Велика інтегральна схема(БІС) - інтегральна схема (ІВ) з високим ступенем інтеграції (кількість елементів у ній досягає 10000), використовується в електронній апаратурі як функціонально закінчений вузол пристроїв обчислювальної техніки, автоматики, вимірювальної техніки та ін.
За кількістю елементів всі інтегральні схеми умовно поділяють такі категорії:
■ прості (ПІС) - з кількістю елементів у кристалі до 10,
■ малі (МІС) - до 100,
■ середні (СІС) - до 1000,
■ великі (ВІС) - до 10000,
■ надвеликі (НВІС) - 1000000,
■ ультравеликі (УБІС) - до 1000000000,
■ гігавеликі (ГБІС) - понад 1000000000 елементів у кристалі.
Інтегральні мікросхеми (ІМ), що містять понад 100 елементів, називають мікросхемами підвищеного рівня інтеграції.
Використання БІС супроводжується різким покращенням всіх основних показників порівняно з аналогічним функціональним комплексом, виконаним на окремих ІВ. Інтеграція ІВ одному кристалі призводить до зменшення кількості корпусів, числа складальних і монтажних операцій, кількості зовнішніх - найменш надійних - сполук. Це сприяє зменшенню розмірів, маси, вартості та підвищенню надійності.
Додатковими перевагами від інтеграції ІВ є зменшення загальної кількості контактних майданчиків, скорочення довжини з'єднань, а також менший розкид параметрів, оскільки всі ІС розташовані на одному кристалі та виготовлені в єдиному технологічному циклі.
Досвід розробки БІС виявив також і низку загальних проблем, які обмежують підвищення ступеня інтеграції і які потрібно вирішувати в процесі подальшого розвитку мікроелектроніки:
■ проблема тепловідведення,
■ проблема міжз'єднань,
■ проблема контролю параметрів,
■ фізичні обмеження розмірів елементів.
У 1964 р. вперше на базі БІС фірма IBM випустила шість моделей сімейства IBM 360.
Прикладами БІС також можуть бути схеми пам'яті на 4 біт і більше, арифметико-логічні та керуючі пристрої ЕОМ, цифрові фільтри. ІС призначені для вирішення найрізноманітніших завдань, тому виготовляється поєднанням методів, що знаходяться в арсеналі напівпровідникової, тонко- та товстоплівкової технологій.
ЇМ прийнято класифікувати за способами виготовлення та за одержуваними при цьому структурами на
Напівпровідникова ІМ є ІВ, в якій всі елементи і з'єднання між ними виконані в єдиному обсязі і на єдиній поверхні напівпровідникової пластини.
У гібридних мікросхем пасивні компоненти (резистори і конденсатори) наносяться на поверхню діелектричної пластинки, активні (транзистори) виконуються у вигляді окремих дискретних мініатюрних компонентів і приєднуються до мікросхеми.
Література
1. Степаненко І. П., Основи мікроелектроніки, М: Лабораторія Базових Знань, 2003, с. 453-460.
2. Батушев А. В., Мікросхеми та їх застосування, М.: Радіо та зв'язок, 1984, с. 13-17.
3. Чорнозубов Ю. С., Як народжуються мікросхеми, М.: Просвітництво, 1989, с. 14-19.
Класифікація інтегральних схем
За конструктивно-технологічним виконанням розрізняють напівпровідникові, плівкові та гібридні ІВ.
До напівпровідникових відносять ПМС (напівпровідникові інтегральні мікросхеми),всі елементи та міжелементні, з'єднання якої виконані в об'ємі або на поверхні напівпровідника. Залежно від способів ізоляції окремих елементів розрізняють ПМС з ізоляцією p-n-переходами та мікросхеми з діелектричною (оксидною) ізоляцією. ПМС можна виготовити і на підкладці з ді-електричного матеріалу на основі як біполярних, так і польових транзисторів. Зазвичай у цих схемах транзистори виконані у вигляді тришарових структур з двома р-n-переходами (n-p-n-типу), а діоди - у вигляді двошарових структур з одним р-л-переходом. Іноді замість діодів використовують транзистори в діодному включенні. Резистори ПМС, представлені ділянками легованого напівпровідника з двома висновками, мають опір кілька кіломів. Як високоомні резисторів іноді використовують зворотний опір р-n-переходу або вхідні опори емнт-терних повторювачів. Роль конденсаторів у ПМС виконують зворотно зміщені p-rt-переходи. Місткість таких конденсаторів становить 50 - 200 пФ. Дроселі у ПМС створювати важко, тому більшість пристроїв проектують без індуктивних елементів. Всі елементи ПМС отримують в єдиному технологічному циклі в кристалі напівпровідника. З'єднання елементів таких схем здійснюються за допомогою алюмінієвих або золотих плівок, одержуваних методом вакуумного напилення. З'єднання схеми із зовнішніми висновками виробляють алюмінієвими або золотими провідниками діаметром близько 10 мкм, які методом термокомпресії приєднують до плівок, а потім приварюють до зовнішніх висновків мікросхеми. Напівпровідникові мікросхеми можуть розсіювати потужність 50-100 мВт, працювати на частотах до 20-100 МГц, забезпечувати час затримки до 5 не. Щільність монтажу електронних пристроїв на ПМС – до 500 елементів на 1 см3. Сучасний груповий технологічний цикл дозволяє обробляти одночасно десятки напівпровідникових пластин, кожна з яких містить сотні ПМС з сотнями елементів в кристалі, пов'язаних у задані електронні ланцюги. За такої технології забезпечується висока ідентичність електричних характеристик мікросхем.
Плівковими інтегральними(або просто плівковими схемами ПС) називають ІС, всі елементи та міжелементні з'єднання якої виконані тільки у вигляді плівок. Інтегральні схеми поділяють, на тонко-і товстоплівкові. Ці схеми можуть мати кількісну та якісну відмінність. До тонкоплівкових умовно відносять ІВ з товщиною плівок до 1 мкм, а до товстоплівкових - ІВ з товщиною плівок вище 1 мкм. Якісна відмінність визначається технологією виготовлення плівок. Елементи тонкоплівкової ІВ наносять на підкладку за допомогою термовакуумного осадження та катодного розпилення. Елементи товстоплівкових ІВ виготовляють переважно методом шовкографії з подальшим спалюванням.
Гібридні інтегральні мікросхеми(ГІС) представляють собою поєднання навісних активних радіоелементів (мікротранзисторів, діодів) і плівкових пасивних елементів та їх сполук. Зазвичай ГІС містять: ізоляційні основи зі скла або. ке-, раміки, на поверхні яких сформовані плівкові провідники, резистори, конденсатори невеликої ємності; навісні безкорпусні активні елементи (діоди, транзистори); навісні пасивні елементи в мініатюрному виконанні (дроселі, трансформатори, конденсатори великої ємності), які не можуть бути виконані у вигляді плівок. Таку виготовлену ГІС герметизують у пластмасовому або металевому корпусі. Резистори опором від тисячних часток ома до десятків кілоомів у ГІС виготовляють у вигляді тонкої плівки ніхрому або танталу. Плівки наносять на ізоляційну основу (підкладку) і піддають термічного відпалу. Для отримання резисторів із опором в десятки мегаомів використовують металодіелектричні суміші (хрому, монооксиду кремнію та ін.). Середні розміри плівкових резисторів-(1 - 2) Х10 ~ 3 см2. Конденсатори в ГІС виконують із тонких плівок міді, срібла, алюмінію або золота. Напилення цих металів виробляють із підшаром хрому, титану, молібдену, забезпечуючи хорошу адгезію з ізоляційним матеріалом підкладки. Як діелектрика в конденсаторах використовують плівку з оксиду кремнію, берилію, двооксиду титану і т. д. Плівкові конденсатори виготовляють ємністю від десятих часток пикофарады до десятків тисяч пикофарад розміром від 10-3 до 1 см2. Провідники ГІС, за допомогою яких здійснюють міжелементні з'єднання -і підключення до вивідних затискачів, виконують у вигляді тонкої плівки золота, міді або алюмінію з підшаром нікелю, хрому, титану, що забезпечує високу адгезію до ізоляційної основи. Гібридні інтегральні схеми, у яких товщина плівок, що утворюються при виготовленні пасивних елементів, до 1 мкм з шириною 100 - 200 мкм, відносять до тонкоплівкових. Такі плівки отримують методом термічного напилення на поверхні підкладок у вакуумі з використанням трафаретів, масок. Гібридні інтегральні схеми з товщиною 1 мкм і більше відносять до товстоплівкових і виготовляють шляхом напилення на підкладки струмопровідних або діелектричних паст через сітчасті трафарети з подальшим їх запалюванням в підкладки при високій температурі. Ці схеми мають великі розміри та масу пасивних елементів. Начіпні активні елементи складаються з гнучких або жорстких «кулькових» висновків, які паянням або зварюванням приєднують до плівкової мікросхеми.
