- •Санкт-Петербургский Государственный Технический Университет
- •Санкт-Петербург
- •1. Электрические сигналы и их модели
- •1.1. Вводная часть
- •1.2. Аналоговые и цифровые сигналы
- •1.3. Основные характеристики Электрических сигналов
- •1.3.1. Частотный спектр сигналов.
- •1.3.2. Временные характеристики сигналов
- •Глава вторая
- •2. Основные положения теории электрических и магнитных цепей
- •2.1. Электрические цепи. Схемные и математические модели
- •2.1.1. Законы теории электрических цепей
- •Глава третья
- •3. ТЕоретические основы электронных цепей.
- •3.1. Основные характеристики и параметры электронных компонент и систем
- •3.2. Амплитудно-частотная характеристика систем.
- •3.3.Теоретическое обоснование процедуры проектирования электронных устройств.
- •3.4. Связь качества электронных устройств с относительной чувствительностью характеристик к изменению параметров элементов
- •В частотную область уравнение (12) переводят с помощью преобразования Фурье формально заменяя оператор s на jω
- •3.4.1. Качество систем и принципы их построения
- •3.4.3. Связь функции относительной чувствительности с запасом
- •3.5. Структурный метод повышения качества систем
- •3.6.Основные положения теории графов
- •3.6.1. Типы графов и их элементы
- •3.6.2. Изоморфизм графов
- •3.6.3.Синтез графов.
- •3.6.3. Методика синтеза графа по смежностно-степенным таблицам .
- •Глава четвёртая
- •4. Источники питания электронных схем
- •4.1. Функциональный аспект.
- •4.2. Магнитные цепи
- •4.3. Структурный аспект. Принципы построения выпрямителей.
- •4.5.Полупроводниковый p-n переход и полупроводниковые выпрямительные диоды
- •4.6. Силовые выпрямители
- •4.7.Стабилитроны и их применение в параметрических стабилизаторах
- •4.8. Схемы диодных ограничителей
- •4.9.Специальные типы диодов
- •4.9.1.Модели светодиодов и фотодиодов и их применение
- •4.9.2.Диоды Шоттки
- •Глава пять
- •5. Однокаскадные усилители
- •4.1. Принципы построения однокаскадных усилителей
- •5.2. Транзисторы и их модели
- •5.2.1.Биполярные транзисторы
- •4.4. Оконечные каскады усиления
- •5. 3. Операционные усилители (оу) постоянного тока
- •5.3.1. Способы построения дифференциального усилителя и его модели
- •5.3.2. Дифференциальный каскад с повышенным коэффициентом усиления
- •Глава шесть
- •6. Элементы цифрОвых устройств
- •6.1. Реализация основных логических функций и эталонов.
- •6.1.1. Диодные логические компоненты «и».
- •6.1.2. Диодно-транзисторный компонент «и-не»
- •6.1.3. Транзисторно-транзисторные компоненты (ттл) «и-не»
5.2. Транзисторы и их модели
Общие положения.
Основным элементом усилителей и многих других электронных устройств является полупроводниковые транзисторы. Кратко рассмотрим историю создания элемента, играющего наиболее существенную роль в развитии информационной и вычислительной техники, в системах управления и т.д.
История создания транзисторов и интегральных схем.
В лаборатории Белл Телефон в 1947 году Джон Бардин и Уолтер Браттейн открыли транзисторный эффект и создали первый транзистор. За эти работы они вместе с теоретиком Уильямом Шокли, получили Нобелевскую премию по физике за 1956 год.
Заметим, что Бардин стал первым и пока единственным лауреатом Нобелевской премии по физике, получившим вторую медаль за построение в 1957 г. микроскопической теории сверхпроводимости совместно с Л. Купером и Д. Шиффером.
В 1950 году Станиславом Тегнером был изобретен полевой транзистор, ставший основным элементом современных интегральных схем благодаря практически нулевому входному току полевых транзисторов в статическом состоянии.
Первая интегральная микросхема, выполняющая логические операции и запоминание информации, была изготовлена в 1963 году Килби и Нейзом.
В 1971 году был изготовлен первый микропроцессор, состоявший уже из блоков: логических, арифметических, хранения информации и управления ими. Микропроцессором выполнялись разнообразные вычислительные и логические операции.
С тех пор совершенствование технологии и автоматизации проектирования интегральных схем развивается огромными тепами. Экспериментально американским исследователем Муром было обнаружено, что примерно каждые три года число элементов кристалла удваивается за счёт уменьшения размеров транзисторов и совершенствования их структур, а также совершенствования структурных решений компонент, подсистем и электронных систем. Эту зависимость назвали законом Мура. Он был обнаружен в начале семидесятых годов прошлого века и подтверждается по настоящее время.
В качестве единицы измерения размеров элементов на полупроводниковом кристалле служит минимальная ширина базы биполярного транзистора или минимальная длина канала полевого транзистора. Начавшись с десятка микрометров, базовый размер в настоящее время (декабрь 2007 г.) достиг 30 нанометров, а чип памяти фирмы Samsung содержит 6,6 ∙108 транзисторов и ещё несколько десятков вспомогательных блоков.
Современные чипы представляют собой многослойные структуры (6-7 слоёв), содержащие соединительные провода; коммутирующие их транзисторы; каналы отвода тепла (воздушные и водяные); параллельно работающие процессоры со своей оперативной памятью; интерфейсные аналоговые устройства и разнообразные преобразователи физических величин в электрические. Это так называемые системы на кристалле.
Очевидно, что проектирование кристалла с таким числом элементов и разнообразных по принципу действия может осуществляться только с помощью мощнейших программных комплексов, включающих в себя все аспекты проектирования и разрабатываемые почти параллельно в соответствии с приведённой спиралевидной моделью проектирования( см.).
Невозможно развитие электронных устройств за счёт развития только какого-либо одного аспекта. Например, до 80% площади кристалла занимают соединительные провода и транзисторы, коммутирующие соединения.
Аналоговые устройства занимают площадь на кристалле около 15-20 % , а время их проектирования достигает 80% от времени проектирования цифровых и аналоговых устройств. Причём, цифровые подсистемы занимают на кристалле площадь порядка 70...80%, а время их проектирования составляет 20%.
Такое большое время проектирования аналоговых устройств существенно замедляет процесс проектирования и развития сложных электронных систем. Оно обусловлено слабой развитостью методов проектирования структурного аспекта. В результате значительное время тратится на интуитивный поиск (на поиск новых схемных решений, патентуемых во всём мире) эффективных решений. В книге даётся логическое описание процедур решения подобного типа проблем на примерах решения учебных задач.