1. Energetická pásová struktura pevných látek; izolanty, polovodiče, kovy; typy vodivostí, drift a difúze. 2. Druhy polovodičů (vlastní a nevlastní polovodiče); generace a rekombinace páru elektron – díra. 3. P – N přechod, OPN, Schokleyho rovnice a voltampérová charakteristika P – N přechodu, měření charakteristiky, jevy na přechodu P – N. 4. Parametry polovodičových diod, technologie výroby polovodičů, druhy diod. 5. Diodové usměrňovače jednocestné, dvojcestné; porovnání vlastností jednotlivých typů usměrňovačů. 6. Stabilizátory napětí se Zenerovou diodou, integrované stabilizátory napětí. 7. Bipolární tranzistory, režimy tranzistorů, hybridní a admitanční charakteristiky, parametry bipolárních tranzistorů. 8. Základní zapojení bipolárních tranzistorů (SB, SC, SE), tranzistor ve funkci spínače. 9. JFET, odporový a saturační režim, mezní parametry, základní zapojení. 10. MESFET, ochuzovaní a obohacovací režim. IGBT a technologie CMOS. 11. MOSFET, zabudovaný a indukovaný kanál, mezní parametry, základní zapojení. 12. Tyristor, závěrný, blokovací a propustný režim. Tyristor jako spínač. 13. Diak a triak, voltampérové charakteristiky. Využití vícevrstvých součástek. 14. Fotoodpor, LED dioda, fototranzistor, fototyristor. 15. Fotodioda, odporový a hradlový režim. Optron, jeho využití. 16. Operační zesilovač, ideální a reálný OZ. Parametry OZ. Invertující a neinvertující zesilovač. Ochrana vstupů a výstupů OZ. 17. OZ jako napěťový sledovač; součtový, rozdílový OZ. 18. OZ ve funkci derivačního zesilovače a integračního zesilovače. OZ jako komparátor. 19. Číselné soustavy, převody mezi číselnými soustavami, aritmetické operace v číselných soustavách.
20. Kódy a kódování dat. Ochrana při přenosu kódů. 21. Logické funkce a základní logické členy, normy US, ČSN a IEC. Minimalizace logických funkcí. 22. Základní typy logik: logika DL, DTL, DCL, RTL a TTL. 23. Princip činnosti hradla NAND a NOR v TTL logice. Mezní parametry TTL logiky. 24. Statické (převodní, vstupní, výstupní, zatěžovací) a dynamické parametry TTL hradel. Měření parametrů hradel. 25. Logický zisk. Typy výstupů hradel TTL (s aktivním a pasivním výstupem, s otevřeným kolektorem, s třístavovým výstupem). Modifikace obvodů TTL. 26. Obvody CMOS. Princip činnosti investoru CMOS, princip činnosti hradla NAND v technologii CMOS. Charakteristiky CMOS obvodů. Propojení TTL a CMOS obvodů. 27. Princip dekodérů, konstrukce dekodérů. Dekodér BIN na 1 ze 4, dekodér BCD na 1 z 10. Integrované verze dekodérů. 28. Kodéry a rekodéry. Kodér 1 z 10 na BCD, dekodér z 8421 na 2421. Rekodér pro sedmisegmentový displej, jeho režimy. 29. Multiplexery a demultiplexery, multiplexerová logika. 30. Elektronické komparátory, využití funkce XOR a XNOR pro konstrukci komparátorů. 31. Číslicové obvody pro aritmetické operace. Binární polosčítačka a úplná sčítačka, BCD sčítačka. Aritmeticko – logická jednotka. 32. Klopné obvody RS a D, jednotlivé typy. 33. Klopné obvody JK, využití klopných obvodů pro návrh sekvenčního obvodu. 34. Posuvné registry, statické a dynamické registry. 35. Asynchronní čítače, princip činnosti, integrované verze. 36. Synchronní čítače, princip činnosti, integrované verze. 37. Dělič frekvence, konstrukce pomocí čítačů. 38. Vzorkovače, princip činnosti, chyby vzorkovačů. 39. A/Č převodníky, princip činnosti, typy převodníků a jejich chyby. 40. Č/A převodníky, princip činnosti, typy převodníků a jejich chyby.
1. Energetická pásová struktura pevných látek; izolanty, polovodiče, kovy; typy vodivostí, drift a difúze.
Energetická pásová struktura VODIVOSTNÍ PÁSMO ZAKÁZANÉ PÁSMO VALENČNÍ PÁSMO ZAKÁZANÉ PÁSMO VNITŘNÍ PÁSMO
Tyto pásma znázorňují symbolicky možné vzdálenosti elektronu od jádra atomu. Přičemž vnitří pásmo je nejblíže jádra a má nejmenší energetickou úroveň W [eV]. O elektrické vodivosti rozhodují elektrony ve valenčním pásmu, jelikož jsou schopny přejít do vodivostního pásma. Zde se elektrony již účastní elektrického proudu, protože jsou k jádru vázany jen nepatrnou silou. Mají tak velkou energetickou úroveň W. V zakázaném pásmu se nemohou elektrony vyskytovat nastálo.
Izolanty VODIVOSTNÍ PÁSMO ZAKÁZANÉ PÁSMO
VALENČNÍ PÁSMO
Šířka zakázaného pásma je desítky eV (elektronvoltů), čili velmi velká. Proto se elektrony z valenčního pásma nemají šanci dostat do vodivostního. Příklad: Plasty, dřevo, sklo, slída, porcelán
Polovodiče Šířka zakázaného pásma je velmi malá. Proto se elektrony z valenčního pásma můžou dostat do vodivostního. Zpravidla při dodání další energie – světla, tepla apod.. Příklad: Křemík, Germanium
VODIVOSTNÍ PÁSMO ZAKÁZANÉ PÁSMO
VALENČNÍ PÁSMO
Vodiče Vodivostní a valenční pásma se dotýkají nebo překrývají. A zakázané pásmo v podstatě chybí. Proto pro elektron není žádný problém vést elektrický proud. Příklad: kovy a uhlík
VODIVOSTNÍ PÁSMO VALENČNÍ PÁSMO
Typy vodivostí (týká se polovodičů) -
vlastní – v čistém polovodičovém prvku, způsobena vlivem teploty - závislá na teplotě nevlastní – do čistého polovodičového prvku byl přidán další prvek- příměs, závislá na množství příměsy
Drift a difúze Drift – pohyb majoritních (většinových) nosičů náboje (elektrony v polovodiči typu N, „díry“ v polovodiči typu P) Difúze – pohyb minoritních (menšinových) nosičů náboje („díry“ v polovodiči typu N, elektrony v polovodiči typu P)
2. Druhy polovodičů (vlastní a nevlastní polovodiče); generace a rekombinace páru elektron – díra.
Druhy polovodičů
Vodivost polovodičů silně závisí na teplotě a na osvětlení. Elektrické vlastnosti polovodičů můžeme vysvětlit na základě vlastností jejich krystalové mřížky. Například křemík je čtyřmocný (má 4 valenční elektrony) a jeho atomy jsou uspořádány v krystalové mřížce. Při nízkých teplotách jsou valenční elektrony silně poutány v mřížce, křemík proud nevede. Při zahřátí se ionty v krystalové mřížce rozkmitají a dochází k uvolňování valenčních elektronů. Opustí-li elektron své místo v mřížce (na obr. šipky), objeví se místo, kde chybí záporný náboj. Toto prázdné místo se nazývá "díra" a chybějící záporný náboj se navenek projeví jako náboj kladný (na obr. vyznačen modře). Do "díry" může přeskočit jiný elektron z krystalové mřížky a doplnit chybějící záporný náboj. Dojde k rekombinaci. Kladná "díra" se však objeví na místě, odkud elektron přeskočil, vypadá to tedy, jako by se "díry" stěhovaly v krystalové mřížce z místa na místo. Připojíme-li k tomuto polovodiči zdroj napětí, začnou se záporné elektrony přesouvat ke kladnému pólu, kladné díry k pólu zápornému a nastane usměrněný pohyb nábojů. Elektrický proud v polovodičích je způsoben usměrněným pohybem uvolněných elektronů a "děr". (na rozdíl od kovů, kde elektrický proud vedou jen volné elektrony). Pokud v polovodiči vedou elektrický proud elektrony a "díry" vzniklé výše popsaným způsobem, hovoříme o vlastní vodivosti.
