Комп’ютерна електроніка

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРНІВЕЦЬКИЙНАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ЮРІЯФЕДЬКОВИЧА
Факультеткомп’ютерних наук
Кафедракомп’ютерних систем та мереж
Курсова робота
Комп’ютерна електроніка
Вступ. Етапи розвитку електроніки Класифікація електронних пристроїв
Електроніка– галузь науки, яка займається дослідженням фізичних процесів, що відбуваютьсяв різних середовищах при протіканні струму, і, як галузь техніки, займаєтьсярозробкою електронних приладів на основі цих явищ. Розрізняють фізичну ітехнічну електроніку.
Наоснові застосувань електроніки розвилась галузь: мікроелектроніка – галузь, яказаймається технічними проблемами реалізації електронних приладів у виглядіінтегральних мікросхем, — пристроїв, що складаються з окремих дискретнихелементів (діодів, транзисторів) виготовлених в одному технологічному циклі ірозміщуються на спільній несучій конструкції в спільному корпусі.
Електронікуподіляють на аналогову і цифрову.
Піданалоговою розуміють елементи, пристрої і системи, які забезпечують обробкуелектричних сигналів, що змінюються за законами неперервної функції, тобто врізні моменти часу можуть приймати довільні значення напруги чи струму.
Вцифровій елементи займаються обробкою сигналів, що змінюються дискретно. Щоб забезпечитидискретну зміну сигналу використовують методи квантування сигналів за часом, зарівнем або одночасно.
Взалежності від елементної бази, яка використовується в електронних пристроях,можна виділити кілька етапів розвитку електроніки:
1.               1904 – 1950 рр.: електронно-вакуумні лампи. Використовуютьсяелектровакуумні та газорозрядні пристрої.
2.               1950 – 1960 рр.: застосування дискретних напівпровідниковихприладів. 1947р. – транзисторний ефект у напівпровідникових кристалах.
3.               1960 – 1980 рр.: застосування інтегральних схем і мікрозборок. В60х роках – 2 принципи виготовлення технічних пристроїв:
·                   Груповий метод;
·                   Планарна технологія.
Рівеньінтеграції k=lg N визначається кількістю елементів, що розміщені на одномукристалі.
4.               1980 – 2005 рр.: розробка і застосування великих і надвеликихінтегральних схем (ВІС, НВІС, ННВІС). Ці великі схеми, що утримують більше 1000елементів на 1 кристал відносять до 4 і 5 рівня інтеграції.
5.               сучасний етап розвитку характеризується застосуваннямфункціональних електронних пристроїв. Функціональними називають пристрої, вяких для перетворення електронних сигналів використовують не електронніпристрої, а певні фізичні явища, що забезпечують обробку фізичних чиінформаційних сигналів. Розрізняють магнітоелектричні, оптоелектричні,акустоелектричні, кріоелектричні, біоелектричні та інші функціональні схеми.
Сучаснийрозвиток електроніки зумовлений досягненням в технології, таким якмолекулярно-променева технологія та дослідження наноструктурованих об’єктів в тому числі спіновихефектів, тому сучасні прилади називаються наноелектричними.
Ціметоди дозволяють створювати електронні елементи інтегральних схем за 0.13 –0.11 мікронною технологією.
Електронніпристрої для цифрової електроніки повинні працювати з дискретними сигналами,які можна одержати кількома методами квантування: по часу, рівню, по часу ірівню. За функціональними ознаками їх поділяють на імпульсні, релейні тацифрові.
Дляхарактеристики імпульсних сигналів використовують наступні параметри: амплітудаімпульсу Um, тривалість імпульсу ti, тривалість паузи tп, тривалістьфронту імпульсу tф, тривалість спаду tсп, період імпульсу T= ti + tп, коефіцієнтзаповнення імпульсу /> ,шпаруватість імпульсу />.
Сигнали,в яких q= 2,називають меандром.

/>
Зареальні значення ti вибирають відстань від значення 0.1Um до меншого значення завеличину 0.1Um.
Фронтімпульсу – час, за який досягається значення від 0.1Um до 0.9Um, спад імпульсу –час від 0.9Um до 0.1Um.
Крімімпульсного виділяють також функції релейного типу та цифрового. Крім тогопроцес перетворення аналогового сигналу в дискретний називають ще модуляцією іможна його описати з допомогою сигналів амплітудно-, широтно- тафазо-імпульсної модуляції.
Приамплітудно-імпульсній модуляції дискретизацію сигналу проводять по часу.Реальній величині ставлять у відповідність певне значення амплітуди сигналу,яке він приймає в моменти квантування.
Приширотно-імпульсному сигналі амплітуда залишається сталою, а змінюється тількитривалість відповідного квантуючого імпульсу.
ФІМ –модуляція релейного типу. Частота появи сигналів змінюється і залежить відамплітуди.
Ціметоди перетворення аналогових сигналів у дискретні використовуються дляцифрової обробки та аналізу інформаційних повідомлень і забезпечуються здопомогою пристроїв, що називаються аналого-цифровими перетворювачами.
Перевагоюаналогового представлення сигналу є вища швидкодія і вища точність відтворенняінформації. Разом з тим цифрові пристрої, володіючи меншою швидкодією,дозволяють підвищити точність обробки сигналів за рахунок тактової частоти тазбільшення об'ємів запам'ятовуючих пристроїв, що дозволяють організовуватипаралельну обробку інформації.
Обидвісистеми базуються на однаковій елементній базі, тобто напівпровідниковихприладах та інтегральних схемах. Відрізняються режимами ввімкнення і роботи цихпристроїв.
1. Елементна база аналогової та цифрової електроніки1.1 Фізичні основибудови напівпровідникових приладів
Напівпровідниковіприлади виготовляються на основі напівпровідників різного типу провідності.Основою всіх приладів є контакти матеріалів n- та p-типу провідностіабо контакти метал-напівпровідник, що володіють односторонніми провідностями.
Принципформування активних структур можна пояснити з допомогою зонних діаграм. Яквідомо зонна структура утворюється внаслідок розщеплення валентних рівнів тарівнів провідності при конденсації атомів і утворенні конденсованих середовищабо твердих тіл.
Нашкалі енергій за рівень валентної зони приймають найвище значення енергії, якоюволодіє електрон, що взаємодіє зі своїм ядром атома і приймає участь вутворенні зв'язку.
/>
Зонапровідності знизу обмежена рівнем енергії, мінімальне значення якої необхідненосію заряду, щоб подолати сили потенціальної взаємодії з ядром атома. Процеснабування носієм заряду енергії, достатньої для переходу з валентного на рівеньпровідності, називається генерацією електронно-діркової пари. При цьому умовновважають, що на найвищих валентних рівнях утворюється вакансія в хімічномузв'язку, що може забезпечити протікання струму додатно заряджених носіїв, а нарівні провідності – вільних електронів.
Середнєзначення енергії, що відповідає цьому процесу генерації, називається рівнемФермі, який розміщується посередині забороненої зони Eg у власномунапівпровіднику. Наявність в основному матеріалі (Si, Ge) домішокназивають процесом легування, а напівпровідник – домішковим. Внесення атомів з V груписупроводжується збільшенням носіїв у зоні провідності і зсувом рівня Фермі вищесередини забороненої зони. Такі напівпровідники називають матеріалами n-типу. Принаявності акцепторів одержуємо матеріали р-типу і зсув рівня Фермі до валентноїзони. Сильно леговані матеріали, в яких рівень Фермі зміщений, називаютьсявиродженими.1.2 Напівпровідникові діоди
Основоюнапівпровідникових діодів є р-n переходи та контакти метал-напівпровідник. Всвітлочутливих приладах – гетеропереходи, складаються з матеріалів одного типупровідності, але різного рівня легування.
/>
Електроннимр-n переходомназивають границю розділу двох напівпровідників різного типу провідностізбіднену основними носіями заряду.
Приформуванні електронного переходу внаслідок наявності незаповнених хімічнихзв'язків в матеріалах р-типу і надлишку носіїв, незв'язаних у хімічних зв'язкахв n-типі, електрониз n-областідифундують в р-область, заповнюючи ковалентні зв'язки. В приконтактних областяхутворюються нескомпенсовані об'ємні заряди, має місце внутрішнє електричнеполе. Це поле протидіятиме протіканню носіїв через границю розділу в наступниймомент часу, і воно формує контактну різницю потенціалів.
/> 
Назонній діаграмі спостерігається перепад потенціалу n та р областей.Прикладання зовнішньої напруги приводить до порушення рівноважного стану ізменшення контактної різниці потенціалів, якщо зовнішнє поле протидієвнутрішньому (до р++, до n--), і збільшення контактної різниці потенціалів,якщо зовнішнє поле спів напрямлене з внутрішнім.
Струмчерез р-n перехідописується співвідношенням:
/>,
де IS – струм теплової генераціїносіїв. Це незначний фоновий струм високоенергетичних носіїв, який має місцепри додатній та при від'ємній напрузі прикладеній до переходу.
Йогоназивають струмом насичення зворотної вітки ВАХ. Це видно з ВАХ, коли U
При U>0, e>>1, струм зростає залогарифмічним законом.
/>
Призначних зворотних напругах можливе тонелювання носіїв із зони провідності увалентну зону р-кристалу. Це явище називають пробоєм. Воно супроводжуєтьсязначним зростанням зворотного струму.
Якщозворотні струми є достатньо великими і призводять до виділення енергії, щосупроводжується зміною кристалічної структури ОПЗ, то пробій називаєтьсятепловим і є незворотнім.
У випадку значноїконцентрації легованих домішок та наявності дефектів можливий пробій, щосупроводжується лавинним помноженням носіїв в ОПЗ. Він є зворотнім івикористовується в роботі стабілітронів – пристроїв для стабілізації напруги.
Принаявності дефектів можливий польовий або зінеровський пробій, ВАХ якого маєвигляд ламаної лінії.
Тунельнідіоди – пристрої, створені на основі вироджених або тунельних напівпровідників.
ВАХтунельного діоду має N- подібний вигляд при накладанні тунельноїскладової і надбар'єрної складової. Це явище називають тунельним ефектом, вономає місце при прямих напругах. Аналогічний ефект тунелювання при зворотнихнапругах називається тунельним пробоєм.
Розділенийзаряд в ОПЗ переходу можна розглядати як конденсаторну систему. При прикладаннізовнішньої зворотної напруги до р-n переходу змінюється глибина прониканняполя ОПЗ, тобто товщина ОПЗ. Це приводить до зміни бар'єрної ємності Сб. такіприлади, де використовується зміна Сб, називаються варікапами. Вонивикористовуються в колах резонансного типу для коректування резонансноїчастоти.1.3 Біполярний транзистор
Біполярнимитранзисторами називаються електронні прилади, що складаються з двохвзаємодіючих р-n переходів.
/>
Конструктивноїх виготовляють в дискретному вигляді на основі кристалу n або р типупровідності, до якого з однієї сторони вплавляють емітерну область з підвищенимрівнем легування, а з іншої – колекторну, більшу за площею за кристал і зменшим рівнем легування. В планарному варіанті всі області виготовляють шляхомдифузійного легування з послідовною перекомпенсацією типу провідності.

