Электронные цепи и микросхемотехника. Импульсные и цифровые устройства

 
В. В. Кожухов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЦЕПИ 
И МИКРОСХЕМОТЕХНИКА 
 
ИМПУЛЬСНЫЕ И ЦИФРОВЫЕ 
УСТРОЙСТВА 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
 

УДК 621.3.049.77 
ББК 32.844.1 
 
К58 
 
 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы : 
канд. техн. наук, доцент В. М. Кавешников; 
ст. преп. С. В. Кучак 
 
 
 
 
 
 
Кожухов, В. В. 
К58  
Электронные цепи и микросхемотехника. Импульсные и цифровые устройства : 
учебное пособие / В. В. Кожухов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 
172 с. : ил., табл. 
 
 ISBN 978-5-9729-1459-3 
 
Рассматриваются принципы построения и свойства устройств на транзисторах и 
интегральных элементах, работающих в импульсном режиме. Даны основы построения устройств комбинационной логики: шифраторов, мультиплексоров, триггеров, 
регистров, счетчиков, сумматоров. Излагаются основы построения и свойства таких 
базовых схем, как мультивибраторы, генераторы линейно изменяющегося напряжения, триггеры, блокинг-генераторы. 
Для студентов, обучающихся по специальностям «Электроника и наноэлектроника», «Оптотехника», «Фотоника и оптоинформатика». 
 
УДК 621.3.049.77 
ББК 32.844.1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1459-3 
‹ Кожухов В. В., 2023 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
2 

 
 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Импульсные режимы работы электронных цепей. Введение 
................... 6 
 
1. Ключевой режим работы транзистора .................................................. 11 
1.1. Влияние нагрузки на статические режимы ключевой схемы 
...... 13 
1.2. Параллельное соединение ключей 
................................................. 14 
1.3. Последовательная ключевая цепочка ............................................ 15 
1.4. Переходные процессы в транзисторном ключе ............................ 17 
1.5. Повышение быстродействия транзисторного ключа ................... 21 
1.6. Потери мощности в транзисторном ключе ................................... 24 
1.7. Особенности работы ТК на индуктивную нагрузку 
..................... 26 
1.8. Работа ТК при емкостной нагрузке ............................................... 28 
1.9. Использование транзисторного переключателя тока 
................... 29 
1.10. Разновидности транзисторных ключей ....................................... 32 
1.10.1. Ключ на основе схемы ОБ 
..................................................... 32 
1.10.2. Ключ на основе схемы ОК .................................................... 32 
1.10.3. Ключ типа «звезда» 
................................................................ 33 
1.10.4. Ключ на составном транзисторе ........................................... 34 
1.10.5. Ключи на полевых транзисторах .......................................... 35 
1.10.6. Комбинированные транзисторные ключи ........................... 39 
1.11. Основы построения импульсных усилителей мощности........... 43 
 
2. Импульсные генераторы ........................................................................ 48 
2.1. Общие сведения об импульсных генераторах .............................. 48 
2.2. Мультивибраторы 
............................................................................ 49 
2.2.1. Симметричный автоколебательный мультивибратор на 
транзисторах с коллекторно-базовыми связями ............................. 50 
2.2.2. Ждущий мультивибратор (одновибратор) 
............................. 55 
2.2.3. Мультивибратор с отсекающими диодами 
............................ 60 
3 

2.2.4. Мультивибратор с коллекторно-эмиттерной связью 
............ 61 
2.2.5. Ждущий мультивибратор на транзисторах  
с эмиттерной связью .......................................................................... 62 
2.2.6. Мультивибратор на транзисторах разного типа  
проводимости ..................................................................................... 63 
2.2.7. Мультивибратор на полевых транзисторах ........................... 65 
2.2.8. Мультивибратор на ОУ ........................................................... 66 
2.2.9. Мультивибратор с мостовым времязадающим элементом .. 69 
2.2.10. Мультивибратор на логических элементах ......................... 71 
2.2.11. Блокинг-генератор ................................................................. 76 
2.2.12. Двухтактный генератор (схема Роера) ................................. 82 
2.3. Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) ........ 88 
2.3.1. ГЛИН с зарядным резистором и внешним управлением...... 90 
2.3.2. Генератор пилообразного напряжения с зарядным 
транзистором ...................................................................................... 92 
2.3.3. ГЛИН с компенсирующей обратной связью ......................... 94 
2.3.4. ГЛИН с внешним управлением на основе  
интегрирующего усилителя .............................................................. 97 
2.3.5. Автоколебательный ГЛИН треугольной формы 
................... 98 
 
3. Триггеры .................................................................................................101 
3.1. Триггер на транзисторных ключах ...............................................101 
3.1.1. Стационарное состояние триггера 
.........................................102 
3.1.2. Переключение триггера на транзисторных ключах 
.............104 
3.1.3. Роль емкостей С1 и С2 при переключении триггера 
.............106 
3.2. Триггер с автоматическим смещением 
.........................................108 
3.3. Несимметричный триггер с эмиттерной связью  
(триггер Шмитта) ..................................................................................109 
3.4. Триггер Шмитта на ОУ 
..................................................................111 
 