V technické praxi mají největší využití tzv. nevlastní polovodiče, jejichž krystalová mřížka byla "znečištěna" nepatrným množstvím příměsí. Vlastnosti polovodičů jsou totiž silně závislé na příměsích a vhodným výběrem příměsi můžeme dosáhnout toho, aby v polovodiči byl elektrický proud veden buď volnými elektrony (elektronová vodivost, vodivost typu N), nebo "děrami" (děrová vodivost, vodivost typu P). Vodivost (polovodič) typu N (negativní): V krystalu křemíku jsou některé atomy nahrazeny pětimocnými atomy, např. arzenu. Jejich čtyři valenční elektrony se účastní vazeb, ale páté se již v chemických vazbách nemohou uplatnit. Jsou velmi slabě vázané a již při nízkých teplotách se stanou volnými elektrony. V křemíku s příměsí pětimocného prvku je nadbytek volných elektronů, které po připojení ke zdroji způsobují jeho elektronovou vodivost typu N.
Vodivost (polovodič) typu P (pozitivní): Zabudují-li se do krystalové mřížky atomy trojmocného prvku se třemi valenčními elektrony, např. india, chybí pro obsazení všech chemických vazeb elektrony. V místě nenasycené vazby vznikne "díra" s kladným nábojem. Tuto "díru" může zaplnit elektron z některé jiné vazby a "díra" se v krystalu přesune na jeho místo. Příměs trojmocného prvku vytváří v krystalu křemíku nadbytek kladných "děr", které po připojení ke zdroji způsobují jeho děrovou vodivost typu P.
Ke změně vodivosti křemíku stačí i nepatrné množství příměsi - stačí, aby na 100 milionů atomů křemíku připadl jediný atom příměsi. :-)
Generace a rekombinace páru elektron-díra Při nepřetržitém dodávání se bude uvolňovat stále více volných elektronů a vznikat více děr. Krystalem neuspořádaně se pohybující volné elektrony jsou přitahovány dírami. Když se setká volný elektron s dírou, zaniknou a utvoří tak opět pevnou vazbu. Jelikož elektrony přeskakují z díry do díry, jeví se nám toto přeskakování elektrony zároveň i jako pohyb děr.
3. P – N přechod, OPN, Schokleyho rovnice a voltampérová charakteristika P – N přechodu, měření charakteristiky, jevy na přechodu P – N.
PN přechod Přechod PN je rozhraní polovodiče typu P a polovodiče typu N. V místě styku obou polovodičů dojde k difúzi děr z polovodiče typu P do N a elektronů z polovodiče typu N do P. V oblasti přechodu nejsou žádné volné elektricky nabité částice a přechod má velký elektrický odpor.
Vnější zdroj elektrického napětí lze připojit v propustném, nebo v závěrném směru.
a)
b)
V propustném směru se odpor přechodu výrazně sníží (vnějším polem jsou díry z oblasti P a elektrony z oblasti N uvedeny do pohybu směrem k přechodu). Přechod vede elektrický proud (obr. a). V závěrném směru je odpor přechodu značně velký, závěrný proud je zanedbatelně malý (obr. b).
Shockleyova rovnice Shockleyova rovnice, je rovnicí volt-ampérové charakteristiky ideální diody. A platí jak pro propustný, tak i pro závěrný směr. Vyjadřuje celkový proud PN přechodem.
eU I = I 0 exp − 1 kT I0 - hodnota proudu v závěrném směru e - elementární náboj (1,602⋅10-19 C) U - přiložené napětí k - boltzmannova konstanta (1,381⋅10-23 J/K) T - teplota v K
V-A charakteristika přechodu PN (diody) Dioda ... součástka s jedním přechodem PN
G ... regulovatelný generátor (zdroj napětí) R ... odpor, A... ampermetr, V... voltmetr, D... dioda
V – A charakteristika diody - graf závislosti proudu procházejícího diodou na připojeném napětí - 2 části charakteristiky – v propustném a závěrném směru
Uf – napětí, při kterém diodou začíná procházet proud – kdy se otevírá přechod PN
jevy na přechodu P – N
Lavinový jev: Na přechodu je nábojová dvojvrstva (v P je záporná vrstva, v N kladná) s vysokou intenzitou el. pole. Tuto dvojvrstvu nazýváme oblast prostorového náboje (OPN). V OPN nejsou pohyblivé nosiče náboje ⇒ chová jako izolant.
Lavinový jev nastává při závěrném směru diody. Rostoucí závěrné napětí ⇒ rozšiřování OPN
⇒ na OPN přechodu je velké el. pole, protože má velký odpor ⇒ elektron, který se pohybuje v OPN je urychlován el. polem, získá velkou energii ⇒ při kolizi s atomy Si vyrazí valenční elektrony ⇒ vznik páru elektron díra ⇒ pohyb elektronu a díry v opačném směru ⇒ dochází k dalším kolizím ⇒ nárůst proudu nade všechny meze ⇒ zničení diody
Tunelový (Zenerův) jev Dochází k němu při závěrné polarizaci při větší koncentraci nosičů donorů (donor = dárce valenčního elektronu) a akceptorů (akceptor = příjemce valenčního elektronu) ⇒ úzká OPN ⇒ elektrony mohou překonat energet. bariéru tunelovým jevem. Tunelový jev: elektron překoná energetickou barieru (šířku zakázaného pásu), i když má nižší energii než představuje bariéra. Vysvětlení - Přechod valenčních elektronů z P na volné hladiny vodivostního pásu N ⇒ generace páru elektron-díra ⇒ zvětšení závěrného proudu.
4. Parametry polovodičových diod, technologie výroby polovodičů, druhy diod. Parametry polovodičových diod • • • • • •
Prahové napětí - elektrické napětí, při kterém dojde ke zrušení hraniční vrstvy Průrazné napětí - elektrické napětí, které způsobí při zapojení v závěrném směru zničení přechodu P-N a průchod proudu diodou VA charakteristika - závislost proudu protékajícího diodou na napětí mezi vývody Maximální zatížení - největší možný výkon elektrického proudu nepoškozující diodu Maximální proud - největší proud, který může procházet diodou Teplotní rozmezí - rozmezí teplot, při kterých může dioda pracovat
Technologie výroby polovodičů Hrotová dioda Na kovový hrot wolframového drátku se přivede impulz (až 1 A) v přímém směru, který způsobí vytvoření oblasti P v destičce N o poloměru 5 až 10 µm. Vlastnosti takovéto diody jsou dány malou plochou přechodu. Průrazné napětí 2 až 50 V. Použití: detekce VF signálu, směšování VF signálu. Dioda s přivařeným hrotem Používá se germanium. K polovodiči typu N se přidá zpravidla zlatý nebo hliníkový drátek průměru 50 až 100 µm. Elektrickým výbojem (impulzem) se nataví styk drátku a destičky – utvoří se slitina, vznikne mikroplošná dioda. Plocha přechodu je 3 až 5 × větší než u hrotové diody, dioda má menší šum. Používá ještě v některých spínacích a logických obvodech. Plošná slitinová dioda Germaniový podklad vodivosti N a indium vodivosti P. Při teplotě 500 °C vznikne slitina germania a india. Vytvoří se stupňovitý přechod PN. Plocha přechodu je ještě větší než u předchozích dvou typů. Závěrné napětí až 250 V. Použití pro usměrňování malých střídavých napětí, střední výkony. Plošná difuzní dioda Křemíkový základní materiál vodivosti N, difuzí se vytvoří plošný přechod PN. Výchozí materiál je nízkoohmový, epitaxní vrstva vysokoohmová. Propustný proud závisí na odvodu tepla, průrazné napětí 1500 až 2000 V. Úbytek napětí v propustném směru 1 až 1,2 V. Použití u výkonových usměrňovačů. Difuzní dioda Část přechodu se odleptá, čímž klesne šířka přechodu. Teplo se odvádí základnou diody. Planární dioda Maskovaná difuze do okénka maskovací vrstvy (SiO2). Podklad N, nadifundování P, ochranná vrstva SiO2. Lze měnit vlastnosti v širokém rozmezí. Malá plocha přechodu – rychlé spínací prvky s malým odporem báze. (Difuze je proces rozptylování se částic v prostoru)
Druhy diod
Hrotové -
pro VF (vysokofrekvenční) účely přechod vytvořen wolframovým hrotem a vlastním polovodičem vzhledem k tomu, že plocha přechodu je malá, má přechod malou kapacitu proudy řádově několik mA
se zlatým hrotem -
konstrukce podobná jako u běžných hrotových, mají však menší úbytek napětí v propustném směru hlavně pro spínací účely
plošné diody -
hlavně pro usměrňování proudů průmyslových kmitočtů (50 Hz až několik kHz) proudy jednotky A až stovky A výroba difuzní technologií z polovodiče křemíku
usměrňovací diody pro velké proudy -
bývají v kovovém pouzdře a umožňují montáž na chladič důležité údaje o daném typu uvádí výrobce v katalogu
stabilizační – Zenerovy -
ke stabilizaci stejnosměrného napětí jsou to plošné diody přechod PN je vyroben zvláštním způsobem a je velmi tenký, proto je napětí v závěrném směru poměrně malé (několik V až 20 V –závislé na typu diody) zapojují se v závěrném směru
kapacitní diody -
kapacita diody je závislá na přiloženém napětí na diodě čím je napětí vyšší, tím je kapacita diody nižší zapojují se v závěrném směru používají se pro laděné obvody (místo kondenzátorů)
Schottkyho diody -
usměrňující kontakt (spojení kov-polovodič) použití pro VF usměrňovací diody (GHz), zvýšení frekvence obvodu TTL, ochranu vstupů tranzistorů FET nebo MOSFET
5. Diodové usměrňovače jednocestné, dvojcestné; porovnání vlastností jednotlivých typů usměrňovačů.
Jednocestný usměrňovač propouští pouze jednu půlvlnu vstupního napětí. Má tudíž pouze poloviční účinnost a používá se především u zařízeních s velmi nízkým odběrem proudu. Jde o nejjednodušší zapojení usměrňovače, které vyžaduje pouze jednu diodu.
