1.pusvadītāju materiāli un cietvielu zonu teorija: cietvielas iedala pēc to īpatnējās elektrovadītspējas σ (Scm-1): pusvadītāji 10-8-103(Silīcijs, Germānijs, savienojumi A|||BV)
Par pusvadītājiem sauc vielas, kuras pēc to īpatnējās elektrovadītspējas skaitliskās vērtības ieņem vidēju stāvokli starp dielektriķiem un vadītājiem. Pusvadītāju elektrovadītspēja ir atkarīga no ārējiem apstākļiem – temperatūras, starojuma u.c. sasildot pusvadītājus to temperatūra palielinās.
Valences zona – ārējās elektronu čaulas enerģētiskā zona, kurā ir elektroni ar vislielākajām enerģijām.
2.zonu diagrammas dielektriķiem, pusvadītājiem un metāliem: diagrammā parādītas tikai valences, vadītspējas un aizliegtās zona. Dielektriķiem aizliegtā zona ΔW>1,5eV(vislielākā, tāpēc vadītspējas zona normālos apstākļos ir tukša), pusvadītājiem ΔW<1,5eV (valences elektroniem vajadzīga mazāka enerģija tās pārvarēšanai), metāliem aizliegtās zonas nav, val. un vad.sp. zonas pārklājas, tāpēc tie labi vada elektrisko strāvu.
3.fermī līmenis: vidējā elektroniem piemītošā enerģija. Fermī – Dīraka funkcija apraksta elektronu sadalījumu varbūtību pa enerģijas līmeņiem kristālā. , kur f(W) elektronu sadalījumu varbūtība pa enerģijas līmeņiem kristālā; W elektrona enerģija; WF Fermī līmenis; k Bolcmaņa konstante; T absolūtā temperatūra. Secinājumi: 1.ja W<WF, tad f(W)=1 2.ja W>WF, tad f(W)=0 3.ja W=WF, tad jebkurā temperatūrā, kas lielāka par 0K, f(W)=1/2 no kā seko, ka pamatpusvadītājiem Fermī līmenis ir elektrona enerģijas vidējais līmenis, bet temperatūrai palielinoties, palielinās varbūtība elektronam atrasties vadītspējas zonā un samazinās atrasties valences zonā, savukārt aizliegtajā zonā Fermī – Dīraka funkcijai ir pārrāvums
4.donorpiejaukumu pusvadītāji: pamatpusvadītāju, kuram piejaukts piektās grupas elements (piem., arsēns (As)) ar pieciem valences elektroniem, sauc par n tipa jeb elektronu pusvadītāju. Donorpiejaukuma atoms iegulst kristālarežģī un kļūst par nekustīgu jonu, bet atbrīvotais elektrons kļūst par brīvu elektronu(majoritātes lādiņnesēju). Jonizācijas rezultāta rodas pozitīvi joni. Fermī līmenis nobīdīts uz vad.sp. zonas pusi
5.akceptorpiejaukuma pusvadītāji: pamatpusvadītāju, kuram piejaukts trešās grupas elements ar trīs valences elektroniem (piem., AL, B vai In),sauc par caurumu jeb p tipa pusvadītājiem. 3 piejaukuma elektroni ar pamatpusvadītāju veido kovalentās, bet tā kā trūkst viena elektrona tas tiek atrauts no kāda pusvadītāja kodola un tā rezultāta izveidojas caurums(majoritātes lādiņnesēju), kas var brīvi pārvietoties pa kristālrežģi. Jonizācijas rezultāta rodas negatīvi joni. Fermī līmenis nobīdīts uz val. zonas pusi
6.kontaktpotenciāls un strāvas p-n pāreja:
p-n pāreja ir pusvadītāja monokristālā izveidotā p tipa un n tipa apgabalu robežslānis.
Difūzija-caurumu un elektronu koncentrāciju izlīdzināšanās starp p un n apgabaliem.
Savienojot abu tipu pusvadītāju notiek difūzija. Elektroni no n apgabala difundē uz p apgabalu, caurumiem pretēji. Dif. Rezultātā pārejas vienā pusē paliek nekompensēti akceptoru joni, otrā donoru joni, kuru radītais kontaktpotenciāls rada pārejā iekšējo elektrisko lauku εi, kas vērsts no pozitīvajiem donorjoniem uz negatīvajiem akceptorjoniem.
Majoritātes lādiņnesēji, kas pārvarējuši potenciāla barjeru, veido difūzijas strāvu Idif. un tās virzienu nosaka tikai caurumu plūsma un difūzijas strāva plūst virzienā no p uz n apgabalu., bet minoritātes lādiņnesēji – dreifa strāvu Idr.
7.sprostvirzienā ieslēgta p-n pāreja: kad p-n pārejai pieslēdz sprostspriegumu UR ar pozitīvo polu pie n tipa apgabala, bet negatīvo pie p tipa apgabala, tad sprieguma avota radītais ārējais elektriskais lauks pastiprina iekšējo elektrisko lauku un palielina enerģijas barjeras augstumu q(φk+UR) .elektriskais lauks atgrūž no pārejas abām pusēm major.ladiņnesējus, kā rezultātā palieinās pārejas biezums un dif strāva kļūst mazāka par dreifa strāvu. Vēl palielinot UR ar laiku barjera kļūst augstāka un Idif.=0, bet Idr=IR.
8.caurlaides virzienā ieslēgta p-n pāreja: pieslēdz spriegumu UF, tad sprieguma avota radītais ārējais elektriskais lauks pavājina iekšējo elektrisko lauku un samazina enerģijas barjeras augstumu q(φk-UF) . rezultātā samazinās pārejas biezums un dif strāva kļūst lielāka par dreifa strāvu. Spriegumu, kas samazina p-n pārejas iekšējo elektrisko lauku sauc par p-n pārejas caurlaides spriegumu, un šī sprieguma radīto strāvu par p-n pārejas caurlaides strāvu: IF=Idif-Idr>0
9.ideāla un reāla p-n pāreja, reālas p-n pārejas sproststrāva: ideālas p-n pārejas ārpusē esošo kristāla apgabalu elektrovadītspēja tiek uzskatīta par bezgala lielu, un tāpēc kristālam pievienotā avota spriegums rada elektrisko lauku tikai tukšinātajā zonā, kuras elektrovadītspēja ir ļoti maza.
