Исполнительные и логические устройства

Автоматика, отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения систем управления, действующих без непосредственного участия человека; в узком смысле - совокупность методов и технических средств, исключающих участие человека при выполнении операций конкретного процесса. Как самостоятельная область техники автоматизация получила признание на 2-й Мировой энергетической конференции (Берлин, 1930), где была создана секция по вопросам автоматического и телемеханического управления. В СССР термин "Автоматизация " получил распространение в начале 30-х гг.

Автоматизации как наука возникла на базе теории автоматического регулирования, основы которой были заложены в работах Дж. К. Максвелла (1868), И. А. Вышнеградского (1872-1878), А. Стодолы (1899) и др.; в самостоятельную научно-техническую дисциплину окончательно оформилась к 1940. История автоматизации как отрасли техники тесно связана с развитием автоматов, автоматических устройств и автоматизированных комплексов. В стадии становления автоматизации опиралась на теоретическую механику и теорию электрических цепей и систем и решала задачи, связанные с регулированием давления в паровых котлах, хода поршня паровых и частоты вращения электрических машин, управления работой станков-автоматов, АТС, устройствами релейной защиты. Соответственно и технические средства автоматизации в этот период разрабатывались и использовались применительно к системам автоматического регулирования. Интенсивное развитие всех отраслей науки и техники в конце первой половины 20 века вызвало быстрый рост техники автоматического управления, применение которой становится всеобщим.

Вторая половина 20 века ознаменовалась дальнейшим совершенствованием технических средств автоматизации и широким, хотя и неравномерным для разных отраслей народного хозяйства, распространением автоматических управляющих устройств с переходом к более сложным автоматическим системам, в частности в промышленности - от автоматизации отдельных агрегатов к комплексной автоматизации цехов и заводов.

Существенной чертой является использование автоматизации на объектах, территориально расположенных на больших расстояниях друг от друга, например крупные промышленные и энергетические комплексы, системы управления космическими летательными аппаратами и т. д. Для связи между отдельными устройствами в таких системах применяются средства телемеханики, которые совместно с устройствами управления и управляемыми объектами образуют телеавтоматические системы. Большое значение при этом приобретают технические (в т. ч. телемеханические) средства сбора и автоматической обработки информации, т. к. многие задачи в сложных системах автоматического управления могут быть решены только с помощью вычислительной техники. Наконец, теория автоматического регулирования уступает место обобщённой теории автоматического управления, объединяющей все теоретические аспекты автоматизации и составляющей основу общей теории управления.

В большинстве современных ЭВМ и цифровых устройствах различного назначения обработка информации происходит с помощью двоичного кода, когда информационные сигналы могут принимать только два значения: 1 и 0. Операции по обработке двоичной информации выполняют логические элементы.

Используя набор логических элементов, выполняющие элементарные логические операции И, ИЛИ, НЕ, можно реализовать в двоичном коде любую сложную логическую функцию.

Параметры логических интегральных микросхем.

1 Входное U¹_вх и выходное U¹_вых напряжение логической единицы – значение высокого уровня напряжения на входе и выходе микросхемы;

2 Входное U⁰_вх и выходное U⁰_вых напряжение логического нуля – значение низкого уровня напряжения на входе и выходе микросхемы;

3 Входной I¹_вх и выходной I¹_вых токи логической единицы, входной I⁰_вх и выходной I⁰_вых токи логического нуля;

4 Логический период сигнала U_{пор вх} – напряжение на входе, при котором состояние микросхемы изменяется на противоположное;

5 Входное сопротивление логической ИМС – отношение приращения входного напряжения к приращению входного тока (различают R⁰_вх и R¹_вх), выходное сопротивление – отношение приращения выходного напряжения к приращения выходного тока (различают R⁰_вых и R¹_вых);

6 Статическая помехоустойчивость – максимально допустимое напряжение статической помехи по высокому U¹_пом и низкому U⁰_пом уровням входного напряжения, при котором еще не происходят изменения уровня выходного напряжения микросхемы;

7 Средне потребляемая мощность P_{потр ср} = (P⁰_потр + Р¹_потр)/2 , где P⁰_потр и Р¹_потр – мощности, потребляемые микросхемой в состоянии соответственно логического нуля и единицы на выходе;

8 Коэффициент объединения по входу К_об, показывающий, какое число аналогичных логических ИМС можно подключить к входу данной схемы, и определяющий максимальное число входов логической ИМС;

Коэффициент разветвления по входу К_разв, показывающий какое количество аналогичных нагрузочных микросхем можно подключить к выходу данной ИМС, и характеризующий нагрузочную способность логической ИМС.

Классические виды логических элементов.

Наиболее распространенный тип интегральных микросхемы – аналоговые. Их ассортимент необычайно широк и разнообразен, но основное поле деятельности в звуковой технике (усилители и т.д.), поскольку они оперируют сигналами, уровень которых может меняться плавно, непрерывно, приобретая в процессе этих изменений бессчётное множество разных значений.

Дискретные (цифровые) применяются в компьютерных областях, там где нужны быстрые и чёткие сигналы.

Диодно-транзисторная логика.

