Класифікація мікросхем і їх використання

Інтегральні мікросхеми (ІМС) або чипи здатні обробляти і берегти інформацію, управляти персональними комп’ютерами, різними домашніми пристосуваннями і навіть роботами на складальних конвейєрах. Цей мікроелектронний пристрій виготовляється на напівпровідниковому кристалі (або плівці) і поміщається в нерозбірний корпус. кристал або плівку з електронною схемою часто позначаються як інтегральна схема (ІС), а під мікросхемою (МС) інтегральну схему, укладену в корпус.

Кожна мікросхема – це набір сотень схем, а також таких компонентів як резистори, що створюють опір електричному струму, і конденсатори, здатні накопичувати заряд і транзистори – найважливіші компоненти, що усилюють, включаючі і вимикаючі напругу.

Кристал мікросхеми. Численні компоненти мікросхеми формуються в кристалі кремнію – елемент, не провідний струм за звичайних умов, але здатний поширювати електричні імпульси при внесенні домішок. Мікросхеми виготовляють за допомогою методу фотолітографії і труїть, з єдиного кристала.

Класифікація мікросхем по ступінь інтеграції:

• до 100 елементів в кристалі – Мала інтегральна схема (МІС)
• до 1000 елементів в кристалі – Середня інтегральна схема (СІС)
• до 10000 елементів в кристалі – Велика інтегральна схема (ВІС)
• до 1 мільйона елементів в кристалі – Надвелика інтегральна схема (НВІС)
• до 1 мільярда елементів в кристалі – ультравелика інтегральна схема (УВІС)
• більше 1 мільярда елементів в кристалі – Гігавелика інтегральна схема (ГВІС)

Класифікація мікросхем по виду оброблюваного сигналу:

• аналогові мікросхеми
• цифрові мікросхеми
• аналого-цифрові мікросхеми

Аналогові мікросхеми – це схеми, де вхідні і вихідні сигнали змінюються за законом безперервної функції в діапазоні від позитивної до негативної напруги живлення.

Класифікація мікросхем по технології виготовлення:

• Напівпровідникова мікросхема – всі елементи і міжелементні з’єднання виконані на одному напівпровідниковому кристалі
• Плівкова мікросхема – всі елементи і міжелементні з’єднання виконані у вигляді плівок (товстоплівкова і тонкоплівкова інтегральна схема
• Гібридна мікросхема – окрім напівпровідникового кристала містить декілька безкорпусних діодів, транзисторів та інших електронних компонентів, поміщених в один корпус.

Для класифікації мікросхем використовують різні критерії: ступінь інтеграції,

технологія виготовлення, фізичний принцип роботи активних елементів, виконувана функція, швидкодія і споживана потужність, використання в апаратурі певного класу та ін. За принципами будови та технологією виготовлення ІМС поділяють на такі основні типи: гібридні, напівпровідникові, плівкові і суміщені.

Напівпровідниковою мікросхемою називають ІМС, всі елементи і міжелементні з’єднання якої виконані в об’ємі і на поверхні кристалу напівпровідника спеціальними технологічними методами.

Плівкова ІМС –це мікросхема всі елементи і міжелементні з’єднання якої виконані тільки за допомогою плівок із провідникових і діелектричних матеріалів. В

залежності від способу формування плівок і відповідно їхній товщині розрізняють тонкоплівкові ІМС (товщина плівок 1...2мкм) та товстоплівкові ІМС (товщина плівок 10...20мкм і більше). Плівкова технологія не дозволяє одержувати активні елементи із задовільними параметрами. Суто плівкові схеми є пасивними ІМС (це здебільшого резисторні подільники напруги, набір резисторів та конденсаторів, резистивно –ємнісні схеми). Плівкові ІМС найчастіше використовують разом з мініатюрними дискретними електрорадіо елементами –компонентами.

Гібридна ІМС –це ІМС, яка має діелектричну основу, пасивні елементи (R, C, L) її поверхні формуються у вигляді одношарових або багатошарових плівкових структур, з’єднаних нерозривними плівковими провідниками, а напівпровідникові прилади (активні елементи), у тому числі без корпусні ІМС (кристали) та інші елементи (мініатюрні конденсатори, резистори й індуктивності великих номіналів) розміщені на основі у вигляді дискретних навісних деталей.