Dvoucestný usměrňovač propouští obě půlvlny vstupního napětí. Pokud je usměrňovač připojen na transformátor s dvojitým sekundárním vinutím, je možné jej realizovat pomocí dvou diod.
Nejpoužívanějším typem dvoucestného usměrňovače je Grätzův můstek. Jde o zapojení využívající čtyři diody v můstkovém zapojení.
6. Stabilizátory napětí se Zenerovou diodou, integrované stabilizátory napětí.
Stabilizátory napětí -
výkonové zařízení, na jejichž výstupu je konstantní napětí nezávisle na kolísání vstupního napětí a nezávisle na kolísání výstupního proudu dělí se na parametrické (využívají parametrů součástek), zpětnovazební (využívají elektronické zesilovací prvky), integrované obvody (složitější zapojení na jednom čipu)
parametrické zapojení se zenerovou diodou
-
-
-
využívá se závěrné charakteristiky Zenerovy diody napětí na vstupu bývá 1,5-2 x větší než výstupní stabilizované napětí stabilizátor pracuje tak, že při zvýšení napětí na vstupu se zvětší proud tekoucí Zenerovou diodou a tím se zvětší úbytek napětí na odporu Rs -) výstupní napětí zůstává stejné nebo se mění jen velmi málo kdyby kleslo vstupní napětí U1 pod hodnotu Zenerova napětí dané diody, stabilizátor by neplnil svou funkci z hlediska kvality stabilizace potřebujeme, aby odpor Rs bylo co největší; z hlediska přenosu stejnosměrného proudu do zátěže chceme aby odpor byl co nejnižší (aby se snížili energetické ztráty) -) musíme volit určitý kompromis chceme-li zvětšit stabilizované napětí 2x nebo 3x, zapojíme do obvodu více Zenerových diod do série
k ... činitel stabilizace
integrované stabilizátory
Příklad vnitřího zapojení:
• komparátor porovnávající velikost U4 a UZ (referenční) • pro U4 < UZ komparátor přiotevře tranzistor V2 (otevřeným tranzistorem protéká proud) • pro U4 > UZ komparátor přivře tranzistor V2 (zavřeným tranzistorem neprotéká proud) • je-li IL pod jmenovitou hodnotou (pod takovou kterou chceme), pak UBE3 je malé a neotevře V3 proto IC3=0 • pro IL nad jmenovitou hodnotou se otevře V3 poklesne IB2 a V2 se přizavře, proto poklesne IL
7. Bipolární tranzistory, režimy tranzistorů, hybridní a admitanční charakteristiky, parametry bipolárních tranzistorů.
úvod
-
jedná se o zesilovací polovodičový prvek složený ze tří vrstev polovodiče, má dva přechody přechod B-E zapojen vždy v propustném směru, přechod C-B vždy v závěrném emitor vysílá elektrony, colektor je sbírá a báze to řídí
Režimy tranzistorů
UP ... (prahové) napětí nutné pro otevření tranzistoru nevodivý, saturace (=nasycení čili plně vodivý) ... používá se jako spínač normální aktivní ... používá se jako zesilovač inverze aktivní ... používá se u TTL (číslicová technika)
hybridní charakteristiky
admitanční charakteristiky
Parametry bipolárních tranzistorů
Mezní kmitočet Vyšší kmitočet, kdy odezva vstupního proudu nestačí sledovat vstupní změny -tranzistor jakoby ztrácel možnost zesilovat, vzniká fázový posun mezi vstupním a výstupním signálem. Podle oblasti zpracovávaných kmitočtů dělíme tranzistory na - NF (akustické kmitočty) - NF pro všeobecné použití (až 10 MHz) - VF (desítky MHz až GHz) - spínací (číslicové a spínací obvody). Proudový zesilovací činitel Obvykle udáván pro daný pracovní bod, který je definován napětím UCE a proudem IE. Max. ztrátový výkon Vzniká vlivem tepla – proto se tranzistory opatřují chladičem. Vlivem procházejícího proudu roste teplota tranzistoru, vlivem vzrůstající teploty se zvětšuje vodivost polovodiče, čímž roste zbytkový proud na kolektoru a snižuje se napětí mezu elektrodami. Max. napětí elektrod Jedná se o napětí UCB UCE UBE. Max. hodnoty procházejících proudů Jedná se o proudy IC IB. Zbytkový proud ICB Způsoben menšinovými nosiči, ty tranzistorem prochází i tehdy, že přechod B-E je bez napětí. Závisí na typu tranzistoru (u výkonových je větší) a okolní teplotě. Je to nežádoucí vlastnost, je nutné zajistit vnějšími součástkami stabilizaci.
8. Základní zapojení bipolárních tranzistorů (SB, SC, SE), tranzistor ve funkci spínače.
SROVNÁNÍ VLASTNOSTÍ JEDNOTLIVÝCH ZAPOJENÍ SB SE SC velmi malý malý velmi velký Vstupní odpor (10-200 Ω) (jednotky kΩ) (desítky kΩ) velmi velký velký velmi malý Výstupní odpor (desítky kΩ) (jednotky-desítky kΩ) (jednotky Ω) velmi malé velké velké Proudové zesílení (<1) (stovky) (stovky) velké velké malé Napěťové zesílení (<1) malé velké malé až střední Výkonové zesílení (100) (1000)
(SE = společný emitor, SB = společná báze, SC = společný kolektor)
Tranzistor jako spínač
Pomocí malého proudu, který přitéká do báze můžeme zapínat
a
vypínat proud větší. Takovéto obvody se používají všude tam,
R1
T1
kde nemůžeme z bezpečnostních důvodů ponechat jako řídící proud proud napájecí. Např. Zapalování u starších automobilu, kde je místo žárovky umístěna zapalovací cívka a vypínač je nahrazen kontakty spínací skříňky. Nebude-li téci do báze proud, tranzistor bude uzavřený a z kolektoru do emitoru nepoteče proud -> v obvodu na obrázku nebude svítit žárovka. Po sepnutí kontaktu začne téci proud do báze, tranzistor se otevře a žárovka bude svítit.
9. JFET, odporový a saturační režim, mezní parametry, základní zapojení.
Úvod JFET je zkratkou pro Junction Field Effect Transistor. Jedná se tranzistor řízený elektrickým polem. Je to elektronická součástka obvykle se třemi vývody: Gate G (řídící elektroda), Drain D (odtoková elektroda, někdy označována jako C - kolektor) Source S (zdrojová elektroda, někdy označována jako E - emitor) Báze B je uvnitř pouzdra propojena s elektrodou Gate G.
+ označuje vyšší hustotu příměsového prvku
Odporový a saturační režim Odporový režim Pro malá napětí UDS (cca do 1V) funguje tranzistor jako napětím řízený odpor. V blízkosti v blízkosti nuly jsou pro všechna UGS křivky téměř rovné. A přímka ve VA charakteristice odpovídá právě rezistoru. Její sklon (a tedy i odpor kanálu mezi elektrodami S a D) je řízen právě napětím UGS. Saturační režim Pro vyšší hodnoty UDS (cca od 3V) přechází charakteristiky opět do lineárních úseček. Proud se s rostoucím napětím UDS již téměř nezvyšuje. Charakteristické je vějířovité rozevření těchto úseček. Při UDS=UDSsat (saturační napětí) došlo k zaškrcení kanálu vlivem působícího el. pole způsobeného napětím UDS. Pro použití tranzistoru JFET jako zesilovače signálu se používá oblast saturace.
