Учебнометодический комплекс дисциплины преподавателя по дисциплине Средства электроавтоматики (код и наименование дисциплины) для студентов специальности
 Скачать 1.67 Mb.
|
|
Стабилитроны. При пробое р-n-перехода обратным напряжением лавинообразное нарастание тока обусловлено ударной ионизацией и массовым переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. Поскольку ширина запрещенной зоны в кремнии шире, чем в германии, для перехода электронов из запрещенной зоны в зону проводимости в кремнии требуется более высокая температура. Поэтому в кремниевых диодах пробой обусловлен главным образом ударной ионизацией и не сопровождается сильным перегревом. Эта особенность позволила использовать плоскостные кремниевые диоды, включенные в непропускном направлении, для работы в режиме пробоя в качестве стабилизаторов напряжения – стабилитронов. Стабилитрон подключается параллельно участку, на котором должно быть стабилизировано напряжение (R н ), причем диод должен быть подобран так, чтобы стабилизированное напряжение U c т соответствовало участку пробоя на вольт – амперной характеристике. Последовательно с участком стабилизации включается балластный резистор (R бал ). При изменении напряжения на входе начинает изменяться и напряжение на участке стабилизации, но это вызывает рез» кое изменение тока, проходящего через стабилитрон, и падения напряжения на балластном резисторе. При изменении тока, проходящего через прибор (за счет изменений подводимого напряжения), в пределах I min –I max изменение напряжения на стабилизируемом участке цепи не превышает Д U. Варикапы. Переход р–n при обратном напряжении обладает определенной барьерной емкостью. Зависимость объемного заряда перехода от обратного напряжения носит нелинейный характер; это указывает на то, что емкость перехода можно изменять, изменяя значение приложенного к нему обратного напряжения. Указанное свойство р-n-перехода используется в специальных кремниевых диодах – варикапах. Благодаря малому обратному току варикап представляет собой конденсатор с высокой добротностью. Емкость варикапа составляет 300…600 пФ и может изменяться на 30-40 %. Варикапы применяются в схемах автоматической подстройки частоты, частотных модуляторах, а также в так называемых параметрических усилителях. При прямых напряжениях р-n-переход обладает значительно большей (диффузионной) емкостью, однако она шунтируется низким активным сопротивлением открытого перехода и не используется. Импульсные диоды. В логических элементах, электронных комму- тируемых устройствах и многих других случаях диоды используются в качестве переключателей, имеющих два состояния: открытое с очень малым и закрытое с очень большим сопротивлением. При этом переход из одного состояния в другое должен осуществляться по возможности быстро, что возможно при очень малой ширине и площади запирающего слоя. Специально сконструированные для работы в режиме переключения диоды получили название переключающих (или импульсных). Важнейшими параметрами их являются: время установления прямого сопротивления; время восстановления обратного сопротивления; значения прямого и обратного токов. В качестве переключающих используются точечные диоды, время восстановления которых менее 0,1 мкс, а допустимый прямой ток до 50 мА. Более высокими параметрами (прямой ток — до 500 мА) обладают так называемые меза-диоды, в которых переход создается за счет диффузии атомов примесей в твердый полупроводник при высокой температуре. Особенностью таких диодов является наличие у них электрического поля, образованного за счет неодинаковой концентрации примесей на площади базы, благодаря которому обеспечивается быстрое восстановление (10—50 нc) обратного сопротивления диода. Полупроводниковый биполярный транзистор представляет собой прибор с двумя последовательно включенными р-n переходами. Он состоит из трех областей с чередующимися типами проводимостей. Одна из крайних областей транзистора называется эмиттером, средняя область — базой и вторая крайняя область — коллектором, р-n переход со стороны эмиттера называется эмиттерным, а со стороны коллектора — коллекторным. Эмиттер, база и коллектор отличаются не только характером проводимости, но и концентрацией носителей. В базе она на несколько порядков меньше, чем в эмиттере, а в коллекторе — почти такая же, как в эмиттере. В настоящее время подобные приборы принято называть биполярными транзисторами, поскольку в них используются носители обоих типов — электроны и дырки. Введение этого термина связано с появлением новых типов трехэлектродных полупроводниковых приборов – униполярных ( полевых) транзисторов. В зависимости от типа проводимости различают транзисторы р-n-р и n-р-n структуры. В практических схемах транзистор используется как четырехполюсник – прибор с двумя входными и двумя выходными зажимами, поэтому один из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепей. Различают схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Транзистор обладает усилительными свойствами. Значение коллекторного тока зависит в основном от тока эмиттера и может изменяться в широких пределах при изменении напряжения между эмиттером и базой. В то же время, при достаточно большом отрицательном напряжении на коллекторном переходе, ток коллектора при изменениях этого напряжения почти не меняется. Таким образом, изменения напряжения между эмиттером и базой влияют на коллекторный ток намного сильнее, чем аналогичные изменения напряжения между коллектором и базой. Усилительные свойства транзистора, как и лампового триода, основаны на резком изменении сопротивления участка эмиттер-коллектор под действием поступающего на базу управляющего сигнала. Важной особенностью транзисторов, отличающих их от электронных ламп, является взаимосвязь токов базы, эмиттера и коллектора. Поэтому характер зависимостей между токами и напряжениями в транзисторе зависит от того, как включены относительно друг друга источники питания эмиттерного и коллекторного переходов транзистора. Графики зависимостей между токами и напряжениями в транзисторе называются вольт-амперными характеристиками или просто характеристиками транзистора. При включении транзистора по схеме с ОЭ, входной статической характеристикой называют зависимость тока базы от напряжения на эмиттерном переходе при постоянном напряжении на коллекторе. С увеличением прямого напряжения на эмиттерном переходе увели- чивается инжекция носителей на базу, а также их рекомбинация с основными носителями базы, поэтому ток базы возрастает. При увеличении обратного напряжения на коллекторном переходе вследствие эффекта Эрли уменьшается толщина базы, что приводит к уменьшению рекомбинации носителей на базе, вследствие чего ток базы уменьшается. Выходной статической характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, называют зависимость коллекторного тока от напряжения на коллекторе при неизменном токе базы. На примере включения транзистора по схеме с ОЭ рассмотрим четыре характерных рабочих режима транзистора. Режим насыщения (1) имеет место при напряжении U K = 0, а также при |U к | < |U Б |. В этом режиме оба перехода включены в прямом направлении и обе крайние области транзистора служат одновременно эмиттерами и коллекторами (инжектируют и собирают носители). При данном режиме база насыщена носителями, инжектируемыми через оба перехода. Поэтому сопротивление