Цифровые электронные устройства.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Лекция №11
Введение.
В цифровых устройствах используется представление информации в виде импульсных сигналов.
Импульсная форма сигналов имеет ряд особенностей.
Реальный импульсный сигнал описывается следующими параметрами (рис. 11.1).
Рис.11.1. Параметры импульсного напряжения.
T1 – начало последовательности импульсов, начало переднего фронта,
(T2 -T1)- длительность переднего фронта,
(T3 -T2)- длительность плоской вершины,
T3 – начало заднего фронта,
T4 – конец заднего фронта,
(T4 -T3)- длительность заднего фронта,
(T5 –T1)- период повторения последовательности,
U1 – максимальное напряжение,
U0 – минимальное напряжение,
(U1 –U0)- размах импульса.
Для описания свойств импульсов часто применяют идеализацию (рис.11.2), в которой форма импульсов приближается к прямоугольной (u1), трапециидальной (u2), экспоненциальной (u3) или треугольной (u4).
Рис.11.2. Идеальные импульсные последовательности формы прямоугольной (u1), трапециидальной (u2), экспоненциальной (u3), треугольной (u4).
Информация представлена в импульсной последовательности в определенном коде, использующем количество импульсов или период повторения. Такой принцип обладает высокой помехоустойчивостью.
Современные импульсные устройства позволяют оперировать импульсами с высокой частотой, что обеспечивает быстродействие при обработке информации.
Большое значение имеет возможность малого потребления энергии в импульсных устройствах. Низкое энергопотребление импульсными устройствами объясняется тем, что при импульсном сигнале мощности транзисторов и операционных усилителей, входящих в состав устройств, большие только в весьма короткие интервалы времени, когда их состояние изменяется из открытого (насыщенного) состояния в закрытое состояние и обратно.
Например, мощность потерь в биполярном транзисторе (нагревание коллектора) равна произведению напряжения UЭК на ток коллектора IК
P= UЭК IК .
Рис.11.3. К ключевому режиму транзистора.
Положим, что ток базы транзистора – импульсная прямоугольная последовательность и рабочая точка транзистора на плоской вершине импульса достигает точки A и при минимальном значении – точки B (рис.11.3). Ток коллектора будет также импульсной прямоугольной последовательностью.
На рис.11.3а. приведены снимки из демонстрации графиков зависимостей входного напряжения uВХ(t) в узле 2 (синяя), напряжения на коллекторе в узле 2 (красная) и тока коллектора (узел 5, зеленая).
Рис.11.3а. Demo 11.1.
В первом полупериоде uВХ(t), когда UВХ=0, транзистор закрыт, ток коллектора практически равен нулю (IК = 72 рА) и напряжение на коллекторе около UЭК = 12 В. Сопротивление транзистора между эмиттером и коллектором велико. В этом состоянии транзистор «закрыт». На рис.11.3 этому состоянию соответствует точка B.
Во втором полупериоде UВХ= 1 В, IК =24 мА, UЭК =18мВ - точка A на рис. 11.3. ток IК большой и напряжение UЭК мало. Сопротивление транзистора между эмиттером и коллектором мало, поэтому это состояние транзистора называют «открытым».
Перемена состояния, т.е. переход из точки В в точку А достигается изменением тока базы. В этом случае транзистор выполняет функции переключателя («ключа») и режим транзистора называют ключевым.
Мгновенная мощность транзистора зависит от тока коллектора таким образом:
p= uЭК iК=(EК – RК iК) iК= - RК iК2 + EК iК
Зависимости мощности и тока коллектора от времени приведены на рис.11.4 вместе с отметками рабочих точек A и B.
Рис.11.4. Зависимости мощности потерь PК и тока транзистора IК от времени в ключевом режиме.
Энергия потерь в транзисторе за период складывается из потерь на интервалах времени двух фронтов и двух плоских вершин ΔTВ. Графически энергия потерь выражается площадью фигуры, ограниченной кривой pК(t):
.
Если ΔTФ<< ΔTВ, то энергия не большая, несмотря на то, что на интервалах фронтов мощность может достигать значительной величины. Если длительность фронтов значительно меньше периода повторения, то энергия потерь транзистора определяется главным образом потерями WВ на интервалах плоских вершин, где мощность потерь небольшая.
При аналоговом сигнале (например, при гармоническом), даже при отсутствии сигнала, рабочая точка покоя транзистора (для достижения линейного режима) выбирается в середине отрезка AB линии нагрузки. В таком случае мощность потерь в течение длительного времени достигает PК, макс на рис.4.11. и очевидно, что энергия потерь значительно выше, чем в ключевом режиме.
Таким образом, импульсные сигналы и ключевые режимы работы устройств позволяют экономить энергию и существенно уменьшать требования к максимальной допустимой мощности устройств.
Есть и другие достоинства в представлении информации в импульсной форме, которые позволяют использовать унифицированные электронные устройства, применять программирование.
В настоящее время цифровая техника является основой для электронных вычислительных машин, связи, электрических измерений, электронных средств контроля и управления.