книги из ГПНТБ / Нечаев А.Н. Устройство и работа электронных цифровых машин

любое такое реле содержит механические части, которые вследствие большой инерции не допускают высокой ско­ рости переключения в электрических схемах. К тому же при частых переключениях электромагнитные реле бы­ стро выходят из строя.

Высокое быстродействие современных электронных цифровых машин, достигающее сотен тысяч операций в секунду, стало возможным только благодаря примене­ нию электронных, практически безынерционных эле­ ментов.

Электронные лампы

В большинстве ЭЦМ, выпускавшихся до 1958 г., в качестве основных элементов применялись электронные лампы, в которых используются потоки электронов, дви­ жущихся в вакууме. Электроны, необходимые для рабо­ ты лампы, получаются в результате нагревания метал-, лов до очень высокой температуры (порядка 2000°С). Излучение раскаленным металлом электронов под дей­ ствием электрического поля называют э л е к т р о н н о й

эми с с и е й .

Впростейшей электронной лампе, которая называет­ ся д и од о м, имеется всего два электрода (рис. 8). Один

из них — ка т од , а другой, соединенный с положитель­ ным полюсом источника тока и представляющий собой металлическую пластинку, называется а н о д о м . Катод лампы соединяют, с отрицательным полюсом источника электропитания. В электронной лампе с помощью нити • накала нагревается катод. Под .влиянием нагревания скорость хаотически движущихся в материале катода

ta. Если же анод лампы присоединить к отрицательно-- му полюсу источника, а катод к положительному, то созданное в лампе электрическое поле будет отталки­ вать электроны обратно к катоду и тока не будет.

G2

Основное свойство диода — спо­ собность пропускать, ток только в од­ ном направлении, или, как говорят, его односторонняя, проводимость. Именно это свойство позволяет ис­ пользовать диод в схемах ЭЦМ для передачи сигналов только опреде­ ленной полярности, а также для

Т р и о д представляет собой трех­ электродную лампу, в которой между катодом и анодом

помещается третий электрод — у п р а в л я ю щ а я с е т ­ ка (рис. 9). Изменяя потенциал сетки относительно ка­ тода, можно управлять величиной потока электронов, ле­ тящих от катода к аноду. Если на сетку подать напряже­ ние положительное относительно катода, то сетка будет притягивать электроны и тем самым усиливать анодный ток 4- Так как сетка расположена к катоду ближе, чем анод, изменение напряжения на ней оказывает влияние во много раз большее, чем изменение напряжения на ано­ де. Сетка усиливает ток в цепи лампы за счет энергии того источника тока, к которому она присоединена. Та­ ким образом, триод может работать как усилитель.

Если в цепь анода лампы поставить сопротивление /?а> то через него будет протекать анодный ток, который создаст на сопротивлении падение напряжения, завися­ щее от величины тока. Входным сигналом такой схемы является напряжение между катодом и сеткой лампы, а выходным — напряжение между катодом и анодом. От­

ношение изменений . напряжения анода и напряжения управляющей сетки, вызывающих одинаковое из­ менение анодного тока, называется к о э ф ф и ц и е н т о м у с и л е н и я . У разных типов триодов значения коэффициента усиления колеблются от 4 до 100.

Если на сетку лампы подать на­ пряжение, отрицательное по отно­ шению к напряжению, поданному на катод, то ток через лампу пре­

63

кратится, так как все излучаемые электроны вернутся обратно на катод. Лампа, как говорят, окажется запер­ той.

лампа — имеет три сетки. Коэффициент усиления пенто­ дов очень высок и достигает у некоторых образцов не­ скольких тысяч.