между двумя любыми выводами транзистора очень мало. При U K =0 результирующий ток коллектора равен нулю. По мере увеличения напряжения U к коллекторный переход хотя по-прежнему и смещен в прямом направлении, но прямое напряжение на участке база — коллектор транзистора уменьшается. Инжекция носителей из коллектора в базу значительно слабее, чем из эмиттера, что приводит к резкому росту коллекторного тока с увеличением U К . Начиная с |U к |=|U Б |, коллектор уже не инжектирует дырки в базу, транзистор переходит в активный режим (2), который характеризуется плавным ростом коллекторного тока с увеличением U K , что обусловлено главным образом сужением базы. При больших напряжениях на коллекторе возникает пробой коллекторного перехода ( режим лавинного пробоя 4). Режим отсечки (3) имеет место при U ЭБ < 0. В этом режиме ток эмиттера отсутствует, а коллекторный ток равен току базы и представляет собой обратный ток коллекторного перехода I ко Рисунок 4 – Выходные статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ При расчете усилительных схем на транзисторах (при условии, что напряжение сигнала намного меньше напряжения питания) транзистор представляют в виде четырехполюсника; соотношения между токами и напряжениями на входе и выходе его (I вх , U ВX , I вых , U вых ) при этом могут выражаться тремя различными системами уравнений. Коэффициенты, входящие в состав этих уравнений, называются первичными параметрами транзистора, поскольку они характеризуют основные электрические свойства транзистора как линейного четырехполюсника. Наибольшее распространение получила система уравнений с так . называемыми гибридными параметрами (их называют еще h-napaметрами), которая имеет вид: + = + = вых вх вых вых вх вх U h I h I U h I h U 22 21 12 11 ; Здесь под U BX , I вх , U ВЫХ , I вых понимаются переменные напряжения и токи на входе и выходе транзистора. По физическому смыслу h-параметры представляют собой следующие величины: h 11 — входное сопротивление при короткозамкнутом по переменному току выходе, т. е. при U вых = 0. Так, например, для схемы с ОБ h 11 = U Э /I Э при U к = 0. h 12 — отношение напряжения на входе к напряжению на выходе (коэффициент обратной связи) при разомкнутом по переменному току входе, т. е. при I вх = 0. Так, например, для схемы с ОБ h 12 = U Э /U K при I э = 0; h 21 — отношение тока на выходе к току на входе (коэффициент передачи тока) при U вых = 0. Так, например, для схемы с ОБ h 21 = I к /I э при U K = 0; h 22 — выходная проводимость, т. е, отношение I ВЫX /U вых при I вх = 0. Помимо рассмотренных, транзисторы характеризует еще ряд параметров: 1. Предельно допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе, P кmах . Определяется она предельно допустимой температурой нагрева полупроводникового прибора (около 100 °С для германиевых и 150 °С для кремниевых транзисторов). Для улучшения теплоотдачи в мощных транзисторах корпус их закрепляют на ребристом радиаторе. Допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе различных типов транзисторов, находится в пределах от единиц милливатт до десятков ватт. 2. Предельно допустимое обратное напряжение коллекторного перехода U Kmax , т. е. напряжение, при котором еще не наступает пробой коллекторного перехода. Практически U kmax = 10 — 50 В. 3. Обратный ток коллекторного перехода (подобен обратному току диода) I к0 . В обычных условиях I ко не превышает единиц микроампер. 4. Предельно допустимая частота. Принято считать, что транзистор работоспособен, если коэффициент усиления по току уменьшается не более чем в 2 раз по сравнению с рассчитанным для низкой частоты. В зависимости от типа транзистора предельная частота его может изменяться в широких пределах (от сотен килогерц до единиц гигагерц). 5. Диапазон рабочих температур. Транзисторы, как и все полу- проводниковые приборы, в большой степени подвержены влияниям температуры. С повышением температуры резко увеличивается количество основных и неосновных носителей в полупроводнике, что приводит к увеличению токов транзистора. Особенно сильно влияет на работу транзистора температурное изменение обратного тока коллекторного перехода, которое происходит по экспоненциальному закону. Можно приближенно считать, что при повышении температуры на 10°С обратный ток коллектора возрастает вдвое. Из сказанного следует, что при эксплуатации транзисторов нужно по возможности добиваться того, чтобы они работали в относительно узком диапазоне температур, или принимать специальные меры для компенсации влияния изменений температуры. Только при этих условиях схемы на транзисторах работают стабильно. Диапазон допустимых температур окружающей среды для различных образцов транзисторов неодинаков, однако максимально допустимая температура в лучшем случае не превышает +125 °С, а минимальная — не ниже -30 °С. Со второй половины прошлого века используются полупроводниковые приборы с четырехслойной структурой. К ним относятся – динисторы, тиристоры и симисторы. Четырехслойные приборы используются в качестве выпрямителей, а также переключающих устройств. Ввиду несложной технологии изготовления, отсутствия цепей накала, большого срока службы четырехслойные полупроводниковые приборы очень перспективны. Современные тиристоры, предназначенные для работы с большой скоростью переключений, включаются за время 0,1-0,5 мкс и выключаются в течение 6 мкс. Разработаны конструкции тиристоров на рабочие напряжения до 2000 В и токи 1000 А и более. 3. Процесс усиления представляет собой один из частных случаев процесса управления энергией и, в принципе, заключается в том, что поступающий на вход усилителя от управляющего источника электрической энергии слабый сигнал управляет более сильным сигналом на его выходе. При этом необходимо иметь в виду, что входной сигнал не является источником энергии выходного — энергия выходного сигнала создается за счет расхода энергии электрических источников питания (питающих устройств), но в то же время без сигнала на входе не создается и сигнал на выходе. Таким образом, входной сигнал управляет выходным сигналом, источником энергии которого являются питающие устройства. На рис.5 изображена обобщенная структурная схема усилительного устройства. Входное устройство (входная цепь) служит для подачи усиливаемого сигнала на усилительный элемент, который обеспечивает управление со стороны входного сигнала выходным, создавая тем самым усиление. Усиленный сигнал передается потребителю—нагрузке усилителя. Цепь, в которую включен потребитель, называется выходной цепью (выходным устройством). Питающее устройство обеспечивает работу усилительного элемента и является источником энергии выходного сигнала. Усилительный элемент необходим для обеспечения процесса усиления. В качестве усилительных элементов в большинстве усилителей используются биполярные и полевые транзисторы навесного монтажа или в исполнении в виде интегральных микросхем. В некоторых видах аппаратуры еще применяются и электронные лампы. Усилители различаются по следующим основным признакам: 1. В зависимости от типа усилительного элемента усилители бывают транзисторные и ламповые. Усилители, в которых используются другие типы усилительных элементов, в данном курсе не рассматриваются. 2. По диапазону частот усиливаемых сигналов различают: усилители постоянного тока; усилители звуковой частоты (f ≤ 20 кГц); усилители высокой частоты (20 кГц < f < 300 МГц); усилители сверхвысокой частоты (f > 300 МГц). 