Для чего нужны микросхемы

9

Урок 2.5 — Транзисторы и микросхемы

Микросхема является миниатюрным электронным блоком, в корпус которого «входят» пассивные и активные радиоэлектронные компоненты (транзистор, резистор, диод и прочие). Количество РЭК в микросхеме может варьироваться от десяти до нескольких сотен и тысяч. Даже одна современная микросхема порой заменяет большой электронный блок в любом оборудовании: в компьютере, электронно-вычислительных машинах, часах, телефонах.

Всего лишь с четверть века тому назад радиолюбители, производители всех стран, специалисты в радиоэлектронной области не могли и представить себе, что электронная лампа в скором времени уступить свое важное место в радио и электроаппаратуре полупроводниковым деталям, транзисторам, а затем и транзисторы постепенно начнут сдавать свои позиции, уступив свое место полупроводникам новейшего поколения – микросхемам. На сегодняшний день наибольшее применение имеет интегральная микросхема (ИМС).

Применение микросхем

Современные модели микросхем имеют широкое использование практически во всех сферах промышленности. Можно сказать, что где существует какое-либо оборудование, аппаратура, там присутствуют и микросхемы:

• Радиоэлектронная промышленность;
• Медицина;
• Военная отрасль;
• Авиация и космическая сфера;
• Кораблестроение;
• Точное приборостроение и многие другие отрасли.

Микросхемы производят в пластмассовом, металлическом, керамическом корпусе, чаще всего от материала корпуса зависит и цена на устройство. На стоимость влияет и функциональное назначение микросхемы, наносимое на компонент специальной маркировкой.

Что такое цифровые микросхемы. Виды цифровых микросхем

Что такое цифровые микросхемы. Виды цифровых микросхем

Вся современная схемотехника разделяется на две большие области: аналоговую и цифровую. Аналоговая схемотехника характеризуется:

1) максимальным быстродействием;

2) малым потреблением энергии;

3) малой стабильностью параметров.

Цифровая схемотехника обладает прекрасной повторяемостью параметров. Это привело к её развитию в последние годы. В результате в ряде устройств потребление цифровых модулей оказалось сравнимым и даже меньше потребления аналоговых схем, реализующих те же функции. Основные направления развития цифровых микросхем в настоящее время приведены на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 Классификация видов цифровых микросхем
Основные технологии производства цифровых микросхем, применяемые в настоящее время: ТТЛ, и КМОП,

Наиболее быстрые из цифровых микросхем обладают скоростью переключения порядка 3..5 нс., а внутри кристалла микросхемы, где нет больших ёмкостей нагрузки время переключения измеряется пикосекундами. Таким быстродействием обладают программируемые логические схемы и заказные БИС. В этих микросхемах алгоритм решаемой задачи заключён в их принципиальной схеме.

Часто для решаемой задачи не требуется такого быстродействия, каким обладают современные цифровые микросхемы. Однако за быстродействие приходится платить: V↑, следовательно Iпотр, Рпотр ↑

1. Быстродействующие микросхемы потребляют значительный ток. Первую задачу решает применение технологии КМОП цифровых микросхем. Потребляемый ими ток зависит от скорости переключения логических вентилей. Именно поэтому в настоящее время подавляющее большинство микросхем выпускается именно по этой технологии.
2. Для решения задачи приходится использовать много микросхем, это выливается в стоимость и габариты устройства (БИС и СИС). Вторую задачу решают несколькими способами. Для жёсткой логики это разработка специализированных БИС (СИС). Использование специализированных БИС позволяет уменьшить габариты устройства, но стоимость его снижается только при крупносерийном производстве. Для среднего и малого объёмов производства такое решение неприемлемо.

Ещё одним решением уменьшения габаритов и стоимости устройства является применение программируемых логических схем (ПЛИС). Это направление активно развивается в настоящее время.

Виды цифровых микросхем.

В настоящее время используется несколько видов логических элементов:

• диодно-транзисторная логика (ДТЛ)
• транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL)
• логика на основе комплементарных МОП транзисторов (КМОП, CMOS)
• логика на основе сочетания комплементарных МОП и биполярных транзисторов (BiCMOS)

Первоначально получили распространение цифровые микросхемы, построенные на основе ТТЛ технологии. Поэтому до сих пор существует огромное количество микросхем, построенных по этой технологии или совместимые с этими микросхемами по напряжению питания, логическим уровням и цоколёвке.

Таблица истинности — это совокупность всех возможных комбинаций логических сигналов на входе цифрового устройства и значений выходных сигналов для каждой комбинации. Для того, чтобы не пропустить ни одной комбинации входных сигналов их обычно записывают в виде двоичного кода. Пример таблицы истинности приведен в таблице 3.1.

Таблица 3.1 Таблица истинности цифровой микросхемы

Для описания принципов работы комбинационной цифровой схемы полностью достаточно таблицы истинности. Этой же таблицы достаточно для создания её принципиальной схемы.

Логические элементы.

Логические элементы

Любые цифровые микросхемы строятся на основе простейших логических элементов:

1. Логический элемент «НЕ» — выполняет функцию инвертирования;
2. Логический элемент «И» — выполняет функцию логического умножения.
3. Логический элемент «ИЛИ» — выполняет функцию логического суммирования;

Рассмотрим эти логические элементы подробнее.

Инвертор

Простейшим логическим элементом является инвертор, который просто изменяет значение входного сигнала на прямо противоположное значение. Его логическая функция записывается в следующем виде:

где черта над входным значением и обозначает изменение его на противоположное. То же самое действие можно записать при помощи таблицы истинности, приведённой в таблице 1. Так как вход у этого логического элемента только один, то его таблица истинности состоит только из двух строк.

Таблица 1.1 Таблица истинности логического инвертора

В качестве логического инвертора можно использовать обычный транзисторный усилитель с транзистором, включенном по схеме с общим эмиттером или истоком. Схема логического инвертора, выполненная на биполярном n-p-n транзисторе, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1.1 Схема простейшего логического инвертора

Схемы логических инверторов могут обладать различным временем распространения сигнала и могут работать на различные виды нагрузки. Они могут быть выполнены на одном или на нескольких транзисторах, но независимо от схемы этого логического элемента и её параметров они осуществляют одну и ту же функцию. Для того, чтобы особенности включения транзисторов не затеняли выполняемую функцию, были введены специальные обозначения для цифровых микросхем — условно-графические обозначения. Условно-графическое изображение инвертора приведено на рисунке 2.

Рисунок 2. Условно-графическое изображение логического инвертора

Логический элемент «И»

Следующим простейшим логическим элементом является схема, реализующая операцию логического умножения «И»:

F(x1,x2) = x1^x2

где символ ^ и обозначает функцию логического умножения. Иногда эта же функция записывается в другом виде:

F(x1,x2) = x1^x2 = x1·x2 = x1&x2.

То же самое действие можно записать при помощи таблицы истинности, приведённой в таблице 2. В формуле, приведенной выше использовано два аргумента. Поэтому элемент, выполняющий эту функцию имеет два входа. Такой элемент обозначается «2И». Для элемента «2И» таблица истинности будет состоять из четырех строк (22 = 4).

Таблица 1.2 Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию «2И»

Как видно из приведённой таблицы истинности активный сигнал на выходе этого логического элемента появляется только тогда, когда и на входе X и на входе Y будут присутствовать логические единицы. То есть этот логический элемент действительно реализует операцию «И»

Проще всего понять, как работает логический элемент «И», при помощи схемы, построенной на идеализированных ключах с электронным управлением, как это показано на рисунке 1.2 В этой схеме ток будет протекать только тогда, когда оба ключа будут замкнуты, а значит, единичный уровень на выходе схемы появится только при двух логических единицах на входе.

