39463

Полупроводниковые приборы, логические элементы, узлы ЭВМ

Книга

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Электрическое поле. Напряженность и потенциал поля. Цепи постоянного тока, законы Ома и Кирхгофа. Цепи переменного синусоидального тока. Основные параметры. Мгновенное, действующее и среднее значение переменного тока. Резистивный и емкостной элементы в цепи переменного тока.

Русский

2014-10-19

4.74 MB

16 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Полупроводниковые приборы,

логические элементы,  узлы ЭВМ

Методические указания по дисциплине "Аппаратные средства вычислительных комплексов" для студентов специальности 351400 "Прикладная информатика

(в экономике)"

ТВЕРЬ    2009

УДК 681.3

Содержится  перечень  основных  учебных тем  дисциплины, теоретический материал по некоторым темам. При изучении  дисциплины,  кроме книг,  указанных в библиографическом списке,  могут бать использованы   другие учебники,  учебные пособия с названиями,  аналогичными   указанным.

Составитель  Вегера Ю . А.

  Рекомендовано к изданию на  заседании  кафедры ИС  (протокол

№  10   от   28.04. 2003 г.).

    

                         ©   Тверской  государственный технический  университет, 2003.

 ©   Ю.А. Вегера, 2003.


Содержание

[0.0.0.1] Методические указания по дисциплине "Аппаратные средства вычислительных комплексов" для студентов специальности 351400 "Прикладная информатика

[0.0.0.2] (в экономике)"

[1] Основные   учебные темы дисциплины " Аппаратные средства ПЭВМ и систем телекоммуникации"

[2] Полупроводниковые приборы,

[3]      логические элементы, узлы   ЭВМ

[4] Особенности полупроводниковых материалов

[4.0.1] 1.1.  Собственная электропроводность полупроводниковых материалов

[4.0.2]         1.2.   Примесная электропроводность

[5] Электронно-дырочный переход и его свойства

[5.0.1] 2.1. Токи в р-n переходе и их характеристики

[5.0.2] 2.2.  Прямое включение p-n перехода

[5.0.3] 2.3. Обратное включение p-n перехода

[6] 3.  Структура диодов .  Точечные и   плоскостные диоды

[6.0.1] 3.1.  Точечные диоды

[6.0.2] 3.2. Плоскостные диоды

[6.0.3] 3.3.  Выпрямительные диоды

[7]                                        

[8]     4.   Транзисторы

[8.0.1] 4.1. Биполярные транзисторы

[8.0.2]
4.2. Схемы включения биполярного транзистора и режимы  его работы

[8.0.3] 4.3. Работа биполярного транзистора в активном режиме

[8.0.4] 4.4. Токи биполярного транзистора

[8.0.5] 4.5.  Усилительные свойства биполярного транзистора

[9] 5 .    Логические элементы в интегральном исполнении

[9.0.1] 5.1. Логический элемент  И - НЕ  диодно-транзисторной логики (ДТЛ)

[9.0.2] 5. 2.  Логический элемент   И – НЕ

[9.0.3] транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)

[9.0.4] 5.3.  Логический элемент ИЛИ - НЕ  n-канальной  МОП-транзисторной  логики ( МОПТЛ )

[9.0.5] 5.4.  Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)

[10] 6.  Триггеры  в интегральном исполнении

[10.0.1] 6.1.   RS-триггер

[10.0.2] 6.2.    D-триггер

[10.0.3] 6.3.  Т-триггер

[11] Регистры

[11.0.1] 7. 1.  Параллельный регистр

[11.0.2] 8.1. Суммирующие двоичные счетчики

[12] 9.  Сумматоры

[13] Библиографический  список

[13.0.0.1] Методические указания по дисциплине "Аппаратные средства вычислительных комплексов" для студентов специальности  351400 "Прикладная информатика (в экономике)"

Основные   учебные темы дисциплины " Аппаратные средства ПЭВМ и систем телекоммуникации"

Тема 1. Некоторые вопросы электротехники цепей постоянного и переменного тока

Электрическое поле. Напряженность и потенциал поля. Цепи постоянного тока, законы Ома и Кирхгофа. Цепи переменного синусоидального тока. Основные параметры.  Мгновенное, действующее и среднее значение переменного тока. Резистивный  и емкостной элементы  в цепи переменного тока.

Тема 2. Особенности полупроводниковых материалов

Собственная и примесная электропроводность  полупроводников. Электронно-дырочный  ( pn- переход )   и его свойства. Токи  в p-n переходе . Прямое и обратное включение  перехода, его вольт-амперная характеристика.

Тема 3. Полупроводниковые диоды

Конструкция и принцип действия выпрямительного диода. Точечные и плоскостные диоды. Назначение, конструкция, принцип действия, характеристики, параметры. Светодиоды, фотодиоды.

Тема 4. Транзисторы

Биполярные транзисторы. Конструкция, принцип действия.  Режимы работы и основные токи транзистора. Параметры и характеристики.  Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, с изолированным  затвором. Усилительное свойство транзисторов.

Тема 5. Усилители электрических сигналов

Определение и классификация. Принцип действия  усилителя. Свойства усилительных схем. Режимы работы усилительных каскадов.

Тема 6. Основы цифровой схемотехники  

Транзисторные ключи. Логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ .Схемы элементов ДТЛ, ТТЛ ,МДП  типов , принцип действия. Таблицы истинности.

Тема 7.Узлы цифровых вычислительных устройств

Основные  типы триггеров RS, D, T, JK-триггеры. Регистры. Основные типы регистров, схемы, временные диаграммы работы.   Счетчики импульсов. Классификация. Примеры схем счетчиков. Временные диаграммы работы.                                                                                       Шифраторы и дешифраторы.  Назначение, схемы, принцип действия, примеры применения.    Сумматоры. Основные типы сумматоров. Схемы сумматоров. Временные диаграммы работы.


Тема 8. Запоминающие устройства

Схемы, принцип действия и основные характеристики полупроводниковых запоминающих устройств. Запоминающие устройства на  жестких  и гибких магнитных дисках. Конструкция, принципы записи и чтения.

Тема 9.  Принтеры

Матричные, струйные, лазерные принтеры. Примеры конструкций и принципы действия принтеров.

Тема 10. Дисплеи ЭВМ

Мониторы. Устройство, связь с процессором. Блок клавиатуры.

Тема 11. Процессоры  ЭВМ 

Общая структура микропроцессора, назначение основных элементов структуры. Последовательность операций при обработке команд.

Полупроводниковые приборы,

     логические элементы, узлы   ЭВМ

  1.  Особенности полупроводниковых материалов

Полупроводниковые приборы, обладающие рядом свойств, которые делают их применение предпочтительным , все более широко используются в электронной технике. 

К полупроводникам относят многие химические элементы, такие как кремний, германий, индий, фосфор и др., большинство оксидов, селенидов и теллуридов, некоторые сплавы, ряд минералов .Полупроводники бывают кристаллические, аморфные и жидкие. Обычно к ним относят вещества, по удельной электрической проводимости  занимающие промежуточное положение между металлами и диэлектриками (отсюда происхождение их названия). При комнатной температуре удельная электрическая проводимость их составляет от 10-8 до 105 См/м (для металлов – 106-108 См/м, для диэлектриков – 10-8-10-13 См/м).

