Sterowanie tranzystorem NPN (nośnikiem są elektrony)

Prezentacja na temat: "Sterowanie tranzystorem NPN (nośnikiem są elektrony)"— Zapis prezentacji:

1 Sterowanie tranzystorem NPN (nośnikiem są elektrony)

2 Sterowanie tranzystorem PNP (nośnikiem są dziury, czyli puste miejsca po elektronach)

3 Podstawy Techniki Cyfrowej
Technika TTL i CMOS

4 Technika cyfrowa? W pojęciu technika cyfrowa przymiotnik cyfrowa bierze się stąd, że informacja wewnątrz urządzeń cyfrowych jest zakodowana za pomocą liczb. A liczba to uporządkowany ciąg cyfr. Jest to zupełnie naturalne w takich urządzeniach jak kalkulator, kasa sklepowa czy komputer. Wielkości przetwarzane w tych urządzeniach mają z natury rzeczy postać cyfrową. Komputer może także przetwarzać dane w postaci znaków graficznych zawartym w alfabecie. Czy zatem alfabet jest wielkością cyfrową? Zbiór wartości wielkości cyfrowej jest zbiorem przeliczalnym. Każdemu elementowi (znakowi graficznemu) alfabetu (liczba elementów skończona) możemy zatem przypisać jaką liczbę (nazywaną kodem) i przetwarzać w urządzeniu cyfrowym. Gdyby zbiór wartości (elementów) był nieskończenie duży (nieprzeliczalny), wówczas powyższy zabieg nie byłby możliwy Cechą odróżniającą wielkość analogową od cyfrowej jest to, że jej zbiór wartości jest zbiorem nieprzeliczalnym

5 Na podstawie obserwacji możliwe jest wyciągnięcie wniosków w postaci definicji sygnału analogowego i cyfrowego Wielkością cyfrową będziemy nazywać taką wielkość, która w danym przedziale swej zmienności przyjmuje skończoną liczbę wartości Wielkością analogową będziemy nazywać taką wielkość, która w danym przedziale swej zmienności przyjmuje nieskończoną liczbę wartości. Wiadomo jednak, że układy cyfrowe przetwarzają także informację, która w postaci źródłowej jest wielkością analogową. Przykładem takim może być: czas, dźwięk, napięcie elektryczne czy inne wielkości fizyczne o charakterze analogowym. Jakie są różnice w przedstawieniu informacji przy pomiarze tych wielkości przyrządami analogowymi i cyfrowymi? Przykład: Napięcie elektryczne może być mierzone woltomierzem analogowym lub cyfrowym. Na przykład w zakresie od 0 do 10V liczba różnych wskazań przyrządu analogowego będzie teoretycznie nieskończenie duża. W tym samym zakresie przyrząd cyfrowy o 3- polowym wyświetlaczu wskaże 1000 różnych wartości. Czy układy cyfrowe są zatem niedokładne?

6 Człowiek nie jest w stanie rozróżnić dwóch położeń wskazówki różniących się mniej niż 0,2 działki.
Wymieniony powyżej woltomierz cyfrowy może wskazywać z dokładnością do 10/1000 V (10mV), ale wystarczy użyć woltomierza o 4- lub 5-polowym wyświetlaczu, aby dokładność wyniosłą 1 mV czy 0.1 mV. Praktyczna wyższość reprezentacji cyfrowej nad analogową przejawia się w procesie przesyłania lub zapisywania informacji. Szczególnie proces transmisji jest narażony na czynniki zakłócające. Przykład telewizja analogowa i cyfrowa.

7 Układy cyfrowe dzieli się na dwie podstawowe grupy:
Układy kombinacyjne Układu sekwencyjne W układzie kombinacyjnym każda kombinacja sygnałów wejściowych określa jednoznacznie kombinację sygnałów wyjściowych. Kombinacja sygnałów wejściowych jest nazywana stanem wejść układu, natomiast kombinacja sygnałów wyjściowych – stanem wyjść układu. W układzie sekwencyjnym stan wejść nie określa w sposób jednoznaczny stanu wyjść. Słowo wyjściowe zależy także od poprzednich stanów wejściowych oraz ich kolejności występowania (sekwencji słów wejściowych – stąd ich nazwa). Często układu sekwencyjne nazywa się układami kombinacyjnymi z pamięcią. Układy sekwencyjne dzieli się na synchroniczne i asynchroniczne.