Рисунок 1.2 Принципиальная схема, реализующая логическую функцию «2И»

Условно-графическое изображение схемы, выполняющей логическую функцию «2И», на принципиальных схемах приведено на рисунке 1.3, и с этого момента схемы, выполняющие функцию “И” будут приводиться именно в таком виде. Это изображение не зависит от конкретной принципиальной схемы устройства, реализующей функцию логического умножения.

Рисунок 1.3 Условно-графическое изображение схемы, выполняющей логическую функцию «2И»

Точно так же описывается и функция логического умножения трёх переменных:

F(x1,x2,x3)=x1^x2^x3

Логический элемент «ИЛИ»

Следующим простейшим логическим элементом является схема, реализующая операцию логического умножения «И»:

F(x1,x2) = x1Vx2

где символ V обозначает функцию логического сложения. Иногда эта же функция записывается в другом виде:

F(x1,x2) = x1Vx2 = x1+x2 = x1|x2.

То же самое действие можно записать при помощи таблицы истинности, приведённой в таблице 4. В формуле, приведенной выше использовано два аргумента. Поэтому логический элемент, выполняющий эту функцию имеет два входа. Такой элемент обозначается «2ИЛИ». Для элемента «2ИЛИ» таблица истинности будет состоять из четырех строк (22 = 4).

Таблица 1.4. Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию «2ИЛИ»

Как и в случае, рассмотренном для схемы логического умножения, воспользуемся для реализации схемы «2ИЛИ» ключами. На этот раз соединим ключи параллельно. Схема, реализующая таблицу истинности 1.4, приведена на рисунке 1.5. Как видно из приведённой схемы, уровень логической единицы появится на её выходе, как только будет замкнут любой из ключей, то есть схема реализует таблицу истинности, приведённую в таблице 1.4.

Рисунок 1.5. Принципиальная схема, реализующая логическую функцию «2ИЛИ»

Так как функция логического суммирования может быть реализована различными принципиальными схемами, то для обозначения этой функции на принципиальных схемах используется специальный символ «1», как это приведено на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6. Условно-графическое изображение логического элемента, выполняющего функцию «2ИЛИ»

Триггер Шмитта

Триггер Шмитта представляет собой устройство охваченное положительной обратной связью. Наличие положительной обратной связи приводит к практически мгновенному изменению напряжения на выходе схемы при превышении входным сигналом порогового напряжения. Схема триггера Шмитта, построенная на двух инверторах приведена на рисунке 6.2.

Рисунок 6.2. Схема триггера Шмитта

В этой схеме положительная обратная связь образуется двумя резисторами. Глубина обратной связи определяется соотношением между этими резисторами. То, что часть сигнала с выхода схемы триггера Шмитта подаётся на её вход, приводит к тому, что вместо одного порога у неё имеется два порога. Один порог называется порогом срабатывания схемы (когда на выходе триггера Шмитта формируется единичный уровень). Второй порог называется порогом отпускания (когда на выходе триггера Шмитта формируется нулевой уровень). Из-за наличия двух порогов триггер Шмитта имеет ещё одно название — схема с гистерезисом.

Наличие двух порогов отчётливо видно на рисунке 6.3, где на вход триггера Шмитта подано синусоидальное напряжение. Входной и выходной сигналы исследуемой схемы на этом рисунке совмещены. В результате пороги срабатывания триггера Шмитта можно определить по точкам пересечения синусоиды и выходного сигнала.

Рисунок 6.3. Преобразование синусоидального сигнала в логический при помощи триггера Шмитта

Благодаря двум порогам схема нечувствительна к шумам на её входе. Ведь если триггер Шмитта перешёл в другое состояние, то для того, чтобы вернуть его в прежнее состояние нужно приложить напряжение, превышающее разность его порогов. Такое полезное свойство триггера Шмитта привело к его широкому использованию в схемах, подверженных влиянию шумов, таких как, например, шумоподавители ЧМ приёмников.

В качестве примера можно привести сигнал на выходе компаратора при воздействии точно такого же синусоидального сигнала, как и на рисунке 6.3. Эти сигналы приведены на рисунке 6.4. Как видно из этого рисунка, в момент пересечения синусоидальным сигналом порогового уровня компаратора, на его выходе появляются усиленные шумы входного сигнала. Это приводит к формированию лишних импульсов на выходе схемы, что не всегда приемлемо для правильной работы цифрового устройства в целом.

Условно-графическое изображение триггера Шмитта приведено на рисунке 6.5. Символ, изображённый на рабочем поле этого логического элемента говорит о наличии гистерезиса (разности порогов срабатывания).

Рисунок 6.5. Условно-графическое обозначение триггера Шмитта

В настоящее время производится много готовых микросхем, в которых содержится сразу несколько триггеров Шмитта. Пороги в этих схемах установлены заранее. Например, в микросхеме 555ТЛ2 содержится сразу шесть триггеров Шмитта с разносом порогов 800 мВ.

В КМОП микросхемах пороги срабатывания и отпускания устанавливаются на трети напряжения питания. Примером подобной микросхемы может служить КМОП микросхема К1561ТЛ1, в которой содержится четыре логических элемента «2И», каждый вход которого обладает гистерезисом.

В настоящее время за рубежом широко распространены микросхемы малой логики, где в одном очень маленьком корпусе, обычно с пятью выводами, размещается одиночный логический элемент. В качестве примера одиночного триггера Шмитта можно назвать микросхемы SN74AHC1G14 или SN74LVC1G17.

Системы счисления

Начнем с определения системы счисления. Система счисления — это совокупность правил записи чисел цифровыми знаками. Системы счисления бывают позиционные и непозиционные. В настоящее время и в технике и в быту широко используются как позиционные, так и непозиционные системы счисления. Рассмотрим сначала примеры непозиционных систем счисления.

В качестве классического примера непозиционной системы счисления обычно приводят римскую форму записи чисел. Там не менее это не единственная непозиционная система счисления, используемая в настоящее время.

Сейчас, как и в глубокой древности, для записи числа используются так называемые “палочки”. Эта форма записи чисел наиболее понятна и требует для записи числа всего один символ. Число образуется суммой этих “палочек”. Однако при записи больших чисел возникают неудобства. Число получается громоздким и его трудно читать.

В следующем варианте непозиционной системы счисления стали использовать несколько символов (цифр). Каждая цифра обозначает различное количеств единиц. Конечное число точно так же как и в предыдущем варианте образуется суммой цифр. Наиболее яркий вариант использования такой системы счисления — это денежные отношения. Мы с ними сталкиваемся каждый день. Здесь никому не приходит в голову, что сумма, которую мы выкладываем за продукты, может зависеть от того, в каком порядке мы расположим монеты на столе! Номинал монеты или банкноты не зависит от того, в каком порядке она была вынута из кошелька. Это классический пример непозиционной системы счисления.

Однако чем большее число требуется представить в такой системе счисления, тем большее количество цифр требуется для этого. Позиционные системы счисления были придуманы относительно недавно для того, чтобы сэкономить количество цифр, используемое для записи чисел.

Значение цифры в позиционной системе счисления зависит от её позиции в записываемом числе. В позиционной системе счисления появляются два очень важных понятия — основание системы счисления и вес цифры. Дело в том, что в позиционной системе счисления число представляется в виде формулы разложения:

где p — основание системы счисления pi — вес единицы данного разряда ai — цифры, разрешённые в данной системе счисления.