Одним из первых семейств цифровой логики мы рассмотрим диодно-транзисторную логику. Основная схема ДТЛ приведена в соответствии с рисунком 1а. Если отбросит часть схемы, изображенную пунктиром, схема превращается в инвертор, и по ней можно построить передаточную характеристику U_x от U_a. Если напряжение на входе А равно 0, то диод VD₁ смещен в прямом направлении и напряжение U₁ равно +0,6 В. Эта величина недостаточна для открывания диодов VD₂ и VD₃ и перехода база-эмиттер транзистора VТ₁. Поэтому ток i₁ течет через диод VD₁, источник напряжения U_a и на землю. Транзистор VТ₁ закрыт, при этом U_x = +5 В. Если U_a увеличивается, то U₁ также растет до тех пор, пор пока не достигнет 1,2 В. При этом U₁ = 1,8 В. В этот момент VD₂, VD₂, VТ₁ открываются и ток i₁ течет через транзистор VТ₁ и переводит его в насыщение. Дальнейшее увеличение напряжение U_a запирает диод VD₁. но не может повлиять на величину U₁ или состояние транзистора VТ₁. Это относительно резкое изменение величины напряжение U_x от +0,5 В до величены на насыщенном транзисторе U_кэ
нас приведено, в соответствии с рисунком 1б. Из графика видно, что интервалы напряжений, соответствующие логическим состояниям 0 и 1, примерно равны

0≤U₀≤1.2 B

1.5≤U₁≤5 В

Практически U₀ обычно меньше 0,4 В, а U₁ очень близко к 5 В, что обеспечивает хороший шумовой запас по постоянному току.

Если на вход подано напряжение, соответствующее логической 1, то диод VD₁ смещен в обратном направлении и, следовательно, потребляет минимальную мощность с выхода предыдущей схемы. Однако если на входе поддерживается напряжение логического 0, то ток i₁ должен течь из входной клеммы элемента через насыщенный транзистор на землю. Это соответствует одной единичной нагрузке. Если к одному выходу подсоединено n входов, то насыщенный транзистор должен пропускать ток, в n раз больше чем i₁. Если n увеличивается, то будет расти и напряжение U_a, что эквивалентно увеличению напряжения выходного транзистора. Этот эффект приведен в соответствии с рисунком 1б, где передаточная характеристика изображена для случая одной выходной единичной нагрузки и для случая восьми единичных нагрузок (максимально допустимое количество для базового элемента ДТЛ).

Если к схеме, в соответствии с рисунком 1а, добавить второй диод для получения входа U_b, то напряжение U_x будет соответствовать логической 1, если хотя бы один из входов будет в состоянии логического нуля. Логический нуль на выходе можно получить только в том случае, если на обоих входах присутствует напряжение логической единице, т.е. логическая операция выполняемая данной схемой имеет вид:

Х =

Что соответствует операции НЕ-И. Добавлением дополнительных диодов для расширения объема входа число входов в базовом элементе ДТЛ НЕ-И может доведено до 20.

Если выходы двух (и более) ДТЛ элементов НЕ-И соединены вместе, результирующая схема осуществляет операцию И на выходов элементов НЕ-И. Из схемы видно, что если хотя бы на одном из двух выходов присутствует напряжение логического нуля, то общий выход находится в состоянии логического нуля. Если оба выхода элемента НЕ-И в состоянии логической 1, то на выходе – тоже логическая единица. Такое соединение называется проводным И. Выходная нагрузочная способность такой схемы должна быть уменьшена на одну единичную нагрузку для каждого дополнительного выхода проводном соединении, так как следует учитывать возможность шунтирования общего выхода коллекторными сопротивлениями транзисторов, выходные напряжения которых соответствуют логической единицы.

Задержка передачи для типичного элемента ДТЛ составляет 30 нс. Это сравнительно большая величена, во многих случаях оказывается вполне приемлемой.

Семейство диодно-транзисторной логики содержит элементы И, ИЛИ, НЕ-И, НЕ-ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Это семейство удобно для конструктора, так как имеет большой набор различных элементов. Большинство схем содержит несколько незадействованных входных клемм, которые рекомендуется соединять с положительным полюсом источника питания или заземлять. Это увеличивает помехозащищенность и уменьшает время задержки передачи.

Транзисторно-транзисторные логические элементы.

Простейший базовый элемент ТТЛ, в соответствии с рисунком 2а, за счет использования многоэмиттерного транзистора, объединяющего свойства диода и транзисторного усилителя, позволяет увеличить быстродействие, снизить потребляемую мощность и усовершенствовать технологию изготовления микросхемы.

Базовый элемент ТТЛ также выполняет логическую операцию И-НЕ. При низком уровне сигнала (логический 0) хотя бы на одном из выходов многоэмиттерного транзистора VT₁ последний находится в состоянии насыщения, а VT₂ закрыт. На выходе схемы существует высокий уровень напряжения (логическая единица). При высоком уровне сигнала на всех входах VT₁ работает в активном инверсном режиме, а VT₂ находится в состоянии насыщения. Описанный здесь базовые элемент ТТЛ, несмотря на прощеную технологию изготовления, не нашел широкого применения из-за низкой помехоустойчивости, малой нагрузочной способностью и малого быстродействия при работе на емкостную нагрузку. Его целесообразно использовать лишь при разработке микросхем с открытым коллектором, в соответствии с рисунком 2б, для включения внешних элементов индикации, когда не требуется высокая помехоустойчивость и большая нагрузочная способность.