Pieslēdzot pārejai sprostspriegumu, pārejā sāk plūst sproststrāva, kas sākumā nedaudz pieaug, bet pēc tam paliek nemainīga.
Reālas p-n pārejas caurlaides virziena VA raksturlīkne atrodas zemāk par ideālas pārejas raksturlīkni, jo reālā pārejā bāze ir vāji leģēta un tai ir liela pretestība RB. tāpēc pārejas tukšinātajai zonai pieslēgtais spriegums salīdzinājumā ar ideālu p-n pāreju ir par lielumu IFRB mazāks un mazāka ir caurlaides strāva. Reālas p-n pārejas sproststrāva sastāv no IR=I0+Ig+In, kur I0 – siltumstrāva, ko rada ārpusēģenerēto minoritātes lādiņnesēju dreifs, Ig – siltumģenerācijas strāva (rada trukšinātajā zonā siltumģenerācijas dēļ radušos brīvo lādiņnesēju pāru dreifs), In – pa pārejas virsmu plūstošā noplūdes strāva. Ja sprostspriegums tiek palielināts, Ig un Inpalielinās, bet I0 ir const.
10.reālas p-n pārejas caursite: sprostspriegumam sasniedzot noteiktu robežvērtību, p-n pārejā sākas ļoti straujš sproststrāvas pieaugums, t.i. sākas pārejas caursite. Siltumcaursite sākas tad,kad sproststrāvasradītais un pārejai pievadītais siltuma daudzums Ppiev=IRUR ir lielāks par siltuma daudzumu , kuru konvekcijas un izstarošanas veidā izvada no pārejas. Aizvadītais siltuma daudzums: , kur Tj – pārejas temperatūra, Ta – vides temperatūra, Rthja – siltumpretestība starp pāreju un apkārtējo vidi. Lavīncaursite rodas vāji leģētās un tāpēc biezās p-n pārejās, kurās minoritātes lādiņnesēja brīvais noskrējiens ir mazāks par pārejas biezumu
11.pusvadītāju ierīču klasifikācija: bezpārejas(pusvadītāju rezistori; termistori; varistori; tenzometri; fotorezistori), ar vienu p-n pāreju(diodes, taisngrieži, impulsu, augstfrekvences, stabilitroni, varikapi, tuneļdiodes, fotodiodes), ar divām p-n pārejām(tranzistori, pastiprinātāja, impulsa, augstsprieguma, fototranzistori), ar trijām p-n pārejām(tiristori, fototiristori), lauktranzistori, integrālās mikroshēmas.
12.pusvadītāju rezistori(termistori, varistori, fotorezistori): bezpārejas pusvadītāju ierīces, kuru darbība pamatojas uz pusvadītāju īpašību mainīt savu pretestību dažādu ārējo faktoru ietekmē
13.pusvadītāju diožu uzbūve: pusvadītāju ierīce ar vienu pāreju un diviem izvadiem(bāze un emiters). Diodes iedala: punkta diodēs(ar punktpāreju, kuras laukuma izmēri ir mazāki par pārejas biezumu. Punkta diodi veido kontakts starp tievu metāla adatu un n tipa Ge. Adatas metāls difundē germānijā un izveido stipri leģētu p tipa apgabalu - emiteru) un virsmas diodes, kuras iedalās: sakausētās (leģētās) diodes(izgatavo no n tipa pusvadītāja , sakausējot to ar akceptoru, vaiarī no p tipa pusvadītāja sakausējot to ar donoru)ar difūzijas paņēmienu(izgatavo: p tipa Ge ievieto krāsnī ar H2 atmosfēru. Krāsnī iztvaicē antiomu, kura tvaiki difundē germānijā un izveido tajā n tipa germānija kārtinu-emiteru), epitaksiālais paņēmiens(izmanto lai iegūtu uz stipri leģēta p+ vai n+ tipa pusvadītāja tādas pašas kristāliskas struktūras vāji leģētas kārtiņas), jonu implantācija(piemaisījumu jonus elektromagnētiskajā laukā paātrina un ar tiem bombardē pamatpusvadītāja plāksnīti), planārā tehnoloģija(šā veida diodēm abi izvadi novietoti vienā plaknē. Uz silīcija kristāla virsmas izveido SiO2 kārtiņu un tajā izkodina logus, caur kuriem difundē gāzveida atomu piemaisījumus)
14.reāls elektroenerģijas avots, diodes VA raksturlīknes atkarība no piemaisījumu koncentrācijas: U=IR; IS=Ii; U=E-IiRi=E-Ui=E-IsRi, kur Rs – slodzes pretestība, Is – slodzes strāva, U – sprieguma kritums, Ri – iekšējā pretestība, E – EDS;
Piemaisījumu koncentrācija diodēs: taisngriežņu diodei (1015cm-3) sprostvirzienā veidojas siltumcaursite, stabilitronam (1016…1017cm-3)pie noteikta IR UR tiek stabilizēts, apvērstai diodei (1018) sprostvirziena raksturlīkne apmainīta vietām ar caurlaides virzienu, tuneļdiodei(1019) caurlaides virzienā rodas strāvas kritums, kurš pie noteikta sprieguma vēlāk stabilizējas
15,Tuneļdiodes VA raksturlīknesPusvadītāju diodes VA raksturlīknes formu nosaka pusvadītāja piejaukuma koncentrācija. Piejaukumu koncentrācijai pārsniedzot 1016 cm-3 – tuneļcaursite, un sprostvirziena VA raksturlīknes pārbīdītas pa labi. Arī caurlaides virziena VA raksturlīkne pārbīdās pa labi, līdz caurlaides virziena VA raksturlīknei parādās raksturīgais <<uzkalns>>.Piejaukumu koncentrācijai sasniedzot robežu, kad Fefmī līmenis pārvietojas p tipa pusvadītājam uz aizliegtās un valences zonas robežas, bet n tipa pusvadītājam uz aizliegtās un vadītspējas zonas robežas.Diodes ātrdarbību nosaka ļoti īsais elektronu tunelēšanas laiks p-n pārejā, kā arī lādiņa neuzkrāšanas bāzē.Izmantojot tuneļdiodi par maiņstrāvas ģeneratoru, tajā izdalās siltums, kura lielumu raksturo ar tuneļdiodes zudumu pretestību.Visbiežāk tuneļdiodes klasificē pēc maksimumu strāvas, bet retāk pēc pārkrituma sprieguma un rezistīvās robežfrekvences.
