Введение в электронику. Учебное пособие

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Существуют два основных типа подобных транзисторов — PT-IGBT и NPT-IGBT, которые отличаются временными и статическими параметрами. В частности, NPT-IGBT-транзисторы обладают более высокой эффективностью, что послужило их большей применимости в силовых устройствах.

В настоящее время существуют силовые IGBT-модули на напряжения коллектор-эмиттер 6,5 кВ, 4,5 кВ и 2,2 кВ, в частности, интеллектуальные модули 3,3 кВ/2,4 кА. Некоторые из подобных устройств нашли широкое применение на железнодорожном транспорте.

Транзисторы со статической индукцией, СИТ-транзисторы, они же

Junction Field E ect Transistor, JFET являются особой разновидно-

стью полупроводниковых приборов. Принципиально это полевые транзисторы с изоляцией затвора p-n переходом. Условное обозначение транзистора и функциональная характеристика, поясняющая принцип его действия, приведены на рисунке 2.59,а и б соответственно.

Рисунок 2.59 — Условное обозначение СИТ-транзистора (а) и его функциональная характеристика (б)

Характеристика показывает зависимость сопротивления «стокисток» Rси транзистора от изменения его входных параметров — напряжения затвор-исток Uзи и тока затвора Iз. Как видно из графика, этот прибор является нормально открытым транзистором. При отсутствии на затворе электрического сигнала его сопротивление равно Rси0. Если на затвор будет подано увеличивающееся от нуля в сторону отрицательных значений напряжение, то транзистор запрется и при достижении значенияUзи0 его сопротивление станет достаточно большим.

91

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Если на затвор подать положительное напряжение, то p-n переход транзистора откроется и появится ток затвора Iз. Увеличение его приводит к уменьшению сопротивления Rси. При достаточно большом токе Iз оно станет достаточно малым, равным Rси min. Это соответствует полностью открытому состоянию транзистора.

Таким образом, такой транзистор имеет два режима работы. Первый соответствует полевому режиму работы и характеризуется изменениям сопротивления от Rси0 до полностью запертого состояния. Второй режим соответствует биполярному режиму работы и характеризуется уменьшением сопротивления сток-исток — до минимума.

К основным достоинствам СИТ транзисторов можно отнести следующие:

—возможность получения высоких допустимых напряжений «сток-исток» (до нескольких киловольт) по отношению к традиционным МОП-транзисторам;

—малое напряжение «сток-исток» в биполярном режиме, со-

ответствующее сотым долям Ома сопротивления Rси при токах стока 10–20 А и более;

—более низкое значение остаточного тока стока по отношению к МОП-транзисторам;

—более высокое быстродействие по отношению к биполярным транзисторам за счет уменьшения времени выключения.

Специфической особенностью СИТ-транзистора, затрудняющей его применение в импульсных силовых устройствах, является его открытое состояние при отсутствии управляющего сигнала. Тривиальным решением вопроса начального запирания СИТ-транзистора было бы создание опережающего отрицательного электрического сигнала, поступающего, например, от дополнительного источника. Однако это не оптимальное решение вопроса.

Применяются и другие способы реализации начального запирания СИТ-транзистора. Они основаны на том, что в первоначальный короткий момент времени появляющийся ток стока, определяемый сопротивлением Rси0, через связь обмоток трансформатора силового ключа приводит к появлению отрицательного напряжения на затворе. Этим обусловливается дальнейшее запертое состояние СИТ-транзистора.

Одна из схем, реализующая этот принцип, приведена на рисун-

ке 2.60.

При включении напряжения Еп ток стока, появляющийся вследствие нормально открытого состояния СИТ-транзистора VT1 и про-

92

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Рисунок 2.60 — Схем силового ключа на СИТ-транзисторе

После саморазряда С процесс включения повторяется и далее происходят аналогичные процессы. Управляется силовой ключ от биполярного транзистора VT2.

Возможны другие, в том числе и более рациональные, схемотехнические решения использования СИТ-транзисторов в силовых ключах.

В настоящее время существует большая номенклатура отечественных и зарубежных СИТ-транзисторов на различные диапазоны токов (единицы-десятки ампер) и напряжения (до нескольких сотен вольт). В электронике СИТ-транзисторы нашли применение в высококачественных усилителях звуковой частоты.