При этом количество цифр в системе счисления зависит от основания. Количество цифр равно основанию системы счисления. В двоичной системе счисления две цифры, в десятичной – десять, а в шестнадцатеричной – шестнадцать. Число в любой позиционной системе счисления записываются в виде последовательности цифр:

где ai – цифры данной системы счисления, а цифра, соответствующая единицам определяется по положению десятичной запятой (или десятичной точки в англоязычных странах). Каждая цифра, использованная в записи числа, называется разрядом.

Какие же системы счисления применяются в настоящее время? Первый ответ, который я ожидаю – это десятичная система счисления. А ещё? Да, да не удивляйтесь! Мы широко используем и другие системы счисления! Достаточно посмотреть себе на левую руку. Там мы увидим часы. Сколько минут помещается в часе? Шестьдесят! Сколько секунд помещается в минуте? Шестьдесят! Налицо признаки шестидесятеричной системы счисления. Это наследование древней вавилонской системы счисления, которую вместе с компасом и часами европейцы заимствовали от арабов.

А еще примеры? Да сколько угодно! Картушка компаса делится на восемь румбов. Чем не восьмеричная система счисления? А давно ли в России отказались от полушек (четверть копейки) или грошей (половина копейки)? А следующее значение монеты – две копейки! Чем не двоичная система счисления?

Рассмотрим подробнее системы счисления, наиболее часто используемые в цифровой технике.

Двоичная система счисления

Основание этой системы счисления p равно двум. В этой системе счисления используется две цифры. Чтобы не выдумывать новых символов для обозначения цифр, в двоичной системе счисления были использованы символы десятичных цифр 0 и 1. Для того чтобы не спутать систему счисления в записи числа используется индекс 2. Если же кроме двоичной формы записи чисел не предполагается использования никакой другой, то этот индекс можно опустить.

Число в этой системе счисления записывается как сумма единиц, двоек, четвёрок, восьмёрок и так далее. То есть веса соседних разрядов различаются в два раза. Точно также записываются и числа, меньшие единицы. В этом случае разряды числа будут называться как половины, четверти или восьмые доли единицы.

Рассмотрим пример записи двоичного числа:

При записи во второй строке примера десятичных эквивалентов двоичных разрядов мы не стали записывать степени двойки, которые умножаются на ноль, так как это привело бы только к загромождению формулы и, как следствие, затруднение понимания материала.

Недостатком двоичной системы счисления можно считать большое количество разрядов, требующихся для записи чисел. В качестве преимущества этой системы счисления можно назвать простоту выполнения арифметических действий, которые будут рассмотрены позднее. Используются так же восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления

Таблица 2.2 Пример таблицы истинности 2.2

Для реализации цифрового комбинационного устройства по таблице истинности при помощи логических элементов «ИЛИ» (СКНФ) достаточно рассмотреть только те строки таблицы истинности, которые содержат логические «0» в выходном сигнале. Строки, содержащие в выходном сигнале логическую «1» в построении логического выражения, а, следовательно, и принципиальной схемы цифрового устройства не участвуют. Каждая строка, содержащая в выходном сигнале логический «0», реализуется схемой логического элемента «ИЛИ» с количеством входов, совпадающим с количеством входных сигналов в таблице истинности.

Для построения схемы, реализующей сигнал Out0, достаточно рассмотреть строки, выделенные курсивом. В рассматриваемой таблице истинности имеются всего две строки, содержащие логический ноль в выходном сигнале a, поэтому в формуле СКНФ будет содержаться две суммы входных сигналов:

Входные сигналы, описанные в таблице истинности логическим нулём, подаются на вход этой схемы непосредственно, а входные сигналы, описанные в таблице истинности логической единицей, подаются на логического элемента «ИЛИ» через инверторы. Объединение сигналов с выходов схем «ИЛИ», реализующих отдельные строки таблицы истинности, производится при помощи схемы логического элемента «И». Количество входов в схеме «И» определяется количеством строк в таблице истинности, в которых в выходном сигнале присутствует логическая единица.

Полученная формула в схеме на рисунке 9 реализуются микросхемой D2.

Для построения схемы, реализующей сигнал b, достаточно рассмотреть строки, выделенные жирным шрифтом. Эти строки в схеме на рисунке 9 реализуются микросхемой D3. Принцип построения этой схемы не отличается от примера, рассмотренного выше. В таблице истинности присутствуют всего две строки, содержащие ноль в выходном сигнале b, поэтому в формуле СКНФ выхода b будет содержаться две суммы входных сигналов:

Дешифраторы (декодеры)

Декодеры (дешифраторы) позволяют преобразовывать одни виды бинарных кодов в другие. Например, преобразовывать позиционный двоичный код в линейный восьмеричный или шестнадцатеричный. Преобразование производится по правилам, описанным в таблицах истинности, поэтому построение дешифраторов не представляет трудностей. Для построения дешифратора можно воспользоваться правилами синтеза логической схемы для произвольной таблицы истинности.

Таблица 3.1. Таблица истинности десятичного декодера.

В соответствии с принципами построения схемы по произвольной таблице истинности получим схему декодера, реализующего таблицу истинности, приведённую в таблице 3.1. Эта схема приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1. Принципиальная схема двоично-десятичного дешифратора (декодера).

Как видно на этой схеме для реализации каждой строки таблицы истинности потребовалась схема «4И». Схема «ИЛИ» не потребовалась, так как в таблице истинности на каждом выходе присутствует только одна единица.

Дешифраторы выпускаются в виде отдельных микросхем или используются в составе других микросхем. В настоящее время десятичные или восьмеричные дешифраторы используются в основном как составная часть других микросхем, таких как мультиплексоры, демультиплексоры, ПЗУ или ОЗУ.

Условно-графическое обозначение микросхемы дешифратора на принципиальных схемах приведено на рисунке 3.2. На этом рисунке приведено обозначение двоично-десятичного дешифратора, полная внутренняя принципиальная схема которого изображена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.2. Условно-графическое обозначение двоично-десятичного дешифратора.

Точно таким же образом можно получить принципиальную схему и для любого другого декодера (дешифратора). Наиболее распространены схемы восьмеричных и шестнадцатеричных дешифраторов. Для индикации такие дешифраторы в настоящее время практически не используются. В основном такие дешифраторы используются как составная часть более сложных цифровых модулей.

Мультиплексоры

Мультиплексорами называются устройства, которые позволяют подключать несколько входов к одному выходу. Демультиплексорами называются устройства, которые позволяют подключать один вход к нескольким выходам. В простейшем случае такую коммутацию можно осуществить при помощи ключей:

Рисунок 5.1. Коммутатор (мультиплексор), собранный на ключах.

Такой коммутатор одинаково хорошо будет работать как с аналоговыми, так и с цифровыми сигналами. Однако скорость работы механических ключей оставляет желать лучшего, да и управлять ключами часто приходится автоматически при помощи какой-либо схемы.

В цифровых схемах требуется управлять ключами при помощи логических уровней. То есть нужно подобрать устройство, которое могло бы выполнять функции электронного ключа с электронным управлением цифровым сигналом.

Демультиплексоры

Демультиплексорами называются устройства, которые позволяют подключать один вход к нескольким выходам. Демультиплексор можно построить на основе точно таких же схем логического «И», как и при построении мультиплексора. Существенным отличием от мультиплексора является возможность объединения нескольких входов в один без дополнительных схем. Однако для увеличения нагрузочной способности микросхемы, на входе демультиплексора для усиления входного сигнала лучше поставить инвертор.