17,Fotodiodes Par fotodiodi sauc fotoeliktrisku pusvadītāju ierīci ar p – n pāreju un diviem izvadiem. Uz pusvadītāju krītošā gaisma var tikt atstarota vai absorbēta. Ja absorbētā gaismas kvanta enerģija hv ir lielāka par pamatpusvadītāja aizliegtās zonas platumu, tad kvantu absorbējošais atoms ģenerē brīvu lādiņnesēju pāri – caurums-elektrons. Pārējās tuvumā ģenerētais minoritātes lādiņnesējs pārejas otrā puse, kur tas kļūst par nekompensētu majoritātes lādiņnesēju. Gaismas kvantu ģenerēto minoritātes lādiņnesēju plūsma p-n pārejā rada dreifa strāvu – fotostrāvu Iph, bet parejas abās pusēs radušies nekompensētie majoritātes lādiņnesēji rada elektrisko lauku ar potenciālu φ, kas vērsts pretēji pārejas iekšējam elektriskajam laukam. Majoritātes lādiņ nesēju rādītājs elektriskais lauks samazina enerģijas barjeras augstumu par lielumu qφ, kā rezultātā palielinās foto strāvai pretēji vērstā majoritātes lādiņnesēju difūzijas strāva un pārejā iestājas dinamisks līdzsvars: Idif+Idr+Iph=0.
19,Tranzistora uzbūve Bipolārais tranzistors sastāv no trīs dažādas elektrovadītspējas apgabaliem, starp kuriem izveidotas divas p – n pārejas. Vidējo apgabalu sauc par bāzi, un tas izveidots no viena tipa pusvadītāja, bet abi malējie apgabali izveidoti no otra tipa pusvadītāja. Vienu malējo apgabalu sauc par emiteru, un tā uzdevums ir emitēt – ievadīt bāzē brīvos lādiņnesējus. Otru malējo apgabalu sauc par kolektoru, un tā uzdevums ir savākt caur bāzi izgājušos emitera brīvos lādiņnesējus. Emiteram piegulošo pāreju sauc par emitera pāreja, un kolektoram piegulošo pāreju sauc par kolektora pāreju. Tranzistoru var uzskatīt par četrpolu, un to vienmēr slēdz tā, ka viens elektrods ir kopīgs gan ieejai, gan izejai. Katrā elektrodā plūstošo līdzstrāvu apzīmē ar elektrodam atbilstošo indeksu: B – bāze, E- emiters, C- kolektors.
Tranzistoru visbiežāk darbina aktīvā režīmā, kad emitera pāreja ieslēgta caurlaides virzienā, bet kolektoru pāreja – sprostvirzienā. Retāk tranzistori strādā piesātinājuma režīmā, kad abas pārejas ieslēgtas caurlaides virzienā, un nogriešanas režīmā, kad abas pārejas ieslēgtas sprostvirzienā.
20. Tranzistoru maksimāli pieļaujamie parametri un tranzistora h parametri. Param., kas nodrošina doto tranzistora darbības drošumu sauc par maksimāli pieļaujamiem.Tos sasniedzot strauji samazinās drošums, p-n pārejās neatgriezeniskas izmaiņas. Tranz pāreju max t : Germānijam 75-85 ,silīcijam 120-150 .Maksimālās pārejas pārsn., izraisa siltumcaursuti. Tranzistorā pāreju nosaka tajā izliedētais siltuma daudzums(jauda).
Pārsniedzot maks pieļaujamo kolektora izkliedes jaudu not kolektora pāreja siltumcaursitē.
-atgrizeniskās saites pretestība, -atgriezeniskās saites koeficents, -strāvas pārvades koeficents, -izejas vadītspēja.
21.Bipolārā tranzistoru parametri dažādiem slēguma veidiem un to klasifikācija. Aktīvais režīms- emitera pāreja ieslēgta caurlaides virzienā, kolektora- sprostvirzienā. Piesātinājuma režīms- abas pārejas caurlaides virzienā. Nogriešanas režīmā- abas pārejas ieslēgtas sprostvirzienā. Inversais režīms- emitera pāreja sprostvizienā, kolektora pāreja caurlaides virzienā.
22.Lauktranzistora uzbūve un darbības principi. Par lauktranzistoru sauc uniplāru tranzistoru, kura izejas strāvu vada ar elektrisko lauku (ieejas spriegumu).Iedalās 2grupās: ar p-n pār3eju,
Lauktranzistors ar izolētu aizvaru. Lauktranzistors n tipa vāji leģēta silīcija, pretējās skaldnēs 2-i stipri leģēti p-tipa apgabali-aizvari. Starp n un p izvadiem divas nesimetriskas p-n pārejas, bet starp tām n- tipa vadošs kanāls, tā apakšējo galu sauc par izteci, augšējo noteci. Mainot tranzistora ieejas sprostspriegumu (aizvarspriegumu), mainās n tipa apgabala trukšinātās zonas biezums, vadošā kanāla šķērsgriezuma laukums un vadītāja pretestību starp izteci un noteci
Ja elektriskā kanālā strāvas nav – nekas nenotiek. Noteces srāva notekstrāva, kad spriegums starp aizvaru un izteci =ar 0-li notekspriegums piesātinājuma sprigumu.