Основная особенность полупроводников – возрастание удельной электрической проводимости при повышении температуры (для металлов она падает). Электропроводность полупроводников зависит от внешних воздействий: нагревания, облучения, электрического и магнитного полей, давления, ускорения, а также от содержания даже незначительного количества примесей.    

1.1.  Собственная электропроводность полупроводниковых материалов

Для того, чтобы вещество обладало электропроводностью, оно должно содержать свободные носители заряда. Такими носителями заряда в металлах являются электроны, а в полупроводниках –электроны и дырки.

Рассмотрим электропроводность собственных полупроводников, т.е. таких веществ, в которых не содержатся примеси и нет структурных дефектов кристаллической решетки (пустых узлов, сдвигов решетки и др.) При температуре 0 К в таком полупроводнике свободных носителей заряда нет. Однако  с повышением температуры (или при другом энергетическом воздействии, например, при освещении) часть ковалентных связей может быть разорвана и валентные электроны, став свободными, могут уйти из своего атома .                   

       Потеря электрона превращает атом в положительный ион. В связях на том месте, где раньше был электрон, появляется свободное («вакантное») место – дырка. Заряд дырки положительный и по абсолютному значению равен заряду электрона.

      Свободное место – дырку -  может  заполнить валентный электрон соседнего атома, на месте которого в ковалентной связи образуется новая дырка, и т.д. Таким образом, одновременно с перемещением валентных  электронов будут перемещаться и дырки.  Если электрическое поле отсутствует, электроны проводимости совершают хаотическое тепловое движение. Если полупроводник поместить во внешнее электрическое поле, то электроны и дырки, продолжая участвовать в хаотическом тепловом движении, начнут перемещаться (дрейфовать) под воздействием поля, что и создаст электрический ток. При этом электроны перемещаются против направления электрического поля, а дырки, как положительные заряды, - по направлению поля. Электропроводность собственного полупроводника, возникающая за счет нарушения ковалентных связей, называется собственной электропроводностью.

Процесс образования пары «электрон проводимости – дырка проводимости» называется генерацией пары носителей заряда. Образовавшиеся электронно-дырочные пары могут исчезнуть, если дырка заполняется электроном .   Электрон станет несвободным и потеряет возможность перемещения, а избыточный положительный заряд иона атома окажется нейтрализованным. При этом одновременно исчезают и дырка, и электрон. Процесс воссоединения электрона и дырки называется рекомбинацией. При постоянной температуре (и в отсутствие других внешних воздействий) кристалл находится в состоянии равновесия: число генерированных пар носителей заряда равно числу  рекомбинированных пар.

        1.2.   Примесная электропроводность

Если в полупроводник внести примесь, то он будет обладать помимо собственной электропроводности еще и примесной. Примесная электропроводность может быть электронной или дырочной. В качестве примера рассмотрим случай, когда в чистый германий (четырехвалентный элемент) вводится примесь пятивалентного элемента, например, мышьяка (рис.1.1 ).

только четыре валентных электрона мышьяка, а пятый электрон оказывается менее сильно связанным с атомом мышьяка. Для того, чтобы этот электрон оторвать от атома, нужно значительно меньше энергии, поэтому уже при комнатной температуре он может стать электроном проводимости, не оставляя при этом в ковалентной связи дырки. Таким образом, в узле  кристаллической решетки появляется положительно заряженный ион примеси, а в кристалле – свободный электрон. Примеси, атомы которых отдают свободные     электроны, называются донорными (донорами).

Внесение в полупроводник  донорной    примеси  существенно увеличивает концентрацию свободных электронов, а концентрация дырок остается такой же, какой она была  в собственном полупроводнике. В   примесном  полу- проводнике  электропроводность обусловлена в основном  электронами, ее называют электронной, а полупроводники – полупроводниками n-типа. Электроны в полупроводниках n-типа являются основными носителями заряда (их концентрация высока), а дырки – неосновными.

Если в германий ввести примесь трехвалентного элемента (например, индия), то для образования  восьмиэлектронной ковалентной связи с германием индию не хватит одного электрона. Одна связь останется незаполненной. При незначительном повышении температуры в незаполненную валентную связь может перейти электрон соседнего атома германия, оставив на своем месте дырку, которая может быть также заполнена электроном и т. д.  (рис.1.2).

Таким образом, дырка как бы перемещается в полупроводнике. Примесный   атом превращается в отрицательный ион. Примеси, атомы которых способны при возбуждении принять валентные электроны соседних атомов, создав в них дырку, называют акцепторными или акцепторами.  В примесных полупроводниках наряду с примесной электропроводностью существует еще и собственная, обусловленная наличием неосновных носителей.

  1.  Электронно-дырочный переход и его свойства

Область внутри монокристалла полупроводника на границе раздела его двух сред с разным типом примесной электропроводности (р и n-типа) называют электронно-дырочным переходом или p-n переходом. Электронно-дырочный переход обладает несимметричной проводимостью, т.е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов) основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов. Рассмотрим картину образования p-n перехода. При этом для простоты будем считать, что p-n переход образован в результате соприкосновения двух полупроводников p- и n- типов и концентрации электронов в области n-типа и дырок в области р - типа равны. При комнатной температуре практически все атомы примесей полупроводника ионизированы: в полупроводнике р-типа концентрация отрицательных ионов акцепторов Na равна концентрации свободных дырок рр , а в области n-типа концентрация положительных ионов доноров Nd  равна концентрации свободных электронов nn . Кроме того, в каждой области имеется небольшое количество  неосновных  носителей.  При создании p-n перехода (упрощенно – при соприкосновении областей p- и n- типов) равенство между количеством ионов и свободных носителей заряда нарушается. Так как между областями p- и n- типов существует значительная разница в концентрации дырок и электронов, происходит диффузия дырок в область n - типа и электронов – в область р - типа. Как только дырка покинет область р - типа, в этой области вблизи границы раздела образуется не скомпенсированный     отрицательный заряд иона акцепторной примеси, а с уходом электрона из области n-типа в ней образуется нескомпенсированный  положительный заряд иона  донорной примеси.  Объемные заряды создают электрическое поле, замедляющее процесс диффузии. Графики распределения потенциала и апряженности поля показаны на   рис.2.1.

Нескомпенсированные  заряды образуются также  и вследствие того, что часть электронов и дырок, попавших в смежную область, рекомбинирует, нарушая тем самым равновесие концентрации между свободными носителями заряда и неподвижными ионами примеси. В результате вблизи границы раздела областей создается  двойной объемный слой пространственных зарядов, который называют

p-n переходом. Этот слой обеднен основными (подвижными) носителями заряда в обеих частях, поэтому его удельное сопротивление велико по сравнению с областями p- и n- типов. Часто этот слой называют запирающим.. 

