71332

Общие сведения о микроэлектронике

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Полупроводниковые ИМС полупроводниковый кристалл в толще которого выполняются все компоненты схемы: полупроводниковые приборы и полупроводниковые резисторы. Кристалл полупроводника помещают в герметизированный пластмассовый или стеклянный корпус имеющий выводы во внешнюю цепь.

Русский

2014-11-05

183.5 KB

4 чел.

ЭЛЕМЕНТЫ ЦЕПЕЙ УПРАВЛЕНИЯ

Общие сведения о микроэлектронике.

Современная микроэлектроника базируется на интегральных микросхемах (ИМС). ИМС - это маленькие электронные устройства, содержащие множество элементов (резисторов, транзисторов, конденсаторов и т.д.), которые объединены конструктивно и электрически с помощью общей технологии в общий корпус.

Полупроводниковые ИМС - полупроводниковый кристалл, в толще которого выполняются все компоненты схемы: полупроводниковые приборы и полупроводниковые резисторы. Кристалл полупроводника помещают в герметизированный пластмассовый или стеклянный корпус, имеющий выводы во внешнюю цепь.

Полупроводниковые ИМС обладают следующими особенностями:

1. В кристалле полупроводника могут быть выполнены полупроводниковые приборы (диоды, биполярные и полевые транзисторы) и полупроводниковые резисторы. Конденсаторы большой емкости и магнитные элементы (дроссели, трансформаторы) в составе полупроводниковых ИМС невыполнимы.

2. Масса и габариты полупроводниковых ИМС очень малы, на одном кристалле кремния (размером несколько квадратных сантиметров) могут располагаться десятки и сотни тысяч отдельных элементов схемы.

Создание ИМС позволяет уменьшить объем, массу и себестоимость электронной аппаратуры, снизить потребление электроэнергии, тем самым повысить КПД устройства, увеличить быстродействие схем (скорость передачи информации) и надежность их работы.

В зависимости от характера обрабатываемых сигналов ИМС бывают цифровыми (триггеры, логические схемы, счетчики и т.д.) и аналоговыми (усилители, преобразователи и т.д.).

Цифровые ИМС унифицированные и находят широкое применение в ЭВМ, автоматических устройствах, системах управления вторичных источников электроэнергии и т.п.

Более разнообразны аналоговые ИМС, среди которых наибольшее применение находят операционные усилители (ОУ).

Интегральные логические схемы.

В ИМС используются элементы, входные и выходные сигналы которых могут принимать только два значения. Считается, что этим значениям сигнала условно соответствует два уровня напряжения - логическая единица «1» (наличие относительно большого напряжения) и логический нуль «0» (наличие маленького напряжения).Элементы, осуществляющие простейшие операции с двоичными сигналами, называют логическими элементами.

Логические элементы (ЛЭ), соединенные определенным образом между собой, позволяют создавать сложные системы обработки информации.

Переменная величина X в алгебре логики может принимать два значения: X = 1 (логическая единица) или X = О (логический нуль). Существует три основные операции, лежащие в основе алгебры логики:

инверсия (логическое отрицание);

дизъюнкция (логическое сложение);

конъюнкция (логическое умножение).

Инверсия. Такое преобразование называют операцией НЕ и записывают в виде У = X. Схемным решением такого логического элемента является, например, транзисторный ключ. При подаче на вход ключа напряжения высокого уровня («1») на выходе получаем напряжение низкого уровня («0»), и наоборот. Следовательно, входной и выходной сигналы инверсные.

Результат той или иной операции над одной или несколькими переменными в алгебре логики может быть представлен в виде таблицы истинности. В ней отображаются все возможные сочетания (комбинации) двоичных переменных и значения функции Y, получающиеся в результате той или иной логической операции. Условное графическое обозначение ЛЭ НЕ и таблица истинности для него приведены на рис.1, а.

Дизъюнкция. Такое преобразование называют операцией ИЛИ и для двух переменных записывают в виде

Поскольку каждая переменная может принимать два значения, возможны четыре неповторяющихся сочетания и таблица истинности для операции ИЛИ двух переменных состоит из четырех строк (рис.1, б). При осуществлении операции логического сложения функции Y ~ 1, когда хотя бы одна из переменных X принимает значение единицы.

Конъюнкция. Такое преобразование называют операцией Я и для двух переменных записывают в виде

При логическом умножении только в том единственном случае, когда все сомножители (рис.1, в).

Рис.1. Графические обозначения логических элементов НЕ (а), ИЛИ (б), И (в) и таблицы истинности к ним

Логические устройства на операционных усилителях.

Развитие микроэлектроники изменило подход к проектированию полупроводниковых усилительных устройств. Раньше создавались электронные устройства на дискретных компонентах. При этом число активных компонентов схемы (диодов, транзисторов) было значительным. Такой подход обеспечивал снижение стоимости устройства и его высокую надежность.

В настоящее время наиболее известные технические решения выполнены в интегральном исполнении. Они представляют собой универсальные устройства, которые применяются в самых разнообразных электронных приложениях.