Mezní parametry
conditions ... podmínky / předpoklady VGS je vlastně UGS, jen je to psaný anglicky (Voltage) gate-source breakdown voltage ... max. hodnota napětí UGS před proražením gate-source cut-off voltage ... hodnota napětí UGS kdy je je činnost tranzistoru přerušena gate-source voltage ... běžná hodnota napětí UGS drain current ... proud kanálem (vývodem) gate cut-off current ... proud vývodem Gate, při kterém je činnost tranzistoru přerušena
základní zapojení
Do emitoru E přivedeme elektrony, ten je vyšle a kolektor C přijme. Přivedením napětí na bránu G a zároveň bázi B (je propojeno) můžeme regulovat šířku prostoru, kudma elektrony jdou do kolektoru C. Čím je šířka menší, tím míň elektronů projde, tím menší prochází proud.
10. MESFET, ochuzovaní a obohacovací režim. IGBT a technologie CMOS.
úvod
Ochuzování a obohacovací režim Unipolární tranzistory MESFET (Metal Semiconductor FET) mají v obvodu řídicí elektrody připojenu Schottkyho diodu a vyrábějí se pouze s kanálem N. Podle konstrukce pracují buď v tzv. ochuzovacím režimu, který se podobá činnosti tranzistoru JFET, nebo v obohacovacím režimu, u kterého se proud kanálu ovládá kladným napětím na řídicí elektrodě G.
IGBT Pro spínání velkých proudů při vysokém napětí nejsou základní typy tranzistorů vhodné. Bipolární tranzistor musí být buzen velkým proudem, zatímco unipolární tranzistor musí mít dostatečně velkou tloušťku polovodičové vrstvy aby se neprorazil a tím mu stoupne odpor v sepnutém stavu. Proto byly vyvinuty tzv. bipolární tranzistory s izolovanou řídicí elektrodou, označované zkratkou IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), kde je spojen bipolární a unipolární tranzistor do jedné součástky. Kolektorový proud bipolární části se řídí napětím na řídicí elektrodě unipolárního tranzistoru, čímž se potlačí nevýhody obou typů.
CMOS V obvodech, u kterých se požaduje malá spotřeba energie, se používají MOSFET tranzistory s N i P kanálem. Vzniká tak výrobní technologie, označovaná jako CMOS (Complementary MOS).
11. MOSFET, zabudovaný a indukovaný kanál, mezní parametry, základní zapojení.
Úvod Jedná se o tranzistor řízený elektrickým polem s izolovaným hradlem. Někdy označován MISFET.
Zabudovaný (vodivý) a indukovaný kanál Tranzistor s trvalým kanálem se odlišuje od tranzsitoru s indukovaným kanálem tím, že mezi kolektorem a emitorem je zabudována vrstva polovodiče, umožňující průchod proudu již při nulovém napětí hradla UGE.
Mezní parametry 1. maximální napětí řídící elektrody a emitoru UGEmax 2. mezní kolektorové napětí UCEmax 3. mezní kolektorový proud ICEmax 4. mezní kolektorový ztrátový výkon PCmax 5. teplotní údaje
Základní zapojení Zapojení SS = společný source S
12. Tyristor, závěrný, blokovací a propustný režim. Tyristor jako spínač.
úvod
Jedná se o 4-vrstvou spínací součástku („řízená dioda“). Základem je materiál Si, ve kterém jsou vytvořeny tři přechody nad sebou. Používá se jako spínací prvek pro spínání elektrických přístrojů, řídící spínače v obvodech střídavého proudu technických kmitočtů. Proud prochází jen v případě, že UA > UK. Přivedeme-li proud na bránu G, tyristor se dříve otevře a začne jím procházet proud při nižším napětí.
Závěrný, blokovací, propustný (sepnutý) režim
Závěrný
V tomto režimu je tyristor zapojený v závěrném směru a chová se stejně jako dioda v závěrném směru – nepropustí proud.
Blokovací V tomto režimu je tyristor zapojený v propustném směru. Protože však proud IG = 0 (proud tekoucí řídící elektrodou G), tyristorem neteče proud.
Sepnutý V tomto režimu již tyristor vede proud, jelikož IG > 0.
Tyristor jako spínač
Tyristor je čistě spínací součástka. Buď je sepnuto nebo rozepnuto. V sepnutém režimu nelze ovládat pracovní bod (tj. regulovat procházející proud). Tyristor spíná proudovým impulsem IG. Prostě přivedeme-li do G proud. Po sepnutí zůstává i nadále v sepnutém stavu i po odeznění spínacího impulsu. V sepnutém stavu má nejnižší odpor ze všech existujících polovodičových součástek. Tyristor lze spolehlivě sepnout i malým proudem.
13. Diak a triak, voltampérové charakteristiky. Využití vícevrstvých součástek.
Diak a triak – úvod a VA charakteristiky Diak
-
třívrstvá spínací součástka se dvěma přechody souměrný, proto vlastnosti nejsou závislé na polaritě přiloženého napětí
-
při malém napětí vykazuje diak velký odpor, diak je v rozepnutém (blokovacím) směru a představuje rozepnutý spínač při zvyšování napětí dojde k ionizaci v okolí uzavřeného přechodu, odpor diaku se prudce zmenší, napětí poklesne a proud se začne zvyšovat stejné chování vykazuje i pro opačnou polaritu napětí
-
triak
-
jedná se o pětivrstvou spínací součástku
-
je to symetricky řízený spínač na rozdíl od tyristoru má dvě anody a společnou řídící elektrodu vede proud při kladné i záporné půlvlně sinusového signálu napětí, při kterém spíná, můžeme řídit proudem IG
-
pro velké spínací proudy vyžaduje chladič použití jako jednoduchý řídící obvod
využití vícevrstvých součástek -
jako spínací prvky řízení výkonu el. spotřebičů (např. i lokomotivy) ochranné obvody
14. Fotoodpor, LED dioda, fototranzistor, fototyristor.
Fotoodpor Fotorezistor je polovodičová součástka (kus polovodiče), jejíž odpor závisí na osvětlení. Světlo (fotony) dodává energii elektronům ve valenčním pásu, které tak mohou překonat zakázaný pás a stát se volnými.
-
po osvětlení dochází k prudkému snížení odporu reaguje i na malé změny intenzity osvětlení velká setrvačnost používá se jako spínač řízený světlem, stmívač, venkovní osvětlení
LED dioda Zkratka LED, neboli Light emitting diode by se dala do češtiny přeložit, jako světloemitující dioda. Světlo těchto diod vzniká průchodem proudu polovodičovým přechodem, při kterém se dopadem elektronů uvolňují ze základního materiálu fotony a vzniká tak slabé záření určité vlnové délky. Právě rozdílná vlnová délka ve spektru viditelného světla určuje jednotlivou barvu světla, které LED dioda vyzařuje. Například červená barva odpovídá vlnové délce 656 až 768 nm (nanometrů). Základním materiálem pro výrobu LED diod je galium, ale uplatňují se i další materiály, například arsenid a fosfor. Stejně jako i u diod usměrňovacích mají i LED diody dva směry - propustný a závěrný. Od normálních diod se však liší tím, že při jejich zapojení v závěrném směru nesvítí a dojde k jejich zničení. Dalším společným rysem je také nutnost přivedení napětí určité velikosti na přechod, aby začal téci proud. U LED diod se toto napětí pohybuje zhruba okolo 2 V. záleží na vlastní barvě. U červené LED diody se toto napětí pohybuje okolo 1,65V u žluté jsou to zhruba 2V a u zelené je to asi 2,5V. Proudy v propustném směru se však liší jen málo a pohybují se okolo 20mA. Vyrábějí se však také takzvané nízkoodběrové LED diody s proudem v propustném směru 2mA. Na ty si musíme dát pozor při volbě předřadného odporu. Překročením proudu v propustném směru se LED dioda stejně tak jako při přepólování postupem času zničí.
Fototranzistor
-
nemá vyvedenu bázi k řízení proudu IC využívá světelné energie, která dopadá na přechod báze-emitor narozdíl od fotodiody má zesilovací schopnost
fototyristor
-
-
čtyřvrstvá součástka podobné struktury jako tyristor opatřen okénkem, které umožňuje, aby do přechodu mohlo dopadat světlo má vyvedenu řídící elektrodu G za temna pracuje jako normální tyristor nastavíme-li do řídící elektrody určitý řídící proud (nižší než proud nutný pro sepnutí) a budemeli měnit intenzitu osvětlení okénka, pak bude spínací napětí záviset pouze na intenzitě světla použití pro automatizační účely v obvodech řízených světlem
15. Fotodioda, odporový a hradlový režim. Optron, jeho využití. Fotodioda
-
plošná dioda je upravena tak, aby do oblasti přechodu dopadalo světelné záření opatřena okénkem nebo čočkou pokud na přechod nedopadá světel.záření, charakteristika je stejná jako u běžné diody
-
VA charakteristika fotodiody prochází 3 kvadranty (I., III. a IV. kvadrantem), přičemž využíváme jen III. a IV. kvadrant. v III. kvadrantu pracuje fotodioda v tzv. odporovém (fotovodivostním) režimu a chová se jako rezistor citlivý na světlo v IV. kvadrantu pracuje dioda v tzv. hradlovém (fotovoltaickém) režimu, zde se dioda chová jako zdroj elektrické energie.
-
Optron -
v jednom pouzdru sdružuje zdroj světla (LED) a fotovoltaický přijímač světla (fotodiodu nebo fototranzistor
-
zdroj a přijímač musí mít stejnou citlivost pro stejnou vlnovou délku světla
-
použití: - galvanické oddělení dvou obvodů - při přenosu informací mezi PC a zařízením - pro změnu úrovně signálu mezi jednotlivými zdroji signálu
16. Operační zesilovač, ideální a reálný OZ. Parametry OZ. Invertující a neinvertující zesilovač. Ochrana vstupů a výstupů OZ.
Úvod + ideální vs reálný Operační zesilovač má složité vnitřní zapojení a byl původně vyvinut pro analogové počítače, kde měl zpracovávat základní matematické operace. V současné době je jeho využití všestranné a je použitelný ke zpracování stejnosměrných i střídavých napětí. Operační zesilovač je integrovaný obvod s funkcí zesilovače, který se některými svými parametry blíží ideálnímu operačnímu zesilovači. Ideální operační zesilovač by měl mít tyto vlastnosti: • Nekonečně velké (proudové a napěťové) zesílení • Nekonečně velký vstupní odpor • Nulový výstupní odpor • Frekvenční nezávislost • Zesílení souhlasného napětí je nulové • Parametry ideálního op. zesilovače se nemění v závislosti na okolí U jednoho typu OZ nelze nikdy dosáhnout všech požadovaných špičkových parametrů současně. Proto se podle požadavků vyrábí OZ např.: výkonové, nízkošumové, širokopásmové, s velkým vstupním odporem apod. Vnitřní strukturou je OZ tvořen třemi stupni: • Vstupní zesilovač – zapojený jako diferenciální (rozdílový) zesilovač • Zesilující stupeň – zajišťující velké napěťové zesílení • Koncový stupeň – zajišťuje výkonové zesílení a oddělení OZ od zátěže
Parametry OZ -
velký stejnosměrný napěťový přenos Au = 105 - 106 velký vstupní odpor (v MΩ) velmi malý výstupní odpor (stovky Ω)
ochrana vstupů a výstupů OZ OZ má ochranu vstupu proti napěťovému přetížení do hodnoty napájecího napětí a ochranu proti zkratu na výstupu.
Invertující a neinvertující zapojení
Invertující Invertující zapojení – vstupní napětí se přivádí na invertující vstup (svorka -) a z výstupu je na tento vstup přivedena zpětná vazba. Invertující zapojení způsobuje změnu fáze výstupního napětí (mění znaménko) vůči vstupnímu napětí o 180°. Zesílení tohoto typu zapojení je dáno vztahem:
Neinvertující Neinvertující zapojení – vstupní napětí se přivádí na neinvertující vstup (svorka +) a do invertujícího vstupu je přivedena zpětná záporná vazba. Neinvertující zapojení nezpůsobuje změnu fáze výstupního napětí (nemění znaménko) vůči vstupnímu napětí. Zesílení tohoto typu zapojení je dáno vztahem:
17. OZ jako napěťový sledovač; součtový, rozdílový OZ.
Napěťový sledovač -
slouží k úpravě signálu napětí na vstupu sleduje napětí na výstupu má vysoký vstupní odpor a malý výstupní odpor používá se na převod napětí ze zdroje s vysokým vnitřním odporem až desítek MΩ na malou výstupní impedanci, typicky desítky Ω
součtový Na invertující vstup připojíme přes sčítací odpory několik vstupních napětí. Výstupní napětí je dáno vztahem:
Rozdílový Na vstupy se přivádí dvě vstupní napětí přes vstupní odpory. Na výstupu operačního zesilovače se vyhodnocuje diference (rozdíl) úrovně obou vstupních napětí. Jestliže platí rovnice: R1.R4 = R2.R3 je výstupní napětí dáno vztahem:
18. OZ ve funkci derivačního zesilovače a integračního zesilovače. OZ jako komparátor.
Integrační Na výstupu se objeví zintegrovaná hodnota vstupu s opačným znaménkem. Např.: na vstupu: SinX integrál vstupu: – Cos X na výstupu: - (- Cos X) = + Cos X Výstupní napětí je dáno vztahem:
Derivační Na výstupu se objeví zderivovaná hodnota vstupu s opačným znaménkem. Např.: na vstupu: SinX derivace vstupu: Cos X na výstupu: - (Cos X) = - Cos X Výstupní napětí je dáno vztahem:
Komparátor Porovnává dvě vstupní napětí mezi sebou. Je-li napětí na invertujícím vstupu větší než na vstupu neinvertujícím, pak má výstupní napětí maximální zápornou hodnotu (tj. maximální záporné napětí, které je OZ schopen vytvořit, tzv. záporné saturační napětí) a při opačné situaci na vstupu má maximální kladnou hodnotu (tj. maximální kladné napětí, které je OZ schopen vytvořit, tzv. kladné saturační napětí).
19. Číselné soustavy, převody mezi číselnými soustavami, aritmetické operace v číselných soustavách.
Číselné soustavy Desítková (dekadická) -
základem je číslo 10 soustava používá deset znaků (číslic, cifer): 0, 1,…8, 9 hodnotu desítkového čísla lze získat jako součet součinů jednotlivých číslic s příslušnými pozičními váhami
Dvojková (binární) -
základem je číslo 2 soustava používá dva znaky (číslice, cifry): 0, 1 hodnotu dvojkového čísla lze získat jako součet součinů jednotlivých číslic s příslušnými pozičními váhami
Osmičková (oktalová) -
základem je číslo 8 soustava používá osm znaků (číslic, cifer): 0, 1,…,7 jedna číslice oktalového zápisu nahradí tři číslice binárního zápisu
šestnáctková (hexadecimální) - základem je číslo16 - soustava používá šestnáct znaků (číslic a písmen, znaků): 0, 1,…,9, A, B, C, D, E, F - jedna číslice hexadecimálního zápisu nahradí čtyři číslice binárního zápisu
převody Převod z desítkové soustavy
214 (10) = ? (2) 214 : 2 = 107
zb. 0
=) výsledek 0 (2)
107 : 2 = 53
zb. 1
=) výsledek 10 (2)
53 : 2 = 26
zb. 1
=) výsledek 110 (2)
26 : 2 = 13
zb, 0
=) výsledek 0110 (2)
13 : 2 = 6
zb. 1
=) výsledek 10110 (2)
6:2=3
zb. 0
=) výsledek 010110 (2)
3:2=1
zb. 1
=) výsledek 1010110 (2)
1:2=0
zb.1
=) výsledek 11010110 (2)
Při převodu z (10) do ostatních, tj. (8) a (16) je princip naprosto stejnej
158 (10) = ? (8) 158 : 8 = 19
zb. 6
=) výsledek
6 (8)
19 : 8 = 2
zb. 3
=) výsledek 36 (8)
2:8=0
zb. 2
=) výsledek 236 (8)
415 (10) = ? (16) ! šestnáctková soustava se vyznačuje tím, že obsahuje čísla 0-15, avšak aby se čísla 10-15 nezaměnila s jenomístnýma číslama 0-5, označují se písmeny a to tak: 10 = A
11=B
12=C
13=D
14=E
15 = F
415 : 16 = 25
zb. 15
=) výsledek F (16)
25 : 16 = 1
zb. 9
=) výsledek 9F (16)
1 : 16 = 0
zb. 1
=) Výsledek 19F (16)
Převod do desítkové soustavy
Opět princip je u všech soustav naprosto stejný. Jen na uvod je potřeba si ujasnit jednu věc: Máme číslo
12568 (16)
=) 8 je na nulté (slovy nulté) pozici 6 je na prvé pozici 5 je na druhé pozici 2 je na třetí pozici 1 je na čtvrté pozici
Toto platí v každé soustavě, vč. Desítkové. Neboli obecně pořadí čísel počítáme od konce, počínaje nultým pořadím. A ted čemu tyhle bláboly byly….
11010110 (2) = ? (10) = 1* 27 + 1* 26 + 0* 25 + 1* 24 + 0* 23 +1*22 + 1 *21 + 0 *20 =
214 (10)
S tím že 1* 0* to je číslo které se převádí 2 na něco to je základ soustavy ze které se to převádí (z dvojkové – 2) Mocnina na 7 až na 0 .. o tom jsem psal v úvodu (pořadí čísla od konce)
721 (8) = 7*82 + 2 * 81 + 1 *80 =
465 (10)
1FE (16) = 1* 162 + 15* 161 + 14*160 = 510 (10)
Převod z osmičkové do dvojkové
Není na tom nic složitýho. Jen je potřeba si něco uvědomit… V osmičkové soustavě se používají číslice 0-7. Čísla v soustavách mají své tzv VÁHY. Ty se používají hlavně při převodu do dvojkového čísla z osmičkového nebo šestnáctkového. Každá soustava má své specifické váhy. Co to jeeeeeeeee????