4. Цифровые устройства 
............................................................................114 
4.1. Алгебра логики как аппарат математического описания 
цифровых устройств 
..............................................................................114 
4 

4.1.1. Суперпозиция логических функций 
......................................114 
4.1.2. Основные законы алгебры логики 
.........................................116 
4.1.3. Основные равносильности алгебры логики 
..........................119 
4.1.4. Нормальные и совершенные нормальные формы  
записи логических алгоритмов ........................................................120 
4.1.5. Методы представления логических алгоритмов ..................121 
4.1.6. Базис функций алгебры логики .............................................123 
4.1.7. Упрощение и минимизация логических функций ...............125 
4.2. Триггеры на логических элементах ..............................................130 
4.2.1. RS-триггер ...............................................................................132 
4.2.2. Триггер задержки – D-триггер ...............................................137 
4.2.3. Т-триггер 
..................................................................................139 
4.2.4. JK-триггер 
................................................................................141 
4.3. Регистры памяти и сдвига 
..............................................................142 
4.4. Счетчики импульсов ......................................................................145 
4.4.1. Суммирующий счетчик ..........................................................146 
4.4.2. Вычитающий счетчик .............................................................147 
4.4.3. Кольцевые счетчики ...............................................................148 
4.5. Шифратор (coder) ...........................................................................152 
4.6. Дешифратор (decoder) ....................................................................155 
4.7. Мультиплексор (multiplexоr) .........................................................158 
4.8. Демультиплексор (распределитель импульсов) ..........................161 
4.9. Сумматоры ......................................................................................162 
 
Контрольные вопросы ...............................................................................168 
 
Библиографический список ......................................................................170 
 
 
 
5 

 
 
 
ИМПУЛЬСНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ 
ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ 
 
Введение 
 
Широкое внедрение импульсных устройств обусловлено тем, 
что они позволяют осуществлять огромную концентрацию энергии 
во времени, снижать потери мощности и, следовательно, повышать 
КПД устройств. 
Импульсные устройства широко внедрены в такие области техники, как автоматика, вычислительная техника, приборостроение, 
преобразовательная техника, радиотехника, и имеют большое разнообразие технических решений. 
Для генерации импульсов различной формы и величины и для 
выполнения логических операций над ними служат типовые импульсные устройства и логические схемы, общие в своих основных чертах 
Формы импульсов, используемых в импульсных устройствах 
различного назначения, разнообразны. Наиболее распространенные из них приведены на рис. В1: прямоугольный (а), трапецеидальный (б), треугольный (в), пилообразный (г), экспоненциальный (д), колоколообразный (е). 
 
B,C
B
С
B
С
A
D
D
А
D
А
 
            а                        б                        в                   г                  д                е 
Рис. В1 
 
Принято различать следующие участки импульса: фронт (АВ), 
вершина (ВС), срез (CD), основание (AD). 
Реальная форма импульса, в отличие от идеальной, может выглядеть, как на рис. В2. 
6 

u
A
ǻA
0,9A
иа
t
ǻAс
0,5A
0,1A
t
с
t
ф
t
в
A
 в
t
и
t
х
t
 
Рис. В2 
 
Фронт соответствует быстрому возрастанию сигнала; вершина – медленному его изменению; срез – быстрому убыванию 
сигнала. Иногда срез называют задним фронтом, в отличие от переднего фронта. 
Основными параметрами импульса являются следующие 
(рис. В2): 
1) высота импульса (амплитуда) – А; 
2) спад вершины импульса ǻА находится как разность высоты импульса в момент окончания переходного процесса 
и в момент окончания вершины импульса; 
3) длительность импульса и
t  определяют на уровне 0,1 А; 
4) длительность фронта импульса ф
t  определяется временем 
нарастания сигнала от уровня 0,1 до уровня 0,9 амплитуды 
импульса А; 
5) длительность среза импульса с
t  определяется аналогично 
ф;
t
 
6) длительность вершины импульса в,
t
 обычно определяется 
на уровне 0,9 А: 
7) длительность хвоста импульса х,
t
 который определяет в 
ряде устройств длительность стадии восстановления, т. е. 
длительность возврата устройства к исходному состоянию 
и готовности к следующим действиям. 
7 

Так как ф
t  и с
t  определяют по уровням 0,1 А и 0,9 А, то их 
иногда называют активными длительностями фронта и среза. 
В случае приобретения колоколообразной формы сигнала вводят так называемую активную длительность импульса иа
t
, измеряемую на уровне 0,5 А. Смысл введения этой величины заключается в том, что часто основной результат воздействия импульса на 
то или иное устройство проявляется только после того, как его значение достигнет некоторого уровня, близкого к 50 % высоты импульса. 
Обычно основное значение имеет не абсолютная величина ǻА, 
а относительная величина спада вершины 
/
.
А А
O  '
 