Наиболее распространенной универсальной усилительной ИМС является операционный усилитель (ОУ).

В основном все элементы систем управления электротехническими устройствами (преобразователи электроэнергии, электропривод и т.д.) могут быть выполнены с использованием ОУ. Типовые схемами включения ОУ, которые могут быть использованы для этих целей, являются схемы инвертирующего и не инвертирующего усилителей, компаратора, сумматора и интегратора, представленные на рис.2.

Знак выходного напряжения в инвертирующем ОУ (рис.2, а) обратный знаку входного напряжения, что и является причиной наименования его инвертирующим усилителем, т.е. усилителем, изменяющим полярность усиливаемого сигнала. Функциональная зависимость входного и выходного напряжений описывается зависимостью

(1)

Зависимость входного и выходного напряжений не инвертирующего ОУ (рис.2, 6)

(2)

ОУ с положительной обратной связью, имеющие релейную характеристику (рис.2, в), могут использоваться в качестве сравнивающих устройств (компараторов). При наличии на входе схемы положительного напряжения, равного или превышающего пороговое

(3)

Рис. 2. Схемы включения операционных усилителей и их передаточные характеристики в статическом режиме.

Если же напряжение на входе схемы отрицательное и равное или превышающее пороговое значение, т.е.

(4)

Неоднозначность значений входного напряжения, при которых меняется полярность выходного напряжения, определяется зоной нечувствительности работы схемы, отраженной гистерезисной передаточной характеристикой (рис.2, в). Ширина гистерезисной петли зависит от величины сопротивления.

При подключении на вход инвертирующего усилителя нескольких сигналов выходной сигнал его формируется как сумма этих сигналов.

Поэтому схему, показанную на рис.2, г называют сумматором (суммирующим ОУ).

Зависимость выходного напряжения сумматора от входных сигналов определяется выражением

(5)

При включении в цепь обратной связи инвертирующего усилителя конденсатора С (рис.2, д) последний будет работать в режиме интегрирующего усилителя (интегратора). Выходное напряжение интегратора

(6)

Усилители. В системах автоматики усилители увеличивают мощность сигналов. Для работы усилителей необходим вспомогательный источник энергии. В зависимости от вида энергии вспомогательного источника усилители делят на электрические, гидравлические, пневматические.

Основным видом усилителей систем автоматики являются электрические, которые в зависимости принципа процесса усиления, могут быть электронными, магнитными, электромеханическими, и др.

В электронных усилителях в качестве усилительных приборов используют транзисторы, тиристоры.

По назначению усилители подразделяют на усилители напряжения, мощности и тока. Электронные усилители имеют малые выходные мощности и в системах злектроавтоматики чаще используются как промежуточные усилители. На больших выходных мощностях применяют тиристорные усилители, которые одновременно служат и преобразователями рода тока, так как они имеют более высокий КПД.

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель электрических сигналов для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью (ООС). ОУ имеет высокий коэффициент усиления, широкую полосу пропускания частот (от нуля до нескольких мегагерц), большое входное и малое выходное сопротивления. Различают две основные схемы включения ОУ: инвертирующую (со сдвигом фазы выходного сигнала на 180°) и неинвертирующую (рис. 22, а).

 На базе инвертирующего ОУ строят дифференциальные усилители постоянного тока, мостовые усилители, аналоговые интеграторы и др

Неинвертирующее включение ОУ применяется в тех случаях, когда необходимо согласовать маломощный источник сигнала, обладающий большим сопротивлением с низкоомной нагрузкой.

 

Магнитные усилители (МУ) - магнитное статическое устройство, усиливающее электрические сигналы. Основным элементом магнитного усилителя является ферромагнитный сердечник, кривая намагничивания которого имеет нелинейный характер.

Простейший МУ (рис. 2, б) состоит из двух рабочих обмоток Wp, включенных встречно. В цепь рабочих обмоток включают нагрузку Rh- Рабочие обмотки питаются от сети переменного тока U„. Управляющие Wy - постоянным током. Достоинства МУ: большой коэффициент усиления по мощности, высокая надежность, способность суммирования, дифференцирования и сравнения сигналов при наличии нескольких обмоток управления, а также то, что они допускают значительные перегрузки. Наиболее существенный недостаток - значительная инерционность.

Оптрон является одним из основных элементов оптоэлектроники, получивших распространение в последние годы. Он (рис. ) состоит из источника - светоизлучателя (светодиода) и приемника излучения (светочувствительного детектора, фотодиода, фототранзистора или фототиристора), связанных оптической средой и конструктивно объединенных в одном корпусе (оптопара).

Рис. Условные обозначения оптронов; диодного (а), .транзисторного (б) и тиристорного (в)

Диодные оптроны характеризуются термостабильностью и линейностью характеристик и используются в быстропереключающихся схемах, генераторах, для согласования высоковольтных и низковольтных цепей, измерений в цепях высокого напряжения усилия, модуляции и переключения.