Применение в электронных цифровых машинах дво­ ичной системы счисления позволяет использовать элек­ тронные лампы только в двух крайних режимах работы: в одном — лампа полностью заперта, ток через нее не протекает и с анода лампы снимается напряжение, рав­ ное напряжению источника питания; в другом — лампа открыта, через нее протекает достаточно большой анод­ ный ток. В последнем случае с анода лампы снимается сигнал низкого уровня напряжения, близкий по вели­ чине потенциалу катода лампы. Такие режимы облег­ чают условия использования ламп, позволяют создавать значительные запасы работоспособности деталей схем и тем самым добиться высокой их надежности. Срок служ­ бы электронных ламп в схемах ЭЦМ составляет около 10 тыс. часов.

Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые приборы по сравнению с элек­ тронными лампами отличаются весьма малыми габа­ ритами, ничтожным потреблением электроэнергии, не­ чувствительностью к тряске, вибрациям и ударам, боль­ шим сроком службы и высокой надежностью.

Во многих машинах, построенных в последние годы

.и разрабатываемых в настоящее время, используются в качестве основных элементов полупроводниковые при­ боры — триоды ( т р а н з и с т о р ы ) и диоды. Переход от электронных ламп к полупроводниковым приборам по­ зволил резко уменьшить габариты машин — от десятков кубических метров до нескольких кубических децимет­ ров, а количество потребляемой энергии — от десятков киловатт до сотен ватт.

64

В настоящее время существуют машины, целиком по­ строенные на полупроводниковых элементах (например, машины «Минск-2», «Раздан-2» и многие специализиро­ ванные), которые показали высокую надежность. Прав­ да, сделаны лишь первые шаги, и пока многие полупро­ водниковые машины уступают по своим возможностям некоторым машинам, построенным на электронных лам­ пах. Но развитие полупроводниковой техники и внедре­ ние полупроводников в электронные цифровые машины идет столь бурными темпами и в столь широких масш­ табах, что в скором времени они, вероятно, полностью вытеснят лампы из ЭЦМ.

По своей электрической проводимости полупровод­ ники занимают промежуточное место между проводни­ ками и непроводниками (изоляторами) электрического тока. Под воздействием электрического поля некоторые электроны могут вырываться из внешней оболочки ато­ ма полупроводника, на этом месте образуется недоста­ ток электрона, или, как принято говорить, образуется дырка. Тогда электрон из оболочки соседнего атома пе­ рескочит на место образовавшейся дырки, а на его ме­ сте в свою очередь образуется дырка и т. д. Таким образом, будет происходить движение электронов в од­ ну сторону и дырок — в другую. Движение электронов называется электронной проводимостью (проводимо­ стью типа п ), а движение дырок — дырочной проводи­ мостью (проводимостью типа р ) .

В чистых полупроводниках количество образующих­ ся дырок равно количеству отрывающихся от атомов электронов, т. е. дырочная проводимость равна элек­ тронной. Примерами полупроводников являются герма­ ний и кремний.

Для получения полупроводниковых приборов исполь­ зуют не чистые полупроводники, а полупроводники с примесями. При сплавлении двух полупроводников с различными типами проводимости полученный вновь по­ лупроводник будет иметь преобладающей либо дыроч­ ную, либо электронную проводимость. • Добавление к германию индия приведет к получению полупроводни­ ка, имеющего преобладание'дырочной проводимости, а при добавлении мышьяка — электронной проводимости. Таким образом, вводя соответствующие примеси, полу­ чают полупроводники, обладающие преимущественно

проводников с различными типами проводимости

цательный. Эти заряды будут препятствовать дальней­ шему проникновению электронов и Дырок в «чужие» области. Величина образовавшегося потенциального барьера зависит от характеристик полупроводников.

При подключении положительного полюса источни­ ка тока к p-области, а отрицательного к «-области про­ изойдет пополнение обедненных электронами и дырка­ ми пограничных областей, уменьшится сопротивление

66

Если в полупроводник с одним видом проводимости вплавить два полупроводника с другим видом проводи­

«-область— базой.

Между эмиттером и базой включается небольшое на­ пряжение Е\ и последовательно с ним то напряжение,

•которое необходимо усилить (рис. 11). Между коллек­ тором и базой включается большее напряжение Е 2, чем между эмиттером и базой.