Улучшенными параметрами по сравнения с предыдущей схемой обладает базовый элемент ТТЛ, в соответствии с рисунком 3. Однако объединение выходов в схеме не допустимо.

В статических режимах работы схемы, в соответствии с рисунком 3, VT₄ повторяет состояние VT₂. При запирании VT₂ база транзистора VT₄ через резистор R₃ подключается к “земле”, чем и обеспечивается закрытое состояние VT₄.

Если VT₂ насыщен, то через базуVT₄ протекает ток:

I_б4 = I_э2 – I_R₃ = [(E_к - U_кэн2 – U_бэ4)/a₂·R₂] – (U_бэ4/R₃)

Для транзисторов, выполненных по интегральной технологии, обычно принимают U_кэн= 0,2 В, U_бэ = 0,8 В.

Для обеспечения режима насыщения VT₄ при закрытых транзисторе VT₃ и диоде VD необходимо выполнить условие:

I_б4·В₄≥ I_кн = n·I⁰_{вх нагр}

Где: n – число нагрузочных ТТЛ-схем, подключенных к выходу рассматриваемой схемы;

I⁰_{вх нагр} – входной ток нагрузочной ТТЛ-схемы.

Положив в данное выражение знак равенства, можно определить нагрузочную способность данной схемы, т.е. максимальное число нагрузочных схем, при котором транзистор VT₄ еще работает в режиме насыщения:

n_maz = I_б4·В₄/ I⁰_{вх
нагр}

Состояние VT₃ в статических режимах работы схемы, в соответствии с рисунком 3, всегда противоположно состояниюVT₄, а следовательно, VT₂. При насыщенном VT₄ транзистор VT₃ закрыт. Диод VD повышает порог отпирания VT₃, обеспечивая его закрытое состояние при насыщенном транзисторе VT₄. Действительно:

U_бэ3 = U_кэн2 + U_бэ4 – U_кэн4 – U_д ≈ U_бэ4 - U_д < U_пор3

Так как типичны значения: U_бэ4 = 0,8 В; U_д = 0,7В; U_пор = 0,6В.

Помехоустойчивость ТТЛ-схем по высокому и низкому уровням входного напряжения различны, т.е. U⁰_пом ≠ U¹_пом.

ТТЛ-схема более чувствительна к помехе U⁰_пом, которая накладывается на сигнал U⁰_вх и вызывает ложное переключение схемы (U⁰_пом < U¹_пом). Схема, в соответствии с рисунком 3, считается подключенной, если под действием помехи U⁰_пом открываются транзисторы VT₂ и VT₄, для отпирания которых требуется двойное пороговое напряжение U_пор2 +U_пор4 ≈ 2·U_пор. Тогда условие сохранения первоначального состояния схемы при действии помехи можно записать как:

U⁰_вх + U⁰_пом + U_кэн1 ≤ 2U_пор

Откуда найдем:

U⁰_пом ≤ 2U_пор - U⁰_вх - U_кэн1

Приняв U⁰_вх = 0,2 В; U_пор = 0,6 В; U_кэн = 0,2 В, получим U⁰_пом ≤ 0,6 В

При определении U¹_пом схема считаются переключенной, если открывается закрытый переход база – эмиттер многоэмиттерного транзистора VT₁. В режиме логическое единицы на входе потенциал базы транзистора VT₁ относительно “земли” равен сумме напряжений на открытых переходах база-коллектор VT₁ и база-эмиттер VT₂ и VT₄, т.е. U_б1 = U_бк1 + U_бэ2 + U_бэ4 = 2,14 В. Тогда напряжение на закрытом переходе база-эмиттер VT₁: U_бэ1= U_б1 – U¹_вх. Принимая U¹_вх = 3,6 В, будем иметь U_бэ1= -1,2 В.

Напряжение помехи, при котором транзистор VT₁ можно считать открытым, U¹_пом = U_бэ1 – U_пор = -1,2 –0,6 = -1,8 В.

Помехоустойчивость ТТЛ-схемы со сложным инвертором по логическому нулю выше, а по логической единице, чем ТТЛ-схемы, в соответствии с рисунком 2а.

Быстродействие ТТЛ-схем определяется в основном переходными процессами при переключении транзисторов, а также зарядом паразитной нагрузочной емкости С_н, которая представляет собой суммарную емкость нагрузочных ТТЛ-схем. В схеме, в соответствии с рисунком 2а, заряд емкости С_н происходит с большой постоянной времени через коллекторный резистор R₂, что ухудшает быстродействие схемы.

В ТТЛ-схеме со сложным инвертором постоянная заряда нагрузочной емкости существенно уменьшается, так как емкость С_н заряжается через выходное сопротивление R_{вых 3} << R₂ транзистора VT₃, работающего в схеме эмиттерного повторителя. За счет этого ТТЛ-схема со сложным инвертором имеет большее быстродействие по сравнению с ТТЛ-схемой, в соответствии с рисунком 2а.