Схема демультиплексора приведена на рисунке 6.1. В этой схеме для выбора конкретного выхода демультиплексора, как и в мультиплексоре, используется двоичный дешифратор.

Рисунок 6.1. Принципиальная схема демультиплексора, управляемого двоичным кодом.

Однако, если рассмотреть принципиальную схему самого дешифратора, то можно значительно упростить демультиплексор. Достаточно просто к каждому логическому элементу ‘И’, входящему в состав дешифратора просто добавить ещё один вход – In. Такую схему часто называют дешифратором с входом разрешения работы. Условно-графическое изображение демультиплексора приведено на рисунке 6.6.

Рисунок 6.6 Условно графическое обозначение демультиплексора с четырьмя выходами.

В этом обозначении вход In обозначен как вход E, а выходы не названы никак, оставлены только их номера.

В МОП микросхемах не существует отдельных микросхем демультиплексоров, так как МОП мультиплексоры, описанные ранее по информационным сигналам не различают вход и выход, т.е. направление распространения информационных сигналов, точно также как и в механических ключах, может быть произвольным. Если поменять входы и выход местами, то КМОП мультиплексоры будут работать в качестве демультиплексоров. Поэтому их часто называют просто коммутаторами.

Генераторы

Мультивибраторы

Еще одной распространённой схемой генераторов на логических элементах является схема мультивибратора. В этой схеме для реализации положительной обратной связи используется два инвертора. Каждый из усилителей осуществляет поворот фазы генерируемого сигнала на 180°. В результате реализуется баланс фаз. Схема мультивибратора приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1. Схема мультивибратора, выполненная на двух логических инверторах.

Коэффициент усиления каждого из усилителей определяется соотношением резисторов R2/R1 и R4/R3. В этой схеме возможна независимая регулировка частоты и скважности генерируемых колебаний. Длительность импульсов и длительность паузы между импульсами регулируется независимо при помощи RC цепочек R1 C2 и R3 C1. Период следования импульсов Т определяется как сумма двух времен заряда конденсаторов:

Т = tзар1 + tзар2,

где tзар1 = R2C2 ln(U1/Uпор); tзар2 = R4C1 ln(U1/Uпор).

Укорачивающие одновибраторы

Рассмотрим схему, приведённую на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1. Схема укорачивающего одновибратора (ждущего мультивибратора).

Если бы логические элементы не обладали задержкой, то на выходе такой схемы постоянно присутствовал единичный логический уровень. Однако это не так. Сигнал на выходе инвертора задержан по отношению к его входу. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе инвертора, а также на выходе схемы логического элемента «И» приведены на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2. Временные диаграммы укорачивающего одновибратора.

Как видно из этих временных диаграмм, одновибратор, схема которого приведена на рисунке 5.1, вырабатывает одиночный импульс по переднему фронту входного сигнала. Длительность импульса на выходе такой схемы будет равна времени задержки инвертора.

Если требуется длительность выходного импульса, большая времени задержки одиночного инвертора, то можно применить дополнительные элементы задержки на пассивных RC элементах. Пример подобной схемы одновибратора приведён на рисунке 5.3, а временные диаграммы этой схемы — на рисунке 5.4.

Рисунок 5.3. Схема укорачивающего одновибратора с использованием RC элементов задержки.

Длительность выработанного формирователем импульса можно вычислить исходя из условия разряда конденсатора С. Действительно, пока конденсатор С разряжается до уровня порогового напряжения U, напряжение U2 воспринимается логическим элементом «2И-НЕ» как уровень логической единицы и на его выходе поддерживается уровень логического нуля. С течением времени напряжение на конденсаторе C становится равным Uпор и на выходе логического элемента «2И-НЕ» появится уровень логической единицы. Если считать, что напряжение до начала разряда на конденсаторе было равно напряжению уровня уровень логической единицы U1, то изменение напряжения UC с течением времени можно представить как:

Длительность импульса равна времени разряда конденсатора до порогового значения Uпор

Рисунок 5.4. Временные диаграммы укорачивающего одновибратора с использованием RC элементов задержки.

Триггеры

Триггеры предназначены для запоминания двоичной информации. Использование триггеров позволяет реализовывать устройства оперативной памяти (то есть памяти, информация в которой хранится только на время вычислений). Однако триггеры могут использоваться и для построения некоторых цифровых устройств с памятью, таких как счётчики, преобразователи последовательного кода в параллельный или цифровые линии задержки.

Простейшая схема, позволяющая запоминать двоичную информацию, может быть построена на двухинверторах, охваченных положительной обратной связью. Эта схема приведена на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 Схема простейшего триггера, построенного на инверторах.

В этой схеме может быть только два состояния – на выходе Q присутствует логическая единица и на выходе Q присутствует логический ноль. Если логическая единица присутствует на выходе Q, то на инверсном выходе будет присутствовать логический ноль, который после очередного инвертирования подтверждает уровень логической единицы на выходе Q. И наоборот, если на выходе Q присутствует логический ноль, то на инверсном выходе будет присутствовать логическая единица.

Такая ситуация будет сохраняться до тех пор пока включено питание. Но вот вопрос — а как записывать в такой триггер информацию? Нам потребуются входы записи нуля и записи единицы. Триггер с подобной возможностью получил название RS триггер. Его мы рассмотрим в следующей главе.

RS триггер

RS триггер получил название по названию своих входов. Вход S (Set — установить англ.

) позволяет устанавливать выход триггера Q в единичное состояние. Вход R (Reset — сбросить
англ.
) позволяет сбрасывать выход триггера Q (Quit — выход
англ.
) в нулевое состояние.

Для реализации RS триггера воспользуемся логическими элементами «2И-НЕ». Его принципиальная схема приведена на рисунке 2.2

Рисунок 2.2 Схема простейшего rs триггера на схемах «2И-НЕ». Входы R и S инверсные (активный уровень’0′).

История создания микросхемы

Первые микросхемы имели значительные габариты, были тяжеловатыми, по сравнению с современными, слегка уродливыми, неаккуратными, отовсюду торчали соединительные провода. Но даже такая «микросхема», точнее прототип современной, все-таки работала. Современные микросхемы нашли свое применение в промышленном производстве не очень давно, но разработка этого устройства началась еще лет шестьдесят назад американским инженером Джеком Килби. Впервые прототип был показан Джеком своему начальству в 1958 году. А началось это летним жарким днем, когда практически все служащие отдела находились в отпуске, Килби сидел и лениво размышлял, как упростить некое устройство. И тут его осенило, что эффективно и удобно будет, если создать из полупроводниковых деталей, не просто транзистор, а всю электрическую схему, поместив ее на плату. Создавался первый в мире прототип «микросхемы» на германиевой пластине, на нее инженер встроил детали электрической цепи, которая преобразовывала в переменный ток постоянный. Все блоки МС были соединены металлическими проводами, которые не припаивались, а находились в подвесном состоянии. Всё это выглядело очень нелепо, но работало. Со временем и множеством усовершенствований, микросхему начали выпускать серийно, но все же эта деталь абсолютно не дотягивала до своего названия «микро». В 2000 году Килби получил Нобелевскую премию за разработку данного элемента.

Что такое микросхемы и какая их главная задача

Википедия гласит, что микросхема — это материальное воплощение электрической схемы, которое выполняет определенную функцию. Эта формулировка также подходит к чипам — маленьких плоских кусочков, на поверхности которых, собственно происходит весь процесс.