Щільність пасивних і активних елементів при їх багатошаровому розташуванні в ГІС, виконаної за тонкоплівковою технологією, досягає 300 - 500 елементів на 1 см3, а щільність монтажу електронних пристроїв на ГІС - 60 - 100 елементів на 1 см3. При такій щільності монтажу обсяг пристрою, що містить 107 елементів, становить 0,1 - 0,5 м3, а час безвідмовної роботи - 103 - 104 год.
Основною перевагою ГІС є можливість часткової інтеграції елементів, виконаних за різною технологією (біполярною, тонко- та товстоплівковою та ін.) з широким діапазоном електричних параметрів (маломощні, потужні, активні, пасивні, швидкодіючі та ін.).
Нині перспективна гібридизація різних типів інтегральних схем. При малих геометричних розмірах плівкових елементів та великої площі пасивних підкладок на їх поверхні можна розмістити десятки - сотні ІВ та інших компонентів. Таким шляхом створюють багатокристалічні гібридні ІВ з великим числом (кілька тисяч) діодів, транзисторів у неподільному елементі. У комбінованих мікросхемах можна розмістити функціональні вузли, що володіють різними електричними характеристиками.
Порівняння ПМС та ГІС.Напівпровідникові мікросхеми зі ступенем інтеграції до тисяч і більше елементів в одному кристалі отримали переважне. поширення. Обсяг виробництва ПМС значно перевищує обсяг випуску ГИС. У деяких установах доцільно застосовувати ГІС з низки причин.
Технологія ГІС порівняно проста і вимагає менших початкових витрат за устаткування, ніж напівпровідникова технологія, що спрощує створення нетипових, нестандартних виробів і апаратури.
Пасивна частина ГІС виготовляється на окремій підкладці, що дозволяє отримувати пасивні елементи високої якості та створювати високочастотні ІВ.
Технологія ГІС дає можливість замінювати існуючі методи багатошарового друкованого монтажу при розміщенні на підкладках безкорпусних ІВ і БІС та інших напівпровідникових компонентів. Технологія ГІС краща до виконання силових ІС великі потужності. Переважно також гібридне виконання інтегральних схем лінійних пристроїв, що забезпечують пропорційну залежність між вхідними і вихідними сигналами. У цих пристроях сигнали змінюються в широкому інтервалі частот і потужностей, тому їх ІС повинні володіти широким діапазоном номіналів, не сумісних в єдиному процесі виготовлення пасивних і активних елементів. Великі інтегральні схеми БІС допускають об'єднання різних функціональних вузлів, у зв'язку з чим вони набули широкого поширення в лінійних пристроях.
Переваги та недоліки інтегральних схем.
- Перевагою ІС є висока надійність, малі розміри та маса. Щільність активних елементів в БІС досягає 103 - 104 на 1 см3. При встановленні мікросхем у друковані плати та з'єднанні їх у блоки щільність елементів становить 100 - 500 на 1 см3, що в 10 - 50 разів вище, ніж при використанні окремих транзисторів, діодів, резистори в мікромодульних пристроях.
- Інтегральні схеми безінерційні у роботі. Завдяки невеликим, розмірам в мікросхемах знижуються міжелектродні ємності та індуктивності з'єднувальних проводів, що дозволяє використовувати їх на надвисоких частотах (до 3 ГГц) і в логічних схемах з малим часом затримки (до 0,1 не).
- Мікросхеми економічні (від 10 до 200 мВт) і зменшують витрату електроенергії та масу джерел живлення.
Основним недолікомІС є мінімальна вихідна потужність (50 - 100 мВт).
Залежно від функціонального призначення ІС ділять на дві основні категорії. аналогові (або лінійно-імпульсні) та цифрові (або логічні).
Аналогові інтегральніСхеми АІС використовуються в радіо-технічних пристроях і служать для генерування та лінійного посилення сигналів, що змінюються за законом безперервної функції в широкому діапазоні потужностей та частот. Внаслідок цього аналогові ІМС повинні містити різні за номіналом пасивні та за параметрами активні елементи, що ускладнює їх розробку. Гібридні мікросхеми зменшують труднощі виготовлення аналогових пристроїв у мікромініатюрному виконанні. Інтегральні мікросхеми стають основною елементною базою для радіоелектронної апаратури.
Цифрові інтегральнісхеми ЦІС застосовуються в ЕОМ, пристроях дискретної обробки інформації та автоматики. З допомогою ЦІС перетворюються і обробляються цифрові коди. Варіантом цих схем є логічні мікросхеми, що виконують операції над двійковими кодами в більшості сучасних ЕОМ і цифрових пристроїв.
Аналогові та цифрові ІС випускаються серіями. У серію входять ІС, які можуть виконувати різні функції, але мають єдине конструктивно-технологічне виконання і призначаються для спільного застосування. Кожна серія містить кілька типів, які можуть ділитися на типономінали, що мають конкретне функціональне призначення і умовне позначення. Сукупність типономіналів утворює тип ІС.
Розвиток мікроелектроніки призвів на початку 70-х років до появи вузькоспеціалізованих ВІС, що містять сотні та тисячі логічних елементів і виконують одну або обмежену кількість функцій. Різноманітність типів цифрової апаратури вимагало розширення номенклатури ВІС, що пов'язане з неприйнятними з погляду економіки витратами. Виходом з цього положення стала розробка та великосерійне виробництво обмеженої номенклатури БІС, що виконують різноманітні функції, що залежать від зовнішніх сигналів, що управляють. Сукупності таких БІС утворюють мікропроцесорні комплекти та дозволяють будувати різноманітну цифрову апаратуру будь-якої складності. Найважливішим суперкомпонентом комплекту БІС є мікропроцесор(МП): універсальна стандартна ВІС, функції якої визначаються заданою програмою.
Якісною особливістю МП є можливість їхньої функціональної перебудови за допомогою зміни зовнішньої програми. По суті, МП є центральними процесорними елементами ЕОМ, виконані у вигляді однієї або декількох БІС.
Головна відмінність МП від інших типів інтегральних схем - здатність до програмування послідовності виконуваних функцій, тобто можливість роботи по заданій програмі.
Таблиця 4.1
| Позначення |
технологія |
Число ІС |
Розрядність, |
Швидкодія, |
| р-МДП |
||||
| n-МДП |
||||
| n-МДП |
||||
| n-МДП |
||||
| n-МДП |
||||
| p-МДП |
||||
| n-МДП |
||||
| р-МДП |
||||
| р-МДП |
||||
| n-МДП |
Використання мікропроцесорів дозволяє змінювати принцип проектування цифрової апаратури. Раніше для реалізації нового алгоритму була потрібна нова розробка апаратури. Тепер при використанні МП для реалізації нового алгоритму не потрібна нова апаратура, достатньо змінити відповідним чином програму його роботи. Зазначена особливість і пояснює величезний інтерес, який виявляється у нашій країні та за кордоном до мікропроцесорних пристроїв.
Короткий інтервал часу (1971-1975) характеризується появою МП найрізноманітніших модифікацій. Нині кількість типів МП у світі перевищує 1000.
Параметри основних типів вітчизняних мікропроцесорних комплектів (МПК) наведено у табл. 4.1.
4.2. Структури мікропроцесорів
Спрощена структурна схема МП наведено на рис. 4.1.
Малюнок 4.1
Малюнок 4.2
Мікропроцесор містить арифметично-логічний пристрій АЛУ, що запам'ятовують пристрої ЗУ для оперативного (ОЗП) і постійного (ПЗУ) зберігання інформації, пристрій управління, що здійснює прийом, розшифровку команд і послідовність їх виконання, а також пристрої введення-виведення (УВВ) інформації, з допомогою якого вводяться вихідні та виводяться отримані в результаті роботи МП дані.