3. В зависимости от ширины спектра частот усиливаемых сигналов усилители бывают: узкополосные, у которых отношение полосы усили- ваемых частот к средней частоте диапазона значительно меньше единицы, т. е. 1 / 0 << ∆ f f ; широкополосные, у которых данное отношение больше единицы, т. е. 1 / 0 > ∆ f f 4. В зависимости от характера нагрузки различают: избирательные усилители, у которых в качестве нагрузки используются частотно- избирательные системы (одиночные или связанные резонансные контуры, а также электрические фильтры); апериодические (неизбирательные) усилители, у которых в качестве нагрузки используются резисторы, дроссели или трансформаторы (эти усилители рассматриваются в данной главе). 5. Назначение любого усилителя состоит в том, чтобы усиливать электрический сигнал, однако при этом главной задачей может быть усиление напряжения, усиление тока или усиление мощности. Таким образом, по назначению усилители могут быть усилителями напряжения, усилителями тока и усилителями мощности. В многокаскадных усилителях различают предварительные и оконечные каскады. Первые усиливают входной сигнал до уровня, обеспечивающего нормальную работу последующих — оконечных каскадов. Оконечный каскад должен усилить мощность сигнала до уровня, обеспечивающего нормальную работу выходного устройства усилителя (громкоговорителя, линии и т. д.). Коэффициент усиления. Важнейшим критерием работы усилителя является величина, показывающая, во сколько раз сигнал на выходе больше, чем на входе. Так как усилитель может быть предназначен для усиления напряжения, тока или мощности, то и оценивать его надо по тому, во сколько раз сигнал на выходе по напряжению, току или по мощности больше, чем на входе. Отношение напряжения (тока или мощности) на выходе к напряжению (току или мощности) на входе называется коэффициентом усиления усилителя. Итак, для усилителя напряжения коэффициент усиления составляет К U = U вых /U вх Аналогично для усилителя тока K I = I вых /I вх и для усилителя мощности К Р = Р вых /Р вх Как следует из определения, коэффициент усиления – это относительная, безразмерная величина. Если усилитель состоит из нескольких (n) каскадов, то общий его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов усилителя, т. е. n К К К К ⋅⋅ ⋅ = 2 1 Часто коэффициент усиления выражают не в относительных, а в логарифмических единицах. Целесообразность такого подхода обусловлена тем, что органы чувств человека воспринимают возрастание силы внешних раздражителей не по закону прямой пропорциональности, а значительно медленнее. Рост субъективного восприятия, как оказалось, происходит приблизительно пропорционально логарифму возрастания фактически воспринимаемого сигнала: S/S 0 = Alg(U/U0), где S — субъективное восприятие усиленного сигнала; S 0 — то же, исходного сигнала; U — фактическая амплитуда усиленного сигнала; U 0 — то же, исходного сигнала; А — коэффициент пропорциональности. Таким образом, если, например, сила звука увеличивается в 100 раз, то субъективное восприятие возрастает примерно в 2 раза (lg 100 = 2). Коэффициент усиления по напряжению (или по току) в децибелах определяется по формуле ) / lg( 20 lg 20 вх вых Дб U U К К = = Коэффициент усиления по мощности в децибелах определяется по формуле Р дБ Р К К lg 10 ) ( = Использование логарифмических единиц удобно еще и тем, что при этом общий коэффициент усиления усилителя равен сумме коэффициентов усиления отдельных его каскадов: n дд дБ дБ дБ К К К К + + + = 2 1 Частотные искажения. Практически в схему любого усилителя обязательно входят частотно-зависимые элементы. Действительно, если входная и выходная цепи усилителя состоят из одних только резисторов, то схема все же будет частотно-зависимой, так как в нее входят междуэлектродные емкости усилительного элемента. Из сказанного следует, что при одной и той же амплитуде сигналов различных частот, подаваемых на вход усилителя, амплитуда сигналов на его выходе может оказаться неодинаковой. Следовательно, коэффициент усиления усилителя зависит от частоты сигнала. Искажения, возникающие вследствие неодинакового усиления усилителем сигналов различной частоты, называются частотными (в старой литературе — амплитудно-частотными) искажениями. Для оценки частотных искажений введено понятие коэффициента частотных искажений, под которым понимается отношение коэффициента усиления К 0 на средней частоте диапазона к коэффициенту усиления К на данной частоте, М=К 0 /К. Значение М может быть больше, меньше или равно единице. Так, из рис.6, а видно, что для частоты f 1 М > 1 (К< K 0 ), для частоты f 2 М = 1 (К = K 0 ), а для частоты f 1 М < 1 (К > K 0 ). Очевидно, частотные искажения тем меньше, чем ближе значение М к единице. Для многокаскадного усилителя n n n M M M K K K K K K K K M ⋅⋅ ⋅ ⋅ = ⋅⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅ ⋅ ⋅ = = 2 1 2 1 0 02 01 0 Рисунок 5 – Частотная характеристика усилителя в линейном (а) и логарифмическом (б) масштабах Рисунок 6 – Частотные искажения сигнала усилителем В результате исследования восприятия частотных искажений звуковых сигналов слуховыми органами человека установлено, что если значение коэффициента частотных искажений М находится в пределах 0,7…1,4 (это соответствует изменению данного значения на дБ 3 ± ), то частотные искажения практически не ощущаются. Рабочий диапазон частот усилителя представляет собой полосу частот, в пределах которой частотные искажения не превышают определенного допустимого значения. На рис. 5, а диапазон частот усилителя обозначен отрезком f ∆ 2 , крайние частоты диапазона — символами f н — нижняя граничная частота и f в — верхняя граничная частота. Фазовые искажения так же, как и частотные, возникают вследствие наличия в схеме усилителя частотно-зависимых элементов. Сущность их заключается в том, что сигналы различной частоты претерпевают в схеме усилителя неодинаковые сдвиги во времени, что приводит к искажению формы результирующего сигнала. Необходимо заметить, что вследствие физиологических особенностей строения уха человека (ухом анализируется каждая составляющая звука в отдельности) при усилении звуковых сигналов (речь, музыка) фазовые искажения практического значения не имеют. Совсем иначе обстоит дело при усилении сигналов телевизионного изображения. В этом случае фазовые искажения создают двоение и размывание контуров изображения. Поэтому при проектировании таких усилителей стремятся по возможности ограничить фазовые искажения. Нелинейные искажения. Как было установлено, частотные и фазовые искажения представляют собой изменения амплитудных соотношений и временных сдвигов между отдельными составляющими сложного сигнала. Совсем иначе проявляются нелинейные искажения. При наличии их в составе сложного сигнала на выходе усилителя будут дополнительные составляющие, которых не было вовсе на входе. Нелинейные искажения возникают из-за наличия в схеме усилителя нелинейных элементов, т. е. элементов, в которых зависимость тока от напряжения не соответствует линейному закону (закону прямой пропорциональности). Такими элементами являются, главным образом, транзисторы и лампы, а также трансформаторы и дроссели с железными сердечниками, работающие в области, близкой к насыщению. Для оценки нелинейных искажений служит коэффициент нелинейных искажений (его называют также коэффициентом гармоник). Этот коэффициент (K f ) определяется как корень квадратный из отношения суммы мощностей, выделенных на нагрузке усилителя высшими гармониками, к мощности, выделенной основной гармоникой: 1 2 1 P P P K f + + + = Так как мощность пропорциональна квадрату тока (напряжения), то при независимости от частоты сопротивления нагрузки для определения коэффициента K f можно пользоваться формулами: ; / 1 2 3 2 2 I I I K f + + = / 1 2 3 2 2 U U U K f + + = где I 1 , I 2 , ... — действующие значения токов первой, второй и после- дующих гармоник, протекающих через нагрузочное сопротивление; U 1 , U 2 , ... — действующие значения напряжений первой, второй и последующих гармоник, выделяемых на нагрузочном сопротивлении. Обычно значение K f выражают в процентах. В зависимости от назначения усилителя коэффициент K f не должен превышать определенного допустимого значения. Так, в усилителях звуковой частоты допустимое значение K f не более 10 %, в усилителях сигналов изображения — не более 15 % . В некоторых случаях, когда одна из высших гармоник (обычно вторая или третья) по амплитуде намного больше других, коэффициент нелинейных искажений определяют по одной гармонике. Так, например, коэффициент второй гармоники K f2 = I 2 /I 1 и т.д. Выходная мощность, чувствительность и КПД. Выходной (номинальной) мощностью называется наибольшая мощность, которая может быть выделена на нагрузке усилителя при условии, что нелинейные искажения его не превышают допустимого значения. Напряжение на входе усилителя, при котором на выходе развивается номинальная мощность, называется чувствительностью усилителя. Для усилителей мощности существенным показателем является к. п. д., под которым понимается выраженное в процентах отношение номинальной мощности к суммарной мощности, затрачиваемой источниками питания: % 100 ⋅ = пит ном Р P η Динамический диапазон. Если на входе усилителя полезный сигнал отсутствует, то на выходе его чувствительный прибор все же может отметить наличие переменного напряжения сложной формы. Появление такого напряжения обусловлено наличием собственных шумов усилителя, сущность которых состоит в том, что коллекторный (анодный) ток усилителя даже при отсутствии сигнала на его входе хаотически изменяется (флуктуирует). В многокаскадных усилителях реально приходится учитывать только шумы первого каскада, поскольку они усиливаются всеми последующими каскадами и на выходе заметно преобладают над остальными шумами. Кроме шумов усилительных элементов и деталей, на выходе усилителя могут появляться напряжения наводок за счет паразитных связей усилителя с посторонними источниками электрических сигналов (электродвигателями, генераторами и т. п.), а также фон — напряжение с частотой, кратной 50 Гц, которое возникает при питании усилителя от сети переменного тока в случае недостаточного сглаживания пульсаций в выпрямителе и при плохом экранировании цепей питания. Таким образом, на выходе усилителя, помимо полезного сигнала, всегда имеется определенный уровень помех — выраженное в децибелах отношение напряжения помех к номинальному напряжению сигнала: ном пом дБ U U L lg 20 = В хороших усилителях уровень помех должен быть порядка — 50 дБ и ниже, что соответствует отношению 315 1 ≈ ном пом U U Наличие помех приводит к тому, что минимальный полезный сигнал на выходе усилителя не может быть меньше определенной амплитуды, в противном случае он окажется совершенно искаженным («заглушенным» помехой). Обычно считают, что амплитуда оптимального полезного сигнала должна быть в три-пять раз больше уровня помех. В то же время полезный сигнал не может быть и слишком велик — при этом возрастают нелинейные искажения. Итак, полезный сигнал на выходе усилителя ограничен как сверху, так и снизу. Выраженное в децибелах отношение максимальной амплитуды, при которой сигнал еще не искажен, к минимальной амплитуде, при которой сигнал еще достаточно преобладает над помехой, называется динамическим диапазоном усилителя: min max lg 20 U U D = 4. Интегральной микросхемой (ИС) называется микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию обработки сигналов и имеющее высокую плотность размещения электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов). Все элементы микросхемы и их соединения выполнены в едином технологическом цикле на общей подложке. Синонимами термина «интегральная микросхема» являются термины «микросхема» и«интегральная схема». Элементом ИС называется ее часть, выполняющая функцию транзистора, резистора или другого электрорадиоэлемента, изготовленная в едином тех- нологическом цикле при создании ИС и. не представляющая собой самостоятельного изделия. Компонент ИС отличается от элемента тем, что, он представляет собой самостоятельное комплектующее изделие, которое устанавливается в ИС в процессе ее изготовления. Микросхемы изготовляются методами интегральной технологии, имею- щей следующие отличительные особенности. 1. Элементы, однотипные по способу изготовления, обычно представля- ют собой или полупроводниковые р-п структуры с несколькими областями, различающиеся концентрацией примесей (транзисторы, диоды, резисторы и др.) или пленочные структуры из проводящих, резистивных и диэлектричес- ких пленок (резисторы, конденсаторы и др.). При создании этих элементов используется ограниченное количество базовых технологических процессов. Основными из них являются: а) эпитаксиальное наращивание полупроводникового материала на кремниевой подложке; б) термическое окисление кремния для получения слоя скисла SiO 2 , защищающего поверхность кристалла от внешней среды; в) фотолитография, обеспечивающая требуемые конфигурации пленок (SiO 2 , металл и т. п.) на поверхности подложки; г) локальная диффузия – перенос примесных атомов в ограниченные области полупроводника (в настоящее время вместо диффузии часто используется ионная имплантация легирующего вещества путем воздействия пучка ионов, ускоренных внешним полем); д) напыление тонких (до 1 мкм) пленок проводящего, резистивного и диэлектрического материала, е) нанесение толстых (более 1 мкм) пленок из указанных материалов путем использования специальных паст с их последующим выжиганием. 2. Одновременно в едином технологическом цикле изготавливается боль- шое количество одинаковых функциональных узлов, каждый из которых, в свою очередь, может содержать до сотен тысяч и более элементов. 3. При создании функциональных узлов многократно (на несколько порядков) по сравнению с традиционными методами производства аппаратуры на дискретных элементах сокращается количество технологических операций (особенно таких ненадежных и трудоемких, как сборка и монтаж элементов). 4. Размеры элементов и соединений между ними в большинстве случаев уменьшаются до технологически возможных пределов, обусловленных уров- нем современного технологического оборудования. 