В учебнике рассматриваются современные и перспективные элементы информатики, систематизированные по физическим принципам их работы.
От других учебных изданий в области элементов книга отличается нетрадиционным построением: в ней сначала изложены основы теории логического синтеза дискретных устройств, типовые элементы и узлы этих устройств, абстрагируясь от их технической реализации, а затем изучаются технические средства, основанные на различных физических принципах, позволяющие реализовать «в металле» эти элементы и устройства. Такое построение оказалось рациональным с точки зрения рассмотрения общности задач, решаемых элементами и устройствами информационных систем, и позволило показать, как эти задачи решаются на элементах той или иной физической природы, техническая реализация которых изменяется и совершенствуется в процессе научно-технического прогресса.
При изложении материала учитывалось, что специалисту по информатике не придется рассчитывать, например, интегральную схему или печатную плату (это область инженеров-конструкторов и технологов электронно-вычислительной аппаратуры), но он обязан знать возможности той элементной базы, на которой создана используемая им информационная техника. Поэтому изучение всех видов элементов начинается с физических основ их принципа действия, затем приводятся, как правило, схемы, характеристики и параметры различных элементов и устройств, выпускаемых промышленностью, а заканчивается рассмотрение перспективами их использования и совершенствования.
При написании книги использован опыт преподавания этой дисциплины в Рязанском радиотехническом институте, а также материалы опубликованных ранее учебных изданий, перечисленных в списке литературы.
Гл. 7 написана канд. техн. наук О. В. Миловзоровым, гл. 11, 12 и § 5.13—5.16 — канд. техн. наук А. В. Миловзоровым, а
§ 10.7 —автором совместно с канд. техн. наук М. П. Шорыги-ным.
Автор выражает искреннюю признательность коллективу кафедры информационной техники Куйбышевского политехнического института (зав. кафедрой канд. техн. наук, доц. И. И. Волков) и коллективу кафедры автоматизации обработки информации Томского института автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. А. И. Ру-бан), сделавшим при рецензировании книги ряд ценных замечаний, советов и рекомендаций, способствовавших ее улучшению.
Отзывы, замечания и предложения просьба направлять по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., 29/14, издательство «Высшая школа»
Автор
ОГЛАВЛ БНИЕ
Предисловие ............................. 3
Введение............................... 5
Глава 1. Основы теории логического проектирования цифровых (дискретных) устройств..................... 8
§ 1.1. Классификация, обозначения и этапы проектирования элементов
дискретной техники ...................... 8
§ 1.2. Основные теоремы и положения алгебры логики........ 14
§ 1.3. Минимизация булевых функций................ 17
§ 1.4. Минимизация булевых функций с помощью карт Карно .... 18 § 1.5. Особенности преобразования функций для реализаций на элементах И-НЕ и ИЛИ-НЕ................... 22
Глава 2. Синтез типовых узлов цифровых (дискретных) устройств . . 25
§ 2.1. Триггеры........................... 25
§ 2.2. Триггер с установочными входами (ftS-триггер)........ 27
§ 2.3. Триггер задержки (О-триггер) и триггер со счетным входом
(Г-триггер).......................... 33
§ 2.4. //С-триггер.......................... 37
§ 2.5. Счетчики........................... 40
§ 2.6. Синтез двоичных счетчиков с параллельным переносом..... 42
§ 2.7. Синтез недвоичных счетчиков................. 47
§ 2.8. Двоично-десятичные счетчики................. 49
§ 2.9. Регистры........................... 51
§ 2.10. Параллельный регистр.................... 52
§ 2.11. Последовательные (свигающие) и параллельно-последовательные регистры......................... 56
§ 2.12. Сумматоры.......................... 60
§ 2.13. Дешифраторы, шифраторы и преобразователи кодов..... 68
§ 2.14. Распределители и мультиплексоры............... 73
§ 2.15. Устройства сравнения кодов.................. 74
Глава 3. Полупроводниковые элементы и основы микроэлектроники 76
§ 3.1. Основы зонной теории твердого тела............. 76
§ 3.2. Электрофизические свойства полупроводников........ . 79
§ 3.3. Электронно-дырочный переход.................. 82
§ 3.4. Свойства /W-структуры при воздействии внешнего напряжения 85 § 3.5. Вольт-амперная характеристика /W-перехода, его температурные и частотные свойства................... 88
§ 3.6. Явления в структурах металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник ...................... 90
§ 3.7. Основные технологические процессы изготовления Я#-перехо-
дов.............................. 93
§ 3.8. Полупроводниковые диоды.................. 94
§ 3~.9. Биполярные транзисторы................... 101
§ 3.10. Схемы включения транзисторов................ 103
§3.11. Сравнение схем включения транзисторов............ 109
5 3.12. Транзистор как активный четырехполюсник.......... ПО
§3.13. Униполярные (полевые) транзисторы с /W-затвором...... 112
§ 3.14. Полевые транзисторы с изолированным затвором.......