Схема базового элемента со сложным инвертором лежит в основе разработок большинства серий интегральных микросхем ТТЛ. Для расширения функциональных возможностей элемента промышленностью выпускают так называемые расширители по ИЛИ, в соответствии с рисунком 4а, которые представляют собой часть структуры ТТЛ и подключаются к точкам а и б элемента, в соответствии с рисунком 2. Полученная при этом логическая схема, в соответствии с рисунком 4б, реализует функцию И-ИЛИ-НЕ. На выходе схемы устанавливается логический нуль, если на всех выходах VT₁ поступают сигналы, соответствующие логической единице. При всех остальных комбинациях сигналов на выходах схемы выходное напряжение соответствует логической единице.

Повысить быстродействие ТТЛ-схем можно, применив в схеме базового элемента, в соответствии с рисунком 3, вместо обычных транзисторов транзисторы Шотки, работающие в активном режиме. Тем самым сокращается время переключения транзисторов схемы за счет исключения времени рассасывания носителей заряда в базе транзистора при их запирании. Логические ИМС, выполненные на базе транзисторов Шотки, называются микросхемами ТТЛШ.

Недостатком ТТЛ-схем является сильная генерация токовых помех по цепи питания, обусловленных броском тока через сложный инвертор при переключении схемы из состояния логического нуля в единицу. После запирания VT₂ транзистор VT₃ откроется раньше, чем закроется насыщенный транзистор VT₄, так как для выхода VT₄ из режима насыщения потребуется некоторое время для рассасывания неосновных носителей в базе. В результате в течении некоторого промежутка времени оба транзистора VT₃ и VT₄ открыты и по цепи, состоящей из элементов Е_к, VT₃, VD и VT₄, протекает ток, значение которого определяется эмитторным током VT₃, находящегося в активном режиме:

I_пом_max = I_э3 = I_б3 · В + I_б3 = I_б3(В+1)

Так как базовый ток транзистор равен:

То:

I_пом_max =

Для устранения влияния токовых помех, генерируемых данной микросхемой, на работу соседних микросхем рекомендуется включать высокочастотные блокировочные конденсаторы между шиной питания и землей.

Элемент И – НЕ с открытым коллектором предназначен для согласования логических схем с внешними исполнительными и индикаторными устройствами, например светодиодными индикаторами, лампочки накаливания, обмотки реле и т.д. Его отличие от ранее рассмотренного заключается в выполнении выходного усилителя мощности по однотактной схеме без собственного резистора. Принципиальная электрическая схема такого элемента приведена в соответствии с рисунком 5.

В данном элементе также отсутствует цепь нелинейной коррекции. Это связано с тем, что элемент ставится на выходе логического устройства и к нему в меньшей степени предъявляются требования квантования сигнала. Обычно выходной транзистор VT₃ схемы выполняется с большими допустимыми значениями коллекторного тока и напряжением, чем обычный элемент.

В отличии от стандартных, элементы ТТЛ с открытым коллектором допускают параллельное включение выходных выводов. При этом относительно выходных сигналов каждого элемента реализуется логическая операция И: U_вых = U_{вых 1}U_{вых 2} ... U_вых_n

Это позволяет решить две задачи:

1. Упростить схему проектируемого устройства за счет исключения дополнительных элементов, реализующих операцию И;

2. Обеспечить работу нескольких выходов на общую шину, т.е. реализовать режим работы с разделением информации по времени.

Базовые логические элементы эмиторно-связной логики.

Причиной появления БЛЭ ЭСЛ явилось желание повысить быстродействие цифровых устройств. Это желание привело к использованию в них совершенно отличного от ТТЛ схемотехнического решения. Как было показано выше, основными причинами инерционности ключей, выполненных на биполярных транзисторах, являются время рассасывания неосновных носителей из его базовой области и постоянная времени перезарядки выходной емкости. Если время рассасывания транзистора при работе последнего в активной области может быть полностью исключено, то от влияния постоянной времени перезаряда выходной емкости транзистора полностью избавиться не представляется возможным. Это влияние можно лишь уменьшить путем увеличения коллекторного тока транзистора, как это было сделано в БЛЭ ТТЛ серии 513. При неизменном постоянном токе перезарядка выходной емкости транзистора, длительность его перехода из состояния, классифицируемого как логического 0, в состояние, классифицируемого как логической 1 и обратно может быть уменьшено только за счет уменьшения логического перепада. Такое решение позволяет повысить быстродействие. Однако дается оно за счет снижения помехоустойчивости БЛЭ, что требует создания схем при прочих равных условиях менее подверженных действию помех. Этот принцип и использован при построении БЛЭ ЭСЛ.

Основой БЛЭ ЭСЛ является токовый ключ, выполненный на двух транзисторах, в соответствии с рисунком 6. На базу одного из них, например VT₂, подано некоторое постоянное опорное напряжение U_оп. Изменение напряжения подаваемого на вход х₀ ниже или выше U_оп приводит к перераспределению постоянного тока I_э, заданного токостабилизирующим резистором R_э, между транзисторами VT₁ и VT₂. При этом транзисторы не попадают в режим насыщения и, следовательно, в ключе принципиально отсутствует интервал рассасывания их неосновных носителей. Таким образом, особенностью БЛЭ ЭСЛ является постоянство потребляемого тока независимо от выходного сигнала ключа.

