Физические и цифровые основы компьютера

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРС ЛЕКЦИЙ

ФИЗИЧЕСКИЕ И ЦИФРОВЫЕ ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРА

Содержание

1. Введение

1.1 История разработки и создания первых ВМ

1.2 Классификация ЭВМ

1.3 Применение ЭВМ

1.4 Техника безопасности

2. Информация и ее представление в ЭВМ

2.1 Информация и ее формы

2.2 Системы счисления

2.3 Представление чисел в ЭВМ

3. Полупроводниковые приборы

3.1 Полупроводники

3.2 Примесные полупроводники

3.3 Р-n переход

3.4 Полупроводниковый диод

3.5 Транзисторы

3.6 Интегральные микросхемы

4. Цифровые устройства

4.1 Импульс

4.2 Комбинационные схемы

4.3 Цифровые автоматы

4.4 Функциональные узлы и устройства ЭВМ

4.5 Сумматор

5. Устройство IBM PC

5.1 Архитектура компьютеров IBM PC

5.2 Процессор

5.3 Принципы программного управления

5.4 Интерфейс

5.5 Интерфейс внешнего устройства

6. Запоминающие устройства

6.1 Классификация и принцип действия ЗУ

6.2 Оперативная память

6.3 Накопители на жестких магнитных дисках (винчестеры)

6.4 Оптические диски

7. Устройства вывода информации

7.1 Мониторы

7.2 Жидкокристаллические мониторы

7.3 Плазменные мониторы

7.4 Технические характеристики мониторов

8. Устройства ввода информации

8.1 Клавиатура

8.2 Манипулятор «мышь»

8.3 Сканер

9. Мультимедиа компьютерные технологии

9.1 Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

9.2 Оцифровка звука

9.3 Звуковые карты

9.4 Компьютерная графика

9.5 Форматы графических файлов

10. Технические возможности ЭВМ в учебном процессе

10.1 Информационные технологии в учебном процессе

10.2 Некоторые требования к устройству компьютерных классов

10.3 Локальная компьютерная сеть (ЛВС)

Использованные источники

Введение

Целью курса является изучение физических, математических и других принципов работы ЭВМ и периферийных устройств.

Основная задача ЭВМ - переработка и хранение данных (информации).

В соответствии с физическими принципами, заложенными в основу вычислительных машин (ВМ), они подразделяются на несколько основных типов:

1) электронно-механические (элементная база - на основе реле);

2) электронные;

3) оптические;

4) механические.

В настоящее время наибольшее распространение получили электронные вычислительные машины. Остальные ВМ применяются для решения специального класса задач.

История разработки и создания первых ВМ

В 1623г. немецкий ученый В. Шикард изобрел вычислительную машину, которая выполняла 4 арифметических действия, и могла накапливать промежуточные результаты вычислений. Затем подобные ВМ были созданы Б.Паскалем и Г.Лейбницем. По сути дела, это были арифмометры, предназначенные для облегчения бухгалтерской работы. Основной недостаток их заключался в том, что они не были автоматическими (не программировались) и требовали постоянного участия человека в управлении вычислительным процессом.

В 20-х годах XIX века Ч.Беббидж предложил принцип программного управления и начал создавать первую программирующую машину. Программа задавалась в виде системы пробивок (перфорация) на перфокартах, которые были предложены Ж. Жаккардом. Вычислительные машины использовались для программирования работы ткацкого станка.

В 1854г. Джон Буль опубликовал работу «Алгебра высказываний», которая лежит в основе работы современных ВМ и называется «булева алгебра». прибор диод устройство цифровой

В 1890г. в Америке для обработки результатов переписи населения была использована вычислительная машина на электрических реле.

В 1918г. Бонч-Бруевич предлагает схему триггера - устройства, которое может находиться в двух устойчивых состояниях (1 и 0).

В 1945г. Нейман излагает принцип работы памяти и обосновывает использование двойной системы счисления в ВМ.

Первая ЭВМ - ENIAC, создана в Пенсильвании, университете США в период 1943-1947 для расшифровки сообщений противника. Вес - 30 тонн, занимаемая площадь - 200 м², 18 тысяч ламп, производительность - 400-500 операций в секунду. Программирование осуществлялось путем установки переключателей и коммутации разъемов и занимало много времени.

В 1949г. в Кембридже была создана ЭВМ EDVAK с использованием предложенного Дж. фон Нейманом «принципа хранимой программы». Суть: алгоритм вычисления записывается вместе с данными так, чтобы его можно было модифицировать в соответствии с получаемыми результатами.

Первой коммерческой ЭВМ такого типа стала IBM701, выпущенная в 1952г. Эти машины положили начало первому поколению ЭВМ (1950 - 1960-е годы). Вычислительные машины этого поколения состояли лишь из центрального процессора, памяти и устройства ввода-вывода. Элементная база - электронные лампы.

1951г. - СССР - МЭСМ - малая электронно-счетная машина.

1953г. - СССР - БЭСМ-1 - большая электронно-счетная машина. Ее характеристики: 18 тысяч ламп, занимаемая площадь =170м², потребляемая мощность - 150кВт, быстродействие - 20 тысяч операций в секунду.

Второе поколение ЭВМ (1955-1965г.г.) - БЭСМ-6, Минск 22, М-220. Элементная база - транзисторы. Запоминающие устройства - на магнитных сердечниках. К этому этапу относится появление специализированных процессоров, которые позволили разгрузить центральный процессор.

Быстродействие - 10-100 тысяч операций в секунду. Для суперЭВМ (с несколькими процессорами) быстродействие достигало 3 миллиона операций в секунду.

Третье поколение ЭВМ (1965-1980г.г.) - вычислительные машины на интегральных схемах (малые интегральные схемы 1- 10 логических элементов на кристалл, средние - до 100 элементов, большие (БИС)- 100-3000 элементов на кристалл). Память - на полупроводниках. Применяется принцип параллельной обработки данных, а именно их буферизация.

В 1972г. начато производства серийных ЭВМ единой системы - ЭВМ ЕС. Они обладали программной совместимостью и были построены на единых принципах и единой конструкторско-технологической основе. Производительность - до 5 миллионов операций в секунду.

Четвертое поколение ЭВМ связано с появлением микропроцессоров на основе БИС с количеством элементов больше 10⁵ на одном кристалле. Эти микропроцессоры представляли собой законченные устройства. Их использование позволило значительно повысить тактовую частоту работы ЭВМ, что привело к появлению персональных ЭВМ и вычислительных цепей.

Пятое поколение ЭВМ. Их появление позволило значительно расширить круг решаемых задач: воспроизведение человеческой речи, перевод с языка на язык, применение элементов искусственного интеллекта. Появились переносные компьютеры - Notebook и Laptop, которые являлись полнофункциональными устройствами. В настоящее время самым быстрым компьютером является ASCI White с производительностью 12·10²⁴ операций в секунду. Его применяют для расчета ядерных реакций.

Классификация ЭВМ

I. По принципу представления информации:

Аналоговые ЭВМ, в которых данные вводятся и обрабатываются в виде непрерывных функций (электрических сигналов). Их преимуществом является высокая скорость обработки информации, а недостатками - низкая точность и универсальность.

Цифровые ЭВМ, в которых данные вводятся и обрабатываются в цифровом виде. Их преимущества - практически неограниченная точность, универсальность, а недостаток - меньшая по сравнению с аналоговыми скорость расчета при решении некоторых задач.

II. По функциональному назначению:

Универсальные ЭВМ, например, ПК.

Проблемно-ориентированные ЭВМ, применяются для решения определенного класса задач, например, при расчетах прогноза погоды, создании трехмерной графики. Ресурсы таких компьютеров оптимизированы специальным образом для решения определенных задач.Специализированные ЭВМ, применяются для решения узкого круга задач или многократного решения одной и той же задачи (процессор видеоплаты, ПК в автомобилях, стиральных машинах).

Применение ЭВМ

Вычисление.

Вычисления значений функций, определенных интегралов, решения дифференциальных уравнений численными методами.

При этом вычисление любой функции сводится к расчету суммы членов бесконечного ряда, на который она разлагается:

Например:

Чем больше членов ряда используется, тем точнее рассчитывается значение функции.

До создания ЭВМ для расчетов значения функций использовались различные таблицы, на создание которых уходило несколько лет.

Обработка информации.

Примером необходимости использования ЭВМ может служить следующий факт: в 60-е годы было подсчитано, что для нормального функционирования народного хозяйства СССР в год нужно было производить порядка 10¹⁷ вычислительных операций.

В настоящее время ЭВМ в основном используют для поиска, обработки и хранения информации, а уж потом для непосредственных вычислений. Пример - расчет заработной платы сотрудников предприятия, где основное время уходит на учет количества рабочих дней, больничных, командировочных, налогов и т.д.

Физический эксперимент.

ЭВМ позволяет проводить множество актов измерения без участия человека, а также изменять условия измерения (сканирование по углу и т.д.). Кроме того, ЭВМ позволяет представить результаты в удобной для анализа форме. Пример - представление микроснимка, какой либо поверхности, в трехмерном виде.

Управление (как способ достижения определенной цели).

Пример: 1) Поддержание определенного уровня горючего в резервуаре.

2) Управление цепной реакцией на атомных электростанциях.

3) Управление самолетом (автопилот).

Во всех указанных ситуациях ЭВМ получает информацию об управляемой системе, анализирует ее и выдает команды на изменение определенных параметров системы.

Системы автоматического проектирования (САПР).

Пример: задача поиска оптимального расположения элементов на микросхеме (простейший случай). При этом все элементы должны находиться в одной плоскости, соединения между ними не должны пересекаться и должны учитываться определенные стандарты. Так как в современных БИС на 1 см² площади приходится 10-20 миллионов элементов, то оптимизация их расположения вручную заняла бы несколько лет. САПР дает возможные варианты расположения, а человек выбирает наиболее подходящий.

Организация работы служащих.

Например, поиск необходимой информации в сфере науки, техники или образования. Как и в предыдущем случае, ЭВМ усиливает интеллектуальные возможности человека.

Коммуникации (передача информации).

Примером может служить всемирная информационная сеть Интернет, которая позволяет производить обмен информацией в огромных объемах и с большой скоростью.

Виртуальная реальность.

Пример: различного рода тренажеры. Их использование ведет к удешевлению подготовки водителей, лоцманов, летчиков и т.д.

Образование - функции контроля и самообразования.

Техника безопасности

Опасные факторы при работе и обслуживании ЭВМ:

Возможное появление высокого напряжения (220 V). Вращающиеся части - вентиляторы. Воспламенение ЛВЖ при работах по обслуживанию ЭВМ. Перенапряжение зрения.

2. Информация и ее представление в ЭВМ

2.1 Информация и ее формы

Существует два определения информации: бытовое и научное. Бытовое: информация - это сведения, совокупность данных о чем-либо (от латинского informatio - сведения, данные).

Научное: информация - это продукт отражения системой определенной среды или самой себя.

Под понятием система понимается упорядоченная совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, создающих единое целое, служащих для достижения общей цели, обладающая свойствами, которые отсутствуют у элементов ее образующих. То есть, это материальный объект в материальной среде. Если в этом объекте происходят изменения, связанные с изменениями окружающей среде, то этот объект становится источником информации об этой среде.

Для передачи информации используется сигналы. Сигнал - процесс передачи энергии на расстояние с некоторой скоростью. Следовательно, максимальная скорость передачи информации ровна скорости света.