Noteces atliku strāva noteksrāva, kad sprigums starp aizvaru un izteci >aizvēršanās spriegumu. Aizvara noplūdes strāva aizstrāva pie dotā sprieguma un pārējiem saust., savienotiem izvadiem
23.Lauktranzistora VA raksturlīknes, to klasifikācija, apzīmējumi slēguma veidi.
Sauc par MOP tranzistoriem(metāls- oksīds- pusvadītājs),ja starpā dialektriķis MDP tranzistoru
MOP ar iebūvētu n tipa kanāla barošanu, y ass (trukšinātais režīms), (pildinātais) pārvades raksturlīkne =0(const) X ass ,izejas VA raksturlīkne y ass =(const) x ass, trukšinātais režīms<0, =0, pildinātais režīms>0 S-iztece D-ietece
P tipa kanālu barošana visi dotie pretēji
27.hibrīdās un pusvadītāju integrālās mikroshēmas: integrālā mikroshēma-viens elements, kurā apvienotas daudzas elektronikas ierīces sastāvošas no pas/diviem un aktīviem elementiem, savienotājvadiem, kas izgatavoti vienā tehnoloģiskā procesā. Hibrīdās jeb plēvju mikroshēmas sastāv no izolācijas materiāla pamata uz kura uzlikta plēve, pasīvo elementu saturēšanai, bet uz tās aktīvie elementi. Viss tas ielikts korpusā, kurš piepildīts ar izolējošu materiālu. No korpusa iziet izvadi. Pusvadītāju integrālās mikroshēmas: uz n-tipa Si uzliek masku ar caurumiem, tad izkodina Si caurumus. Iegūto figūru pārklāj ar SiO2 un ieliek polikristāliskajā silīcijā. Iegūtajai figūrai nogriež augšgalu izveido izvadus un pārklāj ar SiO2
28.integrālo mikroshēmu parametri: 1/barošanas avota spriegums; 2/ieejas un izejas signāla spriegums; 3/patērētā jauda; 4/laiks, kurā loģiskā shēma pārslēdzas no viena stāvokļa otrā; 5/ieejas apvienošanas koeficients; 6/izejas sadalīšanas koeficients; un funkcionālās sarežģītības raksturojums: vienkārša integrālā mikroshēma k<=1; vidēja integrālā mikroshēma 1<k<=2; liela integrālā mikroshēma 2<k<=3; super liela integrālā mikroshēmak>3; kur K=lg N, bet N – elementu skaits ko satur integrālā mikroshēma.
29.Būla algebra: (loģikas)-matemātiska sistēma, kas operē tikai ar diviem pieņēmumiem: notikums patiess(‘1’-loģiskais vieninieks) un notikums nepatiess(‘0’-loģiskā nulle). Loģiskā saskaitīšana (disjunkcija) - + vai V – loģiskais VAI; loģiskā reizināšana (konjunkcija)- • vai ^ - loģiskais UN; loģiskais noliegums (inversija)- - - loģiskais NE
30.funkcionāli pilna loģisko elementu sistēma: loģisko elementu kopa, kura nodrošina jebkuras sarežģītības loģiskās shēmas realizāciju. Loģiskā shēma (Būla algebras funkcija) – izejas mainīgo atkarība no ieejas mainīgajiem, aprakstīta ar loģikas algebru(piem., trīs mainīgo funkcija pieņem vērtību „1”, ja vismaz 2 no ieejas mainīgajiem ir loģiskie „1”). funkcionāli pilnu loģisko elementu sistēmu varianti: 1) loģiskais UN, VAI, NE; 2) 2UN-NE; 3) 2VAI-NE
31.disjunktīvā normālforma: katrai ieejas stāvokļu kombinācijai, kurai funkcijas vērtība ir „1”, uzraksta ieejas mainīgo loģisko reizinājumu, bet tos ieejas mainīgos, kuru vērtība ir „0”, raksta ar inversiju, tad loģiski summē iegūtos rezultātus
32.konjunktīvā normālforma: katrai ieejas vērtību kombinācijai, kurai funkcijas vērtība ir „0”, uzraksta ieejas mainīgo loģiskās summas, bet tos ieejas mainīgos, kuru vērtība ir „1”, raksta ar inversiju, tad iegūtos rezultātus loģiski summē
33.RTL klases mikroshēmas: mikroshēmu klases(loģika)-iedalījums pēc pusvadītāju ierīces, kas ir mikroshēmas pamatā. Rezistoru tranzistoru loģika. Bāzes elements – VAI-NE; „1”>+0.78V; ja 0 ieejā, izejā1 un otrādi
34.DTL klases mikroshēmas: diožu tranzistoru loģika; bāzes elements – UN-NE
35.TL klases mikroshēma: tranzistoru loģika; bāzes elements – VAI-NE; „1”-no -9.5 līdz-20 V „0”-no 0 līdz-1 V
36.TTl klases mikroshēmas: tranzistoru tranzistoru loģika; bāzes elements – UN-NE
37.mikroshēmu klasifikācija pēc informācijas ievades izvades veida: 1)virknes ierīces-ieejas un izejas signāli tiek nolasīti nevis visi reizē, bet pa kārtām;2)paralēlās ierīces- ieejas un izejas signālu kārtas tiek nolasītas vienlaicīgi(paralēli);3)Virknes paralēlās ierīces-ieejas signāli tiek nolasītas vienlaicīgi(paralēli) vai otrādi
38.integrālo mikroshēmu klasifikācija pēc darbības principa: kombināciju tipa loģiskās shēmas – elementu izejas spriegumus jebkurā laika momentā nosaka atbilstošie ieejas spriegumi; loģiskās shēmas ar atmiņu-izejas signāls saglabājas arī pēc ieejas signālu darbības izbeigšanās
39.šifratori: ierīces, kuras skaitļus no desmitnieku skaitīšanas sistēmas pārveido divnieku skaitīšanas sistēmā; Iedalījums: pilnie, ja šifrātoram ar n izejām ir 2n ieejas; nepilnie, ja šifratoram ar n izejām ir mazāk par 2n ieejas;
40.dešifratori; shēma, kura divnieku kodus pārvērš desmitnieku skaitlī; Iedalījums: pilnie, ja dešifratoram ar n ieejām ir 2n izejas; nepilnie, ja dešifratoram ar n ieejām ir mazāk par 2n izejas;
41.binārās saskaitīšanas algoritms divu bināru operandu saskaitīšanai: summatori-ierīces skaitļu, kuri attēloti binārajos kodos, saskaitīšanai. Binārās saskaitīšanas algoritms
DNF s(x1 x2)= izslēdzošais VAI jeb summa pēc moduļa 2 p(x1x2)= x1x2
42.Divu bināru operandu saskaitīšanai ņemot vērā pārnesi no jaunākās kārtas: s(x1 x2 p-1)
p(x1 x2 p-1)=
43.summātoru klasifikācija: pussumātori; vienkāršas summatori; daudzkārtas summatori(virknes; paralēlie)
44.pussummātori: ierīces divu vienkārtas bināro kodu saskaitīšanai, kurām ir divas ieejas un divas izejas summai un pārnesei
45.vienkārtas summatori: ierīces bināro kodu vienas kārtas kodu saskaitīšanai, ņemot vērā pārnesi no iepriekšējās (jaunākās) kārtas