Суміщені інтегральні мікросхеми –це ІМС, в яких активні елементи виконані в

поверхневому шарінапівпровідникового кристала (як у напівпровідникових ІМС), а пасивні нанесено за допомогою плівок на попередньо ізольовану поверхню тогосамого кристала.

Логічні мікросхеми, як правило, призначені тільки для роботи в «цифровий» техніці, яка дозволяє лише два види сигналів: логічний нуль і логічну одиницю. Такі пристрої здебільшого не потребують індивідуальної добірки елементів схеми і працюють більш надійно.

У той же час великий практичний інтерес представляють схемні рішення, що дозволяють застосувати «цифрові» мікросхеми в аналоговій техніці. Такий підхід розширює наші уявлення про можливе і неможливе в світі електроніки, змушує більш продуктивно працювати фантазію. Відкривається широке поле для експериментів, творчості, вдосконалення своїх знань в галузі радіоелектроніки.

Особливо перспективне використання в «аналоговому» режимі «цифрових» мікросхем серій КМОН. Вони виконані на польових транзисторах, мають високий вхідний опір, економічні і невибагливі до напруги живлення: можуть працювати в широкому його діапазоні. Недолік мікросхем цієї серії – низькі робочі частоти (для мікросхем серії К561 зазвичай не вище 1 … 3 МГц).

На рис. 29.1 – 29.3 показані досить прості УНЧ. Підсилювач (рис. 29.1) при напрузі живлення 9 В і R2 = 1 кОм має параметри, наведені в таблиці 29.1 [F 8/82-381].

Таблиця 29.1

При різних значеннях напруги живлення + Е і R1 = 1 МОм, R2 = 0 кОм параметри підсилювача (рис. 29.1) змінюються (див. табл. 29.2).

Таблиця 29.2

Рис. 29.1. Схема підсилювача

Рис. 29.2. Схема підсилювача

Телефонний підсилювач (рис. 29.2) на основі послідовного включення трьох таких каскадів має посилення порядку 86 дБ у смузі частот 600 … 1400 Гц (напруга живлення 9 В, споживаний ток 2 мА).

Для підсилювача (рис. 29.3) коефіцієнт посилення визначається ставленням R2 до R1 і для вказаних на схемі номіналів дорівнює 100 [В.Л. Шило]. Вихідна напруга може досягати 90% від напруги харчування: при напрузі живлення 9 В напруга змінного струму на виході підсилювача досягає 8 В. Число логічних елементів для реалізації режиму посилення повинне бути непарним: 1, 3, 5 і т.д. Парне число логічних елементів в пристрої утворює генератор. Тому схемне рішення з перемиканим числом логічних елементів можна використовувати, наприклад, при організації дротового зв’язку для перекладу пристрої з режиму посилення в режим виклику абонента.

Рис. 29.3. Схема підсилювача

Рис. 29.4. Схема фільтра

На рис. 29.4 наведено приклад використання КМОП-мікросхеми в якості вузькосмугового НЧ фільтра [Fs 8/79-134]. Робоча частота фільтра визначається як f = 1/2nRC, де R і С – параметри резисторів і конденсаторів. Добротністю фільтра (крутизною, гостротою спаду або підйому сигналу від частоти) можна управляти, перебудовуючи потенціометр R3.

На основі кількох подібних фільтрів, налаштованих на різні частоти, може бути зібрано пристрій цветомузикального супроводу. Для цього достатньо на виході фільтрів включити найпростіші підсилювачі постійного (або змінного) струму, навантажені на світловипромінюючі прилади (світлодіоди, лампи розжарювання). Виділені фільтрами низькочастотні сигнали можна також через согласующие каскади подавати на керуючі електроди тиристорів або сімісторов. Живлять тиристори пульсуючим струмом, сімістори – змінним.

Пристрій конструкції ІЛ. Нечаєва (рис. 29.5) можна використовувати як індикатор низькочастотних сигналів, амплітуда яких перевищує 2 … 3 В [Р 10/90-83]. При подачі на пробник такого сигналу він випрямляється і надходить на ланцюг живлення пробника. Одночасно випрямлений сигнал управляє роботою внутрішніх генераторів пристрої: виробляються звукові сигнали, що свідчать про наявність на його вході надпороговие напруги змінного струму. Сила звуку пропорційна амплітуді тестованого сигналу.

