Поиск этих решений основан на предположении, что единичный отказ в системе всегда возможен. При разработке архитектурных решений, повышающих надежность контроллера, надо исходить из следующего:

· никакой единичный отказ не должен приводить к потере его функциональности;

· никакой единичный отказ не должен приводить к потере объема техпроцессов, при котором невозможно функционирование объекта;

Также существуют общие принципы повышения надежности любых систем:

· система должна состоять из минимального числа образующих ее элементов;

· элементы и решения должны быть ортогональны, т. е. необходимый набор функций должен обеспечиваться суперпозицией минимального набора базовых элементов;

· автономность иерархических уровней в системе;

· минимальные размеры и простота прикладных программ - увеличение размеров программ ведет к экспоненциальному росту числа ошибок и сложности проверки правильности ее функционирования.

Быстрое восстановление функций

Для крупных объектов автоматизации, вышедшая из строя функция должна быть восстановлена без влияния на остальную функционирующую часть системы, т. е. восстановление должно осуществляться в режиме "горячей" замены за минимальное время. Для крупных объектов типа ТЭС по нормативным документам это время составляет в среднем не более 30 минут.

Повышенные требования к устойчивости функционирования

Это требование очень часто ускользает из внимания многих разработчиков и поставщиков технических средств автоматизации. Зато оно хорошо понятно любому, кто занимался наладкой и вводом объектов в эксплуатацию. Речь идет, прежде всего, об отсутствии корреляций между функциями при их реализации.

Любая модификация части программ не должна вносить возмущения в остальные действующие программы, которые не модифицировались.

Архитектура контроллера, адекватного объекту автоматизации

Контроллеры с традиционной архитектурой на базе параллельной шины с централизованной обработкой даже с очень мощным процессором не удовлетворяют предъявляемым требованиям в полной мере.

Необходима децентрализация обработки между небольшими автономными контроллерами, оптимальный объем которых соответствует объемам ФУ, для того, чтобы минимизировать обмен информацией между контроллерами.

Структура системы, адекватная функционально-технологической структуре объекта, на традиционных контроллерах возможна, но при этом стоимость системы существенно возрастает. С точки зрения эксплуатации, такая система будет иметь ряд недостатков.

Отсутствие архитектурных решений, повышающих надежность системы будет допускать возможность отказов, приводящих к остановкам основного технологического оборудования на длительные периоды времени.

Контроллер с последовательной шиной

Распределение интеллекта по небольшим автономным контроллерам продиктовано разбиением технологии на функциональные узлы. Если представить архитектуру контроллера, состоящего из автономных интеллектуальных модулей, в которых объем каналов ввода/вывода и производительность встроенного в модуль процессора достаточны для управления средним функциональным узлом, то такая архитектура будет адекватной технологической структуре объекта автоматизации. Ключевой проблемой здесь является организация межмодульного взаимодействия внутри контроллера.

Решения по организации ввода/вывода

Контроллеры для автоматизации технологических процессов должны решать задачи по вводу сигналов от термопар, термометров сопротивлений, потенциальных и токовых аналоговых сигналов и дискретных сигналов в диапазоне от 24В до 220В, а так же задачи вывода потенциальных и токовых аналоговых команд и дискретных команд в том же диапазоне. Кроме того, в ряде случаев могут возникать более нестандартные задачи ввода/вывода.

Выбор элементной базы для промышленного контроллера:

· микропроцессор должен поддерживать широко распространенные операционные системы реального времени;

· иметь встроенные средства для предотвращения зацикливания программ (watchdog), развитая системная диагностика;

· развитые средства отладки и тестирования;

· поддержка инструментальных средств разработки;

· наличие интерфейса Ethernet;

· достаточно высокая производительность - не менее нескольких MIPs;

· оптимальное соотношение стоимость/функциональность. Мы остановили свой выбор на микроконтроллере MC68EN360 фирмы Motorola по следующим причинам:

· наличие полного спектра хорошо отлаженного проверенного системного ПО реального времени и инструментальных средств разработки для микропроцессоров совместимых с 68000;

· наличие в контроллере всех вспомогательных устройств, необходимых для встраиваемых систем (сторожевые таймеры, низкое потребления, диагностика шинных циклов и выполнения инструкций, и т.д);

· развитые средства отладки, не доступные в других микроконтроллерах - встроенный в микроконтроллер аппаратный отладчик BDM;

· встроенный специализированный коммуникационный со-процессор QUIC с поддержкой ряда стандартных сетевых протоколов, включая Ethernet;

· высокая производительность до 10 MIPS;

· невысокая стоимость.