/>
Обов'язковоюумовою працездатності транзистора є мала ширина базової області порівняно здовжиною вільного пробігу носіїв заряду, який інжектується з емітера в базу.
Умовнепозначення транзистора на схемі відображає його структуру:Принцип діїбіполярного транзистора
/>
Основоюроботи біполярного транзистора є взаємодія областей просторового заряду емітерата колектора при протіканні струму. Емітер ний перехід вмикається в прямомунапрямку, колекторний – у зворотному. При накладанні прямої напруги міжемітером і базою зростає кількість основних носіїв, що інжектуються в базовуобласть і рекомбінують там з основними носіями бази. Вони створюють струмбазового електроду і бази.
Оскількиконцентрація носіїв в області емітера більша, то струм бази виходить нанасичення. Надлишок інжектованих носіїв, маючи довжину вільного пробігу більшуза ширину бази, попадають в ОПЗ зворотно зміщеного колектора і екстрагуються вколекторну область. Тут вони взаємодіють з просторовим зарядом колекторногопереходу, що приводить до зменшення потенціального бар'єру між колектором табазою, а відповідно до зростання колекторного струму.
Зменшеннянапруги емітер-база приводить до зворотних процесів.
Длятранзистора справджується співвідношення:
Іе =Іб + Ік, ІбIк.
Схемиввімкнення біполярних транзисторів
/>
Оскількитранзистор, маючи три виводи, може бути ввімкнений як чотириполюсник, то один зелектродів має бути спільним для вхідного і вихідного кола.
Розрізняютьсхеми ввімкнення із загальним емітером, загальною базою і загальним колектором.
Схемаіз загальним емітером забезпечує підсилення сигналів за струмом, напругою іпотужністю. Така схема має вхідний опір біля 100 Ом, а вихідний – близько 1кОм.
Схемаіз загальною базою підсилює за напругою і потужністю і не підсилює за струмом.
Вхіднийопір – ~ 10 Ом.
Вихіднийопір – ~ 10 кОм.
Схемаіз загальним колектором ще називається емітерним повторювачем. Така схема єаналогічною до схеми із загальним емітером, але навантаження вмикається не в колекторне,а в емітерне поле. Схема підсилює за струмом і потужністю.
Вхіднийопір – ~ 10 кОм.
Вихіднийопір – ~ 1 Ом.
Дляфункціонування транзисторів і розрахунків режимів їх роботи використовуютьсімейства статичних вхідних і вихідних характеристик.
Оскількиу вхідному колі вмикається як правило емітер ний перехід, то до характеристикивідповідної ВАХ прямо зміщеного р-n переходу. Ці характеристики вимірюють прирізних значеннях напруги, прикладеної до вихідного кола.
ЗЕ Іб= f(Uбе)|Uке=const; ЗБ Іе = f(Uеб)|Uкб=const .
/>
Вихідніхарактеристики – це залежності вихідного струму від вихідної напруги, припостійному значенні вхідного струму.
Длятрактування режимів роботи біполярного транзистора використовуютьсяеквівалентні схеми. Основною є схема чотириполюсника, яка описується h-параметрами.
/>/>
Н-параметри– це коефіцієнти, які вказують на зв'язок між реальними параметрами транзистората його теоретичними еквівалентами.
h11=Uвх/Iвх – вхідний опір транзистора;
h12 = Uвх/Uвих – коефіцієнтзворотної передачі напруги;
h21 = Iвих/Iвх – коефіцієнтпідсилення за струмом;
h22 = Iвих/Uвих – вихіднапровідність.
Чотириполюсники– це пристрої, які мають два входи і два виходи.
/>
Співвідношенняміж I та U на вході чотириполюсника можна задати за допомогою системирівнянь. Якщо основними параметрами в системі рівнянь виступають провідності,то сама система називається системою з у-параметрами, якщо опори – то системаіз z-параметрами,коли параметри комбіновані, то використовують систему рівнянь з h-параметрами.
Системарівнянь для визначення h-параметрів:
/>
/> — вхідний опір транзисторавиміряний у режимі короткого замикання у вихідному колі.
/>
/> — режим короткого замикання.
/> — режим холостого ходу.
/> — режим холостого ходу.
/>
Еквівалентнасхема транзистора як чотириполюсника, що описується системою h-параметрів.
Малосигнальнаеквівалентна схема для транзистора, яка описує його підсилювальні властивості врежимі підсилення малих змінних сигналів.
Вонаобов'язково включає джерело струму у вихідному колі і паразитну бар'єрнуємність колекторного переходу.
/>
/> - коефіцієнт підсиленнятранзистора у схемі із загальною базою. a ≈ 0.99.
/> - коефіцієнт підсиленнятранзистора у схемі із загальним емітером.
/> — коефіцієнт підсиленнятранзистора у схемі із загальним колектором.Класифікація таумовні позначення транзисторів
ЗгідноДСТУ позначення транзисторів складаються з чотирьох букв буквоцифрового коду.
Ігрупа – це дві букви. Перша вказує на матеріал напівпровідника, К – кремній, Г– германій. Друга буква вказує тип транзистора, Т – біполярний, П – польовий.
Третяпозначка – цифра, яка вказує на частотні властивості та потужність. 1,2,3 –малопотужні:
1 –низькочастотні з граничною частотою до 3 МГц.
2 –середньої частоти, 3-30 МГц.
3 –високочастотні, >30 МГц.
4,5,6– середньої потужності, 0.3-0.5 Вт.
7,8,9– потужні транзистори, >1.5 Вт.
Наступнідві цифри вказують на порядковий номер розробки. Остання буква вказує на групуприладів.Режими роботибіполярних транзисторів
Розрізняють4 режими роботи біполярного транзистора:
1.               активний режим, емітерний перехід ввімкнено у прямому напрямку,колекторний – у зворотному. Використовується в аналоговій електроніці.
2.               режим відсічки відповідає стану закритого транзистора, коли увихідному колі не може протікати струм. Отримується, коли і емітерний, іколекторний переходи ввімкнені у зворотному напрямку.
3.               режим насичення, коли транзистор відкритий, обидва переходи упрямому напрямку.
4.               інверсний режим, коли емітер ний перехід вмикається у зворотному напрямку,колекторний – у прямому. Застосовується в електроніці інтегрально-інжекційноїлогіки.
/>
/>MN – лінія статичногонавантаження.
Перехідіз режиму відсічки в режим насичення називається ключовим режимом.1.4 Польовітранзистори
Польовітранзистори – це напівпровідникові прилади, підсилювальні властивості якихвизначаються впливом потенціалу, прикладеного до керуючого електроду, а самезатвору, на протікання струму, зумовлене основними носіями заряду в каналіпровідності між витоком і стоком.
Забудовою розрізняють польові транзистори з керуючим переходом (р-n переходом абопереходом метал-напівпровідник з бар'єром Шоткі) та транзистори з ізольованимзатвором. Останні бувають з вбудованим та індукованим каналом провідності.Принцип дії польовоготранзистора
/>
Навідміну від біполярних транзисторів регулювання струму у вихідному колі тутзабезпечується не величиною струму вхідного кола, а потенціалом, прикладеним докеруючого електроду – затвору. Конструктивно польовий транзистор з керуючимпереходом можна зобразити у вигляді кристалу, з протилежних кінців якогозабезпечено створення омічних (невипрямлених) контактів до витокової і стоковоїобластей, а в середній області кристалу вмонтовано керуючий р-n перехід або випрямленийконтакт метал-напівпровідник.
Величинаструму у вихідному колі, тобто струму стокового затвору визначається напругою Uсв танавантаженням і власним опором каналу провідності ввімкнених послідовно увихідне коло.
Прикладаннязапірної напруги Uзв призводить до розширення області просторового заряду (ОПЗ)цього переходу (пунктир), а відповідно і до звуження каналу провідності.Зменшення поперечного перерізу каналу провідності призводить до збільшення йогоопору, а відповідно до зменшення стокового струму.

/>
Кажуть,що такий транзистор може працювати тільки в режимі збіднення каналу провідностіосновними носіями заряду.
Дляопису властивостей польових транзисторів використовують сімейства вихідних таперехідних характеристик і не використовують вхідні характеристики, щозумовлено великим вхідним опором транзистора. Вихідні характеристики – цезалежності виду:
/>/>Будова і принцип діїтранзисторів з керуючим переходом
Оскількитранзистор з керуючим переходом є нормально відкритим, тобто при нульовомупотенціалі струм стоку максимальний, то перехід в режимі збіднення призакриванні каналу провідності відображає зменшення стокового струму на вихідниххарактеристиках.
/>Передаточні характеристики (стокозатворні):
/>
Тодіця характеристика буде мати місце при від'ємних значеннях U.
При Uзв відсічки каналзв'язку перекривається.
Дляопису цих характеристик застосовуються наступні параметри:
1.               коефіцієнт підсилення сигналу за напругою: />
2.               кривизна передаточної характеристики – це відношення приросту Ісдо DUзв: />/>
3.               вхідний диференційний опір каналу провідності: />Будова і принцип діїтранзисторів з ізольованим затвором
З   />/>
Втранзисторах з індукованим каналом з самого початку канал провідності нестворюється, а створюються лише омічні контакти до витокової і стоковоїобластей.
Прикладдодавання потенціалу до затвору приводить до накопичення основних носіїв зарядув приповерхневій області напівпровідника під діелектриком, а відповідно доіндукування (наведення) каналу провідності між витоком і стоком.
Відповіднотакий транзистор може працювати тільки в режимі збагачення каналу провідностіосновними носіями. На стокових (вхідних) характеристиках це відображаєтьсязростанням струму у вихідному колі.
Стокозатворніхарактеристики розміщуються в І квадранті і напруга відсічки Uзв.відс.>0.
Такийтранзистор називається нормально закритим.
Утранзистор з вбудованим каналом канал провідності створюється технологічно,тому він може працювати як у режимі збагачення, так і в режимі збіднення.
Вихідніта перехідні характеристики мають наступний вигляд:
/>
Транзисториз ізольованим затвором характеризуються значно більшим опором, який можедосягати 1010 – 1012 Ом.
/>
Розрізняютьтри схеми ввімкнення польових транзисторів в електричне коло, якчотириполюсника.
Схемаіз загальним затвором відповідає схемі із загальною базою.
Схемаіз загальним витоком аналогічна схемі із загальним емітером.
Схемаіз загальним стоком (витоковий повторювач) є аналогічною до схеми із загальнимколектором.
/>
Дляопису польових транзисторів в схемах використовують їх еквівалентні схеми.
Польовітранзистори теоретично повинні були б володіти вищими граничними частотами,оскільки в них відсутні процеси інжекції та екстракції носіїв заряду, що маютьмісце в базі біполярних транзисторів, а струм каналу провідності зумовленийтільки одним типом носіїв. Однак на практиці цього не спостерігається, оскількизначний вплив мають паразитні ємності між затвором та стоковим і витоковимелектродами і каналом провідності. Тому реально граничні частоти досягаютьдесятків МГц, тоді як в біполярних структурах десятки ГГц.
Напрактиці вдалося реалізувати польові транзистори підвищеної потужності.Реалізовуються транзистори потужністю до 100 Вт.
2. Підсилювачі електричних сигналів2.1 Принцип дії електронногопідсилювача
/>
Електроннимпідсилювачем називається пристрій, що забезпечує кероване перетворення енергіїджерела постійного струму в енергію електричних коливань, що змінюється зазаконом зміни керуючого сигналу.
Велектронних підсилювачах здійснюється модуляція напруги постійного джерела здопомогою керуючого сигналу.
Елементарнийкаскад підсилення можна зобразити у вигляді подільника напруги, що складаєтьсяз лінійного навантаження і нелінійного керуючого елементу, в якості якого можназастосувати біполярний чи польовий транзистор.
Принципдії підсилювача можна пояснити, використовуючи уявлення про перерозподілнапруги джерела живлення Eж між лінійним та нелінійним елементом.
Нехайопір транзистора на початку буде приблизно еквівалентний опору навантаження.Збільшення вхідного сигналу Uвх приводить до зменшення вихідного опору міжемітером і колектором і в результаті потенціал колектора буде наближатись донуля. Якщо Uвх зменшується, то вхідний опір транзистора безмежно зростає іпотенціал колектора буде наближатись до потенціалу джерела живлення.
Такимчином коливання потенціалу колектора буде рівне половині напруги живлення,оскільки закон зміни потенціалу визначається законом зміни вхідного сигналу, томожна говорити про підсилення вхідних коливань, одержане на виходіпідсилювального каскаду.2.2 Класифікація та основніхарактеристики і параметри підсилювальних каскадів
Підсилювальнікаскади класифікують:
1.               за видом підсилювального сигналу: підсилювачі гармонічнихсигналів; підсилювачі імпульсних сигналів.
В Івипадку аналізуються періодичні сигнали, що змінюються за законами sin або cos.
В ІІвипадку сигнали, як періодичні, так і неперіодичні, можуть мати виглядпрямокутних, трикутних, трапецієвидних чи іншого виду імпульсів.
2.               за типом (параметром) підсилювального сигналу: підсилювачі струму,напруги, потужності.
3.               за видом сигналу в залежності від робочого діапазону частотрозрізняють підсилювачі постійного та підсилювачі змінного струмів.
Підсилювачіпостійного струму призначені для обробки сигналів, амплітуда яких повільнозмінюється з часом, так що частота таких сигналів (час релаксації) є значноменшим за час релаксації підсилювальної схеми.
Підсилювачізмінного струму поділяють на:
·                   підсилювачі низької частоти
·                   підсилювачі високої частоти
·                   широкосмугові підсилювачі
·                   резонансні підсилювачі (вузькосмугові)
Якщопідсилювач складається з кількох каскадів, то їх класифікують за видомміжкаскадного зв'язку:
·                   підсилювачі з гальванічним зв'язком
·                   підсилювачі з резестивно-ємнісним міжкаскадним зв’язком
·                   підсилювачі з індуктивним зв'язком
Основніхарактеристики підсилювачів:
1.               амплітудна характеристика описує залежність вихідної напруги відвхідної.
/>
Цепрактично лінійна залежність Uвих = f(Uвх), яка при малих напругах обмежена рівнем тепловихшумів каскаду Uш, а при великих напругах обмежена значенням напруги живленнякаскаду.
Uш – це тепловіфлуктуації струму в елементах каскаду підсилювача, які приводять до наведенихЕРС у вхідному колі, що передається у вихідне коло підсилювача (флуктуації — коливання).
/>
2.               амплітудно-частотна характеристика – це залежність коефіцієнтапідсилення каскаду від частоти сигналу.
Відеальному випадку – це пряма, паралельна до осі частот.

/>
Якщонапруга вхідного сигналу є постійною, то АЧХ може бути зображена як залежністьвихідної напруги від частоти.
Оскількичастотний діапазон може змінюватись на кілька порядків від Гц до КГц та МГц. Тозручно користуватися напівлогарифмічною шкалою, тобто К = f(lg w).
Коефіцієнтипідсилення для багатокаскадних підсилювачів визначаються як добуткикоефіцієнтів підсилення окремих каскадів:
К =К1* К2*…* Кn.
Якщокоефіцієнти для окремих каскадів є досить великими, то зручно користуватисялогарифмічними значеннями коефіцієнтів підсилення, вираженими в децибелах.
К(дб)= 10∙lg Ki,/>,/>,/>.
Оскількикоефіцієнт підсилення може характеризувати напругу, струм або потужність, товираження коефіцієнта підсилення в децибелах для потужності визначаєтьсянаступним чином:
Кр(дб)= 20∙lg Kp.
Томудля багато каскадних підсилювачів АЧХ розглядають часом, як залежністькоефіцієнта підсилення, вираженого в децибелах від lg w: К(дб) = f(lg w).
Вреальних підсилювачах паразитні резестивно-ємнісні зв’язки приводять до завалуАЧХ в області низьких частот, а індуктивеі елементи – в області високих частот.Оскільки такий завал може бути досить істотним, то іноді використовуютьнормовану АЧХ: це залежність Кw від Кcч, як функція відлогарифму частоти: N(w) = Kw/Kсч = f(lg w).
Смугоюпропускання підсилювача називається діапазон частот, в якому значеннякоефіцієнта підсилення зменшується від номінального не більше, ніж в /> разів.
Dw = wв — wн.
Динамічнимдіапазоном підсилювача називають лінійну ділянку амплітудної характеристики.
/>D = Uвх max — Uвх min.
3.               фазо-частотна характеристика – це залежність фазового зсувусигналу на виході, порівняно із входом, від частоти сигналу. Dφ = f(w).
Дофазового зсуву приводить наявність частотозалежних елементів (ємностей таіндуктивностей) в каскаді підсилювача.
Вобласті низьких частот фазовий зсув додатній, в області високих частот –від’ємний.
2.3 Зворотні зв’язки у підсилювачах
/>
Зворотнімзв’язком в електронному каскаді називається таке електричне з’єднання, приякому певна частина вихідного сигналу подається у вхідне коло.
Розрізняютьдодатній і від’ємний зворотній зв’язок.
Придодатному зв’язку вихідний сигнал, що подається на вхід, співпадає за фазою звхідним сигналом. Це приводить до додаткового підсилення і самозбудження схеми.При від’ємному зв’язку фази сигналів є протилежні, що дещо зменшує величинукоефіцієнта підсилення, але стабілізує характеристики підсилювального каскаду.За типом схематичної реалізації зворотного зв’язку розрізняють паралельний іпослідовний зворотній зв'язок, відповідно до того паралельно чи послідовно звхідним сигналом вмикається сигнал зворотного зв’язку.
Окрімтого виділяють зворотний зв'язок за струмом чи напругою відповідно послідовночи паралельно до вхідного сигналу змінюється сигнал зв’язку.
Uвих = К∙Uвх і
Принаявності зворотного зв’язку:
Uвх = Uс + Uзз, де Uс – напруга сигналу.
Uзз = β∙Uвих, де β –коефіцієнт зворотного зв’язку. Тоді
Uвх = Uс + β∙Uвих
Uвих = К(Uс + β∙Uвих) /:Uс
/>
Величина/> - коефіцієнт підсилення беззворотного зв’язку.
К0 =К(1+β∙ К0)
Принаявності зворотного зв’язку:
/>
Якщозв'язок є додатний, то загальний коефіцієнт підсилення різко зростає. Привід’ємному зв’язку К зменшується, β – додатне, тоді як в попередньому випадкуβ – від’ємне.
2.4 Вихідний опір схемипідсилення
/>
Прирозрахунку вихідного опору підсилювача його моделюють як ідеальне джерело ЕРС,що навантажується на вихідний опір Rн. при наявності опору навантаженнязагальний струм в колі буде визначатися, як опором навантаження, так і вихіднимопором каскаду:
/>
Привідсутності опору навантаження вихідна напруга буде рівна напрузі холостогоходу – це напруга джерела ЕРС.
/>,/>2.5. Підсилювальний каскад за схемою із загальним емітером. Основи графоаналітичного методу підсилення каскаду.Методи термостабілізації із загальним емітером
Підсилювальнікаскади із загальним емітером широко використовуються в електроніці, оскількизабезпечують підсилення сигналу за всіма параметрами і мають середнє значеннявхідного та вихідного опору. Навантаження Rн може бути ввімкнене міжколектором та одним із полюсів живлення. Якщо Rн ввімкнути замість Rк (колекторнийопір), то спад напруги на навантаженні за фазою співпадатиме із вхіднимсигналом.
Такеввімкнення називають неінвертуючим.
/>
Якщо Rн ввімкнутипаралельно до переходу колектор-емітер, то фазність напруги на ньому будепротилежною до вхідного сигналу. Це ввімкнення – інвертуюче.
Вхіднанапруга складається з напруги сигналу та напруги постійного зміщення:
Uвх = Uс + Uзм
Uс – зміннавеличина.
Uзм – це постійнанапруга, яка визначає режими роботи каскаду за постійним струмом.
Вихіднанапруга, тобто напруга на навантаженні визначається струмом колектора та опоромколекторного навантаження для неінвертуючого ввімкнення:
Uвих = ік ∙Rк

Дляінвертуючого ввімкнення:
/>
Можнапоказати, що для змінної складової вхідної напруги, як в інвертуючому, так і внеінвертуючому випадках: Uвих = ік ∙Rн. Полюс Uж, якийвмикається до колектора має бути протилежним знаку до його типу провідності.Величина колекторного струму: ік = іб ∙ h21e.
Яквидно із співвідношення величина вихідного струму визначається вхідним струмом,а відповідно і величиною вхідної напруги, що прикладена до схеми. Величинавхідного струму іб обмежена вхідним опором транзистора />, але вхідний опір транзистора Rвх є нелінійноювеличиною, яка залежить від вхідної напруги: Rвх = f(Uвх).
/>
Реальноне лінійність вхідного опору приводить до нелінійної залежності і вихідногоструму, що називають нелінійним спотворенням сигналу. Коефіцієнт нелінійнимспотворень визначається вкладом додаткових гармонік, які з’являються увихідному сигналі до основного сигналу.
/>
А1,А2, …, Аn – амплітуди гармонічних складових у вихідному сигналі.
Дляопису різних схем, що забезпечують різні можливості підсилювального сигналу,використовують різні класи підсилювачів: А, В, АВ, С, D.
Підсилювачкласу А забезпечує найменші нелінійні спотворення сигналу, але характеризуєтьсяпорівняно низьким значенням ККД, оскільки в стані спокою, коли відсутнійвхідний сигнал, транзистор знаходиться у привідкритому стані і через ньогопротікають значні струми втрат.
Графо-аналітичнийметод дозволяє провести розрахунок режимів роботи транзистора в різних класахпідсилення. При цьому використовується сімейство вхідних і вихідниххарактеристик і взаємозв’язок між ними.
/>
Дляпідсилювача класу А точка спокою розміщується на середині лінії статичногонавантаження NM. Точка спокою це точка П і А.
/>
/>

Амплітуднезначення змінного сигналу за струмом: />.
Вононе може перевищувати за модулем величини спокою колектора. Аналогічномаксимальна величина амплітуди напруги є не більшою за половину напругиживлення.
В тойже час потужність, яка постійно розсіюється на транзисторі, визначає параметриточки спокою.
Кориснапотужність визначається ефективною площею на графіку коливань.
/>
ККДдля класу А складає не більше 49,5%.
Щобпідвищити ККД використовують режим класу В.
/>
Вцьому випадку струм спокою через транзистор є рівним нулю, Uзв також рівненулю. Точка П на вхідних характеристиках зміщується у нульове положення.Оскільки транзистор буде закритим, то спад напруги Uкесп буде наближатись доточки М на вихідних характеристиках. Uкесп/>Uж
Струмколектора буде прямувати до нуля.
В режимікласу В струм спокою рівний 0, напруга спокою рівна Uж. Амплітуда коливаньструму та напруги на навантаженні досягає максимальних значень. ККД складає78%.
Недоліккласу В – це нелінійні спотворення типу сходинки, що виникають за рахунок нелінійності вхідних характеристик.
Длялінеаризації характеристик і зменшення спотворення у вхідному колі можнавключити додатковий опір Rбаластне. Тоді вхідний опір буде рівний:
Rвх = Rвх тр+ Rб
Чимбільше Rб тим буде меншою не лінійність ходу, але разом з тим зменшуєтьсякоефіцієнт передачі, оскільки значна частина опору спадає на Rб.
Длязменшення коефіцієнту гармонік і підвищення ККД використовують режим класу АВ,коли початковий струм і напруга (тобто робоча точка) розміщується на початкулінійної ділянки вхідної характеристики. Струм у вхідному колі протікаєпротягом часу меншого за півперіод сигналу.
/>
Режимкласу С реалізується при подачі у вхідне коло зворотного невеликого зміщення.Його можна зобразити на передаточних характеристиках.
Врежимі класу С також зменшуються нелінійні спотворення сигналу при збереженнідосить високого ККД.
Струму вихідному колі протікає протягом часу меншого за півперіод. Застосовуютьтакий режим для резонансних підсилювачів, коли можна забезпечити додатковенадходження енергії коливань в навантаження у випадках, якщо каскад працює врежимі генерації коливань.
Режимкласу D – це ключовий режим, коли каскад працює в режимі великогосигналу. Весь основний час транзистор знаходиться в режимі відсічки або врежимі насичення. Вихідний сигнал має форму прямокутних імпульсів. ККДмаксимальний, а втрати зумовлені частотними параметрами транзистора, тобтотривалістю процесів перемикання його з відкритого у закритий стан і навпаки.Застосовується у цифровій та імпульсній техніці.2.6 Резистивний каскад підсилення. Методистабілізації температурного режиму підсилювача за постійнимструмом
/>
Режимироботи за постійним струмом можна задати двома способами:
1.                з допомогою фіксованого струму бази;
2.                з допомогою фіксованого потенціалу бази.
Прицьому використовують загальне джерело живлення вихідного каскаду. У І випадкуміж джерелом живлення та базовим електродом вмикання джерела струму. Оскількивимогою для класифікації джерел струму є досить великий опір (вихідний), тонайпростіше його можна реалізувати у вигляді резистора, що ввімкнений до Еж.
ІІвипадок. Для задання фіксованого потенціалу бази можна використовуватирезистивний подільник R1, R2. Тоді початковий фіксований потенціал буде повністювизначатись співвідношенням:
/>.
Оскількинаявність шумових сигналів та наводок на вході може впливати на режимпідсилення каскаду на вході за постійним струмом, то сигнали постійних завад навході і виході підсилювального каскаду розділяють з допомогою роздільнихконденсаторів Ср1 і Ср2.
/>
Прироботі підсилювача в режимі великих сигналів, а також в режимі класу А значнапотужність розсіюється на самому підсилювальному елементі – транзисторі. Цеможе приводити до неконтрольованого зростання зворотного теплового струму черезколекторний перехід.
Збільшенняцього струму приводить до додаткового зростання струму через перехідбаза-емітер. Враховуючи, що емітерний перехід володіє певним вхідним опором Rвх, це приведе допостійного зростання вхідної напруги: /> , що є рівносильним зміні режиму роботи підсилювачаза постійним струмом.
Длястабілізації режиму підсилювача за температурою, найбільш ефективним методом єзастосування схем зворотного від’ємного зв’язку за струмом або напругою:
1.    />длястабілізації з допомогою послідовного від’ємного зв’язку за струмомвикористовують той факт, що вихідний струм протікає не тільки в колекторному, аі в емітерному колі схеми із загальним емітером. Ввімкнення Rе призведе призростанні теплового струму Іко до додаткового спаду напруги Uке.
Відповіднопотенціал емітера відносно загального проводу в точці а зросте. Таким чиномзростання потенціалу бази в точці б відносно загального проводу буде приводитидо зростання потенціалу емітера, а різниця напруг ΔUбе будезалишатися постійною, якщо Re>>Rвх. На лінії навантаження робоча точка Азміщується в положення А’ при постійному зростанні струму. Введення від’ємного зворотногозв’язку з допомогою Re приводить до зміщення з точки А’ в точку А’’.
Разомз тим зменшується коефіцієнта підсилення каскаду за рахунок зростання вхідногоопору схеми для змінної складової сигналу. Для уникнення цього в схемувводиться Се, який забезпечує зменшення вхідного опору для змінної складовоїкеруючого сигналу.
2.    стабілізація з допомогою паралельного від’ємного зворотногозв’язку за напругою здійснюється ввімкненням резистору зв’язку між колектором ібазою транзистора. При цьому враховується, що схема схема із загальним емітеромзабезпечує інвертування сигналу, тому напруга, що подається з виходу на вхід єпротифазною до вхідного сигналу. Для зменшення впливу термостабілізації назмінну складову сигналу на вході потрібно ввімкнути аналогічно до попередньоговипадку елемент, який зменшує вхідний опір схеми, щоб він (С1) не шунтуваввхідний сигнал Rзв, розділений на дві частини Rзв1 та Rзв2.
Іншимметодом стабілізації є використання додаткових джерел струму.2.7 Реалізація джерел струму з допомогою транзисторнихкаскадів
/>
Оскількивихідна характеристика транзистора при фіксованому вхідному струмі практичновиходить на насичення, то це означає, що вихідний струм мало змінюється призначному коливанні вихідної напруги, тобто такий каскад володіє значнимвихідним опором.
/>
Якщозабезпечити режим роботи транзистора, при якому вхідний струм є стабільним, тозміни колекторного навантаження в певних межах не приведуть до значної зміниструму колектора.
/>
Величинувихідного струму можна таким чином стабілізувати, задаючи вхідний струм. Дляцього використовують стабілізацію потенціалу бази за допомогою прямо зміщеногодіода (мал.а) або з допомогою ланки, що складається з стабілітрона VD і резистора Re (мал.б). Вдругому випадку можна одержати регульоване джерело струму за допомогою змінногоRe.
2.8 Особливості каскадів підсилення схем емітерного тавитокового повторювачів
/>
Режимироботи польового транзистора задаються задаються аналогічно як і біполярного,однак, враховуючи те, що вхідний опір польових транзисторів є дуже великим, торезистор в колі витоку Rв може відігравати подвійну функцію, тобтовикористовується і як елемент температурної стабілізації, і як елемент, щоразом з опором зміщення Rзм задає режим роботи підсилювача. Rзм необхідне длязавершення кола гальванічного зв’язку між входом і виходом транзистора.
Емітерний тавитоковий повторювачі – це підсилювальні каскади, що охоплені 100% від’ємнимзворотнім зв’язком. В цьому випадку немає підсилення за напругою, а коефіцієнтпідсилення за струмом:
/>
100%зворотній зв'язок забезпечує теоретично необмежене зростання вхідного опору ізменшення до нуля вихідного опору, тому такі каскади використовують дляузгодження високоомного джерела сигналу з низькоомним навантаженням
/>2.9 Повторювач струму типу струмове дзеркало
Длязабезпечення заданих характеристик транзисторних каскадів за струмом абонапругою використовують комбіноване ввімкнення кількох транзисторів.
/>
Схема«струмове дзеркало» призначена для забезпечення стабільності величини струму увихідному каскаді за рахунок стабільності вхідного струму.
Вонаскладається з двох транзисторів однакового типу провідності ввімкненихпослідовно.
ТранзисторVT1 ввімкнений у діодномурежимі, оскільки колектор його замкнено з базою.
Відкриваючінапруги однакові: Uбе1 = Uбе2.
Якщопараметри транзисторів однакові, то однаковими будуть Іб1 = Іб2, Ік1 = Ік2.
Вихіднийструм в схемі Івих = Ік2, тоді як вхідний струм Івх= Іб1 + Ік1 + Іб2.
ОскількиІб1/>.
Такимчином вихідний струм практично повторює струм вхідного кола.2.10 Складенітранзистори
/>
Длязабезпечення узгодження за вхідним та вихідним опором різних каскадів іможливості керування потужним вихідним каскадом з допомогою малопотужногосигналу використовують складені транзистори за схемами запропонованимиДарвінгтоном.
Такісхеми можна виконувати як на транзисторах одного типу провідності, так і натранзисторах різного типу провідності. При використанні транзисторів одноготипу провідності схема має такі характеристики:
Вхіднимструмом є Іб1, вихідний струм включає: Івих=Ік1+Ік2.
Величинаколекторного струму визначається:
Ік1 =h21eІб1 + Ікбо1
Ік2 =h21eІб2 + Ікбо2
Струмбази другого транзистора: Іб2=Іе1=Іб1+Ік1.
Томув загальному випадку, якщо знехтувати тепловими струмами Ікбо, можна записати:
Івих= Ік2 = h21е2(Іб1 + Ік1) = h21е2(Іб1 + h21е1Іб1)
Івих= Іб1(1+h21e1)h21e2/>Іб1h21e1h21e2
Вихіднийструм визначається вхідним струмом вхідного транзистора і коефіцієнтомпередачі:
/>2.11 Диференційний каскад підсилення
Диференційнийкаскад підсилення – це двокаскадний підсилювач, в якому в спільне емітерне колообох каскадів ввімкнено джерело струму.
Внайпростішому випадку джерело струму реалізується у вигляді джерела напруги,вихідний опір якого задається високоомним резистором Rе.
Такийкаскад має як два входи, так і два виходи. Вхідний сигнал може бути синфазним(якщо подається на два виходи) і парафазним (якщо подається між входами).
Дляживлення каскаду використовують двополярне дзеркало з середнім нульовимпроводом.
ΔUвих = φа –φб