Мікропроцесори обробляють 2-, 4-, 8-, 16-, 32-розрядні числа, виконують 30...500 команд додавання, віднімання, зсуву, логічних операцій.
Чотирьох- і восьмирозрядні МП є БІС з розмірами кристала 5 х 5 х 0,2 мм. Узагальнена структурна схема МП наведено на рис. 4.2.Арифметично-логічний пристрій
АЛУ здійснює різні арифметичні та логічні операції над числами та адресами, поданими в двійковому коді. Склад операцій, що виконуються АЛУ, визначено списком інструкцій (набором команд). У набір команд входять, як правило, арифметичні та логічні додавання та множення, зрушення, порівняння тощо. Арифметичні операції виконуються відповідно до правил двійкової арифметики. Логічні операції виконуються за правилами булевої алгебри.
До складу АЛУ входять суматор, зсувники, регістри та інші елементи.Пристрій керування управляє роботою АЛУ та всіх інших блоків МП. В УУ надходять команди із блоку пам'яті. Тут вони перетворюються на двійкові сигнали управління для виконання цієї команди. Робота УУ синхронізується таймером, що розподіляє процес виконання команди у часі.
Однак частіше застосовується непряма адресація, яка необхідна, коли розрядність адресної частини менша, ніж потрібно. У цьому випадку адресація проводиться у два етапи. На першому етапі за адресою, що міститься в команді, вибирається осередок, що містить адресу іншого осередку, з якої на другому етапі вибирається операнд.
Команда при непрямому методі адресації повинна містити один розряд ознаки операнда, стан якого визначає, що вибирається на даному етапі: адреса операнда чи сам операнд?
Звичайно, опосередкований спосіб адресації повільніше прямого. Він дозволяє за рахунок нарощування обсягу пам'яті адрес звертатися до операндів в 2 n рази (де n-розрядність адресної частини команди) більшому, ніж при прямому способі. Керуючий пристрій будь-яку операцію згідно з кодом, заданим командним словом, розподіляє на послідовність фаз (фази адресації та фази виконання), звану циклом. Через обмежену розрядність МП дії над операндами великої розрядності можуть виконуватися за два і більше циклів. Очевидно, що це у 2 та більше разів знижує швидкодію МП. Звідси випливає цікавий і важливий висновок: швидкодія МП перебуває у зворотній залежності від точності, однозначно визначається розрядністю операндов.Мікропроцесор містить
блок регістрів (Р). Робочі регістри МП фізично є однакові осередки пам'яті, службовці для сверхоперативного зберігання поточної інформації (СОЗУ). За виконаними функціями містить групи, пов'язані з певними елементами структури МП.Два
регістру операндів(О) протягом виконання операції в АЛУ зберігають два двійкові числа. Після закінчення операції у першому регістрі число замінюється результатом, т. е. хіба що накопичується (звідси й назва регістру «акумулятор»). Вміст другого регістра операндів замінюється в наступній операції іншим операндом, у той час як вміст акумулятора може бути збережений по ряду спеціальних команд.
Реєстр команд (К) зберігає протягом виконання операції кілька розрядів командного слова, що є кодом цієї операції. Адресна частина командного слова міститься у регістрі адреси А.Після реалізації будь-якої операції розрядність результату може виявитися більшою за розрядність кожного з операндів, що реєструється станом спеціального прапорний регістр,У процесі налагодження складеної програми програміст повинен стежити за станом прапорового регістру і в разі необхідності усувати переповнення, що виникло.
Дуже важливими у системі команд МП є команди переходівдо виконання заданої ділянки програми за певними ознаками та умовами, так звані команди умовних переходів.Наявність таких команд визначає рівень «інтелектуальності» МП, оскільки характеризує його здатність приймати альтернативні рішення і вибирати різні шляхи залежно від умов, що виникають у ході рішення. Для визначення таких умов служить спеціальний регістр станів(С), що фіксує стан МП у кожен момент виконання програми і посилає в УУ сигнал переходу до команди, адреса якої міститься в спеціальному регістрі, званому лічильником команд(СК). Команди в пам'яті записуються в певній програмній послідовності за адресами, що утворюють натуральний ряд, тобто адреса наступної команди відрізняється від попередньої адреси на одиницю. Тому при реалізації безперервної послідовності команд адреса наступної команди виходить шляхом додавання до вмісту СК одиниці, тобто утворюється в результаті рахунку. Призначення СК-знаходження необхідних адрес команд, причому за наявності програми команд переходу чергова команда може мати наступного адреси. У такому разі в СК записується адресна частина команди переходу.
Реєстри загального призначення(РОН) використовуються для зберігання проміжних результатів, адрес та команд, що виникають у ході виконання програми, і можуть зв'язуватися по загальним шинам з іншими робочими регістрами, а також з лічильниками команд і блоком введення-виведення інформації. У МП зазвичай міститься» 10...16 РОН розрядністю 2...8 біт кожен. Кількість РОН побічно характеризує обчислювальні можливості МП.
Особливий інтерес представляє наявність у багатьох моделей МП групи регістрів, що мають магазинну чи стекову організацію - так звані стеки.Стек дозволяє без обміну з пам'яттю організувати правильну послідовність виконання різних арифметичних послідовностей. Операнд або інша інформація може посилатися в стек без вказівки адреси, оскільки кожне слово, яке в нього поміщається, займає спочатку перший регістр, потім «проштовхується» наступними словами щоразу на регістр глибше. Виведення інформації відбувається у зворотному порядку, починаючи з першого регістру, у якому зберігається слово, надіслане в стек останнім. При цьому останні регістри очищаються.
Блоки АЛУ, УУ, Р утворюють центральний процесор(ЦП), що входить до складу, будь-який ЕОМ: виділений на рис. 4.2 штриховою лінією. До складу МП може входититаймер (Т), що використовує навісний час, що задає конденсатор або кварцовий резонатор. Таймер - серце МП, оскільки його робота визначає динаміку всіх інформаційних, адресних та керуючих сигналів та синхронізує роботу УУ, а через нього та інших елементів структури. Частота синхронізації, званатактовий,
вибирається максимальною та обмежується лише затримками проходження сигналів, що визначаються в основному технологією виготовлення ВІС. Швидкість виконання мікропроцесором програми прямо, пропорційна тактовій частоті. У складі МП може бутипристрій введення-виводу
(УВВ) для обміну інформацією між МП та іншими пристроями. Сигнали трьох видів - інформаційні, адресні та керуючі - можуть передаватися по одній, двох або трьох шинах.Шина
є групою ліній зв'язку, число яких визначає розрядність одночасно двійкової інформації, що передається по ній. Число ліній інформаційної шини (ІШ) визначає обсяг інформації, одержуваної або переданої МП за одне звернення до пам'яті, пристрою введення або виведення. Більшість МП має 8-шинну інформаційнумагістраль.
Це дозволяє один раз прийняти вісім двійкових одиниць інформації (1 байт). Один байт інформація може містити один із 256 можливих символів алфавіту джерела інформації або один із 256 можливих кодів операцій. Така кількість допустимих символів та типів операцій для більшості застосувань є достатньою.
Існують МП, що містять 16 та 32 шини в інформаційній магістралі.
Число ліній у шині управління (VIII) залежить від порядку взаємодії між МП, ЗП, зовнішніми УВВ інформації. Зазвичай шини керування містять 8...16 ліній.
Важливим результатом розвитку програмованих БІС стала технологія микроЭВМ.
Якщо мікроЕОМ створюється однією інтегральної мікросхемі, вона називається однокристальной. Спрощена структурна схема мікроЕОМ наведено на рис. 4.3.
Малюнок 4.3 Як видно, вона містить центральний процесор ЦП (має пристрій аналогічно розглянутому вище МП), ПЗУ, ОЗУ та пристрої введення та виведення інформації. Пристрій введення міститьселектор адреси і так званіпорти введення
для зчитування інформації з гнучкого диска, АЦП, телетайпу, перфострічки. Пристрій виводу також містить селектор адреси та порти виведення інформації (дисплею, друкувальний пристрій, пристрій виходу на перфострічку, ЦАП).
