.
Импульсные и цифровые устройства. Логические элементы Дешифраторы и шифраторы Мультивибраторы Проектные параметры резисторов Элементы инжекционной логики Конструкции МДП-транзисторов Проектирование топологии ИС

Физика решение задач

Цифро – аналоговые и аналого – цифровые преобразователи

Обычно датчики температуры, давления и других физических величин создают напряжение в аналоговой форме, пропорциональное физической величине или отклонениям физической величины от некоторого установленного уровня.

Для работы ЭВМ, а также при некоторых видах передачи информации требуется преобразование величины из аналоговой формы в цифровую, записываемую числом в двоичной форме.

В свою очередь для работы многих исполнительных устройств, таких как регуляторы, стрелочные приборы, громкоговорители и другие, требуется обратное преобразование сигнала из цифровой формы в аналоговую.

Цифро–аналоговый преобразователь. Существует много способов цифроаналогового преобразования. На рис. 23.1 показана схема цифро–аналогового преобразователя, использующего лестничный делитель типа R–2R и операционный усилитель. Ключи DCBA подключают левые концы резисторов 2R к источнику эталонного напряжения, когда соответствующий разряд двоичного числа равен 1, или к земле, когда он равен 0. Положение ключей на схеме соответствует числу 1101.

Если ключ D замкнут на источник напряжения, а остальные замкнуты на землю, то напряжение, создаваемое на неинвертирующем входе, равно Еэт/3. Замыкание на источник ключа С создает вдвое меньшее напряжение, а замыкание ключей В и А – в 4 и 8 раз меньше.

Аналого–цифровые преобразователи. Существует также много способов аналого – цифрового преобразования.  На рис. 23.2 показана схема аналого – цифрового преобразователя (АЦП) параллельного кодирования,


 Рис. 23.1 Рис. 23.2

осуществляющего преобразование аналогового напряжения в –разрядное двоичное число. С помощью цепочки из  резисторов эталонное напряжение делится на  градаций и подается на инвертирующие входы  операционных усилителей. На все неинвертирующие входы, соединенные вместе, подается преобразуемое аналоговое напряжение. Эталонное напряжение выбирается равным максимально возможному аналоговому напряжению.

На инвертирующем входе верхнего усилителя напряжение равно [(– 1)/ ]Еэт. Например, при  = 7, 27=128, число операционных усилителей равно 127 и на вход верхнего усилителя подается напряжение, равное (127/128)Еэт. Операционные усилители выполняют роль компараторов. Они сравнивают аналоговое напряжение с частью эталонного напряжения, подаваемого на инвертирующий вход усилителя. Если аналоговое напряжение превышает напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя, то на его выходе появляется положительное напряжение, соответствующее логической 1. В противном случае на выходе операционного усилителя появляется отрицательное напряжение, соответствующее логическому 0. Например, при ивх>(127/128)Еэт на выходе всех операционных усилителей появляется логическая 1. На выходе шифратора в этом случае появляется семь единиц, Если ивх меньше (127/128)Еэт, но больше (126/128)Еэт, то выход верхнего компаратора соответствует логическому 0, а выходы всех остальных компараторов соответствуют логической 1. В этом случае все выходы шифратора, за исключением , равны 1, а =0.

Приоритетный шифратор является комбинационной схемой, вырабатывающей двоичное число на выходе по старшему входу, имеющему 1. В данном случае самым старшим является верхний вход шифратора, затем второй сверху и т. д.

Недостатком описанной схемы является ее сложность. При п=7 схема содержит 127 операционных усилителей. Однако большим преимуществом схемы является быстрота преобразования, так как аналоговый сигнал появляется одновременно на входах всех операционных усилителей. Время преобразования определяется переходными процессами в усилителях и шифраторе и может составлять 10 –20 нс. Такая быстрота преобразования важна при передаче быстроизменяющихся сигналов, например при импульсно – кодовой модуляции, так как при этом число отсчетов сигнала может быть большим. Например, можно взять до 108 отсчет/с, если время преобразования 10 нс.

Когда требуется быстрое преобразование, например в цифровых вольтметрах, применяется аналого–цифровой преобразователь с двухтактным интегрированием, преобразующий напряжение в интервал времени.

