Урок-лекция
Скачать 1.2 Mb.
|
| §43. Приборы, преобразующие электрические сигналы. (Урок-лекция). Если сегодня в ваших компьютерах основная операция «ноль-единичка» происходит за счет переключения прибора и в этом переключении участвуют тысячи электронов, то в новом тысячелетии это будет происходить за счет единичных актов, что приведет к колоссальному увеличению потенциальных возможностей компьютерных технологий. Ж.И. Алферов. ? Чем отличаются электронно-вакуумные приборы и полупроводниковые приборы от других элементов электронных схем? Каков принцип действия электронно-вакуумных приборов? Каков принцип действия полупроводниковых приборов? Э ! лектроника. Линейные и нелинейные элементы схем. Пассивные и активные элементы схем. Диод. Катод. Анод. Управляющие электроды. Сетка. Полупроводниковый прибор. Транзистор. Интегральная микросхема. П * роводники, диэлектрики и полупроводники. Носители электрических зарядов в металлах, полупроводниках, электролитах и газах. Полупроводниковые приборы. (Физика 7-9 кл). Естествознание 10 § 2, 25, 26, 28, 65, 75.
Каков принцип действия устройств, преобразующих электрические сигналы? Современное название прикладной науки, изучающей такие процессы – электроника. Предшественниками электроники были радиотехника и электротехника. Развитие электроники и соответствующих технологий было обусловлено использованием полупроводниковых материалов. До их прихода в радиотехнику, аналогичную роль выполняли электронно-вакуумные приборы – радиолампы. Помимо радиоламп и полупроводниковых приборов электрические схемы различных устройств могут содержать такие элементы, как сопротивления, конденсаторы, индуктивности, трансформаторы. Эти элементы, а также различные конструкции из этих элементов так же, как радиолампы и полупроводниковые приборы, преобразуют электрические сигналы. Почему же их не хватает для работы различных устройств? Что нового дают радиолампы и полупроводники? Все возможные устройства, не включающие радиолампы и полупроводниковые приборы, обладают двумя важными свойствами, ограничивающими их возможности при преобразовании сигналов. Первое свойство – линейность. В соответствии с этим свойством любой синусоидальный сигнал после прохождения через линейные устройства сохраняет свою форму и частоту. Линейные устройства могут изменять лишь амплитуду и фазу синусоидального сигнала. Если же на такие устройства поступают несколько синусоидальных сигналов, то они могут лишь складываться, но не перемножаться. В частности, модуляция при помощи таких элементов невозможна. Второе свойство – пассивность. В соответствии с ним все подобные устройства могут лишь ослаблять мощность сигналов. Электронно-вакуумные лампы и полупроводниковые приборы обладают свойствами, выходящими за эти рамки. Во-первых, они являются нелинейными элементами, что обеспечивает существенно большую возможность преобразовывать сигналы, в частности изменять их частоты и производить модуляцию. Во-вторых, эти приборы позволяют усиливать мощность электрических сигналов, то есть они являются активными элементами. Принцип действия электровакуумных приборов. Любой электровакуумный прибор представляет собой герметичный баллон, из которого откачен воздух, и в который помещены металлические электроды с выводами за пределы баллона. Форма электродов может быть разнообразной в зависимости от исполняемых функций. Два электрода присутствуют всегда, простейшая лампа с двумя электродами называется диод. Один из электродов – катод подогревается при помощи электрического тока. В результате теплового движения часть электронов вылетает из катода, образуя вблизи него электронное облако. Электрические силы, связывающие вылетевшие электроны с «покинутыми» ядрами, не дают электронному облаку далеко удалиться от катода (Рис. 1).