Эта особенность выгодно отличает БЛЭ ЭСЛ от БЛЭ ТТЛ, в котором момент переключения ток, потребляемый элементом, резко возрастет, создавая внутренние помехи, ухудшающие помехозащищенность цифрового устройства.

Не трудно заметить, что общей шиной является шина +U_п, в результате чего потенциалы точек схемы отрицательны относительно общей шины. Однако в схеме токового ключа так же, как и в схемах ТТЛ, реализован принцип положительной логики, при котором большему выходному напряжению соответствует сигнал логической 1, а меньшему – сигнал логического 0.

Быстродействие такого ключа весьма велико, так как, во-первых, транзисторы принципиально не заходят в область насыщения, и, во-вторых, мал логический перепад напряжений между значениями логического нуля и логической единицы. Последнее реализовано выбором малых сопротивлений резисторов R_к1 и R_к2 схемы, что крайне полезно с точки зрения уменьшения постоянной времени перезаряда выходной емкости транзистора.

С токового ключа снимаются одновременно два сигнала – прямой и инверсный, связанные с сигналом х₀ на входе схемы соотношениями:

y₁ = x₀

y₀ =

Следует отметить, что схемотехнически токовый ключ, в соответствии с рисунком 6, повторяет схему дифференциального усилителя постоянного тока.

Выходное напряжение, снимаемое с выходов y₁ и у₀ всегда больше U_оп, так как транзисторы VT₁ и VT₂ всегда работают в ненасыщенном режиме. Поэтому непосредственное последовательное включение нескольких таких ключей невозможно. Для этого необходим согласующий каскад. В качестве такого согласующего каскада используются схемы эммитерных повторителей включенных между выходами токового ключа и выходами элемента.

Полная схема БЛЭ, выполненного на основе токового ключа, приведена в соответствии с рисунком 7. Базовый элемент получен путем замены входного транзистора VT₁ токового ключа группой параллельно включе6нных транзисторов VT₁ – VT_n.

Функционально схему БЛЭ можно разбить на три узла:

1. Токовый ключ на транзисторах VT₁ – VT_n₊₁ и резисторе R_n₊₂;

2. Источник эталонного напряжения, включающий параметрический стабилизатор на элементах R_n₊₄, VD₁, VD₂, R_n₊₅ и эммиторный повторитель на VT_n₊₂ и R_n₊₃;

3. Выходные эммиторные повторители на транзисторах VT_n₊₃ и VT_n₊₄.

Цепь нагрузок транзисторов VT_n₊₃ и VT_n₊₄ вынесена из ИС БЛЭ, что способствует снижению рассеиваемой в ней мощности и расширению функциональных возможностей.

Диоды VD₁, VD₂ в задающей цепи источника эталонного напряжения служат для термокомпенсации напряжения U_оп.

Принцип действия и функциональные возможности БЛЭ ЭСЛ.

Предположим, что на все входы схемы, в соответствии с рисунком 7, х₀, ..., х_n_-1подано напряжение, близкое к –U_п. Тогда транзисторы VT₁ - VT_n будут заперты. Весь ток резистора R_n₊₂ протекает через транзистор VT_n₊₁, к выводу базы которого приложено напряжение U_оп. Этот транзистор поддерживается в активном режиме работы за счет действия глубокой последовательной отрицательной обратной связи по току. Если не учитывать обратные токи коллекторных переходов транзисторов VT₁ - VT_n, через резистор R_n протекает только базовый ток транзистора VT_n₊₃ выходного эммиторного повторителя. Следовательно, напряжение на выходе близко к нулевому

U_y₂ = -I_б_VTn₊₃· R_n – U_бэ_VTn₊₃

Численно напряжение U_y₂ примерно равно –0,9 В.

Через резистор R_n₊₁ кроме базового тока транзистора VT_n₊₄ протекает ток I_к_VTn₊₁, примерно равный I_э. Эти токи создают на резисторе R_n₊₁ падение напряжения, равное:

U_Rn₊₁= (I_к_n₊₁ + I_б_n₊₄)R_n₊₁ = [(I_э·h_21э)/(h_21э+ 1)+ I_б_n₊₄] ≈ I_э· R_n₊₁

Это напряжение преобразуется выходным эммиторным повторителем на транзисторе VT_n₊₄ в выходное напряжение U_y₁, определяемое выражением:

U_y₁ ≈ -U_бэ_VTn₊₄ – I_Э · R_n₊₁

Численно напряжение U_y₁ примерно равно –1,7 В.

Если хотя бы на один из входов схемы х₀, ..., х_n_-1 подано напряжение, превышающее по уровню U_оп (-1,3 В), соответствующий транзистор VT перейдет в активный режим работы. Его ток будет равен току I_э, что приведет к смене уровней выходного напряжения:

U_y₂ ≈ -U_бэ_VTn₊₃ – I_Э · R_n

U_y₁ = -I_б_VTn₊₄· R_n₊₁ – U_бэ_VTn₊₄

Из сказанного следует, что рассмотренная схема реализует по входу y₂ операцию ИЛИ-НЕ, а по выходу у₁ – операцию ИЛИ

у₁ = (х₀ + х₁ + ... + х_n_-1)

у₁ =

Резисторы R₀ – R_n_-1, включенные между базами транзисторов VT₁ – VT_n и выходом –U_n, обеспечивает запертое состояние этих транзисторов при отсутствии входного сигнала. Это позволяет не беспокоиться о подключении неиспользуемых входов ИС выводом источника питания.