93

3. Интегральные микросхемы

3.1.Историческое развитие интегральной электроники

Появление первых отечественных интегральных микросхем (ИМС) относится к концу 1960-х гг.

Элементная база первых электронных систем и приборов в 1930– 1940-х гг. — электронные лампы (электровакуумные диоды, триоды, пентоды и др.). Это довольно ненадежные элементы, они потребляли и рассеивали большую мощность, что препятствовало созданию сложных электронных систем, которые были необходимы в первую очередь для военной техники. Весь прогресс электроники как отечественной, так и зарубежной обязан развитию военной промышленности. В частности, наиболее сложными электронными системами на электровакуумных приборах были радиолокационные станции и вычислительные системы артиллерийской стрельбы. Появление в 1950-х гг. полупроводниковых элементов — транзисторов позволило радикально, в десятки-сотни раз, снизить потребляемую мощность, массу и габариты устройств. Это создало предпосылки для создания принципиально новых электронных устройств, обладающих более высокой надежностью работы и возможностью решения новых, функционально все усложняющихся задач военной техники. К таким устройствам в первую очередь стали относиться элек- тронно-вычислительные машины (ЭВМ). Развитие ядерной, ракетной и космической техники немыслимо без ЭВМ. Хотя и ранее существовали ЭВМ на электронных лампах, но надежность их ра-

94

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

боты крайне низка, а сложность задач, решаемых ими, мала. В частности, ЭВМ на электронных дампах обладали ресурсом непрерывной работы не более трех-четырех часов в сутки. Остальное время уходило на отыскание отказов и регламентные работы. Понятно, что подобные устройства не могли обеспечить непрерывный режим работы сложных электронных систем для обеспечения защиты интересов государства.

По мере появления и разработки транзисторных ЭВМ аппетиты потребителей и пользователей вычислительной техники возрастали. Для усложняющихся задач требовалось увеличивать количество электронных элементов в ЭВМ. Например, в транзисторных ЭВМ начала 1960-х гг. содержалось до нескольких сотен тысяч транзисторов, диодов, конденсаторов и др. Очевидно, что все эти элементы соединялись между собой проводниками, дорожками печатных плат, разъемами и кабелями. Большая часть операций по выполнению этих соединений при производстве функциональных блоков ЭВМ выполнялась вручную, что не исключало наличия дефектов, которые проявлялись только по прошествии некоторого времени эксплуатации. Даже автоматизация процессов пайки элементов не давала требуемых показателей надежности, так как паяные соединения обладают рядом недостатков. Значительное количество используемых разъемных соединений также не способствовало получению требуемых показателей надежности функционирования ЭВМ. В качестве примера можно привести такие данные. Нормальная работа транзисторных ЭВМ, то есть непрерывное и безошибочное решение задач обеспечивалось на протяжении 50–70% времени, остальное время уходило на профилактику и отыскание возникающих неисправностей. Очевидно, что это не устраивало ни разработчиков, ни пользователей ЭВМ.

Таким образом, сложилась ситуация, когда потенциал полупроводниковой электроники позволял создавать достаточно сложные электронные устройства, однако надежность их работы была неудовлетворительна. Увеличение же сложности устройств и многообразия возлагаемых на них задач ослабляло надежности аппаратуры.

Анализ работы транзисторных ЭВМ этого поколения показывал, что основной причиной отказов являются не полупроводниковые приборы, производство которых полностью автоматизировано и выполняется без участия человека, где внутренние соединения элементов полупроводниковых кристаллов осуществлялось при помощи сварки или металлизированных дорожек

95

3. Интегральные микросхемы

с применением принципов вакуумной технологической дисциплины. Поэтому последующее направление развития полупроводниковой электроники пошло по пути снижения количества межсоединений элементов ЭВМ — транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и др.

Это могло быть достигнуто изготовлением нескольких элементов на одном полупроводниковом кристалле и соответствующим размещением его в одном корпусе, что и является функционально законченной ИМС. То есть в ИМС нет отдельных компонентов, а все элементы выполнены в едином технологическом цикле на единой полупроводниковой структуре. Практически было определено, что надежность подобного более сложного элемента примерно равна надежности одного элемента (транзистора, диода

идр.), что не приводило к пропорциональному снижению надежности ИМС. Это послужило основной причиной появления ИМС

иих дальнейшего развития.