При формировании очень коротких импульсов Ȝ стремится к 
нулю, а импульс вырождается в треугольный. 
При наличии периодической последовательности импульсов 
вводят параметры, характеризующие эту последовательность: 
период повторения импульсов Т, частоту повторения импульсов 
f = 1/T, скважность импульсов 
и
/
Q
T t
 
; коэффициент заполнения 
з
и
.
/
1/
K
Q
t
T
 
 
 
Частоту повторения выражают в герцах (число импульсов в 
1 с), а скважность и коэффициент заполнения – в относительных 
единицах. 
Импульсы пилообразной формы (см. рис. В1, в) и треугольной 
формы (рис. В1, г) используются в измерительной технике, преобразовательной технике, в системах автоматического регулирования. У такого вида сигналов можно выделить длительность прямого хода п
)
(
t
AB  и обратного хода o(
)
t CD . 
Анализ импульсных процессов представляет собой довольно 
сложную задачу, особенно при наличии существенных нелинейностей у цепи, преобразующей импульсы. Поэтому чаще всего 
эту цепь стремятся свести к линейной. Исследование ее проводят 
следующими методами: «классическим» методом анализа переходных процессов, который заключается в составлении дифференциальных уравнений, характеризующих процессы в цепи, 
с последующим их решением; спектральным (частотным); мето- 
8 

дом суперпозиции (с использованием интеграла Дюамеля); операторным. 
Одним из эффективных и удобных методов анализа переходных процессов в электронных цепях является операционное исчисление. 
Во многих практически важных случаях нарастание и срез импульса происходят по экспоненциальному закону, или закону, который может быть аппроксимирован экспонентой. В этом случае 
анализ импульсных цепей существенно упрощается, так как мгновенные значения импульса во время его нарастания и среза описываются уравнениями соответственно 
/
/
(1
),
,
t
t
u
A
e
u
Ae
 W
 W
 

 
 
где IJ – постоянная времени экспоненты. 
Зная мгновенное значение импульса, можно найти время t, 
в течение которого импульс достиг этого значения: 
ln( /
)
t
u
A
 W
. 
Так как активную длительность фронта (время установления) 
и среза определяем как промежуток времени между значениями, 
равными 0,1 и 0,9 амплитуды А, то 
ф
c
[ln(0,9
/
)
ln(0,1
/
)]
2,2
t
t
A A
A A
 
 W

|
W . 
К достоинствам импульсных (дискретных) устройств можно 
отнести следующее. 
1. В импульсных устройствах импульсная 
и
Р  и средняя 
ср
Р  
мощности связаны соотношением 
и
ср
Р
QР
 
. 
Как видно, при большой скважности (Q ĺ ’) можно получить 
существенное превышение мощности в импульсе над средним ее 
значением. Это (по сравнению с аналоговыми устройствами) способствует улучшению массогабаритных показателей отдельных 
элементов дискретных электронных устройств (ДЭУ). 
2. В ДЭУ усилительные приборы (транзисторы) используют в 
специфическом режиме ключа (включено – выключено), при кото- 
9 

ром мощность, рассеиваемая в них, минимальна. Это повышает коэффициент использования усилительного прибора 
ис
н
max
/
k
P
P
K
 
, 
где 
н
н
н
Р
I U
 
 – полезная мощность нагрузочного устройства;  
max
н
ост
k
P
I U
 
 – мощность, рассеиваемая в выходной цепи 
усилительного прибора;  
н
U  и 
ост
U
 – напряжения нагрузочного устройства и выходной 
цепи усилительного прибора в режиме «включено». 
Как видно из приведенной формулы, при 
н
ост
U
U
!
 мощность 
нагрузки может многократно превышать мощность, рассеиваемую 
в самом усилительном приборе. Это позволяет для управления 
большой мощностью применять в ДЭУ маломощные усилительные приборы. В транзисторных устройствах кратность превышения мощности может достигать 10…20. 
3. Свойства дискретных устройств в меньшей степени зависят 
от нестабильности параметров используемых элементов. Это объясняется как меньшим тепловыделением, что, снижая перегрев, 
сужает реальный диапазон рабочих температур, так и работой полупроводниковых приборов в режиме ключа. 
4. Помехоустойчивость ДЭУ выше, чем аналоговых электронных устройств (АЭУ), так как при передаче импульсов сокращается время, в течение которого помеха может повлиять на передаваемый сигнал. 
5. ДЭУ характеризуются применением однотипных элементов в каналах обработки, передачи и хранения информации. 
В связи с этим облегчается их изготовление средствами интегральной технологии, обеспечивающей повышенную надежность, малогабаритность, дешевизну и т. п. 
Однако и ключевые элементы неидеальны и с ростом частоты 
их переключения потери мощности возрастают, снижается качество передаваемой информации, и необходимы специальные схемотехнические решения (будут рассмотрены ниже), направленные на форсированное включение и выключение транзисторов 
как основных элементов импульсных устройств. 
 
 
10