Рис. 29.5. Схема пробника

Рис. 29.6. Схема функціонального генератора

На основі / ШО/7-мікросхеми може бути зібраний функціональний генератор (рис. 29.6) [В.Л. Шило]. До таких генераторам відносять пристрої, що виробляють синхронно змінюються в часі сигнали різної форми. Пристрій виробляє сигнали прямокутної форми (вихід 1), трикутної форми (вихід 2) і синусоїдальний сигнал (вихід 3).

На перших двох інвертора виконаний звичайний генератор прямокутних імпульсів. Співвідношення пауза – тривалість імпульсу регулюється потенціометром R1. Наступний каскад є інтегратором. На його виході синтезується сигнал, за формою наближається до трикутного. Форма цього сигналу регулюється в деяких межах потенціометром R6. Останній, четвертий інвертор мікросхеми працює в режимі посилення (див. рис. 29.3). За рахунок неідеальності передачі сигналу трикутної форми (його згладжування) на виході підсилювача форма сигналу наближається до синусоїді. Більший ступінь наближення до синусоїді можна отримати після найпростішого фільтра, що виділяє першу і переважної вищі гармоніки.

Недоліком функціональних генераторів є складність перебудови їх по частоті, тому умови формування сигналів необхідної форми зі зміною частоти міняються, незмінним за формою залишається тільки сигнал прямокутної форми.

На базі логічних елементів КМОП можуть бути створені й інші радіоелектронні пристрої, наприклад, радіоприймач прямого посилення (рис. 29.7) [Р 6/82-51]. Радіоприймач здатний працювати в діапазоні довгих хвиль, і, з погіршенням чутливості – в діапазоні середніх хвиль. Чутливість цього приймача, як і інших приймачів прямого посилення невисока.

Рис. 29.7. Схема радіоприймача

Вхідний каскад приймача виконаний на першому інверторі мікросхеми. В якості вхідного коливального контуру, визначального частоту прийому, можуть бути використані елементи вхідного ланцюга будь-якого старого (транзисторного або лампового) радіоприймача, котушки індуктивності або магнітні антени спільно з конденсатором змінної ємності, див. також розділ 14. Для підвищення гучності прийому до коливального контуру приймача рекомендується підключити зовнішню антену, а також заземлення.

Виділений вхідним коливальним контуром і посилений першим каскадом сигнал надходить на амплітудний детектор, виконаний на діодах VD1 і VD2 за схемою подвоєння напруги. Далі сигнал низької частоти виділяється на опорі R2, а високочастотна складова шунтируется «на землю» конденсатором С4. Сигнал звукової частоти через конденсатор С5 надходить на трехкаскадного УНЧ. Вихід УНЧ через розділовий конденсатор С8 навантажений на телефонний капсуль BF1. Звуковий сигнал може бути додатково посилений, якщо до виходу радіоприймача підключити зовнішній УНЧ (див. главу 4).

На основі логічних елементів можуть бути створені й пристрої, що дозволяють здійснити перехід від аналогових сигналів до цифрових. Подібні пристрої іменуються формувачами імпульсів і застосовуються для створення різного роду технічних пристроїв, наприклад, пристроїв голосового управління, для управління релейними схемами від джерела звукового сигналу (радіоприймача, магнітофона, програвача, телефонної лінії та ін.)

Рис. 29.8. Схема формувача імпульсів

Формувач імпульсів (рис. 29.8) має високу чутливість [Рл 7/92-11]. При амплітуді аналогового сигналу на вході, яка перевищує 30 мВ, на виході формується сигнал прямокутної форми з амплітудою, близькою до напруги джерела живлення (9 В). Перший каскад пристрою являє собою підсилювач-обмежувач імпульсів. Обмеження імпульсів по амплітуді відбувається за рахунок використання включених зустрічно-паралельно кремнієвих діодів. Наступні каскади формують вихідний сигнал прямокутної форми.

Поиск по сайту: