elektrony warstwy „n” jako nośniki większościowe mogą przechodzić na strone „p” gdie ulegaja rekombinacji, w 1 fazie do momentu przekroczenia napięcia bariery potencjału prąd ten powolnie rośnie a po jego przekroczeniu następuje gwałtowny wzrost, prąd przepływowy przez złącze można opisać wzorem: J=Jo e(V/VT-1) ,UT=kT/q. Diody półprzewodnikowe - nazywa się element o dwóch końcówkach zawierające jednoi złącze p-n wyprowadzenie diod nazywa się tradycyjnie katodę i anodę, dzielimy na 2 klasy: prostownicze( energetyczne, sygnałowe), specjalne(diody Zenera, fotodiody, diody pojemnoiściowe, luminescyjne, tunelowe), prostownicze - energetyczne przeznaczone są do prostowania napięcia lub prądu o kształcie sinusoidalnym o częstotliwości przemysłowej 50-400Hz. Charakterystyka diody prostowniczo - energetycznej, Do grupy diod sygnałowych zalicza się : - krzemowe, germanowe, ze złączem p-n o małych pojemnościach przeznaczone do przełączania i prostowania w układzie małej mocy, detekcji amplitudowej, dyskryminacji itp., Obwody tych diod wykonujesie ze szkła lub plastiku, w postaci wydłużonych perełek walca lub prostopadłościanu, Charakterystyki napięciowe diod sygnałowych są analogiczne do charakterystyki diod prostowniczychz tym że ich prądy i napięcia dopuszczalne są mniejsze. Różnica między didami prostowniczymi a sygnałowymi wynikaja z tego że diody sygnałowe maja mniejsze powierzchnie łącza i dzięki temu małe pojemności co umożliwia ich zastosowanie w układach dużej częstotliwości. Dioda Zenera jest diodą specjalną ze złączem p-n z wąską strefą ładunków jonowych w której wykorzystuje się zjawisko przebicia Zenera, stosowana jest przy polaryzacji zaporowej, charakterystyka prądowo napięciowa diody Zenera, Parametry diody stabilizacyjnej: napięcie Zenera U2, rezystancja dynamiczna, max dopuszczalna moc admisyjna, temperaturowy współczynnik stabilizacji. Obecnie diody satbilizacyjne są wytwarzane tylko z krzemu. Ze względu na moc można je podzielić na: małej mocy powyżej 1W, średniej mocy > 10W, dużej mocy 10-100W, bardzo dużej >100W, diody Zenera stosuje się do budowy ograniczników, stabilizatorów napięcia mogą być również wykorzystane do pomiaru temp. Fotodiody: - półprzewodnikowe są to diody p-n zoptymalizowane pod względem wykorzystywania wrażliwości złącza na promieniowanie w zakresie widzialnym i podczerwonym, mają one w obudowie przezroczyste okienko umożliwiające przenikanie promieniowania do złącza p-n, promieniowanie
Jeżeli na wyj zostanie przekazana logiczna 1 to tranzystor znajduje się w stanie odciecia wysoki stan lini wyj jest wymieszany przez wspomniany rezystor, jeżeli linia ma pracować jako wej do @ jest wstępnie ustawiana na jej wyj wysokiego stanu logicznego taka struktura portów wprawdzie zabezpiecza linie przed zwarciem na wyj ale nie zapewnia jej dużej obciążalności, pojedyńcze linia może być obciążony przez jednostandartowe wej TTL lub wej TTL LS, oprócz wspomnianej wady istnieje jeszcze niebezpieczeństwo uszkodzenia układu wysterującego linię gdy na jej wyjściu nie ustawiono wczesniej stanu wysokiego, w tej sytuacji tranzystor wyjściowy będzie zawierać do masy wyjścia układu wysterującego, port P0 posiada inną budowe niż pozostałe w miejscu rezystora podciągającego umieszczono 2 tranzystor który wymusza stan wysoki na wyj każdy port pracuje P0 jako układ wej wyj magistrali adresowej lub danych.
|
te oddziaływujące jako promieniowanie fotonu na elektrody półprzewodnika może powodować fotogenerację, prąd fotoelektryczne złązca jest więc proporcjonalny do natężenia oświetlenia diody J z przebiegu charakterystyk idiody napięciowej fotodiody wynika że może ona stanowić elementarne fotoogniwo, charakterystyka fotodiody:
Diody pojemnościowe: diody ze złączem p-n zoptymalizowane pod względem możliwości wykorzystania pojemności bariery złącza, Charakterystyka statyczna prądowo napięciowa oraz przełączenia diod pojemnościowych są analogiczne do diod sygnałowych posiadają jednak drugoplanowe znaczenie, podstawowym charakterem diody pojemnościowej jest zależność jej pojemności od napięcia polaryzacji w zakresie zaporowym, diody pojemnościowe wykorzystuję się do przestrajania obwodów rezonansowych generatorów i innych układów elektrycznych m.in. do automatycznej regulacji częstotliwościw odbiornikach radiowych. Diody elektroluminescencyjne - elementy ze złączami p-n, które przy polaryzacji w kierunku przewodzenia emitują promieniowanie widzialne lub czerwone, natężenie promieniowania jest proporcjonalne do wartości prądu przewodzenia, barwa jest zależna od przewodnika z którego wykonano diodę, zasada diody świecącej wykorzystuje zjawisko rekombinacji bezpośredniej, charakterystyki tych diod są takie same jak innych dioid, Zespół diod elektrolumin we współczeswnej obudowie wykorzystuje się jako oświetlenie czytników taśm performowanych oraz wskażniki cyfrowe, pod względem budowy wskażniki dzielą się na: hybrydowe - w których diody są zamontowane oddzielnie na wspólnym podłożu izolacyjunym tworząc mozaikę segmentów cyfr dziesiętnych oznaczone CQY 74/75, hybrydowe światłowodowe - które różnią się od hybrydowych wykorzystaniem światłowodów nałożonych na poszczególne segmenty w celu powiększenia ich powierzchni świecącej, wskażniki monolityczne - wykonane są w jednolitej półprzewodnikowej płytce. Didy tunelowe - wykazuje przedział o ujemnej rezystancjidynamiocznej jesto dida spolaryzowana w kierunku przewodzenia i włączona do obwodu prądu przemiennego zachowując się tak jak zachował by się rezystor o ujemnej rezytancji, dzięki temu można zbudować proste układy regenarycyjne lub układy przełączające o dużej szybkości działania, parametrami charakterystycznymi diody tunelowej są: współrzędne szczyty i doliny charakterystyki wartości napięć które wynoszą od kilkudziesięciu do kilkuset mV a prądy od kilku do kilkudziesięciu mA, Tranzystory polarne - są to elementy półprzewodnikowe sterowane zawierające 2 złącza p-n sprzężone poprzez cienki obszar nazywany bazą, w zależności od uszeregowania obszarów o różnym typie przewodnictwa rozróżnia się tranzystory np. pnp zasady ich działania są jednakowe, różnice występują tylko w biegunowości zew źródeł napięcia i kierunkui przepływu prądu, większosc wytworzonych tranzystorów stanowią tranzystory typu npn. Budowa i działanie tranzystora: najbardziej rozpowszechnioną strukturę tranzystora bipolarnego uzyskuje się że na podłoże o silnym domieszkowaniu nt o grubości około 130μm wytworzona jest warstwa typu n o grubości 7mm, dolna część tej warstwy spełnia funkcje kolektora, w górnej części jest usytuowany obszar typui p stanowiący bazę tranzystora a najwyżej wytworzony jest kolejny obszar typu n spełniający funkcje emitera, emiter jest oddzielony od kolektora warstwą bazy o grubość około 1 mm w środkowej części struktury każdy z 3 obszarów tranzystora(emioter,baza, koletor) ma na swojej powierzchni naniesiona warstwę metraliczną za pośrednictwem której łączy się z wyprowadzeniami zew, w normalnych warunkach złącze emiterowe(emiter-baza) jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia natomiast złącze kolektorowe(kolektor-baza) ma polaryzację zaporową, polaryzacja i właściwości wzmacniające tranzystora: Zasada działania: przez spolaryzowanie w kierunku przewodzenia w złącze emiterowe wtryskiwane są z emitera do bazy nośniki większościowe emitera, nośniki te poruszają się w kierunku kolektora i docierają do spolaryzowanego zaporowo złącza kolektorowegojak nośniki mniuejszościowe w warstwie bazy elektronu swobodnie przepływają do obszaru kolektora dzięki wysokiej sprawności transportu nośników przez baze prawie cały strumień nośników emitowanych przez emiter dociera do kolektora. Prąd kolektora jest proporcjonalny do prądu emitera: Jc=αFJE , αF - zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora, wartość jego zawiera się 0,95-0,99, niwielka część elektronów przechodząca przez bazę rekombiluje z dziurami złącza bazy, głównym składnikiem prądu bazy jest więc prąd rekombinacji między prądami tranzystora istnieje związek: JE +JB+JC=0, uwzględniając zależność Jc=αFJE możemy uwzględnić związek między prądem kolektora i bazy: JC/JB=αF /1-αF =β, współczynnik β -współczynnik wzmocnienia prądowego wynosi 5-900, wartość strumienia nośników docierających do kolektora może być w prosty sposób regulowana przez zmiane polaryzacji złącza emiterowego, przy tym niewielkie zmiany napięcia przewodzenia złącze emiterowego powodują znaczne zmiany prądu kolektorowego ∆UEB zmienia się prąd emitera ∆JE=∆JC, skąd na rezystorze R powstaje zmiana napięcia ∆UR=∆JE•R, otrzymujemy w rezultacie wzmocnienie napięciowe KU, KU=∆UR /∆UEB =∆JC •R/∆UEB działanie tranzystora p-n-p jest podobne do n-p-n różnice polegają na przeciwnych kierunkach napięć i prądów oraz zmianie typu nośników elektronowych na dżulowe i odwrotnie . charakterystyk i parametry techniczne tranzystora: istnieją 3 możliwe połączenia tranzystora ze żródłem sygnału i obciążeniem, układ pracy lub konfiguracje połączeń: Charakterystyka tranzystora przedstawia się najczęściej w konfiguracji wspólnego emitera, Charakterystykawejściowa i wyjściowa: W rodzinie charakterystyka może wyróżnić 3 obszary: stan aktywny w którym tranzystor ma właściwości sterujące i wzmacniające, stan nasycenia zmiany prądu sterującego bazy nie powoduje zmiany prądu kolektora a napięcie nasycenia UCE osiąga małą wartość 0,01-1V, stan nieprzewodzenia występuje przy polaryzacji wstecznej złącza emiter baza. Dane techniczne tranzystora dotyczą: dopuszczalnych parametrów eksploatacyjnych , statycznych i dynamicznych, pierwsza grupa określa największe dopuszczalne wartości niepowodujące uszkodzenia tranzystora najważniejsze są: moc całkowita tracona w tranzystorze, max napięcie między elektrodowe, max prąd kolektora i bazy, max temp złącza kolektorodowego, tranzystory zajmują zastosowanie w większości układów elektrycznych tj wzmacniaczy, generatorów, stavilizatorów itp., obecnie stosuje się coraz rzadziej tranzystory małej mocy jako elementy dyskretne najczęściej stanowią część składową układów scalonych. Tranzystory unipolarne złączowe JFET, oprócz tranzystorów złączonych bipolarnych wytwarza się tranzystory unipolarne, nazwa uniploarny wyjaśnia że nośnikami ładunków elektrycznych są tylko elektrony lub tylko dziury, a nie elektrony i dziury jak w tranzystorach bipolarnych, budowa tranzystora JFET z kanałem typu n: Na podłożu o przewodnictwie p wytwarza się obszar typu n o grubości kilku μm który tworzy tzw kanał, na obu końcach kanału znajduje się doprowadzone elektrody źródło S dren D powyżej kanału z kolei wytwarza się znowu warstwa typu p do której doprowadzona jest bramka, tranzystory polowe złączowe polaryzuje się normalnie w ten sposób by złącze ograniczające przekrój kanału zawsze w czasie pracy znajdowały się na całej swej długości w stanie zaporowym, działanie trazyst JFET polega na modulacji prądu drenu JD płynącego ze żródła do drenu napięciem UGS przykładanym między bramkę a żródło szerokośc oraz kształt przechodzącego kanału zależą od obydwu napięć UGS oraz UDS szerokość strefy ładunków jonowych wzrasta przy zwiększeniu napięcia toteż najsilniejsze zaciskanie kanału występuje w części zbliżonej do drenu przy dostatecznie dużej wartości napięcia UP równym UDS-UGS zwanym napięciem zaciśnięcia kanał jest praktycznie cały zaciśnięty wtedy na skutek zmian rezystancji i natężenia pola następuje ustalenie gęstości prądu napięcie J zależy teraz tylko od napięcia charakterystyka tranzystora polarnego JFET, Fototranzystory - jest elementem złożonym z fotodiody i tranzystora Ważną zaletą fototranzystora jest jego duże wzmocnienie prądowe ma on również dwie wady zależnośc pomiędzy pracą promieniowania a wywołaniem ją prądem wyjściowym nie jest liniowa 2 wada jest znacznie mniejsza niż w fotodidach częstotliwość graniczna, w celu zmniejszenia czułości fototranzystora obecnie stosuje się układy |
fotodarlingtona składające się z fotodiody i tranzystora w układzie darlingtona zaletą fotodarlingtona jestduże wzmocnienie prądowe które mieści się w granicach 100-1000 dlatego też całkowite wzmocnienie może być 104 lub nawet 106 nie można ich stosować w układzie detekcji strumienia świetlnego zmieniającego się z dużą częstotliwością. Transoptory - jest połączeniem diody elektroluminescencyjnej i fotodetektora zwykle fototrany lub fotodiody, elementy te są umieszczone w jednej obudowie, znajdują zastosowanie głównie jake elementy @ wysokonapięciowe obwody wyjściowe ognisko napięciowe obwodu wejściowego wchodzą w skład tzw sprzęgów tranzoptorowych w układach automatyki, najlepsze parametry dynamiczne mają LED fotodioda a najgorsze LED fotodarlington. Wzmacniacze elektroniczne - nazywa się układ elektroniczny zwiększający moc sygnału wejściowego z możliwie większym zachowaniem jego kształtu, zwiększenie mocy odbywa się dzięki wykorzystaniu elementów aktywnych tj tranzystorów kosztem energi zasilania, największe kryteria podziału wzmacniaczy są: 1.wielkość wzmacnianych sygnałów:-wzmacniacze małych sygnałów w których zmiany amplitud są małe dzięki czemu możemy aproksymować nie liniowe charakterystyki tranzystora odcinkami liniowymi i zastępować tranzyster liniowym modelem, - wazmacniacze mocy w których zmiany amplitud są duże i ich analiza za pomocą modeli liniowych jest niemożliwa, zależnośc wzmacniania sygnału od jego częstotliwości - 1) wzmacniacz prądu stałego wzmacniaja sygnał z zakresu fg do 0, 2) wzmacniacz prądu zmioennego do których zalicza się szerokopasmowe częstotliwości fd<f<fg, 3) wzmacniacz selektywne które wzmacniają sygnał w bardzo wysokim paśmie zmian częstotliwości, zakres częstotliwości wzmacniaczy sygnałów:wzmacniacz małej średnij dużej i bardzo duże częstotliwości. Wzmacniacze operacyjne - w układach automatyk iznalazły szerokie zastosowanie specjalne wzmacniacze prądu stałego zwane operacyjnymi są to układy scalone ww formie, wzmac operac ma 2 wejścia U1(-)odwracające U2(+)nieodwracające, napięcie zasilania +U22 i -U22 mają uziemniony jeden biegun tworzący masę układu idealny wzmacniacz operacyjny powinien mieć następujące parametry nieskończenie duże wzmacnianie różnicowe Ku →∞ współczynnik tłumienia dązy do nieskończoności, WTSW→∞, rezystancja między zaciskami 1 i 2 dązy do ∞ R(2-1)→∞, nieskończenie szerokie pasmo przenoszenia fg→∞, zerowe rezystancje Ro=0, zerowe napięcie niezrównoważenia Un=0, zerowe prądy polaryzacji l1-l2=0, wzmacniacz zreczywisty czyli istniejący posiada parametry: współczynnik wzmocnienia ma wartośc ograniczona i wynosi 104-1012, rezystancja różnicowa0,7-108, rezystancja wyjściowa 75-150, częstotliwość g.