5.9 Поточний самоконтроль

5.9.1 Завдання для моделювання та дослідження схем в MS

1. Сформувати модель та дослідити однокаскадний підсилювач зі схемою автоматичного зміщення на ПТ (рис.5.12, а):

1

б

a

.1. Підключити мультиметри та дослідити схему за постійним струмом з метою забезпечення початкового положення робочої точки в середині лінійної ділянки стокзатворної характеристики (рис. 5.5, а).

1 .2. Дослідити підсилювач при передачі та підсиленні гармонічних сигналів. Визначити діапазон зміни опору резистора R3, в межах якого досягається максимальне підсилення гармонічного сигналу за напругою.

1.3. Дослідити діапазони зміни амплітуд вхідних гармонічних сигналів, за яких вихідні сигнали формуються з мінімальними нелінійними спотвореннями (рис. 5.13, а).

1.4. Дослідити діапазони зміни амплітуд вхідних імпульсних сигналів позитивної та негативної полярностей, за яких досягаються режими насичення тавідсікання (рис. 5.13, б; рис. 5.13, в).

1.5. Повторити досліди при відключенні конденсатора С2. Порівняти та пояснити одержані результати.

2 . Сформувати модель та дослідити ключ на МДН-транзисторі з індукованим каналом та з резистивним навантаженням (рис. 5.14:

- визначити мінімальні амплітуди вхідних позитивних імпульсів, за яких відбувається перемикання;

- за допомогою візірних лінійок на екрані осцилографа визначити тривалість перемикання;

- оцінити ключ за швидкодією та потужністю споживання

3. Сформувати модель та дослідити комплементарний ключ (рис.5.15,а ).

Виконати експерименти, сформовані в попередньому досліджені. Порівняти ключі за швидкодією та потужністю споживання.

4 . Побудувати та дослідити модель схеми збігу (логічної схеми 2-І-НІ, рис.5.16, а).

З асвоїти методику «монтажу», налагодження та дослідження комплементарних ключів. На один вхід подати імпульси частотою 20 кГц (шпаруватістю 30%), на другий - частотою 5 кГц (шпаруватістю 5%). Дослідити мінімальні амплітуди вхідних сигналів, за яких забезпечується стабільна робота схеми (рис.5.16, б).

a

5.9.2 Контрольні запитання

1. Яким чином за допомогою ПТ реалізується принцип реле?

2. Унаслідок яких фізичних процесів відбувається керування струмом за допомогою ПТ з керувальним р-п-переходом?

3. Чому в МДН-транзисторах відбувається інверсія провідності?

4. За яких умов в МДН-транзисторах реалізуються режими збіднення та збагачення?

5. Наведіть керувальні характеристики всіх типів ПТ.

6. Унаслідок яких фізичних процесів формується полога ділянка вихідних характеристик ПТ?

7. Наведіть три схеми ключів на ПТ з різними типами навантаження.

8. Чому під час використання комплементарних ключів підвищується швидкодія і зменшується споживання потужності?

9. Як досягається зменшення залишкової напруги в ключах на ПТ?

10. Унаслідок чого підвищується швидкодія ПТ та розширюються частотний діапазон пристроїв?

11. Які переваги ПТ над БТ та їх недоліки?

Розділ 6. Інтегральні мікросхеми

6.1 Особливості імс як активних компонентів

Сучасні радіоелектронні пристрої та системи будуються з використанням виробів мікроелектроніки.

Мікроелектроніка - це науково-технічний напрям електроніки, який охоплює проблеми дослідження, конструювання і виготовлення високонадійних і економічних мікромініатюрних електронних схем та пристроїв фізичними, хімічними, схемотехнічними та іншими методами.

