4. Эра цифровых технологий

Преимущество цифровых форм

Запишем музыкальный отрывок с помощью микрофона: мы видели, что он преобразует звук в электрический сигнал, который является совмещением синусоид различных частот. То есть теперь информация о мелодии заложена в напряжении: если мы пошлем это напряжение в громкоговоритель, он превратит его в звук. Напряжение может принимать самую различную величину в зависимости от силы звука: это называется аналоговым сигналом.

Теперь предположим, что мы хотим передать электрический сигнал на расстояние в тысячи километров, прежде чем превратить его в звук. Во время долгого пути между микрофоном и громкоговорителем сигнал рискует быть искажен окружающей средой и мало-помалу ослабеть.

ТРАНЗИСТОР И ТРАНСФОРМАТОР

Мы только что наблюдали, что транзистор является усилителем тока, что позволяет косвенным путем создать усилитель напряжения. Но трансформатор как будто играет ту же роль: в зависимости от числа колец в первичной и вторичной цепи мы можем на выходе получить усиленный ток или напряжение.

На самом деле, различие возникает в энергетическом аспекте: в трансформаторе, если напряжение увеличено в десять раз, то сила тока соответственно уменьшается в десять раз. В итоге мощность не меняется. Тогда как в транзисторе усиление тока происходит независимо от действующего напряжения: так, усиление мощности можно произвести средствами транзистора, в то время как в трансформаторе это сделать невозможно. Именно питание транзисторов (постоянное напряжение) дает необходимую энергию для усиления мощности.

В итоге на рис. 18.5 напряжение и ток на выходе могут быть совершенно независимыми. Наша коробка ведет себя здесь как настоящий идеальный генератор: ее напряжение – это усиленное входное напряжение, но полученная сила тока не имеет ничего общего с входной. Она будет зависеть только от аппаратов, подключенных на выходе.

В этом случае мы можем использовать транзистор, чтобы усилить сигнал и таким образом ослабить помехи. Но в конце мы получим такой же искаженный сигнал. Возьмем простой пример: предположим, что начальное напряжение, которое следует передать, составляет 3 В. Предположим, что по прибытии напряжение упало до 2,4 В из-за помех: сигнал уже не тот, какой нужен.

Чтобы этого избежать, необходимо превратить напряжение 3 В в совокупность напряжений, которые могут быть лишь двух значений: например, 0 и 15 В. Тогда последовательность этих напряжений образует бинарный код («0» для напряжения 0 В и «1» для напряжения 15 В), характеризующий изначальное напряжение 3 В. В качестве примера мы можем представить простейший код: 00000 для первичного напряжения 0 В, 11111 для финального напряжения 5 В и 11100 для напряжения 3 В. Такой сигнал, который может принимать лишь два значения, называется «цифровым сигналом».

Теперь напряжение 3 В стало последовательностью пяти напряжений величиной 15 В, 15 В, 15 В, 0 В и 0 В. Во время передачи сигнал может быть искажен, как случилось с напряжением в 3 В. Но предположим, что одно из напряжений 15 В стало напряжением в 14 В: поскольку речь идет о бинарном коде 0 или 1, в конце напряжение 14 В всегда будет расшифровано как «1».

В итоге полученный код будет всегда 11 100, даже если в пути будут значительные помехи: это будет расшифровано как напряжение 3 В, точно такое же, какое было получено микрофоном. В отличие от аналогового сигнала цифровой сигнал не был искажен.

Если в этом примере очевидно преимущество цифровой формы, напрашивается вопрос: как преобразовать аналоговый сигнал в цифровой? Транзистор может позволить произвести эту трансформацию: существует множество методов конверсии, но мы в дальнейшем опишем простой механизм, чтобы понять принцип.

Аналого-цифровое преобразование

Возьмем нашу коробку с транзисторами и сопротивлениями, которая позволяет получить на выходе более высокое напряжение по сравнению с изначальным. Не будем забывать, что для работы транзисторам необходимо питание напряжением. Предположим, что это напряжение питания составляет 15 В. Это значит, что на выходе наша коробка не сможет предложить напряжение выше 15 В или ниже –15 В из-за ограничения питания.

Кроме того, предположим, что необходимо очень сильно увеличить напряжение, например 10 000: такого усиления легко добиться с помощью всего двух транзисторов.

Рассмотрим рис. 18.6: к одному из входных концов подключили аналоговое напряжение 3 В, которое необходимо преобразовать. На другом конце подключен генератор переменного напряжения. Предположим, что напряжение этого генератора повышается на 1 В каждую секунду.

Предположим, что начальное напряжение генератора составляет 0,5 В. Таким образом, на верхнем конце потенциал равен 0,5 V, а на нижнем 3 V. Напряжение между двумя концами соответствует разнице потенциалов, то есть оно составляет 0,5–3 = –2,5 В.