 2.1. Токи в р-n переходе и их характеристики

Перемещение основных носителей заряда через p-n переход в смежные области происходит за  счет диффузии против поля p-n перехода. Этот поток носителей является диффузионным током:

Iдиф= Ipp+Inn ,

где Ipp и Inn – токи, образованные соответственно дырками области р и электронами области n. Одновременно с перемещением основных носителей заряда через p-n переход начинается перемещение неосновных носителей (дырок рn области n и электронов np области р) в направлении поля p-n перехода, которое для них является ускоряющим. Поток неосновных носителей  является дрейфовым током (током проводимости):

Iдр= Ipn + Inp,

где Ipn  и Inp – токи, образованные соответственно дырками n-области и электронами р-области. В отсутствие внешнего поля устанавливается динамическое равновесие между потоками основных и неосновных носителей заряда и токи- диффузионный и дрейфовый- оказываются равными по абсолютному значению:

Iдиф = Iдр .   Но так как диффузионный и дрейфовый токи направлены в противоположные стороны, то результирующий ток через p-n переход будет равен нулю.

2.2.  Прямое включение p-n перехода

 

Если источник напряжения подключить знаком «+» к  р - области, а знаком «–» к области n-типа, то получим включение, которое называют прямым (рис.2.2).

Электрическое поле источника напряженностью Еи  направлено навстречу полю  p-n перехода напряженностью Е, поэтому напряженность результирующего электрического поля Е1=Е-Еи . Уменьшение напряженности электрического поля в переходе вызовет снижение высоты потенциального барьера на значение прямого понижения U источника:

φκ1=∆φκ-U.

Уменьшение высоты потенциального барьера приводит к тому, что увеличивается число основных носителей заряда через p-n переход, т.е. увеличивается диффузионный ток. На дрейфовый ток изменение высоты потенциального барьера не влияет, так как этот ток определяется только количеством неосновным носителей заряда, переносимых через p-n переход в единицу времени в результате хаотического теплового движения. Диффузионный и дрейфовый токи направлены в   p-n переходе  в   противоположные стороны, поэтому результирующий (прямой) ток  будет:

 Iпр= IдифIo.

2.3. Обратное включение p-n перехода

При обратном включении p-n перехода электрическое поле источника напряжения напряженностью Еи направлено в ту же сторону, что и контактное поле перехода напряженностью Е, поэтому напряженность результирующего поля в переходе Е2 = Е+Еи   (рис.2.3 ).

Увеличение напряженности электрического поля в p-n переходе повышает потенциальный барьер на значение обратного напряжения источника:

φκ1=∆φκ+U.

Это, в свою очередь, приводит к уменьшению числа основных носителей заряда, т.е. к снижению диффузионного тока.

Поскольку дрейфовый ток не зависит от высоты потенциального барьера, он равен току I0 .

Ток при обратном включении называют обратным током. При некотором значении обратного напряжения диффузионный ток станет равным нулю. Для неосновных носителей заряда поле p-n перехода является ускоряющим, поэтому дырки области n из прилегающих к переходу слоев дрейфуют в область р - типа, а электроны области р – в область n-типа. Таким образом , через p-n переход протекает только дрейфовый ток. Он мал, поскольку мала концентрация неосновных носителей в обеих областях и высоко сопротивление p-n перехода.

3.  Структура диодов .  Точечные и   плоскостные диоды

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя омическими контактами (омическими называют контакт металла с полупроводником, не обладающий выпрямляющим свойством), к которым присоединяются два вывода.

 Электрический переход чаще всего образуется между двумя полупроводниками с разным типом примесной  электропроводности (p- или n- типа), одна из областей (низкоомная) является эмиттером, другая  (высокоомная) – базой. Структура диода и условное обозначение в схемах выпрямительного диода показаны на рис.  3.1.        

Иногда электрический переход образуется между полупроводником p- или

 n-типа и металлом, такой переход называют контактом металл-лупроводник.

Классифицируют диоды по различным признакам: по основному полупроводниковому материалу - кремниевые, германиевые из арсенида галлия; по физической природе процессов, обусловливающих их работу, - туннельные, фотодиоды, светодиоды и др.; по назначению – выпрямительные, импульсные, стабилитроны,  варикапы и др.; по технологии изготовления электрического перехода – сплавные, диффузионные и др.; по типу электрического перехода – точечные и плоскостные. Основными являются классификации по типу электрического перехода и названию диода.

3.1.  Точечные диоды

Такие диоды (рис.3.2.) имеют очень малую площадь электрического перехода. Линейные размеры, определяющие ее, меньше ширины p-n перехода. Точечный электрический переход можно создать в месте контакта небольшой пластинки полупроводника 3 и острия металлической проволочки – пружины 4 даже при простом их соприкосновении. Между этим слоем и пластинкой образуется p-n переход полусферической формы.                 Площадь p-n перехода составляет примерно       102-103  мкм2. Точечные диоды в основном изготовляют из германия n-типа,  металлическую пружинку – из тонкой проволочки (диаметром 0,05-0,1 мм), материал которой для германия n- типа должен быть акцептором (например, бериллий).     Корпус точечных диодов герметичный. Он представляет собой керамический или стеклянный баллон 2, покрытый черной светонепроницаемой краской (во избежание проникновения света, так как кванты света могут вызвать генерацию носителей заряда вблизи p-n перехода, а следовательно, увеличить обратный ток диода).        Благодаря малой площади p-n п ерехода емкость точечных диодов очень незначительна и составляет  десятые доли пикофарада. Поэтому точечные диоды используют на высоких (порядка сотен мегагерц) и сверхвысоких  частотах. Их применяют в основном для выпрямления переменного тока высокой частоты (выпрямленные диоды высокочастотные) и в импульсных  схемах (импульсные диоды).

        Так как площадь p-n перехода точечного диода мала, то прямой ток через переход должен быть небольшим (10-20 мА) из-за малой мощности (~ 10 мВт), рассеиваемой переходом. Поэтому точечные диоды можно использовать для выпрямления только малых переменных токов

.

3.2. Плоскостные диоды

Плоскостные диоды имеют плоский электрический переход, линейные размеры которого, определяющие площадь, значительно больше ширины перехода. Площадь может составлять сотые доли квадратных миллиметров (микроплоскостные диоды), нескольких десятков квадратных сантиметров (силовые диоды). Переход выполняют в основном методами вплавления или диффузии. Одна из конструкций плоскостного диода показана на рис.3.2. б. Пластинку кристалла полупроводника 3 припаивают к кристаллодержателю 2 так, чтобы образовался контакт. От этого контакта и электрода 4 сделаны выводы 1, причем верхний проходной изолятор 6 в корпусе 5 и коваровую трубку 7. Стеклянный изолятор покрыт светонепроницаемым лаком. Корпус служит для защиты диода от внешних воздействий.

          Плоскостные диоды используются для работы на частотах до 10кГц. Ограничения по частоте связано с большой барьерной емкостью p-n перехода (до десятков пикофарад).

Плоскостные диоды бывают малой мощности (до 1 Вт), средней мощности (на токи до 1А, напряжения до 600 В) и мощные (на токи до 2000 А).

3.3.  Выпрямительные диоды

 В выпрямительных диодах используется свойство односторонней проводимости p-n перехода. Их применяют в качестве вентилей, которые пропускают переменный ток только в одном направлении. Вентильные свойства диода зависят от того, насколько мал обратный ток. Для уменьшения обратного тока необходимо снижать концентрацию  неосновных  носителей, что может быть обеспечено за счет высокой степени очистки исходного полупроводника.  Для описания работы диода используют статические характеристики и параметры,  а также  динамические. Статические параметры – это прямой выпрямительный ток, наибольшее допустимое напряжение, обратное сопротивление, максимально допустимая мощность и др.    Динамические параметры – дифференциальное сопротивление    r д = dU/dI, общая емкость диода С, емкость между выводами диода при заданных напряжении и частоте, которая включает в себя емкости Сб, Сдиф и емкость корпуса диода ; граничная частота fгр, на которой выпрямительный ток уменьшается в \/ˉ2  раз. 

