3.Постоянные запоминающие устройства

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ или Read Only Memory - ROM), которые также часто называют энергонезависимыми (или Non Volatile Storage), обеспечивают сохранение записанной в них информации и при отсутствии напряжения питания. Конечно, под такое определение подпадают и память на жестких и гибких дисках, и компакт диски, и некоторые другие виды ЗУ.

Однако, говоря о постоянных ЗУ, обычно подразумевают устройства памяти с произвольным адресным доступом. Такие ЗУ могут строиться на различных физических принципах и обладать различными характеристиками не только по емкости и времени обращения к ним, но и по возможности замены записанной в них информации.

Различают две большие группы ПЗУ: программируемые изготовителем и программируемые пользователем.

ЗУ первой группы, называемые иначе масочными, обычно выпускаются большими партиями. Информация в них заносится в процессе изготовления этих ЗУ на заводах: с помощью специальной маски в конце технологического цикла на кристалле формируется соответствующая конфигурация соединений. Такие ЗУ оказываются наиболее дешевыми при массовом изготовлении. Их обычно используют для хранения различных постоянных программ и подпрограмм, кодов, физических констант, постоянных коэффициентов и пр.

В ПЗУ, программируемые пользователем, информация записывается после их изготовления самими пользователями. При этом существуют два основных типа таких ЗУ:однократно программируемые и перепрограммируемые.

Нетрудно вспомнить, что аналогичные разновидности имеются и у CDROM, которые, по существу, являются ПЗУ (ROM), изготавливаемыми на основе другого физического принципа.

Наиболее простыми являются однократно программируемые ПЗУ. В этих ЗУ запись как раз и производится посредством разрушения соединительных перемычек между выводами транзисторов и шинами матрицы (хотя есть и несколько иные технологии). Изображение программируемого ПЗУ на функциональной схеме показано на рис. 26.

Перепрограммируемые ПЗУ позволяют производить в них запись информации многократно. Конечно, в таких ЗУ должен использоваться иной принцип, чем разрушение перемычек в процессе записи. Распространенные технологические варианты используют МОП-транзисторы со сложным затвором (составным или “плавающим”), который способен накапливать заряд, снижающий пороговое напряжение отпирания транзистора, и сохранять этот заряд при выключенном питании. Программирование таких ПЗУ и состоит в создании зарядов на затворах тех транзисторов, где должны быть записаны данные (обычно “0”, так как в исходном состоянии в таких микросхемах записаны все “1”).

Перед повторной записью требуется произвести стирание ранее записанной информации. Оно производится либо электрически, подачей напряжения обратной полярности, либо с помощью ультрафиолетового света. У микросхем последнего типа имелось круглое окошечко из кварцевого стекла, через которое и освещался кристалл при стирании.

Параметры постоянных ЗУ соответствуют технологическим нормам своего времени. В начале 2000-х годов типовые емкости микросхем постоянной памяти с масочным программированием составляли порядка 32-128 Мбит, а времена обращения превышали аналогичные показатели оперативной памяти и для различных модификаций достигали доя 100 нс.

  Рисунок 6. Условно-графическое обозначение программируемого постоянного запоминающего устройства (PROM) на принципиальных схемах

Билет 17

1.Оптоэлектронными приборами называют приборы, прин­цип действия которых основан на излучении или преобразовании электромаг­нитных колебаний оптического диапазона волн (λ=1мм ... 1 нм).

Светодио́д или светоизлучающий диод  — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой). 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.

Фоторезисторы (ФР) - это полупроводниковые резисторы, принцип действия которых основан на фоторезистивном эффекте, т.е. на изменений сопротивления полупроводника под действием светового облучения.

Устройство фоторезистора: на диэлектрическую подложку (рис.2,а) нанесен слой полупроводника с двумя омическими выводами на концах, покрытый сверху слоем прозрачной эмали. В качестве полупровод­никовых материалов используются сульфиды свинца и кадмия (PIS и CdS) и селенид кадмия (CdSe).

Принцип действия фоторезисторов основан на образовании дополнительных подвижных носителей заряда (электронов и дырок) при ионизации атомов кристалла квантами света, вследствие чего уменьшается общее сопротивление полупроводника. При подключении к такому резистору напряжения U электрический ток I, протекающий в цепи, будет являться функцией двух переменных I = φ(Ф, U).

Фотодиод - это полупроводниковый диод, у которого ток зависит от освещенности. Обычно под этим током подразумевают обратный ток фотодиода, потому что его зависимость от освещенности выражена на порядки сильнее, чем прямого тока. В дальнейшем мы будем говорить именно про обратный ток.  В общем случае фотодиод представляет собой p-n переход, открытый для светового излучения. Под воздействием света в области p-n перехода генерируются носители заряда (электроны и дырки), которые проходят через него и вызывают напряжение на выводах фотодиода или протекание тока в замкнутой цепи.  Фотодиод, в зависимости от его материала, предназначен для регистрации светового потока в инфракрасном, оптическом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Фотодиоды изготавливают из кремния, германия, арсенида галлия, арсенида галлия индия и других материалов. Фотодиоды широко используются в системах управления, метрологии, робототехнике и других областях. Также они используются в составе других компонентов, например, оптопар, оптореле. Применительно к микроконтроллерам, фотодиоды находят применение в качестве различных датчиков - концевых датчиков, датчиков освещенности, расстояния, пульса и т.д.

Буквенное обозначение фотодиода может быть VD или BL (фотоэлемент).

Фототранзисторы отличаются от фотодиодов дополнительным усилением фототока на эмяттерном р-п переходе. Фототранзисторы могут работать как фотодиоды (режим с плавающей базой), так и в транзисторном режиме с источником смещения в базовой цепи. Вывод эмиттера фототранзистора маркируется цветной точкой на корпусе или цветной меткой на проволочном выводе. Фототранзисторы выпускают в металлостеклянном корпусе с входным окном базы в двух конструктивных оформлениях, как с отдельным электрическим выводом базы, так и без него.

Фототиристор — оптоэлектронный прибор, имеющий структуру, схожую со структурой обычного тиристора и отличается от последнего тем, что включается не напряжением, а светом, освещающим затвор. При освещении фототиристора в полупроводнике генерируются носители заряда обоих знаков (электроны и дырки), что приводит к увеличению тока через тиристор на величину фототока.

Фотоэлектрический ПП прибор с тремя или более р-п-переходами, в вольтамперной характеристике которого имеется участок отрицательного дифференциального сопротивления.

В основе принципа действия фототиристора лежит явление генерации носителей заряда в полупроводнике, точнее» в р-п переходе II находящемся под воздействием светового потока. Для управления фототиристором в иго корпусе предусмотрено окно для пропускания светового потока. Существенным преимуществом фототиристоров перед тиристорами, управляемыми электрическим сигналом, является отсутствие гальванической связи между силовыми приборами и системой их управления.

2.Интегральная схема (микросхема) – миниатюрное электронное устройство, состоящее из большого количества радиоэлектронных элементов, конструктивно и электрически связанных между собой. Обычно интегральная схема создается для выполнения конкретной функции. По сути, микросхема объединяет в себе какую-то электронную схему, где все элементы (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы) и электрические связи между ними конструктивно выполнены на одном кристалле. Поскольку размеры отдельных компонентов очень малы (микро- и нанометры), то на одном кристалле при современном развитии технологий, можно поместить более миллиона электронных компонентов. У понятия интегральная схема есть несколько синонимов: микросхема, микрочип, чип. Несмотря на некоторую особенность определения этих терминов и разницу между ними, в обиходе все они применяются для обозначения интегральной схемы. В современных электронных устройствах самых различных сфер применения, начиная от бытовых приборов и заканчивая сложными медицинскими и научными электроприборами, сложно найти прибор, в котором бы не применялись интегральные схемы. Иногда одна микросхема выполняет практически все функции в электронном приборе. Интегральные схемы делятся на группы по нескольким критериям. По степени интеграции – количеству элементов, размещенных на кристалле. По типу обрабатываемого сигнала: цифровые, аналоговые и аналого-цифровые. По технологии их производства и используемых материалов – полупроводниковые, пленочные и т.д. На сегодняшний день уровень развития технологий при производстве интегральных схем находится на очень высоком уровне. Повышения степени интеграции, улучшение параметров интегральных схем тормозится не технологическими ограничениями, а процессами, происходящими на молекулярном уровне в используемых для производства материалах (обычно полупроводниках). Поэтому исследования производителей и разработчиков микрочипов ведутся в направлении поиска новых материалов, которые смогли бы заменить полупроводники.

3.Аналого-цифровой преобразователь— устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC). Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор. Разрешение АЦП — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП — связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую определяется разрядностью АЦП.

Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных АЦП измеряется в битах, в троичных АЦП измеряется в тритах. Например, двоичный 8-ми разрядный АЦП, способен выдать 256 дискретных значений (0…255), поскольку  , троичный 8-ми разрядный АЦП, способен выдать 6561 дискретное значение.

По способу применяемых алгоритмов АЦП делят на:

• Последовательные прямого перебора

• Последовательного приближения

• Последовательные с сигма-дельта-модуляцией

• Параллельные одноступенчатые

• Параллельные двух- и более ступенчатые (конвейерные)

Билет 18

1.Электронно - дырочный переход - переходный слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различным типом проводимости. Переход представляет переходный слой между областями полупроводника с электропроводностью p - типа и n- типа.

Физические процессы в плоскостном симметричном pn переходе. pn переход без внешнего напряжения.После изготовления pn перехода имеет место резкое различие концентраций одноименных носителей зарядов приводит к возникновению диффузии и тока диффузии дырок и электронов.В результате имеет место нарушение электрической нейтральности p и n областей. - потенциальный барьер:электрическое поле препятствующее диффузионному перемещению основных носителей заряда.Образуется в обоих областях перехода образуются нескомпенсированные заряды атомов примесей под действием диффузионного ток.После возникновения электрического поля возникает возможность обратного перехода носителей зарядов и они образуют дрейфовый ток - тепловой ток:дрейфовый ток через pn переход так как он сильно зависит от температуры. - обеднённый слой:малое количество зарядов внутри pn перехода в результате диффузии основных носителей заряда и их рекомбинации.

pn переход без при прямом включении. Плюс источника подключён к p - области а минус к n - области. При этом происходит понижение потенциального барьера и через переход протекает большой ток. это вызывает увеличение тока диффузии а на величину дрейфового тока не влияет

- прямой ток:равен разности токов диффузии и дрейфового. При комнатной температуре диффузионный ток намного больше дрейфового,следовательно прямой ток - ток диффузии,образованный основными носителями заряда. Начальные вольт амперные характеристики соответствуют наличию потенциального барьера при дальнейшем повышении когда потенциальный барьер становится полностью скомпенсированным вольт амперная характеристика становится линейной. - инжекция:введение неосновных носителей заряда в данную область полупроводника через пониженный потенциальный барьер из области где эти заряды являются основными В n область из p области инжектируются дырки, а в p область из n области инжектируются электроны

pn переход при обратном включении. Плюс источника подключают к n области, минус к p области повышение при этом потенциального барьера приводит к уменьшению тока диффузии,а дрейфовый ток практически неизменным,так как он зависит от концентрации неосновных носителей заряда в обоих областях перехода. - обратный ток:небольшой разность между диффузным и дрейфовым током При повышенном напряжении ток диффузии уменьшается до нуля и обратный ток становится равным дрейфовому, тепловому току.

Несимметричный переход. При образовании pn перехода диффузия: причина нескомпенсированных зарядов атомов примесей.Часть из них получается в результате ухода в смежную область основных носителей заряда,другая часть - прихода из смежной области на основных носителей заряда рекомбинируют с основными носителями и нейтрализуют их.

Пробой pn перехода: резкое увеличение дифференциальной проводимости pn перехода при достижении обратным напряжением (током) критического для данного перехода значением Электрический пробой: явление обратимое,при снятии обратного напряжения свойства перехода полностью восстанавливаются. электрический пробой бывает двух видов: - лавинный пробой:лавинное размножение носителей заряда внутри перехода под действием электрического поля. Большая напряжённость вызывает большую скорость электронов переходящих и p области в n область При определённом значении обратного напряжения эти электроны приобретают энергию,достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника,находящихся внутри перехода. Этот процесс развивается лавинообразно. дальнейшие увеличения напряжения - увеличение обратного тока через переход,и напряжение не возрастает. - туннельный пробой:вызывается туннельным эффектом. Объяснить можно с помощью зонных диаграмм.Свободный электрон n области при наличии свободного энергетического уровня в p области может перейти в последнюю не преодолевая потенциального барьера. как бы сквозь туннель. Тепловой пробой:наступает при нарушении теплового баланса,когда выделяется тепла больше.чем он способен рассеять в окружающего пространства в единицу времени. Если процесс не остановить то происходит разрушение электрической решётки переход приходит в негодность. Обычно тепловому пробою предшествует электрический пробой.

2.Полевой транзистор - это электропреобразовательный прибор, в котором ток, протекающий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.К классу полевых относят транзисторы, принцип действия которых основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Вследствие этого транзисторы называют полевыми.По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р-n- перехода и с изолированным затвором (МДП - или МОП - транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом.В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на: полевые транзисторы с каналом р- типа и n- типа. Канал р- типа обладает дырочной проводимостью, а n- типа - электронной.

3.Варикап - это полупроводниковый диод, принцип действия которого основан на зависимости барьерной емкости p-n перехода от внешнего напряжения. Варикапы работают только при обратном смещении, так как при этом обеспечивается высокое значение добротности.Варикапы можно создавать на основе переходов металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник.Основные параметры варикаповНоминальная емкость варикапа C_в.н. - емкость которую измеряют между выводами варикапа при заданном обратном напряжении при температуре окружающей среды 20°C. В зависимости от назначения варикапы изготавливают с емкостью от единиц до сотен пикофарад. В основном номинальную емкость измеряют при обратном напряжении 4 В.Минимальная емкость варикапа C_в.min - емкость диода при максимально допустимом обратном напряжении.Коэффициент перекрытия по емкости K_C - это отношение номинальной емкости варикапа к минимальной емкости. Значение K_C равно нескольким единицам или десяткам.Добротность варикапа Q - отношение реактивного сопротивления варикапа к активному (или сопротивление потерь).Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) - отношение относительного изменения емкости варикапа к абсолютного изменения температуры окружающей среды при заданном обратном напряжении

Билет 19

1. Полевые транзисторы их характеристики и параметры.

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управление этим током осуществляется поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду 

Характеристики и параметры полевых транзисторов

К основным характеристикам полевых транзисторов относятся:

-    стокозатворная характеристика – это зависимость тока стока I_С от напряжения на затворе U_ЗИ (рис. 2.4, а);

-   стоковая характеристика – это зависимость I_С от U_СИ при постоянном напряжении на затворе (рис. 2.4, б)

I_С = f (U_СИ), при U_ЗИ = const.

 

Рис. 2.4. Характеристики полевых транзисторов с управляющим p-n переходом:а – стокозатворная (входная); б – стоковая (выходная)

 

Основные параметры полевых транзисторов:

-    напряжение отсечки;

- крутизна стокозатворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер изменится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1 В (рис. 2.4, а)

 QUOTE S=∆Ic∆Uзи    , при U_СИ = const,

;

-  внутреннее (или выходное) сопротивление полевого транзистора (рис. 2.4, б)

, при U_ЗИ = const;

-    входное сопротивление

.

Так как на затвор подаётся только запирающее напряжение, то ток затвора будет представлять собой обратный ток закрытого p-n перехода и будет очень мал. Величина входного сопротивления R_вх будет очень велика и может достигать 10⁹ Ом.

2. Цифровые ключи на биполярных транзисторах.

Ключ (переключатель, выключатель) — электрический коммутационный аппарат, служащий для замыкания и размыканияэлектрической цепи.

Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов. Когда на базе транзистора «0» относительно эмиттера, транзистор «закрыт», ток через него не идёт, на коллекторе транзистора всё напряжение питания (сигнал высокого уровня — «1»). Когда на базе транзистора «1», он «открыт», возникает ток коллектор-эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе, уменьшается до низкого уровня «0».

Также возможно использование полевых транзисторов. Принцип их работы схож с принцип работы электронных ключей на биполярных транзисторах. Цифровые ключи на полевых транзисторах потребляют меньший ток управления, обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей, однако быстродействие их ниже по сравнению с биполярными.

При расчете электронных ключей на биполярных транзисторах необходимо рассматривать два основных аспекта: статический режим ключа и его быстродействие. При этом основными показателями ключа являются: остаточное выходное напряжение на открытом ключе, мощность рассеяния на активном элементе (в статическом и динамическом режимах), длительности переходных процессов (отпирания и запирания ключа).

При расчете статического режима необходимо обеспечить надежное запирание транзистора в выключенном состоянии и насыщение в открытом состоянии. Глубина насыщения определяет быстродействие ключа (и мощность цепи управления) и не должна быть чрезмерно большой.

3. Генераторы прямоугольных импульсов.

Генераторы, предназначенные для получения колебаний прямоугольной формы, называют мультивибраторами. В отличие от генераторов гармонических колебаний в мультивибраторе используется цепь обратной связи первого порядка, а активный элемент работает в нелинейном режиме.

Мультивибраторы работают в режиме автоколебаний или в ждущем режиме. Соответственно, различают автоколебательные и моностабильные (ждущие) мультивибраторы.

Мультивибраторы работают в режиме автоколебаний или в ждущем режиме. Соответственно, различают автоколебательные и моностабильные (ждущие) мультивибраторы.

Схема автоколебательного мультивибратора на операционном усилителе показана на рис. 6.4.1. Активным элементом является инвертирующий триггер Шмитта, реализованный на ОУ и резисторах , . Резистор и конденсатор 1R2R3RC формируют времязадающую цепь, определяющую длительность формируемых импульсов.

Операционный усилитель охвачен положительной обратной связью (цепь –) и находится в режиме насыщения, поэтому напряжение на выходе 1R2RнасвыхUU±=. Переключение ОУ из положительного насыщения в отрицательное и обратно происходит, когда напряжение на инвертирующем входе достигает положительного и отрицательного порогов срабатывания, равных и соответственно. Здесь – коэффициент обратной связи: насUβ+насUβ−β()211RRR+=β.

Передаточная характеристика триггера Шмитта показана на рис. 6.4.2.

Билет 20