2. Исполнительные устройства (состав, свойства)

промышленный контроллер схемотехника память

Исполнительное устройство - устройство системы автоматического управления или регулирования, воздействующее на процесс в соответствии с получаемой командной информацией.

Исполнительное устройство в контуре простейшей следящей системы: сигнал рассогласования е (разность задающего сигнала r и сигнала обратной связи u) с помощью управляющего устройства преобразуется в сигнал управления v, который передаётся на объект управления.

Примеры исполнительных устройств.

Электрический двигатель -- это электрическая машина (электромеханический преобразователь), в которой электрическая энергия преобразуется в механическую, побочным эффектом является выделение тепла.

В основу работы любой электрической машины положен принцип электромагнитной индукции. Электрическая машина состоит из статора (неподвижной части) и ротора (якоря в случае машины постоянного тока) (подвижной части), электрическим током (или также постоянными магнитами) в которых создаются неподвижные и/или вращающиеся магнитные поля.

· Двигатель постоянного тока -- электрический двигатель, питание которого осуществляется постоянным током;

o Коллекторные двигатели постоянного тока. Разновидности:

§ С возбуждением постоянными магнитами;

§ С параллельным соединением обмоток возбуждения и якоря;

§ С последовательным соединением обмоток возбуждения и якоря;

§ Со смешанным соединением обмоток возбуждения и якоря;

o Бесколлекторные двигатели постоянного тока (вентильные двигатели) -- Электродвигатели, выполненные в виде замкнутой системы с использованием датчика положения ротора (ДПР), системы управления (преобразователя координат) и силового полупроводникового преобразователя (инвертора).

· Двигатель переменного тока -- электрический двигатель, питание которого осуществляется переменным током, имеет две разновидности:

o Синхронный электродвигатель -- электродвигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения;

§ Гистерезисный двигатель

o Асинхронный электродвигатель -- электродвигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением.

· Однофазные -- запускаются вручную, или имеют пусковую обмотку, или имеют фазосдвигающую цепь

· Двухфазные -- в том числе конденсаторные.

· Трёхфазные

· Многофазные

· Шаговые двигатели -- Электродвигатели, которые имеют конечное число положений ротора. Заданное положение ротора фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Переход в другое положение осуществляется путём снятия напряжения питания с одних обмоток и передачи его на другие.

Электрический привод (сокращённо -- электропривод) -- это электромеханическая система для приведения в движение исполнительных механизмов рабочих машин и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса. Современный электропривод -- это совокупность множества электромашин, аппаратов и систем управления ими. Он является основным потребителем электрической энергии и главным источником механической энергии в промышленности.

Классификация электроприводов

По количеству и связи исполнительных, рабочих органов.

· Индивидуальный, в котором рабочий исполнительный орган приводится одним самостоятельным двигателем, приводом.

· Групповой, в котором один двигатель приводит в действие исполнительные органы РМ или несколько органов одной РМ.

· Взаимосвязанный, в котором два или несколько ЭМП или ЭП электрически или механически связаны между собой с целью поддержания заданного соотношения или равенства скоростей, или нагрузок, или положения исполнительных органов РМ.

· Многодвигательный, в котором взаимосвязанные ЭП, ЭМП обеспечивают работу сложного механизма или работу на общий вал.

· Электрический вал, взаимосвязанный ЭП, в котором для постоянства скоростей РМ, не имеющих механических связей, используется электрическая связь двух или нескольких ЭМП.

По типу управления и задаче управления.

· Автоматизированный ЭП, управляемый путем автоматического регулирования параметров и величин.

· Программно-управляемый ЭП, функционирующий через посредство специализированной управляющей вычислительной машины в соответствии с заданной программой.

· Следящий ЭП, автоматически отрабатывающий перемещение исполнительного органа РМ с заданной точностью в соответствии с произвольно меняющимся сигналом управления.