Mno uvedu příklad. 5 (8) = 1 0 1 (2)
A to jde zpaměti. Jak? Každé osmičkové číslo se převádí na KOMBINACI TŘÍ DVOJKOVÝCH čísel.
Osmičkové
dvojkové
0
000
1
001
2
010
3
011
… …
7
111
Není potřeba si tuhle tabulku pamatovat.
Např.
5 (8) =
1
Váhy: 4
0 1 (2) 2 1
Máme desítkové číslo pět. Podle vah (označeno tučně) bude jednička tam, kde je součet vah pět. Čili 5 nám vznikne součtem 4+1 jinak ne. Proto jednička bude tam kde je váha 4 a 1. Čili 101 (2)
167 (8) = 001 110 111 (2)
Převod z šestnáctkové do dvojkové
Jak sem už uvedl je to podobný princip jak z osmičkové, jen je rozdíl ve VAHACH.
15AB (16) = 0001010110101011 (2) Vypadá to děsivě že? Ale jen vypadá ;)
Z osmičkového čísla vzniklo dvojkové číslo TŘÍMÍSTNÉ Tady nám vznikne ČTYŘMÍSTNÉ.
9 (16) = 1 0 0 1 (2) Váhy: 8 4 2 1
Opět platí máme převést číslo 9. tam, kde nám součet vah dá 9, tam bude jednička…
29FA (16) = 0010 1001 1111 1010 (2)
Arytmetické operace v číselných soustavách
Součet 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0
!!! přenos 1 do dalšího kroku
Př. 101101110 + 100100101 = ?
Rozdíl 0–0=0 1–0=1 0–1=1
!!! odečet 1 v dalším kroku
1–1=0
Př. 1110 – 0101 = ?
Násobení 0*0=0 0*1=0 1*0=0 1*1=1
Př. 1100 * 1001 = ?
20. Kódy a kódování dat. Ochrana při přenosu kódů.
Kódy Kód je předpis, jak k sobě jednoznačně přiřadit prvky dvou množin.
Grayův kód -
používá se pro kódování úhlových velíčin
-
sousední hodnoty se liší pouze v jednom bitu, odstraňuje se tím nebezpečí vícenásobných změn
Kód +3 -
používá se při zpracování BCD čísel, vznikne připočtením trojky ve dvojkovém kódu desítkové 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
+3 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100
Aiken -
váhy 2 4 2 1 desítkové 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Aiken 2 4 2 1 0000 0001 0010 0011 0100 1011 1100 1101 1110 1111
Ochrana při přenosu kódů
Detekční kódy -
umožňují zjistit jednu chybu
-
přímý dvojkový kód není zabezpečený proti chybě, vzniká nová hodnota stejně pravděpodobná jako původní -> řešení: - kód 2 z 5 -> používá větší počet kombinací pro kódování - paritní kód -> jedná se o kód 8421 opatřený přídavným paritním bitem
Korekční kódy -
jsou schopny provést samočinnou opravu alespoň jedné chyby
-
obsahují kontrolní prvky a prvky reprezentující informaci – např. navíc přidaná kódová kombinace představující součet kódovaných čísel v kódu 2z5 nebo např. 3 kontroly parity
-
najde se místo s chybou a opraví se
21. Logické funkce a základní logické členy, normy US, ČSN a IEC. Minimalizace logických funkcí.
Logické funkce, členy + normy NOT (negace)
AND (konjunkce – logický součin)
NAND (negovaný logický součin)
OR (disjunkce – logický součet)
NOR (negovaný logický součet)
XOR (nonekvivalence – nestejnost; exkluzivní logický součet)
XNOR (ekvivalence –stejnost; exkluzivní negovaný logický součet)
Minimalizace logických funkcí metoda algebraická - využití booleova zákona A + = 1 př. Y = AB D + Y= ABD ( ) = ABD -
využití Carnaughových map (viz Carnaughovy mapy.pdf na mailech i na spoluzaci.cz)
22. Základní typy logik: logika DL, DTL, DCL, RTL a TTL.
DL -
DTL -
Diodová Logika výhoda – jednoduchost nevýhoda – nerealizovatelnost logické negace
Diodo – Tranzistorová Logika u diodové logiky dochází k úbytkům napětí na diodách a k postupné degradaci signálu – napětí nezachovávají původní hladiny U1 a U2, to napravuje tranzistor, proto DTL byla lepší pro složitější obvody než DL
NAND v logice DTL
DCL - Takový neexistuje, spíš to bude ECL
ECL -
Emitter Coupled Logic (Emitorově vázané obvody) Využívá tranzistorů v zapojení SC nevýhodou je že potřebuje dvě napájení a má špatnou slučitelnost s TTL malé zpoždení 1-3 ns (někdy až 0,4 ns)
RTL -
Resistor Tranzistor Logic – logika odporově tranzistorová malá spotřeba malá odolnost proti rušení zpoždění signálu 100-200 ns
TTL -
Tranzistor Tranzistor Logic velmi vhodný do integrovaných obvodů zpoždění signálu 10 ns
23. Princip činnosti hradla NAND a NOR v TTL logice. Mezní parametry TTL logiky.
Činnost hradel v TTL NAND Princip spočívá v otevírání nebo zavírání tranzistorů podle hodnot na vstupech. Tím se dostane na výstup dostane napájecí napětí a na výstupu je log.1 nebo je napájecí napětí uzemněno a na výstupu je log.0. Je-li na vstupech alespoň jedna log.0, tak je příslušný tranzistor uzavřen, napájecí napětí se neuzemní a je na výstup - tím pádem pak je na výstupu log.1. Jsou-li na obou vstupech log.1, tak jsou oba tranzistory otevřeny, napájecí napětí uzemněno, na výstupu je log.0.
NOR Princip spočívá opět v otevírání nebo zavírání tranzistorů podle hodnot na vstupech. Pokud je na vstupech log.0 čili pokud tam není připojena baterka, tak tranzistory jsou uzavřeny a na výstup jde napájecí napětí, čili log.1. Je-li alespoň na jednom vstupu baterka, čili log.1, pak se příslušný tranzistor otevře a uzemní napájecí napětí, tudíž na výstupu se objeví log.0.
Mezní parametry TTL
-
definovány jako nejvyšší, případně nejnižší hodnoty určité veličiny, kterou je možné přivést na daný číslicový obvod, aniž by tím došlo k poruše
Mezní napětí zdroje Ucc - maximálně 7 V, pro trvalý provoz se doporučuje napětí 5 V Mezní napětí vstupů UVST - minimálně 0 V a maximálně 5,5 V Rozsah pracovních teplot - rozsah teplot okolí, ve kterém daný obvod podrží své zaručované charakteristické parametry. Překročením rozsahu pracovních teplot může být činnost obvodu zhoršena, nemusí však dojít ke zničení. obvody 54.. obvody 74.. obvody 84..
-55 až 125 °C 0 až 70 °C -25 až 155 °C
24. Statické (převodní, vstupní, výstupní, zatěžovací) a dynamické parametry TTL hradel. Měření parametrů hradel.
Statické parametry -
vstupní a výstupní úrovně napětí -> minimální napětí pro úroveň 1 a maximální napětí pro úroveň 0 UIH = 2 V (Input High – minimální vstupní napětí pro úroveň 1) UIL = 0,8 V (Input Low – maximální vstupní napětí pro úroveň 0) UOH = 2,4 V (Output High – minimální výstupní napětí pro úroveň 1) UOL = 0,4 V (Output Low – maximální výstupní napětí pro úroveň 0)
-
šumová imunita -) z různých důvodů se může vstupní napětí měnit (změna zátěže, odrazy ve vedení...), proto je důležité vědět, jaká změna vstupního napětí ještě nevyvolá změnu log. úrovně na výstupu -) zaručená šumová imunita je 0,4 V
-
zpoždění signálu = doba přechodu z úrovně 0 do úrovně 1, popř. z úrovně 1 do úrovně 0 - doba přechodu z log. 0 do log. 1 ... tPLH = 15 ns - doba přechodu z log. 1 do log. 0 ... tPHL = 22 ns
-
odběr ze zdroje ICC - maximální proud, který daný obvod odebírá ze zdroje UCC
-
zkratový proud IS - proud, který prochází výstupem obvodu, pokud jej spojíme se společnou zemí a na výstupu bude udržována hodnota stavu logické 1 lak logický zisk N - zatížitelnost výstupu TTL obvodů (větvení) - nejčastěji se setkáme se zapojením kdy na výstup jednoho TTL obvody zapojujeme další TTL obvod - logický zisk nám tedy říká kolik vstupů můžeme zapojit na jeden výstup příslušného integrovaného obvodu; většinou bývá 10, ale jsou obvody kdy N = 20 nebo 30.