Формы представления информации. Существует две формы представления информации: аналоговая и дискретная.

Примером аналоговой формы представления информации может служить изменение электрического тока, пропорциональное изменению, какой либо величины. В этом случае ток есть электрический аналог этой величины. Аналоговая информация в определенные моменты времени может принимать любые значения и изменятся в произвольные моменты времени.

Дискретная информация представляется набором определенных символов, которые формируются в виде определенных последовательностей (букв, цифр, математических знаков и др.). Обычно каждому из символов присваивается соответствующее числовое значение, тогда информация приобретает чисто цифровой вид. Цифровая форма представления информации является универсальной и наиболее распространенной в настоящее время. Любую аналоговую величину можно заменить цифровой с любой заранее заданной точностью.

Формы передачи информации.

Последовательная - знаки идут один за другим по линии (каналу) связи.

Параллельная - система передачи состоит из нескольких последовательных каналов, работающих одновременно.

2.2 Системы счисления

Информация для хранения и передачи должна быть представлена в определенной форме и зафиксирована на каком-нибудь материальном носителе (например, звуки речи фиксируются в виде букв и слов, т.е. кодируются).

Кодирование - представление дискретной информации в стандартной символьной форме.

Декодирование - обратный процесс.

Системы кодирования чисел называются системами счисления. Суть - каждому числу соответствует свое кодовое обозначение. Простейшее кодирование использует только один символ: например, 3=III - длина числа зависит от его величины.

Позиционная система счисления - это система, в которой значение символа зависит от его положения в записи, т.е. его позиции (символ имеет различный «вес») весовая система. Используемые символы называются алфавитом системы счисления, а их количество - основанием системы счисления.

Любое число N в позиционной системе счисления можно представить суммой произведений целых однозначных коэффициентов а_i, взятых из алфавита системы, на последовательные степени основания S.

Позиции цифр a_i называются разрядами, причем старшие разряды - обычно слева, а младшие - справа.

Десятеричная система

Алфавит: 0,1,2…9

Основание: S = 10

Вес - целочисленные степени 10

Появилась в Европе приблизительно в 1200 г. н.э., изобретена арабами в 825 г. Автор - Аль Хорифми. Он также сформулировал правила выполнения четырех основных арифметических действий (вычисление столбиком). С его именем связано понятие алгоритм.

Алгоритм - любая последовательность элементарных действий над исходными данными любой задачи, которая приводит к определенному решению.

Причины использования в ЭВМ двоичной системы.

Для физического представления чисел (хранения и передачи информации) необходимы элементы (устройства), способные находиться в одном из нескольких устойчивых состояний, причем число таких состояний должно быть равно основанию принятой системы счисления.

В случае десятеричной системы счисления это трудно реализовать, поэтому в ЭВМ наибольшее распространение получила двоичная система счисления с S = 2. Ее преимущества:

1. Высокая помехозащищенность;

2. Простота реализации запоминающих устройств (ЗУ);

3. Совместимость с логическими операторами (ДА - НЕТ)

Недостатком же является то, что двоичное представление числа, по сравнению с десятичным, требует большего числа разрядов (для многоразрядного числа ? в 3,3 раза).

Двоичная система

Алфавит - 0 и 1

Основание S = 2

Вес - целочисленные степени 2.

Существуют также восьмеричная и шестнадцатеричная системы, однако области их применения гораздо уже вышеупомянутых.

Восьмеричная система

Алфавит - 0, 1,2 ,3,4, 5, 6, 7.

Основание S = 8

Вес - целочисленные степени 8.

Шестнадцатеричная система

Алфавит - 0-9, A,B,C,D,E, F.

Основание S = 16

Вес - целочисленные степени 16.

Для того чтобы отличить записи числа в различных системах счисления, основание системы счисления указывается в конце записи числа в виде нижнего индекса.

Пример:

215₁₀ =327₈ =D7₁₆

Перевод чисел в разные системы счисления

1. Перевод целых чисел в десятеричную систему счисления.

Производится при помощи формулы из предыдущего параграфа и, как правило, не вызывает особых трудностей. Например,

1010₂=1·8+0·4+1·2+0·1=10₁₀

268₈=2·8²+6·8¹+3·1=179₁₀.

Напомним только о необходимости корректной записи числа, в какой либо системе счисления, например 296₈ не будет числом в восьмеричной системе, т.к. 9 не входит в ее алфавит.

2. Перевод целых чисел из десятеричной системы.

Правило. Перевод целого числа из системы счисления с основанием S в другую систему с основанием q осуществляется последовательным делением его на основание q новой системы счисления до тех пор, пока не получится частное, меньшее q.

Число в новой системе запишется в виде остатков деления, начиная с последнего. Деление выполняется в исходной системе счисления.

Пример: из 10-ой в 2-ую

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проверка: 2⁴+0·2³+0·2²+1·2¹+1·2⁰=16+2+1=19

Пример: из 10-ой системы в 8-ую:

19₁₀=23₈

3. Правильная дробь

Перевод правильной дроби из одной системы счисления в другую осуществляется ее последовательным умножением на основание новой системы счисления. При этом перемножаются только дробные части. Дробь в новой системе записывается в виде целых частей полученных произведений, начиная с первого.

Примеры:

0,75₁₀

0,75Ч2=1,5

0,5Ч2=1,0

0,6875₁₀

0,6875Ч2=1,3750 1

0,3750Ч2=0,7500 0

0,7500Ч2=1,5 1

0,5Ч2=1,0 1

4. Неправильная дробь

Перевод неправильной дроби выполняется отдельно для целой и дробной части. Например, 19,6875₁₀ = 10011,1011₂

Арифметические действия в двоичной системе счисления

1. Сложение

0+0 = 0;

0+1 = 1;

1+0 = 1;

1+1 = 0 плюс единица переноса в старший разряд

Пример:

Размещено на http://www.allbest.ru/

здесь и далее в скобках приведена проверка операции в десятичной системе

2. Вычитание

0-0 = 0;

1-0 = 1;

1-1= 0;

10-1=1

Замена единицы в ближайшем значащем старшем разряде дает в данном младшем разряде 2 единицы (аналог 10-1=1) и единицы во всех нулевых разрядах, стоящих между ними.