· Позиционный ЭП, автоматически регулирующий положение исполнительного органа РМ.

· Адаптивный ЭП, автоматически избирающий структуру или параметры устройства управления с целью установления оптимального режима работы.

По характеру движения.

· ЭП с вращательным движением.

· Линейный ЭП с линейными двигателями.

· Дискретный ЭП с ЭМП, подвижные части которого в установившемся режиме находятся в состоянии дискретного движения.

По наличию и характеру передаточного устройства.

· Редукторный ЭП с редуктором или мультипликатором.

· Электрогидравлический с передаточным гидравлическим устройством.

· Магнитогидродинамический ЭП с преобразованием электрической энергии в энергию движения токопроводящей жидкости.

По роду тока.

· Переменного тока.

· Постоянного тока.

По степени важности выполняемых операций.

· Главный ЭП, обеспечивающий главное движение или главную операцию (в многодвигательных ЭП).

Гидравлический привод (гидропривод) -- совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение машин и механизмов посредством гидравлической энергии.

Гидропривод представляет собой своего рода "гидравлическую вставку" между приводным двигателем и нагрузкой (машиной или механизмом) и выполняет те же функции, что и механическая передача (редуктор, ремённая передача, кривошипно-шатунный механизм и т. д.).

Гидроприводы могут быть двух типов: гидродинамические и объёмные:

· В гидродинамических приводах используется в основном кинетическая энергия потока жидкости (и соответственно скорости движения жидкостей в гидродинамических приводах велики в сравнении со скоростями движения в объёмном гидроприводе).

· В объёмных гидроприводах используется потенциальная энергия давления рабочей жидкости (в объёмных гидроприводах скорости движения жидкостей не велики -- порядка 0,5-6 м/с).

Объёмный гидропривод -- это гидропривод, в котором используются объёмные гидромашины (насосы и гидродвигатели). Объёмной называется гидромашина, рабочий процесс которой основан на попеременном заполнении рабочей камеры жидкостью и вытеснении её из рабочей камеры. К объёмным машинам относят, например, поршневые насосы, аксиально-поршневые, радиально-поршневые, шестерённые гидромашины и др.

Одна из особенностей, отличающая объёмный гидропривод от гидродинамического, -- большие давления в гидросистемах. Так, номинальные давления в гидросистемах экскаваторов могут достигать 32 МПа, а в некоторых случаях рабочее давление может быть более 300 МПа, в то время как гидродинамические машины работают обычно при давлениях, не превышающих 1,5--2 МПа.

Объёмный гидропривод намного более компактен и меньше по массе, чем гидродинамический, и поэтому он получил наибольшее распространение.

Пневматический привод (пневмопривод) -- совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение машин и механизмов посредством энергии сжатого воздуха. Обязательными элементами пневмопривода являются компрессор (генератор пневматической энергии) и пневмодвигатель.

Пневмопривод, подобно гидроприводу, представляет собой своего рода "пневматическую вставку" между приводным двигателем и нагрузкой (машиной или механизмом) и выполняет те же функции, что и механическая передача (редуктор, ремённая передача, кривошипно-шатунный механизм и т. д.).

Основное назначение пневмопривода, как и механической передачи, -- преобразование механической характеристики приводного двигателя в соответствии с требованиями нагрузки (преобразование вида движения выходного звена двигателя, его параметров, а также регулирование, защита от перегрузок и др.).

В общих чертах, передача энергии в пневмоприводе происходит следующим образом:

· Приводной двигатель передаёт вращающий момент на вал компрессора, который сообщает энергию рабочему газу.

· Рабочий газ после специальной подготовки по пневмолиниям через регулирующую аппаратуру поступает в пневмодвигатель, где пневматическая энергия преобразуется в механическую.

· После этого рабочий газ выбрасывается в окружающую среду, в отличие от гидропривода, в котором рабочая жидкость по гидролиниям возвращается либо в гидробак, либо непосредственно к насосу.

В зависимости от характера движения выходного звена пневмодвигателя (вала пневмомотора или штока пневмоцилиндра), и соответственно, характера движения рабочего органа пневмопривод может быть вращательным или поступательным. Пневмоприводы с поступательным движением получили наибольшее распространение в технике.

