Цифровые устройства и микропроцессоры (ЦУ и МП)

М.: Издательский центр «Академия», 2005. .- 400 с.
Гусев В.Г., Гусев Ю.М.  Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов.- 5-е изд., стер.- М.: Высш. шк., 2008.- 797 с.
Нарышкин А.К. Цифровые устройства и микропроцессоры.-2-е изд.-М.:Академия,2008.- 320 с.
Калабеков В.А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов: Учеб. пособие для вузов М: РиС 1988 г.
Кузин А.В. Микропроцессорная техника: Учебник для сред. проф. образования. — М.: Издательский центр «Академия», 2004.- 304 с

для втузов.- СПб.: Политехника, 1996. - 885 с.
Янсен Й. Курс цифровой электроники: В 4-х т. Т.4. Пер. с Голланд.-М.:Мир, 1987.
Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем: Справочник: В 2 т./ Под ред. В. А. Шахнова. - М.: Радио и связь, 1988. - Т. 1.-368 с.
Гуртовцев А. Л„ Гудыменко С. В. Программы для микропроцессоров: Справ. пособие. - Мн.: Высш. шк., 1989. - 352 с.
Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. Каган Б.М., Сташин В.В. М: Энергия 1987 г.
Страница кафедры на сайте МГТУ им. Н.Э. Баумана http://www.bmstu.ru/~rl1/courses/dmpt/ - материалы для самостоятельной проработки курса на сайте кафедры РЛ-1.

ключевые схемы, формирователи импульсов и импульсные генераторы, ЛЗ и т.п.

Задачи импульсной техники (ИТ)
Формирование импульсов
В линейных и нелинейных электрических цепях
формирование импульсов необходимой длительности и формы,
формирование импульсных последовательностей необходимой частоты и скважности.
2) Генерирование импульсов
с самовозбуждением,
с внешним запуском.
3) Управление импульсами
управление их положением во времени и учет (счет) импульсов

вычислительных операций.

Цифровые устройства и микропроцессоры (ЦУ и МП)
Оперируют с сигналами, имеющими два информационных состояния:
«1» - «включено», наличие импульса Е1,
«0» - «выключено», отсутствие импульса Е0.
Операции, выполняемые цифровыми сигналами описываются логическими функциями подчиняются законами алгебры Буля и являются операциями преобразования информации.

От обработки импульсных сигналов зависят параметры управляющих устройств: быстродействие, предельная частота работы, амплитудные и другие характеристики.

интервалы между импульсами одинаковые.
Переходный процесс - это время, за которое происходит изменение тока (напряжения) до установившегося значения при воздействии на цепь скачка тока (напряжения).
Переходный процесс не учитывают, если он полностью закончился до прихода следующего импульса.
В реальной цепи возникают искажения вызываемые наложением переходного процесса на начало последующих импульсов.
Понятие импульса связано с параметрами цепи, и не для всякой цепи данный сигнал можно считать импульсным.

вершины импульса.

Прямоугольные или видеоимпульсы (ВИ)

Um - наибольшая (средняя) величина импульса.
tф, tср и tи - активные длительности фронта и среза и длительность импульса.

Идеальный
t<0 u=0;
0t>tи u=0
Um – величина импульса

огибающей аналогичны видеоимпульсу.
Дополнительный параметр несущая частота f0 или ω0=2πf0.

t

. Радиоимпульсы (РИ).

Нет постоянной составляющей

Радиоимпульсы получают путем модулирования высокочастотных колебаний по амплитуде.

Огибающая радиоимпульса имеет форму видеоимпульса.

длительность прямого хода,
Тобр – длительность обратного хода

Коэффициент нелинейности.

Реальный

t ср - активная длительность среза.

импульса tср.

tф=2,2τ

Решим первое и второе уравнение:

tф=t0,9 - t0,1

t0,1=0,1 τ,
t0,9=2,3 τ

tф=t0,9 - t0,1

tср=2,2τ

импульсов эти выражения принимают вид:

F= 1/T, Q = T/tи, Кз = 1/Q.

Периодическая последовательность импульсов
характеризуется:
F – частотой следования или
T – периодом повторения импульсов,
Q – скважностью или
Кз – коэффициентом заполнения:

и МП устройств.

Электронные ключи ЭК при подачи управляющего сигнала принимают два (реже три) состояния.

ЭК строят диодах, БПТ и ПТ –транзисторах в дискретном или интегральном исполнении.

Основные характеристики ЭК: быстродействие, длительность фронтов, Rвх и Rвых в открытом и закрытом состоянии,  потребляемая мощность, помехоустойчивость, стабильность пороговых уровней,  надежность работы в реальных условиях старения радиодеталей, нестабильности источников питания и т.д..

Ключ – элемент, который под воздействием управляющего сигнала производит различные коммутации (источников питания, активных элементов и т.д.).

(ВАХ).
Токи и напряжений в нелинейной эквивалентной схеме (ЭС) описываются нелинейными дифференциальными уравнениями
Решения производят итерационными методами. Приближение к точному решению возможно только с применением компьютерных технологий.
Для импульсного сигнала упрощают ЭС, и используют кусочно-линейную аппроксимацию НЭ.

Диоды и особенности работы диодов в ключевом режиме.
Используют: точечные, плоскостные, диффузионные, с барьером Шотки (ДБШ контакт металл-полупроводник), стабилитроны, диоды с накоплением заряда.

переходе, т.е. диод обладает C(u) подключенной параллельно p-n переходу.
C - диффузионная перераспределение зарядов в базе
С - барьерная перераспределение зарядов в переходе.
При прямом смещение – С диффузионная
При обратном – С барьерная

быстродействующими в настоящее время являются ДБШ. Нет диффузионной емкости.

В импульсном режиме величина барьерной емкости Сбар оказывает большее влияние на работу схемы :
т.к. Rобр>>Rпр RобрCбар>>RпрCдиф

Ег>Е0н [B] диод закрыт Uвых = E0н [B] Е1

Е0 Ег=0 В Uвых = 0 В Е0
Е1 Ег=>e0 B Uвых = (Ег-e0)B Е1

уровню логической Е1 .
Наличие е0 не позволяет строить сложные логические схемы на диодных ключах, т.к. при их каскадирование происходит сближение уровней.

Каскадирование диодных ключей

= См+Сн - емкость монтажа и цепей нагрузки.
Сд - пренебрегают при ВЧ диодов,
Cб – пренебрегают если Сб << С0,

при включении

при выключении

ДК с учетом Сб, Сн и См

закрывается.

Далее емкость C0 заряжается через R0н, и (Rг+Rобр)
(Rобр+Rг) можно пренебречь - Rобр→∞

Если перенести начало координат, то

При большом Rобр происходит скачек ΔU за счет Сб

уровне:
для режима А при котором Ег>=E0н установившееся Uвых=Е0н,
для режима С - Ег

Длительность фронта включения находят из уравнения:

Пример:
Если полагаем Ег = 0,9Е’0н: tф= τз ln10 tф= 2,3τз.
2) Если полагаем Ег =0,5 Е’0н : tф= τз ln2 tф = 0,7 τз

Вывод: для повышения быстродействия выгодно не полностью закрывать диод.

Rпр.

Во всех режимах равна: tср = 2,2 τр.

Длительность спада импульса

τр<<τз

обработки сигналов.

Логические функции И и ИЛИ

U1вых = (E11)и(E21)и(E31) – информационный сигнал «1» - функция «И».

U0вых=(E10)или(E20)или(E30) – информационный сигнал «0» - функция «ИЛИ».

диоде e0 (Uд пр ) , при многокаскадном включении диодной логики происходит сближение логических уровней E0 и E1, как самостоятельный логический элемент диодные ключи используются редко.

- За счет отсутствия Сд ДБШ быстродействующие. Время переключение может быть достигнуто < 1 нс.

В реальных схемах очень часто диод получают из транзистора.

Выводы

- Диодные ключи используют для построения логических схемы И и ИЛИ

- Быстродействие схемы можно увеличить за счет не полного закрывания диода.

каскад находится в активном режиме, которому соответствуют линейные характеристики транзистора.
Ключевая схема находится в одном из статических режимов: отсечки (закрыт) или насыщения (открыт и насыщен).

Назначение транзисторных ключей: коммутация (переключения) тока в цепи нагрузки или создание двух резко отличающихся уровней напряжения на нагрузке под воздействием внешних управляющих сигналов.

«Основы транз. и транзисторных схем» И.П.Степанко (несколько выпусков).

в прямом, а коллекторный - в обратном направлении:
Uбэ>0, Uкэ=Eк-IкRк, Iк=βIб+Iк0(1+β) ≅ βIб, Iк = αIэ+Iк0 ≅ αIэ , Iэ =Iк+Iб, Iб Iб и Iк – в режиме линейных характеристик,
Iк0 - тепловой ток коллектора,
Iбн, и Iкн - токи насыщения,
α- коэффициент передачи Iэ в цепь коллектора транзистора.
β - коэффициент передачи Iб в цепь коллектора транзистора.
α =β/(β+1), β=α/(1-α)

базе подключены два источника:
- ЭДС входного сигнала Ег= Е0,
источник тока Iк0.

При определении Uбэ пользуются наложением ЭДС: не участвующие в расчете источники ЭДС считаются КЗ, а все источники токов разомкнутыми.

На входных характеристиках - Uбэ<0,
На выходных только одна кривая, где Iб≈0 .

Uбэ<0, Iб=-Iк0, Iк=Iк0, Iэ=0, Uкэ=Eк-Iк0Rк ≅ Eк.

Если известны все параметры схемы, то нужно найти Uбэ и проверить Uбэ<=0?

Eг (в случае если при Е0 Eг >0).
Возникает необходимость введения (–Eсм ) для надежного запирания ключа.

При Ег=0: Iк0R1R2/(R1+R2) +(-Eсм) R1/(R1+R2) <0,

R2<|Eсм/Iк0|.

При Ег≠0:

и насыщен
На входных характеристиках соответствует кривая, где Uкэ≅0, на выходных - начальные участки кривых.

Iк0 (Т мах) = Iк0(+20С)

Iк0 (Т мах) = Iк0(+20С)

- для кремниевых транзисторов.

- для германиевых транзисторов.

Чтобы транзистор не открылся в расчете учитывают Iк0=Iк0 мах,
который соответствует току при максимальной рабочей температуре:

Должны выполняться следующие соотношениями:

Iкн=Eк/Rк, Iбн= Iкн/β = Eк/βRк, Uбэ>0, Uкэ≅0, Iб>Iбн.

– имеет направление соответственно стрелке.

Учитывая, что в режиме насыщения rвх транзистора ≅ 0 и Uбэн≈0
I1=Eг/R1.
I2=Eсм/R2.
Ток базы транзистора равен:

Для насыщенного режима представим входную цепь ключа

Iб = Eг /R1+(-Eсм/R2).

Для режима насыщения: Iб>Iбн Iбн= Iкн/ β = Eк/(Rкβ)

Iб>Eк/(Rк.β)

S= Iб/Iбн –коэффициент насыщения.
Если S>1 ключ - насыщенный

разделить на три стадии:
задержка фронта, стадия запаздывания;
формирование положительного фронта;
накопление избыточного заряда.
Процесс выключения (размыкания) на две стадии:
рассасывания избыточного заряда,
формирование времени спада.

Анализ переходных процессов можно делать, решая уравнения непрерывности. Проще анализировать переходные процессы, используя «метод заряда». Подробно этот метод описан Степаненко И.П. «Осн. теории транз. и транз. схем». С.390.

при форсированном включении и выключении

Приближение к такой форме Iб достигается за счет С-ускоряющей в базовой цепи.

емкости в базовой цепи:
τсу = Су (Rб+RГ+rб) = СуRэкв,
Вследствие нелинейности rб τсу оказывается различной при включении и выключении. Обычно считают (выбирают) τсу ≤ tи

последующем насыщении. Сус

Еф такое, что Iкн-н(ненасыщ. тран.)< Iкн

2) Ненасыщенные ключи.
Два способа:
а) фиксация коллекторного потенциала
б) нелинейная обратная связь.

а) Если Еф>Uкн, то при достижении на коллекторе напряжения Uк= Еф-Uпр д диод открывается и на коллекторе фиксируется это напряжение Uк.

направлении.

Диод открывается и тем самым начинает работать обратная связь при токе коллектора:

Из этого соотношения можно найти напряжение открывания диода (Eф+Uбэ -Uдпр)≥Eк-IкRк, и транзистор фиксируется в активном режиме.

при Uкэ ≤ UА=Еф.

Сопротивление R выбирается, чтобы Еф >Uпр (Uбэ≈0 и Uкэ≈0 ):

0

UA=Eф

0

входит в режим глубокой отсечки.

В схеме фиксирующий диод включают наоборот и Еф выбирают не много меньше Ек.
Когда потенциал коллектора становиться больше Еф диод открывается и Uк ≅ Еф.
В результате фронт выключения становиться короче и дальше при включении уменьшается время на перезаряд емкостей.

позволяющая режим насыщения.

Нелинейная ОС не позволяющая режим насыщения.

что соответствует Rвх>1014 Ом.
Управление Ic происходит при изменении Uз.

n-p и p-n- типа в зависимости от проводимости канала.

ПТ с затвором в виде закрытого – перехода (с управляющим p-n переходом).

Работают только в режиме обеднения, это левая сток-затворная характеристика

типов n и p.
Работают МОП в режиме обогащения и обеднения.

Проходные IC=f(Uз) характеристики

МОП-транзисторам обогащенного типа соответствует «правая» сток-затворная характеристика

отсечки, активный и насыщения.
Так как ПТ управляется U (Rвх велико), то на эквивалентных схемах входная цепь представлена входной емкостью Сзи.

Основной недостаток ПТ большие емкости Сзи, Сзс и Сси, что при большом Rвх приводит к увеличению времени на их перезаряд и соответственно ограничивает рабочую частоту.

ПТ имеют высокий выходной импеданс, в результате чего имеют невысокую нагрузочную способность.

Быстродействие ПТ