Пример:

3. Умножение

При умножении действуют следующие правила:

0·0 = 0;

0·1= 0;

1·0 = 0;

1·1= 1

Пример:

Размещено на http://www.allbest.ru/

4. Деление

Пример:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1) Нетрудно заметить, что операции умножения и деления в двоичной системе счисления реализуются путем сдвига и алгебраического сложения операндов. Поэтому в ЭВМ в качестве счетных используются арифметические устройства, выполняющие в основном только операцию сложения. Операции умножения, деления и возведения в степень и т.п. выполняются только программным путем.

2) Сдвиг бинарного числа на одну позицию влево приводит к его удвоению, на одну позицию вправо - делит его пополам.

2.3 Представление чисел в ЭВМ

Бит, байт, слово

Бит - единица количества информации, которое показывает, что произошло одно из двух равновероятных событий. Бит соответствует одному двоичному разряду и записывается в виде одной двоичной цифре (0 или 1).

Байт - состоит из 8 двоичных разрядов и является минимальной единицей информации, обрабатываемой в ЭВМ.

Слово - группа последовательно расположенных байтов, обрабатываемых ЭВМ одновременно. Длина слова - количество бит (разрядов), которое оно содержит.

Разрядность процессора - это длина обрабатываемого слова. Чем больше разрядность процессора, тем больше его быстродействие, стоимость и точность вычислений.

Прямой, обратный и дополнительный коды представления чисел в ЭВМ

Коды представления чисел в ЭВМ используются для упрощения арифметических операций.

Преимущества их использования

Операция вычитания сводится к сложению.

Упрощается определение знака результата операции.

Облегчается выработка признаков переполнения разрядной сетки.

Для обозначения знака числа в этих кодах выделяется специальный знаковый разряд слева от цифровых (нулевая позиция), который отделяется при записи точкой. Если на этой позиции стоит 0, то число положительное, 1 - отрицательное.

Прямой код x_пр. Отличается от рассмотренной ранее записи числа только наличием знакового разряда. Сложение чисел в прямом коде выполняется просто, при вычитании (алгебраическом сложении) - возникают трудности, т.к. приходится 1) определять большее по модулю число; 2) производить вычитание; 3) присваивать разности знак большего по модулю числа.

Обратный и дополнительный коды используются для представления отрицательных чисел.

Обратный код x_обр отрицательного числа х получается по следующему правилу: в знаковый разряд числа записывается 1, в цифровых разрядах производится инверсия т.е.0-1.

Дополнительный код х_доп отрицательного числа х получается из обратного кода х_обр путем прибавления 1 к младшему разряду.

Пример:

, т.к. оно положительное. Размещено на http://www.allbest.ru/

Тогда операция алгебраического сложения сводится к арифметическому сложению. Для этого:

Положительные числа записываются в прямом коде, отрицательные - в инверсном (обратном или дополнительном).

Производится арифметическое суммирование, причем знаковые разряды рассматриваются как старшие.

Возникающая единица переноса из знакового разряда при использовании обратного кода циклически прибавляется к младшему разряду, при использовании дополнительного кода - отбрасывается.

Пример:

х=+6₁₀=+110₂; у=-3₁₀=-011₂

х_пр=0.110; у_пр=1.011; у_обр=1.100; у_доп=1.101

Для обратного кода Для дополнительного кода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Преимущества дополнительного кода:

Только в дополнительном коде представление +0 и -0 - единственное.

(+0)_пр=0.000 (-0)_пр=1.000

(+0)_обр=0.000 (-0)_обр=1.111

(+0)_доп=0.000 (-0)_ддоп=0.000

2) При заданной длине разрядной сетки дополнительный код представляет на одно отрицательное число больше, чем прямой и обратный коды.

Пример: 8-разрядная сетка, наибольшее положительное число +127, наибольшее отрицательное число в дополнительном коде -128 (1.0000000). Поэтому для представления отрицательных чисел чаще всего исользуют дополнительный код.

Переполнение разрядной сетки

Переполнение разрядной сетки возникает, когда результат сложения превышает предельно допустимое положительное или отрицательное значение. Обнаруживается путем анализа переносов в знаковый разряд и из него.

Положительное переполнение - наличие переноса в знаковый разряд суммы при отсутствии переноса из знакового разряда. Результат (сумма)> 0.

Отрицательное переполнение - наличие переноса из знакового разряда суммы при отсутствии переноса в знаковый разряд суммы. Результат (сумма) <0.

Отсутствие переносов туда и обратно, или наличие обоих переносов означает, что сумма положительна и представлена в прямом коде. Если в знаковом разряде стоит 1, то сумма отрицательна и представлена в дополнительном коде.

Пример: сложение х = -6₁₀ = -110₂; у = -3₁₀= -011₂.

В 4-х разрядной сетке:

х_пр=1.110; у_обр=1.001; х_доп=1.010

у_пр=1.011; у_обр=1.100; у_доп=1.101

В дополнительных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перенос из знакового разряда суммы свидетельствует об отрицательном переполнении, т.е. сумма отрицательна и превышает предельно допустимое значение. Сдвинем полученный результат на 1 разряд вправо:

(х+у)_доп=(1.0111)_доп=(1.0110)_обр=(1.1001)_пр=-1001₂=-9₁₀ и т.д.

Примечание:

Дополнительный код:

1) используем для кодировки только целых чисел;

2) диапазон представления -2^n-1 … 2^n-1-1, где n - разрядность кода, т.е. при n=16 -32768 … 32767.