/>
Перевагицього каскаду полягають в тому, що при ввімкненні на вхід синфазних сигналівзміни потенціалів φа та φб будуть однаковими, тоді вхідний сигналΔUвих = φа – φб = 0, тобто каскад є нечутливим досинфазних сигналів завад. При диференційному ввімкненні, коли на входиподаються пара фазні сигнали, зміни сигналів φа та φб є протилежними,тоді ΔUвих = φа – (-φб) = φа + φб, такий сигналпідсилюється при симетричній схемі з подвоєним коефіцієнтом підсилення.2.12 Багатокаскадні підсилювачі
Вбагатокаскадних схемах використовуються окремі каскади різні за функціональнимпризначенням. Найбільш типовою є структурна схема, що включає три каскади:
1.    вхідний каскад, який забезпечує необхідний рівень підсиленнясигналу для виділення його із сигналів шумів;
2.    каскад, який, як правило, є підсилювачем потужності. Він може бутивихідним каскадом. Такі каскади виконують за двотактними схемами, що працюють врежимі В або АВ, або у вигляді потужних емітерних чи витокових повторювачів,якщо підсилювач повинен працювати на низькоомне навантаження.
3.    узгоджуючий каскад. В якості узгоджуючого може використовуватисьяк каскад із загальним емітером, так і каскад із загальним колектором.
/>
Вбагатокаскадних підсилювачах застосовують кола місцевого або загальногозворотного зв’язку, який дозволяє забезпечити необхідний виглядамплітудно-частотної характеристики. Міжкаскадний зв'язок може бути виконанийяк у вигляді гальванічно розв’язаних, так і гальванічно зв’язаних кіл.Гальванічна розв’язка кіл забезпечена ємнісними елементами.
Унаведеній схемі у вхідному каскаді підсилення резистор зворотного від’ємногозв’язку Re розділено на дві частини і тільки одна частина охоплена зворотнімзв’язком по змінній складовій Се1 (Re'). Таке рішення дозволяє збільшитивхідний опір каскаду і узгодити його з джерелом вхідного сигналу. Узгодженийкаскад на транзисторі VT2 виконує за традиційною схемою з емітерноюстабілізацією режиму транзистора за постійним струмом.
Вихіднийкаскад виконано у вигляді потужного емітерного повторювача на VT3. ланка загальногозворотного зв’язку RзвСзв дозволяє ліквідувати завал АЧХ на високих частотах.
Дляпідсилення малозмінних сигналів, в якості яких можуть бути сигнали відвипромінювальних перетворювачів, давачів тиску, зміщення використовуються такзвані підсилювачі постійного струму. Вони аналогічні попередньому каскаду.Міжкаскадний зв'язок є гальванічний, так само як і кола зворотного зв’язку неповинні містити частотозалежних елементів.
Недолікитакої схеми полягають в присутності постійної складової на вході схеми, якаможе впливати на вхідний сигнал. Якщо вихідний опір джерела сигналу будегальванічно ввімкнений на вхід підсилювача і параметри його змінюються з часом,то це може привести до зміни режиму вхідного каскаду за постійним струмом. Дляуникнення цього на вході вмикається додатковий резистивний подільник Rg1, Rg2, через який подаєтьсявхідний сигнал.

/>
/>
Проблемоюв підсилювачах постійного струму є задання режиму роботи кожного наступногокаскаду, оскільки в цьому випадку вхідний сигнал несе інформацію як про змінну,так і про постійну складову, а це означає, що в кожному наступному каскадіробоча точка повинна зміщуватись по лінії статистичного навантаження, а цепризводить до зменшення амплітуди вихідного сигналу, а відповідно і загальногокоефіцієнта підсилення багато каскадного підсилювача.
Іншимметодом забезпечення заданого режиму ППС є використання додаткового зміщення,полярність якого протилежна до напруги живлення каскаду.
Резистивнідільники за постійним струмом вмикаються через додаткове джерело -Uзм.2.13 Вихідні каскади підсилювачів потужності
Вякості вихідних каскадів, як правило, використовують двотактні схеми, щопрацюють в режимі В або АВ завдяки їх високому ККД.
Виділяютьбезтрансформаторні і трансформаторні схеми підсилювачів.
Першіхарактеризуються малими масогабаритними показниками і реалізуються вінтегральних схемах.
Другіяк правило застосовують вхідний і вихідний диференційний трансформатор звиводом від середньої точки відповідно вторинної і перевинної обмотки.
/>/>
/>
Втаких схемах одне плече забезпечує підсилення одного півперіоду синусоїдальногосигналу. ЕРС, що наводиться у первинній обмотці вхідного трансформаторазабезпечує аналогічну полярність ЕРС у вторинній обмотці. За рахунок їїдиференційності, напруга прикладається до баз транзисторів.
Водин півперіод полярність ЕРС перевинної обмотки VT2 буде відкриваючою для VT1 і закриваючоюдля VT2.
Струмпротікатиме через відкритий VT1 і половину первинної обмотки ТР2. в другийпівперіод полярність ЕРС на вторинній обмотці ТР1 буде протилежною і відкритимстане транзистор VT2. струм у первинній обмотці ТР2 буде протікати по іншійчастині обмотки і в протилежному напрямку, а полярність ЕРС на навантаженні Rн змінити свійнапрямок.
Безтрансформаторні вихідні каскади виконують на транзисторах однакового аборізного типу провідності.
Вхіднийсигнал будь якої полярності автоматично є відкриваючим для одного транзистора ізакриваючим для іншого. Завдяки використанню двополярного джерела живленняструм у навантаженні матиме протилежний напрямок в різні півперіоди вхідногосигналу.
Якщовикористати транзистори однакового типу провідності, то для забезпеченнястабільності роботи транзистора навантаження вмикають через роздільнийконденсатор, акумулюють транзистор з допомогою додаткового фазоінвертуючогокаскаду.
/>

Наданій схемі відкриваючі потенціали для різних транзисторів VT2, VT3 знімаються зколектора та емітера транзистора VT1. оскільки ці потенціали є протифазними одинвідносно іншого, то вони забезпечують комутацію транзисторів однакового типупровідності.
Прикомутації транзисторів однакового типу провідності в один півперіод, коли VT2 відкрите, струм черезнавантаження протікає завдяки струму зарядки конденсатора Ср. В другомупівперіоді VT2 закритий, VT1 – відкритий. Заряджений конденсаторрозряджається і забезпечує протилежну полярність вихідного струму і напруги.
Вреальних схемах використовують спеціальні зміщення початкового потенціалу базвихідних транзисторів з допомогою прямозміщених р-n переходів та так званіпристрої вольтодобавки, що забезпечують підвищення значеня напруги живленнявихідних каскадів.
ДіодиVD1, VD2 забезпечуютьдодаткове початкове зміщення потенціалів баз транзисторів для реалізації режимуроботи підсилювача класу АВ, окрім того забезпечує додаткову термостабілізаціюкаскаду.
РезисторRk' та конденсатор Сд виконуєроль вольтодобавки, за рахунок перезарядки конденсатора в різні півперіодивихідного сигналу. Зворотній зв'язок через R1, а також емітернірезистори Rе1 та Rе2 забезпечують зменшення вихідного опору каскаду.
3. Операційні підсилювачі
 3.1 Структурна схема та основні параметри операційних підсилювачів
/>
Операційніпідсилювачі – це пристрої, виконані на основі схем підсилювачів постійногоструму, які призначені для функціональної обробки сигналів.
Ідеальнийпідсилювач володіє коефіцієнтом підсилення, що прямує до безмежності, безмежнимвхідним та практично нульовим вихідним опором і безмежною смугою пропускання.Такі підсилювачі реалізують на основі кількох диференційних послідовноввімкнених каскадів підсилення. Вони можуть вмикатись як в однополярному, так ів диференційному зміщенні. Завдяки безмежному коефіцієнту підсилення параметриОП повністю визначаються колами зворотного зв’язку. Такий підсилювач маєвхідний інвертуючий та неінвертуючий сигнали, вихідний електрод та клеми дляввімкнення біполярного живлення.
Основніпараметри підсилювача:
1.               Вхідна напруга
2.               Вхідний струм
Ціпараметри вказують на номінальні значення вхідних сигналів, що забезпечуютьзаданий, як правило, одиничний рівень підсилення.
3.               />
4.               Коефіцієнт підсилення (~105, 106)
5.               Вхідний опір
Розрізняютьдиференційний опір, який вимірюється між входами (інвертуючим та неінвертуючим)та синфазний, що вимірюється між загальним проводом та паралельно замкненимивходами.
6.               Вихідний опір (~10,100 Ом)
7.               Гранична смуга підсилення
8.               Швидкість зростання вихідного сигналу (1В за 1мкс)
Структурнасхема типового ОП складається з вхідного каскаду узгодження і вихідного каскадупотужності.
/>
Вхіднийкаскад на транзисторах VT1, VT2 виконується у вигляді диференційного підсилення.Живлення його забезпечується схемою струмового дзеркала на транзисторах VT3, VT4. узгодженийкаскад є також диференційним, але виконаний він на транзисторах протилежноготипу провідності відносно вхідного каскаду. Сигнал на вихідний каскад VT8, VT9 подається черезсхему з загальним емітером VT7. для корекції нуля вихідного сигналу привідсутності вхідного застосовують додаткове коло корекції від зовнішньогоджерела через Rкор.
ВихідніRe' та Re'' зменшуютьвихідний опір схеми. Передаточна характеристика ОП є практично лінійною здосить малим значенням динамічного діапазону за вхідним сигналом. Вихідна напругає дещо меншою за напругу живлення.
3.2Типові схеми ввімкнення та реалізації математичних операцій з
допомогоюопераційних підсилювачів
1.                Повторювач напруги
/>
Приреалізації 100% від’ємного зворотного зв’язку за напругою, що задається іззакороченням виходу з інвертуючим входом Uвих = Uвх, при цьому Rвх будезбільшений — Rвх(1+Кu), а вихідний зменшений — Rвих.зв = Rвих./(1+Кu). Uвих = Uвх.н.
Синфазнийсигнал практично повністю подавляється, оскільки ΔUвх = Uвх.н — Uвх.і
2.                Неінвертуючий підсилювач
/>
Внеінвертуючому підсилювачі вхідний сигнал подається на неінвертуючий вхід. Доінвертуючого входу вмикаються ланки послідовного зворотного зв’язку занапругою.
Коефіцієнтпідсилення за зворотним зв’язком визначається через коефіцієнт підсилення беззв’язку і коефіцієнт передачі ланки зворотного зв’язку β.
/>.
Величинасигналу, що подається на інвертуючий вхід β визначається через відношенняопорів резистивного подільника.
/>.
/>
Враховуючи,що />, одиницею в знаменникуможна знехтувати.
Отже,коефіцієнт підсилення неінвертуючого підсилювача не може бути меншим одиниці.Величина його повністю визначається ланкою зворотного зв’язку.Інвертуючийпідсилювач
/>
Вінвертую чому каскаді і інформаційний сигнал, і сигнал зворотного зв’язкуподається на інвертуючий вхід. Таким чином тут реалізовується паралельнийзворотний зв'язок. Оскільки вхідний опір є дуже великим, то потенціалінвертуючого входу вважають віртуальним нулем. Коефіцієнт передачі інвертуючогокаскаду визначається як добуток коефіцієнту передачі самого підсилювача ззворотним зв’язком та вхідним опором подільника.
/>
Враховуючи,що />, отримаємо:
/>.
Яквидно із останнього співвідношення за рахунок зменшення опру zзз коефіцієнтпередачі інвертуючого каскаду ОП може бути як завгодно малим і теж повністювизначається ланкою зворотного зв’язку. При цьому мале значення КU>z1, то коефіцієнтпередачі як інвертуючого, так і неінвертуючого каскадів є досить великі іпрактично однакові. Різниця полягає тільки в інверсії фази вхідного сигналу вінвертую чому каскаді порівняно з неінвертуючий.
Якщов ланках зворотного зв’язку використовують суперпозицію сигналів або нелінійніелементи, зв'язок між струмом і напругою в яких описується певним математичнимзаконом, то на схемотехнічному рівні можна реалізувати математичну обробкусигналів.Схеми додавання івіднімання сигналів
/>
Точкуз’єднання R1…Rm на інвертуючому вході можна вважати точкою Кірхгофа, в якійсправджується І закон про суму струмів. Якщо окремо використовувати тільки поодному подільнику на інвертуючому та неінвертуючому вході, то одержимодиференційний каскад підсилення, в якому вихідна напруга буде визнчатисьрізницею напруг неінвертуючого та інвертуючого сигналів.
Uвих = Uвх.н – Uвх.і
Колив каскаді буде виконуватись вимога пропорційності відповідних вхіднихрезистивних подільників />,амплітуда вхідних сигналів на інвертуючому та неінвертуючому входах будеоднаковою, то ми одержимо синфазні сигнали і вихідний сигнал буде рівний нулю.В протилежному випадку сигнали, які подаються на неінвертуючий вхід будутьдодаватися, тобто ми одержимо найпростіший суматор; сигнали, що подаються наінвертуючий вхід є протифазними, тому вони теж додаються, але з протилежнимзнаком, таким чином одержимо схему віднімання сигналів. При наявності всіхдиференційних сигналів реалізовується схема додавання та віднімання.Інтегруючийпідсилювач
Інтегруючийпідсилювач – це каскад, в якому паралельний зворотний зв'язок задається задопомогою ємності конденсатора.
/>
Ланка зворотногозв’язку реалізується у вигляді RC-кола. За І законом Кірхгофа справедливеспіввідношення для струмів на інвертуючому колі:
/>
/>
/>
Вихіднанапруга визначається як інтегральна функція від напруги на вході. Якщо на входівикористати ланку резистивного суматора, тобто паралельно подати кілька вхіднихсигналів через окремі резистори, то одержимо інтегруючий суматор:

/>Диференціюючий каскадпідсилення
/> 
Як ів попередньому випадку застосування І закону Кірхгофа дозволяє записатиспіввідношення струмів для інвертуючого входу:
/>
/>
Такимчином в цьому каскаді одержимо як результат диференціювання вхідного сигналу.Застосування сумуючого входу дозволяє про диференціювати кілька сигналів:
/>
Оскількиструм вхідного кола є лінійною суперпозицією вхідних струмів.

Логарифмуючий підсилювач
 
/>
Логарифмуючийпідсилювач одержуємо при використанні в якості елемента зворотного зв’язку p-n переходу абобар’єру Шоткі. Це зумовлене тим, що зв'язок між напругою і струмом в p-n переходіописується експоненційним законом:
/>
Томуза І законом Кірхгофа співвідношення струмів матиме вигляд:
/>
Якщовикористовується пряма вітка ВАХ, логарифмування останнього співвідношенняприводить до виразу:
/>
Такимчином з точністю до постійної інтегрування можна вважати, що вихідний сигнал єпропорційним натуральному логарифму вхідного сигналу.

/>
Використовуючибагатовходовий логарифматор можна реалізувати логарифмування суми сигналів:
/>Антилогарифмуючийпідсилювач
/>
Зворотнійзв'язок реалізується з допомогою лінійного елементу (резистора), а вхіднийсигнал подається через нелінійний елемент. Тому співвідношення струмів наінвертуючому вході має вигляд: />.
Врезультаті вихідна напруга є експоненційною функцією вхідного сигналу:
/>
Використаннякількох нелінійних входів дозволяє реалізувати суму експоненційних сигналів:

/>.3.3 Джерела струму та напруги на основі операційнихпідсилювачів
Завдякиспецифічним параметрам ОП як високий вхідний опір та великий коефіцієнтпідсилення можна реалізувати високоякісні схеми джерел струму та напруги.Джерела струму на ОП
/>
Яквідомо в ідеальному джерелі струму вихідний опір прямує до безмежності, вджерелі напруги – до нуля. Використовуючи інвертуючий підсилювач можнареалізувати джерело струму з плаваючим або заземленим навантаженням.
Прицьому в І випадку резистор навантаження використовується в колі зворотногозв’язку і не має спільного із загальним проводом схеми.
Величинаструму навантаження визначається співвідношенням:
/>.

/>
Увипадку неінвертуючого каскаду струм через навантаження має протилежнийнапрямок порівняно із інвертуючим каскадом.
Длязаземлення навантаження використовують додаткові транзисторні кола на виходіОП. При цьому напрямок протікання струму через навантаження залежить від типупровідності, а відповідно і живлення транзисторного каскаду і схеми ввімкненняОП.Джерела напруги на ОП
Відеальному джерелі напруги значення напруги на навантаженні не повинно залежативід струму, що протікає у вихідному колі.
/>
Прицьому на виході опір джерела має бути достатньо малим, щоб не впливати напотужність, що виділяється на навантаженні. Оскільки в ОП величина струму навиході, а відповідно і коефіцієнт передачі каскаду залежить тільки від ланокзворотного зв’язку, то забезпечення постійного значення потенціалу на входісхеми дозволяє одержати стабільне значення напруги на виході.
Взалежності від використання кіл зв’язку для інвертуючого чи неінвертуючоговходу одержують прямий або інверсний сигнал напруги у вхідному колі.
/>
Враховуючи,що КU в ОП є дуже великим, то при /> вихідного каскаду із зворотнім зв’язком прямуватимедо нуля.3.4 Активні фільтри
Застосуваннячастотно-вибіркових кіл в ланках зворотного зв’язку ОП дозволяє формуватиамплітудно-частотні характеристики із заданою зміною коефіцієнту передачікаскаду в певному частотному діапазоні сигналу.
Внайпростішому випадку частотна вибірковість реалізується в інтегруючих тадиференціюючи колах.
Однакв цьому випадку коефіцієнт передачі схеми завжди є функцією, що змінюється зчастотою. Тому для забезпечення стабільності коефіцієнта передачі в певномудіапазоні застосовують схеми низькочастотних (НЧ), високочастотних (ВЧ) тасмугових фільтрів.

/>
Низькочастотнийфільтр повинен забезпечити проходження сигналів з ω
Найпростішеце реалізується якщо в інтегруючому колі зменшити добротність ємнісної ланки.
/>
ДляВЧ-фільтрів: КU=const при ω>ωзрізу. В цьому випадку зменшуютьдобротність ємності вхідного кола диференціюючої ланки.
Використовуючиодночасно каскади, в яких ωзр низькочастотного спектру є більшою заωзр високочастотного спектру, одержують смуговий фільтр в діапазоні відω1 до ω2.
/>
Взагальному випадку коефіцієнт передачі ланок зворотного зв’язку може бутизаписаний у вигляді дробово-раціональної функції: />, де А(р) та В(р) – це многочлени, записані увигляді відомих поліномів Чебишова-Бесселя та ін. в залежності від степенізмінної, що має максимальне значення можна реалізувати відповідно математичніполіноми 1, 2… порядку або на фізичному рівні відповідно активні фільтри 1,2 іт.д. порядку.
Перевагоюактивних фільтрів є стабільність їх показників, малогабаритні показникипорівняно із LC- та RC-фільтрами, низькі активні втрати. Проте недоліком їхвважають необхідність двополярного живлення для ОП, низькі потужності внавантаженні, що в цілому не дозволяє застосовувати їх в потужних електричнихсхемах випростовувачів змінного струму.
Ефективнотакі фільтри застосовують в електронних схемах обробки смугових сигналів, депотрібно задавати складні залежності коефіцієнтів передачі в різних частотнихдіапазонах.3.5 Підсилювачі змінного струму на ОП
Прироботі в режимі малих змінних сигналів застосування багатокаскаднихпідсилювачів змінного струму на ОП дозволяє ефективно виділяти інформаційнісигнали з шумових. Для забезпечення якісної передачі сигналів і збільшеннязагального коефіцієнта підсилення застосовують кілька послідовно ввімкненихкаскадів.
Припередачі змінного сигналу, Rвх ОП є дуже великим. Оскільки />, то постійна часу для перезарядкироздільного конденсатора на вході каскаду: /> дуже велика, це призводить з часом до виходупостійної напруги на насичення. Для уникнення цього необхідно вмикати на вході Rкор. Він зменшуєτ, але і зменшує коефіцієнт передачі каскаду, що є недоліком в схемі. Вокремих випадках можна застосовувати каскади підсилювачів постійного струму,які охоплені тільки ланками загального зворотного зв’язку, в яких проміжніроздільні конденсатори відсутні, а є тільки вхідні і вихідні.
4. Генератори сигналів
 4.1 Класифікація генеруючи пристроїв Умови самозбудження генеруючи схем
Генераторамиелектричних сигналів називають релаксаційні схеми, на виході яких виникаєперіодично-повторюваний сигнал певної форми. За формою сигналу виділяютьгенератори гармонічних сигналів і негармонічних (генератори імпульсівпрямокутної, трикутної та ін. форми). Якщо схема, при ввімкненні живлення,автоматично переходить в релаксаційний режим роботи, то такі генераториназивають автоколивними. Якщо для запуску схеми використовується початковийімпульс з іншої керуючої схеми, то такі генератори потребують зовнішньоїсинхронізації і їх ще називають загальмованими (типовий приклад – загальмованиймультивібратор).
/>
Умовивиникнення автоколивань в системі можна вивести при розгляді схеми підсилювачазі зворотним зв’язком. Взагалі-то, генеруючим пристроєм, як правило, єдвокаскадний підсилювач, охоплений 100%-ним додатнім зворотним зв’язком зазмінною складовою сигналу.
Коефіцієнтпередачі підсилювача визначається відношенням /> до /> /> і в частотномудіапазоні може бути представлене в комплексному вигляді />/>/> />/>
Коефіцієнтзворотного зв’язку аналогічно визначається відношенням частоти напруги, щонадається на вхід до напруги, яка знімається з виходу основного підсилювача:
/> />
/> та /> — амплітудні значення; /> — зсув фаз між вихідним та вхідним сигналомвідповідно схеми основного підсилювача та ланки зворотного зв’язку.
Загальнийкоефіцієнт передачі за зворотнім зв’язком визначається:
/>; />
Якщознаменник останнього виразу →0, то коефіцієнт підсилення такого каскаду →/>. Це означає, що схема входить врежим самозбудження. Такі умови виконуються, якщо величина
/>
Зостаннього виразу випливають 2 умови самозбудження каскаду із зворотнимзв’язком при яких реалізується генеруючий режим роботи цього каскаду.
1.               Умова балансу амплітуд />
2.               Умова балансу фаз />
/>; n=1,2,3…
Дляреалізації цих умов використовуються фазоповертаючі ланки з індуктивними абоємнісними елементами.4.2 Схемотехнічна реалізація генераторів гармонічнихсигналів
/>
Вгенераторах гармонічних сигналів використовують 2 типи ланок зворотногозв’язку:
1)               трансформаторний зв’язок;
2)               фазозсуваючі RC-ланки.
/>/>/>
Яквідомо підсилювальний транзисторний каскад ввімкнений за схемою з загальнимемітером є фазоінвертуючим, тобто фаза вихідного сигналу зсунена відносновхідного на кут />. Якщовикористовувати додатковий трансформаторний каскад з узгодженим ввімкненнямобмоток в колі зворотного зв’язку, то одержимо додатковий зсув фаз />, тобто загальний зсув фаз міжвхідним сигналом і сигналом зворотного зв’язку становитиме />. Аналогічно, зсув фаз можна одержати припослідовному ввімкненні RC-ланок.
Прицьому в RC-ланках використовується, як правило, більше двох ланок, оскільки зсув фаз на одній ланціодержується тільки при безмежному зростанні ємності конденсатора.
Такимчином, принципові схеми з трансформаторами та RC зв’язком маютьвигляд:
/>
Втрансформаторному каскаді умови зсуву фаз використовуються тільки для резонансної частоти,тому генеровані коливання мають параметри, що визначаються коливним контуром.Якщо в схемі допускається гальванічний зв'язок між первинною і вторинноюобмоткою, то живлення вторинної може бути задіяне від живлення основногокаскаду. Якщо гальванічний зв'язок між каскадами – небажаний, то вториннуобмотку підключають до нульового проводу схеми (пунктир на схемі). При цьомуфазність в першому і в другому випадку має бути протилежною. Для уникненняпроникання високочастотних коливань в джерело живлення використовуютьвисокочастотний RC-фільтр.
В RC-генераторахтакож виконується умова балансу фаз тільки для однієї частоти, оскільки призміні частоти сигналу, змінюється і амплітуда вектора ємнісної напруги нафазовій діаграмі. При цьому, режим за постійним струмом визначаєтьсяподільником R-бази />, в якому/> задіяно у фазоповертаючійланці. RC-генератори, як правило, застосовують для одержаннянизькочастотних коливань, тоді як генератори з індуктивними зв’язками – длявисокочастотних сигналів.
4.3 Релаксаційні генератори несинусоїдальних коливань
Якщоумова балансу фаз і балансу амплітуд використовується не для однієї частоти, апевного спектру частот, то такий генератор збуджується в цьому спектрі і формавихідних коливань стає відмінною від синусоїдальних. У випадку, якщо спектр />, одержують генератор прямокутнихімпульсів. В найпростішому випадку, це мультивібратор, що складається з двохкаскадів підсилювача, охоплених 100% зворотним зв’язком за змінною складовою.
В ідеальномувипадку, схема повинна бути абсолютно симетричною за параметрами елементів,тоді при ввімкненні живлення на виходах 1 і 2 формуються інверсні один доодного, практично прямокутні імпульси. В процесі релаксації, схеми визначаютьсячасом перезарядки конденсаторів, ввімкнених в кола зворотного зв’язку. Процесперемикання включає 2 етапи, протягом яких формується імпульс тривалості /> або />. Початковий стан при ввімкненні напруги відеальному випадку є невизначеним і залежить тільки від флуктуації струмів вбазових та колекторних колах каскадів. Якщо з самого початку струм колектора VT1 є дещо більшимпорівняно з />, то це означає,що базова U на VT1 є більш відкриваючою, порівняно з /> VT1. тоді потенціал колектора VT1 починаєзменшуватись і це зменшення не передається на базу VT2. Таким чином, VT1 повністювідкривається, а VT2 – закривається. Тривалість формування імпульсу (фронту), вданому випадку, залежить від постійної часу />, протягом якої конденсатор /> буде заряджатися через відкритий перехідбаза-емітер VT1, і U на резисторі /> /> визначаєтьсявеличиною цього опору і струмом зарядки. Струм конденсатора визначається />; тоді маємо: /> />, підставивши, отримаємо: .
Такимчином, одержимо звичайне диференційне рівняння, яке описує часову залежністьформування U на обкладках конденсатора /> при фіксованих параметрах елементів кола /> та />: />.Якщо про інтегрувати останнє рівняння, то отримаємо: />; />;
lnC – постійнаінтегрування, з точністю до якої розв’язується диференційне рівняння. Значенняпараметру С визначається граничними або початковими умовами задачі.
/>
Післяпотенціонування останнього виразу, отримаємо: />; при t→0, />→0 – початковий стан ;/> — напруга на конденсаторі.
/>;
/>; />.
Взагалі-топрийнято, що імпульс є сформованим, якщо напруга формування досягає 0,9Uж =Uc(t).
Зцієї умови можна визначити час, протягом якого формується тривалість фронтуімпульсу tф=t1-t0.
/>Для визначення фронту використаємо останнєрівняння:
0,9Uж=/>; />;
Після логарифмування цьоговиразу отримаємо:
/>; />;
Тривалістьімпульсу tім=t2-t0, визначається часом перезарядки конденсатора С1 черезвідкритий перехід транзистора VT1 і базовий резистор Rб2, оскільки саме напругана цьому конденсаторі сформована до моменту часу t0 утримує транзистор VT2 у закритомустані.
Аналогічноможна показати, що процес розрядки конденсатора від заданого рівня напруги будеописуватись співвідношенням:
/>; С=2Uж;
/> (*)
/>;
Вданому випадку процес перезарядки конденсатора С1 через базовий резистор Rб2 описуєтьсяспіввідношенням (*). Тривалість імпульсу визначається з умови, що UC1(t)→0, тоді можназаписати:
/> , або />
/>
Симетричнасхема генерує імпульсні рівні половині періоду релаксації схеми, тобтотривалість імпульсу дорівнює тривалості паузи. Такий сигнал називаєтьсямеандром.
Відношення/> називають шпаруватістюімпульсу.
Мультивібраторивиконуються в інтегральному вигляді або на основі цифрових інтегральних схем.Вони є основою задаючих тактових генераторів в усіх цифрових схемах, а також вімпульсних перетворювачах джерел живлення обчислювальної техніки.4.4 Одновібратори
Uж   />
Схемиодно вібраторів є аналогічні схемам мультивібраторів, тільки в одному з плечсхеми замість зв’язку за змінною складовою використовується зв'язок попостійній складовій сигналу.