órna pasma przenoszenia1-5 MHz, charakterystycznym parametrem częstotliwościowym wzmocnieniem wzmocnienia jest częstotliwość graniczna fT taka że wzmocnienia różnicowe KR * 2π fT =1, wzmacniacz inwertujący - w układszie wzmacniaczy wprowadzone jest ujemne sprzężenia zwrotne napięciowe równoległe w celu wyznaczenia współczynnika wzmocnienia zakładamy że wzmacniacz operacyjny jest idealny tzn że IR=0, UR=0, potencjał zacisku jest więc równy potencjałowi zacisku +, tak więc w punktach występuje tzw masa pozorna, należy zapisać równanie obydwu wzmaniaczy U1-R1I1=0,U-+R2I2=0, I1=I2, UO/U1=Ku=-R2/R1, jesto wzmacniacz odwracający którego wzmocnienie napięciowe zależy wyłącznie od elementów zewnętrznych R1 i R2, jeśli elementy zewnętrzne mają postać impedancji Z1(s) Z2(s), wówczas otrzymujemy zależność ogólniejszą na transmitancję układu, G(s)= Z2(s)/ Z1(s) Przetworniki analogowo cyfrowe - wśród wielu kryteriów podziału metoda przetwarzania jako ważna należy przyjąć 2 kruteria, 1-kryterium zasady przetwarzania, 2-kryterium czasu przetwarzania, w ramach tzw kryterium zasady przetwarzania można wyróznić metody: a)bezpośrednie i b)pośrednie, a)bezpośrednie obejmują kompensacyjne i bezpośredniego porównania, charakteryzują się bezpośrdnim porównaniem wielkości przetwarzanej Ux z wielkością odniesienia Uo metody przetwarzania mogą być realizowane np. metodą kompensacyjną następującymi technkami rekompensacji równomiernej lub wagowej, b) otrzymujemy metody czasowe i częstotliwościowe, 2 kryterium metod przetwarzania wyróżnia czas w którym zachodzi przetwarzaie biorące pod uwagęte kryterium tzw metody chwilowe oraz metody integracyjne, zasadnicza różnica miedzy tymi metodami polega na tym że metodach chwilowych wynik przewtarzania odpowiada chwilowej wartości UX w pewnej chwili krutszej niż okres przetwarzania, w metodach integracyjnych wynik przetwarzania odpowiada średniej wartoiści sygnału Ux w okresie integracji. Metoda kompensacyjna - jest jedna z pierwszych i dotychczas nejczęściej stosowaną metodą przetwarzania analogowo cyfrowego AC, istota metody polega na sukcesywnym równowarzeniu napięcia Ux za pomocą odpowiednio wytworzonego napięcia kompensującego Uk tak aby kolejne wartości różnicy Uwyj=Ux-Uk doprowadzić do zera, w praktyce podyktowane jesto zdolnością rozdzielczą komparatora poruwnującego napięcia Ux i Uk jeżeli napięcie Uk jest wytworzone w postaci przyrostów wzorcowych ΔUk to ich liczba Nx potrzebna do sperłnienia tej ruwności stanowi zarazaem wynik przetworzenia: Ux=Nx* Δuk, istnieje wiele technik realizacji przetwarzania kompensacyjnego m.in. metoda kompensacji wagowej i równomiernej, zasada działania przetwornika z kompensacją wagową (start) układ sterowania zeruje wartość rejestru w wyniku czego przetwornik c/a podaje na wejście komparatora napięcie Uk=0 jeżeli na drugim wejściu komparatora jest niezerowe napięcie Ux i to Ux>Uk to układ sterowania w chwili t1 ustawia 1 logiczną na wyjściu w pozycji bitu najbardziej znaczącego 2n powoduje to wytworzenie przez przetwornik c/a przyrostu napiecia Δuk o wartość Uo/2 jeżeli komperator sygnalizuje nieważność Ux<Uk to układ sterowania ustawia 0 na pozycji 2 bitu rejestru chwili t2 co powoduje odejmowanie od poprzedniej wartości Uk przyrostu Uk=Uo/4 jeżeli teraz Ux>Uk to przetwornik c/a dodaje do poprzednij wartości przyrost Δuk=Uo/8 proces kompensacji wagowej kończy się na ostanim bicie 2o