Аналоговые атсэ

В аналоговых АТСЭ в коммутационном поле применяют матричные электронные соединители (МЭС). Коммутационными элементами таких соединителей являются полевые транзисторы или специализированные аналоговые микросхемы. Например, МЭС 8x8 включает в себя 64 полевых n-канальных транзистора с переходами. Каждый вход или выход имеет трансформатор, служащий для перехода с двухпроводной разговорной цепи на однопроводную и наоборот, а также для гальванической развязки цепей внутри соединителя от входных и выходных разговорных цепей.

27. Программируемые аналоговые микросхемы

С 2000 года фирма Lattice Semiconductor выпускает программируемые аналоговые интегральные схемы (ПАИС) семейства ispPAC (In-System Programmable Analog Circuit) с программированием в системе, т.е. без извлечения из печатной платы [2, 3]. К середине 2000 года производились три представителя этого семейства: ispPAC-Ю (рис.1), ispPAC-20 (рис.2) и ispPAC-80. Они интегрируют до 60 активных и пассивных элементов, которые конфигурируются, моделируются и программируются с помощью пакета PAC-Designer.

ПАИС семейства ispPAC содержат:

• схемы последовательного интерфейса, регистры и элементы электрически репрограммируемой энергонезависимой памяти (EEPROM), обеспечивающие конфигурирование матрицы; • программируемые аналоговые ячейки (PACcells) и состоящие из них программируемые аналоговые блоки (PACblocks); • программируемые элементы для межсоединений (ARP - Analog Routing Pool).

Заложенная в эту серию архитектура основывается на базовых ячейках, содержащих: инструментальный усилитель (ИУ); выходной усилитель (ВУ), реализованный по схеме сумматора/интегратора; источник опорного напряжения 2,5 В (ИОН); 8-разрядный ЦАП с выходом по напряжению и сдвоенный компаратор (КП). Аналоговые входы и выходы ячеек (кроме ИОН) для повышения динамического диапазона обрабатываемых сигналов выполнены по дифференциальной схеме. Два ИУ и один ВУ образуют макроячейку, называемую РАС-блоком, в котором выходы ИУ соединены с суммирующими входами ВУ. Микросхема ispPAC-10 включает четыре РАС-блока, a ispPAC-20 - два. В состав ispPAC-20 также входят ячейки ЦАП и компараторов. В ячейке программируются коэффициент усиления ИУ в диапазоне от -10 до +10 с шагом 1, а в цепи обратной связи ВУ - величина емкости конденсатора (128 возможных значений) и включение/выключение сопротивления.

Ряд изготовителей ИС применяют для программирования аналоговых функций технологию "переключаемых конденсаторов", предполагающую изменение емкости частотно-задающих цепей посредством электронного ключа, переключающегося по условию.

Подход компании Lattice основан на использовании схем с постоянными во времени характеристиками, которые могут быть изменены в процессе переконфигурования системы без выключения питания. Это улучшение существенно, так как избавляет от дополнительных обработок сигнала, необходимых в первом методе.

Средства внутренней разводки (Analog Routing Pool) позволяют соединять друг с другом входные контакты микросхемы, входы и выходы макроячеек, выход ЦАП и входы компараторов. Объединяя несколько макроячеек, можно строить схемы перестраиваемых активных фильтров в диапазоне частот от 10 до 100 кГц, основанных на использовании звена интегратора. Следует заметить, что ispPAC фирмы Lattice в наибольшей степени приближены к ПАИС. Единственный их недостаток - отсутствует система универсальных базовых элементов, которая позволяла бы проектировать не только перестраиваемые активные фильтры, а достаточно широкое множество аналоговых систем. Именно это обстоятельство мешает ispPAC фирмы Lattice Semiconductor стать аналогом ПЛИС таких фирм, как Altera и Xilinx.

В целом, анализируя ситуацию в области разработок и практических реализаций аналоговых микросхем, можно сделать ряд обобщений:

• основная масса промышленно реализованных аналоговых микросхем по степени интеграции не может быть отнесена к БИСам; • аналоговые БИС и БМК предназначаются для проектирования устройств определенного класса, т.е. они не универсальны; • при проектировании больших аналоговых систем главенствующим остается функционально-узловой метод (специализированные комплекты ИС, например для телевизионных приемников).

Anadigm

Производство программируемых аналоговых интегральных схем (ПАИС) - аналоговых эквивалентов ПЛИС. Два типа ПАИС - динамически и статически конфигурируемые. Отличие их заключается в том, что динамически конфигурируемая схема позволяет изменять полностью или частично функциональную структуру в реальном времени в работающем устройстве, что дает возможность создавать уникальные схемы аналоговой обработки сигналов. Также компания пополнила свою линейку перепрограммируемыми аналоговыми процессорами для построения универсальных считывателей меток радиочастотной идентификации (RFID). 