Если на второй электрод – анод подать положительное относительно катода напряжение, то электроны начнут притягиваться к аноду и пойдет электрический ток. При смене полярности напряжения ток прекратиться, поскольку анод не может поставлять электронов для создания тока. Диод, таким образом, обладает односторонней проводимостью, что и обеспечивает его нелинейные свойства. Если в промежутке между катодом и анодом поместить другие электроды, то потоком электронов можно управлять, подавая на эти электроды то, или иное напряжение. Соответствующие электроды называются управляющими электродами. Некоторые из электродов делаются в виде сетки, охватывающей катод, они так и называются сетками (Рис. 2).
Управляя потоком электронов, сетки позволяют усиливать электрический сигнал. Другие электроды могут формировать из потока электронов узкий электронный луч и, отклоняя его, посылать на экран кинескопа в телевизоре или мониторе компьютера. Попадая на экран, электроны возбуждают атомы, которые затем излучают свет. Именно так создается изображение в электронно-лучевом кинескопе (Рис. 3).
Полупроводниковый диод и транзистор. Действие полупроводниковых приборов основано на явлениях, происходящих на границах между веществами с различной проводимостью (различными металлами, полупроводниками и диэлектриками). Понять работу полупроводникового диода можно, рассмотрев контакт двух различных проводников (или полупроводников). При приведении веществ в контакт тепловое движение стремиться «забрасывать» электроны в «чужой» проводник через контакт. Поскольку проводники различны, то оторвать электроны от ядер в одном проводнике легче, чем в другом. Допустим, от ядер проводника 1 (см. Рис. 4а) электроны оторвать легче, чем от ядер проводника 2. Тогда в результате тепловых процессов в проводнике 2 вблизи границы появляется облако избыточных электронов. Облако не может далеко «улететь» от границы по той же причине, что в вакуумной лампе электронное облако не может далеко удалиться от катода.
Приложим теперь электрическое поле, как показано на Рис. 4б. Поле будет действовать на электроны облака с некоторой силой (на рисунке она направлена вверх), и пойдет электрический ток. Чтобы заставить электроны двигаться в обратном направлении (Рис. 4в), необходимо создать дополнительную силу, способную «загнать» электроны облака обратно в проводник 1. Это означает, что такой же по величине ток пойдет при большем напряжении. Но это, в свою очередь, означает, что проводимости для разных направлений токов разные. Таким образом, данный прибор будет работать подобно вакуумному диоду. Наилучший эффект имеет место при контакте полупроводников двух типов n-типа и p-типа. В полупроводниках n-типа ток переносится электронами (n от слова negative – отрицательный). В полупроводниках p-типа ток переносится положительными квазичастицами дырками (p от слова positive – положительный). На самом деле в обоих случаях ток переносится в результате движения электронов. Понять смысл введения различных носителей заряда можно, воспользовавшись аналогией, и сопоставив полупроводнику n-типа падающие капли дождя, а полупроводнику p-типа – поднимающиеся в воде пузырьки воздуха. В обоих случаях масса переносится в основном частичками воды сверху вниз, однако во втором случае мы наблюдаем движение пузырьков (дырок), движущихся в противоположном направлении. Полупроводниковый прибор, способный усиливать сигнал подобно вакуумной лампе с управляющими электродами называется транзистором. Транзисторы бывают различных типов и конструкций. Понять работу транзистора проще всего на основе рассмотрения так называемого полевого транзистора. В полупроводнике (например, полупроводнике p-типа) создается проводящий канал из полупроводника противоположного типа (Рис. 5). Этот канал соединяет два металлических электрода исток – аналог катода и сток – аналог анода. На третий управляющий электрод – затвор подается напряжение, которое может изменять ток через канал, подобно тому, как это делает сетка в электронно-вакуумной лампе. Особенно эффективной работа полупроводниковых приборов стала после того, как на одной пластине полупроводника научились создавать множество диодов, транзисторов, сопротивлений и конденсаторов. Такой прибор эквивалентен