Дані, що надходять до облаштування введення, передаються на адресну магістраль зазвичай у вигляді 8-розрядних паралельних або послідовних кодових сигналів через порт введення. Селектор адреси визначає порт введення, який передає дані на інформаційну магістраль у певний час. Основна пам'ять складається з ПЗП та ОЗП. Постійне ЗП використовується як пам'ять програми, яку розробник мікроЕОМ заздалегідь запрограмував відповідно до вимог користувача. Для різних програм використовують різні частини ПЗП. Пам'яттю даних мікроЕОМ є ОЗУ. Інформація, що зберігається в ОЗП, стирається, коли відключається напруга живлення. Дані, що надходять до ОЗП, обробляються в ЦП відповідно до програми, що зберігається у ПЗП. Результати операцій у ЦП зберігаються у спеціальномунакопичувачі
інформації, яка називається акумулятором або ОЗУ. Вони можуть бути виведені за командою через один із портів виведення на пристрої виводу, приєднані до цього порту. Необхідний виведення порту вибирається за допомогою схеми селекції адреси.
4.4. Пристрої, що запам'ятовують Найважливішими блоками цифрової апаратури є пристрої, що запам'ятовують (блоки пам'яті), які поділяються на зовнішні і внутрішні.Зовнішні ЗУ досі реалізуються на магнітних стрічках та магнітних дисках. Вони забезпечують невизначено тривале збереження інформації за відсутності! живлення, а також практично будь-яку необхідну ємність пам'яті.Внутрішні
ЗП є невід'ємною частиною цифрової апаратури. Раніше вони виконувались на основі феритових сердечників з прямокутною петлею гістерези. Тепер у зв'язку з розробкою ІВ є широкі можливості створення напівпровідникових ЗП.
До пристроїв пам'яті належать такі види пристроїв:виконують запис та зберігання довільної двійкової інформації.
У цифрових системах ОЗУ зберігають масиви даних і програми, що визначають процес поточної обробки інформації.Залежно від призначення та структури ОЗУ мають ємність 102...107 біт.
Постійні пристрої, що запам'ятовують,службовці для зберігання інформації, зміст якої не змінюється в ході роботи системи, наприклад використовувані в процесі роботи стандартні підпрограми та мікропрограми, табличні значення різних функцій, константи та ін.
Програмовані постійні запам'ятовуючі пристроїє різновидом ПЗУ, що відрізняються можливістю одноразового запису інформації за завданням замовника.
ПЗУ, що репрограмуються,
відрізняються від звичайних можливістю багаторазової електричної зміни інформації, здійснюваної замовником. Обсяг РПЗУ зазвичай становить 102...105 біт.
До пристроїв постійної пам'яті (ПЗП, ППЗП, РПЗП) пред'являється вимога безпеки інформації при відключенні живлення.
Основними параметрами ЗП є: інформаційна ємність у бітах;
мінімальний період звернення; мінімально допустимий інтервал між початком одного циклу та початком другого; максимальна частота обігу - величина, обернена до мінімального періоду обігу;
питома потужність - загальна потужність, що споживається в режимі зберігання, віднесена до 1 біта; питома вартість одного біта інформації - загальна вартість кристала, поділена на інформаційну ємність.
4.5. Оперативні пристрої, що запам'ятовуються nТипова структура БІС ОЗП наведена на рис. 4.4. Малюнок 4.4Малюнок 4.5 Основним вузлом є матриця осередків пам'яті (МЯП), що складається з= рядків зт
запам'ятовуючими осередками (що утворюють розрядне слово) у кожному рядку. Інформаційна ємність БІС пам'яті визначається за формулою N nm біт.Входи та виходи осередків пам'яті підключаються до адресних АШ та розрядних РШ шин. При записі та зчитуванні здійснюється звернення (вибірка) до одного або одночасно до кількох осередків пам'яті.
У першому випадку використовуютьсядвокоординатні матриці (рис. 4.5, а), у другому випадкуматриці з пословною вибіркою (Рис. 4.5,6).Дешифратор адресних сигналів (ДАС) при подачі відповідних адресних сигналів здійснює вибір необхідних осередків пам'яті. За допомогою РШ здійснюється зв'язок МЯП з(СУЗ) визначає режим роботи ВІС (запис, зчитування, зберігання інформації). Схема вибору кристала(СВК) дозволяє виконання операцій запису-зчитування цієї мікросхеми. Сигнал вибірки кристала забезпечує вибір необхідної ВІС пам'яті ЗУ, що складається з декількох ВІС.
Подача керуючого сигналу на вхід СУЗ за наявності сигналу вибірки кристала на вході СВК здійснює операцію запису. Сигнал на інформаційному вході БУЗ (1 або 0) визначає записувану в комірку пам'яті інформацію. Вихідний інформаційний сигнал знімається з БУС та має рівні, що узгоджуються із серійними ЦІС.
Великі інтегральні схеми ОЗП прагнуть з урахуванням найпростіших елементів ТТЛ, ТТЛШ, МДП, КМДП, І 2 Л, ЭСЛ, модифікованих з урахуванням специфіки конкретних виробів. У динамічних осередках пам'яті найчастіше використовуються накопичувальні ємності, а як ключові елементи - МДП транзистори.
Вибір елементної бази визначається вимогами до інформаційної ємності та швидкодії БІС пам'яті. Найбільшої ємності досягають при використанні логічних елементів, що займають малу площу на кристалі: 2 л, МДП, динамічних ЗЯ.
Високу швидкодію мають БІС з логічними елементами, що мають малі перепади логічних рівнів (ЕСЛ, І 2 Л), а також логічні елементи ТТЛШ. , Частотні сфери застосування ВІС
використовують різні базові технічні рішення, ілюструє рис. 4.6.
Малюнок 4.6
Завдяки розвитку технології та схемотехніки швидкодія елементів безперервно зростає, тому межі розділу зазначених областей з часом зсуваються в область великих робочих частот.
4.6. Постійні пристрої, що запам'ятовують
Схема ПЗП аналогічна схемою ОЗП (див. рис. 4.4). Відмінності полягають лише в наступному:
ПЗП використовуються для зчитування інформації;
у ПЗУ здійснюється вибірка кількох розрядів однієї адреси одночасно (4, 8, 16 розрядів);
інформація, записана в ПЗУ, може змінюватися, й у режимі вибірки відбувається лише її зчитування. Великі інтегральні схеми ПЗУ поділяються напрограмовані виробником (за допомогою спеціальних фотошаблонів) тапрограмовані замовником
(Електрично).
У ПЗУ використовується матрична структура: рядки утворюються адресними шинами ДШ, а стовпці – розрядами РШ. Кожна АШ зберігає певний код: задану сукупність логічних 1 і 0. МЯП, зображеної на рис. 4.7 а, одноразова запис коду здійснюється за допомогою діодів, які приєднані між АЩ і тими РШ, на яких при зчитуванні повинна бути логічна 1. Зазвичай замовнику поставляють ПЗУ з матрицею, у всіх вузлах якої є діоди.
Суть одноразового електричного програмування ППЗУ полягає в тому, що користувач (за допомогою спеціального пристрою-програматора) перепалює висновки - перемички тих діодів, які знаходяться в місцях розташування логічних 0. Перепалювання висновків здійснюється шляхом пропускання через діод струму, що перевищує допустиме значення.
Діодні ПЗП відрізняються простотою, але мають суттєвий недолік, споживають значну потужність. Щоб полегшити роботу дешифратора, замість діодів використовують біполярні (рис. 4.7,6) та (рис. 4.7, в) транзистори.
При використанні біполярних транзисторів АШ забезпечує протікання базового струму, який β б.т. +1 разів менше емітерного, що живить РШ. Отже, суттєво зменшується необхідна потужність дешифратора.
Ще більший виграш забезпечує застосування МДП транзисторів, оскільки ланцюг затвора мало споживає потужності. Тут використовується не перепалювання висновків, а відсутність металізації затвора у транзисторів, що забезпечують зчитування логічних 0 у розрядній шині.
4.7. Постійні запам'ятовуючі пристрої, що репрограмуються.