/>
Такимчином схема володітиме тільки одним стійким станом. Для формування фронтугенерованого імпульсу використовується прискорюючий конденсатор С1, ввімкненийпаралельно до резистора Rб2 зворотного зв’язку. />   Длянадійного закривання транзистора VT2 використовується додаткове джерело від’ємногозміщення. В такій схемі при її ввімкненні до живлення, каскад на VT2 буде закритим, а на VT1 – відкритим. При поданнікороткочасного керуючого імпульсу на базу VT2 ініціалізуються процесивідкривання VT2. конденсатор C2 починає розряджатися, що приводить довідкривання транзистора VT1 і відповідно перезарядки С2. після генераціїімпульсу, що визначається тривалістю часу />, схема повертається в початкове положення.4.5 Генератори на операційних підсилювачах
Дляреалізації схем генерування на основі ОП використовують одночасно ланкивід’ємного і додатного зворотного зв’язку. В таких схемах одержують імпульсніпослідовності прямокутної, трикутної або пилоподібної форми. В інвертуючий вхідвмикають RC коло, що забезпечує зворотний від’ємний зв’язок за змінноюскладовою сигналу.

Uвх   />
Процесперезарядки конденсатора забезпечує виникнення коливань на інвертуючому входіОП, а за рахунок великого коефіцієнта передачі підсилювача реалізуєтьсядинамічний режим роботи з великим сигналом, що відображають епюри напруг навході та виході каскаду.
/>
Вмомент часу t0 вмикаєтьсяживлення каскаду. Якщо напруга на неінвертуючому вході перевищує напругуінвертуючого входу, то одержаний сигнал підсилюється каскадом і вихідна напруга(графік 3) приймає максимальне додатне значення. За рахунок ланки додатногозворотного зв’язку на неінвертуючому вході встановлюється Uвх.н.
/>
Конденсаторпочинає заряджатися і одержаний диференційований сигнал на вході />.коли потенціал інвертуючоговходу досягає значення />,знак вхідного диференційованого сигналу змінюється на протилежний. За рахуноквеликого коефіцієнту підсилення, напруга на виході каскаду практично миттєвонабуває значення Uвих.max(-). Ланка додатного зворотного зв’язку при цьомузабезпечує встановлення на неінвертуючому вході від’ємного потенціалу, аконденсатор С починає перезаряджатися через резистор від’ємного зворотногозв’язку Rв.зв. Цей процес триває до моменту часу t2, коли знову виконаєтьсяумова />. Частота комутаціївизначається співвідношенням:
/>.
/>/>
Такимчином вказаний каскад забезпечує генерацію імпульсу прямокутної форми на виходіта неінвертуючому вході. Якщо потрібно змінити шпаруватість імпульсів, то вколо зворотного зв’язку застосовують ключові елементи, які забезпечуютькомутацію резисторів різної величини в різні півперіоди генерованого сигналу.
/>

Дляодержання імпульсів строго прямокутної форми, тобто лінійно зростаючі аболінійно спадаючі, що реалізуються в генераторах лінійно змінної напруги (ГЛЗН).В колах від’ємного зворотного зв’язку використовують транзисторні джерелапостійного струму.4.6 Тригерні схеми. Тригер Шмідта
Всхемах, де реалізуються ланки додатного зворотного зв’язку тільки за постійноюскладовою сигналу, забезпечується реалізація бістабільних сигналів. Такі схемиволодіють запам’ятовуючими властивостями і в електроніці використовуються вякості елементів статичної пам’яті.
Аналогічно,як і в схемі одно вібратора, в даній схемі в обидвох плечах використовуєтьсяланка RбС, що забезпечують зв'язок між каскадами за постійним струмом, аконденсатори формують фронти комутуючих імпульсів. При ввімкненні схеми, станвихідних сигналів не має однозначного визначення і залежить від флуктуаційнихструмів у базових колах транзисторів VT1, VT2. якщо потенціал бази VT1 є вищим, то іструм колектора VT1 також більший, а потенціал колектора VT1 починаєнаближатись до нуля. Таке зменшення потенціалу VT1 приводить до зменшенняпотенціалу бази VT2, а відповідно і до закривання VT2. в цьому випадку навиході VT1 сигнал приймає значення логічного нуля, а на виході Uвих2 на VT2 – логічноїодиниці. Такий стан може зберігатись як завгодно довго, аж до виключення схеми.Для надійного закривання (роботи) можна використати джерело від’ємного зміщення– Uзм. Для переведення схемив протилежний стан на базу VT2 через діод VD2 подається логічнийсигнал високого рівня Uвх2, тоді транзистор VT2 відкривається,потенціал його колектора зменшується до нуля, що приводить до закриваннятранзистора VT1. відповідно одержимо, що сигнал на Uвих1 рівний логічнійодиниці, а сигнал на Uвих2 рівний логічному нулю. В цифровій техніцівихід 1 позначається Q, а вихід 2 — />, вхід 1 – R, вхід 2 – S. Такий тригерназивається RS- тригером. S – вхід установки, R – вхід обнулення, Q – прямий вихід, /> - інверсний вихід. Умовно можнавикористати умовне позначення.
/>
Якщона вхід падають імпульсні сигнали, а не фіксовані потенціали, то об’єднавши RC входи можнаодержати лічильний тригер, що змінює вихідний стан на протилежний за кожнимвхідним імпульсом і має здатність таким чином при каскадуванні підраховуватикількість вхідних імпульсів. В потенційних тригерах, що керуються фіксованимзначенням потенціалів а не перепадів сигналів, одночасна передача на S і R входи логічноїодиниці є забороненою.Тригер Шмідта
/>
Втригері Шмідта використовуються гістерезисні властивості комутуючих кіл, щоприводить до неоднозначності напруги перемикання в прямому і зворотномунапрямку при подачі вхідних сигналів.
/>

Зарахунок загального зворотного зв’язку, що охоплює обидва каскади схеми,перемикання в прямому і зворотному напрямку схеми відбувається при різнихзначеннях вхідної напруги. Це дозволяє одержати на виході схеми прямокутнийсигнал, при подачі на вхід – сигнал довільної форми.
5. Цифрова електроніка
 5.1 Фізичні основи формування цифрових інформаційнихсигналів
Цифровісигнали формуються електронними схемами, що називаються електронними ключами. Вякості електронних ключів використовують в основному напівпровідниковіелементи, що володіють нелінійною характеристикою, а саме: діоди, транзистори,тиристори, фотоелектронні пристрої на основі діодних та транзисторних структур.Особливістю роботи цих елементів в колах цифрової обробки сигналів є режимвеликого вхідного сигналу. В цьому випадку керуючі струми та напруги приймаютьмаксимальне значення.
Будь-якийелектронний ключ може по-різному вмикатись відносно навантаження, тому схемакомутації ключів виконується в одному з трьох варіантів:
1)               послідовна
2)               паралельна
3)               послідовно-паралельна
Вцілому ключова схема обов’язково включає 3 компоненти:
1)               джерело інформаційного сигналу
2)               електронний ключ (нелінійний елемент)
3)               навантаження
Rвн   />