Микросхемы обрабатывают информацию, которая выражена двоичным кодом (бинарным кодом) единицами и нулями. Они работают на основе транзисторов — радиоэлектронных полупроводниковых элементов, которые управляют входным током. В одной микросхеме помещается до миллиарда транзисторов, что дает нам огромные вычислительные мощности. Сегодня, на микросхемах построены современные компьютеры, смартфоны и вся умная электроника.

Как работает микросхема

Так как микросхемы является основой всех гаджетов, что нас окружают, следовательно, технология достаточно массовая. В ее основе лежит специальный материал — монокристаллический кремний, на нем и формируется инженерами микросхемы с электронных элементов: конденсаторов, резисторов и транзисторов.

во избежании неприятностей, микросхемам нужен диэлектрик, который служит для изоляции транзисторов друг от друга и металлические проводники для соединения. Иными словами говоря, транзистор превращает входной ток и передает информацию в виде 01001 110 000111 010101… и тому подобное.

Как изготовляют монокристаллический кремний

В современных микросхемах на одном кристалле кремния расположены миллиарда транзисторов, поэтому их размещением занимается компьютер, а не человек.

Кристаллы для микросхем выращивают специальным способом, к сплаву кремния кладут небольшой кусочек самого кремния, и медленно его вращают, пока не начнет застывать. Из этого следует цилиндр монокристаллического кремния, который нарезают на несколько пластин. К кремнию добавляют атомы различных элементов, формируя ключевой элемент транзистора — p-n-переход. Пленка из оксида кремния изолирует транзисторы, а металлические развязки соединяют их между собой.

Быстрая и правильная обработка информации – главная задача микросхем

Выше говорилось, что микросхемы выполняют вычислительные функции. Они обрабатывают двоичный код, трансформируя его в электрический сигнал и наоборот. С микросхем созданы различные устройства — от датчиков движения к средствам машинного зрения и разумных бытовых приборов.

Что такое закон Мура?

Основатель корпорации Intel Гордон Мур вычислил, что количество транзисторов на монокристалле удваивается каждые два года. Это происходит благодаря уменьшению самих транзисторов, однако у этого процесса есть предел, который рано или поздно придется пересечь, что есть проблемой, так как неизвестно как это сделать.

Производство центральных процессоров, внутри наших устройств, имеет ограничения. Дело в том, что общая вычислительная мощность возрастает, если распределять задачи между ядрами процессора. Логичное решение — создание многоядерных процессоров — позволило сделать рывок в микроэлектронике 10 лет назад, когда Intel представила двухъядерный процессор Core Duo.

Впрочем, этот же закон вводит ограничения на рост производительности от этой многоядерности.

Угрозу видят в том, что на фоне стремительного роста технологий микросхем предыдущие технологии будут слишком быстро и «искусственно-принудительно» устаревать. Через токсичные материалы, которые используют в производстве современных компьютеров, чрезмерный моральный износ без разумного регулирования имеет вредное воздействие на окружающую среду и может привести к катастрофе.

Мировая микроэлектроника, следуя закону Мура, до сих пор всегда опровергала опасения инженеров, что вот-вот упремся в непреодолимые физические ограничения, после которых отрасль или застрянет навсегда, или должна будет перейти на принципиально новые материалы и технологии.

Что такое интегральная микросхема

Интегральная схема – это изделие из микроэлементов с высокой миниатюризацией. Эти элементы преобразуют и обрабатывают сигналы. Сама схема имеет высокую плотность самих элементов. Такие элементы называются компонентами и выполняют ту или иную задачу. Эти схемы могут быть разной сложности и типов – от самых простых до сложнейших.

Используются ИС в создании компьютеров, различной вычислительной техники и другом оборудовании, в том числе промышленном и бытовом. Более подробно о строении, использовании, а также развитии интегральных схем будет рассказано в данной статье. В качестве информационного дополнения, в материале содержатся два подробных видеоролика и один скачиваемые файл о строении ИС.

Что такое интегральная схема

Интегральные микросхемы

По научному определению, интегральные микросхемы – это отдельные высокотехнологичные устройства (с огромным количеством электронных компонентов, заключенных в маленьком корпусе), которые выполняют какую-то функцию или действие. Этих функций может быть или одна или несколько. Вот список некоторых основных функций, которые выполняют интегральные микросхемы:

• Преобразование сигнала (например, из аналогового в цифровой и обратно).
• Обработка сигнала (например, усиление и очистка звука)
• Действия вычитания, сложения, умножения и деления сигнала (логические микросхемы)

Интегральные микросхемы представляют собой изделие, выполненное в герметизированном (металлическом, пластмассовом, керамическом, металлокерамическом и так лале) корпусе. Микросхемы бывают различного исполнения (прямоугольные, треугольные, круглые) с разным количеством выводов: от трех (например, на стабилизаторе LM7805, до нескольких сотен на процессорах).

Интегральные микросхемы (и аппаратура на них) обладают неоспоримыми преимуществами:

• Высокой технологичностью и надежностью. Ведь все микросхемы производят на специализированных заводах и фабриках с современной технологией производства. На линиях (полностью или частично) автоматизированных. При производстве микросхемы (особенно в юго-восточных странах) применяют и живую рабочую силу, так как это дешевле, чем покупать дорогостоящие линии. Интегральные компоненты позволяют снизить на два-три порядка затраты труда на производство, монтаж и сборку различной аппаратуры. При конструировании и создании такой аппаратуры уменьшается количество разных паяных соединений, которые зачастую являются причиной отказа аппаратуры. Микросхемы являются более надежными, чем дискретные элементы, так как ошибки при монтаже уменьшаются на 3-4 порядка. Легче и намного быстрее запаять интегральные компоненты (например, один логический элемент с 16 выводами), чем паять более 20 дискретных элементов (которые выполняют ту же функцию) с 60 выводами. Только микросхемы обеспечивают надежность систем управления в различных системах управления, в компьютерах, в околоземном пространстве на космических станциях и так далее.
• Интегральные компоненты (и аппаратура на них) малогабаритны и имеют маленький вес.
• Микросхемы намного сокращают процесс разработки нового изделия (аппарата), так как можно использовать готовые, уже опробованные, миниатюрные блоки и узлы. И поэтому внедрение нового изделия в производство резко сокращается.
• Многие интегральные элементы выпускаются массово (например, микросхемы в домашних звонках, в игрушках, в клавиатурах и мышках компьютеров и т. п.). Это намного снижает себестоимость микросхемы и всего изделия в целом.
• Интегральные элементы сокращают число комплектующих создаваемого изделия, уменьшают количество проводимых операций, что (в конечном счете) ведет к упрощению организации современного производства.

Микросхемы разделяют на два вида: 1 – полупроводниковые интегральные схемы; 2 – гибридные интегральные схемы.

Полупроводниковые интегральные элементы представляют собой кристалл, в глубине которого выполняют все элементы схемы. Изоляция различных элементов осуществляют с помощью (так называемых) «p-n» переходов.

Гибридные интегральные схемы выполняются по «пленочной» технологии и представляют пластину (подложку) из диэлектрического материала. На нее нанесены (в виде пленок) плоские компоненты (резисторы, дроссели, конденсаторы и т. д.) и соединения. Причем сопротивление резисторов может быть 105 Ом, емкость конденсаторов 103 пФ, а дроссели иметь индуктивность около 10 мкГн – не более.

Транзисторы, диоды, магнитные элементы, конденсаторы более 103 пФ и электролитические выполняют с помощью навесного монтажа. Гибридные интегральные схемы имеют более высокую точность параметров (на один или два порядка выше), чем полупроводниковые аналоги. Количество элементов внутри каждого класса микросхем может достигать несколько тысяч.

Интегральная схема SMD

Степень интеграции

• В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:
• малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле,
• средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле,
• большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле,
• сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тысяч элементов в кристалле.

Ранее использовались также теперь устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле и гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле, но в настоящее время название УБИС и ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Itanium, 9300 Tukwila, содержат два миллиарда транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС.

Элемент интегральной схемы

Часть интегральной схемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента (резистора, диода, транзистора и т. д.), причем эта часть выполнена нераздельно от других частей и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Компонент интегральной схемы в отличие от элемента может быть выделен как самостоятельное изделие с указанной выше точки зрения.

По конструктивно-технологическим признакам интегральные схемы обычно разделяют на:

• полупроводниковые;
• гибридные;
• пленочные.

В полупроводниковой схеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме или на поверхности полупроводника. В таких схемах нет компонентов. Это наиболее распространенная разновидность интегральных схем.

Интегральную схему называют гибридной, если она содержит компоненты и (или) отдельные кристаллы полупроводника. В пленочных интегральных схемах отдельные элементы и межэлементные соединения выполняются на поверхности диэлектрика (обычно используется керамика). При этом применяются различные технологии нанесения пленок из соответствующих материалов. По функциональным признакам интегральные схемы подразделяют на аналоговые (операционные усилители, источники вторичного электропитания и др.) и цифровые (логические элементы, триггеры и т. п.).

Краткая историческая справка

Первые опыты по созданию полупроводниковых интегральных схем были осуществлены в 1953 г., а промышленное производство интегральных схем началось в 1959 г. В 1966 г. был начат выпуск интегральных схем средней степени интеграции (число элементов в одном кристалле до 1000). В 1969 г. были созданы интегральные схемы большей степени интеграции (большие интегральные схемы, БИС), содержащие до 10000 элементов в одном кристалле.

[stextbox 1971 г. были разработаны микропроцессоры, а в 1975 г. — интегральные схемы сверхбольшой степени интеграции (сверхбольшие интегральные схемы, СБИС), содержащие более 10000 элементов в одном кристалле. Полезно отметить, что предельная частота биполярных транзисторов в полупроводниковых интегральных схемах достигает 15 ГГц и более.[/stextbox]

К 2000 г. ожидается появление интегральных схем, содержащих до 100 млн МОП транзисторов в одном кристалле (речь идет о цифровых схемах). Система обозначений. Условное обозначение интегральных микросхем включает в себя основные классификационные признаки.

• Первый элемент — цифра, соответствующая конструктивно-технологической группе. Цифрами 1, 5, 6 и 7 в первом элементе обозначаются полупроводниковые интегральные микросхемы. Гибридным микросхемам присвоены цифры 2, 4 и 8. Пленочные, вакуумные и керамические интегральные микросхемы обозначаются цифрой 3.
• Второй элемент, определяющий порядковый номер разработки серии, состоит из двух (от 00 до 99) или трех (от 000 до 999) цифр.
• Третий элемент, обозначающий подгруппу и вид микросхемы, состоит из двух букв.
• Четвертый элемент, обозначающий порядковый номер разработки микросхемы данной серии, состоит из одной или нескольких цифр.

К этим основным элементам обозначений микросхем могут добавляться и другие классификационные признаки.

Строение интегральной схемы

Дополнительная буква в начале четырехэлементного обозначения указывает на особенность конструктивного исполнения:

• Р — пластмассовый корпус типа ДИП;
• А — пластмассовый планарный корпус;
• Е — металлополимерный корпус типа ДИП;
• С — стеклокерамический корпус типа ДИП;
• И — стеклокерамический планарный корпус;
• Н — керамический «безвыводной» корпус.

В начале обозначения для микросхем, используемых в условиях широкого применения, приводится буква К.

Серии бескорпусных полупроводниковых микросхем начинаются с цифры 7, а бескорпусные аналоги корпусных микросхем обозначаются буквой Б перед указанием серии.

Через дефис после обозначения указывается цифра, характеризующая модификацию конструктивного исполнения:

• 1 — с гибкими выводами;
• 2 — с ленточными (паучковыми) выводами, в том числе на полиамидном носителе;
• 3 — с жесткими выводами;
• 4 — на общей пластине (неразделенные);
• 5 — разделенные без потери ориентировки (наклеенные на пленку);
• 6 — с контактными площадками без выводов.

Как создаются интегральные схемы?

Как изготовить чип памяти или процессор компьютера? Процесс производства начинается с химического элемента — кремния, который химически обрабатывается (легируется) для придания различных электрических свойств.

Современное исполнение интегральной схемы (одна из многочисленных форм), установленной на электронной плате устройства. Это далеко не самый продвинутый вариант, а лишь один из многих

Традиционно для нужд электроники используются материалы двух категорий:

1. Проводники.
2. Изоляторы.

[stextbox технически всё сложнее, особенно когда дело касается определенных элементов середины таблицы Менделеева (группы 14 и 15), в частности, кремния и германия. Что примечательно — материалы изоляторы способны переходить в разряд проводников, если к этим материалам добавить некоторое количество примесей. Процесс, известный как легирование.[/stextbox]

Принцип легирования химических элементов

Если добавить некоторое количество сурьмы кремнию, структура этого химического элемента насыщается большей массой электронов, чем обычно. Обеспечивается проводимость электричества. Кремний, «легированный» подобным образом, приобретает характеристику N-типа. В другом случае, когда вместо сурьмы добавляется бор, масса электронов кремния уменьшается, оставляя своеобразные «дыры», которые функционируют подобно «отрицательно заряженным электронам».

Благодаря «дырам» положительный электрический ток пропускается в противоположном направлении. Такая разновидность кремния характеризуется P-типом. Расположение областей кремния N-типа и P-типа рядом одна с другой, способствует созданию соединения, где отмечается поведение электронов, характерное для электронных компонентов на основе полупроводников:

• диодов,
• транзисторов,
• запоминающих устройств и других.

Увеличенное фото интегральных схем

Структурная интегральная схема внутри чипа

Итак, процесс создания интегральной схемы начинается от монокристалла кремния, напоминающего по форме длинную сплошную трубу, «нарезанную» тонкими дисками — пластинами. Такие пластины размечаются на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых представляет один кремниевый чип (микрочип). Пример внутренней структуры интегральной схемы, демонстрирующий возможности такой уникальной технологии интеграции полноценных электронных схемотехнических решений.

Затем на каждом таком чипе создаются тысячи, миллионы или даже миллиарды компонентов путём легирования различных участков поверхности — превращения в кремний N-типа или P-типа. Легирование осуществляется различными способами. Один из вариантов — распыление, когда ионами легирующего материала «бомбардируют» кремниевую пластину.

Другой вариант — осаждение из паровой фазы, включающий введение легирующего материала газовой фазой с последующей конденсацией. В результате такого ввода примесные атомы образуют тонкую пленку на поверхности кремниевой пластины. Самым точным вариантом осаждения считается молекулярно-лучевая эпитаксия.

Конечно, создание интегральных микросхем, когда упаковываются сотни, миллионы или миллиарды компонентов в кремниевый чип размером с ноготь, видится сложнейшим процессом. Можно представить, какой хаос принесёт даже небольшая крупинка в условиях работы в микроскопическом (наноскопическом) масштабе. Вот почему полупроводники производятся в лабораторных условиях безупречно чистых. Воздух лабораторных помещений тщательно фильтруется, а рабочие обязательно проходят защитные шлюзы и облачаются в защитную одежду.

Кто создал интегральную схему?

