Барсуков Р.В.

ФУННКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

(Сборник лекций) Бийск 2006

Введение в предмет «Функциональная электроника»

Традиционная электроника – микроэлектроника занимается изучением, созданием новых электронных компонентов и приборов. Как правили это ИС с высокой степенью интеграции и быстродействием. Носителем информации в этих приборах являются электрически сигналы.

Функциональная электроника изучает устройства и приборы, которые используются в обычных электронных схемах, однако внутри этих приборов протекают не всегда электрические процессы в отличии от традиционных электронных приборов и компонентов.

Носителями информации в приборах и устройствах функциональной электроники являются сигналы различной природы (оптические – различного спектра, акустические, магнитные поля и т.д.)

В приборах ФЭ используются различные физические явления, которые могут быть полезны при переработке информации.

Внешне – это обыкновенные электронные компоненты, есть входы - куда подаются электрические аналоговые или цифровые сигналы и электрические аналоговые или цифровые выходы. Взяв, какую либо электронную схему можно даже и не знать, что какая то деталь этой схемы не является компонентом традиционной электроники.

Рисунок 1 – Пьезофильтры на поверхностных акустических волнах.

Рисунок 2 – Пьезорезонатор и его эквивалентная электрическая схема замещения.

Рисунок 3 – Электромагнитный трансформатор и пьезотрансформатор

Рисунок 5 – Условно-графическое обозначение оптопары

Проблемы современной микроэлектроники.

Этапы развития электроники.

1. Открытие эффекта термоэлектронной эмиссии.

2. Изобретение электронной лампы (одноэлектродной, многоэлектродной).

3. Открытие р-n перехода. Изобретение транзистора.

4. Создание интегральных схем.

5. Создание микропроцессоров.

Рисунок 6 – Пример традиционной схемотехнической ячейки

Далее происходит оттачивание и совершенствовании технологии производства ИМС повышения степени интеграции. Интеграция микросхем происходит не только в плоскости – создаются 3-х мерные микросхемы.

Основные проблемы, сопутствующие процессу увеличения степени интеграции:

1. токи утечки достигают критических значений (характеризуют потери).

2. взаимное влияние смежных элементов схем.

3. проблема «межсоединений».

Проблема межсоединений, характерная для схемотехнической микроэлектроники, ограничит скорость внешнего обмена информацией величиной 3 ГГц, хотя транзисторы будут работать с частотой не менее 10 ГГц.

Уже сейчас существует целый ряд задач, ждущих своего решения. Среди них — создание систем оперативного распознавания образов, создание интеллектуальных устройств, разработка устройств параллельной обработки информации - обработка больших массивов информации в реальном масштабе времени.

Таким образом, возникает альтернатива: или искать пути сохранения тенденции экспоненциального роста степени интеграции интегральных схем или искать принципиально новый подход при создании систем обработки больших информационных массивов.

Предлагается уйти от традиционной схемотехнической ячейки

В конце семидесятых годов возникла идея использовать динамические неоднородности в процессах обработки и хранения информации.

Функциональная электроника представляет собой область интегральной электроники, в которой изучается возникновение и взаимодействие динамических неоднородностей в континуальных средах в совокупности с физическими полями, а также создаются приборы и устройства на основе динамических неоднородностей для обработки, генерации и хранения информации.

Динамическая неоднородность представляет собой локальный объём на поверхности или внутри среды с отличными от её окружения свойствами, которая не имеет внутри себя статических неоднородностей и генерируется в результате определённых физико-химических процессов. Динамическая неоднородность может быть локализирована или перемещаться по рабочему объёму континуальной среды в результате взаимодействия с различными физическими полями или динамическими неоднородностями такой же или другой физической природы. В процессе перемещения динамической неоднородности может осуществляться, например, перенос информации.

Статическая неоднородность представляет собой локальную область на поверхности или в объёме среды с отличными от её окружения свойствами, создаваемую в результате строго определённых технологических процессов (современная микроэлектроника – электроника статических неоднородностей).

Континуальная среда – однородная среда, которая может иметь любое агрегатное состояние.

Анализируя устройства функциональной электроники, можно выделить некоторые элементы, характерные для всех конструкций (их пять).

Рисунок 7 - Состав приборов функциональной электроники

Д – динамическая неоднородность;

С – статическая неоднородность;

И – источник динамических неоднородностей;

П – приемник динамических неоднородностей.

Первый элемент — во всех приборах и изделиях функциональной электроники используются динамические неоднородности различного вида и различной физической природы.

Второй элемент — континуальная среда, она может иметь любое агрегатное состояние. По своим физико-химическим свойствам среда должна быть достаточно однородной на всём тракте распространения информационного сигнала. Статические неоднородности, имеющиеся на поверхности или внутри континуальной среды, служат только для управления динамическими неоднородностями и не используются для обработки и хранения информации.

Третьим элементом модели является генератор динамических неоднородностей.

Четвертый элемент модели — устройство управления динамическими неоднородностями в тракте переноса информационного сигнала или в области его хранения.

Пятый элемент — детектор для вывода или считывание информации.

Генератор и детектор по сути являются преобразователями одного вида энергии в другой, электрической в какую либо другую и наоборот.

Рисунок 8 – Основные направления в функциональной электронике

Каждое из направлений функциональной электроники отличается определенной континуальной средой и видом динамической неоднородности.

(излучатели и приемники света, оптопары, кварцевый резонатор, пьезофильтры, пьезотрансформаторы, акустические линии задержки, магнитоуправляемые микросхемы (датчики Холла), ПЗС матрицы, и т.д. )

Уникальным свойством приборов функциональной электроники является использование в процессах обработки информации функций высшего порядка в качестве элементарных, например, Фурье-преобразования; интегрального преобразования Лапласа, операции свертки; операции корреляции; автокорреляции; управляемой задержки информационного сигнала; фильтрации информационного сигнала; и т. д. (В то же время в изделиях функциональной электроники могут быть реализованы и традиционные элементарные функции типа И, ИЛИ, НЕ и их различные комбинации).

В активной среде прибора функциональной электроники может храниться и одновременно обрабатываться большой объём информации. Поэтому изделие функциональной электроники может рассматриваться как процессор, выполняющий элементарные функции высшего порядка.

Итак, общепризнанно, что:

- электронные устройства на дискретных элементах относили к устройствам первого поколения;

- первые интегральные схемы в электронике сформировали приборы и устройства второго поколения;

- большие и сверхбольшие интегральные схемаы третье поколение ;

- приборы и устройства, использующие динамические неоднородности в качестве носителей информационного сигнала, относятся к электронике четвёртого поколения.