Прямой код:

1) используется для записи дробей с плавающей запятой;

2) диапазон - 32767.

Представление дробей. Числа с фиксированной и плавающей запятой

Представление дробей, при котором положение запятой в записи двойного дробного числа, заранее оговорено, называется представлением с фиксированной запятой.

Пример:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Недостатки:

1) При записи очень большие числа не укладываются в разрядную сетку. Например: 32-х разрядная сетка соответствует диапазону абсолютных десятичных целых чисел 10⁹. Использование больших чисел потребует введения масштабных коэффициентов и затруднит программирование.

2) Относительная точность расчетов зависит от величины чисел и является максимальной при выполнении операций с максимально возможными числами.

Представление чисел с плавающей запятой содержит явно выраженную информацию о месте положения запятой.

Пример:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для удобства числа представляют так, чтобы после запятой оказалась первая значащая цифра.

-1,56·10⁶ = -0,156·10⁷ - такая запись называется нормализованной. Таким образом, число N можно записать в виде

N=m·S ^р

где |m|<1 - мантисса N; S - основание системы счисления; р - порядок.

В разрядной сетке записывается мантисса ±т со своими знаками и порядок ±р. Знак числа определяется знаком мантиссы. На практике мантисса начинается с первой значащей цифры, заданная разрядность используется максимально, что приводит к максимальной относительной точности вычислений.

3. Полупроводниковые приборы

3.1 Полупроводники

Все твердые вещества подразделяются на три основных класса: диэлектрики, полупроводники и проводники. Отдельные атомы вещества имеют дискретный энергетический спектр, т.е. спектр разрешенных энергетических состояний. Часть этих уровней заполнена электронами, а часть - не заполнена, но эти уровни разрешены.

При конденсации газообразного вещества в жидкость, а затем при образовании кристаллической решетки твердого тела все имеющиеся у атомов данного типа электронные уровни несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. При этом спектр разрешенных состояний несколько теряет свою дискретность, образуя так называемые энергетические зоны. Связанные электроны образуют валентную зону. Возможные состояния электронов, разорвавших свою связь с атомами, образуют зону проводимости. Причиной образования зон является то, что при сближении атомов происходит перекрытие их электронных оболочек и существенно изменяется характер движения электронов. Например, Si имеет во внешней незаполненной оболочке 4 электрона - они называются валентными и определяют химические свойства вещества. При сближении эти четыре электрона образуют связи с соседними атомами Si, формируя кристаллическую решетку. Т.е. валентные электроны становятся как бы общими для пары атомов. Такая химическая связь называется ковалентной.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Кристаллическая решетка кремния

Валентные электроны не могут оторваться от своих атомов и перейти в зону проводимости без затрат энергии.

Энергетические затраты на разрыв связи электрона с атомом количественно выражаются шириной запрещенной зоны ДЕ.

Таким образом, введя понятия энергетических зон и обозначив:

1 - валентная зона (диапазон значений энергий валентных электронов прочно связанных со своим атомом); 2 - зона проводимости (диапазон значений энергий электронов, свободно перемещающихся по кристаллу, остающихся при этом в нем); 3 - запрещенная зона (диапазон запрещенных значений энергий электронов), мы можем разделить все твердые вещества на три больших класса: диэлектрики, полупроводники и проводники, характерными представителями которых являются металлы.

Рис. 2. Расположение энергетических зон в диэлектриках, полупроводниках и металлах

В проводниках запрещенная зона отсутствует и при любой температуре, отличной от абсолютного нуля, в зоне проводимости присутствуют электроны. В полупроводниках и диэлектриках при Т=0 °К все электроны также находятся в валентной зоне, а в зоне проводимости отсутствуют электроны. При приложении электрического поля к такому веществу электрического тока не возникает. При Т>0 °К часть электронов полупроводника приобретают энергию, превышающую ширину запрещенной зоны, и попадают в зону проводимости. На месте недостающего электрона образуется вакансия (дырка), которая может быть заполнена электроном другого атома, и тогда дырка переместятся к нему. То есть, дырки могут перемещаться и ведут себя как положительные заряды. Таким образом, в полупроводниках существует два типа подвижных носителей заряда - электроны и дырки, следовательно - два типа электропроводности. При этом в чистых полупроводниках концентрация дырок равна концентрации электронов. В диэлектриках ширина запрещенной зоны очень велика и в обычных условиях электроны не могут попасть в зону проводимости, т.е. диэлектрики не проводят электрический ток.

3.2 Примесные полупроводники

Основные свойства примесных полупроводников определяются примесями, которые нарушают существующую энергетическую структуру полупроводника, образуя так называемые примесные уровни. При этом возможны два случая.

1)Примесь образует заполненный электронами локальный энергетический уровень вблизи "дна" зоны проводимости При внешнем возбуждении электроны с примесных уровней могут легко переходить в зону проводимости и участвовать в создании электрического тока, являясь основными носителями заряда. Подобные примеси называются донорами, а сами полупроводники - полупроводниками n-типа. В полупроводниках n-типа концентрация подвижных (свободных) электронов значительно больше концентрации дырок.



2) Примесь создает незаполненные электронами локальные уровни в запрещенной зоне вблизи верхнего края валентной зоны, куда при температурах выше абсолютного нуля забрасываются электроны из валентной зоны. Такие примеси называются акцепторами. При этом в валентной зоне образуется избыток дырок и возникает дырочная проводимость. Такие полупроводники называются полупроводниками p-типа, так как основными носителями заряда в них являются дырки (С_дыр>С_электр).

Пример полупроводника n-типа. Кремний + мышьяк (Аs). As имеет 5 валентных электронов, 4 из них участвуют в образовании ковалентных связей, а 5-й свободный, легко отрывается.

Типичные доноры: мышьяк, фосфор, сурьма (5 группа таблицы Менделеева).

Пример полупроводника p-типа. Кремний + алюминий (Al) (3 валентная группа). Потребность в установлении 4-х химических связей приводит к тому, что атом Al может захватить недостающий электрон у одного из атомов кремния, который становится положительно заряженным ионом, т.е. образуется дырка.

Типичные акцепторы: бор, алюминий, талий, индий.

3.3 Р-n переход

Р-n-переход образуется при химическом контакте двух полупроводников различного типа.

Рис.4. p-n переход

При этом начинается диффузия основных носителей - дырок в область нейтрального n-полупроводника который начинает заряжаться положительно, а электронов в область нейтрального p-полупроводника который начинает заряжаться отрицательно. В результате, в месте контакта возникает разность потенциалов (контактная разность потенциалов), которая останавливает дальнейшую диффузию. Другими словами, сами по себе полупроводники электронейтральны, но в области перехода создаются избыточные положительные и отрицательные заряды, что ведет к возникновению электрического поля, т.е. потенциального барьера Е₀, которое останавливает дальнейшую диффузию основных носителей.

Образовавшийся в области контакта слой называется p-n-переходом. Для протекания тока через p-n-переход надо приложить к p-полупроводнику положительный потенциал, а к n-полупроводнику - отрицательный, т.е. приложить внешнее электрическое поле, противоположное по направлению с Е₀ - прямое включение. Это приведет к снижению потенциального барьера и свободному перемещению дырок в n-полупроводник, а электронов - в p-полупроводник, вследствие чего возникает электрический ток через p-n-переход.

Если приложить внешнее поле в обратном направлении, то Е₀ увеличивается и через p-n-переход будет течь небольшой ток, образованный неосновными носителями.

Вывод. P-n-переход обладает односторонней электрической проводимостью.

3.4 Полупроводниковый диод

На электрических схемах полупроводниковый диод обозначается следующим символом Размещено на http://www.allbest.ru/

Он изготавливается на базе p-n перехода и обладает односторонней проводимостью. Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода показывает зависимость тока через диод от направления и величины приложенного к нему внешнего напряжения. Видно, что даже при малых прямых напряжениях через диод протекает значительный прямой ток (первый квадрант ВАХ). Результат приложения обратного напряжения показан в третьем квадранте ВАХ и может быть разделен на три участка.

Участок I характеризуется существованием только тока неосновных носителей, который называется тепловым током.

Участок II соответствует лавинному пробою - процессу ударной ионизации атомов решетки неосновными носителями с образованием новой пары носителей заряда. Лавинный пробой обратим.

Участок III - тепловой пробой. Пробой возникает при больших обратных напряжениях, когда растет мощность, выделяемая на p-n переходе, что приводит к генерации неосновных носителей, росту температуры и, как следствие, пробою и разрушению прибора.



Рис. 5. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода

Типы диодов.

выпрямительные > для преобразования переменного тока в постоянный.

f_vax ? 50кГц

высокочастотные > детекторы радиосигналов

f_vax ? 100 МГц

3) СВЧ > f_vax>100 МГц

У высокочастотных диодов и СВЧ малая электроемкость p-n перехода, т.е. малое время переключения.

4) Светодиоды > излучение света вследствие процесса рекомбинации дырок и электронов.

5) Фотодиоды > генерация тока под воздействием падающего на устройство света.

6) Варикапы > диоды с большой барьерной емкостью, которую можно изменять величиной обратного напряжения. Используются в системах автоматической подстройки в радиоприемниках.

Способы изготовления диодов.

Полупроводниковые приборы изготавливаются из монокристаллов или поликристаллических материалов.

Контактный способ. Диод состоит из пластины полупроводника n-типа и заостренной пружины из алюминия или вольфрама (так был создан первый диод). Через образовавшийся контакт пропускают большой ток. Пружина сплавляется с пластиной полупроводника, образуя в месте контакта p-n переход. Такой способ сейчас используется для изготовления высокочастотных диодов.

Плоскостной способ. На пластину полупроводника n-типа помещают расплавленную каплю полупроводника p-типа, в результате чего образуется p-n переход большой площади, который может пропускать большой ток и использоваться для изготовления выпрямительных диодов.

3.5 Транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой кристалл полупроводника, состоящий из трех слоев с чередующейся проводимостью и снабженный тремя выводами для подключения к внешней цепи.

Рис. 6. Структура и обозначение биполярных транзисторов разных типов

Обозначения: Э - эмиттер, К - коллектор, Б - база. Как видно из рисунка, в каждой из этих структур существуют два p-n перехода - эмиттерный и коллекторный.

При изготовлении транзисторов обязательны два условия:

Толщина базы должна быть меньше длины свободного пробега носителей заряда (1 - 10 микрон);

Концентрация основных носителей в эмиттере должна значительно превышать концентрацию основных носителей в базе.

Наиболее распространена схема включения транзистора - с общим эмиттером. При отсутствии напряжения (Е_Б=Е_К=0) токи через эмиттерный и коллекторный переходы равны 0.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Включение биполярного транзистора по схеме «с общим эмиттером»

Полярность внешних источников Е_Б и Е_К выбирается так, чтобы на эмиттерном переходе было прямое напряжение, а на коллекторном - обратное. Обозначим через U_КБ, U_КЭ , U_БЭ напряжения между коллектором и базой, коллектором и эмиттером, базой и эмиттером, соответственно. Тогда в зависимости от соотношения их абсолютных величин возможны три режима работы транзистора.

Активный режим работы - используется в усилителях и реализуется при условии |U_КЭ|>|U_БЭ|. При этом I_К=вI_Б, где в - статический коэффициент передачи тока (в=10 - 100).

