50. Полупроводниковые индикаторы

Полупроводниковые индикаторы основаны на явлении люминесценции, обусловленной рекомбинацией электронов и дырок при их инжекции под действием прямого напряжения на р-n-переходе. Спектр видимого излучения ППИ (светодиодов) лежит в диапазоне волн 0,4-0,7 мкм. Эффективность преобразования электрической энергии в излучение определяется материалом полупроводника, коэффициентом полезного действия инжекции неосновных носителей, оптическими потерями в полупроводнике и другими факторами.

ППИ характеризуются рядом преимуществ по сравнению с другими типами индикаторов:

- большой срок службы;

- совместимость с интегральными схемами, благодаря низким потребляемым напряжениям и токам;

- высокая надежность при ударных и вибрационных перегрузках;

- компактность;

- малая инерционность ППИ обеспечивает высокое быстродействие (50-200 нс).

51. Жидкокристаллические индикаторы David g. Baldwin, James r. Rubin, Afsaneh Gerami

Жидкокристаллические индикаторы (LCD) появились на рынке с 70-х годов. Они широко применяются во многих устройствах, например, электронных часах, микрокалькуляторах, радиоприемниках и других устройствах, в которых требуются индикаторы и три или четыре буквенно-цифровых знака. Последние достижения в технологии жидкокристаллических материалов позволяют изготавливать большие индикаторы. Хотя жидкокристаллические индикаторы представляют собой лишь небольшую часть изделий, выпускаемых полупроводниковой промышленностью, их значение возросло благодаря применению в плоских дисплеях портативных компьютеров, сверхлегких ноутбуках и специализированных текстовых процессорах. Прогнозируется дальнейший рост использования жидкокристаллических индикаторов, так как, в конце концов, они заменят новейшую электронную лампу - электронно-лучевую трубку (CRT) (О'Mara 1993).       Изготовление жидкокристаллических индикаторов - высокоспециализированный процесс. Результаты мониторинга промышленных гигиенистов указывают на очень низкий уровень содержания посторонних веществ в воздухе при зафиксированном воздействии растворителей (Wade et al. 1981). В целом тип и количество токсичных, коррозийных и воспламеняемых твердых, жидких и газообразных химических веществ и опасных физических реагентов, применяемых при изготовлении жидкокристаллических индикаторов, ограничено по сравнению с другими типами полупроводниковых приборов.       Молекулы жидкокристаллических веществ имеют вытянутую "палочкообразную" форму. На рис. 83.5 показана молекула цианбифенила. Молекулы обладают свойством вращения плоскости поляризации света, проходящего через них. Хотя сами молекулы прозрачны для видимого света, контейнер с жидким материалом оказывается молочным или полупрозрачным вместо прозрачного. Это происходит из-за удлиненных осей молекул, располагающихся под произвольными углами, ведущих к хаотичному рассеиванию света. Ячейка жидкокристаллического индикатора организована так, что молекулы имеют определенную ориентацию. Ориентация может быть изменена под влиянием внешнего электрического поля, позволяющего изменение поляризации входящего света.

В настоящее время выпускаемые промышленностью ППИ в основном изготавливаются на основе твердых растворов фосфида и арсенида галлия GaAsP и фосфида галлия GaP. Возможно получение широкого диапазона излучения ППИ от красного до голубого цвета.

В нашей стране выпускаются светодиоды из фосфида галлия с красным свечением, зеленым, на карбиде кремния с желтым свечением, а также многоэлементные цифровые индикаторы и матричные панели.

Матричные панели на светоизлучающих диодах пока еще не нашли широкого применения. Это объясняется их высокой стоимостью и значительными трудностями (технологическими) производства. Ни полупроводниковая технология, ни пленочная не позволили получить панели с достаточной информационной емкостью из-за значительной неоднороности характеристик и сильного взаимного влияния ячеек.

52. Полупроводниковые интегральные микросхемы - это интегральные микросхемы, все пассивные и активные элементы которых изготовлены в одной пластинке полупроводника (монокристалле кремния). Большую часть пластинки по толщине составляет подложка, и только в тонком приповерхностном слое находятся элементы схемы и соединения между ними, созданные методом диффузионно-планарной технологии. Такая технология позволяет создать в пластинке полупроводника (кремния) области с разным типом проводимости, а также соединения этих областей с металлическими контактами. Области с разным типом проводимости образуют переходы, выполняющие функции резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов. Кстати, в некоторых полупроводниковых интегральных микросхемах применяется светодиодная подсветка.  Тип проводимости определяется концентрацией примеси. Избыток доноров дает область с проводимостью типа п, избыток акцепторов — область с проводимостью типа р. Процесс изменения типа проводимости путем добавления примесей называется компенсацией. 