•§ 3.15. Полевые транзисторы на арсениде галлия с затвором Шотки . .'
§ 3.16. Тиристоры..........................
§ 3.17. Проводниковые и изоляционные материалы..........
§ 3.18. Пассивные элементы электрических схем............,
§ 3.19. Основы микроэлектроники...................
§ 3.20. Классификация микросхем и их условные обозначения.....
Глава 4. Полупроводниковые цифровые (дискретные) элементы . . .
§ 4.1. Ключевая схема на биполярном транзисторе..........
§ 4.2. Переходные процессы в ключевой схеме на биполярном транзисторе. Транзистор Шотки..................(.'
§ 4.3. Ключевые схемы на полевых транзисторах...........
§ 4.4. Переходные процессы в ключевой схеме на полевом транзисторе'
§ 4.5. Ключевая схема на комплементарных транзисторах......
•§ 4.6. Цифровые интегральные микросхемы потенциального тип», их' характеристики и параметры................<.
§ 4.7. Диодно-транзисторные логические элементы (ДТЛ-элементы) . ;
§ 4.8. Транзисторно-транзисторные логические элементы (ТТЛ-эдб-менты)..........................
§ 4.10. Элементы интегральной инжекционной логики (ИИЛ- или И*Л-элементы).........................«
§ 4.11. Логические элементы на полевых МДП-транзисторах с одним типом проводимости....................;'.
§ 4.12. Логические элементы на комплементарных КМДП-транзисторах
-§ 4.13. Транзисторные логические элементы со связанными эмиттерами (ЭСЛ-элементы).......................
§ 4.14. Элементы на основе арсенида галлия..............
§ 4.15. Особенности элементов для сверхбольших интегральных схем ,<•.
Глава 5. Транзисторные усилители.................
§ 5.1. Общая характеристика усилителей............. .
§ 5.2. Каскады усилителей низкой частоты на биполярных транзисторах .............................,
§ 5.3. Усилительные каскады низкой частоты на полевых транзисторах............................... ,
§ 5.4. Амплитудно-частотная характеристика усилителя с емкостной межкаскадной связью.....................
§ 5.5. Передаточная динамическая характеристика каскада и режимы его работы..........................
§ 5.6. Выходные каскады усилителей................
§ 5.7. Обратная связь в усилителях.................I !
§ 5.8. Эмиттерный повторитель...................
§ 5.9. Усилители низкой частоты на интегральных микросхемах ....
§ 5.10. Усилители постоянного тока прямого усиления......• • •
§ 5.11. Дифференциальный каскад как базовый элемент аналоговых ин* тегральных микросхем.....................
§ 5.12. Отражатели тока.......................
•§ 5.13. Операционные усилители первого поколения.......
§ 5.14. Усовершенствованные операционные усилители.........
§ 5.15. Операционный усилитель с двойным преобразованием сигнала
§ 5.16. Основные схемы включения операционных усилителей.....
§ 5.17. Избирательные и широкополосные (импульсные) усилители . • •
Глава 6. Транзисторные генераторы, преобразователи и источники электропитания ......................
§ 6.1. Генераторы синусоидальных сигналов..........• • •
§ 6.2. Генераторы сигналов специальной формы...........
с 6.3. Генератор тактовых импульсов на элементах И-НЕ и системы
s синхронизации ЭВМ..................... 231
& 6.4. Компараторы. Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобра-
" зователи..................... 234
с 6.5. Структуры источников электропитания............ 236
I 6.6. Выпрямительные устройства.................. 239^
с 6.7. Сглаживающие фильтры.................... 242
| 6.8. Стабилизаторы напряжения с непрерывным регулированием . . 244
| 6.9. Импульсные стабилизаторы напряжения............ 248
| 6.10. Система электропитания ЭВМ................. 250
Г л а в а 7. Полупроводниковые функциональные узлы и устройства ЭВМ
в интегральном исполнении................ 254
§ 7.1. Особенности реализации функциональных узлов и устройств
ЭВМ средней степени интеграции............... 254
§ 7.2. Полупроводниковые запоминающие устройства......... 259
§ 7.3. Постоянные запоминающие устройства............ 260
§ 7.4. Запоминающие устройства с произвольной выборкой...... 263
§ 7.5. Программируемые логические матрицы и базовые кристаллы 266-
§ 7.6. Микропроцессоры....................... 271
§ 7.7. Микропроцессорные вычислительные устройства........ 271
§ 7.8. Микропроцессорные комплекты................ 274
§ 7.9. Однокристальные микропроцессоры.............. 277
§ 7.10. Функциональные БИС микропроцессорного комплекта 580 . . . 280'
§ 7.11. Однокристальный микропроцессор К1810ВМ86......... 284
§ 7.12. Многокристальные микропроцессоры............. 285
Глава 8. Основы магнетизма и элементы магнитных оперативных
запоминающих устройств................. 288
§ 8.1. Единицы магнитных величин и магнитные свойства веществ . . . 288
§ 8.2. Доменная структура, кривая намагничивания и петли гистерезиса 292
§ 8.3. Магнитные материалы..................... 296
§ 8.4. Принцип использования ферромагнетиков в оперативных запоминающих устройствах..................... 298
§ 8.5. Импульсное перемагничивание ферромагнетиков........ 299
§ 8.6. Матричная система типа 3D.................. 301
§ 8.7. Выбор магнитопроводов и режима их перемагничивания для
МОЗУ, работающих по принципу совпадения токов....... 305
§ 8.8. Запоминающие устройства типа 2D (с линейным выбором) . . . 309
§ 8.9. Запоминающее устройство типа 2.5D.............. 311
§ 8.10. Схемотехника оперативных запоминающих устройств на ферритов ых кольцевых магнитопроводах .............. 314
Глава 9. Элементы запоминающих устройств с записью на подвижный магнитный носитель................. 317
§ 9.1. Физические основы записи и воспроизведения информации на
подвижном магнитном носителе................ 317
§ 9-2. Способы записи аналоговой и цифровой информации...... 322
§ 9.3. Магнитные носители записи и магнитные головки........ 327
| 9.4. Накопители на магнитной ленте................ 329
§ 9.5. Накопители на магнитных дисках............... 331
| 9.6. Размещение информации на магнитных лентах и дисках .... 334 j ".7. Усилители записи на подвижный магнитный носитель внешних
„ запоминающих устройств................... 338
s 9.8. Усилители считывания с подвижного магнитного носителя внеш-
s них запоминающих устройств................. 340
s 9.9. Особенности записи-воспроизведения видеоинформации..... 341
г>
л а в а 10. Элементы интегральных магнитных запоминающих устройств .......................... 344
§ 10.1. Матричная система памяти на ферритовых пластинах..... 344
§ 10.2. Цилиндрические магнитные домены и их устойчивость..... 345
§ 10.3. Продвижение, генерация и аннигиляция ЦМД......... 349
§ 10.4. Считывание информации в устройствах на ЦМД........ 354
§ 10.5. Элементы запоминающих устройств на ЦМД......... 358
§ 10.6. Перспективы развития элементной базы доменных запоминающих устройств........................ 364
§ 10.7. Принципы реализации запоминающих устройств на вертикальных блоховских линиях .................... 368
Глава 11. Оптоэлектронные элементы................ 372
§ 11.1. Физические основы использования элементов информационных
систем в оптическом диапазоне................ 372
§ 11.2. Источники излучения..................... 375
§ 11.3. Приемники излучения..................... 380
§ 11.4. Оптроны и Оптоэлектронные микросхемы........... 390
§ 11.5. Индикаторы для устройств отображения информации..... 397
§ 11.6. Волоконно-оптические линии связи.............. 401
Глава 12. Элементы оптических запоминающих устройств...... 406
§ 12.1. Общие сведения и классификация.............. 406
§ 12.2. Устройства управления оптическим излучением........ 409
§ 12.3. Оптические запоминающие среды............... 419
§ 12.4. Символьные оптические запоминающие устройства....... 422
§ 12.5. Голографические запоминающие устройства.......... 425
Заключение.............................. 428
Приложение........................'..... 430
Литература............................. 432
Предметный указатель .......,.......... 434
