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

7 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.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23108. Общая характеристика экономики государственного сектора 262 KB
  Под государственным сектором экономики страны понимают сектор, представляющий и обслуживающий интересы всего населения. Государство является основным институтом, организующим и координирующим взаимоотношения граждан и социальных групп в стране и обеспечивающим условия для их совместной деятельности
23109. Сучасні уявлення про ядерні сили. Моделі атомного ядра 136.5 KB
  За сучасними поглядами сили між нуклонами є виявом сильної кваркглюонної взаємодії. Така частинканосій сильної міжкваркової взаємодії називається глюоном. При взаємодії глюонів з кварками колір кварків змінюється. Аромат кварків їхній електричний та баріонний заряди не змінюються тобто колір є найбільш важливою властивістю кварків при взаємодії.
23110. Теорія молекули водню. Обмінна взаємодія 59.5 KB
  Теорія молекули водню. Відносне розміщення цих центрів атомних ядер визначає просторрову конфігурацію молекули при цьому стійкому рівноважному стану відповідає мінімум енергії молекули. Відносний рух ядер коливання ядер і обертання молекули як цілої це окремі задачі. Таким чином для Н2 хвильове рівняння можна записати у вигляді: де V потенціальна енергія молекули V=V1V2 енергія першого ел.
23111. Методи визначення роботи виходу електрона 973.5 KB
  Методи визначення роботи виходу електрона. Енергію яку потрібно виконати для вибиття електрону з металу або рідини у вакуум називається роботою виходу. Еіон енергія іонізації А робота виходу електрона за межі поверхні тіла кін. Величина роботи виходу A в значній мірі залежить від чистоти поверхні емітера.
23112. Досліди Франка і Герца по визначенню потенціалів іонізації 52 KB
  При непружніх зіткненнях електрона з атомом відбувається передача енергії від електрона атому. Якщо внутрішня енергія атома змінюється неперервно то атому може бути передана будьяка порція енергії. Якщо ж стани атома дискретні то його внутрішня енергія при зіткненні з електороном повинна змінюватись також дискретно на значення що дорівнюють різниці внутрішньої енергії атома в стаціонарних станах. Отже про непружньому зіткненні електрон може передати атому лише певні значення енергії.
23113. Методи отримання низьких температур 31.5 KB
  Для отримання та утримання низьких температур звичайно використовують зріджені гази. В посудині Дюара яка містить зріджений газ що знаходиться під атмосферним тиском. 1 Для отримання зріджених газів використовують спеціальні пристрої в яких сильно стиснутий газ при адіабатичному розширенні охолоджується що видно з рівняння адіабати . Але таким способом не можна отримати температури нижчі від температури конденсації газу.
23114. Методи визначення роботи виходу електрона 40.5 KB
  Методи визначення роботи виходу електрона. Енергію яку потрібно прикласти для вибиття електрону з металу або рідини у вакуум називається роботою виходу. Еіон енергія іонізації А робота виходу електрона за межі поверхні тіла кін. Величина роботи виходу A в значній мірі залежить від чистоти поверхні емітера.
23115. ОБЩЕСТВО КАК ПРЕДМЕТ ФИЛОСОФСКОГО АНАЛИЗА 81 KB
  Любовь к обществу – естественное чувство человека, развиваемое и культивируемое разумом. Создав человека существом, обладающим способностью чувствовать, природа вдохнула в него любовь к наслаждениям и страх перед страданием. Общество является произведением природы, поскольку именно природа обусловливает жизнь человека в обществе
23116. Енергія електромагнітного поля. Густина потоку енергії ЕМП 98.5 KB
  Густина потоку енергії ЕМП. Енергія ЕМП може перетворюватись в інші види енергії наприклад у кінетичну енергію зарядів. Обчислимо роботу яку виконує ЕМП зміщуючи заряди. Якщо за час dt заряд зміщується на відстань то робота ЕМП буде .