Полупроводниковые интегральные микросхемы являются наиболее распространенным типом интегральных микросхем, обеспечивающих максимальную миниатюризацию И надежность. При массовом производстве являются наиболее дешевыми. Плотность упаковки в полупроводниковых интегральных микросхемах доходит даже до нескольких тысяч элементов и более на 1 мм2. ­ 

53. Цифровые (логические) ИМС предназначены для преобразо­вания и обработки дискретных сигналов. Их используют как электронные ключи с двумя устойчивыми состояниями. В одном состоянии на их входе (выходе) действует низкий уровень нап­ряжения; при переводе на двоичный цифровой код это соответст­вует логическому нулю (0). В другом состоянии действует высокий уровень напряжения, что соответствует логической еди­нице (1). Частный случай цифровой ИМС — логическая мик­росхема. Положительной логикой называют действие элементов, срабатывающих при положительном импульсе входного сигна­ла — при изменении его с 0 на 1, а отрицательной — при измене­нии входного сигнала с 1 на 0. Цифровые ИМС применяют в узлах и блоках электронных вычислительных машин, в устройствах дис­кретной автоматики и измерительной техники.

Статическими параметрами цифровых ИМС называют пара­метры, характеризующие состояние включенной микросхемы: напряжение источника питания; входное и выходное напряжения, соответствующие логическому нулю (0) или логической единице (1); допустимое количество входов ИМС, называемое коэффи­циентом объединения по входу; количество одновременно под­ключенных нагрузок — коэффициент разветвления по выходу, средняя потребляемая мощность; помехоустойчивость.

Динамические параметры характеризуют ИМС в режиме пе­реключения: время перехода из состояния, соответствующего 0, в состояние, соответствующее 1, или наоборот; время задержки распространения сигнала и другие. Цифровые ИМС по функцио­нальному назначению делят на подгруппы: логические ИМС, триггеры, элементы арифметических устройств и т. д.

54.  Счетчик – функциональный узел, предназначенный для подсчета числа входных сигналов и запоминания кода этого числа соответствующими триггерами. Результат счета в них записывается в двоичном коде. Максимальное число N, которое может быть записано в счетчике равно (2ⁿ –1), где n-число разрядов счетчика. Каждый разряд счетчика включает в себя триггер. По назначению счетчики делятся на суммирующие, вычитающие.

55. Аналоговые (линейные) ИМС предназначены для преобразо­вания и обработки непрерывно и плавно изменяющихся сигналов. Обычно они имеют линейные характеристики, поэтому получил распространение термин «линейная микросхема». Они применя­ются в качестве усилителей и генераторов гармонических (сину­соидальных) сигналов, а также детекторов, фильтров, модулято­ров, коммутаторов и других устройств.

Аналоговые ИМС получают все более широкое применение благодаря усовершенствованию технологии и возможности соз­дания транзисторных структур в интегральном исполнении с вы­соким напряжением пробоя, с высокой граничной частотой и одинаковыми параметрами всех элементов, а также создания структур п-р-п и р-п-р на одной подложке в едином технологи­ческом процессе.

Наиболее распространенный тип аналоговых ИМС — интег­ральные усилители. Они подразделяются на многоцелевые (с од­ним входом) и многоцелевые дифференциальные усилители (с двумя входами и двумя или одним выходом). Разновидностью дифференциальных усилителей являются операционные усилите­ли, имеющие два входа и один выход.

Многоцелевые усилители с одним входом и одним выходом предназначены для усиления гармонических сигналов в широком диапазоне частот. К ним относятся усилители низких, промежу¬точных и высоких частот, видеоусилители и широкополосные усилители. Они находят применение в практике приемной и пере¬дающей радиоаппаратуры, телевидения и видеотехники.

Дифференциальные усилители имеют два симметричных от-носительно общей точки (корпуса) входа. Они усиливают раз¬ность двух сигналов, подаваемых на входы, и могут быть исполь¬зованы в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Операционные усилители — это многокаскадные усилители с дифференциальными входами (два входа) и одним общим выхо­дом. Они отличаются очень большим коээфициентом усиления, большим входным и очень малым выходным сопротивлением. Название «операционный» связано с их первоначальным приме­нением для выполнения различных математических операций в ЭВМ — сложения, вычитания, умножения, интегрирования и других. Но по мере развития микроэлектроники и производства операционных усилителей в интегральном исполнении — в виде ИМС — их применение все более расширялось. Их используют в усилителях постоянного и переменного тока, в генераторах, стабилизаторах напряжения, активных фильтрах и т. д. Два варианта условного обозначения операционных усилителей на схемах показаны на рис. 5.11, а, б. Один вход (со знаком «+») называют неинвертирующим; при подаче сигнала на него фазы приращения сигнала на выходе и входе совпадают. Второй (со знаком «—») — инвертирующим; приращения сигнала на выходе и этом входе по фазе противоположны.