Режим насыщения - осуществляется при 0<|И_КЭ|?|И_БЭ|. Тогда И_КБ=И_КЭ-И_БЭ<0, т.е., к коллекторному переходу приложено прямое напряжение. В этом случае напряжения между электродами очень малы, что можно интерпретировать как короткое замыкание между всеми электродами. Этот режим используется в электронных ключах и соответствует положению «ключ замкнут».

Режим отсечки - реализуется смещением эмиттерного перехода в обратном направлении. Например, если поменять полярность источника Е_Б, то тогда I_К? I_КБО ? 0, что соответствует положению «ключ разомкнут». Ток I_КБО - это обратный ток неосновных носителей через коллекторный переход, к которому приложено обратное напряжение.

Вольт - амперная характеристики биполярных транзисторов

Выходная или коллекторная характеристика (при I_Б=const)

Рис. 8. Пример выходной характеристики биполярного транзистора

Пологий участок верхней части кривых соответствует активному режиму работы транзистора. Его небольшой наклон обусловлен тем, что при увеличении U_КЭ происходит расширение коллекторного p-n перехода и уменьшается толщина базы, что приводит к увеличению коллекторного тока. Резкое увеличение I_К в конце пологого участка связано с лавинным размножением носителей в коллекторном переходе.

Режим насыщения (точка В) 0<U_КЭ?U_КЭ,Н ? 0,2 - 1 В.

Режим отсечки (точка А) I_К ? I_КБО ? 0 .

При работе электронного ключа (вентиля) на основе транзистора переключение из одного состояния в другое происходит скачком с незначительными потерями мощности, что позволяет использовать их для создания логических элементов.

Входная характеристика ( при U_КЭ=const)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9. Пример входной характеристики биполярного транзистора

В случае U_КЭ=0 оба перехода работают при прямом напряжении, токи коллектора и эмиттера суммируются в базе.

При U_КЭ>U_КЭ,_н - режим усиления.

Токи в транзисторах сильно зависят от температуры прибора. Например, при росте температуры значение I_КБО удваивается каждые 8-10^оС, а значение в при этом увеличивается почти на 10 %. Как уже было сказано выше, при значительном увеличении температуры возможен тепловой пробой и физическое разрушение транзистора. Поэтому стабильная работа устройств на основе транзисторов предполагает наличие принудительного охлаждения

Обозначения биполярных транзисторов.

Обозначения биполярных транзисторов отечественного производства расшифровываются довольно просто.

Первая буква в обозначении - К или Г - означает материал, на основе которого сделан прибор (кремний или германий).

Вторая буква (Т) - тип прибора - транзистор; затем следует номер серии. Пример - КТ - 315

Недостатком биполярных транзисторов является то, что они управляются током, т.е. потребляют заметную мощность от входной цепи и поэтому их нельзя подключить к маломощным источникам входного сигнала. Этот недостаток отсутствует у полевых транзисторов.

Полевые транзисторы: В отличие от биполярных транзисторов, управляемых входным током, полевые транзисторы управляются входным напряжением (электрическим полем). Существует два типа полевых транзисторов: а) с p-n переходом; б) МДП типа. Обозначение полевых транзисторов и структура полевого транзистора с p-n переходом приведены ниже

Рис. 10. Обозначение (a,б) и устройство (в) полевых транзисторов с p-n переходом

Средний слой такого транзистора называется каналом, который имеет два вывода во внешнюю цепь: сток и исток. Внешние слои транзистора соединены между собой и имеют вывод во внешнюю цепь, называемый затвором. Управляющее напряжение U_ЗИ прикладывается между затвором и истоком.

Принцип действия полевого транзистора с p-n переходом заключается в том, что изменение величины управляющего напряжения меняет сопротивление канала (из-за увеличения области p-n перехода, особенно в районе стока), причем с увеличением U_ЗИ ток стока I_C уменьшается вплоть до 0.

Рис. 11. Пример выходной характеристики полевого транзистора

МДП (металл - диэлектрик - полупроводник) транзистор изготавливается по планарной (тонкопленочной) технологии.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 12. Структура МДП транзистора и каналом n-типа

Выводы МДП-транзистора обозначаются аналогичным образом. Основой транзистора с каналом n-типа является подложка из полупроводника p-типа, на поверхности которой из полупроводника n-типа созданы две области и перемычка между ними, выполняющая функцию канала. В отличие от рассмотренного выше типа полевого транзистора, к затвору МДП- транзистора может прикладываться как положительное, так и отрицательное напряжение. В первом случае происходит уменьшение сопротивления канала и рост I_C, а во втором - увеличение сопротивления канала и, соответственно, уменьшение тока I_C. Вид кривых I_C(U_CИ) аналогичен приведенным выше.

3.6 Интегральные микросхемы

Интегральные микросхемы (ИМС) - это устройства, выполняющие определенную функцию преобразования и обработки электрического сигнала и имеющие высокую плотность упаковки составляющих их элементов.

Элементы ИМС сделаны по единой технологии и могут рассматриваться как единое целое.

Классификация ИМС

По типу обрабатываемого сигнала:

а) цифровые (для обработки дискретной информации);

б) аналоговые (для обработки непрерывного сигнала).

По технологии изготовления:

а) полупроводниковые (все элементы сделаны на поверхности и объеме полупроводникового кристалла);

б) гибридные (пассивные элементы, такие как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, соединения выполняются планарной технологией, а активные элементы размешаются сверху в безкорпусном исполнении (диоды, транзисторы, микросхемы).

Полупроводниковые интегральные микросхемы - это, как правило, устройства общего назначения, универсальные. Гибридные ИМС применяются в частных случаях, для решения определенных задач. По сравнению с полупроводниковыми, технология изготовления гибридных ИМС проще (дешевле), точность воспроизведения параметров выше, однако существуют технологические ограничения на число элементов в схеме.