целой электронной схеме из различных элементов и называется интегральной микросхемой. Современные интегральные микросхемы, например процессоры компьютеров, содержат несколько миллионов (!!!) транзисторов на одной кремниевой пластине. Электронные схемы могут содержать линейные и пассивные элементы (сопротивления, конденсаторы, трансформаторы) и элементы нелинейные и активные, усиливающие электрический сигнал (электровакуумные лампы и полупроводниковые приборы). В электровакуумных приборах ток переносится электронами от катода к аноду, а его сила регулируется управляющими электродами. Действие полупроводниковых приборов обусловлено явлениями, происходящими на границе полупроводников различных типов. 1. ○ Для чего нужны электровакуумные приборы и полупроводниковые приборы? 2. ○ Чем отличается преобразование электрических сигналов линейными и нелинейными элементами схемы? 3. Электровакуумные приборы потребляют от источников питания большую мощность. Почему? 4. Почему создание персональных компьютеров, подобных существующим ныне, было невозможно на основе использования радиоламп? § 44. Базовые элементы компьютера. (Урок-лекция). Папенька поднял крышку на табакерке, и что же увидел Миша? И колокольчики, и молоточки, и валик, и колеса... В.Ф. Одоевский «Городок в табакерке». К ? акие функциональные элементы входят в состав компьютера? Из каких элементов состоят узлы компьютера? Как работают логические элементы? М ! икросхема-память. Микросхема-процессор. Ячейка памяти. Логическое устройство. Логический элемент. Генератор тактовых импульсов. Триггер. * Последовательное и параллельное соединения проводников. (Физика 7-9 кл). Основные компоненты компьютера и их функции. Соединение блоков и устройств компьютера. (Информатика, основная школа). Возможно, вам приходилось «приподнимать крышку» современной табакерки – системного блока персонального компьютера. Поскольку устройство это электрическое, а не механическое, единственным вращающимся колесиком, которое вы могли видеть, мог быть вентилятор, охлаждающий процессор. Остальные неподвижные элементы компьютера, выглядят для непосвященного человека не менее таинственно, чем элементы древней табакерки. Основные узлы компьютера и их функциональное предназначение вы изучали на уроках информатики. А вот как работают узлы компьютера с точки зрения преобразования электрических сигналов? Что является элементарными составляющими - «атомами» компьютера? Вглубь компьютера. Попробуем продвинуться вглубь компьютера, подобно тому, как мы продвигались в глубь вещества. Во многом мы будем повторять то, что вы уже знаете. Современный компьютер можно представить как совокупность элементов, каждый из которых выполняет свою функцию (Рис. 1).
К устройствам ввода информации относятся такие устройства как клавиатура, мышь, сканер. К устройствам вывода информации – монитор, принтер. Такое устройство как модем позволяет обмениваться информацией с другими компьютерами, то есть является одновременно и устройством ввода и устройством вывода. Внешние устройства хранения информации – устройства, позволяющие считывать и записывать информацию на магнитные и оптические диски, а также на так называемые съемные диски или флэш-память. По сути, флэш-память – это подсоединяемые к компьютеру микросхемы для записи и считывания информации. Сам компьютер в узком смысле слова – это устройство для обработки информации. Устройство представляет собой множество различных элементов, расположенных на одной или нескольких печатных платах. Основные элементы, располагаемые на платах – интегральные микросхемы или просто микросхемы. Два основные типа микросхем – микросхема-память и микросхема-процессор. Микросхема-память состоит из множества ячеек памяти (их число в современных микросхемах может достигать нескольких миллиардов) и логического устройства. Функция микросхемы – при определенных сигналах на входе микросхемы записать в одну из ячеек памяти сигнал, соответствующий 1 или 0. Адрес ячейки памяти и сам сигнал устанавливается на входе в микросхему. Вторая функция – считать информацию, хранящуюся в некоторой ячейке памяти. Логическое устройство, состоящее из логических элементов, по заданным входным сигналам находит нужную ячейку памяти. Микросхема-процессор