Аналоговые ИМС могут быть как полупроводниковыми, так и гибридными с тонко- и толстопленочными элементами. Их изго­товляют на основе биполярных или МДП-транзисторов, которые имеют более высокое входное сопротивление и меньший шум, чем биполярные; На выходе обычно используют эмиттер- ный повторитель. Основные параметры аналоговых схем следую­щие: входное и выходное сопротивления, коэффициент усиления и частотный диапазон.

Питание аналоговых ИМС осуществляется от низковольтных источников постоянного тока. В зависимости от схем каскадов может требоваться источник питания, дающий не одно, а два напряжения: равной величины, но противоположной полярности относительно общей точки. Вторичные источники питания в ин­тегральном исполнении выпускаются серией К.142, содержащей маломощные выпрямители и стабилизаторы напряжения.

поэтому их целесообразно применять на входе опе­рационных усилителей.

56. Большая интегральная микросхема представляет собой устройство, которое содержит до нескольких сотен или более радиоэлементов: транзисторов, диодов, резисторов и емкостей, размещенных на монолитном кристалле полупроводника, соединенных между собой и образующих некоторую логическую схему. Одной из важных задач в производстве БИС является создание системы соединений между элементами, входящими в БИС. [1]

Большие интегральные микросхемы с программируемой разводкой создаются для каждой микросхемы заново с учетом расположения годных элементов на кристалле, которое меняется от кристалла к кристаллу. Большие интегральные микросхемы, построенные по методу базовой матрицы, - создаются способом фиксированной разводки. Матрицы между собой соединяются программируемой разводкой. [2]

Большая интегральная микросхема ( БИС) - интегральная микросхема, содержащая 500 и более элементов, изготовленных по биполярной технологии, или 1000 и более элементов, изготовленных по МДП-технологии. [3]

Большая интегральная микросхема ( БИС) - полупроводниковая интегральная схема, содержащая 500 и более элементов, изготовленных по биполярной технологии, 1000 и более элементов, изготовленных по МОП-технологии. [4]

Создание больших интегральных схем (БИС) характеризует новый этап в развитии микроэлектроники. Это явилось след-

г

I ствием непрерывного совершенствования технологических про­цессов изготовления ИМС, увеличения степени интеграции, уменьшения размеров активных и пассивных элементов, роста функциональной сложности микросхем.

БИС — это интегральная микросхема третьей, четвертой и более высокой степени интеграции, которая содержит несколько функциональных устройств. Каждое из этих устройств в свою очередь содержит более 1000 элементов.

БИС отличаются от ИМС с меньшей степенью интеграции тем, что представляют собой более сложные интегральные схемы, вы­полняющие функции блоков и целых радиоэлектронных уст­ройств. Они предназначаются для определенных типов ап­паратуры и не являются устройствами широкого применения. При изготовлении БИС на полупроводниковой пластине одновременно создается большое количество микросхем, но, в от­личие от процесса изготовления ИМС, пластина не разрезается на отдельные кристаллы, а готовые ИМС путем создания спе­циальных металлизированных межсоединений объединяются на общей подложке в определенную единую систему, которая и является большой интегральной схемой.

БИС позволяет повысить не только степень интеграции, но и качественные показатели, и надежность радиоэлектронной ап­паратуры при снижении ее стоимости. Это достигается за счет уменьшения числа соединений в аппаратуре, поскольку БИС заменяет ряд отдельных ИМС; уменьшения объема монтажно­сборочных работ, а также сокращения числа технологических операций. Создание БИС повышает быстродействие узлов аппа­ратуры и ее помехозащищенность.

БИС, как и ИМС, подразделяют на цифровые и аналого­вые, а по конструкционно-технологическому признаку — на полу­проводниковые и гибридные. В гибридных БИС в качестве на­весных компонентов используют бескорпусные ИМС средней сте­пени интеграции. Широкое распространение получили БИС в вычислительной аппаратуре, которая производит миллионы опе­раций в секунду. К ним относятся микропроцессорные схемы и другие блоки ЭВМ, микрокалькуляторы.