Разработка интегральной схемы приписывается двум физикам — Джеку Килби и Роберту Нойсу, как совместное изобретение. Однако фактически Килби и Нойс вынашивали идею интегральной схемы независимо друг от друга. Между учёными даже существовала своего рода конкуренция за права на изобретение.

Джек Килби трудился в «Texas Instruments», когда учёному удалось реализовать идею монолитного принципа размещения различных частей электронной схемы на кремниевом чипе. Учёный вручную создал первую в мире интегральную микросхему (1958 год), использовав чип на основе германия. Компания «Texas Instruments» спустя год подала заявку на патент.

Тем временем представитель другой компании «Fairchild Semiconductor» — Роберт Нойс, проводил эксперименты с миниатюрными цепями своего устройства. Благодаря серии фотографических и химических методов (планарный процесс), учёный всего лишь на год позже Килби создал практичную интегральную схему. Методика получения также была оформлена заявкой на патент.

Микросхемы на плате

Для чего нужны микросхемы в схемах

Микросхема (ИС – Интегральная Схема, ИМС – Интегральная Микросхема, чип или микрочип от английского Chip, Microchip) представляет собой целое устройство, содержащее в себе транзисторы, диоды, резисторы и другие, активные и пассивные элементы, общее число которых может достигать нескольких десятков, сотен, тысяч, десятков тысяч и более. Разновидностей микросхем достаточно много. Наиболее применяемые среди них – логические, операционные усилители, специализированные.

Большая часть микросхем помещена в пластмассовый корпус прямоугольной формы с гибкими пластинчатыми выводами (см. Рис. 1), расположенными вдоль обеих сторон корпуса. Сверху на корпусе есть условный ключ — круглая или иной формы метка, от которой ведется нумерация выводов. Если на микросхему смотреть сверху, то отсчитывать выводы нужно против движения часовой стрелки, а если снизу — то в направлении движения часовой стрелки. Микросхемы могут иметь любое количество выводов.

В отечественной электронике (впрочем, в зарубежной тоже) особой популярностью среди микросхем пользуются логические, построенные на основе биполярных транзисторов и резисторов. Их еще называют ТТЛ-микросхемами (ТТЛ – Транзисторно-Транзисторная Логика). Название транзисторно-транзисторный возникло из-за того, что транзисторы используются как для выполнения логических функций, так и для усиления выходного сигнала. Весь их принцип работы построен на двух условных уровнях: низком или высоком или, что эквивалентно, состоянию логического 0 или логической 1. Так, для микросхем серии К155 за низкий уровень , соответствующий логическому 0, приняты напряжения от 0 до 0,4. В, то есть не более 0,4 В, а за высокий, соответствующий логической 1, – не менее 2,4 В и не более напряжения источника питания – 5 В, а для микросхем серии К176, рассчитанных на питание от источника, напряжением 9 В, соответственно 0,02. ..0,05 и 8,6. ..8,8 В.

Маркировка зарубежных ТТЛ-микросхем начинается с цифр 74, например 7400. Условные графические обозначения основных элементов логических микросхем показаны на Рис. 2. Там же приведены таблицы истинности, дающие представление о логике действия этих элементов.

Символом логического элемента И служит знак “&” (союз “и” в английском языке) , стоящий внутри прямоугольника (см. Рис.2). Слева — два (или больше) входных вывода, справа — один выходной вывод. Логика действия этого элемента такова: напряжение высокого уровня на выходе появится лишь тогда, когда сигналы такого же уровня будут на всех его входах. Такой же вывод можно сделать, глядя на таблицу истинности, характеризующую электрическое состояние элемента И и логическую связь между его выходным и входными сигналами. Так, например, чтобы на выходе (Вых.) элемента было напряжение высокого уровня, что соответствует единичному (1) состоянию элемента, на обоих входах (Вх. 1 и Вх. 2) должны быть напряжения такого же уровня. Во всех других случаях элемент будет в нулевом (0) состоянии, то есть на его выходе будет действовать напряжение низкого уровня.
Условный символ логического элемента ИЛИ — цифра 1 в прямоугольнике. У него, как и у элемента И, может быть два и больше входов. Сигнал на выходе, соответствующий высокому уровню (логической 1) , появляется при подаче сигнала такого же уровня на вход 1 или на вход 2 или одновременно на все входы. Проверьте эти логические взаимосвязи выходного и входного сигналов этого элемента по его таблице истинности.
Условный символ элемента НЕ — тоже цифра 1 внутри прямоугольника. Но у него один вход и один выход. Небольшой кружок, которым начинается линия связи выходного сигнала, символизирует логическое отрицание “НЕ” на выходе элемента. На языке цифровой техники “НЕ” означает, что элемент НЕ является инвертором, то есть электронным “кирпичиком”, выходной сигнал которого по уровню противоположен входному. Другими словами: пока на его входе присутствует сигнал низкого уровня, на выходе будет сигнал высокого уровня, и наоборот. Об этом говорят и логические уровни в таблице истинности работы этого элемента.
Логический элемент И-НЕ является комбинацией элементов И и НЕ, поэтому на его условном графическом обозначении есть знак “&” и небольшой кружок на линии выходного сигнала, символизирующий логическое отрицание. Выход один, а входов два и больше. Логика работы элемента такова: сигнал высокого уровня на выходе появляется лишь тогда, когда на всех входах будут сигналы низкого уровня. Если хотя бы на одном из входов будет сигнал низкого уровня, на выходе элемента И-НЕ будет сигнал высокого уровня, то есть он будет в единичном состоянии, а если на всех входах будет сигнал высокого уровня — в нулевом состоянии. Элемент И-НЕ может выполнять функцию элемента НЕ, то есть стать инвертором. Для этого надо лишь соединить вместе все его входы. Тогда при подаче на такой объединенный вход сигнала низкого уровня на выходе элемента будет сигнал высокого уровня, и наоборот. Это свойство элемента И-НЕ очень широко используется в цифровой технике.

Обозначение символов логических элементов (знаков “&” или “1”) применяется только в отечественной схемотехнике.

ТТЛ-микросхемы обеспечивают построение самых различных цифровых устройств, работающих на частотах до 80 МГц, однако их существенный недостаток – большая потребляемая мощность.
В ряде случаев, когда не нужно высокое быстродействие, а необходима минимальная потребляемая мощность, применяют КМОП-микросхемы, которые используются полевые транзисторы, а не биполярные. Сокращение КМОП (CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor) расшифровывается как Комплементарный Металло-Оксидный Полупроводник. Основная особенность микросхем КМОП – ничтожное потребление тока в статическом режиме – 0,1…100 мкА. При работе на максимальной рабочей частоте потребляемая мощность увеличивается и приближается к потребляемой мощности наименее мощных микросхем ТТЛ. К КМОП-микросхемам относятся такие известные серии, как К176, К561, КР1561 и 564.

В классе аналоговых микросхем выделяют микросхемы с линейными характеристиками – линейные микросхемы, к которым относятся ОУ – Операционные Усилители. Наименование “операционный усилитель” обусловлено тем, что, прежде всего такие усилители получили применение для выполнения операций суммирования сигналов , их дифференцирования, интегрирования, инвертирования и т.д. Аналоговые микросхемы выпускают, как правило, функционально незавершенными, что открывает широкий простор для радиолюбительского творчества.

Операционные усилители имеют два входа – инвертирующий и неинвертирующий. На схеме обозначаются минусом и плюсом соответственно (см. Рис.3). Подавая сигнал на вход плюс – на выходе получается неизменный, но усиленный сигнал. Подавая его на вход минус, на выходе получается перевернутый, но тоже усиленный сигнал.