является более сложным устройством. Она состоит из нескольких логических устройств и нескольких регистров памяти. В зависимости от входных сигналов процессор изменяет состояния внутренних регистров памяти и сигналы на выходных шинах, передаваемые на другие устройства. В конечном итоге в состав процессора также входят ячейки памяти и логические элементы. «Дирижирует» работой всех устройств генератор тактовых импульсов. Частота тактовых импульсов (число импульсов в секунду) определяет быстродействие компьютера. Состояние каждой из ячеек памяти и сигнал на каждой из шин изменяется не чаще, чем приходит новый тактовый импульс. Итак, продвигаясь вглубь компьютера, мы обнаружили следующие элементы: генератор тактовой частоты, ячейка памяти, логический элемент. Однако, подобно атомам, некоторые из этих элементов составные. Электрическая ячейка памяти. Ячейка памяти – элемент, на выходе которого всегда поддерживается один из сигналов 0 или 1. Каждому из этих сигналов соответствует напряжение, значение которого лежит в некоторых пределах. Например, сигналу 0 может соответствовать напряжение от 0 до 0,2 В, а сигналу 1 – напряжение от 2,5 до 4,5 В. Конкретные параметры определяются типом микросхем. Ячейки памяти могут иметь различную конструкцию. Наиболее употребимая в настоящее время ячейка – триггер. Схематично триггер можно изобразить в виде, представленном на Рис. 2.
На выходе Q всегда имеется сигнал 0 или 1. Выход Q не обязателен, на нем устанавливается инвертированный (противоположный) сигнал по отношению к сигналу Q. На входы R или S подаются импульсные сигналы, служащие для записи новой информации, которая остается, когда входной сигнал прекращается. Действие триггера подобно обычному клавишному выключателю. При нажатии на верхнюю часть клавиши выключателя (подаче импульса на вход S) включается свет (на выходе Q устанавливается сигнал 1). После этого на выключатель можно не давить, свет остается включенным (сигнал на Q не изменяется после окончания импульса на входе S). Наоборот, при нажатии на нижнюю часть выключателя (подаче сигнала на вход R) свет выключается (на выходе Q устанавливается 0). Символы S и R происходят от слов Set и Reset. Ну, а что же внутри триггера. Оказывается он, в свою очередь, состоит из логических элементов. Логические элементы. Образно говоря, мы достигли уровня компьютерных атомов – логических элементов. Именно они являются основой всех устройств компьютера, в том числе устройств, осуществляющих арифметические операции. Выделяют три основных элемента, из которых можно сконструировать множество других. Действие этих элементов можно понять, воспользовавшись следующей таблицей.
Как обычно, слева в обозначениях – входы элементов (символы X, X1, X2), а справа – выход (символ Y). Как видно из таблицы, логические элементы могут использоваться как элементарные арифметические операции. Именно свойство сложения используется в арифметических устройствах. На самом деле, только два из приведенных трех приведенных элементов независимы (любой третий можно представить как комбинацию двух других). На практике используются две комбинации, приведенные в следующей таблице.
Как устроены эти элементы. В самых первых компьютерах использовались электронно-вакуумные лампы. Вспомните, что современные персональные компьютеры содержат миллиарды элементов и представьте, какой объем занимал бы такой компьютер, состоящий из ламп. В современных микросхемах используются транзисторы. В предыдущем параграфе мы описывали работу транзистора. Его можно рассмотреть, как некоторое управляемое сопротивление (Рис. 3).
Если в качестве управляющего сигнала подать положительное напряжение, транзистор начинает проводить ток («открывается»), то есть его сопротивление уменьшается. При отсутствии напряжения транзистор не проводит ток, то есть обладает большим сопротивлением. В идеале «запертый» транзистор обладает бесконечно большим сопротивлением, а «открытый» - нулевым сопротивлением. Вспомните теперь, чему равно сопротивление двух проводников, соединенных последовательно, и двух проводников, соединенных параллельно. Не сложно понять, как на основе свойств транзисторов сконструированы элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ, приведенные на Рис. 4.