Мультиплексоры

 В тех случаях, когда требуется последовательно опросить логические состояния многих устройств и передать их на один выход, применяют устройство, называемое мультиплексором.

 


 Рис.24.1 Рис. 24.2

На рисунке 24.1 а приведена схема мультиплексора с двумя информационными входами (,) и управляющим (адресным) входом , а на рисунке 24.1 б эквивалентная схема мультиплексора.

 При  на выход передается значение , а при  значение .

  На рисунке 12.2а,б приведены схема и условное обозначение мультиплексора на четыре входа (¸). Она имеет два адресных входа:   и . Из рисунка 24.2 а следует, что . Например, если , , то .

 Двухразрядное двоичное число – адрес входа мультиплексора. Действительно, при ,   получаем двоичное число 10, равное 2 в десятичном коде. В данном случае 2 номер опрашиваемого входа. Нетрудно проверить, что например, при  (число 3 в двоичном коде) .

 Мультиплексоры выпускают в виде микросхем, например К155КП2 (четырехканальный мультиплексор 4х1) или К155КП1 (16канальный мультиплексор 16х1).

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип работы мультиплексоров.

2. Виды мультиплексоров

Межэлектродные сопротивления БПТ

Одним из следствий планарности конструкций интегральных БПТ является увеличение сопротивлений между электродами транзистора, связанное с уменьшением площади контактов, увеличением длины пути протекания тока вдоль поверхности электродных областей. Особый интерес для оценки и уменьшения значений представляет сопротивление между электродами «коллектор — эмиттер», как определяющее ключевые свойства БПТ. Сложность форм областей и неоднородность плотности тока на участках трассы протекания тока эмиттера и коллектора обуславливают применение упрощенных моделей для проектных оценок сопротивлений между электродами. Структура и топология транзистора условно делится на фрагменты, сопротивление каждого из которых оценивается по соответствующей ему модели.

 Основные модификации моделей представлены на рисунке 2.23. Сопротивление брикета шириной В и длиной L, которому соответствует удельное поверхностное сопротивление R□, оценивается по расчетным формулам:


для модели на рисунке 2.23, а

 R1 = R□×(L/B), (2.66)

для модели на рисунке 2.23, б

 R1 = R□×(L/3×B), (2.67)

для модели на рисунке 2.23, в

 R1 = R□×(L/12×B), (2.68)

для модели на рисунке 2.23, г

 R1 = R□×(L×Ln(B1/B2)) /(B1–B2). (2.69)

Сопротивление между электродами в общем случае представляется суммой

Rs = Rk + Rv,

где сопротивление Rk — есть сопротивление контактов к электродам, определяемое для каждого j-го из них через удельное переходное сопротивление Roj и площадь Skj по формуле

 Rkj= Ro/Skj, (2.70)

а сопротивление Rv — есть эквивалентное сопротивление объемных областей с учетом замыкающихся через них токов.


К оценке сопротивлений удельные поверхностные и объемные сопротивления в соответствующих слоях должны быть заданы, так же как и геометрические размеры (по результатам проектирования структуры и топологии).

 Падение напряжения между электродами БПТ определяется в общем виде суммой

 Us = Uspn +∑(Ii×Ri), (2.71)

где Uspn — есть суммарное падение напряжения на p-n-перехо-дах межэлектродной цепи;

Ri— сопротивление i-го участка межэлектродной цепи, по которому протекает ток Ii (число участков i определяется разбиением трассы протекания тока на элементарные участки).

Для БПТ на трассе «коллектор-эмиттер» включены два p-n-перехода («eb»и «cb»). В режиме насыщения эти переходы смещены в прямом направлении, включены встречно друг другу, падение напряжения Uspn = Usce, вследствие различия конструкций названных переходов, не равно нулю и оценивается по формуле

 Usce ≈ Ft×Ln{(1+1/Si)/ [αI ×(1–1/S)]}> 0, (2.72)

где S= B×Ib/Ics — степень насыщения нормального включения;

Si=Bi×Ib/Ics — степень насыщения инверсного включения;

Ib, Ics — ток базы и ток насыщения коллектора соответственно;

α I — инверсный коэффициент передачи тока эмиттера;

Вi = α I/(1– α I).

В качестве примера приводится учет сопротивлений и расчет напряжения на открытом насыщенном транзисторе для электродов коллектор-эмиттер.


На главную