                                       

    4.   Транзисторы 

 4.1. Биполярные транзисторы

Транзисторы подразделяют на два основных класса: биполярные и полевые.

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими электрическими переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных  носителей заряда.

Имеется две разновидности биполярных транзисторов: бездрейфовые (диффузионные) и дрейфовые — они отличаются принципом работы. Рассмотрим бездрейфовые биполярные транзисторы.

Конструктивно биполярный транзистор представляет собой пластину монокристалла полупроводника с электропроводностью р- или n-типа, по обеим сторонам которой вплавлены (или внесены другим образом) полупроводники, обладающие другим типом электропроводности (рис. 4.1).  На границе раздела областей с разным типом электропроводности образуются  р-n  или  n-р  переходы. Каждая из областей, называемых эмиттером 1, коллектором 2 и базой 3, снабжается омическим контактом, от которого делаются выводы Э, К и Б соответственно . Транзистор укрепляют на кристаллодержателе и помещают в герметизированный корпус, в дно которого через стеклянные изоляторы проходят выводы. Корпус может быть металлическим, пластмассовым или стеклян-

ным.  

При рассмотрении процессов, происходящих в транзисторе, его удобно представлять

плоскостными  структурными схемами. Транзистор, изображенный на рис. 4.1, в виде структурной схемы показан на рис.4.2,а. Он имеет структуру р-n-р. На рис.4.2,б показан транзистор с другим чередованием областей

(n-р-n), на рис. 4.2,в,г - соответствующие структурной схеме условные обозначения транзисторов. Разницы в принципе работы транзисторов обеих структур нет, но полярность подключения выводов к источнику питания противоположная. Так как транзистор - симметричная структура, то любая крайняя область могла бы быть как эмиттером, так и коллектором. Однако в реальных конструкциях, исходя из обеспечения лучшей работы транзистора, область коллектора делается большей по размерам, чем область эмиттера. Из тех же соображений активная толщина базы w делается небольшой (меньше диффузионной длины неосновных носителей). Выводы от каждой из областей называются так же, как и области: эмиттерный, базовый, коллекторный. Переход эмиттер- база называется эмиттерным, коллектор- база- коллекторным. Назначение эмиттера- инжекция (вспрыскивание) в область базы неосновных для нее носителей заряда, для чего область эмиттера выполняют более насыщенной основными носителями (более низкоомной), чем область базы. Назначение коллектора - экстракция (втягивание) носителей из базы,  в которой различают три области: активную (между эмиттером и коллектором, через нее приходят носители заряда в активном режиме работы транзистора), пассивную (между эмиттером и выводом базы) и периферическую (за выводом базы).

Транзисторы классифицируют по различным признакам: по мощности — малой, средней, большой; по диапазону рабочих частот — низкой, средней, большой; по методу изготовления - сплавные, микросплавные, диффузионные, планарные  и т.д.


4.2. Схемы включения биполярного транзистора и режимы  его работы

При включении транзистора в схему один из его выводов делают общим для входной и выходной цепей, поэтому схемы включения бывают: с общей базой (ОБ) (рис. 4.3,а); с общим эмиттером (ОЭ) (рис.4.3,б); с общим коллектором (ОК) (рис. 4.3,в). Относительно общего вывода  измеряют напряжения входной и выходной цепей транзистора. Наибольшее применение имеет схема включения с ОЭ. Физические процессы в транзисторе удобнее рассматривать на примере схемы с ОБ.

В зависимости от смещения, созданного на эмиттерном и коллекторном

р-n  переходах, транзистор может работать в трех режимах. Если один переход смещен в прямом направлении, а другой - в обратном, режим называют активным . Если в прямом направлении включен эмиттерный переход, а коллекторный - в обратном, такое включение называют нормальным (рис.4.4,а). Если смещение на р-n переходах противоположное, включение называют  инверсным         В последнем случае коллектор выполняет роль эмиттера, а эмиттер - роль коллектора. Активный режим используется в усилительных схемах, в схемах

генерирования, где транзистор выполняет функции активного элемента схемы. Если оба р-n перехода смещены в обратном

направлении, транзистор работает в режиме отсечки (рис. 4.4,б).  Если оба р-n  перехода смещены в прямом направлении,

транзистор работает   в режиме насыщения ( рис. 4.4,в). Режимы отсечки и насыщения используют в ключевых режимах работы транзистора: режим отсечки соответствует состоянию «отключено», режим насыщения - «включено». На рис. 4.4    показаны знаки потенциалов выводов  для этих режимов . 

4.3. Работа биполярного транзистора в активном режиме

Рассмотрим работу на постоянном токе биполярного диффузионного сплавного транзистора со структурой p-n-р, включенного по схеме с ОБ в активном режиме .

В активном режиме прямое смещение эмиттерного перехода создается за счет включения постоянного источника питания UЭБ, а обратное смещение коллекторного перехода - за счет включения источника UКБ. Величина UЭБ имеет небольшое значение, близкое к высоте потенциального барьера, и составляет доли вольт. Величина UКБ на порядок больше UЭБ и ограничивается напряжением пробоя коллекторного перехода. При включении источников питания UЭБ и UКБ потенциальный барьер эмиттерного перехода снижается за счет UЭБ, а потенциальный барьер коллекторного перехода повышается за счет UКБ. Дырки эмиттера легко преодолевают понизившийся потенциальный барьер и за счет диффузии инжектируются в базу, а электроны базы - в эмиттер. Дырки эмиттера диффундируют в базе в направлении к коллекторному переходу за счет перепада плотности дырок по длине базы, большинство из них доходит до коллекторного перехода, а незначительная часть рекомбинирует с электронами базы. Для уменьшения потерь дырок на рекомбинацию базу делают тонкой. Поскольку поле коллекторного перехода для дырок является ускоряющим, они втягиваются через коллекторный переход в коллектор, т. е. происходит экстракция дырок в коллектор. Распространяясь вдоль коллектора за счет перепада плотности вдоль коллектора, дырки достигают контакта коллектора и рекомбинируют с электронами, подходящими к выводу от источника.

Наряду с основными носителями заряда через эмиттерный и коллекторный переходы движутся и неосновные для каждой из областей транзистора носители. На работу транзистора существенно влияет движение неосновных носителей через коллекторный переход: дырок базы — в коллектор и электронов коллектора — в базу. Их количество растет с повышением температуры (тепловая генерация). Оно зависит также от материала полупроводника.

4.4. Токи биполярного транзистора

Проследим за движением дырок эмиттера в транзисторе. В эмиттере дырки создают ток IЭр (рис.4.5 ), а в коллекторе они представляют собой дырочную составляющую тока коллектора IКр, которая меньше тока IЭр на ток, вызванный рекомбинацией дырок в базе и называемый базовым током рекомбинации IБреr:

Iкр = Iэр - IБрек.                                           

     Поскольку назначение транзистора - усиление мощности входного сигнала, ток IБрек является нежелательным, вследствие чего его стремятся уменьшать. Достигается это путем уменьшения толщины базы так, чтобы w £ Lp, где Lр - диффузионная длина дырок. Чем меньше толщина базы, тем большее число дырок достигнет коллекторного перехода и тем больше дырочная составляющая тока IКр.