Так как в цепи эмиттера положительное напряжение приложено к p-области, то в нем будут образовываться дырки, которые пойдут к базе и к коллектору. К цепи коллектора и p-области присоединен минус источника, поэтому тока в цепи коллектора не будет. Если же включается усиливаемое напряжение, то количество дырок, образующихся под влиянием эмиттера в кол­ лекторе, увеличивается, и в цепи коллектора возникает ток. Подбором величины напряжений в цепях коллек­ тора и эмиттера можно добиться, чтобы этот ток был больше усиливаемого.

Мощность, выделяемая в электрической цепи током, прямо пропорциональна сопротивлению этой цепи. Сле­ довательно, при примерном равенстве токов /э и /к мощ­ ность будет больше в той из цепей, которая имеет боль­ шее сопротивление. Поскольку сопротивление нагрузки /?„ во много раз превосходит сопротивление цепи эмит­ тера, соответственно и мощность в нем превышает мощ­ ность подводимого к триоду сигнала-. Благодаря этому описанный прибор обладает усилительными свойствами, причем он усиливает входной сигнал не только по на­ пряжению, но и по мощности. ■

Для работы транзисторов в схемах ЭЦМ характерны два режима: режим полного запирания, при котором коллекторный ток равен нулю, и режим насыщения, при котором коллекторный ток достигает максимального значения.

Недостатком полупроводниковых приборов является сильное изменение их параметров с изменением темпе­ ратуры. Параметры меняются также и с течением вре­

мени. Кроме того, характеристики полупроводниковых приборов очень сильно зависят от технологии их изто товления, вследствие чего в одной партии часто нахо­ дятся приборы с большим разбросом параметров. Даже при использовании полупроводниковых приборов в схе­ мах ЭЦМ, где они работают только в двух режимах, часто приходится перед установкой в схемы производить их разбраковку по основным характеристикам.

Тем не менее полупроводниковые элементы совершен­

ными.

Такие требования в большинстве случаев предъявля­ ются к электронным цифровым управляющим маши­ нам, особенно работающим на борту управляемого объекта (поезда, самолета) или в непосредственной бли­ зости от станков, машин, прокатных станов.

Ферромагнитные элементы

Ферромагнитные элементы применяются в ЭЦМ для построения оперативных запоминающих устройств при­ мерно с середины 50-х годов. В сочетании с электронны­ ми лампами и полупроводниковыми диодами они широ­ ко используются также в логических схемах, производя­ щих переключения и счет. На таких элементах построе­ ны, в частности, машины ЛЭМ-1 и «Сетунь».

Ферриты представляют собой материалы, обладаю­ щие магнитными свойствами. Их приготовляют из смеси окислов некоторых металлов (магния, марганца, никеля и др.) с магнитным железняком. Обычно ферритовые сердечники делают в виде колец с наружным диаметром в 'несколько миллиметров, а иногда даже долей милли­ метра.

Ферритовые сердечники, применяемые в электронных

68

состоянии находится сердечник, а также считывание за­ писанной в нем информации производятся-путем подачи отрицательного импульса (—Н т). Если сердечник нахо­ дился в состоянии «О» ( —В х ), то перемагничивания не произойдет, а лишь несколько увеличится его отрицатель­ ная магнитная индукция и на выходной обмотке появит­ ся незначительный импульс, представляющий собой по­ меху. Если же сердечник находился в состоянии «1» (4 Вх), то произойдет полное перемагничивание сердечни­ ка, изменится знак его магнитной индукции и на выход­ ной обмотке появится значительный импульс, представ­ ляющий сигнал.

Чем больше прямоугольность петли гистерезиса, тем выше отношение величины сигнала при перемагничивании сердечника к величине помехи. Время леремагничивания сердечников в зависимости от их размеров и ве­ личины перемагничивающего тока изменяется от долей микросекунды до нескольких микросекунд. Это позво­ ляет использовать ферритовые сердечники для создания достаточно быстродействующих логических и запоми­ нающих схем.