Першим завданням мікроелектроніки є створення максимально надійних електронних схем і пристроїв, що вирішується переважно шляхом використання якісно нових принципів виготовлення електронної апаратури - створенням ІМС, в яких активні елементи (транзистори, діоди), пасивні елементи (резистори, конденсатори) та з’єднувальні елементи електронної схеми формуються на поверхні чи в об’ємі напівпровідникового кристалу або на поверхні діелектричної підкладки в єдиному технологічному циклі. Мінімізація кількісті внутрішніх з’єднань дає можливість різко підвищити надійність мікроелектронної апаратури. Саме цим долаються складні суперечності між зростаючими вимогами до надійності електронної апаратури та її стрімким ускладненням.

Другим завданням мікроелектроніки є зниження вартості електронних схем та пристроїв. Це завдання вирішується шляхом формування за один технологічний цикл структур різних елементів, міжелементних з’єднань та контактних площинок. При цьому вдається уникнути багатьох нераціональних технологічних операцій, виключити роздільну герметизацію окремих елементів і значно скоротити кількість складальних операцій, необхідних при виготовленні та монтажі дискретних елементів. Ці переваги ІМС набувають більшої значущості в міру їх ускладнення та зростання в них кількості елементів. Поруч з вирішенням цих двох найважливіших завдань мікроелектроніки створення та використання ІМС сприяють різкому зменшенню маси та об’єму електронної апаратури порівняно з масою та об’ємом апаратури на дискретних елементах, а також зменшенню споживаної потужності.

При виготовленні та експлуатації ІМС вживаються спеціалізовані терміни. Виділимо найбільш поширені з них.

Інтегральна мікросхема (ІМС) або інтегральна схема – це електронний пристрій, який виконує певну функцію перетворення, обробки та (чи) накопичення інформації і має високу щільність розміщення неподільно виконаних елементів і (чи) компонентів, які електрично з’єднані між собою таким чином, що з огляду технічних вимог, випробувань, торгівлі і експлуатації пристрій розглядається як єдиний виріб.

Поняття “інтегральна схема” відображає факт об’єднання (інтеграції) окремих елементів і компонентів електронних схем у конструктивно єдиному приладі, а також факт ускладнення функцій виконуваних ІМС.

Елемент ІМС – це сформована в єдиному технологічному процесі частина ІМС, яка реалізує функцію одного з електрорадіоелементів (транзистора, конденсатора, індуктивності та ін.), виконана неподільно від кристала або підкладки і не може бути виділена як самостійний виріб з вимогами до випробувань, приймання, поставки та експлуатації.

Компонент ІМС – це частина ІМС, яка реалізує функцію одного з електрорадіоматеріалів або їх сукупності (наприклад, мініатюрний дискретний транзистор, конденсатор великої ємності, безкорпусна ІМС) і за вимогами до випробувань, приймання, поставки та експлуатації може бути виділена як самостійний виріб.

Підкладка ІМС – це конструктивна та функціональна частина ІМС, виготовлена, як правило, з напівпровідникового або діелектричного матеріалу та призначена для формування на її поверхні елементів ІМС, міжелементних і міжкомпонентних з’єднань і контактних площинок.

Напівпровідникова пластина – заготовка з напівпровідникового матеріалу (зазвичай це круглий диск товщиною 300…400 мкм), яку використовують для виготовлення напівпровідникових ІМС. Цей термін вживають також щодо пластин із сформованими елементами напівпровідникових ІМС.

Кристал ІМС – конструктивно виділена частина напівпровідникової пластини, в об’ємі та на поверхні якої сформовані елементи напівпровідникової ІМС, міжелементні з’єднання, а по периметру – контактні площинки. Кристали ІМС одержують після закінчення повного технологічного циклу формування елементів та різання напівпровідникової пластини, яка складається із сотень однотипних кристалів. У кристалі формуються функціально закінчені напівпровідникові ІМС. В іноземній літературі їх називають чипами.

Контактна площинка - це металізована ділянка на платі або на кристалі, яка служить для приєднання зовнішніх виводів ІМС, контактів навісних компонентів, а також для контролю її електричних параметрів і режимів. Такі елементи є у будь-якій ІМС незалежно від технологічних та функціональних особливостей.

Корпус ІМС - це частина конструкції, яка захищає кристал від зовнішнього впливу і забезпечує з’єднання ІМС із зовнішніми електричними колами за допомогою виводів. Інтегральні мікросхеми упаковують в корпус. Типи і розміри корпусів ІМС є об`єктами державної стандартизації.

Мікрозбіркою називають мікроелектронні вироби, які складаються з елементів, компонентів, ІМС та інших електрорадіоелементів, з’єднаних між собою певним способом для виконання певної функції, і розробляються конструкторами конкретної радіоелектронної апаратури як спеціалізовані ІМС з метою покращення їх показників мініатюризації. З мікрозбірок компонують мікроблоки.

Мікроблок - мікроелектронний виріб, який, крім мікрозбірок, може також мати ІМС та інші компоненти у різних поєднаннях.

Безкорпусна інтегральна схема - це ІМС широкого призначення, яку використовують при створенні мікрозбірок та мікроблоків. Така ІМС не має власного захисту від зовнішнього впливу. Повний захист такої схеми забезпечується корпусом пристрою, в який ця ІМС вмонтована.

Серія ІМС - сукупність типів ІМС, які виконують різні функції, але мають єдину конструктивно-технологічну, електричну будову і, в разі необхідності, інформаційну та програмну сумісність і призначені для сумісного застосування в радіоелектронній апаратурі. Усі ІМС однієї серії мають зазвичай однаковий корпус.

Оскільки ІМС так само як і електронні лам­пи або транзистори керують потужністю, яка поступає від зовнішнього джерела живлення в навантаження, тобто є активними елементами радіоелектронної апаратури, вони належать до електронних приладів. Інтегральні схеми являють собою конструктивно одне ціле, виконують певну функцію і повинні задовольняти певні вимоги при випробуваннях, постачанні та експлуатації. Однак порівняно з дискретними електронними лампами, напівпровідниковими діодами та транзисторами ІМС є якісно новим типом активних компонентів.

Основні особливості ІМС:

1. ІМС самостійно виконує закінчену, часто дуже складну функцію, тоді як дискретні електронні прилади виконують аналогічну функцію тільки в ансамблі з іншими компонентами.

2. Підвищення функціональної складності ІМС не супроводжується погіршенням якого-небудь з основних показників (надійності, вартості тощо). Більше того, всі ці показники покращуються.

3. В ІМС широко використовуються структури активних елементів для формування пасивних. Принцип протилежний підходу, притаманному дискретній транзисторній техніці, де активні елементи, особливо транзистори, найдорогші, і тому оптимізація схеми за інших умов досягається зменшенням кількості активних компонентів. В ІМС задається вартість не еле­мента, а кристала, тому доцільно розміщувати на кристалі якомога більше елементів з мінімальною площею. Мінімальну площу мають активні елементи (транзистори, діоди), а максимальну – пасивні (резистори, конденсатори).

4. Суміжні елемен­ти в ІМС знаходяться один від одного на відстані 50...100 мкм. На таких малих відстанях різниця електрофізичних властивостей матеріалу малоймовірна. Крім того, одночасно в єдиному технологічному процесі формуються сотні тисяч і більше елементів. Отже, малоймовірним є значний розкид параме­трів у суміжних елементів. Параметри суміжних елементів взаємопов’язані - корельовані.

5. При створенні функціональних вузлів та блоків РЕА на базі ІМС на декілька порядків (порівняно з традиційними методами виробництва апаратури на дискретних компонентах) скорочується кількість технологічних операцій (особливо таких ненадійних і трудомістких, як складання і монтаж елементів). Крім того, низьконадійні з’єднання компонентів вилучаються і замінюються високонадійними з’єднаннями елементів методом металізації.

6. В ІМС формуються деякі типи елементів, які не мають дискретних аналогів (багатоемітерні транзистори, елементи з інжекційним живленням, прилади із зарядовим зв‘язком тощо.) Їх використання відкриває додаткові схемотехнічні та технологічні можливості для побудови мікроелектронної апаратури з кращими показниками надійності, габаритних розмірів, швидкодії і т. ін.