Через эмиттер помимо дырочного протекает и электронный ток IЭп, обусловленный переходом в область эмиттера электронов базы. Таким образом, ток эмиттера

IЭ = IЭр + I Эп.                                                        

Составляющая тока эмиттера IЭп замыкается в цепи база - эмиттер, не протекает через коллектор и является вредной, вызывая дополнительный нагрев транзистора. Для того чтобы уменьшить ток IЭп, базу насыщают примесью во много раз меньше, чем эмиттер (примерно на два порядка).

В коллекторе и базе следует также учитывать обратный ток коллекторного перехода IКо, образованный неосновными носителями областей базы и коллектора:

                                                   IК = IКр + IКо.                                                       

Поскольку концентрация неосновных носителей значительно больше в базе, чем в коллекторе, обратный ток коллекторного перехода состоит в основном из дырок базы. Величина IКо является параметром транзистора, характеризующим его качество (чем IКо меньше, тем транзистор лучше).  Значения  IКо при нормальной температуре составляют 0,1 - 100 мкА,  причем  это у  германиевых транзисторов  примерно на  порядок больше, чем  у кремниевых.

В базе протекают ток IЭп, образованный электронами, инжектированными в эмиттер, ток рекомбинации IБрек и обратный ток коллекторного перехода IКо:

                                        I = IЭп + IБрекIКо.                                                       

Ток IКо направлен навстречу токам IЭn и I Брек

                                                IБ = IЭ - IК,                                                                

а это соответствует первому закону Кирхгофа. Поскольку транзистор изготовляют так, чтобы обеспечить очень малое значение тока базы, ток коллектора незначительно отличается от тока эмиттера: IКIЭ.

Итак, через транзистор течет сквозной ток от эмиттера через базу к коллектору (его направление отражено в условном обозначении транзистора — стрелка от эмиттера в сторону базы).

Током коллектора можно управлять. Для этого следует изменить напряжение UЭБ источника питания цепи эмиттера. С увеличением UЭБ снижается потенциальный барьер эмиттерного перехода и увеличивается ток эмиттера, а  следовательно, и ток коллектора (при прочих равных условиях). Таким образом, ток эмиттера является управляющим, а ток коллектора — управляемым. Поэтому транзистор часто назы-вают прибором, управляемым током. Отметим, что изменение обратного напряжения источника питания цепи коллектора практически не вызывает увеличения тока коллектора, так как поле коллекторного перехода является ускоряющим и не может изменять числа дырок, которые пересекают коллекторный переход.

4.5.  Усилительные свойства биполярного транзистора

Биполярный транзистор обладает свойством усиливать электрический входной сигнал, благодаря чему его можно использовать в качестве активного элемента. Под усилением сигнала обычно подразумевается усиление мощности полезного сигнала, которое можно наблюдать при изменении или тока, или напряжения, или того и другого. В зависимости от схемы включения (ОБ, ОЭ, ОК) транзистор усиливает либо ток, либо напряжение, либо то и другое.

Схема с ОБ. В такой схеме значение тока коллектора близко к значению тока эмиттера, т.е. усиления по току не происходит. Однако в этом случае имеется усиление по напряжению и, следовательно, по мощности. Покажем это. В активном режиме коллекторный переход смещен в обратном направлении, его потенциальный барьер высок, поэтому инжекция дырок из коллектора в базу невозможна. Чтобы инжекция не происходила и при включении в коллекторную цепь резистора нагрузки с высоким сопротивлением RК, необходимо, чтобы при этом не изменился знак потенциала коллектора.

Поскольку сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов, а также нагрузки включены последовательно и ток через них почти одинаков, небольшое изменение тока эмиттера вызовет небольшое изменение напряжения в эмиттерной цепи, тогда как в коллекторной цепи это изменение будет весьма значительным, если RК велико. В этом случае напряжение, а следовательно, и мощность возрастут во много раз. В самом деле, изменение напряжения на эмиттере на ΔUЭ вызовет изменение эмиттерного тока на ΔIЭ = ΔUЭ/RЭ. Ток коллектора изменится практически на такое же значение: ΔIКΔIЭ, а напряжение на нагрузке изменится на

ΔUК = RКΔIКRKΔIЭ . Если подставить в DUК значение ΔIЭ, то ΔUК =RКΔUЭ /RЭ, откуда видно, что приращение напряжения на RК больше приращения напряжения в эмиттерной цепи в RК /RЭ раз. А так как RК » RЭ, то ΔUк » ΔUЭ.

Приращение входной мощности DPвх = RЭDIЭ2, а приращение выходной мощности ΔPвых = RКΔIK2 RKΔIЭ2 = RK /RЭ ·ΔРвх, т.е. оно больше ΔР в RК /RЭ раз. Следовательно, ΔPвых » DPвх.

При работе транзистора в усилительном режиме на его вход подается переменный сигнал, который нужно усилить. Напряжение источника питания постоянно, но переменное напряжение, подаваемое на  эмиттер (даже малое), приводит к большим изменениям (колебаниям) переменного напряжения сигнала на резисторе RК, т.е. в схеме происходит усиление малого переменного входного сигнала.

5 .    Логические элементы в интегральном исполнении

Логические элементы в интегральном исполнении предназначены для работы с сигналами в потенциальной форме. Они могут выполняться по логике разных типов. Тип логики влияет на характеристики элемента. В интегральных микросхемах чаще используют кремниевые транзисторы n-р-n -типа. Ниже приводятся  некоторые упрощенные схемы логических элементов различных типов.

5.1. Логический элемент  И - НЕ  диодно-транзисторной логики (ДТЛ)

 

Логический элемент  И - НЕ для сигналов положительной полярности показан на рис.5. 1.  Он представляет собой соединение через диоды Дс двух элементов: диодного элемента  И  и транзисторного элемента НЕ.  При  анализе  работы элемента необходимо иметь в виду, что в схеме используется кремниевый транзистор, который переходит в режим отсечки при напряжении базы менее 0,6В. При  повышении напряжения он быстро переходит в режим насыщения. Напряжение между эмиттером и коллектором   в этом случае снижается до 0,4В. Рассмотрим работу элемента. Если на все входы подано напряжение U1 (логическая 1), все диоды (Д1, Д23)  будут закрыты и ток в цепи:  источник E1,  резистор  R1, открытые диоды Дc , пройдет в базу транзистора. Вследствие падения напряжения на резисторе R1 потенциал базы окажется несколько ниже потенциала E1, но выше 0,6 В, так что транзистор будет находиться в режиме насыщения. На выходе элемента НЕ установится низкое напряжение, соответствующее  логическому  0. Если хотя бы на один вход ( например, Вход 1) будет подано напряжение U°, то соответствующий диод  будет открыт. Ток от источника E1 будет проходить через резистор R1. Часть тока замкнется через открытый диод Д1 , источник входного сигнала  , часть — через смещающие диоды Дс , резистор  R2  ,  транзистор.  При этом элемент рассчитывают  таким образом , чтобы потенциал базы из-за падения напряжения на R1 и Дс  становился бы менее 0,6 В. В этом случае транзистор будет закрыт и на выходе элемента НЕ напряжение окажется равным Eк , т.е. получим логическую 1.

