Материал: Конспект лекций по курсу Электрические и электронные аппараты. Гуляев А.А., Королев Н.И

126

Гибридные интегральные схемы выполняют из отдельных микроэлементов, укрепленных на изоляционном основании. В гибридных схемах удается разместить до 500 элементов на подложке площадью 1см .

Большую плотность размещения получают в интегральных микросхемах. Эти микросхемы состоят из одного кристалла полупроводника, локальные области которого выполняют функции транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов. Интегральные микросхемы обладают высокой надежностью, малыми габаритами, массой, потребляют малую мощность. Отсутствие межэлектродных емкостей и собственных индуктивностей монтажа повышает быстродействие ЛЭ на интегральных схемах.

По своему конструктивно-технологическому исполнению и по функциональному назначению интегральные микросхемы объединяются в серии. Все микросхемы в серии согласованы по напряжению питания, входным сопротивлениям и напряжениям. Это позволяет соединить микросхемы между собой, образуя сложные дискретные устройства автоматики.

Сложность микросхемы определяется степенью интеграции , связанной

с числом элементов N: =lgN.

Микросхемы первой (малой) степени интеграции содержат до 10 элементов. Их применяют для создания простых логических элементов.

Вторая степень интеграции включает от10 до 100 элементов. Микросхемы второй степени интеграции представляют собой триггеры, регистры, сумматоры. Третья (большая) степень интеграции соответствует микросхемам, в состав которых входит от 100 до 1000 элементов. Эти микросхемы представляют собой запоминающие и арифметико-логические устройства. Четвертая (сверхбольшая) степень интеграции включает микропроцессоры и однокристальные микро-ЭВМ, содержащие более 1000 элементов.

Транзисторная технология потребовала разработки специальных схем ЛЭ. На рисунке 23.8 приведена схема транзисторно-транзисторного логического элемента (ТТЛ) с многоэмиттерным транзистором.

Многоэмиттерный транзистор представляет собой специфический элемент интегральной технологии. Все эмиттеры объединены одним слоем базы и располагаются так, что их взаимное влияние практически исключено. Это упрощает и удешевляет производство микросхемы. Схема выполняет логическую функцию И-НЕ и по своему действию подобна ДТЛ-элементу. В этом случае переходы эмиттер-база Т1 выполняют логическую функцию И подобно входным диодам (рисунок 23.8). Коллекторный переход VT1 создает

напряжение смещения. Схема рисунка 23.8 выполнена на транзисторах n-p-n типа, т.е. позитивная логика. ТТЛ схема и достаточную помехозащищенность

(пример К155, к511).

Серия К155 состоит из большого числа интегральных микросхем, включающих ЛЭ И – НЕ, ИЛИ – НЕ, универсальные триггеры JK, задержки Д- триггер, а также расширители по функции ИЛИ.

127

Основной элемент серии – ТТЛ элемент И – НЕ с многоэмиттерным транзистором. Некоторые элементы выполнены со свободным коллектором. Это позволяет изменять характер нагрузки и улучшить согласование с ЛЭ других типов.

Вкачестве единичного логического сигнала в серии К155 применяют положительное напряжение, уровень которого больше 2,4В. Нулем является напряжение меньше 0,4В, совпадающее по величине с уровнем статической помехозащищенности схемы. Коэффициент разветвленности по входу для большинства схем равен 10, потребляемая мощность 20-150мВт. Временные параметры серии характеризуются временем задержки включения и выключения сигнала 15-20нс(соответственно). Микросхемы К155 заключены в прямоугольные пластмассовые корпуса (19*7, 5*3, 2мм), имеющие 14 выводов, масса любой микросхемы не более 1г.

Магнитнo-полупроводниковые ЛЭ.

Вдискретной автоматике широко применяют магнитные элементы, выполненные на сердечниках с прямоугольной петлей гистерезиса – ППГ (рисунок 23.9). Сердечники из материала с ППГ могут находиться в двух

устойчивых состояниях, соответствующих положительному +Bs или отрицательному –Bs значению остаточной магнитной индукции.

В дискретной автоматике этим состояниям условно приписывают свойства логической единицы или логического нуля. Для изменения магнитного состояния сердечник из ППГ снабжают управляющей обмоткой, создающей в сердечнике намагничивающее поле. Напряженность этого поля пропорциональна величине тока в обмотке. Поэтому сердечник с ППГ и управляющей обмоткой, по сути дела, представляет собой RS-триггер, в котором роль S-входа приписывается положительному импульсу намагничивающего тока (точнее, положительному значению напряженности

магнитного поля), а R-входа – отрицательному импульсу. Выходной величиной Q является остаточная намагниченность +Bs, -Bs.

Специфическая особенность подобного логического элемента состоит в том, что выходная информация записывается в этом случае не в электрической, а в магнитной форме, и непосредственно не обнаруживается. Считывание информации возможно только в момент изменения состояния сердечника, когда магнитная индукция изменяется, а в обмотках наводится Э.Д.С. Из этого вытекает, что в этих ЛЭ операции записи и считывания информации должны быть разделены во времени.

Схемы с последовательным включением нагрузки обычно основываются на принципе быстродействующего МУ (рисунок 23.10). Магнитный сердечник

в этом случае имеет две обмотки - рабочую Wр и управляющую Wу. В цепях обмоток действуют рабочие Uр и управляющие Uу напряжения, сдвинутые по фазе на 1800 (за счет встречного включения обмоток). Разделительные диоды VD1,VD2 включены так, что токи в рабочей обмотке и обмотке управления могут протекать только в разные полупериоды. Таким образом, работа

128

управляющей и рабочей цепи происходит в различные такты, которые называют рабочим тактом или рабочим полупериодом и тактом управления (рисунок 23.11). Величина напряжения должна быть выбрана так, чтобы обеспечить надежное перемагничивание сердечника.

Тогда при разомкнутом К цепь управления не и, в случае размагниченного сердечника, первый рабочий полупериод намагнитит

сердечник до уровня Bs, но выделение сигнала на Zн не произойдет, т.к. Zwр . Зато все последующие рабочие полупериоды выделятся на Zн (т.к. сердечник уже насыщен и, следовательно, Zwр 0). Т.е. логическому нулю на входе (К разомкнут) соответствует логическая единица на выходе.

При замыкании ключа К включается в работу Wу и поэтому каждому рабочему полупериоду предшествует управляющий, который размагничивает сердечник. Таким образом, каждый рабочий полупериод работает на цепь с Zwр и выделение сигнала на Zн не происходит. Т.е. логической единице на входе соответствует логический ноль на выходе. Схема выполняет логическую операцию НЕ.

Магнитно-диодная логика позволяет построить полную систему логических элементов.

Наряду с магнитно-диодными ЛЭ существуют магнитно-транзисторные ЛЭ, где происходит усиление выходных сигналов при помощи транзисторов. Это значительно повышает помехозащищенность элементов, увеличивает допустимый разброс параметров сердечников, источников питания, предотвращает взаимное влияние последовательно включенных элементов (поэтому необходимость в разделительных диодах отпадает).

129

130

Учебное издание

Гуляев Александр Александрович

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ АППАРАТЫ

В авторской редакции

Издательство:

«Центр научно-технической информации» 394000 Воронеж, просп. Революции, 30