46. Daudzkārtu summatori – ierīces divu bināru skaitļu sastāvošu no vairākām kārtām saskaitīšanai.
47. Komparatori – (Salīdzinātāji) salīdzina divus skaitļus X un Y un nosaka vai X=Y vai X>Y vai X<Y
XYC
x>yD
x<yF
x=y
00001
01010
10100
11001
Loģiskās shēmas ar atmiņu.(Trigeri)
Šīs shēmas no kombināciju tipa shēmām atšķiras ar to, ka viņām izejas signāli saglabājas arī pēc ieejas signālu, kuri noteica izejas signālus, darbības izbeigšanās. Tādā veidā viņi it kā atceras savu stāvokli un nemainu viņu līdz ieejā neparādās jaunu stāvokli nosakoši signāli. Skaitļošanas tehnikā loģiskās shēmas ar atmiņu tiek izmantotas ļoti plaši un tādu shēmu ir daudz. Pirmos apskatīsim trigerus, kuri ir pamatā daudzām datoru veidojošām ierīcēm.
48. Trigeri.Par trigeriem sauc loģiskās shēmas ar diviem stabīliem izejas stāvokļiem (attiecīgi loģiskais “1” un loģiskā “0”), kuri var saglabāties praktiski neierobežotu laiku un kuri lēcienveidīgi mainās vadības signālu iedarbības rezultātā.
Parasti trigeri satur atmiņas elementu un kombinacionālu shēmu, kura ieejas signālus pārveido signālos, nepieciešamos atmiņas elementa vadībai. Vienkāršākie trigeri satur tikai atmiņas elementu. Trigeriem ir divas izejas: tiešā izeja – apzīmē ar burtu Q un inversā izeja – apzīmē ar Q (lasa kā ne Q). Ja trigers ir vieninieka stāvoklī, tad tiešā izeja Q ir “1” un inversā izeja ne Q ir “0” Ieeju skaits dažādiem trigeriem var būt dažāds: ir trigeri ar vienu ieeju, divām, kā arī ar lielāku ieeju skaitu.
Trigerus klasificē (iedala) pēc trim pazīmēm:
1/ pēc reakcijas uz vadības signāliem izšķir asinhronos un sinhronos trigerus.
Asinhronie trigeri stāvokli maina jebkura brīdi pēc attiecīga ieejas signāla saņemšanas.
Sinhronie trigeri stāvokli var mainīt tikai tajā laikā, kad ir stāvokļa maiņu atļaujošs signāls-sinhroimpulss.
2/ pēc vadības signālu veida izšķir statiskos un dinamiskos trigerus.
Statiskie trigeri reaģē uz vadības signāla līmeni.
Dinamiskie trigeri reaģē uz ieejas signāla izmaiņām.
3/ pēc realizācijas veida izšķir vienpakāpju un divpakāpju trigerus.
Divpakāpju trigeriem, atšķirībā no vienpakāpju, ir divi atmiņas elementi un stāvokļa maiņa (pārslēgšanās) notiek divos etapos (divās pakāpēs): no sākuma informācija ierakstās pirmajā atmiņas elementā (pirmais etaps) un pēc tam pārrakstās otrajā atmiņas elementā (otrais etaps)
Parasti nosaukumus “statiskais” un “vienpakāpju” nelieto, tos pieņem pēc noklusēša-nas. Tas nozīmē, ja trigera nosaukumā nav vārda dinamisks vai divpakāpju, viņš ir statisks vai attiecīgi vienpakāpju.
49. Asinhronais RS trigers.Tā kā nosaukumā nav vārdu “dinamiskais” un “divpakāpju”, tas nozīmē, ka trigers ir statisks un vienpakāpju. Kaut arī asinhronais RS trigers ir viens no vienkāršākajiem, ļoti bieži viņš, kā pamata uzbūves elements, tiek izmantots sarežģītāku trigeru uzbūvei (tas pats attiecas arī uz sinhrono RS trigeri). Iepazīšanos ar asinhrono RS trigeri sāksim ar viņa stāvokļu tabulu (tab.1). Trigeram ir divas izejas: tiešā Q un inversā ne Q, kā arī divas ieejas: apzīmē ar S un ar R. Kādas var būt ieejas signālu kombinācijas un kā viņas iespaido trigera stāvokli?
Tabula 1.
Ieejas signāliIzejas signāli
RSQne Q
00saglabā iepriekšējo stāvokli
0110
1001
11stāvoklis aizliegts
Asinhronā RS trigera stāvokļu tabula.
1/ abas ieejas ir nulles, ti. R=”0” un S=”0”. Trigers saglabā iepriekšējo stāvokli. Šeit jau izpaužas trigera atmiņa – ieejas signāli noņemti, bet trigers stāvokli nemaina.
2/ ja ieejā R=”0” un S=”1”. Trigers iestādās vieniniekā, ti. viņa tiešā izeja Q=”1” un inversā ne Q=”0”.