Реле -- электромеханическое устройство (переключатель), предназначенное для коммутации электрических цепей при заданных изменениях электрических или неэлектрических входных величин. Различают электромагнитные, пневматические температурные реле, электронные реле.

Существует класс электронных полупроводниковых приборов именуемых оптореле. В электронной схемотехнике иногда электронные блоки с функцией переключения цепи по изменению какого-либо физического параметра также называют реле. Например, фотореле, реле контроля фаз или реле-прерыватель указателей поворота автомобиля. Герконовые реле вместо сердечника используют геркон.

Классификация реле

· По начальному состоянию контактов выделяются реле с:

o Нормально замкнутыми контактами;

o Нормально разомкнутыми контактами;

o Переключающимися контактами.

· По типу управляющего сигнала выделяются реле:

o Постоянного тока;

§ Нейтральные реле: полярность управляющего сигнала не имеет значения, регистрируется только факт его присутствия/отсутствия. Пример: реле типа НМШ;

§ Поляризованные реле: чувствительны к полярности управляющего сигнала, переключаются при её смене. Пример: реле типа КШ;

§ Комбинированные реле: реагируют как на наличие/отсутствие управляющего сигнала, так и на его полярность. Пример: реле типа КМШ;

o Переменного тока.

· По допустимой нагрузке на контакты.

· По времени срабатывания.

· По типу исполнения

o Электромеханические реле;

o Электромагнитные реле (обмотка электромагнита неподвижна относительно сердечника);

o Магнитоэлектрические реле (обмотка электромагнита с контактами подвижна относительно сердечника);

o Термореле (биметаллическое);

o Герконовые реле.

· По контролируемой величине

o Реле напряжения;

o Реле тока;

o Реле мощности;

o Реле пневматического давления;

· Специальные виды электромагнитных устройств:

o Шаговой искатель.

o Устройство защитного отключения.

o Автоматический выключатель.

o "Реле времени".

o Электромеханический счётчик.

Особенности работы

Управляемая цепь электрически никак не связана с управляющей (такая ситуация часто обозначается в электротехнике как сухой контакт). Более того в управляемой цепи величина тока может быть намного больше чем в управляющей. Источником управляющего сигнала могут быть: слаботочные электрические схемы (например, дистанционного управления), различные датчики (света, давления, температуры и т. п.), и другие приборы которые на выходе имеют минимальные значения тока и напряжения. Таким образом, реле по сути выполняют роль дискретного усилителя тока, напряжения и мощности в электрической цепи. Это свойство реле, кстати, имело широкое применение в самых первых дискретных (цифровых) вычислительных машинах. Впоследствии реле в цифровой вычислительной технике были заменены сначала лампами, потом транзисторами и микросхемами -- работающими в ключевом (переключательном) режиме. В настоящее время имеются попытки возродить релейные вычислительные машины с использованием нанотехнологий.

В настоящее время в электронике и электротехнике реле используют в основном для управления большими токами. В цепях с небольшими токами для управления чаще всего применяются транзисторы или тиристоры.

При работе со сверхбольшими токами (десятки-сотни ампер; например, при очистке металла методом электролиза) для исключения возможности пробоя контакты управляемой цепи исполняются с большой контактной площадью и погружаются в масло (так называемая "масляная ячейка").

Реле до сих пор очень широко применяются в бытовой электротехнике, в особенности для автоматического включения и выключения электродвигателей (пускозащитные реле), а также в электрических схемах автомобилей. Например, пускозащитное реле обязательно имеется в бытовом холодильнике, а также в стиральных машинах. В этих устройствах реле намного надёжнее электроники, так как оно устойчиво к броску тока при запуске электродвигателя и, особенно, к сильному броску напряжения при его отключении.

3. Схемотехника выходных и входных устройств

Схемотехника выходных и входных устройств реализуется на дискретных элементах (транзисторы, резисторы, диоды, конденсаторы и тд.), также используются интегральные микросхемы. В зависимости от типа обрабатываемого сигнала (аналоговый, импульсный, цифровой) используются соответствующие схемы на дискретных элементах или интегральных микросхемах (аналоговые или цифровые).