8 Do realizacji fizycznej kombinacyjnych układów cyfrowych są stosowane bramki logiczne
Bramka logiczna to podstawowy układ kombinacyjny realizujący funkcję logiczną jednej, dwu lub wielu zmiennych. Są to kombinacyjne układy cyfrowe, realizujące elementarne funkcje logiczne: AND, OR, NOT oraz ich złożone kombinacje NAND, NOR, ExOR, ExNOR. Taki zbiór funktorów (czy operacji logicznych), który pozwala zrealizować dowolną funkcję logiczną nazywamy systemem funkcjonalnie pełnym (w skrócie SFP). Przykładem takiej bramki jest NAND i NOR Tablica prawdy jest sposobem opisu działania podstawowych funktorów logicznych. W wierszach tablicy wypisuje się wszystkie kombinacje zero-jedynkowe zmiennych niezależnych. Ostatnia kolumna jest przeznaczona do wpisania wartości funkcji. Funkcje logiczne można opisać również za pomocą opisu słownego oraz w postaci kanonicznej (kolejne zajęcia). Opis słowny mimo że jest bliższy językowi naturalnemu może wprowadzać błędy interpretacji być może nie zawsze zgodne z intencją autora. Matematycznie układy cyfrowe zapisuje się w postaci kanonicznej

9 Klasyfikacja cyfrowych układów scalonych
W zależności od przyjętego kryterium układy scalone można podzielić na różne klasy. Ze względu na postać przetwarzanych sygnałów układy scalone dzieli się na: - cyfrowe - analogowe (liniowe) Kolejnym kryterium jest złożoność układu – stopień scalenia. Jest to liczba bramek elementarnych tworzących dany układ scalony lub liczba elementów. SSI – mały stopień scalenia do 100 elementów MSI – średni stopień scalenia do 1000 elementów LSI – duży stopień integracji do elementów VLSI – bardzo duży stopień integracji > elementów Najważniejsze kryterium – struktura elektroniczna podstawowego funktora lub technologia ich wytwarzania DTL, RTL, DCTL, TTL, ECL, MOS, CTD…

10 Technologia DTL (Diode Transistor Logic) – najprostsza technika półprzewodnikowa
Ze względu na swoje wady, takie jak mała obciążalność wyjść czy podatność na zakłócenia została wyparta przez technikę TTL i CMOS. Układy te aktualnie nie są już używane. Ten sposób realizacji układu logicznego może znaleźć Zastosowanie w układach analogowych do realizacji prostych operacji (logicznych) sumy czy iloczynu.

11 Technologia TTL (Transistor - Transistor Logic)
Technika TTL jest zmodyfikowaną techniką DTL, w której elementy diodowe zastąpiono tranzystorem wieloemiterowym. Układy scalone z serii 74xx są zasilane napięciem 5 V. Logiczne zero (stan niski) znajduje się w przedziale napięć 0…0,8 V, a logiczna jedynka (stan wysoki) odpowiada napięciom z przedziału 2,4…5 V. Na rysunku pokazano schemat układu połączeń jednej z czterech bramek NAND w układzie Istnieją też inne wersje tego układu 74L00 (charakteryzująca się zmniejszonym poborem prądu, lecz także i mniejszą szybkością przełączania, 74S00 (z diodami Schottky'ego o dużej szybkości przełączania) 74LS00 (w której osiągnięto szybkość prawie taką jak w 74S00 i pobór prądu jak w 74L00).

12 Kolektor tego tranzystora może być w stanie wysokim tylko wówczas, gdy obydwa wejścia będą w tym stanie, czyli gdy żadna z końcówek dołączonych do dolnego końca rezystora bazowego nie jest zwarta do masy. Połączony z tranzystorem inwerter będzie wtedy wysterowany, tak aby dolny tranzystor wyjściowy (na schemacie) przewodził, a górny był zatkany, co oznacza stan niski na wyjściu. Cechy technologii TTL: • duży pobór prądu • mała prędkość • duża obciążalność wyjścia (możliwość sterowania 10 bramek TTL).

13 Icc – pobór prądu przez bramkę
Fmax – częstotliwość graniczna przełączania, przy której bramka reaguje na zmiany napięcia podawanego na wejście bramki

14 Obciążalność bramki

15 Technologia MOS (Metal Oxide Semiconductor)
Technika ta jest stosowana w układach o dużym stopniu scalenia. Tranzystory MOS mogą być budowane z kanałem typu P lub z kanałem typu N. Technika PMOS jest techniką MOS z kanałem typu P. Jej wadą jest konieczność stosowania kilku źródeł zasilania. Technika NMOS jest techniką MOS z kanałem typu N. Jest wygodniejsza ponieważ nie wymaga mniejszej liczby napięć zasilających niż technika PMOS. Aktualnie produkuje się układy w oparciu o oba typy tranzystorów jako pary komplementarne. Ze względów oszczędzania energii technika CMOS powoli wypiera technikę TTL. Napięcie zasilania układów wynosi 3V - 15V. Poziomy napięć i prądów wejścia i wyjścia zdefiniowane są przez standard, a charakterystyczne parametry dla tej technologii to: ultra mały pobór prądu, stosunkowo duża prędkość, stosunkowo duża obciążalność wyjścia dla bramek CMOS (ograniczona jedynie pojemnością wejść, a przez to prędkością przełączania, możliwość sterowania 1 bramki TTL-LS.