57. Микропроцессором называют устройство цифровой обработки информации, осуществляемой по программе. Это функционально законченное устройство, построенное на одной или нескольких БИС. Микропроцессорные ИМС были созданы в начале 70-х годов и получили бурное развитие, в результате которого появились четыре поколения микропроцессоров: медленно действующих, среднего быстродействия, быстродействующих и однокристаль­ных микропроцессоров, процессорных секций и микро-ЭВМ. Мик­ропроцессоры и микропроцессорные системы применяют также для расширения возможностей телефонных и телеграфных апгта- ратов. Например, телефонный аппарат, построенный на базе микропроцессора, позволяет: осуществить кнопочный набор но­мера с преобразованием сигнала в импульсы дискового набора; осуществить автоматическое повторение последнего набранного номера; закодировать ряд номеров в запоминающем устройстве микропроцессора с последующим автоматическим набором лю­бого из них путем нажатия соответствующей коду кнопки и т. п.

С помощью микропроцессоров можно осуществить преобразо­вание звуковых сигналов в цифровой код и обратно для пере­дачи по линии связи только цифровой информации. БИС с высо­кой степенью интеграции позволяют создавать микроэлектронные устройства для широкого применения не только в технике, но и в быту: карманные калькуляторы, наручные часы, микро-ЭВМ.

58. Одним из современных направлений микроэлектроники наря­ду с интегральными микросхемами является функциональная микроэлектроника. В интегральной микроэлектронике проектиро­вание, разработка и изготовление микросхем осуществляются на основе электрических схем. При этом в одном кристалле форми­руются области, каждая из которых эквивалентна определенной радиодетали. Усложнение интегральной микросхемы приводит к необходимости увеличивать количество элементов и уменьшать их размеры, что не беспредельно. При большом количестве очень малых элементов возрастают паразитные связи между ними и вредные взаимовлияния, которые трудно устранить.

В функциональной микроэлектронике приборы строят на осно­ве преобразования энергии с использованием различных физи­ческих явлений в твердом теле, например фотоэлектрических, электронно-оптических, выделения тепла при прохождении элек­трического тока и, наоборот, возникновения э. д. с. при нагреве. Поэтому при создании функциональных микросхем не воспроиз­водят все элементы электрической схемы в соответствующих участках твердого тела, а создают области с определенными свойствами, необходимыми для выполнения данной функции.

В качестве примера рассмотрим простейший функциональный блок, который выполняет функцию преобразования переменного тока в постоянный (рис. 5.12, а). Для сравнения на рис. 5.12, б приведена простейшая электрическая схема, которая при реали­зации с помощью электрорадиоэлементов выполняет ту же фун­кцию выпрямителя. Рассматриваемый функциональный блок состоит из трех областей: 1 — область, обладающая активным сопротивлением и выделяющая тепло при прохождении через нее электрического тока любого рода; 2 — область, являющаяся электрическим изолятором, но проводящая тепло; 3 — термо­электрическая область, которая под воздействием теплового потока вырабатывает э. д. с. постоянного тока. К области 1 под­водится переменное напряжение, и под действием электрического тока выделяется тепло. Тепловой поток проходит из области / через теплопроводящую область 2 в термоэлектрическую об­ласть 3, которая при этом генерирует постоянный ток.

Другим примером является пьезоэлектрический кристалл, ге­нерирующий колебания подобно резонансному контуру, содержа­щему катушку индуктивности, конденсатор и резистор.

По сравнению с электрической схемой количество элемен­тов или компонентов в функциональной микросхеме гораздо меньше, а следовательно, появляется возможность значительно уменьшить размеры и стоимость устройств, а главное, резко повысить надежность схемы и устройства в целом.

Однако функциональные микросхемы не универсальны. Это специфические схемы, имеющие свои преимущества и недостатки. В основном они используются для управления электрическими сигналами, однако могут найти применение и в случаях, когда

Рис. 5.12. Функциональный блок для выпрямления пе­ременного тока (а) и аналогичная по функции элек­трическая схема (б)

входными или выходными величинами являются тепло, электро­магнитное излучение, механическое смещение и т. п. В качестве материала, на базе которого создаются функциональные микро­схемы, могут использоваться как полупроводники, так и сверх­проводники, диэлектрики, фотопроводящие материалы и другие.

60. Усилители низкой частоты являются неотъемлемым звеном практически любой аудиосистемы, независимо от уровня ее сложности и области применения. Существует много факторов, позволяющих характеризовать и делить на категории УНЧ по методам работы и эксплуатационным свойствам. К ним относятся тип применяемых усилительных элементов (полупроводники или лампы), коэффициент передачи (обычно, по напряжению в дБ), диапазон воспроизводимых частот, уровень нелинейных искажений, КПД, величина потребляемого тока и напряжение питания, собственный уровень шумов, входные/выходные параметры, предельно допустимые режимы работы и многие другие. Кроме этого, усилители мощности можно классифицировать по назначению, а именно, автомобильные УНЧ, УНЧ для применения дома и на улице.

