Цифровая электроника с самого начала. Собираем схемы на MOSFET-транзисторах

С пер­выми дву­мя про­екта­ми, думаю, сам спра­вишь­ся, а вот с пос­ледним раз­берем­ся вмес­те в этой статье. Так­же сегод­ня ты узна­ешь (или вспом­нишь) о видах сиг­налов, об осно­вах алгебры логики и об элек­трон­ных ком­понен­тах.

Че­лове­ку, решив­шему в наш прос­вещен­ный век соб­рать элек­трон­ное устрой­ство, пред­став­лен огромный выбор мик­рокон­трол­леров. Начиная от всем извес­тной и популяр­ной Arduino, на которой собира­ют прак­тичес­ки все — от кар­манных мете­останций до неболь­ших ракет, и закан­чивая про­мыш­ленны­ми кон­трол­лерами SIMATIC.

Но что внут­ри у этих кон­трол­леров? Для прог­раммис­та это может быть пол­ной загад­кой. Если ты ког­да‑нибудь раз­бирал элек­трон­ное устрой­ство и задавал­ся воп­росом «Как и почему оно работа­ет? Для чего нуж­ны все эти элек­трон­ные ком­понен­ты и мик­росхе­мы?», то эта статья для тебя.

Теория

Без теоре­тичес­кой час­ти не может обой­тись ни одно тех­ничес­кое нап­равле­ние науки. Схе­мотех­ника не исклю­чение, так что давай перед прак­тичес­ким соз­дани­ем циф­ровых схем раз­берем­ся в ее прин­ципах.

Нули и единицы

Ты навер­няка слы­шал о дво­ичном коде и видел леген­дарный «циф­ровой дождь» из не менее леген­дарной «Мат­рицы». В дей­стви­тель­нос­ти компь­юте­ры и дру­гие вычис­литель­ные устрой­ства опе­риру­ют не потока­ми сим­волов, а нулями и еди­ница­ми. Из них и сос­тоит дво­ичная сис­тема.

Но почему в мик­роэлек­тро­нике исполь­зуют­ся имен­но эти, на пер­вый взгляд очень гро­моз­дкие и неудоб­ные чис­ла, а не, нап­ример, десятич­ная сис­тема счис­ления, к которой мы все при­вык­ли? Ведь челове­ку было бы гораз­до про­ще вос­при­нимать их!

Не все, что удоб­но для челове­ка, будет удоб­но компь­юте­ру. Ответ кро­ется в самих нулях и еди­ницах. Дело в том, что для реали­зации дво­ичной сис­темы тре­бует­ся толь­ко два исходных сос­тояния: логичес­кие еди­ница и ноль, то есть исти­на и ложь соот­ветс­твен­но. Эти сос­тояния очень лег­ко соз­дать, нап­ример если усло­вить­ся, что нап­ряжение высокое (HIGH) рав­но 1, а низ­кое (LOW) рав­но 0.

А еще бла­года­ря исполь­зованию дво­ичной сис­темы для раз­личных логичес­ких опе­раций в компь­юте­рах исполь­зует­ся булева алгебра или, если по‑рус­ски, алгебра логики (о ней рас­ска­жу чуть поз­же).

Цифра побеждает!

Су­щес­тву­ют два основных вида сиг­налов — ана­лого­вый и циф­ровой. Пер­вый — это сиг­нал, который неп­рерыв­но меня­ется в диапа­зоне от минималь­ного до мак­сималь­ного, в зависи­мос­ти от подава­емо­го с источни­ка питания нап­ряжения. Отличный при­мер ана­лого­вого сиг­нала — музыка в колон­ках тво­его компь­юте­ра. Из динами­ков колонок и дру­гих ауди­оус­трой­ств звук извле­кает­ся за счет виб­раций диф­фузора (под­вижно­го эле­мен­та в колон­ке). Во вре­мя про­игры­вания музыки элек­три­чес­кий сиг­нал, подава­емый на диф­фузор, неп­рерыв­но меня­ется. Если замерить этот сиг­нал с помощью осциллог­рафа, мы уви­дим такой гра­фик.

Циф­ровой сиг­нал явля­ется импуль­сным, то есть его зна­чения меня­ются скач­ком меж­ду задан­ными парамет­рами. Исполь­зуя дво­ичную сис­тему, мы можем пред­ста­вить дво­ичный ноль в качес­тве самого низ­кого нап­ряжения из воз­можных — 0 В, а еди­ницу — нап­ряжени­ем питания, нап­ример батарей­ки «Кро­на» (9 В). Таким обра­зом, что­бы передать чис­ло в дво­ичной сис­теме, нуж­но все­го лишь передать пра­виль­ную пос­ледова­тель­ность элек­три­чес­ких импуль­сов. Нап­ример, чис­ло 10101 (в десятич­ной 21) мож­но изоб­разить в виде такой пос­ледова­тель­нос­ти импуль­сов.