ПЗУ, що репрограмуються, є найбільш універсальними пристроями пам'яті. Структурна схема РПЗП аналогічна схемою ОЗП (див. рис. 4.4). Важливою відмінністю РПЗУ є використання в МЯП транзистора спеціальної конструкції зі структурою «метал-нітрид-окис-напівпровідник» (МНОП). Принцип дії такого осередку пам'яті ґрунтується на оборотній зміні порогової напруги МНОП транзистора. Наприклад, якщо зробити U ЗІпор >U АШ, то транзистор не відпиратиметься адресними імпульсами (тобто не бере участі в роботі). У той же час інші МНОП транзистори, у яких U ЗІпор
Структура МНОП транзистора з індукованим каналом р-Типу показана на рис. 4.8 а.
Малюнок 4.8
Тут діелектрик складається з двох шарів: нітриду кремнію (Si 3 N 4) та оксиду кремнію (SiO 2). Порогову напругу можна змінювати, подаючи на затвор короткі (порядку 100 мкс) імпульси напруги різної полярності, з великою амплітудою 30...50 В. При подачі імпульсу +30 В встановлюється гранична напруга U ЗІпор = -5 В. Ця напруга зберігається, якщо використовувати транзистор чи напруги на затворі U ЗІ =±10В. У такому режимі МНОП транзистор працює як звичайний МДП транзистор з індукованим каналом р-Типу.
При подачі імпульсу -30 В гранична напруга приймає значення U ЗІпор ~20 В, як показано на рис. 4.8, 6 та в.При цьому сигнали на вході транзистора U ЗІ ± 10 не можуть вивести транзистор із закритого стану.
Це використовується в РПЗУ. В основі роботи МНОП транзисторів лежить накопичення, заряду на межі нітридного та оксидного шарів. Це накопичення є результатом неоднакових струмів провідності в шарах. Процес накопичення описується виразом/ dq= dt 2 - I sio 3 I si 4 . n При великій негативній напрузі U При великій негативній напрузіЗІ на кордоні накопичується позитивний заряд. Це рівносильно введенню донорів у діелектрик і супроводжується збільшенням негативної напруги порогу. При великій позитивній напрузі При великій негативній напрузіЗІ на кордоні накопичується негативний заряд. Це призводить до зменшення негативної порогової напруги. При малих напругах
ЗІ струми в діелектричних шарах зменшуються на 10...15 порядків, тому накопичений заряд зберігається протягом тисяч годин, а отже, зберігається і гранична напруга. Відома та інша можливість побудови осередку пам'яті для РПЗУ на основі МДП транзисторів з одношаровим діелектриком. Якщо прикладати до затвора досить велику напругу, то спостерігатиметьсялавинний пробій
діелектрика, внаслідок чого в ньому накопичуватимуться електрони. При цьому у транзистора зміниться гранична напруга. Заряд електронів зберігається протягом тисячі годин. Щоб здійснити перезапис інформації, потрібно видалити електрони з діелектрика. Це досягається шляхом освітлення кристала ультрафіолетовим світлом, що викликає фотоефект: вибивання електронів з діелектрика. При використанніультрафіолетового стирання
Малюнок 4.9
За наведеною структурною схемою виконана, зокрема, БІС РПЗУ з ультрафіолетовим стиранням типу К573РФ1 ємністю 8192 біта.
4.8. Цифроаналогові перетворювачі
Призначення ЦАП - перетворення двійкового цифрового сигналу на еквівалентну аналогову напругу. Таке перетворення можна зробити за допомогою резистивних кіл, показаних на рис. 4.10.
Малюнок 4.10
У ЦАП з двійково-ваговими резисторами (рис. 4.10 а) потрібно менше резисторів, проте при цьому необхідний цілий ряд номіналів прецизійних опорів. Аналогова вихідна напруга При великій негативній напрузіан ЦАП визначається як функція дворівневих вхідних напруг:
При великій негативній напрузіан = ( При великій негативній напрузі A+2 При великій негативній напрузі B+4 При великій негативній напрузі C + ...) / (1 +2 +4 + ...).
На цифрових входах При великій негативній напрузі A , U B, U C, ... напруга може набувати лише двох фіксованих значення, наприклад, або 0, або 1. Для ЦАП, в якому використовуються резистори Rі R/2, потрібно більше резисторів (рис. 4.10,6), але з двома номіналами. Аналогова напруга на виході такого ЦАП визначається за формулою
При великій негативній напрузіан = ( При великій негативній напрузі A+2 При великій негативній напрузі B+4 При великій негативній напрузі C + ... + m При великій негативній напрузі n)/2 n
де n - число розрядів ЦАП; т -коефіцієнт, що залежить від числа розрядів ЦАП.
Для забезпечення високої точності роботи резистивні кола ЦАП повинні працювати на високоомне навантаження. Щоб узгодити резистивні ланцюги з низькоомним навантаженням використовують буферні підсилювачі на основі операційних підсилювачів, показані на рис. 4.10 а, б.
4.9. Аналого-цифрові перетворювачі
Призначення АЦП - перетворення аналогової напруги на його цифровий еквівалент. Як правило, АЦП мають складнішу схему, ніж ЦАП, причому ЦАП часто є вузлом АЦП. Узагальнена структурна схема АЦП з ЦАП ланцюга зворотний зв'язок показано на рис. 4.11.
Малюнок 4.11
Виконані за такою схемою АЦП знаходять широке застосування завдяки хорошим показникам точності, швидкодії при порівняльній простоті і низькій вартості.
До складу АЦП входять n-розрядний тригерний регістр результатів перетворення DD 1 - DD n, керуючий розрядами ЦАП; компаратор, пов'язаний з пристроєм управління УУ, що містить генератор тактової частоти. Реалізуючи в УУ різні алгоритми роботи АЦП, отримують різні характеристики перетворювача.
Використовуючи рис. 4.11, розглянемо принцип дії АЦП, припускаючи, що як тригерний регістр використовується реверсивний лічильник.
Реверсивний лічильник має цифровий вихід, напруга у якому зростає від кожного тактового імпульсу, як у вході лічильника «Прямий рахунок» високий рівень напруги, але в вході «Зворотний рахунок» - низький. І навпаки, напруга на цифровому виході при кожному тактовому імпульсі зменшується, коли на вході "Прямий рахунок" низький, а на вході "Зворотний рахунок" - високий рівень напруги. При великій негативній напрузіНайважливішим вузлом АЦП є компаратор (К), що має два аналогові входи При великій негативній напрузіЦАП та
та цифровий вихід, підключений через УУ до реверсивного лічильника. Якщо напруга на виході компаратора має високий рівень, рівень входу лічильника «Прямий рахунок» також буде високим. І навпаки, коли вихідна напруга компаратора має низький рівень, низьким буде також рівень на вході «Прямий рахунок». При великій негативній напрузіТаким чином, залежно від того, високий або низький рівень на виході компаратора, реверсивний лічильник вважає відповідно прямому або зворотному напрямку. У першому випадку на вході
ЦАП компаратора спостерігається ступінчасто-наростаючу напругу, а в другому - ступінчасто-спадаючу. При великій негативній напрузіОскільки компаратор працює без зворотного зв'язку, рівень його вихідної напруги робиться високим, коли напруга на його вході При великій негативній напрузіан стане трохи негативнішим, ніж на вході При великій негативній напрузіЦАП. І навпаки, рівень його вихідної напруги стає низьким, як тільки напруга на вході При великій негативній напрузіан стане трохи позитивнішим за напругу на вході
ЦАП. При великій негативній напрузіНа вхід При великій негативній напрузіЦАП компаратора надходить вихідна напруга ЦАП, яка порівнюється з аналоговою вхідною напругою, що надходить на вхід .
ан При великій негативній напрузіЯкщо аналогова напруга При великій негативній напрузіан перевищує напругу, що знімається з виходу ЦАП, реверсивний лічильник вважає у прямому напрямку, ступенями нарощуючи напругу на вході При великій негативній напрузіЦАП до значення напруги на вході При великій негативній напрузіЦАП компаратора надходить вихідна напруга ЦАП, яка порівнюється з аналоговою вхідною напругою, що надходить на вхід<При великій негативній напрузіан. Якщо ж При великій негативній напрузіЦАП або стає таким у процесі рахунку, напруга на виході компаратора має низький рівень і лічильник вважає у зворотному напрямку, знову наводячи При великій негативній напрузіЦАП компаратора надходить вихідна напруга ЦАП, яка порівнюється з аналоговою вхідною напругою, що надходить на вхід . ЦАП до При великій негативній напрузіЦАП компаратора надходить вихідна напруга ЦАП, яка порівнюється з аналоговою вхідною напругою, що надходить на вхід . Таким чином, система має зворотний зв'язок, який підтримує вихідну напругу ЦАП приблизно рівним напруги
Отже, вихід реверсивного лічильника завжди є цифровим еквівалентом аналогової вхідної напруги. З виходу реверсивного лічильника зчитується цифровий еквівалент вхідного аналогового сигналу АЦП.