При параллельном соединении проводников их сопротивление равно нулю, когда хотя бы один из них (ИЛИ) имеет нулевое сопротивление. Это означает, что, если хотя бы один из сигналов X1 или X2 на Рис. 4а отличен от нуля, то сопротивление спаренных транзисторов равно нулю, и. следовательно, напряжение в точке Y равно нулю. При последовательном соединении проводников их сопротивление равно нулю, когда они оба (И) имеют нулевое сопротивление. Это означает, что только в случае, когда оба сигнала X1 и X2 отличны от нуля, сопротивление спаренных транзисторов равно нулю, и, следовательно, напряжение в точке Y равно нулю. Ячейки памяти компьютеров состоят из логических элементов. В свою очередь, логические элементы состоят из транзисторов. Два параллельно включенных транзистора реализуют элемент ИЛИ-НЕ. Два последовательно соединенных транзистора реализуют элемент И-НЕ. 1. * На Рис. 5 приведена конструкция триггера из двух элементов ИЛИ-НЕ. Попробуйте объяснить работу триггера.
2. Приведите примеры других устройств, помимо компьютеров, в которых используются логические элементы. 3. Типичная электронно-вакуумная лампа, еще недавно входившая в состав любого радиоприемника и телевизора, потребляла мощность порядка 1 Вт. Представьте, что из таких ламп собран компьютер, на котором вы работаете на уроках информатики. Оцените, какую бы он потреблял мощность, и сравните ее с мощностью атомной электростанции (см. § 40). |
Похожие:
 | Урок формирования знаний Конференция, урок-диспут, урок-лекция, урок-экскурсия,, урок-поиск, урок снежный ком и др | | Лекция I и проблема языка и сознания лекция II 31 слово и его семантическое... Монография представляет собой изложение курса лекций, про* читанных автором на факультете психологии Московского государственного... |
| «Давление газа» Данный урок является развивающим, так как он проводится с использованием новых технологий (интерактивная лекция). Лекция сопровождается... |  | Лекция религии современных неписьменных народов: человек и его мир... Редактор Т. Липкина Художник Л. Чинёное Корректор Г. Казакова Компьютерная верстка М. Егоровой |
| Урок конференция. Доклады и выступления учащихся по следующим темам Расцвет реализма в литературе, живописи, музыке, театральном искусстве. Урок лекция с элементами беседы | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Урок 1-й. Урок – лекция «Эвенки Забайкалья: общая характеристика. Традиционное жилище эвенков» |
| Урок информатики на тему: «Знакомство с графическим редактором Paint.» Тип урока по форме проведения: урок – лекция с элементами исследования и имитации деятельности компьютерных художников на этапе выполнения... | | Лекция №5 Лекция №5 Вредные вещества и их воздействие на человека. Основы промышленной токсикологии |
| Урок патриотизма Урок лекция, основанный на использовании технологий развивающего обучения Новицкий И. Б. Римское право: учеб для юрид высш учеб заведений и фак. 2011. 298 с. 30 экз | | Урок изучения нового Урок изучения нового традиционный (комбинированный), лекция, экскурсия, исследовательская работа, учебный и трудовой практикум. Имеет... |
| Урок-лекция Назначение и использование компас-график. Гост оформления конструкторской документации | | Урок-лекция Рассмотрите изображение странного объекта. Выскажите версии относительно его предназначения |
| Урок изучения нового материала Лекция 12. Основные вопросы управления образованием и организации учебного процесса 72 | | Урок Русская литературно-критическая и философская мысль второй половины... Рабочая программа по предмету «Литература» в 10 классе создана на основе федерального компонента государственного стандарта основного... |
| Урок 114. «Мятежный человек, полный бунтующих страстей». Слово о... Урок посвящается биографии писателя и обзору его творчества. Лекция учителя и сообщения заранее подготовленных учеников о личности... | | Лекция. Проектирование графического интерфейса пользователя Лекция №11 Комплексная программа «Программа воспитания и обучения в детском саду» под редакцией М. А васильевой, В. В. Гербовой, Т. С. Комаровой... |