  Логический элемент ИЛИ-НЕ диодно-транзисторной логики показан на  рис. 5.2.

Принцип действия его состоит в следующем. Если хотя бы на один из входов подается  потенциал логической единицы , то соответствующий  диод открывается и этот потенциал передается на базу транзистора . Транзистор  переходит в состояние насыщения и на его выходе установится низкое напряжение, т.е. U0. Если все входные сигналы  нулевые , то потенциал базы менее 0,6В , транзистор в состоянии отсечки и на выходе - напряжение логической единицы.

 5. 2.  Логический элемент   И – НЕ 

транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)

 Простейший элемент  И - НЕ показан на рис.5. 3. Он состоит из двух частей: элемента И на  многоэмиттерном  транзисторе Т1 и элемента НЕ на транзисторе Т2. Три эмиттерных перехода Т1 , подключенных к входу элемента,  выполняют функции входных диодов  (Д1, Д23)   в схеме  ( рис.5. 1 ).

По сравнению с ДТЛ-элементами элементы ТТЛ обладают более высоким быстродействием. Элемент выполнен по технологии  интегральных микросхем , поэтому он не содержит реактивных элементов. Рассмотрим принцип работы подобных схем. Если на все входы подать напряжение U1, то все эмиттерные переходы Т1 сместятся в обратном направлении . Потенциал базы транзистора Т1 будет   больше потенциала коллектора.  Переход база - коллектор будет смещен в прямом направлении за счет источника +Eк . Транзистор Т1   будет в инверсном режиме , транзистор  Т2 - в  режиме насыщения . Коллекторный ток транзистора Т1 втекает в базу транзистора Т2 , оставляя  последний  в режиме насыщения. Таким образом, на  выходе  будет  напряжение низкого уровня U0, т. е. логический 0. Если на один из входов   подано напряжение U0, то потенциал базы транзистора Т1 , станет выше  потенциалов  эмиттера  и  коллектора , поэтому Т1 окажется в режиме насыщения  и ток базы  замкнется  через эмиттерные переходы  и не поступит в его коллектор , а следовательно , и в базу Т2 . Поэтому транзистор Т2 будет закрыт , а на его выходе — напряжение высокого уровня  ( логическая 1 ) . Таким образом, элемент выполняет операцию  И - НЕ.

5.3.  Логический элемент ИЛИ - НЕ  n-канальной  МОП-транзисторной  логики ( МОПТЛ )

В логических   схемах на полевых транзисторах используют только

МОП-транзисторы с диэлектриком SiO. Основные преимущества схем на МОП -транзисторах  по сравнению с другими  схемами  - высокая степень интеграции и повышенная помехоустойчивость.

Рассмотрим схему  ИЛИ - НЕ  на  МОП-транзисторе  с  индуцированным

 n-каналом  (рис.5.4). В отличие от рассмотренных ранее схем,  в ней вместо нагрузочного резистора  rк имеется  МОП-транзистор (на схеме рис.5 .4 он обозначен Тк  ). Это связано с тем  , что нагрузочный резистор сильно увеличил бы площадь схемы . Логические транзисторы Т1 и Т 2 включены параллельно. Входное напряжение на  каждом  из них равно напряжению

затвора, выходное напряжение равно напряжению стока. Если  на  оба   входа  подать напряжение меньше порогового (соответствующее логическому нулю) , то транзисторы Т1 и Т2 окажутся закрытыми , а ток стока — практически равным нулю. При  этом  ток стока  нагрузочного транзистора Тк тоже будет равен нулю. Поэтому на  выходе установится напряжение, близкое к напряжению источника питания Ес и соответствующее логической 1.

Если на вход хотя бы одного транзистора подать напряжение, превышающее пороговое (соответствующее логической 1) , то этот транзистор откроется  и появится ток стока. Тогда на выходе схемы будет напряжение , значительно меньшее порогового , что соответствует логическому 0. Следует отметить, что схемы на  МОП-транзисторах  менее быстродействующие , чем на биполярных . Это связано со скоростью перезарядки выходной емкости , которая весьма значительна.  

.

5.4.  Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)

Основу этой группы ИМС составляет переключатель тока, представляющий собой ключевой элемент на транзисторах с объединенным эмиттером . Такие логические ИМС наиболее быстродействующие. Их  конструкция здесь не  рассматривается.

На    рис.5.5 показано условное обозначение  элементов  И-НЕ, ИЛИ-НЕ,

а в таблице 5.1 –соотношение между их входными  и выходными сигналами. 


6.  Триггеры  в интегральном исполнении

Интегральная технология и использование методов алгебры логики позволили создать большое число различных триггеров на базе логических элементов, различающихся структурой цепей управления и режимами работы. Триггер состоит из цепей управления и запоминающих устройств и имеет один, два (или более) входа и два выхода. Каждый из входов имеет определенное функциональное назначение, которое отражается в обозначении данного входа (R, S, К, D и т. д.).

Цепи управления, в которые поступают входные  (информационные)  сигналы , преобразуют их в сигналы для запоминания и считывания.

Запоминающие устройства состоят из двух плеч, в каждом из которых одновременно хранятся сколь угодно долго два сигнала, один из которых соответствует логической 1, другой - логическому 0. Выход триггера Q, с которого в исходном состоянии снимается высокий  потенциал, обычно называют прямыми, другой - инверсным  (обозначается `Q   ) . По способу записи информации все триггеры подразделяют на асинхронные, в которых информация записывается непосредственно при поступлении входного сигнала, и тактируемые (синхронные), записывающие входную информацию только при поступлении разрешающего тактового импульса.

Названия триггеров составляют из типов входов. Рассмотрим примеры построения некоторых  наиболее простых  типов триггеров на базе логических элементов  ИЛИ - НЕ, либо И - НЕ.

6.1.   RS-триггер 

Буквы R и S означают: R — раздельный вход установки в состояние  0; S

раздельный вход установки в состояние 1.  Схема асинхронного RS-триггера  

на двух логических элементах  И- НЕ показана на  рис. 6.1, а. Триггер имеет два входа R и S и два выхода: прямой Q и инверсный`Q. Перекрестная связь выхода каждого элемента  И - НЕ  со входом  другого обеспечивает схеме два устойчивых состояния. Предположим, что на S входе  триггера  имеет место уровень логического 0, а на R-входе -1.Первый сигнал образует на прямом выходе Q триггера уровень логической 1. Этот сигнал формирует совместно с 1 на  R-входе  уровень     логического   0 на инверсном выходе. Это устойчивое состояние триггера называют единичным по уровню на прямом  выходе .

При подаче на вход R уровня 0, а на вход S уровня 1 на прямом выходе устанавливается нулевой сигнал .  Для RS-триггера существует запретная комбинация входных сигналов. Триггер теряет свойства (его состояние становится неопределенным) при одновременной подаче на входы R и S уровня логического 0.

RS-триггер может быть построен на элементах ИЛИ—НЕ  (рис. 6.1,б). Свойства триггера при этом сохраняются  , но управление им должно производиться уровнями логической единицы. Более сложные триггеры D,  Т  и  JК-типов  выполняют на базе одного или двух RS-триггеров с использованием в цепях управления элементов задержки или логических переключающих схем.

