КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ

Для практической реализации логических функций используются элементы цифровой электроники, как правило, выполненные в виде интегральных микросхем (микросхем созданных по единой технологии). На рис.4. приведены графические изображения логических элементов реализующих функции НЕ, ИЛИ и И, используемые на принципиальных электрических схемах.

x x

x 1 Q 1 Q & Q

y y

Рис.4.

Кроме элементов, реализующих логические функции НЕ, ИЛИ и И широко применяются элементы ИЛИ-НЕ и И-НЕ, являющиеся комбинацией элементов ИЛИ и НЕ и элементов И и НЕ. С помощью этих элементов могут быть реализованы все остальные элементы. Их графические изображения приведены на рис.5.

X x

1 Q & Q

Y y

Рис.5.

При практической реализации цифрового устройства целесообразно придерживаться следующего алгоритма:

1. Проводится анализ логических операций, выполняемых устройством, и записывается алгоритм его работы;

2. На основании алгоритма составляется таблица истинности для логической функции, реализуемой устройством;

3. Записывается и минимизируется логическая функция;

4. В соответствие с логической функцией разрабатывается электрическая схема цифрового устройства.

Рассмотрим примеры разработки электрической схемы цифрового устройства. Поскольку примеры составления таблицы истинности, получения и минимизации логической функции рассмотрены выше, то перейдем сразу к пункту 4 алгоритма.

Пример 1. Пусть имеется минимизированная логическая функция: .

Проведем следующие действия:

1. В левой части листа бумаги изобразим три входные клеммы цифрового устройства на которые поступают входные переменные , а в правой части листа изобразим выходную клемму на которой формируется функция ;

2. Поскольку функция – результат суммирования трех произведений, то изобразим трехвходовой логический элемент ИЛИ и соединим его выход с выходом устройства;

3. Изобразим три логических элемента И (два двухвходовах и один трехвходовой) и соединим их входы со входами устройства таким образом, чтобы на выходах логических элементов И сформировались сигналы , и . Для формирования логического сигнала введем в схему логический инвертор. Соединим выходы логических элементов И с входами логического элемента ИЛИ.

Электрическая схема цифрового устройства, реализующего заданную функцию, приведена на рис. 6.

X*Y

x &

y Q

& X* 1

x*y*z

Рис.6.

Пример 2. Пусть задана логическая функция: . Электрическая схема цифрового устройства, реализующего заданную функцию, приведена на рис. 7. При ее синтезе применим алгоритм, аналогичный рассмотренному выше, с той разницей, что выходной сигнал формируется посредством трехвходового логического элемента И, а его входные сигналы формируются логическими элементами ИЛИ.

X+Y

x 1

y Q

1 X+ &

x+y+z

Рис.7.

Последовательные цифровые устройства.

Триггеры.

Триггер – простейшее последовательное устройство, которое может находится в одном из двух возможных состояний (выходной сигнал «0» или «1») и переходить из одного состояния в другое под воздействием входных сигналов. Входы триггера подразделяются на информационные и управляющие. Информационные входы предназначены для приема информационного сигнала («1» или «0»), который передается на выход триггера, где сохраняется до момента изменения состояния триггера. Управляющие входы триггера служат для первоначальной установки сигнала на выходе триггера и для синхронизации процесса записи сигнала с информационного входа на выход триггера (последнее только в синхронных триггерах).

Триггеры классифицируются по:

- способу приема информации;

- функциональным возможностям.

По способу приема информации триггеры подразделяют на асинхронные и синхронные. Асинхронные триггеры изменяют свое состояние в момент появления соответствующего информационного сигнала (сигнала на информационном входе). Синхронные триггеры изменяют свое состояние в момент изменения сигнала (с «0» на «1» или с «1» на «0») на управляющем входе, который называется входом синхронизации или синхровходом.

По функциональным возможностям триггеры подразделяют на:

- с раздельной установкой состояния (RS - триггеры);

- универсальные (JK - триггеры);

- с приемом информации по одному входу (D - триггеры);

- со счетным входом (Т - триггеры).

Входы триггеров обозначают следующим образом:

S – вход для установки триггера в состояние «1»;

R – вход для установки триггера в состояние «0»;

J – вход для установки триггера в состояние «1» в универсальном триггере;

K – вход для установки триггера в состояние «0» в универсальном триггере;

С – синхровход;

Т – счетный вход;

D – информационный вход у D –триггера.