Традиционно, при построении УНЧ используют дискретную элементную базу и многочисленные отработанные схемотехнические решения. Классическим примером таких усилителей являются хорошо зарекомендовавшие себя конструкции, которые можно собрать из наборов МАСТЕР NM2011 и NM2012 (В. Чулков, «Универсальный усилитель мощности», Радиохобби, 2000, N6).

На сегодняшний день, уровень развития интегральной полупроводниковой техники позволяет создавать УНЧ в интегральном исполнении с характеристиками, в большинстве случаях эквивалентными дискретным усилителям мощности, а порой даже на порядок лучшими. Подобные интегральные УНЧ обладают рядом неоспоримых преимуществ: они несоизмеримо меньше в размерах и существенно дешевле своих дискретных аналогов. Кроме того, как показывает практика, такие УНЧ удовлетворяют потребности практически любого пользователя.

Поэтому, перед специалистами отдела “МАСТЕР КИТ” была поставлена и успешно решена задача по разработке модельного ряда подобных усилителей низкой частоты для широкого применения, имеющих различные технические характеристики и габариты. Каждое устройство обладает максимальной функциональностью, надежностью и оптимальным соотношением цена/качество.

Радиолюбители сами могут развести печатную плату, но нужно учитывать, что это очень ответственная и серьезная работа. Не все знают, что, например, неправильная трассировка печатных проводников в мощном усилителе, может в десятки раз увеличить уровень его нелинейных искажений или даже сделать вообще неработоспособным. Поэтому для разработки печатных плат привлекались профессиональные конструкторы, специализирующиеся в этой области, которые работали совместно с разработчиками электронной схемы.

Краткие характеристики и каталожные номера модельного ряда усилителей п

61.в  параллельных регистрах запись двоичного числа осуществля-етсяпараллельным кодом, т. е. во все разряды регистра одновременно. Ихфункции сводятся к приему, хранению и передаче информации (двоичногочисла). В связи с этим параллельные регистры часто называют

 регистрамипамяти.

Параллельный

 N 

-разрядный регистр состоит из

 N-

триггеров, каждыйиз которых имеет число входов, соответствующее количеству источниковинформации. Если источник цифровой информации один, то каждыйтриггер имеет один вход. При двух и трех параллельных каналахинформации триггер разряда выполняется на два и три входа. Записьцифровой информации осуществляется по цепи управления регистром.Принцип построения параллельных регистров иллюстрируетсяструктурной схемой на рис. 20 при одном канале четырехразряднойцифровой информации.

 DS 

1 – триггер младшего разряда,

 DS 

4 – триггеруправления записью информации в регистр;

 DD

5

−

 DD

8 – элементы, 

служащие для управления считыванием информации из регистра.Перед записью двоичного числа все триггеры устанавливают всостояние ''0'' подачей импульса по входу ''Установка 0''. Для записи в регистр входной информации подают импульс записи, открывающийвходные элементы И. Код входного числа записывается в регистр. Если,например, на входе присутствует код 1011, соответствующий числу 11, тоэто же число будет записано в регистр.По окончании операции записи информация, записанная в регистрсохраняется, несмотря на то что входная информация (число) можетизменяться.Для считывания информации подают импульс по входу''Считывание''. На выходные шины регистра передается код числа,записанного в регистр. При этом число, записанное в регистр, сохраняется.Для получения новой информации описанные операции повторяются.

62. 47

63 Выпрямитель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.^[1][2]

Большинство выпрямителей создаёт не постоянные, а пульсирующие однонаправленные напряжение и ток, длясглаживания пульсаций которых применяют фильтры.

Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянных напряжения и тока в переменные напряжение и ток — называется инвертором.

Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).

Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе — пульсирующий постоянный ток. На промышленных частотах (50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 КГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.

Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).

Допущения: нагрузка чисто активная, вентиль — идеальный электрический ключ.

Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю.

. Эта величина вдвое меньше, чем в полномостовом.

Недостатки:^[10]

• Большая величина пульсаций

• Сильная нагрузка на вентиль (требуется диод с большим средним выпрямленным током)

• Низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора (около 0,45) (не путать с КПД, который зависит от потерь в меди и потерь в стали и в однополупериодном выпрямителе почти такой же, как и в двухполупериодном).

Преимущество: экономия на количестве вентилей.