Для того чтобы ускорить процессы леремагничива-

69

ния, сократить расход необходимой для этого электро­ энергии и уменьшить габариты элементов, стремятся максимально уменьшить размеры сердечников. Чем меньше сердечник и чем тоньше его стенка, тем выше допустимая частота работы, но тем меньше сигнал, ко­ торый снимается с сердечника при перемагничивании. Однако производство ферритовых колец идентичных па­ раметров с очень маленьким внешним диаметром связа­ но со значительными технологическими трудностями.

Ценные качества магнитных сердечников заключают­ ся в их устойчивости к изменению температуры, доста­ точно высокой механической прочности и способности длительное время надежно сохранять записанную ин­ формацию.

Новые элементы ЭЦМ

В электронных цифровых машинах, серийно выпус­ каемых промышленностью в настоящее время, приме­ няются электронно-ламповые, .полупроводниковые и ферритовые элементы. Быстродействие логических схем машины с этими элементами составляет: для ламповых— несколько миллионов, для полупроводниковых — не­ сколько десятков миллионов и для ферритовых—несколь­ ко сотен тысяч переключений в секунду.

Использование этих элементов не позволяет сущест­ венно увеличить быстродействие машин без изменения' их структуры и значительного увеличения объема обо­ рудования. Увеличение количества используемых в ма­ шине элементов ограничено все еще недостаточной их надежностью: срок службы ламповых элементов состав­ ляет всего несколько десятков тысяч часов, полупровод­ никовых и ферритовых— несколько сотен тысяч пасов. Поэтому значительное увеличение быстродействия элек­ тронных цифровых машин может быть достигнуто лишь при использовании элементов, построенных на других физических принципах ■и обладающих во много раз большей надежностью.

В настоящее время прилагается много усилий к со­ зданию новых быстродействующих элементов, позволя­ ющих значительно повысить быстродействие электрон­ ных цифровых машин, уменьшить их размеры и обеспе­ чить высокую надежность работы.

70

Наиболее перспективным в этом направлении пред­ ставляется применение тонких магнитных пленок, ком­ бинированных полупроводниковых элементов, а также элементов,- основанных на явлении сверхпроводимости. Создание таких элементов связано с большими техноло­

Между скоростью работы элементов и размерами ма­ шины существует определенная зависимость, обусловлен­ ная запаздыванием сигналов. Повышение скорости ра­ боты машины выше определенных пределов неизбежно связано с переходом к микроминиатюрным конструк­ циям. Так, например, подсчитано, что машина, выпол­ няющая 1 миллион операций в минуту, может иметь ка­ налы связи между устройствами длиной до 30 м, машина же, выполняющая 1 миллиард операций в секунду, — не более 3 см.

Для производства миниатюрных элементов должна быть разработана полностью автоматизированная тех­ нология изготовления и монтажа, потому что сущест­ вующие в настоящее время приемы окажутся неприем­ лемыми. Пока здесь наметилось три основных направле­ ния: микромодули, пленочная электроника и молекуляр­

ферритов, ламп, сопротивлений, конденсаторов и т. п.), позволяет довести плотность их размещения примерно до 30 деталей в кубическом сантиметре. Сборка схем из микромодулей создает значительные трудности -в автома­ тизации этого процесса.

Пленочная электроника основана на построении электронных схем путем нанесения различными способа-, ми (химическим, вакуумным осаждением) тонких .пле­ нок определенных веществ. При последовательном на­ несении различных материалов, можно, в принципе, стро­ ить сколь угодно сложные электронные схемы и полу­ чать как отдельные устройства, так и машину в целом. При этом может быть достигнута плотность, достигаю­ щая 2 тыс. деталей в кубическом сантиметре.

71