Триггеры могут иметь один прямой выход, обозначаемый Q, или два выхода (прямой и инверсный ).

RS - триггеры

RS – триггеры по способу приема информации подразделяют на асинхронные и синхронные. Асинхронные RS – триггеры находят более широкое применение. Условное графическое обозначение асинхронного RS – триггера приведено на рис. 7.

S T Q

R

Рис. 7

Триггер имеет два информационных входа, называемые R и S –входы (от англ. Reset и Set). Закон изменения состояния триггера описывается таблицей переходов (также иногда называется таблицей состояний), которая приведена на рис.8.

S R Q Режим

Q^(t-1) Хранение предшествующей информации

Установка «1»

Установка «0»

- Неопределенное состояние

Рис. 8

При комбинации входных сигналов S = «0» и R = «0» существующей в некоторый момент времени t (или на некотором интервале) на выходе триггера сохраняется сигнал Q⁽^t^-1⁾, который был на выходе триггера в момент времени (t-1) до появления комбинации входных сигналов S = «0» и R = «0». При комбинации входных сигналов S = «1» и R = «0» на выходе триггера устанавливается состояние Q = «1», а при комбинации S = «1» и R = «0» на выходе триггера устанавливается состояние Q = «0». Комбинация входных сигналов S = «1» и R = «1» считается запрещенной к подаче на вход триггера, т.к. состояние выходного сигнала триггера будет неопределенно, поскольку входные информационные сигналы требуют одновременной установки на выходе триггера Q = «1» и Q = «0», что невозможно.

Один из вариантов реализации RS – триггера с использовании двух логических элементов ИЛИ – НЕ приведен на рис. 9.

1

R Q

S 1

Рис.9

D - триггеры

D –триггер (от англ. Delay) является синхронным триггером. Условное графическое обозначениеD – триггера приведено на рис. 10.

T

D Q

C

Рис.10

D-триггер переписывает на свой выход Q сигнал, присутствующий на информационном входе D в момент смены сигнала на синхровходе с «0» на «1» (триггер работающий по переднему фронту синхроимпульса) или в момент смены сигнала с «1» на «0» (триггер работающий по заднему фронту синхроимпульса). Изображение синхровхода триггера работающего по переднему фронту приведено на рис. 11,а (два варианта), а изображение синхровхода триггера работающего по заднему фронту приведено на рис. 11,б (два варианта).

D T D T D T D T

C C C C

а б

Рис. 11

Временные диаграммы, иллюстрирующие работу D-триггера, переключающегося по переднему фронту синхроимпульса, приведены на рис.12.

D

t

C

t

Q

t

Рис. 12

При соединении у D-триггера (рис.13,а) входа D с инверсным выходом , D-триггер начинает работать в режиме так называемого счетного триггера – Т-триггера. У Т-триггера состояние выхода изменяется на противоположное в момент прихода переключающего фронта синхроимпульса, поскольку к приходу каждого следующего переключающего фронта синхроимпульса сигнал на D-входе изменяется на противоположный.

_{T Q T Q}

_{T T}

а. б.

Рис. 13

На рис.13,б приведено условное графическое обозначение Т-триггера, переключающегося по переднему фронту. На рис.14 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу Т-триггера, переключающегося по переднему фронту синхроимпульса.

T

t

Q

t

Рис.14

Счетчики импульсов

Счетчик импульсов - последовательное цифровое устройство, обеспечивающее хранение слова информации (двоичного числа) и выполнение над ним операций счета, заключающихся в изменении в ходе каждой операции значения числа на единицу в большую или меньшую сторону. По существу счетчик представляет из себя совокупность триггеров, соединенных определенным образом, причем выходы триггеров являются выходами счетчика и образуют разряды выходного числа. Основной параметр счетчика – модуль счета, равный максимальному количеству единичных сигналов (импульсов) которые могут быть подсчитаны счетчиком. Счетчики обозначают символами СТ (от англ. counter).

Счетчики классифицируются по:

- модулю счета:

· двоично-десятичные;

· двоичные,

· с произвольным постоянным модулем счета;

· с переменным модулем счета.

- направлению счета:

· суммирующие;

· вычитающие;

· реверсивные.

- режиму работы:

· синхронные;

· асинхронные.