Особенностью схемотехнического построения элементов ЭСЛ является использования для подключения общей шины собственно такого переключателя и выходных эммиторных повторителей различных выводов ИС. Потребляемый ток, протекающий в этих цепях, имеет качественно различный характер. Как было отмечено ранее, в принципе работы токового ключа заложено потребление принципиально постоянного тока, так как его работа связана с перераспределением тока эммиторного резистор R_э. Эммитерные же повторители потребляют импульсный ток. К тому же для улучшения частотных свойств сопротивления резисторов, подключаемых к выводам U₁ и U₂ ИС, выбираются весьма малыми (R_внешн = 75 ... 100 Ом). Поэтому совместное питание этих цепей из-за малой величены логического перепада может приводить к ложному срабатыванию соседних элементов, т.е. появлению сбоев при обработке информации (внутренних помех). Разделение цепей питания позволяет устранить этот недостаток.

Раздельное питание токовых ключей и выходных эммиторных повторителей позволяет дополнительно решать задачу снижения мощности, рассеиваемой в реальной аппаратуре. Так как выходное напряжение элемента лежит диапазоне –0,9 ... – 1,7 В, то для питания внешних резисторов может быть использовано напряжение, не превышающее 2 В. Такое решение при малых сопротивлениях R_внешн позволяет значительно уменьшить бесполезные потери мощности.

Рассмотренные функциональные возможности БЛЭ ЭСЛ простыми схемотехническими приемами могут быть существенно расширены. Для этого, как правило, используется два приема:

1. Совместное включение выходов нескольких элементов на общую нагрузку;

2. Многоярусное включение переключателей тока.

Первый прием использует свойство эммиторных повторителей поддерживать высокий уровень выходного напряжения, если хотя бы один из параллельно соединенных транзисторов включен.

Второй прием базируется на последовательном (многоярусном) включении токовых переключателей, что позволяет реализовать более сложные логические функции.

Схемотехника БЛЭКМОП-типа.

Увеличение быстродействия ИС МДП требует увеличения токов перезаряда емкостей нагрузки. Однако это, как было показано ранее, ограничивается ростом потребляемой мощности и увеличением нестабильности выходных логических уровней. Преодолеть указанное противоречие можно либо технологическим путем, создавая транзисторы с меньшей входной емкостью, либо схемотехническим путем, применяя схему ключа на транзисторах с каналами различного типа (комплементарные транзисторы). Эти ключи, с одной стороны, позволяют значительно увеличить токи перезаряда емкости нагрузки, а с другой,— максимально уменьшить мощность, рассеиваемую в элементе. Напомним, что ключ на комплементарных транзисторах при правильном выборе параметров входящих в него элементов в статическом режиме работы практически не потребляет мощность от источника питания.

Потребляемая элементом мощность в статическом режиме тождественно равна мощности, отдаваемой им в нагрузку. А так как нагрузкой элемента являются входные цепи аналогичных элементов, носящие чисто емкостный характер, то мощность, отбираемая от источника питания, расходуется только в динамическом режиме на перезаряд этой емкости, т. е. имеет минимально возможное значение.

В соответствии с рисунком 8, приведена принципиальная электрическая схема и в соответствии с рисунком 9, срез топологии транзисторного ключа, используемого в ИС КМОП.

Она может быть разбита на три части: входной диодно-резисторный ограничитель напряжения; собственно ключ на КМОП-транзнсторах; выходная диодная цепь.

Входное сопротивление транзисторов, используемых в схеме ключа, достигает значений до 10¹² Ом. При толщине изоляции между затвором и полупроводником порядка 50 ... 70 мкм его собственное пробивное напряжение составляет порядка 150 ...200В. Это предполагает введение в элемент специальной схемы защиты от статического электричества, которое может попасть на его вход в процессе хранения или монтажа. Роль этой схемы выполняет входной диодно-резистивный ограничитель на элементах VD₁,VD₂, VD₃ и R₁. Данная схема ограничивает напряжение на входе транзисторного ключа в диапазоне от —0,7 В до На +0,7 В.

Элементы выходной диодной цени (VD₄, VD₅, VD₆) образованы соответствующими областями самого транзисторного ключа и с точки зрения его работы не являются обязательными. Наличие этих диодов накладывает дополнительные ограничения на использование элемента. Всегда должно выполняться неравенство

│U_вх - U_вых │< U_п

В противном случае диоды входного ограничителя и выходной цепи могут открываться, закорачивая цепь питания элемента. Последнее может быть причиной его пробоя. Поэтому напряжение питания на КМОП-схсмы должно всегда подаваться до включения и сниматься после отключения входного информационного сигнала.

