Основы электроники

При выборе микросхемы стабилизатора необходимо знать напряжение и ток нагрузки, а также электрические характеристики нестабилизированного блока питания.

 

4. Типы усилителей на транзисторах

 

Усилители – это электронные цепи, которые используют для увеличения амплитуды электронного сигнала. Цепь, рассчитанная на преобразование низкого напряжения в высокое, называется усилителем напряжения. Цепь, рассчитанная на преобразование слабого тока в сильный, называется усилителем тока. В современной электронике основными усилительными устройствами являются транзисторы.

Существует несколько способов включения транзистора в цепь: схема с общей базой, схема с общим эмиттером и схема с общим коллектором. В каждой из этих схем один из выводов транзистора служит общей точкой, а два других являются входом и выходом, при этом на переход эмиттер-база подаётся напряжение смещения в прямом направлении, а на переход коллектор база – в обратном. Каждая схема имеет преимущества и недостатки и может быть собрана как с p-n-p, так и с n-p-n транзистором.

В схеме с общей базой (рис. 17) входной сигнал подаётся в цепь эмиттер-база, а выходной снимается с цепи коллектор-база. База является общим элементом для входа и выхода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В схеме с общим эмиттером (рис. 18) входной сигнал подаётся в цепь эмиттер-база, а выходной сигнал снимается с цепи коллектор-эмиттер. Эмиттер является общим для входа и выхода. Этот способ включения транзистора используется наиболее широко.

В схеме с общим коллектором (рис. 19) входной сигнал подаётся в цепь база-коллектор, а выходной сигнал снимается с цепи эмиттер-коллектор. Здесь коллектор является общим для входа и выхода.

В таблице 1 приведены входные и выходные сопротивления, а также величина усиления по напряжению, току и мощности для трёх схем включения транзистора.

 

Таблица 1

Тип цепи	Входное сопротивление	Выходное сопротивление	Усиление по напряжению	Усиление по току	Усиление по мощности
Общая база	Десятки Ом	Сотни кОм – единицы МОм	Несколько сотен	Меньше единицы	Несколько сотен
Общий эмиттер	Тысячи Ом	Десятки–сотни кОм	Несколько десятков	Несколько сотен	Несколько  тысяч
Общий коллектор	Десятки-сотни кОм	Десятки-сотни Ом	Меньше единицы	Несколько сотен	Несколько десятков

 

Поскольку цепи с общим эмиттером используются наиболее часто, мы их опишем более детально. Те же принципы применимы и к цепям с общей базой и общим коллектором.

На рис. 20 изображён транзисторный усилитель с общим эмиттером, использующий один источник питания. Источник питания обозначен +V. Символ заземления является отрицательным выводом источника питания V. Один источник питания обеспечивает подачу смещения для переходов база-эмиттер и база-коллектор. Два резистора (RБ и RК) используются для распределения напряжения, обеспечивающего правильную работу. Резистор RК, сопротивление нагрузки коллектора, соединён последовательно с коллектором. Когда через коллектор течёт ток, на резисторе RК появляется падение напряжения. Падение напряжения на резисторе RК и падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в сумме должны равняться приложенному напряжению.

Резистор RБ, соединяющий базу с источником питания, управляет величиной тока базы. Ток базы, текущий через резистор RБ, создаёт на нём падение напряжения, составляющее большую часть напряжения источника питания. Меньшая часть этого напряжения падает на переходе база-эмиттер транзистора, обеспечивая правильное прямое смещение.

 

5  Элементы цифровых электронных цепей

 

В основе цифровой электроники лежит двоичная система счисления. Для записи чисел в двоичной системе нужны только две цифры – ноль (0) и единица (1). Двоичная система счисления используется в цифровых цепях благодаря тому, что двоичные цифры легко представить в виде двух напряжений – высокого и низкого. Данные в двоичной системе представляются двоичными цифрами, которые называются битами. Термин бит означает двоичная цифра (разряд) (binary digit).

Всё цифровое оборудование, от простого до сложного, сконструировано с использованием небольшого количества основных схем. Эти схемы, называемые логическими элементами, выполняют некоторые логические функции с двоичными данными.

Рассмотрим некоторые логические схемы.

Элемент И – это логическая схема, на выходе которой 1 появляется только тогда, когда на все его входы поступает сигнал 1. Если на какой-либо из входов поступает 0, на выходе появляется 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 21 показаны стандартные обозначения, используемые для элементов И. Элемент И может иметь любое количество входов, большее одного. Показанные на рисунке обозначения представляют наиболее часто используемые элементы с двумя, тремя и четырьмя входами.

Состояние и логическую связь между входными и выходными сигналами элемента И отражает так называемая таблица истинности (таблица 2), которая показывает выходное состояние двухвходового элемента для любых возможных состояний входов: А и В – входы; Y – выход.

A	B	Y
0	0	0
1	0	0
0	1	0
1	1	1

                                                                        Таблица 2

 

 

 

 

 

 

Элемент И выполняет операцию логического умножения. Логическое умножение известно как функция И.

Элемент ИЛИ – это логическая схема, на выходе которой появляется 1, если на любой из его входов подана 1. На его выходе появляется 0, если на все его входы поданы 0. Этот элемент, как и элемент И, может иметь два или более входов. На рисунке 22 показаны стандартные обозначения, используемые для элементов ИЛИ с двумя, тремя и четырьмя входами.