16 Jeżeli na wejściu A pojawi się stan wysoki, to będzie przewodził dolny tranzystor (z kanałem typu n), górny zaś (z kanałem typu p) będzie zablokowany. Wyjście Y przejdzie więc w stan niski. Sytuacja odwróci się, jeśli na wejściu E pojawi się stan wysoki: wówczas będzie przewodził tranzystor górny, co prowadzi do pojawienia się stanu wysokiego na wyjściu.

17 Układy wykonane w technologii TTL są mało przydatne do budowy urządzeń zasilanych z baterii,
gdyż już jedna bramka pobiera prąd o natężeniu kilku miliamperów, a w przypadku np. dekodera adresów w komputerze bramek takich jest dość dużo. Wynika stąd również, że nawet w urządzeniach wyposażonych w zasilacz sieciowy pojawi się problem odprowadzania dużych ilości ciepła wytwarzanego przez prąd płynący w układach TTL.

18 Układy CMOS mają też dodatkową zaletę: poziom przełączania jest w nich równy w przybliżeniu połowie wartości napięcia zasilania, a więc impulsy zakłócające muszą tę wartość przekroczyć, aby mogły wpływać na pracę układu. Inaczej jest w układach TTL: poziom przełączania wynosi tu ok. 0,6 V (przy napięciu zasilania równym 5 V). Oprócz tego napięcie zasilające układy TTL musi zawierać się w przedziale od 4,75 do 5,25 V, a układy CMOS pracują przy napięciach V. Wadą logicznych układów CMOS jest mała obciążalność ich układu wyjściowego (do kilku miliamperów), co może stać́ się czynnikiem krytycznym już przy podłączeniu diody elektroluminescencyjnej. W przeciwieństwie do tego układy TTL dostarczają prąd o natężeniu mA. Naturalnie, powstaje tu pytanie, czy można łączyć układy CMOS i układy TTL ze sobą? Oczywiście, można, lecz należy wówczas przestrzegać kilku następujących zasad: Układy CMOS muszą być zasilane napięciem 5 V, tak jak układy TTL. Jedno wyjście układu CMOS może sterować jednym wejściem układu TTL. Do sprzężenia wejścia CMOS z wyjściem TTL najkorzystniej jest stosować układy TTL z otwartym kolektorem

19 Bramka typu otwarty kolektor
Bramka z otwartym kolektorem (typu OC – ang. Open Collector) różni się od typowych bramek tym, że w jej stopniu wyjściowym znajduje się zwykły inwerter. Gdy wyjście Y zostanie dołączone do napięcia UCC przez rezystor R0, wówczas układ realizuje funkcję NAND. Bramka typu OC z dołączonym rezystorem nie różni się funkcjonalnie niczym od bramki standardowej TTL NAND. Jedną z zalet bramek z otwartym kolektorem jest możliwość łączenia ze sobą ich wyjść. Z bramkami standardowymi nie wolno tak postępować. Bramki z otwartym kolektorem oznacza się kółeczkiem umiejscowionym wewnątrz podstawowego symbolu bramki. Układ pracy dwóch bramek typu OC z połączonymi wyjściami przedstawiono poniżej Takie połączenie do wspólnego rezystora obciążenia R0 realizuje funkcję: Y = ~(A⋅B + C⋅D)

20 Bramka z układem Schmitta
Bramki z układem Schmitta są stosowane na wejściach układów cyfrowych współpracujących z sygnałami wolnozmiennymi o parametrach (amplituda, stromość zboczy) wykraczających poza standard TTL. Pamiętajmy, że amplituda w układach TTL zawiera się w granicach 2-5V. Warto zauważyć, że czas propagacji bramki Schmitta jest znacznie dłuższy od czasu propagacji bramki standardowej. Wydłużenie tego czasu jest związane z większą liczbą elementów z których zdudowana jest bramka. Duża stromość charakterystyki przełączania bramki w połączeniu z histerezą jest cechą korzystną i pożądaną, ponieważ pozwala uzyskać większe marginesy zakłóceń.

21 Działanie bramki Schmitta

22 Bramka trójstanowa Przyłączanie wyjść elementów do wspólnej magistrali umożliwiają również (poza bramkami OC) tzw. bramki trójstanowe. Bramka trójstanowa, oprócz dwóch normalnych stanów H i L posiada dodatkowy stan trzeci, charakteryzujący się wielką impedancją wyjściową (wyłączenie bramki). Z tego powodu element taki ma dodatkowe wejście sterujące trybem pracy. Tablica stanów bramki trójstanowej: Wejścia Wyjście B A Y L H - (Z)