5. Низконадежные соединения элементов (выполненные с помощью пайки) исключаются и заменяются высоконадежными соединениями (путем металлизации). По технологии построения современные ИС делятся на две основные группы: полупроводниковые и гибридные. Рисунок 7 – Устройство интегральной микросхемы: а) полупроводниковая ИС (1 – кремниевая подложка; 2 – межсоединения; 3 – контактная площадка; 4 – резистор; 5 – транзистор); б) гибридная ИС (1 – диэлектрическая подложка; 2 – межсоединения; 3 – конденсатор; 4 – резистор; 5 – транзистор; 6 – диод; 7 – контактная площадка) Полупроводниковой называется ИС, в которой все элементы и межсоеди- нения выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой кремниевой подложки. Создаются такие ИС на биполярных и МДП- структурах. На рис. 7, а показано устройство полупроводниковой биполярной ИС и элементов на примере транзистора и резистора, представляющих собой соответственно п-р-п и р-п-р структуры, созданные в приповерхностной области кремниевой подложки. Межсоединения и контактные площадки для соединения с внешними выводами выполнены в виде металлизации, нанесенной на поверхность подтожки. Гибридной называется ИС, содержащая пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и др.) и межсоединения в виде пленок, выполненных на поверхности диэлектрической подложки, а также активные компоненты (диоды, транзисторы, кристаллы бескорпусных полупроводниковых ИС и др.). В зависимости от способа создания пассивных элементов и межсоединений гибридные ИС делятся на тонкопленочные и толстопленочные. Устройство тонкопленочной гибридной ИС показано на рис. 7, б. Последовательность основных этапов построения полупроводниковой ИС иллюстрирует рис. 9. Исходным материалом для построения полупроводни- ковых ИС являются пластины кремния. Использование кремния обусловлено его высокой допустимой температурой и возможностью получения на крем- нии слоя окисла, который является хорошим защитным покрытием для ИС и одновременно может использоваться как маска при создании элементов путем диффузии. Рисунок 8 – Последовательность этапов полупроводниковой создания ИС Выращенный кристалл кремния (рис. 8, а) разрезают на пластины слои со строго параллельными плоскостями (рис. 8, б). Толщина пластин составляет 200...300 мкм, диаметр 40... 150 мм. Поверхность пластин тщательно обрабатывается для получения очень высокой степени чистоты поверхности. Получение элементов и их соединений на пластине (рис. 8, в) ведется од- новременно для большого количества ИС. При этом используется ряд базо- вых технологических процессов, которые многократно могут повторяться. После создания элементов и межсоединений пластину разрезают на отдельные части (кристаллы), содержащие элементы соединения и контактные площадки одной ИС. При сборке такой кристалл закрепляют в корпусе ИС, контактные площадки соединяют с его выводами (рис. 8, г). Заключительной операцией при сборке ИС является герметизация корпуса (рис. 8, д). При получении гибридных ИС используют пластины из высококачествен- ного диэлектрика, на которых создаются пленочные пассивные элементы и межсоединения для нескольких ИС. Пластина разрезается на отдельные под- ложки ИС. На них устанавливают компоненты, после чего осуществляются соединения с выводами корпуса и ИС герметизируется.Микросхемы являются основным видом элементной базы современной радиоэлектронной аппаратуры. По сравнению с другими видами элементной базы (дискретные полупроводниковые, электровакуумное, газоразрядные приборы, радиодетали) ИС имеют ряд особенностей. Рассмотрим их на примере полупроводниковой ИС, у которой эти особенности проявляются в наи- большей мере. А. Микросхема самостоятельно выполняет законченную, часто весьма сложную функцию, например процессора ЭВМ и т.п., которую можно осуществить с помощью большого количества дискретных элементов, соединенных по определенной схеме. Поэтому ИС должна рассматриваться не только как элемент с определенными входными и выходными параметрами, но и как устройство с определенной электрической схемой. В. Усложнение функций, выполняемых ИС, в отличие от реализации на дискретных элементах практически не сопровождается заметным ухудшение надежности, габаритных размеров и других показателей. Действительно, надежность ИС при повышении сложности остается почти равной надежность транзистора в силу того, что все элементы выполняются совместно в одном том же технологическом цикле, подобном производству транзистора. Размерь' ИС с повышением сложности электрической схемы также почти не изменяются, поскольку степень интеграции растет главным образом за счет уменьшен размеров элементов ИС. Отсюда следует, что при использовании ИС в значительной мере снимаются принципиальные ограничения по усложнению функций аппаратуры, которые были свойственны традиционному построению радиоэлектронных устройств на дискретных элементах. С. Функциональная сложность и параметры ИС в значительной степени определяются возможностями технологии их изготовления. Например, совер- шенствование технологии обусловливает повышение степени интеграции элементов. Это, в свою очередь, позволяет, с одной стороны, реализовать на том же кристалле более сложный функциональный узел, а с другой, — за счет сок ращения длины соединений уменьшить задержки сигналов и паразитную емкость в соединительных линиях. Поэтому разработка и правильное применение ИС невозможны без учета технологических особенностей построения ИС, от которых зависят их параметры и функциональные возможности. D . Элементы ИС имеют следующие отличия от аналогичных дискретных элементов. Во-первых, они имеют большой разброс параметров относительно расчетных значений, что обусловлено их малыми размерами, невозможностью подгонки и подстройки и рядом других технологических особенностей. Во вторых, имеет место ограничение номинальных значений параметров-сопротивлений и емкостей, что вызвано малой площадью, отводимой под эти элементы. Индуктивность в виде простого полупроводникового элемента не реализуется вообще. Элементы ИС имеют также ограничение по мощности рассеивания тепла. В-третьих, однотипные элементы одной ИС, созданные в едином технологическом процессе, характеризуются высокой идентичностью параметров и характеристик. В- четвертых, для элементов ИС характерно наличие ряда паразитных параметров, отсутствующих в дискретных элемент; (появление токов утечки в подложку, появление емкости между элементом подложкой, а также наличие индуктивных и емкостных связей между близко расположенными элементами и соединениями), это является следствием создания элементов ИС на единой полупроводниковой подложке. Перечисленные особенности элементов сказываются на принципах построения функциональных узлов, реализуемых в виде ИС. E . В ИС при создании функционального узла предпочтение отдается активным элементам перед пассивными. Это обусловлено при одинаковой технологии построения тех и других меньшими размерами активных элементов. При построении аналогичных узлов на дискретных элементах, наоборот, всегда стремятся уменьшить количество дорогих активных элементов (транзисторов и др.) и использовать по возможности более дешевые пассивные элементы,это определяет различие в построении электрических схем на дискретных элементах и в виде полупроводниковых ИС. F . В ИС реализуются некоторые типы элементов, которые не имеют дис- кретных аналогов (многоэмиттерные транзисторы, элементы с инжекционным питанием, структуры с распределенными параметрами, приборы с зарядовой связью и др.). Их использование открывает дополнительные схемотехнические и технологические возможности по построению микроэлектронной аппаратуры с лучшими показателями по надежности, габаритным размерам, быстродействию и т.