Классификация импульсных и цифровых устройств

Полупроводниковые импульсные и цифровые устройства объеди­няют обширную группу устройств, которые применяются в системах управления технологическими процессами, при передаче информации, в измерительной и вычислительной технике. В современных импуль­сных и цифровых устройствах работают ОУ в импульсном режиме и транзисторы в качестве бесконтактных ключей.

Работу ОУ в импульсном режиме объясним на примере цепи, показан­ной на рис. 10.96, в которой к неинвертирующему входу ОУ подключен источник постоянной ЭДС E_o, а к инвертирующему входу - источник сигнала с линейно изменяющейся во времени ЭДС e_c= kt (рис. 10.97, д). Для упрощения анализа примем, что ОУ идеальный. По второму закону Кирхгофа для контура, отмеченного на рис. 10.96 штриховой линией, составим уравнение:

u_вх = e_с- E₀.

В момент времени t_о ⁼ E _o/k у напряжения и_вх отрицательное зна­чение заменяется положительным (рис. 10.97, б). Одновременно в соответствии с амплитудной характеристикой идеального ОУ (рис. 10.76, б - ломаная линия 1) напряжение на его выходе скачком изменится от положительного до отрицательного значения ЭДС Е источника питания (рис. 10.97, в).

Импульсный режим работы ОУ используется в устройствах сравнения измеряемого напряжения с опорным напряжением, называемых компа­раторами, и других устройствах на их основе.

Работу транзистора в режиме ключа рассмотрим на примере биполяр­ного транзистора с ОЭ (рис. 10.98, а). Если постоянное напряжение на входе ключа U_вх£ 0, то токи в цепях коллектора и базы практически одинаковые и равны току через обратно включенный р-п переход меж­ду базой и коллектором. Этот режим соответствует разомкнутому по­ложению ключа (рис. 10.98, б, точка М). При постоянном напряжении Uвх > 0 и токе базы больше тока насыщения I_Бнас ток коллектора практически равен Е_к/r_k (рис. 10.98, б, точка N). Этот режим соот­ветствует замкнутому положению ключа.

Динамические свойства ключа определяются временем включения t_вкл и выключения t_выкл (рис. 10.98, в). Для уменьшения времени t_вкл резистор в цепи базы шунтируется конденсатором, а для умень­шения времени t_выкл в цепь базы включается ЭДС E_Б (показаны штриховой линией на рис. 10.98, а).

Применение транзистора в качестве ключа вместо других типов клю­чей, например электромеханических, имеет ряд преимуществ, транзи­сторный ключ не содержит подвижных частей, подверженных износу, имеет большое быстродействие и малые размеры. Для управления транзисторным ключом требуется источник энергии малой мощности.

Различают импульсные устройства с несколькими устойчивыми и с несколькими временно устойчивыми состояниями. В импульсном устройстве первого типа для изменения устойчивого состояния необ­ходимо однократное внешнее воздействие, изменяющее режим ОУ или транзисторного ключа. В импульсном устройстве с временно устойчивыми состояниями происходит периодическое переключение ОУ или открывание и закрывание транзисторного ключа без внешнего воздействия или их состояние восстанавливается через некоторое время после однократного внешнего воздействия.

В цифровых устройствах применяются логические элементы, на основе которых реализуются логические автоматы с памятью и без памяти. Рабочее состояние логических автоматов первого типа зависит не только от набора сигналов управления в данный момент времени, но и от его предшествующего состояния. Рабочее состояние логических автоматов второго типа зависит только от набора сигналов управле­ния.

В дальнейшем работу всех импульсных и цифровых устройств будем рассматривать, полагая, что ОУ и транзисторные ключи идеальные.