Пе­реда­вать и обра­баты­вать дан­ные ана­лого­вым сиг­налом гораз­до труд­нее, чем циф­ровым. Ведь раз­ница меж­ду нулем и еди­ницей лег­ко раз­личима. А еще циф­ровой сиг­нал более помехо­устой­чив. Это глав­ные при­чины, почему циф­ровой сиг­нал в элек­тро­нике вытес­нил ана­лого­вый.

Алгебра логики

Как и обе­щал, сей­час раз­берем­ся с некото­рыми из основных опе­раций булевой алгебры, ведь имен­но на них и работа­ет вся логика элек­трон­ных устрой­ств.

NOT

Вен­тиль НЕ име­нует­ся инверси­ей. Если ты зна­ком с этим сло­вом, то навер­няка уже догадал­ся, что эта опе­рация «перево­рачи­вает» зна­чение сиг­нала. В алгебре логики инверти­рован­ный сиг­нал обоз­нача­ется чер­той свер­ху. Таб­лица истиннос­ти у это­го вен­тиля очень прос­тая:

В логичес­ких схе­мах NOT показы­вают с помощью такого бло­ка.

AND

Этот блок логичес­кого И в информа­тике называ­ется конъ­юнкци­ей и обоз­нача­ется зна­ком & (иног­да зна­ком умно­жения *). В этом вен­тиле еди­ница на выходе появ­ляет­ся толь­ко тог­да, ког­да все его вхо­ды при­нима­ют зна­чение исти­ны. Вид бло­ка и таб­лица истиннос­ти у конъ­юнкции такие.

За­мет­но, что по срав­нению с инверси­ей количес­тво вхо­дов уве­личи­лось, от это­го так­же уве­личи­лось количес­тво воз­можных исхо­дов. Чем боль­ше у логичес­кой опе­рации вход­ных перемен­ных, тем боль­ше ее таб­лица истиннос­ти.

OR

ИЛИ в информа­тике обоз­вали дизъ­юнкци­ей, она обоз­нача­ется сим­волом V (иног­да + или ||). Еди­ница на выходе появит­ся, ког­да исти­на будет хотя бы на одном из вхо­дов.

NOR

Вен­тиль ИЛИ‑НЕ, как мож­но догадать­ся, — это инверти­рован­ное ИЛИ. Зна­чение его выхода — это выход дизъ­юнкции пос­ле про­хода через вен­тиль НЕ. Еди­ница на его выходе появит­ся толь­ко тог­да, ког­да на всех его вхо­дах будет логичес­кий ноль. NOR в таб­лицах истиннос­ти обоз­нача­ется чер­той свер­ху над опе­раци­ей логичес­кого ИЛИ.

NAND

Вен­тиль И‑НЕ, ана­логич­но пре­дыду­щему, пред­став­ляет собой инверти­рован­ное И. Он выда­ет еди­ницу на выходе, ког­да хотя бы на одном из вхо­дов есть логичес­кий ноль. Записы­вает­ся NAND добав­лени­ем чер­ты свер­ху над опе­раци­ей конъ­юнкции.

Некоторые электронные компоненты

Пе­ред тем как перей­ти к самим тран­зисто­рам, давай погово­рим о таких важ­ных ком­понен­тах любой циф­ровой схе­мы, как резис­тор и диод.

Резистор

Ча­ще все­го в элек­три­чес­ких схе­мах исполь­зует­ся такой эле­мент, как резис­тор. Резис­тор мож­но пред­ста­вить как соп­ротив­ление в чис­том виде. Для чего же он может исполь­зовать­ся? К при­меру, если в нашей цепи при кон­крет­ном нап­ряжении необ­ходимо обес­печить опре­делен­ную силу тока, дос­таточ­но вычис­лить по закону Ома нуж­ное соп­ротив­ление и уста­новить в нуж­ном мес­те пос­тоян­ный резис­тор. Схе­му и внеш­ний вид пос­тоян­ного резис­тора ты можешь уви­деть на фото сни­зу.

Су­щес­тву­ют раз­ные виды резис­торов, которые могут изме­нять свое соп­ротив­ление в зависи­мос­ти от раз­ных усло­вий. Реос­тат изме­няет соп­ротив­ление от нуля до уста­нов­ленно­го мак­сималь­ного зна­чения, фоторе­зис­тор изме­няет соп­ротив­ление в зависи­мос­ти от уров­ня осве­щения, а тер­мистор, как ты догады­ваешь­ся, от тем­перату­ры. Но нас инте­ресу­ет самый рас­простра­нен­ный вид резис­торов — пос­тоян­ный.