3/ ja ieejā R=”1” un S=”0”. Trigers iestādās nullītē, ti. viņa tiešā izeja Q=”0” un inversā ne Q=”1”.
4/ abas ieejas ir vieninieki, ti. S=”1” un R=”1”. Šādu ieejas signālu kombināciju sauc par aizliegtu. Ideja tā, ka šajā gadījumā nevar viennozīmīgi noteikt, kādu stāvokli ( vininieku vai nullīti) pieņems trigers. Stāvoklis ir atkarīgs no tā, kura no shēmām, uz kā realizēts trigers, ātrāk nostrādās.
Kā šādu stāvokļu tabulu var realizēt? Praktiski realizēt var daudzos veidos. Viens no vienkāršākajiem veidiem ir izmantot loģiskos elementus 2VAI-NE, ti. loģiskos elementus VAI ar divām ieejām un invertētu izeju. Katra trigera izeja tiek realizēta uz sava elementa (zīm.1). Viena elementa 2VAI-NE izeja realizē tiešo asinhronā RS trigera izeju Q, otra elementa izeja – inverso trigera izeju ne Q. Tiek izveidota atgriezeniskā saite: tiešo izeju Q savieno ar elementa, kas realizē inverso izeju ne Q, ieeju un otrādi – inverso izeju ne Q savieno ar elementa, kas realizē tiešo izeju Q, ieeju. Viena palikusī brīvā ieeja kalpo par signāla R ieeju, otrā – par signāla S ieeju.
Zīm.1. Asinhronā RS trigera realizācija
uz elementu 2VAI-NE bāzes.
Asinhronā RS trigera apzīmējums shēmās (zīm.2) sastāv no taisnstūra ar burtu T labajā augšējā stūrī un ar atdalītu kreiso apgabalu, kurā ir parādītas ieejas ar attiecīgiem apzīmējumiem R un S. Labajā pusē divas izejas – tiešā Q un ar inversijas zīmi (aplīti) inversā izeja ne Q.
50. Sinhronais RS trigers.Sinhronā RS trigera darbība ir analoga asinhronajam RS trigerim, bet visas stāvokļu maiņas var notikt tikai laika mirklī, kad ir maiņu atļaujošs signāls – sinhroimpulss. Ja sinhroimpulsa nav, pienākošie vadības signāli nekādu iespaidu uz trigeri nerada.Sinhronais RS trigers tiek realizēts (zīm.3) uz asinhronā RS trigera bāzes. Viņa ieejas tiek pieslēgtas shēmu – ventiļu izejām. Par ventiļiem parasti tiek izmantoti loģiskie elementi UN, šajā gadījumā ar divām ieejām. Uz ventiļiem tiek padoti tie paši ieejas signāli: uz augšējo ventili – signāls R, uz apakšējo – signāls S. Brīvās abu elementu UN ieejas tiek apvienotas un uz viņām tiek padots sinhroimpulss C.
Zīm.3. Sinhronā RS trigera realizācija.
Šī sinhronizējošā signāla C ideja ir šāda:
- kamēr viņš ir “0”, ventiļu izejās, neatkarīgi no signālu R un S vērtībām, ir
nulles un trigers saglabā savu iepriekšējo stāvokli;
- tikai tad, kad sinhroimpulss C ir “1”, ventiļi “atveras” un vieninieki, kuri pienāk pa ieejām S un R, var tikt ventiļiem cauri un izmainīt trigera stāvokli.
Shēmās sinhrono RS trigeri apzīmē tāpat kā asinhrono, tikai kreisajā pusē ir vēl viena – trešā ieeja (sinhroieeja) ar attiecīgu apzīmējumu C atdalītajā daļā.
51. Sinhronais D trigers. Šā trigera apskatu sāksim drusku citādi: no sākuma apskatīsim realizāciju, tad izanalizēsim trigera laika diagrammas un pēdējo – trigera apzīmējumu shēmās.
Sinhronā D trigera realizācija ir attēlota zīmējumā 5.
Zīm.5. Sinhronā D trigera realizācija.
Pamatā atkal ir asinhronais RS trigers, kura ieejām ir pieslēgti elementi UN ar divām ieejām. Uz apakšējā elementa vienu ieeju ir pieslēgts invertors – loģiskais NE. Tāpat kā sinhronajam RS trigerim divas ieejas ir apvienotas un uz viņām tiek padots sinhrinizējošais impulss C. Invertora ieeja tiek savienota ar atlikušo augšējā elementa UN ieeju un kalpo par vadības signāla D ieeju.
Ja iepriekš apskatītajiem trigeriem tika sastādītas un analizētas stāvokļu tabulas, tad šoreiz apskatīsim trigera laika diagrammu, kas praktiski ir viens un tas pats, bet tikai citādāk, interesantāk attēlots. Tā kā ir četri signāli – divi ieejā, ti. D un C un divi izejā, ti. Q un ne Q, laika diagramma sastāvēs no šo signālu analīzes dinamikā – laikā. Tātad būs četras atsevišķas diagrammas (zīm.6). Uz x ass visām būs attēlots laiks t. Augšējā diagrammā attēlosim vadības signālu D – vērtība tiks atlikta uz y ass, un attiecīgi tālāk sinhroimpulsu C, tad izejas: sākumā tiešo Q un pēdējā diagrammā – inverso ne Q. Tāpat kā stāvokļu tabulās, arī šeit apskatām visas iespējamās ieejas signālu kombinācijas. Tālākajā tekstā skaitļi kvadrātiekavās aiz signālu vērtībām ir saistīti ar tādiem pašiem apzīmējumiem laika diagrammās un domāti tikai vieglākai izklāstītā materiāla izpratnei.
1/ Vadības signāls D ir “0” [1] un arī sinhroimpulss C ir loģiskā “0” [2].