stan wyjścia rejestru po n krokach jest przekazywany ruwnolegle do dekodera wartości miarowej jako wynik przetworzenia Nx przetwornik z kompensacją równomierną działa jako kompensacyjny wagowy z tą różnicą że równowarzenie napięcia Ux odbywa się za pomocą równomiernych przyrostów Δuk o wadze ostatniego najmniej znaczącego bitu każda zmiana Ux wieksza niż zdolność rozdzielenioa przetwornika wytrącenie szeregu przerostów Δuk tak by różnice Ux-Uk doprowadzić do zera widać stąd że przetwornik śledzi zmiany Ux i dlatego zaliczamy je do przetworników nadążnych.Metody bezpośredniego porównania:najistotniejsdzą cechą metod bezpośredniego porównania jest duża szybkość przetwarzania dokładności jest tu czynnikiem drugorzędnym, wskażnik metrologiczny jakości przetwarzania będący iloczynem liczby poziomów kwantowania N określający dokładność i częstotliwość przetwarzania określający szybkość osiąga wartość 1011 dla porównania przetwornik kompensacyjny wagowy posiada wartość 2*109, przetrworniki oparte na metodach bezpośredniego porównania stosowane są jako kody transmisji sygnałów telemetrycznych, telekomunikiacyjnych, telewizyjnych, radarowych, w metodzie tej przetworzenie polega na jednoczesnym porównaniu napięcia Ux ze wszystkim 2n-1 poziomami napięcia odniesienia Uo i bezpośrednim zakodowaniu wyniku tego porówania przetworzone składa się więc tylko z jednego @ osiąga się dzięki temu największe szybkości przetwarzania a/c. Metoda bezpośredniego pomiaru CD - przetworniki oparte na tej metodzie stosowane są w kodowej transmisji sygnałów telemetrycznych itp. W metodzie tej przetworzenie polega na jednoczesnym porównaniu napięcia Ux ze wszystkim 2n-1 poziomami napięcia odniesienia Uo i bezpośrednim zakodowaniu w wyniku tego zakodowania przetwarzania składa się więc z, można wyróżnić 2 zasady techniki realizacji bezpośredniego porównania: a)równoległe porównanie, b)szeregowo-równoległe porównanie, przetwarzanie odbywa się w jednym kroku, bardzo duża liczba komparatorów czyli układów porównujących, wyniki porównań po zakodowaniu kodem są podawane w postaci równoległego słowa binarnego na wyjściu z przetwornika @ szybkich komparatorów i szybkich elementów logicznych kodera można osiągnać 100mln przetworzeń na sek. Czasowe przetwarzanie AC - należy do metod pośredniego przetwarzania i polega na przetworzeniu wielkości analogowej na proporcjonalny okres czasu a następnie cyfrowego kodowania długości tego okresu, metoda czasowa ma 2 realizacjie techniczne: a)czasową prosta - w tej metodzie można wyróżnić operacje: przetworzenie napięcia Ux na proporcjonalny odcinek czasu Tx, porównanie czasu Tx z wzorcowymi odcinkami czasowymi generatora czasowego o częstotliwości fz, cyfrowe kodowanie wyniku w postaci Nx,b)podwójnego całkowania, Przetwarzanie napięcia Ux na odcinkach Tx odbywa się przez porównanie tego napięcia z napięciem liniowym wytworzonym w generatorze GL, generator ten wytwarza napięcie liniowe rosnące przez całkowanie napięcia całkowitego Uo wg równania: UL=1/RC o∫TUo dt=1/R* Uo*t, po upływie czasu Tx następuje zrównaie obu napięc sygnalizowane przez komparator i zachodzi równanie: Ux=UL, Ux=1/RC*Uo*Tx, porównanie czasu Tx odbywa się przez zliczenie w tym okresie wzorcowych impulsów generatora Gz w liczniku L liczba impulsów można wyróżnić: Nx=fz*Tx a wynik przetwarzania: Nx=fz*RC/Uo*Ux, fz RC/Uo=const, metoda częstotliwościowa przetwarzania AC - jej istota polega na przetwarzaniu sygnału analogowego na proporcjionalna do jego wielkości częstotliwośc impulsów które są zliczone w stałym okresie integracji, można wyróżnić 2 techniki realizacji przetwarzania:a)prostą, b)podwójnego przetwarzania,
|