У мікропроцесорних системах, АЦП, ЦАП, а також у системах електронної комутації широке застосування знаходять мультиплексори: багатоканальні комутатори (що мають 4, 8, 16, 32, 64 входи та 1-2 виходи) з цифровим пристроєм управління. Найпростіші мультиплексори цифрових та аналогових сигналів показані на рис. 4.12, а та бвідповідно.
Малюнок 4.12
Цифровий мультиплексор (рис. 4.12 а) дозволяє здійснювати послідовне або довільне опитування логічних станів джерел сигналів Х 0 , Х 1 , Х 2 , Х 3 та передачу результату опитування на вихід
За вказаним принципом будуються мультиплексори будь-яку необхідну кількість інформаційних входів. Деякі типи цифрових мультиплексорів допускають комутацію та аналогових інформаційних сигналів.
Однак кращі показники мають аналогові мультиплексори, що містять матрицю високоякісних аналогових ключів (AK 1 ...AK 4), що працюють на вихідний буферний підсилювач, цифрове УУ. Поєднання вузлів між собою ілюструє рис. 4.12,6.
Приклад БІС аналогового мультиплексора є мікросхема типу К591КН1, виконана на основі МДП транзисторів. Вона забезпечує комутацію 16 аналогових джерел інформації на один вихід, дозволяючи проводити адресацію, так і послідовну вибірку каналів.
При розробці БІС аналогових мультиплексорів враховують необхідність їх сумісності із системою команд мікропроцесорів.
Аналогові мультиплексори є дуже перспективними виробами для електронних комутаційних полів та багатоканальних електронних комутаторів зв'язку, радіомовлення та телебачення.
Лише двадцять п'ять тому радіоаматорам і спеціалістам старшого покоління довелося займатися вивченням нових на той час приладів — транзисторів. Нелегко було відмовлятися від електронних ламп, до яких так звикли, і перемикатися на «родина» напівпровідникових приладів, що тіснить і все розростається.
А зараз ця «родина» дедалі більше почала поступатися своїм місцем у радіотехніці та електроніці напівпровідниковим приладам новітньої генерації — інтегральним мікросхемам, які часто називають скорочено ІМС.
Що таке інтегральна мікросхемаІнтегральна мікросхема
Одна мікросхема Може замінити цілий блок радіоприймача, електронної обчислювальної машини (ЕОМ) та електронного автомата. «Механізм» наручного електронного годинника, наприклад, — це лише одна більша мікросхема.
За своїм функціональним призначенням інтегральні мікросхеми поділяються на дві основні групи: аналогові, або лінійно-імпульсні, і логічні, або цифрові мікросхеми.
Аналогові мікросхеми призначаються посилення, генерування і перетворення електричних коливань різних частот, наприклад, для приймачів, підсилювачів, а логічні — для використання у пристроях автоматики, у приладах із цифровим відліком часу, в ЕОМ.
Цей практикум присвячується знайомству з пристроєм, принципом роботи та можливим застосуванням найпростіших аналогових та логічних інтегральних мікросхем.
На аналоговій мікросхемі
З величезної «родини» аналогових найпростішими є мікросхеми-близнюки» К118УН1А (К1УС181А) і К118УН1Б (К1УС181Б), що входять до серії К118.
Кожна з них є підсилювачем, що містить... Втім, про електронну «начинку» краще поговорити лозжі. А поки вважатимемо їх «чорними скриньками» з висновками для підключення до них джерел живлення, додаткових деталей, вхідних та вихідних ланцюгів.
Різниця між ними полягає лише у їх коефіцієнтах посилення коливань низьких частот: коефіцієнт посилення мікросхеми К118УН1А на частоті 12 кГц становить 250, а мікросхеми К118УН1Б — 400.
На високих частотах коефіцієнт посилення цих мікросхем однаковий — приблизно 50. Тож будь-яка їх може бути використана посилення коливань як низьких, і високих частот, отже, й у наших дослідів. Зовнішній вигляд та умовне позначення цих мікросхем-підсилювачів на важливих схемах пристроїв показані на рис. 88.
Корпус у них пластмасовий прямокутної форми. Зверху на корпусі — мітка, яка є точкою відліку номерів висновків. Мікросхеми розраховані на живлення від джерела постійного струму напругою 6,3, яке подають через висновки 7 (+Uпит) і 14 (— При великій негативній напрузіпіт).
Джерелом живлення може бути мережевий блок живлення з регульованою вихідною напругою або батарея, складена з чотирьох елементів 334 та 343.
Перший досвід із мікросхемою К118УН1А (або К118УН1Б) проводи за схемою, наведеною на рис. 89. Як монтажну плату використовуй картонну платівку розмірами приблизно 50X40 мм.
Мікросхему висновками 1, 7, 8 і 14 припай до дротяних дужок, пропущених через проколи в картоні. Всі вони будуть виконувати роль стійок, що утримують мікросхему на платі, а дужки висновків 7. 14, крім того, сполучними контактами з батареєю GB1 (або мережевим блоком живлення).
Між ними по обидва боки від мікросхеми зміцни ще по два-три контакти, які будуть проміжними для додаткових деталей. Змонтуй на платі конденсатори З 1(Типу К50-6 або К50-3) і С2(КЯС, БМ, МБМ), підключи до виходу мікросхеми головні телефони В 2.
До входу мікросхеми підключи (через конденсатор З 1)електродинамічний мікрофон В 1будь-якого типу або телефонний капсуль ДЕМ-4м, увімкни живлення і, притиснувши телефон до вух, постукати легенько олівцем по мікрофону. Якщо помилок у монтажі немає, у телефонах мають бути чутні звуки, що нагадують клацання по барабану.
Попроси товариша сказати щось перед мікрофоном – у телефонах почуєш його голос. Замість мікрофона до входу мікросхеми можеш підключити радіотрансляційний (абонентський) динамік з його узгоджуючим трансформатором. Ефект буде приблизно таким самим.
Продовжуючи досвід з телефонним пристроєм односторонньої дії, увімкни між загальним (мінусовим) провідником ланцюга живлення та виведенням 12 мікросхеми електролітичний конденсатор СЗ,позначений на схемі штриховими лініями. При цьому гучність звуку в телефонах має зрости.
Телефони звучатимуть ще голосніше, якщо такий же конденсатор включити в ланцюг виведення 5 (на рис, 89 - конденсатор С4).Але якщо при цьому підсилювач збудиться, то між загальним проводом та виведенням 11 доведеться включити електролітичний конденсатор ємністю 5 - 10 мкФ. номінальна напруга 10 Ст.
Ще один досвід: увімкни між висновками 10 і 3 мікросхеми керамічний або паперовий конденсатор ємністю 5 - 10 тис. пикофарад. Що вийшло? У телефонах з'явився безперервний звук середньої тональності. Зі збільшенням ємності цього конденсатора тон звуку в телефонах повинен знижуватися, а зі зменшенням підвищуватися. Перевір це.
А тепер розкриємо цю «чорну скриньку» і розглянемо її «начинку» (рис. 90). Так, це двокаскадний підсилювач із безпосереднім зв'язком між його транзисторами. Транзистори кремнієві, структури n -р-n. Низькочастотний сигнал, створюваний мікрофоном, надходить (через конденсатор С1) на вхід мікросхеми (висновок 3).
Падіння напруги, що створюється на резисторі R6 в емітерному ланцюгу транзистора V2, через резистори R4 і R5 подається на базу транзистора VI і відкриває його. Резистор R1 — навантаження цього транзистора. Посилений сигнал, що знімається з нього, надходить на базу транзистора V2 для додаткового посилення.