Коробка усиливает сигнал на 10 000, то есть на выходе мы должны получить –25 000 В. Но коробка не может подавать напряжение ниже –15 В: таким образом, она будет «насыщать» напряжение до минимального уровня в – 15 В, не имея возможности опустить его ниже.

Через секунду напряжение генератора составит 1,5 В: входное напряжение, таким образом, составляет 1,5–3 = –1,5 В. На выходе напряжение всегда насыщается до – 15 В.

То же самое на третьей секунде: напряжение на входе –0,5 В, а на выходе –15 В.

Зато на четвертой секунде напряжение генератора составляет 3,5 В: тогда напряжение на входе будет 3,5–3 = 0,5 В. Учитывая коэффициент усиления, на выходе мы должны получить напряжение в 5000 В: на практике наша коробка поднимет напряжение до 15 В. Отметим, что напряжение на выходе изменилось с – 15 В до +15 В…

То же самое с пятой секундой, напряжение на входе 1,5 В, а на выходе оcтается +15 В.

В итоге, если мы рассмотрим пять истекших секунд, на выходе секунда за секундой получаем следующие значения напряжения: –15 В, – 15 В, – 15 В, +15 В, +15 В. Это образует бинарный код, который мы можем обозначить, например, 11 100. Получается код, соответствующий аналоговому напряжению 3 В, как мы установили выше. Наша коробка на базе транзисторов преобразовала аналоговый сигнал в цифровой.

Преимущество большого коэффициента усиления позволяет определить и закодировать самые низкие значения входного напряжения. Предположим, например, что входное напряжение, которое требуется преобразовать, меняется на 0,01 В: на выходе значение будет 100 В, которого достаточно, чтобы переводить напряжение на выходе от – 15 В до +15 В. Таким образом, выходной код различает входное напряжение 3,46 В и 3,47V.

Получение цифровых сигналов выгодно не только для сохранения высокого качества сигнала. Полученный бинарный код, реализованный физически с помощью напряжений, которые могут принимать только два значения, позволяет произвести логические операции. Эти логические операции также реализованы с помощью транзисторов, разумно соединенных с диодами, сопротивлениями и конденсаторами для получения желаемой операции. В этом типе операций если мы поставим на входе два разных бинарных кода, то получим на выходе новый бинарный код, который будет являться комбинацией этих двух: эта комбинация зависит от логической операции, которую мы хотим совершить.

Рис. 18.6 – Принцип цифрового преобразования

Входное напряжение равно разнице между базовым напряжением U_баз и напряжением для преобразования E. Усиление таково, что выходное напряжение всегда достигает максимальной (+15 В) или минимальной (–15 В) величины.

Когда U_баз > E, выходное напряжение колеблется от – 15 В до +15 В.

Мы не будем подробно изучать эти логические операции, потому что это выходит за рамки данной книги. И все же необходимо знать, что эти логические операции, состоящие из цифровых сигналов, составляют основу работы компьютеров. На практике это требует большое количество транзисторов: например, процессор Пентиум 4 содержит 42 миллиона транзисторов…

Таким образом, транзистор, изобретенный в 1948 году, лежит в основе главных революционных технологий последних десятилетий: именно с него началась эра цифровых форм и информатики.

СЛЕДУЕТ ЗАПОМНИТЬ

• Полупроводник является веществом, в котором некоторые электроны освобождаются из атомов при наличии достаточно высокой энергии. В атоме на месте выбывшего электрона образуется дырка: произошло образование пары «электрон – дырка». Чем выше температура, тем выше проводимость вещества. Наиболее часто используемый химический элемент – кремний.

• Легирование n-типа состоит в подсаживании атомов, содержащих больше валентных электронов, чем у атома принимающего вещества: «лишние» электроны становятся свободными электронами. Легирование p-типа состоит в подсаживании атомов, содержащих меньше валентных электронов, чем у атома принимающего вещества: образуются дыры из-за нехватки валентных электронов. В обоих случаях проводимость вещества повышается.

• Диод в основном состоит из двух совмещенных полупроводников, легированных по р и n-типу. Асимметрия дает замечательный эффект: ток может проходить по диоду только в одном направлении.

• Биполярный транзистор состоит из трех совмещенных полупроводников: легированный по n-типу называется эмиттер, легированный по p-типу называется базой, второй легированный по n-типу – коллектор. Он производит ток, который на выходе из коллектора сильнее, чем на выходе из базы.

• Транзистор имеет разнообразное применение: помимо функции усиления тока, он может служить конвертером аналоговых сигналов в цифровые. С одной стороны, это сохраняет мощность сигнала. С другой стороны, с цифровыми сигналами впоследствии можно совершать логические операции, формируя базу компьютера.