п. В зависимости от функционального назначения ИС можно разделить на аналоговые и цифровые. В аналоговых ИС сигнал на выходе является непрерывной функцией сиг- нала, действующего на входе. В этих ИС сигнал отображается обычно мгно- венным значением напряжения (или тока) на входе и выходе элемента. Аналоговые ИС по выполняемым функциям подразделяются на следующие подгруппы: генераторы, детекторы, коммутаторы, модуляторы, преобразователи, вторичные источники питания, устройства задержки, устройства сравнения, усилители, фильтры, формирователи, многофункциональные ИС. В цифровых ИС сигналы имеют два дискретных уровня, одному из которых присваивается условное наименование «логическая единица», а другому – «логический ноль». В качестве сигналов чаще всего выбираются уровни напряжений на входе и выходе элемента. Обычно напряжение высокого уровня принимается за «единицу», напряжение низкого уровня — за «нуль». Цифровые ИС по выполняемым функциям подразделяются на следующие подгруппы: логические элементы, триггеры, цифровые устройства, запоминающие устройства, вычислительные устройства. В настоящее время широко применяют аналого-цифровые ИС, в которых аналоговый сигнал преобразуется в цифровой и наоборот. Обычно микросхемы выпускают сериями, представляющими собой сово- купность ИС имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенных для совместного применения. Количество элементов и компонентов, находящихся в корпусе ИС, опре- деляет степень ее интеграции K = [lg N], где фигурные скобки означают округление до ближайшего большего целого числа. В соответствии с этой формулой к ИС первой степени интеграции относятся микросхемы, содержащие до 10 элементов и компонентов включительно, ко второй – до 100, к третьей – до 1000 и т.д. В настоящее время выпускаются ИС седьмой степени интеграции. В литературе часто встречаются такие понятия сложности, как: малая (МИС), средняя (СИС), большая (БИС) и сверхбольшая интегральная схема (СБИС). Эти понятия зависят не только от числа элементов и компонентов, но и от функционального назначения ИС, технологии ее изготовления. Большинство аналоговых ИС относится к малым и средним интегральным схемам, однако разработаны гибридные БИС, а также сверхбольшие гибридные БИС (СБИС). Цифровые ИС, содержащие логические элементы, триггеры и цифровые устройства, как правило, представляют собой малые и средние микросхемы, а вычислительные устройства (микропроцессоры) и запоминающие устройства относятся, как правило, к большим и сверхбольшим интегральным схемам (БИС, СБИС). Основными проблемами, которые приходится решать при повышении степени интеграции, являются уменьшение рассеиваемой мощности, создание сложных межсоединений и корпусов БИС. Проблема рассеивания мощности возникает вследствие того, что кремниевая подложка ИС допускает удельную мощность, не превышающую 5 Вт/см 2 (при естественном охлаждении). Проблема межсоединений обусловлена тем, что из-за большого количества элементов для их соединений часто требуется многослойная система разводки. Изоляция слоев соединений и необходимость осуществления связей между ними представляет трудную технологическую задачу. Сложной является также проблема создания надежных корпусов с количеством выводов более 100. Основным путем достижения высокой степени интеграция полупроводниковых ИС является использование элементов с минимальными размерами и потребляемой мощностью. В современных БИС широко используются МДП-элементы с каналом п-типа и маломощные элементы на базе диодов Шоттки. Одним из перспективных видов элементов для построения БИС являются приборы с инжекционным питанием. Другим путем повышения степени интеграции является увеличение пло- щади кристалла, размеры которого достигают в настоящее время 10×10 мм. Однако этот путь имеет ограничение, связанное с тем, что с ростом площади кристалла экспоненциально уменьшается выход годных кристаллов из-за большой вероятности появления дефектов в кристаллической решетке. 5. Аналоговые ИС предназначены для преобразования и обработки сигна- лов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Они находят широкое применение в профессиональной и любительской аппаратуре связи, телеви- дения и телеуправления, магнитофонах, измерительных приборах, системах контроля и т.п. Благодаря совершенствованию технологии, схемотехники и методов про- ектирования номенклатура аналоговых ИС постоянно расширяется, замени улучшаются их функциональные возможности. Выпускаются ИС для различ- ных генераторов, детекторов, модуляторов, преобразователей, усилителей коммутаторов, ключей, фильтров, устройств селекции и сравнения, вторич- ных источников питания, а также многофункциональные ИС и др. Все они объединены в серии. На первом этапе развития микроэлектроники серии аналоговых ИС, как правило, имели сравнительно узкое функциональное предназначение и ограниченный состав, а сами ИС были далеки до функциональной завершенности. Применение ИС, особенно совместное использование ИС разных серий, было сопряжено с необходимостью подк- лючения сравнительно большого количества дополнительных внешних эле- ментов, что снижало ожидаемый эффект от использования изделий, выпол- ненных по интегральной технологии, и вызывало скептическое отношение к новой элементной базе со стороны отдельных профессиональных разработчиков аппаратуры и радиолюбителей. В настоящее время наметилась тенденция к формированию серий аналоговых ИС с ориентацией не на тип, а на класс аппаратуры. Прослеживается стремление разработчиков к максимально возможному расширению функциональных возможностей большинства ИС. Усилительные ИС составляют наиболее многочисленную и универсаль- ную подгруппу среди аналоговых ИС. Для них характерны определенные схемотехнические особенности, связанные с достоинствами и ограничениями интегральной технологии: преимущественное использование п-р-п структур, замена высокоомных резисторов активными транзисторными источниками тока, обладающими большим динамическим внутренним сопротивлением, отказ от применения межкаскадных разделительных конденсаторов, широкое использование составных транзисторов, управляемых, источников тока, комплементарных структур, дифференциальных транзисторных пар, многоэ- лектродных транзисторов, различных термостабилизирующих цепей и др. Выпускаемые промышленностью ИС усилителей существенно различа- ются по основному предназначению, функциональным возможностям, схемотехнической сложности и т.д. Для усилителей звуковой частоты (УЗЧ) и трактов ЗЧ аппаратуры радиосвязи и радиовещания выпускается широкая гамма ИС. Несколько ИС УЗЧ для высококачественной звуковоспроизводящей ап- паратуры выпускаются в составе серии К174. Микросхема К174УН4 предна- значена для использования в усилителях мощности звуковых трактов. Выхо- дная мощность усилителя до 1 Вт при сопротивлении нагрузки 4 Ом и номи- нальном напряжении питания 9 В. Коэффициент гармоник не более 2%, ко- эффициент усиления 4…40. Входное сопротивление на частоте 1 кГц не менее 10 кОм. Ток потребления не превышает 10 мА. Рисунок 9 – Усилители звуковой частоты Используя ИС К174УН7, можно построить УЗЧ (рис.9, а) с выходной мощностью 0,05...4,5 Вт. Коэффициент гармоник ИС усилителя при мощнос- ти до 2,5 Вт не превышает 2%, а затем возрастает до 10% при мощности 10 Вт. Микросхема предназначена для использования в телевизионных прие- мниках. Напряжение питания составляет 15 В, ток потребления 5... 