28. Силовые полупроводниковые ключи

MOSFET (МОП-транзисторы) или IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором), которые появились в середине 80-х.

МОП-структура (металл — оксид — полупроводник) — наиболее широко используемый тип полевых транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделённых слоем оксида кремния SiO₂. В общем случае структуру называют МДП (металл — диэлектрик — полупроводник).

Транзисторы на основе МОП-структур называют полевыми, или МОП-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET).

Транзисторы на основе МОП-структур, в отличие от биполярных, управляются напряжением, а не током и называются униполярными транзисторами, так как для их работы необходимо наличие носителей заряда только одного типа.

Структура MOSFET модулей

Напряжение пробоя сток-исток V_BR(DSS)

Пороговое напряжение затвор-исток V_GS(th)

Ток стока I_DSS при нулевом напряжении на затворе

Ток утечки затвор-исток I_GSS

Сопротивление сток-исток R_DS(on) во включенном состоянии

Производство IGBT и MOSFET сравнительно простое и является предпочтительным, может быть просто организовано с помощью современных технологий микроэлектроники. Это преимущественно благодаря быстрому развитию IGBT и силовых MOSFET, так как силовая электроника продолжает открывать новые рынки сбыта. Биполярные транзисторы высокого напряжения, которые были еще очень популярны несколько лет назад, на данный момент практически полностью вытеснены транзисторами IGBT.

IGBT (от англ. Insulated-gate bipolar transistor — «биполярный транзистор с изолированным затвором») — силовой электронный прибор, предназначенный, в основном, для управления электрическими приводами. Выпускаются как отдельные IGBT, так и силовые сборки (модули) на их основе, например, для управления цепями трёхфазного тока.

29. СИД и лазеры

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом или контактом металл-полупроводник, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят в том числе от химического состава использованных в нём полупроводников. Считается^[кем?], что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк. В 1923 году, экспериментируя с детектирующим контактом на основе пары «карборунд — стальная проволока», Олег Лосев обнаружил на стыке двух разнородных материалов слабое свечение — электролюминесценцию полупроводникового перехода.

Применение

• В уличном, промышленном, бытовом освещении (в т.ч.светодиодная лента)

• В качестве индикаторов - как в виде одиночных светодиодов (например, индикатор включения на панели прибора), так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например, цифры на часах)

• Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. Такие массивы часто называют светодиодными кластерами или просто кластерами

• В оптопарах

• Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и светофорах

• Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, светотелефоны, интернет^[10])

• В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т. д.)

• В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и проч

• В светодиодных дорожных знаках

• В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.

Характеристики

Вольт-амперная характеристика светодиодов в прямом направлении нелинейна. Диод начинает проводить ток начиная с некоторого порогового напряжения. Это напряжение позволяет достаточно точно определить материал полупроводника.

Ла́зер (англ. laser, акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света посредствомвынужденного излучения), опти́ческий ква́нтовый генера́тор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

30. Фотоприёмники и формирователи изображения

Фотодио́д — приёмник оптического излучения^[1], который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

Фоторези́стор — полупроводниковый прибор, изменяющий величину своего сопротивления при облучении светом.

Для изготовления фоторезисторов используют полупроводниковые материалы с шириной запрещенной зоны, оптимальной для решаемой задачи. Так, для регистрации видимого света используются фоторезисторы из селенида и сульфида кадмия, Se. Для регистрации инфракрасного излучения используются Ge (чистый или легированный примесями Au, Cu или Zn), Si, PbS, PbSe, PbTe,InSb, InAs, HgCdTe, часто охлаждаемые до низких температур. Полупроводник наносят в виде тонкого слоя на стеклянную или кварцевую подложку или вырезают в виде тонкой пластинки из монокристалла. Слой или пластинку полупроводника снабжают двумя электродами и помещают в защитный корпус.

Фототири́стор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, имеющий структуру, схожую со структурой обычного тиристора, но отличающийся от последнего тем, что включается не напряжением, а светом, падающим на тиристорную структуру. Этот прибор применяется в управляемых светом выпрямителях и наиболее эффективен в управлении сильными токами при высоких напряжениях. Скорость отклика на свет — менее 1 мкс. Фототиристоры обычно изготавливают из кремния, и спектральная характеристика у них такая же, как и у других кремниевых фоточуствительных элементов.

Разновидностью фототиристора является оптотиристор, в котором источник света -- светодиод из арсенида галлия -- интегрирован в одном светонепроницаемом корпусе с кремниевой тиристорной структурой.

Фототранзи́стор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от классического варианта тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения.

Фототранзистор имеет структуру n-p-n или p-n-p транзистора и может усиливать ток. Дырки электронно-дырочных пар, рождённых излучением, находятся в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. При увеличении положительного потенциала базы происходит усиление фототока за счёт инжекции электронов из эмиттера в базу.

31. Оптроны

Оптрон (оптопара) — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод, в ранних изделиях — миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов,фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и как правило объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.