 6.2.    D-триггер 

Схема синхронного D-триггера приведена на рис.6.2, а. На рис.6.2, б  показано его условное обозначение. D-триггер имеет один информационный вход D, устанавливающий триггер в состояние, соответствующее логическому уровню на этом входе. Вход С является исполнительным ( управляющим, синхронизирующим). Он служит для  подачи  синхронизирующего  сигнала. Триггер состоит из асинхронного RS-триггера и логических переключающих устройств на входах (одного элемента НЕ и двух элементов И-НЕ).

При нулевом сигнале на входе С  на выходах элементов И-НЕ образуются уровни логической единицы и, следовательно,  RS-триггер  сохраняет прежнее состояние при любом сигнале на входе D. При С = 1 и D = 1 уровень 0 будет на входе S  RS-триггера, а при D=0 уровень 0 окажется на входе R   RS-триггера. Последний  перейдет в единичное и нулевое состояние, соответственно.  Следовательно, D-триггер принимает информацию с входа D когда С = 1, и может ее хранить до тех пор, пока С = 0. При  этом   на прямом выходе триггера устанавливается  то же состояние, которое было на D- входе.

6.3.  Т-триггер

 T-триггер имеет один вход, который называется  счетным и обозначается буквой Т, и два обычных выхода. Одна из схем Т-триггера показана на рис 6.3,а  и  его условное обозначение - на рис.6.3,б.

В схеме используется D-триггер,  инверсный выход которого соединен с  D входом . Таким образом, на информационном  входе  присутствует  состояние, противоположное тому, в котором находится  D-триггер.  В отличие  от  схемы , приведенной выше, данный D-триггер построен так, что срабатывает в момент так называемого спада синхроимпульса на входе C. Следовательно в момент каждого спада его состояние будет изменяться на противоположное.

Наиболее универсальным является JК-триггер.  Подробно его схема и свойства здесь не рассматриваются .

  1.  Регистры

Регистр — это узел ЭВМ, предназначенный для приема, хранения и выдачи по команде числовых кодов. Наибольшее применение регистры находят в устройствах оперативной обработки информации. Регистр  представляет собой сборку из триггерных и логических элементов. В зависимости от формы представления числа, используемой при вводе его в регистр (параллельной или последовательной), регистры подразделяют  на накопительные (параллельные) и сдвигающие (последовательные).

7. 1.  Параллельный регистр 

Параллельный регистр  принимает и запоминает все разряды хранимого кода одновременно. Одна из простых схем  такого трехразрядного регистра представлена на  рис.7.1. В схеме используются  D-триггеры, срабатывающие  “по фронту синхроимпульса”, т.е. информация запоминается и появляется на выходах триггера в момент  фронта синхроимпульса  на входе С.  R-входы триггеров присоединены к шине установки их в исходное состояние. Для того чтобы запомнить некоторый код, его разряды должны бать переданы на клеммы ВХ1,ВХ2,ВХ3  и после этого на вход  С необходимо подать синхроимпульс.  

 7.2. Последовательный регистр

Для получения последовательного  регистра  триггеры необходимо соединить последовательно: выход младшего разряда – со входом старшего. Схема  такого регистра  на D-триггерах приведена на рис. 7.2. Здесь так же как в схеме  рис 7.1 используются триггеры , срабатывающие в момент фронта синхроимпульса. Выходы сдвигающего регистра и его ячеек присоединяют в зависимости от применения к решающим блокам или к схемам управления . На вход регистра последовательно      передаются разряды запоминаемого кода .В момент           фронта разряд, поданный фронта  разряд запоминается на первом триггере, а информация , хранившаяся в каждом триггере до этого, передается на соседний триггер справа. Временная диаграмма, иллюстрирующая процесс заполнения регистра кодом  101 , показана на рис 7 .3. Помимо операции запоминания данных регистры позволяют  выполнять преобразования кодов.  Так, рассматриваемый  регистр может принимать разряды кода последовательно и выдавать их параллельно либо последовательно.  Более сложные схемы дают возможность  преобразовать параллельный код в последовательный.

8 .  Счетчики

Счетчиком называют цифровое устройство, осуществляющее счет импульсов, поступающих на его вход. Результат подсчета отображает в двоичной системе счисления в виде комбинаций состояний триггеров, образующих разряды счетчика. По функциональному признаку счетчики подразделяют на суммирующие, в которых числа, представленные в виде последовательности импульсов, складываются с записанным ранее числом,  вычитающие, когда входные импульсы вычитаются из начального числа, и реверсивные, производящие одну из указанных выше операций в зависимости от знака входных сигналов. В зависимости от схемы выполнения цепей связи между разрядами различают счетчики с непосредственной связью,  с цепями переноса и комбинированные. Счетчики выполняют на счетных триггерах (например, -  Т или J/К-типа).

8.1. Суммирующие двоичные счетчики

.В таких счетчиках поступление на вход очередного импульса вызывает увеличение на одну единицу хранимого в счетчиках числа.  Схема трехразрядного двоичного счетчика, построенного на Т-триггерах,. показана  на рис.8.1. Используются триггеры,  срабатывающие  “по спаду” входного сигнала. При появлении импульса на входе на   выходе триггера устанавливается новое состояние, противоположное предыдущему. С каждым входным импульсом сумма увеличивается на единицу. Анализ принципа действия схемы показывает, что  суммирование производится в двоичной системе счисления. Выходной сигнал первого триггера соответствует младшему разряду суммы,  т.е.  ему соответствует весовой коэффициент 20, для следующего триггера –21 и т.д. Нарастание числа продолжается до тех пор, пока после очередного входного импульса  в счетчике не устанавливается исходное состояние 00... 0, после чего счет ведется сначала. Временная диаграмма одного цикла работы счетчика приведена на  рис .8.2. Для трехразрядного счетчика цикл заканчивается после восьмого импульса на входе.

Можно построить схему трехразрядного счетчика с циклом счета  менее восьми, не кратным степени двойки. Для этого используются цепи обратных связей, формирующие сигнал установки  счетчика в исходное состояние после заданного входного импульса. Пример подобной схемы с циклом счета , равным шести, приведен на рис. 8.3.

9.  Сумматоры

Сумматором называют устройство, осуществляющее арифметическое сложение двоичных чисел. Сумматор является одним из основных элементов ЭВМ, выполняющим арифметические операции. Сложение многоразрядных двоичных чисел производится однотипными действиями, осуществляемыми в каждом разряде с помощью одноразрядного двоичного сумматора. Для сложения многоразрядных  двоичных чисел используют многоразрядные сумматоры, которые в зависимости от ввода чисел делятся на две группы: последовательного и параллельного действия. Сумматор последовательного действия  складывает разряды суммируемых чисел последовательно, начиная с младших . Для сумматора последовательного действия характерно малое количество элементов, однако он обладает низким быстродействием. Сумматор параллельного действия выполняется многоразрядным , его каждый разряд образован одноразрядным сумматором. Сложение многоразрядных двоичных чисел производится однотипными действиями, осуществляемыми в каждом разряде с помощью одноразрядных двоичных сумматоров.    Схема комбинационного одноразрядного сумматора для сложения младших   разрядов двух чисел приведена на рис. 9.1. В двоичном одноразрядном сумматоре путем сложения по модулю 2 определяется сумма чисел  в каждом

разряде. Операция сложения выполняется путем подачи соответствующих разрядов

двух D-триггеров.