У досвідченому підсилювачі навантаження транзистора V2 були головні телефони, включені до його колекторного ланцюга, які перетворювали низькочастотний сигнал на звук.
Але його навантаженням міг би бути резистор R5 мікросхеми, якщо поєднати разом висновки 10 і 9. У такому разі телефони треба включати між загальним проводом і точкою з'єднання цих висновків через електролітичний конденсатор місткістю кілька мікрофарад (позитивною обкладкою до мікросхеми).
При включенні конденсатора між загальним дротом та виведенням 12 мікросхеми гучність звуку збільшилася, Чому? Тому що він, шунтуючи резистор R6 мікросхеми, послабив негативний зворотний зв'язок по змінному струму, що діє в ній.
Негативний зворотний зв'язок став ще слабшим, коли ти другий конденсатор включив у базовий ланцюг транзистора V1. А третій конденсатор, включений між загальним дротом та виведенням 11, утворив із резистором R7 мікросхеми розв'язує фільтр, що запобігає збудженню підсилювача.
Що вийшло при включенні конденсатора між виводами 10 та 5? Він створив між виходом і входом підсилювача позитивний зворотний зв'язок, який перетворив його на генератор коливань звукової частоти.
Отже, як бачиш, мікросхема К118УН1Б (або К118УН1А) - це підсилювач, який може бути низькочастотним або високочастотним, наприклад, у приймачі. Але може стати і генератором електричних коливань як низьких, і високих частот.
Мікросхема в радіоприймачі
Пропонуємо випробувати цю мікросхему високочастотному тракті приймача, зібраного, наприклад, за схемою, наведеною на рис. 91. Вхідний контур магнітної антени такого приймача утворюють котушка L1 та конденсатор змінної ємності С1. Високочастотний сигнал радіостанції, на хвилю якої контур налаштований, через котушку зв'язку L2 та розділовий конденсатор С2надходить на вхід (висновок 3) мікросхеми Л1.
З виходу мікросхеми (висновок 10, з'єднаний з висновком 9) посилений сигнал подається через конденсатор С4на детектор, діоди VI і V2 якого включені за схемою множення напруги, а виділений їм низькочастотний сигнал В 1перетворюють на звук. Приймач живиться від батареї GB1, складеної з чотирьох елементів 332, 316 або п'яти акумуляторів Д-01.
Багато транзисторних приймачах підсилювач високочастотного тракту утворюють транзистори, а цьому — мікросхема. Тільки в цьому полягає різниця між ними. Маючи досвід попередніх практикумів, ти, сподіваюся, зможеш самостійно змонтувати та гналагодити такий приймач і навіть, якщо забажаєш, доповнити його підсилювачем НЧг для гучномовного радіоприймання.
На логічній мікросхемі
Складовою багатьох цифрових інтегральних мікросхем є логічний елемент І-НЕ, умовне позначення якого ти бачиш на рис. 92, а.Його символом служить знак «&», що міститься всередині прямокутника, зазвичай у верхньому лівому кутку, що замінює спілку «І» в англійській мові. Зліва два або більше входів, праворуч - один вихід.
Невеликий гурток, яким починається лінія зв'язку вихідного сигналу, символізує логічне заперечення «НЕ» на виході мікросхеми. Мовою цифрової техніки «НЕ» означає, що елемент І-НЕ є інвертором, тобто пристроєм, вихідні параметри якого протилежні вхідним.
Електричний стан та роботу логічного елемента характеризують рівнями сигналів на його входах та виході. Сигнал невеликої (або нульової) напруги, рівень якого не перевищує 0,3 - 0,4 В, прийнято (відповідно до двійкової системи числення) називати логічним нулем (0), а сигнал вищої напруги (порівняно з логічним 0), рівень якого може бути 2,5 - 3,5, - логічною одиницею (1).
Наприклад, кажуть: "на виході елемента логічна 1". Це означає, що на момент виходу елемента з'явився сигнал, напруга якого відповідає рівню логічної 1.
Щоб не заглиблюватися в технологію та пристрій елемента І-НЕ, розглядатимемо його як «чорну скриньку», у якої для електричного сигналу є два входи та один вихід.
Логіка елемента полягає в тому, що при подачі на один з його входів логічного О, а на другий вхід логічної 1, на виході з'являється сигнал логічної 1, який зникає при подачі на обидва входи сигналів, відповідних логічної 1.
Для дослідів, що закріплюють у пам'яті цю властивість елемента, знадобляться найбільш поширена мікросхема К155ЛАЗ, вольтметр постійного струму, свіжа батарея 3336Л і два резистори опором 1...1,2 кОм.
Мікросхема К155ЛАЗ складається з чотирьох елементів 2І-НЕ (рис. 92, б),що живляться від одного загального джерела постійного струму напругою 5, але кожен з них працює як самостійний логічний пристрій. Цифра 2 у назві мікросхеми вказує на те, що її елементи мають два входи.
Зовнішнім виглядом і конструктивно вона, як і всі мікросхеми серії К155, не відрізняється від аналогової мікросхеми К118УН1, що вже знайома тобі, тільки полярність підключення джерела живлення інша. Тому зроблена тобою картонна плата підійде і для дослідів з цією мікросхемою. Джерело живлення підключають: +5 В - до висновку 7 » — 5 В - до висновку 14.
Але ці висновки не прийнято означати на схематичному зображенні мікросхеми. Пояснюється це тим, що у важливих електричних схемах елементи, складові мікросхему, зображують окремо, наприклад, як у рис. 92, ст. Для дослідів можна використовувати будь-який із чотирьох елементів.
Мікросхему висновками 1, 7, 8 і 14 припаю до дротяних стояків на картонній платі (як на рис. 89). Один із вхідних висновків будь-якого з її елементів, наприклад, елемента з висновками 1 — 3, з'єднай через ре-.зистор опором 1...1.2 кОм з висновком 14, виведення другого входу - безпосередньо із загальним («заземленим») провідником ланцюга живлення, а до виходу елемента підключи вольтметр постійного струму (рис. 93, а).
Увімкнути харчування. Що вказує вольтметр? Напруга, що дорівнює приблизно 3 В. Ця напруга відповідає сигналу логічної 1 на виході елемента. Тим же вольтметром виміряй напругу на виведенні першого входу, І тут, як бачиш, теж логічна 1. Отже, коли на одному з входів елемента логічна 1, а на другому логічний 0, на виході буде логічна 1.
Тепер виведення та другого входу з'єднай через резистор опором 1...1.2 кОм з висновком 14 і одночасно дротяною перемичкою - із загальним провідником, як показано на рис. 93, б.
При цьому на виході, як і в першому досвіді, буде логічна 1. Далі, стежачи за стрілкою вольтметра, видали дротяну перемичку, щоб і на другий вхід подати сигнал, що відповідає логічній 1.
Що фіксує вольтметр? Сигнал на виході елемента перетворився на логічний 0. Так воно й має бути! А якщо будь-який із входів періодично замикати на загальний провід і тим самим імітувати подачу на нього логічного 0, то з такою самою частотою на виході елемента з'являтимуться імпульси струму, про що свідчать коливання стрілки вольтметра. Перевір це досвідченим шляхом.
Властивість елемента І-НЕ змінювати свій стан під впливом вхідних сигналів, що управляють, широко використовується в різних пристроях цифрової обчислювальної техніки. Радіоаматори ж, особливо початківці, часто використовують логічний елемент як інвертор — пристрій, сигнал на виході якого протилежний вхідному сигналу.
Підтвердити таку властивість елемента може наступний досвід. З'єднай разом висновки обох входів елемента і через резистор опором 1...1,2 кОм підключи їх до виводу 14 (рис. 93, в).
Так ти подаси на загальний вхід елемента сигнал, що відповідає логічній 1, напруга якого можна виміряти вольтметром. Що при цьому виходить на виході?
Стрілка вольтметра, підключеного до нього, трохи відхилилася від нульової позначки шкали. Тут, отже, як і передбачалося, сигнал відповідає логічному 0.
Потім, не відключаючи резистор від виводу 14 мікросхеми, кілька разів поспіль замкні дротяною перемичкою вхід елемента на загальний провідник (на рис. 93, впоказано штриховою лінією зі стрілками) і одночасно стеж за стрілкою вольтметра. Так ти переконаєшся в тому, що коли на вході логічний інвертора 0, на виході в цей час логічна 1 і, навпаки, коли на вході логічна 1 — на виході логічний 0.