При производстве радиоэлектронной продукции использование многофункциональных специализированных микросхем, требующих минимального количества внешних компонентов, позволяет значительно сократить время разработки конечного устройства и производственные затраты. К этой категории микросхем относятся чипы, которые предназначены для чего-то определенного. Например, существуют микросхемы усилителей мощности, стереоприемников, различных декодеров. Все они могут иметь совершенно разный вид. Если одна из таких микросхем имеет металлическую часть с отверстием, это означает, что ее нужно привинчивать к
радиатору.

Со специализированными микросхемами иметь дело куда приятнее, чем с массой транзисторов и резисторов. Если раньше для сборки радиоприемника необходимо было множество деталей, то теперь можно обойтись одной микросхемой.

МИКРОСХЕМЫ

Микросхема представляет собой электронное устройство или его часть способную выполнять ту или иную задачу. Если бы потребовалось решить такую задачу, которую решают многие микросхемы, на дискретных элементах, на транзисторах, то устройство, вместо маленького прямоугольника размерами 1 сантиметр на 5 сантиметров, занимало бы целый шкаф, и было бы намного менее надежным. А ведь так выглядели вычислительные машины ещё пол-сотни лет назад!

Электронный шкаф управления — фото

Конечно, для работы микросхемы недостаточно просто подать питание на неё, необходим еще так называемый «обвес”, то есть те вспомогательные детали на плате, вместе с которыми микросхема сможет выполнять свою функцию.

Обвес микросхемы — рисунок

На рисунке выше красным выделена сама микросхема все остальные детали — это её «обвес”. Очень часто микросхемы при своей работе нагреваются, это могут быть микросхемы стабилизаторов, усилителей, микропроцессоров и других устройств. В таком случае чтобы микросхема не сгорела её нужно прикрепить на радиатор. Микросхемы, которые при работе должны нагреваться, проектируются сразу со специальной теплоотводящей пластиной — поверхностью, находящейся обычно с обратной стороны микросхемы, которая должна плотно прилегать к радиатору.

Фото микросхемы со стороны крепления к радиатору

Но в соединении даже у тщательно отшлифованных радиатора и пластины, все равно будут микроскопические зазоры, в результате которых тепло от микросхемы будет менее эффективно передаваться радиатору. Для того чтобы заполнить эти зазоры применяют теплопроводящую пасту. Ту самую, которую мы наносим на процессор компьютера, перед тем как закрепить на нем сверху радиатор. Одна из наиболее широко применяемых паст, это КПТ–8.

Усилители на микросхемах можно спаять буквально за 1-2 вечера, и они начинают работать сразу, не нуждаясь в сложной настройке и высокой квалификации настраивающего. Отдельно хочу сказать про микросхемы автомобильных усилителей, из обвеса там иногда бывает буквально 4-5 деталей. Чтобы собрать такой усилитель, при определенной аккуратности, не требуется даже печатная плата (хотя она желательна) и можно собрать все навесным монтажем, прямо на выводах микросхемы.

Усилитель собранный навесным монтажем

Правда, такой усилитель после сборки лучше сразу поместить в корпус, потому, что такая конструкция ненадежна, и в случае случайного замыкания проводов можно легко спалить микросхему. Поэтому рекомендую всем начинающим, пусть потратить немного больше времени, но сделать печатную плату.

Регулируемый стабилизатор напряжения на микросхеме

Регулируемые блоки питания на микросхемах — стабилизаторах даже проще в изготовлении, чем аналогичные на транзисторах. Посмотрите, сколько деталей заменяет простейшая микросхема LM317:

Микросхемы на печатных платах в электронных устройствах могут быть припаяны как непосредственно, к дорожкам печати, так и посажены в специальные панельки.

Панелька под дип микросхему — фото

Разница заключается в том, что в первом случае для того чтобы нам заменить микросхему нам придется её предварительно выпаять. А во втором случае, когда мы посадили микросхему в панельку, нам достаточно достать микросхему из панельки, и её можно с легкостью заменить на другую. Типичный пример замены микропроцессора в компьютере.

Также, к примеру, если вы собираете устройство на микроконтроллере на печатной плате, и не предусмотрели внутрисхемное программирование, вы сможете, если впаяли в плату не саму микросхему, а панельку, в которую она вставляется, то микросхему можно достать и подключить к специальной плате программатора.

Вид платы программатора с панельками

В таких платах уже впаяны панельки под разные корпуса микроконтроллеров для программирования.

Аналоговые и цифровые микросхемы

Аналоговый сигнал рисунок

Цифровой сигнал это последовательность единиц и нулей, высокого и низкого уровня сигналов. Высокий уровень обеспечивается подачей на вывод 5 вольт или напряжения близкого к этому, низкий уровень это отсутствие напряжения или 0 вольт.

Цифровя форма сигнала рисунок

Существуют также микросхемы АЦП (аналогово — цифровой преобразователь) и ЦАП (цифро — аналоговый преобразователь) которые осуществляет преобразование сигнала из аналогового в цифровой, и наоборот. Типичный пример АЦП используется в мультиметре, для преобразования измеряемых электрических величин и отображения их на экране мультиметра. На рисунке ниже АЦП — это черная капля, к которой со всех сторон подходят дорожки.

Микроконтроллеры

Микроконтроллер в Dip корпусе

Это специальная микросхема, может выпускаться как в Dip так и в SMD исполнении, в память которой может быть записана программа, так называемый Hex файл. Это файл откомпилированной прошивки, которая пишется в специальном редакторе программного кода. Но мало написать прошивку, нужно перенести, прошить, её в память микроконтроллера.

Для этой цели служит программатор. Как многим известно, есть много разных типов микронтроллеров — AVR, PIC и другие, для разных типов нам требуются разные программаторы. Также существует и множество программаторов, каждый сможет найти и изготовить себе подходящий по уровню знаний и возможностей. Если нет желания делать программатор самому, то можно купить готовый в интернет магазине или заказать с Китая.

Микроконтроллер в SMD корпусе

На рисунке выше изображен микроконтроллер в SMD корпусе. Какие же плюсы есть в использовании микроконтроллеров? Если раньше, проектируя и собирая устройство на дискретных элементах или микросхемах, мы задавали работу устройства путем определенного, часто сложного соединения на печатной плате с использованием множества деталей. То теперь нам достаточно написать программу для микроконтроллера, которая будет делать тоже самое программным путем, зачастую быстрее и надежнее, чем схема без применения микроконтроллеров. Микроконтроллер представляет собой целый компьютер, с портами ввода — вывода, возможностью подключения дисплея и датчиков, а также управление другими устройствами.

Фото роботов на автоматизированной линии

Конечно усовершенствование микросхем на этом не остановится, и можно предположить, что лет через 10 возникнут действительно микросхемы от слова «микро» — невидимые глазу, которые будут содержать миллиарды транзисторов и других элементов, размерами в несколько атомов — вот тогда действительно создание сложнейших электронных устройств станет доступно даже не слишком опытным радиолюбителям! Наш краткий обзор подошёл к концу, с вами был AKV.

Форум по обсуждению материала МИКРОСХЕМЫ

Приводится несколько рабочих схем электромагнитных Gauss Gun. Первая часть сборника.

Обзор ещё нескольких схем и готовых конструкций Gauss Gun с Алиэкспресс.

В каком направлении течет ток — от плюса к минусу или наоборот? Занимательная теория сути электричества.

Переделываем игрушку обычный трактор в радиоуправляемый — фотографии процесса и получившийся результат.