 

 

 

 

 

 

 

 

Значения на выходе элемента ИЛИ с двумя входами приведены в таблице истинности (таблица 3): А и В – входы; Y – выход.

A	B	Y
0	0	0
1	0	1
0	1	1
1	1	1

                                                                        Таблица 3

 

 

 

 

 

 

Элемент ИЛИ выполняют логическую операцию сложения.

Элемент НЕ – выполняет функцию, которая называется инверсией, или дополнением, и обычно называется инвертором. Цель инвертора – сделать состояние выхода противоположным состоянию входа. В логических цепях возможны два состояния – 1 и 0. Состояние 1 также называют высоким, чтобы указать, что напряжение в этом состоянии выше, чем в состоянии 0. Состояние 0 также называют низким, чтобы указать, что напряжение в этом состоянии ниже, чем в состоянии 1. Если на вход инвертора подано высокое состояние, или 1, то на выходе появится низкое состояние, или 0. Если же на вход инвертора подать низкое состояние, или 0, то на выходе появится высокое состояние, или 1.

Схематическое обозначение инвертора показано на рисунке 23.

A	Y
0	1
1	0

                                                                                             Таблица 4

 

 

 

 

 

Работу инвертора отражает таблица истинности (таблица 4). Вход инвертора обозначен А, а выход А (читается «не А»). Чёрточка над буквой А показывает отрицание А.

Элемент И-НЕ является комбинацией элементов И и НЕ. Элемент И-НЕ является наиболее широко используемой логической функцией. Это обусловлено тем, что эти элементы могут быть использованы для создания некоторых других логических элементов.

Схематическое обозначение элементов И-НЕ показано на рисунке 24, а его таблица истинности представлена в таблице 5.

                                                                                                        Таблица 5

A	B	Y
0	0	1
1	0	1
0	1	1
1	1	0

 

 

 

 

 

 

Элемент ИЛИ-НЕ – является комбинацией элемента ИЛИ и инвертора. Подобно элементу И-НЕ, элемент ИЛИ-НЕ также может быть использован для создания других логических элементов.

Схематическое обозначение элемента ИЛИ-НЕ показано на рисунке 25, а его таблица истинности представлена в таблице 6.

                                                                                                        Таблица 6

A	B	Y
0	0	1
1	0	0
0	1	0
1	1	0

 

 

 

 

 

 

5.1  Триггеры

 

Триггер – это элемент на выходе которого может быть либо высокое, либо низкое напряжение. На выходе триггера остаётся высокое или низкое напряжение до тех пор, пока на вход не будет подан пусковой сигнал.

Существуют несколько типов триггеров.

RS-триггер образован двумя перекрёстно связанными элементами ИЛИ-НЕ или И-НЕ (рис. 26).

RS-триггер имеет два выхода Q и Q и два управляющих входа: R (Reset – сброс) и S (Set – установка). На выходах триггера уровни всегда противоположны (дополняющие уровни): если Q = 1, то Q = 0, и наоборот.

Для того, чтобы понять работу цепи, предположим что выход Q, вход R и вход S имеют низкий уровень. Низкий уровень выхода Q подаётся на один из входов элемента 2. На входе S также низкий уровень. На выходе элемента 2 высокий уровень. Этот высокий уровень подаётся на вход элемента 1, удерживая его выход на низком уровне. Когда на выходе Q появляется низкий уровень, говорят, что триггер в исходном состоянии (RESET). Он остаётся в этом состоянии неопределённо долго, до тех пор, пока на вход S элемента 2 не будет подан высокий уровень. Когда на вход S элемента 2 будет подан высокий уровень, на выходе элемента 2 появится низкий уровень, а этот выход связан со входом элемента 1. Поскольку на входе R элемента 1 низкий уровень, на его выходе Q низкий уровень изменится на высокий. Этот высокий уровень подаётся на вход элемента 2, обеспечивая на выходе Q низкий уровень. Когда на выходе Q высокий уровень, говорят, что триггер в единичном (SET) состоянии. Он остаётся в этом состоянии до тех пор, пока на вход R не будет подан высокий уровень, переводящий триггер в исходное состояние.

«Недопустимое», или «неразрешённое», условие имеет место, когда на оба входа, R и S, подаётся высокий уровень. В этом случае выходы Q и Q пытаются перейти в низкое состояние, но Q и Q не могут быть одновременно в одинаковом состоянии без нарушения работы триггера. При одновременном отключении высокого уровня со входов R и S оба выхода пытаются перейти в состояние с высоким уровнем. Поскольку всегда логические элементы немного отличаются друг от друга, то один из них перейдёт в состояние с высоким уровнем. Это заставит другой элемент перейти в состояние с низким уровнем. В этом случае имеет место непредсказуемый режим работы и, следовательно, состояние выходов триггера не может быть определено.

Таблица 7 – таблица истинности для работы RS-триггера. На рисунке 27 изображено упрощённое схематическое обозначение RS-триггера.

                                                                                                                           Таблица 7

S	R	Q
0	0	Без изменений	Без изменений
0	1	0	1
1	0	1	0
1	1	?	?