20 мА. Микросхема К174УН9 предназначена для создания низкочастотного усилителя мощности (рис.9, 6), работающего в диапазоне 0,02...20 кГц при коэффициенте неравномерности АЧХ не более 3 дБ. Коэффициент гармоник усилителя при выходной мощности 5 Вт не более 1 % для модификации А и 2 % для модификации Б. В ИС предусмотрена возможность регулирования коэффициента усиления и улучшения АЧХ с помощью внешних элементов. Предусмотрена зашита от перегрузок на выходе. Ток потребления УЗЧ не более 30 мА, напряжение питания 18 В. Особого внимания среди выпускаемых промышленностью ИС заслуживают операционные усилители (ОУ) различных серий. За последние годы благодаря совершенствованию технологии и развитию схемотехники значительно расширена номенклатура ОУ и улучшено их качество. Повышены коэффициент усиления и коэффициент подавления син- фазного сигнала, расширен частотный диапазон, увеличено быстродействие и входное сопротивление, уменьшены входные токи и их разности, обеспече- на защита выходных каскадов многих ОУ от перегрузки при коротком за- мыкании в нагрузке и др. В современных ОУ широко применяют супер-β-транзисторы, двухэмиттерные транзисторы, полевые транзисторы, двухколлекторные боковые р-п-р транзисторы, являющиеся эквивалентами высокоомных генераторов стабильного тока с малыми токами эмиттера и др. Операционные усилители на практике условно классифицируют на нес- колько групп. К ОУ общего применения относят обычно ИС, характеризуемые средними значениями параметров по сравнению с максимальным достигнутыми уровнем и суммарной погрешностью в пределах единиц процентов. На их основе можно построить УЗЧ, усилители постоянного и переменного тока, генераторы сигналов различной формы, гираторы, функциональные преобразователи, стабилизаторы, компараторы, активные фильтры и др. Прецизионные ОУ характеризуются суммарной погрешностью не более долей процента. У них очень высокий коэффициент усиления по напряжению, хорошее подавление синфазного сигнала, низкий уровень шума, незначительное напряжение смещения нуля, пренебрежимо малый дрейф основных параметров. Основное назначение прецизионных ОУ – усиление без искажении слабых электрических сигналов датчиков, сопряженных с измерительными устройствами. К быстродействующим ОУ относят ИС, обеспечивающие скорость нарастания выходного сигнала более 50 В/мкс. Для повышения быстродействия в ОУ вводят дополнительный ВЧ канал, максимально (до двух) сокращают число усилительных каскадов, используют преимущественно высококачественные биполярные п-р-п и п-канальные МДП-транзисторы, широко используют каскадное включение транзисторов и глубокие ООС. Для работы в малогабаритной, в том числе, переносной аппаратуре с ба- тарейным питанием, выпускают микромощные ОУ. Перевод ИС в микроват- тный режим осуществляется как путем уменьшения тока потребления, так и снижением напряжения источника питания. Микромощные ОУ строятся пре- имущественно по двухкаскадной схеме с динамической нагрузкой, с использованием достоинств экономичных комплементарных структур. Источники стабильного тока и внутренние стабилизаторы напряжения во многих микромощных ОУ управляются извне. Выпускаются мощные ОУ с выходным током в пределах единиц ампер и высоковольтных ОУ с повышенным напряжением питания. При работе с ОУ в интересах оптимизации выбора элементной базы необ- ходимо учитывать схемотехнические и технологические особенности отдель- ных ИС. Например, МДП-транзисторы на входе ОУ позволяют получить очень высокое входное сопротивление и малый входной ток, но по шумовым параметрам и дрейфу напряжения смещения они уступают ОУ на биполярных структурах (особенно с супер-β-транзисторами) и на полевых транзисторах с управляющим р-п переходом. Операционные усилители с дифференциальным входом более многофункциональны, чем усилители, имеющие лишь инвертирующий вход, но последние обеспечивают лучшее быстродействие. Двухканальные ОУ более высокочастотны, чем одноканальные. Минимальным напряжением смещения нуля и лучшими шумовыми параметрами характеризуются ОУ с преобразованием сигнала и т.д. Рисунок 10 – Схема операционного усилителя К140УД14 Например, особенности ОУ К140УД14 (рис.10) определяются применени- ем во всех каскадах супер-β-транзисторов. В последние годы большое развитие получили ИС компараторов. Они широко используются в профессиональной и любительской аппаратуре при переходе от аналоговых трактов к цифровым, при необходимости сравнения двух сигналов и в ряде других случаев. Компараторы представляют собой специализированные ОУ, работающие в нелинейном режиме и предназначенные для сравнения входного сигнала с опорным. В зависимости от того, какой из этих сигналов преобладает, на выходе компаратора устанавливается напряжение, соответствующее уровню логического нуля или логической единицы. Наиболее типична трехкаскадная схема компаратора: входной дифферен- циальный усилитель, в значительной степени определяющий чувствитель- ность, быстродействие, входные токи, диапазон допустимых входных напря- жении, коэффициент ослабления синфазного сигнала и ряд других парамет- ров, промежуточный усилитель, обладающий большим усилением и обеспечивающий формирование больших перепадов напряжения при незначительной разнице сигналов на входах, выходной формирователь уровня, представляющий собой усилитель мощности. Серийные компараторы подразделяют по точности и быстродействию. В зависимости от целевого предназначения ИС ее каскады имеют определенные особенности. Например, для обеспечения максимального быстродействия нельзя допускать перехода транзисторов в режим глубокого насыщения, а усиление должно быть наименьшим из обеспечивающих требуемую чувствительность. Наиболее эффективно в этом плане применение широкополосных дифференциальных усилителей с использованием каскадных схем, замена усилителей напряжения усилителями токов, что сокращает время зарядки паразитных емкостей и др. 6. Современные цифровые микросхемы характеризуются широким диапазоном выполняемых функций и большим разнообразием вариантов конструктивно-технологического исполнения. Цифровые ИС, как и аналоговые, выпускаются сериями. Микросхемы од- ной серии имеют одинаковые напряжения питания, электрические и эксплуа- тационные характеристики и при совместном применении не нуждаются в дополнительных согласующих элементах. Принадлежность ИС к той или иной серии указывают в ее условном обозначении. Среди большого числа серий цифровых ИС можно выделить следующие группы: серии функцио- нально полного состава, серии, специализированные по функциональному назначению, микропроцессорные комплекты больших интегральных схем. Серии первой группы включают ИС различного функционального назначения: логические, триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы, кодопреобразователи и т.д. Чем шире функциональный состав серии, тем в большей степени она обеспечивает выполнение требований к микроэлектронной аппаратуре в отношении надежности, компактности, экономичности, технологичности, удобства эксплуатации и ремонта. Некоторые серии состоят из 100 и более типов ИС. Серии ИС второй группы характеризуются более узкой специализацией. К ним относят серии ИС памяти, серии ИС сопряжения с линиями передачи и управления различными устройствами (интерфейсные ИС), серии ИС аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, серии ИС вторич- ных источников питания и т. д. Серии ИС третьей группы, называемые микропроцессорными комплектами БИС, включают ИС, необходимые для построения микропроцессорных вычислительных и управляющих устройств. Сюда входят микропроцессоры БИС ввода-вывода, таймеры, генераторы, различные вспомогательные ИС. Цифровую микросхему как функциональный узел характеризуют системой сигналов, которые целесообразно разделить на информационные и управляющие. Сигналы управления определяют вид операции, режим работы ИС, o обеспечивают синхронизацию, установку начального состояния, коммутируют входы и выходы, стробируют входные или выходные сигналы, задают адрес, например в БИС памяти, и т.