По степени интеграции:

а) низкая (10 - 100 элементов на одной микросхеме);

б) средняя (до 10000);

в) высокая (>10000) - большие интегральные схемы (БИС).

Следует отметить, что высокая степень интеграции требует высокого уровня технологии и качества входного контроля используемых материалов, так как даже небольшой дефект может привести к стопроцентному браку в случае БИС и приемлемому уровню брака при производстве обычных ИМС ( в расчете на одинаковое число элементов).

Обозначения ИМС

Микросхемы, используемые в устройствах общего назначения, обозначаются следующим образом:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 - обозначение устройства общего назначения;

2 - номер серии;

3 - функция устройства;

4 - номер разработки;

5 - технологический разброс параметров.

Пример: К 155 ИЕ 1 - дешифратор;

К 155 ТМ 2 - триггер;

К 157 УД 1 - усилитель.

Типы цифровых микросхем

Для выполнения логических операций в различных устройствах широко используются цифровые ИМС, котрые базируются на нескольких схемных решениях реализации основных логических элементов, т.е. на нескольких типах логик. В качестве основных чаще всего используются следующие типы логик.

ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика - на основе полупроводниковых биполярных транзисторов.

Характеристика: низкая стоимость, среднее быстродействие (время задержки 5-10 нс), помехоустойчивость, хорошая нагрузочная способность (иначе, коэффициент разветвления по выходу) - допускает подключение к выходу до 10 логических элементов.

МОП (металл-окисел- полупроводник) или МДП - логика - на основе полевых транзисторов.

Характеристика: среднее быстродействие (время задержки - 50-100 нс), меньшая потребляемая мощность, большая степень интеграции, хорошая помехоустойчивость и высокая технологичность.

Кроме того, используются также элементы на транзисторах с диодами Шоттки (ТТЛШ-логика) и схемы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), которые отличаются повышенным быстродействием, но и большей стоимостью и потребляемой мощностью.

4. Цифровые устройства

Цифровые устройства преобразования информации в ЭВМ делятся на два класса - комбинационные схемы и цифровые автоматы.

Комбинационные схемы выполняют логические операции над наборами входных двоичных переменных, причем результат этих операций однозначно зависит от комбинации входных переменных и вырабатывается сразу после их поступления.

Цифровые автоматы обладают некоторым числом внутренних дискретных состояний, поэтому их выходные сигналы зависят как от комбинации входных переменных, так и от предшествующего состояния устройства.

Комбинационные схемы выполняются на логических элементах, цифровые автоматы содержат логические и запоминающие элементы, которые фиксируют их внутренние состояния.

Цифровой автомат, выходной сигнал которого зависит только от состояния автомата и не зависит от входного сигнала, называется автоматом Мура.

4.1 Импульс

Импульс - кратковременное отклонение сигнала от среднего уровня. Далее будем рассматривать только электрические импульсы, а именно импульсы напряжения. На рис. 13 представлены импульсы различной формы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 13. Импульсы напряжения разной формы. Сверху вниз - прямоугольные однополярные, прямоугольные двухполярные, треугольные, пилообразные.

Рассмотрим основные характеристики однополярных импульсов положительной полярности, а также характеристики импульсного сигнала.

Амплитуда импульса U_A - максимальное значение напряжения в импульсе.

Длительность импульса - время от начала до конца импульса. Началом импульса принято считать момент, когда напряжение достигает значения 1/е от U_A. Конец импульса момента момент когда напряжение спадает до 1/е от U_A (рис. 14).

Период следования импульсов T - время от начало одного импульса до начала следующего импульса.

Скважность импульсов - величина, определяемая соотношением Q=(T-)/. Сигнал со скважностью Q=1 называется меандром (меандр инвариантен относительно инверсии).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 14. Характеристики импульсов и импульсных сигналов.

4.2 Комбинационные схемы

Логические устройства предназначены для выполнения логических операций и позволяют задавать алгоритм функционирования ЭВМ, т.е. задать строгую и четкую последовательность действий, которые приведут к желаемому результату.

Чтобы избежать ошибок и неоднозначности в выполнении алгоритма, необходимо его формализовать, т.е. представить его в виде последовательности простейших условий и действий так, чтобы они допускали однозначное толкование ДА или НЕТ. В основе работы логических устройств лежит формальная логика или алгебра высказываний.

Суть:

а) Все переменные алгебры логики могут принять только два значения: 1 (ДА) или 0 (НЕТ);

б) Все функции от этих переменных также могут принять только два значения - 1 или 0.

в) Логические функции алгебры высказываний - И, ИЛИ, НЕ и др. - задаются соответствующими таблицами истинности.

1. Логический элемент «НЕ» - логическое отрицание или инверсия. Y = В Таблица истинности Обозначение Преобразование сигнала Y=

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 15. Логический элемент «НЕ».

Функция «НЕ» может быть реализована схемой транзисторного ключа.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 16. Физическая реализация элемента «НЕ» на биполярном транзисторе.

При А=1 (U_входа=Е) транзистор насыщен, U_вых.=0.

При А=0 (U_входа=0) транзистор заперт, U_вых=Е

2. Логический элемент «ИЛИ» - логическое сложение или дизъюнкция. Y=А+В (А или В).

Таблица истинности Обозначение

Рис. 17. Логический элемент «ИЛИ».

Операции «ИЛИ» можно выполнить для двух и более логических элементов. Суть: Y=1, если хотя бы одна из переменных равна единице.

Пример: «Могу почесать затылок или правой или левой рукой»

Преобразование сигнала Схемная реализация

Рис. 18. Временная диаграмма и физическая реализация логического элемента «ИЛИ» на диодах.

Напряжение на выходе будет равно Е, если хотя бы на один из входов будет подан единичный положительный сигнал (Е). Положительный потенциал откроет диод и входное напряжение будет приложено к нагрузке U_вых ? Е.

...