Uz augšējo UN (sk. zīm.1) atnāk divas “0”, tātad izejā “0” un trigera ieejā S arī “0”. Uz apakšējo UN pa augšējo ieeju atnāk C, ti. “0”. Tātad, neatkarīgi no tā, kas ir uz otrās šīs shēmas ieejas, izejā būs “0” un līdz ar to arī trigera ieejā R būs “0”. Līdz ar to, tā kā abas asinhronā RS trigera ieejas ir “0”, trigers savu stāvokli nemainīs. Kādā stāvoklī trigers ir – nav būtiski, mēs pieņemsim, ka trigers ir nullē, ti. tiešā izeja Q ir “0” [3] un inversā izeja ne Q ir “1” [4].
2/ Kas notiek, ja atnāk vadības impulss, bet sinhroimpulsa nav, ti. D=”1” [5] bet C=”0” [6].
Tā kā sinhroimpulss C ir loģiskā “0”, bet viņš pa tiešo, bez inversijas, tiek padots uz abiem UN elementiem, viņu izejās būs “0” neatkarīgi no tā, kas padots uz UN elementu otrajām ieejām. Līdz ar to trigera stāvoklis paliks nemainīgs un mūsu gadījumā tiešā izeja Q=”0” [7] bet inversā ne Q=”1” [8].
Zīm.6. Sinhronā D trigera laika diagramma.
3/ Bet kas mainās, ja pie aktīva vadības signāla atnāk arī aktīvs sinhroimpulss? Šajā gadījumā gan D=”1” [9], gan C=”1” [10].
Augšējā loģiskā UN abās ieejās ir “1”-ki, tātad izejā arī “1” un trigera S ieejā arī “1”. Vai trigers mainīs savu stāvokli? Tas būs atkarīgs no viņa otrās ieejas. Ja ieejā R būs “0”, tad trigers iestādīsies “1”-kā (S=”1” un R=”0”), bet ja ieejā R arī būs “1”-ks, trigera stāvoklis būs nenoteikts – aizliegts. Tātad ir jānosaka signāls ieejā R. Loģiskajam UN, kas nosaka trigera R ieeju, uz augšējo ieeju ir padots sinhroimpulss C, ti. “1”. Uz apakšējo – invertēts D. Tā kā viņa vērtība ir “1”, tad pēc invertēšanas viņš pieņem vērtību “0”. Šī nulle arī loģiskā UN izejā radīs “0”, kura aizies uz trigera ieeju R. Līdz ar to asinhronā RS trigera ieejās izveidojas šāds stāvoklis: ieejā S ir “1”, bet ieejā R ir “0”, kas iestāda trigeri vieniniekā līdz ar ko viņa tiešā izeja Q kļūst par “1” [11], bet inversā ne Q – par “0” [12].
Bet kas notiek, ja sinhroimpulss beidzas? Nultais C [13] abu loģisko shēmu UN izejās rada “0” (neatkarīgi no vadības signāla D vērtības). Līdz ar to abas trigera ieejas ir nulles un trigers saglabā iepriekšējo stāvokli, ti. Q=”1” [14] un ne Q=”0” [15]. Ja šajā mirklī arī vadības signāls beidzas, ti. D pieņem vērtību “0” [16], trigers tik un tā savu stāvokli nemaina, jo nultais C viennozīmīgi nosaka abu loģisko UN izejas.
4/ Bet kas notiek, ja šajā mirklī atnāk aktīvs sinhroimpulss C? Ieejā rodas signālu kombinācija C=”1” [17] un D=”0” [18].
Augšējā UN izejā būs nulle, jo D=”0”. Apakšējā UN izejā būs “1”, jo D tiek invertēts un abās shēmas ieejās ir vieninieki. Uz asinhronā RS trigera ieejas S būs “0” bet ieejā R – “1”. Šāda ieejas signālu kombinācija pārslēgs trigeri nullē un attiecīgi viņa izejas būs: Q=”0” [19] un ne Q=”1” [20]. Sinhroimpulsam beidzoties [21], trigers savu stāvokli saglabās, ti. viņš paliks nullītē, jo C=”0” abās trigera ieejās rada nulles, kas saglabā trigera iepriekšējo stāvokli. Tātad Q=”0” [22], bet ne Q=”1” [23].
Analizējot iegūtās laika diagrammas, varam noskaidrot kopējo D trigera darbības principu. Tātad: sinhroimpulss C rada D trigera izejā tādu pašu signālu, kāds bija tā ieejā D pirms sinhroimpulsa parādīšanās, ti. D trigers aiztur ieejas signālu (D ir pirmais angļu vārda delay – aizture burts).
D trigera apzīmējums shēmās (zīm.7) ir līdzīgs iepriekš apskatītajiem RS trigeriem: tāpat ir taisnstūris ar burtu T labajā augšējā stūrī un ar atdalītu kreiso apgabalu, kurā ir parādītas ieejas ar attiecīgiem apzīmējumiem D un C. Labajā pusē divas izejas – tiešā Q un ar inversijas zīmi (aplīti) inversā izeja ne Q.
Zīm.7. D trigera apzīmējums shēmās.
52. T trigers.T trigers ir divpakāpju trigers, kuru vēl sauc arī par skaitīšanas trigeru. Viņam ir tikai viena ieeja un katrs ieejas impulss maina trigera stāvokli uz pretējo. T trigera realizācijas veidi var būt dažādi, mēs apskatīsim vienu no vienkāršākajiem, ti. uz sinhrono RS trigeru bāzes (zīm.8).
Zīm.8. T trigera realizācija uz sinhrono RS trigeru bāzes.
T trigeris tiek realizēts uz diviem sinhronajiem RS trigeriem. T trigera izejas sakrīt ar otrā RS trigera izejām: attiecīgi Q – tiešā un ne Q – inversā. Pirmā RS trigera tiešā izeja ir savienota ar otrā trigera S ieeju, bet viņa inversā izeja – ar otrā trigera R ieeju. Bez tam otrā trigera tiešā izeja ir savienota ar pirmā trigera ieeju R, bet inversā – ar pirmā trigera ieeju S. Ieejas signāls T tiek padots uz pirmā trigera sinhronizācijas ieeju C un caur invertoru arī otrā RS trigera sinhroieejā.