Классификация интегральных микросхем.

Аналоговые схемы:

· Операционные усилители.

· Компараторы.

· Генераторы сигналов.

· Фильтры (в том числе на пьезоэффекте).

· Аналоговые умножители.

· Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители

· Стабилизаторы источников питания: стабилизаторы напряжения и тока.

· Микросхемы управления импульсных блоков питания,

· Преобразователи сигналов.

· Схемы синхронизации.

· Различные датчики (температуры и др.)

Цифровые схемы:

· Логические элементы

· Триггеры

· Счётчики

· Регистры

· Буферные преобразователи

· Шифраторы

· Дешифраторы

· Цифровой компаратор

· Мультиплексоры

· Демультиплексоры

· Сумматоры

· Полусумматоры

· Ключи

· АЛУ

· Микроконтроллеры

· (Микро)процессоры (в том числе ЦП для компьютеров)

· Однокристальные микрокомпьютеры

· Микросхемы и модули памяти

· ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

Аналогово-цифровые схемы

· цифро-аналоговые (ЦАП) и аналогово-цифровые преобразователи (АЦП).

· Цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС).

· Трансиверы (например, преобразователь интерфейса Ethernet).

· Модуляторы и демодуляторы.

o Радиомодемы

o Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста

o Трансиверы Fast Ethernet и оптических линий

o Dial-Up модемы

o Приёмники цифрового ТВ

o Сенсор оптической мыши

· Преобразователи напряжения питания и другие устройства на переключаемых конденсаторах

· Цифровые аттенюаторы.

· Схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с последовательным интерфейсом.

· Коммутаторы.

· Генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации

· Базовые матричные кристаллы (БМК): содержит как аналоговые, так и цифровые первичные элементы.

Основными элементами в электронике является транзисторы (биполярные, полевые). На их основе реализуются практически любые схемные решения для любого типа сигналов. Все интегральные микросхемы реализованы именно на транзисторах. Отличия только в применяемых технологиях(ттл, ттлш, эсл, кмоп, иил).

Рассмотрим работу основных схем включения биполярных транзисторов. Приведем примеры построения аналоговых и цифровых простейших устройств.

Схемы включения биполярных транзисторов.

Транзисторные каскады, в зависимости от вариантов подключения транзисторов, подразделяются на:

1 Каскад с общим эмиттером

2 каскад с общим коллектором

3 каскад с общей базой

Каскад с общим эмиттером обладает высоким усилением по напряжению и току. К недостаткам данной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада. К преимуществам - высокий коэффициент усиления.

Рассмотрим работу каскада подробнее: при подаче на базу входного напряжения - входной ток протекает через переход "база-эмиттер" транзистора, что вызывает открывание транзистора и, в следствии этого, увеличение коллекторного тока. В цепи эмиттера транзистора протекает ток, равный сумме тока базы и тока коллектора. На резисторе в цепи коллектора, при прохождении через него тока, возникает некоторое напряжение, величиной значительно превышающей входное. Таким образом происходит усиление транзистора по напряжению. Так как ток и напряжение в цепи - величины взаимосвязанные, аналогично происходит и усиление входного тока.

Схема с общим коллектором обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Коэффициент усиления по напряжению этой схемы всегда меньше 1. Данная схема используется для согласования каскадов, либо в случае использования источника входного сигнала с высоким входным сопротивлением.

Схема включения транзистора с общей базой используется преимущественно в каскадах усилителей высоких частот. Данное включение транзистора позволяет более полно использовать частотные характеристики транзистора при минимальном уровне шумов. Что такое частотная характеристика транзистора? Это - способность транзистора усиливать высокие частоты, близкие к граничной частоте усиления, Эта величина зависит от типа транзистора. Более высокочастотный транзистор способен усиливать и более высокие частоты. С повышением рабочей частоты, коэффициент усиления транзистора понижается. Если для построения усилителя использовать, например, схему с общим эмиттером, то при некоторой (граничной) частоте каскад перестает усиливать входной сигнал. Использование этого - же транзистора, но включенного по схеме с общей базой, позволяет значительно повысить граничную частоту усиления. Каскад, собранный по схеме с общей базой, обладает низким входным и невысоким выходным сопротивлениями.