-
Dynamické parametry Signál na výstupu obvodů TTL je zpožděný a nereaguje okamžitě na změny na vstupech. Doba, za kterou se změna projeví, je dána dynamickými vlastnostmi. Doba předstihu: se rozumí časový interval, o který musí být informace dříve na synchronních vstupech než příchod čela či týlu hodinového impulsu Doba přesahu: se rozumí časový interval, po který musí informace na synchronních vstupech setrvat po skončení čela či týlu hodinového impulsu
Měření parametrů hradel (ukázka pro NAND) Převodní charakteristika
Vstupní charakteristika
Výstupní charakteristika pro log.0 na vstupu
Výstupní charakteristika pro log.1 na vstupu
25. Logický zisk. Typy výstupů hradel TTL (s aktivním a pasivním výstupem, s otevřeným kolektorem, s třístavovým výstupem). Modifikace obvodů TTL.
logický zisk N - zatížitelnost výstupu TTL obvodů (větvení) - nejčastěji se setkáme se zapojením kdy na výstup jednoho TTL obvody zapojujeme další TTL obvod - logický zisk nám tedy říká kolik vstupů můžeme zapojit na jeden výstup příslušného integrovaného obvodu; většinou bývá 10, ale jsou obvody kdy N = 20 nebo 30.
Modifikace TTL – typy výstupů Výstup s aktivní zátěží -
je stále aktivní 1 nebo 0 výhodou je malá výstupní impedance v obou stavech při zkratu jednoho výstupu na zem ve stavu log.1 nedojde k jeho poškození pokud chceme zlepšit log.zisk, používáme tzv. darlingtonovu dvojici tranzistorů
Výstup s otevřeným kolektorem -
na výstupu může být log. úroveň 0 nebo tzv. stav vysoké impedance
-
chceme-li dosáhnou i úrovně log.1, musíme ji zajistit pomocí vnějšího zatěžovacího odporu mezi výstup a napájecí napětí umožňují paralelní zapojení výstupů logických členů, když jsou na vstupy přiváděny jiné signály.
Třístavový výstup -
-
v praxi jsou někdy pouze dva stavy nevýhodné, protože obvod je pořád aktivní, což způsobuje problémy hlavně na sběrnicích -) proto je u těchto obvodů třetí stav a to stav vysoké impedance, který odpovídá izolaci výstupního obvodu od vnějších obvodů. Do tohoto stavu se obvod přivádí pomocí řídícího signálu. používá se pro připojení více obvodů na sběrnici, přičemž aktivní je vždy jen jeden
26. Obvody CMOS. Princip činnosti invertoru CMOS, princip činnosti hradla NAND v technologii CMOS. Charakteristiky CMOS obvodů. Propojení TTL a CMOS obvodů.
CMOS – úvod -
všechny obvody CMOS jsou sestaveny ze dvou základních stavebních prvků (inventoru a přenosového hradla)
-
složením obou vznikne obousměrný spínač
-
výhodou je strmější přenosová charakteristika, strmější hrany výstupních signálů a menší vliv kapacity zátěže
Invertor CMOS
NAND CMOS
Charakteristika CMOS -
spotřeba energie ve statickém režimu asi 10 nW na hrdlo
-
v dynamickém provozu vznikají ztráty během změny stavu tranzistorů
-
po krátký okamžik vedou oba tranzistory, proto je nutné, aby měly signály strmé hrany
-
při frekvenci 1 MHz je spotřeba asi 1 mW
-
log.zisk 50-100
-
napájecí napětí 3-16 (-18) V propojení TTL a CMOS
Při stejném napájecím napětí UCC= 5 V je rozdílná úroveň log.1 u obou obvodů (u TTL je to 2 V, u CMOS je to 3,5 V). Proto je nutné zvýšit výstupní napětí připojením výstupu TTL přes rezistor na napájecí napětí.
Pokud je napájecí napětí obvodu CMOS větší než TTL, je nutné použít obvod TTL s otevřeným kolektorem.
Pokud je napětí na TTL větší než na CMOS, je nutné použít převodník úrovní (např. obvod 74HC4049).
27. Princip dekodérů, konstrukce dekodérů. Dekodér BIN na 1 ze 4, dekodér BCD na 1 z 10. Integrované verze dekodérů.
Princip dekodérů -
převádí informaci z jiného kódu do původního kódu několik z něčeho (např. 1 ze 4)
-
jediné kombinaci vstupních proměnných odpovídá jediná výstupní kombinace
-
nemají žádnou paměť předchozích stavů
-
závislost mezi vstupy a výstupy se zadává pravdivostní tabulkou nebo logickými výrazy
konstrukce dekodérů -
pro realizaci lze použít pevné paměti, PPL (programovatelná logická pole), mikrořadiče, základní logické prvky (AND, NAND, OR, XOR, ...)
dekodér binárního kódu na kód 1 ze 4
-
použití – pro výběr jedné ze čtyř možností pomocí dvou vstupů
-
Integrovaná verze: - dvojnásobný dekodér - dva adresové vstupy A, B - blokovací vstupy 1G, 2G - vstupy synchronizace 1C, 2C
Dekodér BCD kódu na kód 1 z 10
-
použití- pro výběr jedné z deseti možností pomocí BCD čísla
L ... log.0 (úroveň Low) H ... log.1 (úroveň High)
28. Kodéry a rekodéry. Kodér 1 z 10 na BCD, dekodér z 8421 na 2421. Rekodér pro sedmisegmentový displej, jeho režimy.
Kodéry a rekodéry -
kodér převádí informaci z kódu několik z něčeho (např. 1 ze 4) na jiný kód
-
dekodér převádí informaci z jiného kódu do původního kódu několik z něčeho (např. 1 ze 4)
-
jediné kombinaci vstupních proměnných odpovídá jediná výstupní kombinace
-
nemají žádnou paměť předchozích stavů
-
závislost mezi vstupy a výstupy se zadává pravdivostní tabulkou nebo logickými výrazy
Kodér 1 z 10 na BCD
-
použití- pro zobrazení BCD čísla, které vybereme přivedením log.0 na jeden ze vstupů
L ... log.0 (úroveň Low H ... log.1 (úroveň High)
Dekodér z BCD (8421) na Aiken (2421) Kód 2421 se hodně používá v měřicích přístrojích.
Rekodér pro 7segmentový displey
-
rekodér převádí informaci z nějakého kódu na jiný kód
-
přístroje používající 7segmentové displeje k zobrazení čísel musí kódovat desítkový kód na kód o sedmi pozicích -pro zobrazení čísla je potřeba inicializovat určité segmenty Sa až Sg. =) Pokud má segment Si při zobrazované číslici svítit, je nastaven na logickou hodnotu 1
29. Multiplexery a demultiplexery, multiplexerová logika.
Multiplexer -
„logický přepínač“
-
umožňuje vybrat jeden z několika vstupů a data z něj přivést na výstup
-
má několik datových vstupů, adresových vstupů, datové výstupy, případně vstup uvolňovací
-
je-li jeho činnost povolena, hodnota na jednom z datových vstupů se ukáže na výstupu
-
o který datový vstup se jedná určuje kombinace na adresových vstupech
D0
INFORMACE D1 D2
ADRESA D3
A
B
VÝSTUP Y
data data
data data
data data
data data
0 1
0 0
D0 D1
data
data
data
data
0
1
D2
data
data
data
data
1
1
D3
Demultiplexer -
pracuje opačně než multiplexer
-
má jeden datový vstup, adresové vstupy a datové výstupy
-
pracuje jako distributor dat
-
pomocí adresových vstupů řídíme, na který výstup mají jít data ze vstup
DATA D
ADRESA
VÝSTUPY E1 E2
A
B
E0
data data
0 1
0 0
data 0
0 data
0 0
0 0
data
0
1
0
0
data
0
data
1
1
0
0
0
data
E3
30. Elektronické komparátory, využití funkce XOR a XNOR pro konstrukci komparátorů.
-
komparátory provádí srovnání dvou dvojkových velíčin
-
určuje, zda A=B, A>B, A
-
jednička na výstupu značí pravdivost výroku
A
B
(Y=) A=B
(Y>) A>B
(Y<) A
0 0
0 1
1 0
0 0
0 1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
0
31. Číslicové obvody pro aritmetické operace. Binární polosčítačka a úplná sčítačka, BCD sčítačka. Aritmeticko – logická jednotka.
Mezi číslicové obvody pro aritmetické operace řadíme především sčítačky a komparátory
Polosčítačka
Pravdivostní tabulka pro polosčítačku má dvě vstupní hodnoty A0,B0 a dvě výstupní. S0 je výsledek sčítaní a C1 je přenos do vyššího řádu.