T trigera darbību apskatīsim atkal izmantojot laika diagrammas (zīm.9). Šajā shēmā signālu ir daudz, bet, tā kā viņi ir saistīti savā starpā (viena trigera izejas vienlaicīgi ir arī otra trigera ieejas), tad pilnīgi pietiek ar sešiem grafikiem. Pirmajā attēlosim otrā trigera tiešo izeju QT2, kura vienlaikus ir arī pirmā trigera R ieeja, ti. RT1. Otrajā grafikā attēlosim otrā trigera inverso izeju ne QT2, kas vienlaicīgi ir ieeja ST1. Trešajā – ieeju T, kas ir arī pirmā trigera sinhroieeja CT1. Cetutrajā – otrā trigera sinhroieeju CT2. Piektajā – pirmā trigera tiešo izeju QT1, kas vienlaicīgi ir arī otrā trigera ieeja ST2. Un pēdējā diagrammā attēlosim pirmā trigera inverso izeju ne QT1, kas vienlaicīgi ir arī otrā trigera reseta ieeja RT2. Visi minētie signāli tiek atspoguļoti uz y ass, bet uz x ass – laiks t.
Lai sāktu analīzi, jāpieņem kaut kāds sākuma stāvoklis. Uzskatīsim ka trigers T2 ir vieninieka stāvoklī, ti. QT2= “1” [1] un ne QT2=”0” [2] bet ieejas signāla nav – tātad T=”0” [3]. Šajā gadījumā uz otrā trigera sinhroieeju tiek padots invertēts ieejas signāls T. Tātad tur būs augsts potenciāls, ti. CT2=”1” [4]. Kādā stāvoklī trigers T1, pašreiz nav tik svarīgi. Tāda ir izejas situācija.
Zīm.9. T trigera laika diagrammas.
Atnākot ieejas signālam T, ti. loģiskajam “1” [5], shēmā sākas pārmaiņas. Šo ieejas “1”-ku loģiskais NE invertē un uz trigera T2 sinhoieeju CT2 tiek padota nulle [6]. Tas nozīmē ka trigers T2 savu stāvokli mainīt nevar un uz viņa tiešās izejas QT2 paliks “1” [7], bet uz inversās ne QT2 –“0” [8]. Toties pirmajam trigeram T1 sinhroieejā ir “1” un viņš nostrādā. Bet, tā kā viņa R ieejā ir “1” (tā ir trigera T2 tiešā izeja) un ieejā S ir nullīte (tā ir trigera T2 inversā izeja), trigers T1 pārslēdzas nullē un uz viņa tiešās izejas QT1 parādīsies “0” [9], bet uz inversās izejas ne QT1 būs “1” [10], neskatoties uz to, kādā stāvoklī (vieniniekā vai nullē) viņš atradās iepriekš.
Tāds stāvoklis saglabāsies līdz mirklim, kad ieejas impulss T beigsies [11]. Līdz ar to pirmā trigera T1 sinhroieejā tiek padota “0” un viņš savu stāvokli mainīt nevar: viņa tiešajā izejā QT1 paliek “0” [12], bet inversajā ne QT1 – “1” [13]. Toties, pēc T maiņas uz nulli, viņa invertētais signāls, ti. “1”, nokļūst trigera T2 sinhroieejā CT2 [14] un otrais trigers nostrādā. Bet, tā kā viņa ieejā ST2 ir “0” (tā it trigera T1 tiešā izeja QT1) un ieejā RT2 ir “1” (tā ir trigera T1 inversā izeja), trigers T2 pārslēdzas nullē, ti. viņa tiešajā izejā QT2 parādās “0” [15], bet inversajā izejā ne QT2 ir “1” [16].
Atnākot nākošajam ieejas signālam T [17], viņa invertētā vērtības, ti. “0”, tiek padota uz trigera T2 sinhroieeju CT2 [18]. Trigers aizvērsies un izejas signāli nemainīsies, respektīvi QT2 paliks “0” [19], bet ne QT2 – “1” [20]. Toties pirmā trigera T1 sinhroieejā ir “1” un tā kā RT1 ir “0” (sakrīt ar QT2), bet ST1 ir “1” (sakrīt ar ne QT2), šis trigers pārmetas vieniniekā – tiešajā izejā QT1 ir “1” [21], bet inversajā ne QT1 – “0” [22].
Un atkal nekas nemainīsies līdz mirklim, kad ieejas signāls T nekļūs “0” [23]. Nulle ieejā CT1 nobloķē pirmo trigeri T1: viņa izejas nemainās - QT1 paliek “1” [24], bet ne QT1 – “0” [25]. Toties uz trigera T2 sinhroieeju CT2 tiek padots “1” (invertētā nulle) [26]. Un tā kā viņa ieejā ST2 ir “1” no QT1, bet ieejā RT2 ir “0” no ne QT1, trigers T2 pārslēdzas vieniniekā: viņa izeja QT2 kļūst “1” [27] un inversā izeja ne QT2 – “0”[28].
Analizējot iegūtās laika diagrammas, varam noskaidrot kopējos T trigera darbības principus. Praktiski trigera darbību nosaka pirmās trīs diagrammas, ti. ieejas signāls T, tiešā izeja QT2 un inversā izeja ne QT2 (pārējās diagrammas tikai palīdzēja noteikt šo trīs signālu maiņas mehānismu). Tātad: 1/ uz katru ieejas impulsu T trigers maina savu stāvokli. Pirmā T impulsa laikā trigers pārslēdzās no “1” uz “0” (sk.zīm.9), otrā T impulsa laikā no “0” uz “1” utt..2/ stāvokļa maiņa (pārslēgšanās) nenotiek uzreiz, bet divos etapos. Ar priekšējo impulsa fronti, ti. vietu, kad T mainās no “0” uz “1”, notiek sagatavošanās – informācija tiek ierakstīta pirmajā trigerā T1. Aizmugurējā impulsa fronte, ti. vieta, kad T mainās no “0” uz “1”, informāciju no trigera T1 pārraksta trigerā T2. Šādas pakāpeniskas darbības dēļ tādus trigerus sauc par divpakāpju un viņu apzīmējumos shēmās (zīm.10) lieto divus burtus T.