Пример законченного аналогово интегрального устройства

Операционный усилитель-- усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:

· V₊: неинвертирующий вход

· V_?: инвертирующий вход

· V_out: выход

· V_S+: плюс источника питания (также может обозначаться как V_DD, V_CC, или V_{CC +} )

· V_S?: минус источника питания (также может обозначаться как V_SS, V_EE, или V_{CC ?} )

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертиующего входа^{[источник не указан 457 дней]}. В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на 5 классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход. Операционные усилители первого класса -- усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Они предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения, электронных коэффициентов. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %. Операционные усилители второго класса -- усилители средней точности (УСТ) также с одним входом, обладающие меньшим коэффициентом усиления и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, множительных устройствах. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).

Выводы питания (V_S+ и V_S?) могут быть обозначены по-разному (см. выводы питания интегральных схем). Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).

Пример построения цифровых логических схем.

Транзисторно-транзисторная логика.

Элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) составляют базу микросхем среднего и высокого быстродействия. Разработано и используется несколько вариантов схем, имеющих различные параметры.

Рисунок Логические элементы И-НЕ с простым а) и сложным б) инвертором

Элементы ТТЛШ

С целью увеличения быстродействия элементов ТТЛ, в элементах ТТЛШ используются транзисторы Шотки, представляющие собой сочетание обычного транзистора и диода Шотки, включённого между базой и коллектором транзистора. Поскольку падение напряжения на диоде Шотки в открытом состоянии меньше, чем на обычном p-n-переходе, то большая часть входного тока протекает через диод и только его малая доля втекает в базу. Поэтому транзистор не входит в режим глубокого насыщения.

Следовательно, накопление носителей в базе из-за их инжекции через коллекторный переход практически не происходит. В связи с этим имеет место увеличение быстродействия транзисторного ключа с барьером Шотки в результате уменьшения времени нарастания тока коллектора при включении и времени рассасывания при выключении.

Среднее время задержки распространения сигнала элементов ТТЛ с диодами Шотки (ТТЛШ) примерно в два раза меньше по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ. Недостатком ТТЛШ является меньшая по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ помехоустойчивость U⁺_пом из-за большего значения U⁰ и меньшего U_пор.

Логические элементы на МОП-транзисторах.

В логических элементах на МОП-транзисторах используется два типа транзисторов: управляющие и нагрузочные. Управляющие -- имеют короткий, но достаточно широкий канал и поэтому имеют высокое значение крутизны и управляются малым напряжением. Нагрузочные, наоборот, имеют более длинный, но узкий канал, поэтому имеют более высокое выходное сопротивление и выполняют роль большого активного сопротивления.

Существенным преимуществом логических элементов на МОП-транзисторах перед логическими элементами на биполярных транзисторах является малая мощность, потребляемая входной цепью. Однако по быстродействию они уступают схемам на биполярных транзисторах. Это обусловлено тем, что у них имеются сравнительно большие паразитные ёмкости C_ЗИ и C_СИ, на перезарядку которых затрачивается определённое время. Кроме того, выходное сопротивление у открытого МОП-транзистора больше, чем у биполярного, что увеличивает время заряда конденсаторов нагрузки и ограничивает нагрузочную способность ЛЭ.

Логические элементы на ключах с динамической нагрузкой.

Логические элементы на ключах с динамической нагрузкой состоят из одного нагрузочного и нескольких управляющих транзисторов. Если управляющие транзисторы включены параллельно, то, как и в НСТЛ (см. рисунок а), элемент осуществляет логическую операцию ИЛИ-НЕ, а при последовательном соединении -- операцию И-НЕ (рисунок а,б).

Рисунок Схемы элементов МОП ТЛ: а) - ИЛИ-НЕ, б) - И-НЕ.

При наличии на входах X1 и X2 напряжения U_ВХ=U⁰<U_ЗИ.пор управляющие транзисторы VT1 и VT2 закрыты. При этом напряжение на выходе соответствует уровню лог. "1". Когда на одном или на обоих входах элемента действует напряжение U_ВХ=U¹>U_ЗИ.пор, то на выходе имеем лог. "0", что соответствует выполнению логической операции ИЛИ-НЕ.