Схемотехнически БЛЭ КМОП-типа повторяют схемы элементов nМОП- и рМОП-типов. Отличие состоит в том, что всегда используются пары транзисторов. При этом если для реализации заданной логической функции транзисторы с каналом л-типа включаются последовательно, то парные им транзисторы р-типа включаются параллельно и наоборот. В качестве примера, в соответствии с рисунком 10, приведены принципиальные электрические схемы, реализующие логические операции 2И—НЕ и 2ИЛИ—НЕ. Для упрощения на приведенных схемах не показаны элементы входных и выходных цепей ключа.

К особенностям схем БЛЭ следует также отнести отсутствие дополнительного нагрузочного транзистора. Его роль выполняет один из транзисторов ключа.

Анализ схем позволяет сделать важный практический вывод о том, что аналогично БЛЭ ТТЛ для БЛЭ КЛЮП параллельное включение нескольких их выходов запрещено.

В соответствии с таблицей 1, приведены наиболее важные параметры БЛЭ кмоп.

Следует также отметить, что КМОП-элементы обладают высокой помехоустойчивостью до 40% напряжения питания.

Таблица 1

U¹_вых_min

U⁰_вых_mi_х

t_{зр ср}

нс

F_max

мГц

I_потр

мкА

U_п

К_раз

С_вх

пФ

0,3

30 (С_н = 15 пФ)

100 (С_н = 100 пФ)

БЛЭ Интегрально-инжекционной логики.

Для повышения технологичности изготовления желательно при разработке ИС применять схемотехнические решения, использующие только однотипные элементы, например транзисторы. Этот путь, как было показано ранее, реализован в ИС МДП, что наряду с другими достоинствами является причиной их широкого распространения. Однако, как уже отмечалось, ключ на биполярных транзисторах на сегодняшний день обладает лучшими как ключевыми, так и частотными свойствами. Это является предпосылкой к постоянному поиску новых схемотехнических решений для реализации биполярных ИС. Такой поиск привел к почти одновременной разработке фирмами Philips и IBM элемента интегральной инжекционной логики (И²Л). Срез топологии и соответствующая ему принципиальная электрическая схема БЛЭ И²Л приведены в соответствии с рисунком 11, а, б.

Особенностью элементов И²Л является:

1. Отсутствие резисторов, что резко упрощает технологию производства МС;

2. Использование токового принципа питания, при котором в ИС задается не напряжение, а ток, который непосредственно инжектируется в область полупроводника, образующего структуру одного из транзисторов;

3. Пространственное совмещение в кристалле полупроводника областей, функционально принадлежащих различным транзисторам. При этом структура располагается как по горизонтали (планарно), так и по вертикали. Такое решение позволяет отказаться от применения специальных решений для отделения областей, принадлежащих различным элементам, как это необходимо делать в элементах ТТЛ и ЭСЛ.

4. Малое значение логического перепада, что позволяет максимально увеличить быстродействие элемента.

В приведенной схеме, в соответствии с рисунком 11, б, многоколлекторный транзистор VT2 выполняет функцию инвертирования входного сигнала, а транзистор VT1 — генератора (инжектора) базового тока транзистора VT2. К особенностям элемента следует отнести и постоянство тока инжектора во всех режимах работы элемента. Ток инжектора задается резистором R, который, как правило, выполняется общим на группу элементов.

В соответствии с рисунком 11,а видно, что транзистор VT1 образован планарной структурой, а многоколлекторный транзистор VT2 — вертикальной структурой. Причем, так как площадь каждого коллектора транзистора VT2 меньше площади его эмиттера, этот транзистор, по сути, работает в инверсном режиме, что способствует уменьшению его напряжения насыщения. Все сказанное позволило разместить весь элемент И²Л на площади, занимаемой в схеме ТТЛ одним многоэмиттерным транзистором.

Важной особенностью элемента И²Л является возможность, варьируя ток инжектора в широких пределах, изменить его быстродействие. Реально ток инжектора может изменяться от 1 нА до 1 мА, т. е. на 6 порядков. А поскольку при заданной схемотехнике энергия переключения элемента—величина непостоянная, в таких же пределах может изменяться и быстродействие элемента. Важно, что для этого не требуется никаких схемотехнических изменении в элементе.

Принцип действия схемы И²Л заключается в следующем. Допустим, внешний сигнал на входе элемента (база транзистора VT2) отсутствует, что соответствует сигналу логической 1. В этом случае ток инжектора, втекая в базу транзистора VT2, насыщает его. На его коллекторах, а следовательно, и на выходных выводах элемента присутствует напряжение низкого уровня, равное напряжению насыщения транзистора VT2. Реально это 0,1 В ... 0,2 13.

Если база транзистора VT2 непосредственно или через насыщенный транзистор подключена к общей шине, то выполняется условие U_вх < U_бэ0 и транзистор VТ2 заперт, так как ток инжектора замыкается на общую нишу, минуя его эмиттерный переход. В этом случае напряжение на его коллекторах определяется внешними цепями. При последовательном включении нескольких инверторов это напряжение равно напряжению эмиттерного перехода последующего транзистора. Таким образом, для БЛЭ И²Л справедливы следующие соотношения:

U⁰ = 0.1…0.2 B U¹ = 0.6…0.7 В

Из приведенных соотношении следует, что логический перепад для БЛЭ И²Л составляет 0,4 ...0.6 В.С использованием приведенной схемы могут быть реализованы основные логические операции И—НЕ и ИЛИ—НЕ. В соответствии с рисунком 12, показана логическая схема, построенная на трех инверторах И²Л.