Так працює інвертор, особливо часто використовуваний радіоаматорами в імпульсних пристроях, що ними конструюються.
Прикладом такого пристрою може бути генератор імпульсів, зібраний за схемою, наведеною на рис. 94. У його працездатності ти можеш переконатися зараз, витративши на це лише кілька хвилин.
Вихід елемента D1.1 з'єднай із входами елемента D1.2 тієї ж мікросхеми, його вихід - з входами елемента DJ.3, а вихід цього елемента (висновок 8) - З входом елемента D1.1 через змінний резистор R1 . До виходу елемента D1.3 (між висновком 8 та загальним провідником) підключи головні телефони B1, a паралельно елементам D1.1 та D1.2 електролітичний конденсатор С1.
Двигун змінного резистора встанови в праве (за схемою) положення та увімкни живлення - в телефонах почуєш звук, тональність якого можна змінювати змінним резистором.
У цьому експерименті елементи D1.1, D1.2 таD1.3, з'єднані між собою послідовно, подібно до транзисторів трикаскадного підсилювача, утворили мультивібратор - генератор електричних імпульсів прямокутної форми.
Мікросхема стала генератором завдяки конденсатору та резистору, що створив між виходом і входом елементів частотозалежні ланцюги зворотного зв'язку. Змінним резистором частоту імпульсів, що генеруються мультивібратором, можна змінювати плавно приблизно від 300 Гц до 10 кГц.
Яке практичне застосування може знайти такий імпульсний пристрій? Воно може стати, наприклад, квартирним дзвінком, пробником для перевірки працездатності каскадів приймача та підсилювача НЧ, генератором для тренувань прийому на слух телеграфної абетки.
Саморобний ігровий автомат на мікросхемі
Подібний пристрій можна перетворити на ігровий автомат «Червоний чи зелений?». Схема такого імпульсного пристрою наведена на рис. 95. Тут елементи D1.1, D1.2, D1.3 тієї ж (або такої ж) мікросхеми К155ЛАЗ та конденсатор З 1утворюють аналогічний мультивібратор, імпульси якого керують транзисторами VI і V2, включеними за схемою із загальним емітером.
Елемент D1.4 працює як інвертор. Завдяки йому імпульси мультивібратора надходять на бази транзисторів у протифазі та відкривають їх по черзі. Так, наприклад, коли на вході інвертора рівень логічного 1, а на виході рівень логічного 0, то в ці моменти часу транзистор В 1відкритий і лампочка HI у його колекторному ланцюзі горить, а транзистор V2 закритий та його лампочка Н2не горить.
При наступному імпульсі інвертор змінить свій стан зворотний. Тепер відкриється транзистор V2 і загориться лампочка Н2,а транзистор VI закриється і лампочка H1 згасне.
Але частота імпульсів, що генеруються мультивібратором, порівняно висока (не менше 15 кГц) і лампочки, звичайно, не можуть реагувати на кожен імпульс.
Тому вони світяться тьмяно. Але варто натиснути на кнопку S1, щоб її контактами замкнути коротко конденсатор З 1і тим самим зірвати генерацію мультивібратора, як відразу яскраво загориться лампочка того з транзисторів, на основі якого в цей момент виявиться напруга, що відповідає логічній 1, а інша лампочка зовсім згасне.
Заздалегідь неможливо сказати, яка лампочка після натискання на кнопку продовжуватиме горіти — можна тільки ворожити. У цьому сенс гри.
Ігровий автомат разом з батареєю живлення (3336Л або три елементи 343, з'єднані послідовно) можна розмістити в коробці невеликих розмірів, наприклад, у корпусі «кишенькового» приймача.
Лампочки розжарювання HI і Н2(МН2,5-0,068 або МН2,5-0,15) розмісти під отворами в лицьовій стінці корпусу та закрий їх ковпачками або пластинками органічного скла червоного та зеленого кольорів. Тут же зміцни вимикач живлення (тумблер ТВ-1) та кнопковий вимикач §1(Типу П2К або КМ-Н) зупинки мультивібратора.
Налагодження грального автомата полягає у ретельному підборі резистора. R1. Його опір має бути таким, щоб при зупинці мультивібратора кнопкою S1 принаймні 80 — 100 разів кількість загорянь кожної лампочки була приблизно однакова.
Спочатку перевір, чи працює мультивібратор. Для цього паралельно конденсатору З 1,е,мкість якого може бути 0,1...0,5 мкФ, підключи електролітичний конденсатор ємністю 20...30 мкФ, а до виходу мультивібратора головні телефони - у телефонах повинен з'явитися звук низької тональності.
Цей звук – ознака роботи мультивібратора. Потім видали електролітичний конденсатор, резистор R1 заміни підстроювальним резистором опором 1,2...1,3 кОм, а між висновками 8 та 11 елементів DI.3 і D1.4 увімкни вольтметр постійного струму. Зміною опору підстроювального резистора досяг такого положення, щоб вольтметр показував нульову напругу між виходами цих елементів мікросхеми.
Число граючих може бути будь-яке. Кожен по черзі натискає кнопку зупинки мультивібратора. Виграє той, хто при рівній кількості ходів, наприклад двадцяти натискань на кнопку, більше разів вгадає кольори лампочок після зупинки мультивібратора.
На жаль, частота мультивібратора описаного тут найпростішого грального автомата через розрядку батареї дещо змінюється, що, звичайно, позначається на рівноймовірності запалювання різних лампочок, тому краще живити його від джерела стабілізованої напруги 5 В.
Література: Борисов В. Г. Практикум радіолюбителя-початківця.2-е вид., Перераб. та дод. - М.: ДТСААФ, 1984. 144 с., Іл. 55к.
У ранніх електричних комп'ютерах компонентами схеми виконували операції, були вакуумні трубки. Ці трубки, що нагадували електричні лампочки, споживали багато електроенергії та багато тепла. Все змінилося 1947 року з винаходом транзистора. У цьому маленькому пристрої використовувався напівпровідниковий матеріал, названий так за здатність як проводити, так і затримувати електричний струм, залежно від того, чи є електричний струм у напівпровіднику. Ця нова технологія дозволила будувати всі види електричних перемикачів на кремнієвих мікросхемах. Схеми на транзисторах займали менше місця та споживали менше енергії. Для потужніших комп'ютерів було створено інтегральні схеми, чи ИС.
У наш час транзистори стали мікроскопічно малі, і весь ланцюг ІС міститься на шматочку напівпровідника площею 1 дюйм квадратний. Маленькі блоки, рядами змонтовані на друкованій платі комп'ютера, є інтегральні схеми, укладені в пластикові корпуси. Кожна мікросхема містить набір найпростіших елементів схеми або пристроїв. Більшу їхню частину займають транзистори. ІС може також включати діоди, які дозволяють електричному струму йти тільки в одному напрямку, та резистори, які блокують струм.
Нерухомі частини. У внутрішніх відділах комп'ютера ряди інтегральних схем у захисних корпусах, як показано внизу, змонтовані на платі комп'ютера (зелений колір). Кожна блідо-зелена лінія позначає доріжку, якою йде електричний струм; всі разом вони утворюють «магістралі», якими від схеми до схеми проводиться електричний струм.
Крихітні зв'язкові. Краєм мікросхеми сильно намагнічені проводки, що нагадують людські волоски, посилають електричні сигнали від електричного ланцюга (ім. зверху). Ці золоті або алюмінієві проводки практично не схильні до корозії і добре проводять електрику.
Анатомія транзистора
Транзистори – основні мікроскопічні елементи електронної схеми – це перемикачі, які включають та вимикають електричний струм. Маленькі металеві доріжки (сірий колір) проводять струм (червоний та зелений кольори) з цих пристроїв. Організовані в комбінацію, яка називається логічними «воротами» (логічною схемою), транзистори реагують на електричні імпульси різноманітними встановленими способами, дозволяючи комп'ютеру виконувати широкий спектр завдань.
Логічна схема. Якщо електричний струм (червоні стрілки), що надходить, активізує базу кожного транзистора, струм, що живить (зелені стрілки), прагне до проведення виведення.