В схеме элемента И-НЕ управляющие транзисторы включены последовательно, поэтому уровень лог. "0" на выходе схемы имеет место только при единичных сигналах на обоих входах.

Элементы МОП ТЛ имеют высокую помехоустойчивость, большой логический перепад, малую потребляемую мощность и сравнительно низкое быстродействие. Для элементов на низкопороговых МОП-транзисторах обычно U_ПИТ=5…9 В, а на высокопороговых U_ПИТ=12,6…27 В. Основные параметры МОП ТЛ: P_пот=0,4…5 мВт, t_ЗД.ср=20…200 нс; U⁰?1 В; U¹?7 В.

Логические элементы на комплементарных ключах.

Комплементарный ключ состоит из двух МОП-транзисторов с каналами разного типа проводимости, входы которых соединены параллельно, а выходы последовательно (рисунок ,а). При напряжении на затворах, больших порогового, для транзистора с каналом определённого типа соответствующий транзистор открыт, а другой закрыт. При напряжении противоположной полярности, открытый и закрытый транзисторы меняются местами.

ЛЭ на комплементарных ключах (КМОП) имеют ряд неоспоримых достоинств.

Они успешно работают при изменении в широких пределах напряжения источника питания (от 3 до 15 В), что недостижимо для ЛЭ, в состав которых входят резисторы.

В статическом режиме при большом сопротивлении нагрузки ЛЭ КМОП практически не потребляют мощности.

Для них также характерны: стабильность уровней выходного сигнала и малое его отличие от напряжения источника питания; высокое входное и малое выходное сопротивления; лёгкость согласования с микросхемами других технологий.

Рисунок Схемы логических элементов КМОП ТЛ: а) инвертор, б) ИЛИ-НЕ, в) И-НЕ.

Схема ЛЭ КМОП, выполняющего функцию 2ИЛИ-НЕ, приведена на рисунке ,б. Транзисторы VT1 и VT3 имеют канал р-типа и открыты при напряжениях на затворах, близких к нулю. Транзисторы VT2 и VT4 имеют канал n-типа и открыты при напряжениях на затворах, больших порогового значения. Если на обоих или на одном из входов действует уровень лог. "1", то на выходе схемы будет сигнал лог. "0", что соответствует выполнению логической операции ИЛИ-НЕ.

Если группы ярусно и параллельно включённых транзисторов поменять местами, то будет реализован элемент, выполняющий функцию И-НЕ (рисунок ,в). Он работает аналогично предыдущему. Транзисторы VT1 и VT3 имеют канал p-типа и открыты при напряжении на затворах, близких к нулю. Транзисторы VT2 и VT4 имеют канал n-типа и открыты при напряжениях на затворах, больших порогового значения. Если открыты оба эти транзистора, то на выходе будет установлен сигнал "лог. 0".

Таким образом, сочетание параллельного включения транзисторов с каналами p-типа электропроводности, и ярусного соединения транзисторов с каналами n-типа позволили реализовать функцию И-НЕ.

В ЛЭ КМОП очень просто реализуют элементы с тремя устойчивыми состояниями. Для этого последовательно с транзисторами инвертора включают два комплементарных транзистора VT1, VT4 (рисунок ,а), управляемых инверсными сигналами

Рисунок Инвертор с тремя выходными состояниями а); согласование ЛЭ ТТЛ с ЛЭ КМОП б).

Согласование ЛЭ ТТЛ с ЛЭ КМОП можно выполнить несколькими способами:

1) Питать ЛЭ КМОП малым напряжением (+5 В), при которых сигналы ЛЭ ТТЛ переключают транзисторы ЛЭ КМОП;

2) Использовать ЛЭ ТТЛ с открытым коллектором, в цепь выхода которых включён резистор, подключенный к дополнительному источнику напряжения (рисунок б).

При хранении и монтаже следует опасаться статического электричества. Поэтому при хранении выводы микросхем электрически замыкают между собой. Монтаж их производится при выключенном напряжении питания, причём обязательно использование браслетов, с помощью которых тело электромонтажников соединяется с землёй.

ЛЭ КМОП-серий широко применяются при построении экономичных цифровых устройств малого и среднего быстродействия.

Размещено на Allbest.ru