У пос­тоян­ного резис­тора нет поляр­ности, а это зна­чит, что его кон­такты абсо­лют­но рав­нознач­ны и нет раз­ницы, в какой пос­ледова­тель­нос­ти и какой сто­роной резис­тор под­клю­чать в цепь. На фото ты мог заметить цвет­ные полос­ки на его кор­пусе. С их помощью ты можешь опре­делить номинал соп­ротив­ления резис­тора.

Ес­ли на резис­торе все­го четыре полосы, то пер­вые две полос­ки (если все­го полос пять, то пер­вые три) обоз­нача­ют осно­вание чис­ла количес­тва омов, третья — мно­житель в сте­пенях десяти. Соп­ротив­ление может быть прос­то в омах (мно­житель 10^0), в кило­омах (мно­житель 10^3), мега­омах (мно­житель 10^6) и так далее. Пос­ледняя полоса обоз­нача­ет точ­ность в про­цен­тах. На фото — таб­лица с рас­шифров­кой зна­чений раз­ных цве­тов.

Но тебе совер­шенно необя­затель­но самому опре­делять номинал, выс­матри­вая в таб­лице нуж­ные цве­та. Для таких рас­четов сущес­тву­ют готовые каль­кулято­ры. Дос­таточ­но прос­то выб­рать количес­тво полос и впи­сать цве­та.

Диод

Ди­од — это фак­тичес­ки ана­лог нип­пеля, но для элек­три­чес­тва. У диода, в отли­чие от резис­тора, поляр­ность есть и игра­ет немало­важ­ную роль. Его кон­такты, элек­тро­ды, называ­ются анод (+) и катод (-). Ток в диоде про­ходит толь­ко от ано­да к катоду. Если под­клю­чить диод неп­равиль­но, то ток через него течь прос­то не будет. Опре­делить катод поможет полос­ка на кор­пусе диода.

Го­воря о диоде, нель­зя не упо­мянуть све­тоди­од. Эта надеж­ная и дол­говеч­ная «лам­почка» работа­ет так же, как и обыч­ный диод, про­пус­кая ток толь­ко от ано­да к катоду, но при этом она еще и излу­чает свет. Одна из «ног» све­тоди­ода длин­нее, она и есть положи­тель­ный элек­трод. Так­же над катодом рас­полага­ется засеч­ка на лин­зе.

Да кто такой этот ваш «мосфет»?

Как ты уже понял, глав­ный эле­мент в наших схе­мах — это MOSFET-тран­зистор, или, как его еще называ­ют, МОП‑тран­зистор. Раз­новид­ностей тран­зисто­ров великое мно­жес­тво, но для нас сегод­ня важен имен­но он. MOSFET рас­шифро­выва­ется как Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors, металл‑оки­сел‑полуп­ровод­ник полевой тран­зистор. Собс­твен­но, пер­вые три сло­ва — это и есть МОП. Эти аббре­виату­ры обоз­нача­ют струк­туру и матери­алы, из которых элек­трон­ный ком­понент изго­тов­лен.

Тран­зистор — глав­ный «кир­пичик» в элек­трон­ных схе­мах самых нево­обра­зимых мас­шта­бов. Это изго­тов­ленный из полуп­ровод­ников элек­трон­ный при­бор, который при опре­делен­ных усло­виях начина­ет про­пус­кать через себя элек­три­чес­кий ток. В зависи­мос­ти от этих усло­вий ток, про­тека­ющий через тран­зистор, может уве­личи­вать­ся или умень­шать­ся, а так­же может прек­ратить идти сов­сем.

МОП‑тран­зисто­ры быва­ют двух видов — p-каналь­ные и n-каналь­ные.

Ес­ли пос­мотреть на условное обоз­начение, то мож­но заметить, что рабочих кон­тактов у полево­го тран­зисто­ра три, они называ­ются source, drain и gate (в рус­ско­языч­ной интер­пре­тации «исток», «сток» и «зат­вор»). Говоря очень прос­тым язы­ком, MOSFET мож­но пред­ста­вить как некую «элек­трон­ную кноп­ку» или элек­трон­ный ключ, толь­ко ток начина­ет про­текать меж­ду исто­ком и сто­ком не при нажатии, а при подаче нуж­ного нап­ряжения на зат­вор, которое отпи­рает тран­зистор. А ког­да нап­ряжение запира­ет MOSFET, ток течь прек­раща­ет.