Припослідовному ввімкненні всі ці елементи вмикаються в коло один за одним. Припаралельному – електронний ключ обов’язково ввімкнений паралельно донавантаження. При послідовно-паралельному – використовуються два електронніключі, один з яких вмикається паралельно до навантаження, а другий – послідовнопаралельної ланки. Найбільшими властивостями володіє третя схема, в якійзастосування довільних законів почергової чи одночасної комутації ключів можнадосягти довільного перетворення інформаційного сигналу.5.2 Діодні ключові схеми
/>
Особливістюдіодних ключів (вентелів) є те, що функції керуючого сигналу, які забезпечуютьзакон комутації ключа, виконує сам інформаційний сигнал.
/>
Відеальному випадку, характеристика діодного вентеля повинна володіти нульовимопором (статичним) про прямому ввімкненні, і безмежним статичним опором – призворотному ввімкненні. Такими параметрами володіють тільки механічні ключі.Реальні p-n- переходи можназмоделювати характеристикою 2, яка має певне порогове значення ввімкнення припрямому ввімкненні (прямій напрузі) і певний диференційний опір, щовизначається нахилом прямої ВАХ /> ~ rдиф.пр=/>, що еквівалентний tg кута нахилу цієїхарактеристики. Аналогічно в зворотному напрямку />´ визначає зворотний диференційний опірвентеля />´ = rдиф.зв. длядетиктуючих — rдиф.зв/>.коефіцієнт передачі такого ключа визначається відношенням напруги нанавантаженні до величини сигналу на вході /> Евх – амплітуда e(t).
/>
Тому /> можна представити як:
/> /> />
Використовуючидодаткові джерела зміщення, які вмикаються послідовно або паралельно донавантаження, можна змінювати напруги комутації ключа.
5.3 Транзисторні ключі
/>
Навідміну від діодних ключів, в транзисторних схемах сигнал керування іінформаційний сигнал є розділеними на фізичному рівні.
/>
Припаралельному ввімкненні, в транзисторних, так як і в діодних схемахвикористовується баластний опір Rб, що забезпечує додатковий спад напруги прикомутації (ввімкненні ключа).
Вихідніхарактеристики.
/>
Транзисторнийключ характеризується режимом роботи при якому основними його станами є режимвідсічки або режим насичення. Активний режим присутній тільки при перекомутаціїключа з одного стану в інший. Реально значення напруг відсічки та насиченнявідрізняється від ідеальних значень, при яких Uвідс=Uж, а Uнасич → 0,крім того, як видно з лінії статичного навантаження, режим насичення вграничному випадку вже досягається при певних струмах бази, коли різницяпотенціалів Uкб =0. Подальший перехід від точки Тн.гр до точки Тн вказує протак зване глибоке насичення транзистора.
Коефіцієнтнасичення />; в оптимальнихвипадках лінію статичного навантаження вибирають так, щоб q=1.5-2.
Лініястатичного навантаження визначається напругою живлення ключа і опорунавантаження.
Встані відсічки при нульовому потенціалі на базі в схемі з загальним емітеромможливе протікання зворотного струму колекторного переходу Iк0, що можестворити додатковий спад напруги на емітерному переході, тому в цьому станівихідний струм також є відмінним від нуля, а відповідно це так само як і врежимі насичення позначається на швидкодії ключа. В загальному випадку процесиперемикання визначаються двома способами:
1.               часом розтікання носіїв заряду з базової області;
2.               часом перезарядки бар’єрної ємності p-n-переходу.5.4 Режими комутаціїключів
/>/>

Швидкодіяключових елементів визначається процесами накопичення неосновних носіїв зарядув базі ключового елементу при ввімкненні прямого напрямку ключа і процесамирозтіканні цих носіїв – при закриванні ключового елементу, і тому часперемикання включає як час розтікання носіїв чи їх накопичення, так і часформування заданого рівня напруги. Епюри напруг відображають вказані процеси ізміну сигналів на вході, тобто в базовому колі, і на виході.
Розгорткасигналів при прямому ввімкненні біполярних транзисторів.
/>/>
Привмиканні транзистора керуюча напруга ек, що подається у базове коло, змінюєполярність і амплітуду від Uк.закр до Uк.нас в момент часу t0. Це приводитьдо початку зростання колекторного струму Iк. Різниця потенціалів Uбе може миттєвозменшитись до нуля, оскільки визначається величиною заряду бар’єрної ємностікеруючого переходу транзистора. За певний проміжок часу величина цього зарядузменшиться до нуля, а потім ємність перезаряджається, тобтопереполяризовується, в результаті чого на переході база – емітер встановлюєтьсярізниця потенціалів Uбе порогове, при якому транзистор вже можна вважативідкритим. Цей процес відбувається за рахунок інжекції носіїв зараду земітерної в базову область, він триває протягом часу tз, протягом якого Uке практично незмінюється. Починаючи з моменту часу t1, транзистор починає входити в областьнасичення, тобто Uке експоненційно спадає і струм колектора досягаємаксимального значення в момент часу t2. Інтервал t2 — t1 називаєтьсячасом формування фронту вмикаючого імпульсу; tз і tф разом складаютьввімкнення транзистора. Момент часу t2, в залежності від вимог до ключовоїсхеми, приймають таким, коли максимальне значення струму колектора абомінімальне значення Uке досягають рівня 0,5 – 0,7 від свого критичного значення.
Подальшийінтервал часу tустановки визначає процеси глибокого насичення транзистора. Дляшвидкодіючих схем стараються зменшити tнас і реалізують схеми, де електронніключі працюють без режиму глибокого навантаження. Одним з методів реалізаціїтакого режиму є ввімкнення діода Шоткі між базою і колектором транзистора.
/>
Оскількипряма напруга на діоді Шоткі складає приблизно 0,7-0,8 В для кремнієвихструктур, то відповідно різниця потенціалів між базою і колектором транзисторане перевищує цього значення. При перемиканні в закритий стан транзистора,керуюча напруга ек знову інвертується (2 діаграма), але протягом певного часу tрозтікання струмв колекторному колі залишається практично постійним, оскільки опір бази будемати мінімальне значення до моменту часу t1, поки неосновні носіїзаряду не перейдуть в колекторну чи емітерну область. Після цього напруга Uке міжвідповідними електродами транзистора починає зростати до максимальногозначення, що дорівнює ек. Відповідно струм колектора зменшиться до нуля. При Iк=0,1*Iк.нас, транзисторвже вважається закритим. Тривалість вимикання складається з часу розтікання ічасу формування спаду імпульсу.
Застосуваннядіода Шоткі в цьому випадку дозволяє зменшити інтервал розтікання tр, а відповідно іпідвищити швидкодію ключа на біполярному транзисторі.
Длякорекції величини напруги насичення ключа з бар’єром Шоткі використовуютьдодатково джерела зміщення в колах зворотного зв’язку.
Внайпростішому випадку можна використати додаткові резистивні елементи Rб, які при протіканнікеруючого струму Iб задають додаткове зміщення Uзм=Iб*Rб, що додається довальєрної різниці потенціалів на діоді Шоткі, однак в цьому випадку тривалістьрозтікання носіїв при комутації буде зменшуватись за рахунок зростанняпостійної часу резистивно – ємнісного кола розрядки, що включає бар’єрнуємність переходу і додатковий опір Rб.Особливості ключів напольових транзисторах
/>
Прикомутації польових транзисторів, особливо з вбудованим каналом слід звернутиувагу на лінійність передаточної характеристики транзистора, що може працюватияк в режимі збудження так і збагачення каналу провідності основними носіямизаряду. В цьому випадку при малих рівнях сигналів зберігається лінійназалежність вихідного струму від керуючої напруги, яка має місце в доситьширокому інтервалі напруг живлення. Відповідно час накопичення і розтіканняносіїв повинен тут відігравати меншу роль порівняно з біполярним транзистором,що має сприяти підвищенню їх швидкодії. Однак, передача керуючого сигналу тутзадається через вхідну ємність, а це зменшує швидкодію транзистора. Крім того,при лінійній залежності вихідного струму від керуючого сигналу, основнимелементом, який задає і час комутації і амплітуду вихідного сигналу стає опірнавантаження Rс.
/>
Томупри оптимізації схеми потрібно узгоджувати два заперечуючи один одного фактори,а саме: для підвищення швидкодії ключа Rс потрібно зменшувати, адля забезпечення надійної комутації, тобто більшої різниці сигналу міжввімкненим та вимкненим станом Rс потрібно збільшувати. Для вирішення цих проблемвикористовують в М-Д-М ключах опір навантаження у вигляді нульовоготранзистора, ввімкненого в якості джерела постійного струму. Проте найкращірезультати одержані при використанні комплементарної пари транзисторів, тобтотранзисторів з однаковими параметрами але протилежними типами провідності. Крімтого, що вхідний сигнал в даному випадку одночасно є відкриваючим для одноготипу транзисторів і закриваючим – для іншого, такий транзистор досить зручнореалізувати в інтегральному виконанні, тому останнім часом найбільш широкогозастосування знайшли біполярні транзистори з діодом Шоткі і комплементарнаМ-Д-М логіка (ТТЛШ, КМДМ).5.5 Схемотехніка логічних елементів
Вцифровій електроніці, як для логічної, так і для арифметичної обробки сигналіввикористовують три базові функції: І, АБО, НЕ.x1 x2 y 1 1 1 1 1 x1 x2 y 1 1 1 1 1 1 1
/>/>
Нафізичному рівні ці функції реалізуються з допомогою аналогічних логічнихелементів: кон’юнкції та диз’юнкції АБО та інверсії НЕ. Логіка роботикон’юнктора полягає в наступному: сигнал на виході логічного елемента приймаєзначення логічної одиниці тоді і тільки тоді, коли на всіх його виходахприсутні сигнали високого логічного рівня. Для диз’юнктора, тобто схеми АБО,логіку роботи можна сформулювати наступним чином: сигнал на виході диз’юнктораприйме значення логічної одиниці, якщо хоч на одному його вході буде присутнійсигнал високого рівня. Логіка роботи інвертора – сигнал на виході завждиприймає значення інверсне (протилежне) до вхідного сигналу. Стани логічнихелементів описуються таблчками істинності.x y 1 1
/>

/>
Нафізичному рівні найпростіше реалізувати інвертор. Таку функцію виконуєтранзисторний ключ реалізований за схемою з загальним емітером. При високомувхідному сигналі опір транзистора є набагато меншим за опір колекторногонавантаження і тому потенціал колектора наближається до нуля, що відповідає ілогічному нулю. Коли транзистор закритий, тобто 0 на вході, тоді його опірзначно більший за Rк і потенціал колектора наближається до напруги живлення, щовідповідає логічній одиниці на виході. Для реалізації кон’юнктора можна використати дватранзисторні ключі, ввімкнені за схемою з загальним колектором, зкомутованіпослідовно один за одним.
Дляреалізації логічного диз’юнктора ключові елементи мають бути ввімкненіпаралельно один з одним, тоді вмикання хоча б одного з них приведе допротікання струму через навантаження і появи сигналу високого рівня на виході.
Більшуніверсальними є комбіновані елементи, функції І-НЕ (штрих Шеффера) та АБО-НЕ (стрілкаПірса).
Внайпростішому випадку – це послідовно ввімкнені два базових елементи.5.5.1 Основні характеристики логічних елементів і їхкласифікація
Логічніелементи класифікуються за кількома ознаками. В першу чергу розглядаютьсхемотехнічне виконання базових елементів. При цьому в основу класифікаціїпокладено подвійну назву, що вказує на тип вхідного і вихідного каскадів.Елементарний транзисторний ключ став основою перших елементів, які об’єднанобуло в клас транзисторної логіки з безпосередніми зв’язками (БЗТЛ).
/>
Дляпокращення завадостійкості такого ключа у вхідних колах було ввімкненорезистор. Така схема стала називатись резистивно-транзисторною логікою. Щобпокращити частотні характеристики, тобто зменшити тривалість фронту та спадімпульсу, паралельно до Rб включається конденсатор. Такі схеми називаютьсярезистивно-ємнісна транзисторна логіка (РЄТЛ). Однак вони не набули широкоговжитку через низьку технологічність. Першими серійними елементами стали ключі звхідними діодними структурами (ДТЛ).
/>
Найбільшимдосягненням стала розробка багатоемітерних транзисторів, що дозволило створитиелементи транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ).
/>
Ушвидкодіючих елементах ТТЛШ (транзисторно-транзисторної логіки з діодами Шоткі)всі транзисторні ключі реалізовані із зворотними зв’язками на діодах Шоткі. Цедозволило значно підвищити швидкодію схем і є зараз основою надвеликихінтегральних схем, які в свою чергу є базою всієї комп'ютерної електроніки.
Окрімцього використовуються елементи емітерно-зв’язної логіки (ЕЗЛ) (на основідиференційних каскадів струмових ключів), n-, p- МОН логіка (напольових транзисторах) та комплементарна КМДМ – логіка (КМОН).
Завдякипошуку оптимальних рішень для зменшення енергоспоживання логічних елементіврозроблено структури так званої інтегрально-інжекційної логіки (/>).Основні параметри іхарактеристики
Дохарактеристик відносять: вхідну, вихідну та передаточну характеристики логічнихелементів, відповідно залежності: Iвх=f(Uвх) Iвих=f(Uвих) Uвих=f(Uвх)
Параметри:
1.               Коефіцієнт розгалуження з виходом – кількість елементів, які можнапідключити до виходу даного логічного елемента. Для підвищення навантажувальноїздатності (збільшення цього параметру N) вихідні каскади елементів виконують увигляді схем емітерних повторювачів або потужних підсилювачів.
2.               Коефіцієнт об’єднання за входом (М) — визначає скільки виходівможна підключити до входу логічного елементу.
3.               Статична завадостійкість показує величину напруги зовнішньоїстатичної завади, при якій логічний елемент забезпечує правильне працювання.
4.               Споживана потужність – це середнє значення потужності, щоспоживається схемою в перебування схеми в режимі статичного нуля і статичноїодиниці. /> За цим параметромлогічні елементи поділяють на: потужні (Рсп=25 – 250 мВт); середньої потужності(Рсп=3 – 25 мВт); низької потужності (Рсп=0,3 – 3 мВт); малопотужні (Рсп=1 –300 мкВт); нановатні (Рсп
5.               Швидкодія – час перемикання стану з логічного нуля в логічнуодиницю і навпаки. /> За данимпараметром розрізняють інтегральні схеми: низької швидкодії (tс>100 нс);середньої швидкодії (tс=10 – 100 нс); швидкодіючі (tс=2,5 – 10 нс);надшвидкодіючі (t5.5.2 Базові логічні елементи транзисторно-транзисторноїлогіки
/>
В ТТЛелементах можна виділити 3 каскади: вхідний каскад на основі багатоемітерноготранзистора, транзисторний ключ (як правило з стабілізованим джерелом струму) івхідний каскад. У вихідному каскаді для стабілізації нульових значень вхіднихзначень напруги (логічний 0) використовуються додаткові опорні діоди VД1, VДn.
Цимобумовлюється рівень напруги нуля ≈ 0,4 В (для кремнієвих інтегральнихсхем), або не більше 0,8 В. Живлення основного ключа на VT2 забезпечується джереломстабільного струму на транзисторі VT3. Одночасно цей ключ є фазоінвертуючим каскадомдля вихідного підсилювача потужності на транзисторах VT4, VT5.
/>
/>
Дляпокращення характеристик ТТЛ схем розроблено кілька схемотехнічних варіантів їхвиконання:
1.               ТТЛ елементи з відкритим колектором, призначені для узгодження вихідних каскадівз зовнішнім навантаженням. В цьому випадку вихідний ключ виконується за схемоюз від’єднаним колектором, що дозволяє визначити тип і рівень навантаження схемиз допомогою додаткових навісних елементів (серія К133).
2.               Каскади з підвищувальною навантажувальною здатністю (серія К531).
Вцьому випадку вихідні ключі виконують у вигляді складених транзисторнихкаскадів з підвищувальною навантажувальною здатністю.
/>

3.               ТТЛ схеми із z-станом (з високоімпедансним станом) призначені для роботи вцифрових схемах, що комутують інформаційні сигнали на спільну шину. В цьомувипадку у вхідних колах передбачають додатковий вхід багатоемітерноготранзистора, при подачі на який керуючого сигналу, виходи логічного елементапереходять у стан високого опору, тобто відключаються від загальної шини. Дляформування керуючого сигналу передбачено додатковий вхід z і кількатранзисторів керування.5.5.3 Базові логічніелементи емітерно – зв’язної логіки (ЕЗЛ)
/>
ЕЗЛ єнадшвидкодіючою, оскільки конструктивне виконання диференційних струмовихключів передбачає роботу транзисторів в ненасиченому режимі. Це забезпечує джерелаопорної напруги із зменшенням значення напруги логічних рівнів, хоч в цьомувипадку комутуючі напруги мають від’ємну полярність, однак логічна 1 відповідаєбільшому значенню потенціалу.
ТТЛ:
лог.0 – 0,4, не більше 0,8 В.
лог.1 – 2,4, не менше 2 В.
ЕЗЛ:
лог 0– (-0,8 – 0,9В)
лог 1– (-1,6 – (-1,7)В)
/>
КМОН:
лог 0~ 0 (0,2 – 0,3 В)
лог 1~ 15 В, 9В, 5В
/>:
лог 0– 0,6 – 0,8В
лог 1– 1,2 – 1,3В
/>
Доінтегральних схем ЕЗЛ логіки відносяться мікросхеми серій К500, К1500. Базовіелементи ЕЗЛ логіки передбачають можливість виконання одночасно функцій АБО таАБО НЕ, що зумовлено застосуванням струмових ключів у вхідному каскаді. Прицьому допускається ввімкнення за паралельною схемою кількох виходів схемиодночасно, що є недопустимим в елементах ТТЛ і КМОН логіки. В найпростішихвипадках це є запаралелення вихідних каскадів на спільне навантаження.
Дляпідвищення швидкодії ЕЗЛ каскадів використовується 2 методи:
1)               Побудова двоярусних токових ключів, що забезпечують розгалуженнявиходів схеми.
2)               Застосування додаткових вхідних кіл відносно нейтрального проводу,коли вхідний сигнал подається на схему відносно нуля.
Застосуванняна виході схем емітерних повторювачів зменшує вихідний опір логічних елементів,що підвищує загальну завадостійкість схеми.5.5.4 Базові логічніелементи МДН логіки
Дляреалізації логічних функцій в базисі МДН логіки застосовують структурніелементи на n- або p- канальних польових транзисторах. Функціонально вонипрактично не відрізняються, оскільки керуючі потенціали подаються черездіалектрик на вхід ключа, змінюється тільки полярність керуючої напруги,оскільки в основному застосовуються транзистори з індуктивним каналом. Як ібіполярних схемах для реалізації функцій І застосовується послідовне ввімкненняключем, а функція АБО реалізується при паралельному їх ввімкненні.
/>/>

/>
НедолікомМДН структур є залежність струму насичення ключів від напруги живленнявихідного кола, при цьому, щоб одержати зменшення вихідного струму в режимінасичення необхідно збільшувати напругу стоку, що приводить до втрат наперемиканні ключа, тому більш оптимальними є ключі на комплементарних парахтранзисторів, при цьому вхідні і вихідні кола реалізують з допомогою обмежуючихдіодів. Вхідні та вихідні кола на основі діодів забезпечують надійну комутаціюключів за рівнем напруги і обмежують напругу на вході ключа в діапазоні (-0,7)– (0,7) В відносно напруги живлення каскаду. Базові логічні елементи КМОН типустворюють на парних ключах, тобто для кожного входу використовується окрема комплементарнапара транзисторів, при цьому, якщо в елементах І-НЕ вхідними ключами єтранзистори n- типу провідності, а навантажувальними – p- типу, то в схемах звиключенням інверсії ці ключі просто міняються місцями. З МДН логікою виконано інтегральні схемисерії К561, К176, К564 (планарна). Завадостійкість таких елементів складає до40% напруги живлення.5.6 Інтегрально-інжекційна логіка
Схемиінтегрально-інжекційної логіки характеризуються наступними особливостями:
1.               В них відсутні резистивні елементи.
/>
2.               В них суміщені області кристалу, які відносяться до різнихключових (транзисторних) елементів схеми.
3.               Живлення цих каскадів реалізовано за струмовим принципом, щодозволяє зменшити рівні сигналів і споживану потужність.
/>/>
ТранзисторVT2 виконує функціїінвертування сигналу, VT1 є інжектором носіїв заряду в базу VT2, при цьому VT1 виконаний загоризонтальною технологією, VT2 – за вертикальною, що забезпечує підвищенийкоефіцієнт інжекції VT2, а відповідно і більший коефіцієнт струму.
Принципдії такої логіки наступний. Нехай вхідний сигнал x0 на базі VT2 – відсутній, цевідповідає стану логічної одиниці на вході, тоді струм інжектора, тобтоколекторний струм VT1 забезпечує насичення бази VT2, що приводить до виходуна насичення колекторного струму VT2, а відповідно до появи на виході VT2 сигналулогічного нуля. Для інтегрально-інжекційної логіки стану логічного нулявідповідає напруга U0=0.1 – 0.2 V; стану логічної одиниці – U1=0.6 – 0.7 V. Таким чиномперепад логічних рівнів складає порядка 0,4 – 0,6 V. За рахунок зменшеннярозмірів активних областей в кристалі підвищується швидкодія схеми, при струмі0,1 мА, час затримки не перевищує 10 нс. Однак через низьку завадостійкість,такі елементи використовуються виключно в складі великих і надвеликихінтегральних схем, тобто в складі мікропроцесорів.
6.Функціональні вузли цифрової електроніки
Вякості функціональних вузлів цифрової електроніки використовують пристроїформування прямокутних імпульсів, генератори тактових сигналів, перетворювачірівнів сигналів на основі базових логічних елементів.
6.1Автогенератори на базових логічних елементах
/>
Автогенеруючимивластивостями володіють схеми, охоплені додатнім зворотнім зв’язком за змінноюскладовою сигналу, в найпростішому випадку, в якості базових структур можнавикористовувати ТТЛ інвертори, в яких інвертування вихідного сигналу одногокаскаду через конденсатор замикається на вхід іншого елемента.

/>/>
Втаких схемах сигнали на виходах є інверсними один відносно одного. В зображенійсхемі реалізуються умови балансу фаз і балансу амплітуд в широкому діапазонічастот. Якщо уявити, що в ідеальному випадку на конденсаторах немає зсуву фаз складає />, то загальний зсув сигналу при проходженнідвох каскадів буде />, тобтовиконується умова балансу фаз. Оскільки ідеальний інвертор працює в ключовомурежимі, то його коефіцієнт підсилення >>1. Це підтверджує умову балансуамплітуд. Автогенераторний режим забезпечується зворотнім зв’язком. Нехай наодному виході в певний момент часу напруга приймає максимальне значення, тобтологічну 1, на іншому –логічний 0. Тоді за рахунок заряду конденсатора, щоз’єднаний з високим потенціалом виходу через резистор, протікатиме струмзарядки. Це приводить до зміни потенціалу на вході іншого каскаду і доінвертування вихідної напруги на обидвох каскадах. Тривалість перехідногопроцесу визначається постійною часу RC-кіл, тобто t=RC. Якщо параметри RC- кіл підібратисиметричними, то шпаруватість імпульсів складатиме q = 2. При реалізаціїавтогенераторної схеми на елементах КМОН логіки потрібно врахувати, що вхіднийструм такої схеми, тобто КМОН елемента → 0, оскільки вхідний опірпрактично безмежний, тоді для забезпечення протікання струмів перезарядкиконденсаторів навантажувальні резистори на вході логічного елемента шунтуютьдодатковими діод ними ключами, які забезпечують протікання струмівпереполяризації конденсаторів і їх роботу в біполярному режимі. Різновидністюсхеми автогенератора є каскад з однією часозадаючою RC-ланкою.
ДД –цифрова інтегральна мікросхема;
ДА –аналогова мікросхема
Пояснитироботу такої схеми найлегше, використовуючи КМОН логіку. Оскільки вхідний опірКМОН елементів →/>, топри нульовому значенні напруги на вході першого і виході другого логічногоелемента, струм, що протікає від виходу першого елемента, буде заряджатиконденсатор. При досягненні порогової напруги на конденсаторі, на вході першогоелемента досягається рівень потенціалу, що забезпечує його перекомутацію, тобтона вході першого і виході другого елемента реалізується стан логічної одиниці,а в точці з’єднання логічних елементів – стан логічного нуля. Таким чиномконденсатор, який зарядився за перший півперіод виявляється перекомутованим,зліва він буде підключений до точки низького потенціалу, справа – до точки звисоким потенціалом. Це забезпечує його розряд і пере поляризацію протягомнаступного півперіоду. Далі релаксаційний процес продовжується.Генератори зчасозадаючим конденсатором
/>
Втаких схемах в якості часозадаючих елементів використовують конденсатор і ТТЛінвертор, при цьому, конденсатор працює в уніполярному режимі, тобто напруга найого обкладках не міняє знаку, а тільки змінюється від мінімального домаксимального значення.
/>/>/>
Вякості баластного (газозадаючого) елементу тут використовується вхідний опірТТЛ інвертора. В схемах з підвищеною швидкодією застосовують схеми генерування,в яких часозадаючими елементами виступають перехідні ємності та опори самихлогічних елементів. Тоді тривалість сигналів визначається тільки сумарноютривалістю фронту і спаду імпульсу самих ключових елементів.
Недолікомтаких схем є значний розкид технологічних параметрів елементів, що відповідноприводить до нестабільності генерованих коливань. В комп’ютерній техніці, длязабезпечення надійної роботи цифрових схем, частоту синхронізації потрібнопідтримувати з точністю до 1/1000. Для забезпечення такої точності в аналоговихсхемах застосовують спеціальні схеми термостабілізації і захисту від зовнішніхзавад. В цифрових схемах найпростіше реалізувати задану стабільність частоти здопомогою кварцових резонаторів у колах зворотного зв’язку.Одновібратори
/>/>/>
Навідміну від схеми мультивібраторів, в одновібраторних схемах додаткововикористовують коло живлення і коло запускаючого імпульсу на вході однієї злогічних схем. Таким чином для реалізації одно вібратора потрібно використатияк мінімум двовходові логічні комірки. За рахунок розділення входу керування івходу зворотного зв’язку C1R в схемі реалізується квазістабільний стан принаявності запускаю чого імпульсу Uкерування. При цьому умовою релаксаційногопроцесу є співвідношення: τк
/>

1) Для реалізаціїгенераторів імпульсів логічну 1 та логічний 0, використовують окремо схеми ззворотними зв’язками, де вхід і вихід розділені логічними елементами.
2)Загальна особливість таких схем є те, що один каскад використовується якчасозадаючий каскад, а другий – як керуючий. При цьому в першій схемі длягенерування додатного імпульсу процес зарядки конденсатора С1 визначаєтьсяввімкненим до виходу каскаду між клемами джерела живлення. При логічному нулюна виході елементу ДД1, конденсатор С1 заряджається через резистор R1, а при логічнійодиниці – розряджається через резистор R3. Тоді як в другій схеміпроцес перекомутації С2 забезпечується в першому півперіоді резистором R1, а в другомупівперіоді – діодом VД. Тривалість генерованих імпульсів визначається співвідношенням:
/>
7. Електроживлення аналогових і цифрових пристроїв7.1 Структура, класифікація та основні параметри джерел вторинного живлення електрообчислювальної техніки
/>
Всучасній електроніці та обчислювальній техніці використовуються джерелаживлення, побудовані за двома структурними схемами. Перша схема – традиційналінійна схема, що забезпечує перетворення енергії первинного джерела,найчастіше змінного струму у певну величину постійної напруги, необхідну дляживлення електронних каскадів. Вона складається з трансформатора, що забезпечуєперетворення енергії одного рівня до напруги іншого рівня, випрямляча, якийперетворює змінний струм у постійний, потужного фільтра, призначеного длявідділення змінної складової випрямленого струму від постійної складової істабілізатора, який забезпечує підтримання постійного значення вихідної напругичи струму при дії зовнішніх дестабілізуючих факторів (температура,електромагнітні завади).
/>