В качестве примера рассмотрим асинхронный двоичный счетчик, выполненный на основе D-триггеров. Его условное графическое обозначение приведено на рис.15, а внутренняя структура – на рис.16.

C CT Q₁

Q₂

R Q₃

Q₄

Рис.15.

C

C Q C Q C Q C Q

D D D D

R R R R

R

Q₁Q₂Q₃Q₄

Рис.16.

Дополнительный вход R у D-триггеров счетчика используется для обнуления числа на выходе. Выход каждого предыдущего D-триггера соединен с С-входом последующего D-триггера. Поэтому переключение каждого последующего D-триггера, работающего в режиме Т-триггера, происходит не синхронно, т. е. по фронту сигнала, поступающего на синхровход первого D-триггера, а с задержками, вносимыми каждым триггером. Поэтому такой счетчик называют асинхроннам.

На рис.17 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу этого счетчика.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

C

Q₁

Q ₂

Q ₃

Q ₄

R

КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ

Усилитель — это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, намного, как правило, меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают (рис. 2.1).

Все усилители можно классифицировать по следующим признакам:

— по частоте усиливаемого сигнала: усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов от десятков герц до десятков или сотен килогерц; широкополосные усилители, усиливающие сигналы в единицы и десятки мегагерц; избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;

— по роду усиливаемого сигнала: усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от нуля герц и выше; усилители переменного тока, усиливающие электрические сигналы с частотой, отличной от нуля;

— по функциональному назначению: усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности в зависимости от того, какой из параметров усилитель усиливает.

Основным количественным параметром усилителя является коэффициент усиления. В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению K_v, току Kiwm мощности К_Р:

где U_ex, 1_вх — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на входе; 11_вых, 1_вых — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока не выходе; Р_вх, Р_вых — мощности сигналов соответственно на входе и выходе. Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах:

КиШ = 20 lg К_и; К,Ш = 20 lg К,; К_РШ = 10 lg K_P.

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов: К= К\ • К₂- ... • К_п. Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:

ДдБ) = АГ,(дБ) + К₂{яЪ) +... + АГ_я(дБ).

Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:

Ф — сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями с амплитудами U_ex и U_eblx.

Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия

где Р_ист — мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

Роль этого показателя особенно возрастает для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя.

где U_ex и 1_вх — амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

К количественным показателям усилителя относятся также входное R_ex и выходное Я_вых сопротивления усилителя:

Л Увых и &1ШХ — приращения ашштудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки.

Рассмотрим теперь основные характеристики усилителей.

Амплитудная характеристика — это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис. 2.2). Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при U_ex= О, точка 2 — минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2—3 — это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжениями усилителя. После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

где U_lm, U₂_m, U₃_m, U_nm — амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и и-й гармоник выходного напряжения соответственно.

Величина D = —^вхтзх характеризует динамический диапазон усилителя.

Рассмотрим пример возникновения нелинейных искажений (рис. 2.3).

При подаче на базу транзистора относительно эмиттера напряжения синусоидальной формы и_бэ в силу нелинейности входной характеристики транзистора /_б = /(Ибэ) входной ток транзистора /_б (а следовательно, и выходной — ток коллектора) отличен от синусоиды, т. е. в нем появляется ряд высших гармоник. Из приведенного примера видно, что нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала и положения рабочей точки транзистора и не связаны с частотой входного сигнала, т. е. для уменьшения искажения формы выходного сигнала

входной должен быть низкоуровневым. Поэтому в многокаскадных усилителях нелинейные искажения в основном появляются в оконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя.АЧХ — это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, а ФЧХ — это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая АЧХ приведена на рис. 2.4. Частоты f_Hu f_e называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность (f_H— f_e) — полосой пропускания усилителя.

При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает. При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала. Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений: М - —- , где K_f — K_f

модуль коэффициента усиления усилителя на заданной частоте.

Коэффициенты частотных искажений М_н =—— и

М_в - —— называются соответственно коэффициентами ^кв искажений на нижней и верхней граничных частотах.

АЧХ может быть построена и в логарифмическом масштабе. В этом случае она называется ЛАЧХ (рис. 2.5), коэффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а

по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интервал частот между 10/и Д Обычно в качестве точек отсчета выбирают частоты, соответствующие /= 10". Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный наклон. Его измеряют в децибелах на декаду.<