Úplná sčítačka
Pravdivostní tabulka pro úplnou sčítačku má tři vstupní hodnoty A1,B1 a přenos C1 z předchozího počítání. Opět má dva výstuy. S1 je výsledek sčítaní a C2 je přenos do vyššího řádu.
BCD sčítačka -
umožňuje sečíst čísla zapsané v BCD kódu sestavuje se za pomocí klasické sčítačky a transformační sčítačky transformační sčítačka řeší problematiku sčítání víceciferných čísel
ALU (aritmeticko logická jednotka)
-
provádí aritmetické operace, porovnání, log. operace a posuny operace probíhají na nejnižší matematické úrovni – pouze sčítání a odečítání jádrem je operační blok, kde se zpracovávají vstupy, výsledek se předá k zpracování nebo přenosu v registru příznaků se nastavují příznaky jako znaménko, přenos, nula atd.
32. Klopné obvody RS a D, jednotlivé typy.
Klopný obvod R-S
Mají dva vstupy – R a S. Přivedením jedničky na vstup R (reset) dojde k zresetování výstupu, čili znulování. Přivedením jedničky na vstup S (set) dojde k nastavení výstupu na log.1. Nepřivedeme-li ani na jeden vstup jedničku, zůstane na výstupu hodnota z předchozího počítání. Přivedeme-li jedničku na S i R tak nastane tzv. zakázaný stav, jelikož se tak jednička dostane na nenegovaný výstup ale i negovaný, což je špatně. Má-li obvod negované vstupy, chová se přesně opačně. Vytváří jednoduchý paměťový prvek. Pomocí NAND
Pomocí NOR
Klopný obvod D -
základ tvoří obvod RS, zde je však jeden vstup a zakázaný stav se neprojeví
-
přivedením jedničky na vstup se nastaví výstup, přivedením nuly na vstup se výstup zresetuje do nuly
33. Klopné obvody JK, využití klopných obvodů pro návrh sekvenčního obvodu.
Klopné obvody JK
-
základem je obvod RS, narozdíl od něj však je výstup defiován i pro případ, že J=K=1
Využití klopných obvodů pro sekvenční logické obvody -
sekvenční logické obvody – jejich hodnota na výstupu je dána nejen kombinací log.hodnot na vstupu, ale i předchozím stavem
-
klopné obvody – nejjednodušší sekvenční logické obvody - stav na výstupu závisí na vnitřním stavu obvodu - skládají se ze dvou hradel, výstup jednoho z nich je veden zpětnou vazbou na vstup druhého - někdy se přidávají další hradla která činnost obvodu řídá - z jednotlivých klopných obvodů lze sestavit paměti, čítače, ...
34. Posuvné registry, statické a dynamické registry.
Posuvné registry
-
jde o sekvenční logické obvody, zpravidla tvořeny kaskádním řazením bistabilních klopných obvodů typu D nebo JK slouží k posouvání vstupní informace principem je využití náběžné nebo sestupné hrany impulzu
Statické registry
Statický posuvný registr je sestaven z řady klopných obvodů spojených tak, že každý klopný obvod přenáší informaci ze svého výstupu na vstup následujícího klopného obvodu. Vlastní posuv informace nastává vždy s příchodem aktivní hrany taktovacich impulsů. Na obrázku a) je znázorněn čtyřbitový posuvný registr sestavený z řetězu klopných obvodů typu D řízených čelem taktovacich impulsů. Výstup Q každého klopného obvodu je spojen se vstupem D následujícího klopného obvodu. Taktovací impulsy jsou připojeny synchronně ke všem klopným obvodům posuvného registru.
Prostě a jednoduše... vyšleme obdélníček do Si. Z prvního obvodu se dostane na výstup až vzestupnou hranou obdelníku T. Z prvního obvodu se dostane do druhého. Z druhého však opět nevypadne hned ale opět až s vzestupnou hranou obdelníku v řádku T... atd...
Dynamické registry Dynamický posuvný registr funguje na podobném principu, jen je funkčně jednodušší a obsahuje menší počet tranzistorů.
35. Asynchronní čítače, princip činnosti, integrované verze.
Zapojením klopných obvodů typu D, řízených hranou, podle obrázku vytvoříme asynchronní čítač. Vstup D každého klopného obvodu připojíme na jeho invertovaný výstup /Q. Na hodinový vstup přivádíme vstupní signál. Takovýto čítač čítá od 0 až 15.
Můžeme jej vytvořit také z klopných obvodů typu JK.
Průběh jednotlivých výstupů:
Integrovaný čítač 7493 -
aby obvod čítal, musí mít alespon na jednom nulovacím vstupu R0 log.0.
-
pokud bude na obou vstupech R0 log.1, čítač se vynuluje
36. Synchronní čítače, princip činnosti, integrované verze.
U asynchronního čítače dochází ke změnám stavu jednotlivých stupňů postupně, jednotlivá zpoždění se sčítají. Tento jev je odstraněn v zapojení nazývaném synchronní čítač.
Hodinové vstupy jednotlivých stupňů jsou vzájemně propojeny, případné změny stavu jednotlivých stupňů probíhají současně.
Integrovaný čítač 74193
37. Dělič frekvence, konstrukce pomocí čítačů.
Dělič frekvence můžeme jednoduše sestavit pomocí klopných obvodů JK (které tvoří základ čítačů). Klopný obvod J-K nám frekvenci sníží na polovinu... pokud bychom chtěli frekvenci ještě snížit, zapojíme více klopných obvodů za sebe... Tímto způsobem můžeme získat f/2 f/4 f/8 f/16 ...
38. Vzorkovače, princip činnosti, chyby vzorkovačů.
Vzorkování využíváme při převodu signálů z analogového tvaru na číslicový a obráceně. Proč vlastně chceme převádět A/D nebo D/A? Analogové signály lze přenášet po převodu na číslicový signál s menším zkreslením a s menšími nároky na přenosové cesty. Je –li třeba pomocí číslicového řídicího systému (počítač) řídit zařízení ovládané analogově, je třeba vypočtené řídicí hodnoty převézt z číslicové na analogové hodnoty. Při měření fyzikálních veličin jsou ze senzorů získávány analogové hodnoty, je třeba pro jejich zpracování (zobrazení) v PC převod do číslicové podoby. Označení: DA převodník, D/A převodník, DAC(Digital –to Analog Convertor) –jde o digitálně-analogový převodník AD převodník, A/D převodník, ADC(Analog –to Digital Convertor) –jde o analogově-digitální převodník
Základní pojmy: kvantovací krok q–jde o vzdálenost dvou kvantovacích hladin bit LSB (Least Significant Bit) –jde o bit ve výstupním číselném kódu, který má nejmenší váhu bit MSB(Most Significant Bit) –jde o bit ve výstupním číselném kódu s největší vahou Digitalizace signálu se sestává ze: -
vzorkování signálu v čase–jde o odběr vstupního signálu v definovaných okamžicích, daných vzorkovacími impulsy
-
kvantování vzorků v úrovni–odebraný vzorek je zaokrouhlen na hodnotu odpovídající nejbližší kvantovací úrovni
-
kódování-kvantované hodnoty jsou vyjádřeny čísly v určitém kódu
Kvantizační šum-je důsledkem kvantování, je to rozdíl kvantovaného a vstupního spojitého signálu
Chyby A/D převodníků: -
chyba zesílení– je dána odchylkou sklonu skutečné převodní charakteristiky A/D od ideální
-
chyba nuly–je dána posunem převodní charakteristiky
-
chyba linearity převodu
39. A/Č převodníky, princip činnosti, typy převodníků a jejich chyby.
A/D převodníky se používají pro převod analogového (spojitého) signálu na digitální (číslicový, dvojkový). Samotný převod probíhá tak, že se analogový signál nakvantuje, prostě rozkouskuje na stejný díly, po té se upraví tak, aby mohly být použity v TTL obvodech, a na konec se přes logické obvody nakódují na požadovanou funkci. VIZ OBRÁZEK NA DALŠÍ STRÁNCE
40. Č/A převodníky, princip činnosti, typy převodníků a jejich chyby.
D/A převodníky se používají pro převod digitálního (číslicového) signálu na analogový. Např. při přehrávání CD, mp3 apod.) Prakticky se to děje tak, že se číslicový signál prožene přes odpory, které jej převedou na analogový signál... viz obrázek
Nedostatek tohoto typu – příliž odstupňované hodnoty odporů, neboli malá přesnost převodu.
Další typy D/A převodníků:
-
s rezistorovou sítí – mají větší napěťové rozlišení, neboli větší přesnost převodu
-
s generátorem schodovitého napětí – nejpřesnější z těchto typů