Особенностью элементов И²Л является возможность параллельного включения нескольких их выходов. Из приведенной схемы следует, что при параллельном включении нескольких выходов в общей точке относительно входных переменных реализуется логическая операция ИЛИ—НЕ. Относительно же выходных сигналов элементов реализуется логическая операция И. Таким образом, если не требуется гальваническое разделение между входными и выходными сигналами, то логическая операция И выполняется без каких-либо дополнительных схемотехнических затрат простым объединением соответствующих выходов БЛЭ. После инвертирования результата выполненной операции ИЛИ—НЕ дополнительным элементом относительно исходных входных переменных реализуется логическая операция ИЛИ, а относительно выходных сигналов первых элементов — операция И—НЕ.

Таким образом, БЛЭ И²Л позволяет максимально унифицировать структуру ИС, снизив площадь ее кристалла, и либо уменьшить ее потребление, либо повысить быстродействие.

Типовое время задержки распространения БЛЭ И²Л при токе инжектора 0,1 мкА составляет 10нс. При этом энергия переключения для этого элемента па несколько порядков меньше, чем для элемента ТТЛ.

Ввиду небольшой помехоустойчивости, обусловленной малым логическим перепадом, БЛЭ И²Л используются исключительно в составе БИС и СБИС и как отдельные ИС малой степени интеграции не выпускаются. При этом входные и выходные цепи ИС, выполненных по технологии И²Л, делаются совместимыми по логическим уровням с сигналами ТТЛ.

Исполнительные устройства.

Они применяются для непосредственных воздействий на управляющий объект или его органы управления. Исполнительные устройства должны удовлетворять требованиям:

1. Мощность должна быть выше мощности необходимой для приведения в движение объекта управления или его органов во всех режимах работ;

2. Статические характеристики должны быть по возможности линейными и иметь минимальные зоны нечувствительности;

3. Регулирование выходной величины должно быть по возможности простым и экономичным;

4. Должны иметь малую мощность управления.

Исполнительные устройства по конструкции и принципу действия могут быть: электрическими, механическими, гидро- и пневматическими, а также комбинированными. Но наиболее распространены электрические:

а) Электродвигатели постоянного тока.

В зависимости от способа возбуждения могут быть с параллельным, последовательным, смешанным и независимым возбуждением. Достоинства заключаются в широком и бесступенчатом диапазоне регулирования частоты вращения, её простоту; жёсткие механические характеристики и малая инертность. К недостаткам относят сложность конструкции, сравнительно низкую надёжность работы и требуют преобразования переменного тока в постоянный.

б) Электродвигатели переменного тока.

Они делятся на синхронные и асинхронные (трёхфазные с короткозамкнутой обмоткой ротора). Они имеют малые габариты, просты по конструкции, благодаря отсутствию подвижных частей обеспечивают высокую надёжность и жёсткие механические характеристики. Но в следствии малые перегрузочные способности. Узкая и ступенчатая регулировка частоты вращения может устранятся путём применения полупроводниковых преобразователей изменяющих напряжение питания.

в) Шаговые электродвигатели.

Используются в приводах подач станков с программным управлением, как замена электродвигателей постоянного тока. При их использовании не надо ДОС.

Они представляют собой электромеханические устройства, которые преобразуют электрические импульсы в дискретные (угловые) перемещения ротора электродвигателя. На статоре установлены три пары полюсов с тремя обмотками, на которых последовательно подаётся электрический ток. При подаче его на одну пару полюсов возникает магнитное поле. Если ось ротора не совпадает с направлением магнитных линий (силовыми) ротора, то возникают тангенциальные силы, которые поворачивают ось ротора до его совпадения с силовыми линиями магнитного поля. При подаче тока на следующую пару полюсов происходит следующий поворот ротора. Подавая ток в последовательности: 1ф-(1ф+2ф)-2ф-(2ф+3ф) и т.д. можно увеличить точность отсчёта в два раза, так как при подаче питания на две обмотки ротор будет поворачиваться до срединного положения между ними.

г) Электромагниты.

Применяются для обеспечения быстрых перемещений на ограниченные расстояния и с ограниченными силами. Основное достоинство в простоте конструкции.

д) Электромагнитные муфты.

Наиболее распространены в станках с ПУ за счёт переключения кинематических цепей на ходу. Главные недостатки в малом быстродействии и механическом износе.

Список используемой литературы

1. Гусев В. Г., Гусев Ю. Н. “Электроника” Москва 1991г

2. Игумнов Д. В., Королев Г. В., Громов И. С. “Основы микроэлектроники” Москва 1991г

3. Нефедов В. И. “Основы радиоэлектроники” Москва 2000г

4. Опадчий “Аналоговая и цифровая электроника” Москва 1999г

5. Сентурия С., Уэдлок Б. “Электронные схемы и их применения” Москва 1977г

5rik.ru

Материалы для учебы и работы