Логика работы сумматора иллюстрируется  таблицей 9.1. Проанализируем, как осуществляется операция сложения. Если, например, а = 1, b = 0, то на выходе элемента И1  вырабатывается сигнал a ^`b = 1, а на выходе элемента И2 – 0. В результате на выходе элемента ИЛИ сигнал суммы S = 1. Аналогично формируется сигнал суммы в каждом разряде двоичного одноразрядного сумматора и при других  сочетаниях входных чисел.  Кроме сигнала суммы на выходе должен формироваться и сигнал переноса в старший разряд, если сумма, полученная при сложении двух чисел, превышает 1. Подобный сигнал формируется на выходе элемента И3.

Библиографический  список

1.  Морозов А.Г. Электротехника, электроника и импульсная техника. - М.: Высшая школа , 1993.

2.  Гусев В. Г. , Гусев Ю. М.  Электроника. - М. : Высшая школа ,  1991.

3.  Жеребцов  И. П.   Основы  электроники. - Л. : Энергоиздат, 1989.

4.  Электротехника./ Под ред. В. Г. Герасимова .-М. : Высшая школа , 1985.

5.  Волынский Б. А.   Электротехника. - М. : Энергоиздат, 1987.

6.  Чоговадзе Т. Г. Персональные компьютеры. - М. : Финансы и статистика, 1989.

  1.  Персональные компьютеры./ Под ред. В.А Комарника.  - М. : Финансы и  статистика, 1989.
  2.  Нортон П. Программно- аппаратная организация IBM PC. - М. : Радио и связь, 1991.
  3.  Инструментальные  средства ПЭВМ. Под ред. Б. Г. Трусова . - М. : Высшая школа, 1993.
  4.  Фигурнов В. Э. IBM PC для пользователя.     
  5.  Фролов И.  Компьютерное железо: Справочник.  -М.:  Познавательная книга плюс,  2000 .

12.  Жаров  А.  Железо  IBM  PC . –М.:  Микроарт , 2001.   

Полупроводниковые приборы, логические элементы,  узлы ЭВМ

Методические указания по дисциплине "Аппаратные средства вычислительных комплексов" для студентов специальности  351400 "Прикладная информатика (в экономике)"

Составитель  Ю.А. ВЕГЕРА

Редактор  Т.С. СИНИЦЫНА

Технический  редактор Г.В. КОМАРОВА

-------------------------------------------------------------------------------------------------

Подписано в печать

Физ. печ. л. 2.25.  Усл. печ. л. 2.09.  Уч.-изд. л. 1.96.

Тверь. Издательство ТГТУ


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20242. Основи методу Монте-Карло 146.5 KB
  точки та розрахувати в кожному полож. точки її енергію з частинками системи. Будується ланцюг випадкових переміщень однієї точки. точки; 2 обрати модель потенціальної енергії; 3задати температуру та довжину кроку відображ.
20243. Полімерний стат. клубок 46.5 KB
  клубок Полімерні молекули – ланцюги з великої кількості ланок вони можуть відрізнятися сладом однакові ланки або різні степенем гнучкості числом гілок та заряджених груп. Найпростіша полімерна молекула – послідовність великої кількості атомних груп з`єднаних у ланцюг ковалентними хімічними зв`язками. N масі ланцюга. Полімерний ланцюг має N 1 N 102 104 Полімерні молекули поділяються на лінійні та тривимірні.
20244. Спектральний склад розсіяного світла в газах. Ефект Мандельштама-Брілюена 85 KB
  Спектральний склад розсіяного світла в газах. Розсіяння світла – це зміна якоїсь характеристики потоку оптичного випромінювання світла при його взаємодії з речовиною. Цими характеристиками можуть бути просторовий розподіл інтенсивності частотний спектр поляризація світла. Фізична причина розсіяння світла в чистій речовині полягає в тому що в силу статистичної природи теплового руху молекул середовища в ньому виникають флуктуації густини.
20245. Особливості реологічної неньютонівської рідини 90 KB
  Не ньютонівська течіяпри різних швидкостях течії рідина характеризується різними в‘язкостями. Для того щоб визначити поняття не ньютонівської рідини згадаємо що таке ньютонівська рідина. Бінгалівська рідина межа пластичностітобто в системі існує область де напруження не впливає на зсув характерною ознакою є те що течія починається коли дотичне напруження τ перевищує межу пластичності θ. ; немає зсуву шарів рідина рухається як жорсткий стержень.
20246. Взаємодія повільних нейтронів 57 KB
  Зіткнення нейтрона з ядром може відбуватись двома шляхами: або 1без утворення проміжного ядра коли нейтрон розсіюється безпосередньо силовим полем ядрапружне та непружне розсіяння 2або з утворенням проміжного збудженого ядра з наступним його розпадом по одному з можливи каналів: Авипромінювання γ – квантів процес радіаційного захвату нейтрона ядром Б випромінювання заряджених частинок В ділення ядра В області повільних нейтронів енергія 1еВ основні процеси пружне ядерне розсіяння радіаційний захват нейтрона ядрома бо...
20247. Теорія капілярного віскозиметра 63.5 KB
  Віскозиметр – прилад для визначення в’язкості. Визначення в’язкості капілярним віскозиметром базується на законі Пуазейля і полягає в визначенні часу протікання визначеної кількості рідини або газу через вузькі трубки круглого прерізу при заданому перепаді тисків. Прилади для вимірювання в’язкості можна розділити на дві групи: 1Ті які використовують стаціонарні типи руху рідин капілярний метод метод падаючої кульки; 2 Використовуються нестаціонарні типи руху в основному обертальноколивальний рух коливання твердого тіла зануреного в...
20248. Розрахунок бінарної кореляційної функції числовими методами 61.5 KB
  Розглянемо як розрахувати бінарну кореляційну функцію цими методами: МК В окремих точках матимемо де середня кількість сусідів від відображаючої точки на відстані ri яка може бути обрахованою за наступною формулою: кількість сусідів у j – му положенні відображаючої точки S – кількість частинок в комірці. МД кількість частинок на відстані ri від μї частинки в момень часу n. l – кількість частинок в комірці р – кількість проміжків часу.
20249. Основи методу хвильової спектроскопії 89 KB
  З уширення спектральних ліній береться інформація про міжмолекулярну взаємодію. Є три причини уширення: 1.природня ширина ліній лише в основному стані нема уширення; 2.доплерівське уширення відбувається за рахунок молекул що знаходяться в тепловонму русі; 3.
20250. Термодинамічна теорія флуктуацій. Розподіл Гаусса. Флуктуації об’єму та температури 70.5 KB
  Термодинамічна теорія флуктуацій. Покладемо x0=0 то Врахуємо Підставимо 2 в 1 це фактично розподіл але треба знайти А функція розподілу Гауса або гаусіан для флуктуацій 3 загальна формула для знаходження флуктуацій основних фізичних величин однокомпонентної системи. 43 та порівняємо з : середньоквадратичні флуктуації об’єму ізотермічна стисливість середньоквадратичні флуктуації температури теплоємність при сталому V Висновки термодинамічної теорії флуктуацій: як...