д. Современные ИС повышенного уровня интеграции содержат в едином полупроводниковом кристалле десятки и сотни тысяч транзисторов, объединенных в сложные функциональные узлы и устройства. Такие БИС имеют большое число внешних выводов (24, 48 или 64) для информационных и управляющих сигналов. Учитывая сложность таких ИС, их свойства обычно рассматривают на структурном уровне с привязкой основных элементов структуры ИС к ее информационным и управляющим сигналам. Такой подход оказывается целесообразным и при рассмотрении сравнительно несложных ИС, таких, как триггеры, регистры и т. п. Потребляемая микросхемой от источника питания мощность в режиме переключения обычно значительно выше, чем в статическом режиме. Для некоторых типов ИС это превышение может достигать двух-трех порядков. Это объясняется наличием в микросхемах емкостных элементов, работой биполярных транзисторов с насыщением и другими причинами. Указанное обстоятельство следует учитывать при расчете энергоемкости источников питания микроэлектронных устройств. Динамическая помехоустойчивость количественно определяется амплитудой кратковременного импульса помехи на входе ИС, при которой уровень сигнала на выходе не выходит за установленные пределы. Причиной возникновения импульсов помех могут быть емкостные и индуктивные связи в меж соединениях, источники мощных энергетических излучений (реле, тиристоров и др.), броски тока и напряжения в цепях питания. Имеется тесная связь между временными параметрами и динамической помехоустойчивостью: чем меньше средняя задержка, т.е. чем выше быстродействие ИС, тем ниже ее динамическая помехоустойчивость. Об этом следует помнить при выборе ИС: неоправданное завышение требований к быстродействию ИС неминуемо приводит кснижению надежности функционирования микроэлектронных устройств из-за сбоев под воздействием импульсов помех. Современные цифровые ИС характеризуются широким диапазоном элек- трических параметров. Наиболее важным показателем, определяющим многие свойства и область применения ИС, является быстродействие. С быстродействием непосредственно связан другой важный показатель – потребляемая мощность: чем выше скорость переключения, тем большая мощность потребляется ИС от источника питания. В свою очередь, мощность потребления определяет уровень рассеиваемой мощности, а через этот показатель – допустимую плотность размещения элементов (транзисторов) в полупроводниковом кристалле, т.е. уровень интеграции: чем выше уровень потребляемой мощности, тем ниже уровень интеграции. Поэтому практически целесообразно иметь серии ИС с различным быстродействием и энергопотреблением. В зависимости от технологии изготовления ИС подразделяются на серии (семейства), различающиеся физическими параметрами базовых элементов, а также числом и функциональным назначением входящих в их состав микрос- хем. В настоящее время разработано несколько десятков технологий изготов- ления ИС. Наиболее широкое применение находят ИС, изготовляемые по ТТЛ-, КМОП- и n-МОП-технологиям. Каждая технология непрерывно сове- ршенствуется с целью увеличения быстродействия ИС, уменьшения потребляемой мощности и увеличения степени интеграции-числа элементов, размещаемых на кристалле заданной площади. Наиболее важным параметром, характеризующим качество серий ИС, яв- ляется работа переключения – произведение среднего времени задержки сиг- налов в вентиле t з.ср на мощность потребления вентиля Р (табл. 1). Таблица 1 серия ИС t з.ср , нс Р, мВт/вент I 1 вх, мкА I° вх , мА F max, МГц I 1 вых ,мкА I° вых ,мкА n t з.ср ×P, Дж SN74 10 10 40 -1,6 35 -400 16 10 100 SN74L 33 1 10 -0,18 3 -200 3,6 10 33 SN74H 6 22 50 -2 50 -500 20 10 132 SN74LS 9,5 2 20 -0,36 45 -400 8 20 19 SN74S 3 19 50 -2 125 - 1000 20 10 57 SN74ALS 4 1 10 -0,2 50 -400 8 40 4 SN74AS 1,5 22 - - 200 - 20 100 33 SN74F 2 4 20 -0,6 130 -1000 20 33 8 Остальные параметры в табл. 1 означают: I° вх – входной ток при подаче на вход уровня логического нуля; I 1 вх – входной ток при подаче на вход уровня логической единицы; F max – максимальная частота переключения; I 1 вых – выходной ток при уровне логической единицы на выходе; I° вых – выходной ток при уровне логического нуля на выходе, n – нагрузочная способность (отношение I° вых /I о вх ). Наиболее перспективными являются ИС с диодами Шоттки. Комплементарные МОП ИС (КМОП ИС) характеризуются малым пот- реблением мощности в статическом режиме и большей помехоустойчивостью по сравнению с ТТЛ ИС. Первые КМОП ИС были разработаны фирмой КСА в 1968 г. В табл.2 приведено соответствие отечественных и зарубежных серий ИС. Таблица 2 Серия Фирма Напряжение питания, В отечественная зарубежная 164,176 CD4000 RCA 9 и 3...15 564, 561 CD4000A МС14000А RCA Motorola 3...15 КР1561 CD4000B МС14000В RCA Motorola 3...18 1564 54НС National Semiconductor Corp., Motorola 2...6 По сравнению с ТТЛ ИС следует отметить следующие достоинства КМОП ИС: малая потребляемая мощность в диапазоне частот до 2 МГц (в статичес- ком режиме мощность потребления составляет 0,02... 1 мкВт на вентиль); большой диапазон напряжения питания (3... 15 В; для серии 74НС 2...6 В) – можно использовать нестабилизированный источник питания; очень высокое входное сопротивление (10 3 ...10 6 МОм); большая нагрузочная способность (п=50; п=1000-на частотах до 10 кГц). незначительная зависимость характеристик от температуры. Недостатки КМОП ИС серий 561 и 1561: повышенное выходное сопротивление (0,5... 1 ком); большое влияние емкости нагрузки и напряжения питания на время за- держки, длительность фронтов и потребляемую мощность; большие времена задержек и длительности фронтов; большой разброс всех параметров. Увеличение мощности потребления с повышением частоты переключения вызвано наличием паразитных емкостей у входов ИС. На предельно допустимых частотах мощность потребления КМОП ИС оказывается такого же порядка, что и у ТТЛ ИС. Рекомендуемая литература 1. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е.Промышленная электроника: Учеб. для ВУЗов. – М.: Энергоатомиздат, 1988. С.9-103, 134-210. 2. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 288 с. 3. Могилевский М.М., Анохина И.Д., Бревда Н.И. Общая радиотехника. – К.: Вища школа, 1985. С.35-67, 93-109, 216-243. 4. Вениаминов B.H., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение. – М.: Радио и связь, 1989. 5. ПухальскиЙ Г.И., Новосельцев ТЛ. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник. – М.: Радио и связь, 1990. 6. Тарабрин Б.В., Лукин Л.Ф. и др. Интегральные микросхемы: Справочник. – М.: Радио и связь, 1986. 7. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. – М.: Радио и связь, 1987. Контрольные задания для СРС [1-7] 1. Дать общую характеристику современных интегральных микросхем 2. Проанализировать архитектуру современных микропроцессоров |