Последующее развитие интегральной электроники шло по пути увеличения степени интеграции, то есть увеличения количества элементов на одном кристалле и в одном корпусе. Очевидно, что увеличение степени интеграции приводит к радикальному сокращению количества межсоединений в функциональных узлах и системах, что и повышает надежность работы ЭВМ. В сверхбольших ИМС, применяемых в современных компьютерах или других электронных приборах, количество элементов на одном кристалле (в одном корпусе) достигает сотен тысяч, а в специализированных быстродействующих суперкомпьютерах — нескольких миллионов.

Вслед за уменьшением физических размеров элементов ЭВМ, то есть функционально законченных ИМС, аналогично уменьшились масса и габариты ЭВМ. Нельзя сравнивать транзисторные ЭВМ более чем полувековой давности и современные компьютеры потому, что их производительность и степень сложности решения задач несравнимы. Материалоемкость ЭВМ снизилась в несколько сотен тысяч и более раз. Современные кристаллы полупроводниковых структур ИМС настолько малы, что их вживляют в биологические организмы, в тело животных или человека и управляют работой некоторых функциональных органов или заменяют их. Аналогичные сравнительные данные можно распространить и на мощность, потребляемую современными ИМС.

Уменьшение длин связей между элементами и функциональными узлами ЭВМ радикально повысило их быстродействие. Это-

96

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

му же способствовало улучшение характеристик полупроводниковых структур. Если прежние транзисторные ЭВМ работали с тактовой частотой не более единиц мегабайт, то у современных компьютеров с использованием интегральных ИМС сверхбольшой степени интеграции она достигает нескольких гигагерц, то есть увеличилась в 104–106 раз.

Емкость запоминающих устройств (ЗУ) современных компьютеров составляет сотни гигабайт и более, у прежних же ЭВМ она не превышала нескольких десятков килобайт. Существуют малогабаритные переносные (карманные) ЗУ с емкостью памяти в еди- ницы-десятки гигабайт или терабайт, например, флеш-карты и др.

Эти новые качества современных ИМС и компьютеров раскрывают колоссальные возможности вычислительной техники. Например, мультфильмы давно создают при помощи компьютерной графики. Не исключено, что и художественные фильмы будут снимать без актеров, по шаблону лица известных (или неизвестных) артистов, заносимых в базу данных компьютера. Широко используются мобильные телефоны с фотоаппаратом и видеозаписью. Появились мобильные телефоны, которые обеспечивают связь только тогда, когда отпечатки пальцев пользователя совпадают с отпечатками, записанными в памяти телефона. Здесь же можно отметить общемировой переход банковской системы на безналичный расчет по банковским картам. В широких масштабах осуществляется переход на электронный документооборот в самых различных областях народного хозяйства.

Интернет стал общеизвестным и доступным практически всем способом связи и получения неограниченной информации со всего мира. Система Skype обеспечивает видеообщение с любой страной мира в части получения не только научно-технической или производственной информации, но и приватной. Давно вышли из употребления пишущие машинки, что привело к исчезновению такой профессии, как машинистка. Чертежи электронных и машиностроительных устройств давно создают при помощи компьютеров, которые позволяют получать не только одномерные чертежи, но и многомерные, причем в режиме движения конструкции. Моделирование электронных схем намного сократило сроки исследований и разработки аппаратуры. Появились текстовые, другие редакторы и пакеты прикладных программ, позволяющие в сотни-тысячи раз уменьшить время создания текстовых и графических документов, выполнения сложных физико-математических расчетов и т.п.

97

3. Интегральные микросхемы

Без компьютера как средства современной оргтехники и баз данных невозможно функционирование любых предприятий, научноисследовательских и финансовых учреждений, вузов, школ и т.п. Качество снимков цифровых фотоаппаратов не уступает снимкам традиционных фотоаппаратов, при этом пользователь избавляется от пленок, сложных процессов их проявления и печати фотографий.

ЭВМ по мере расширения внедрения потеряли свое первоначальное назначение. Они стали предметом производственной, научной, бытовой или др. жизни, а не только средством вычисления чего-то. Поэтому название «ЭВМ» устарело, его заменил новый термин: «компьютер», к которому быстро привык весь мир.

Все преимущества стали возможными при переходе от аналоговых методов преобразования и передачи на цифровые, которые осуществимы лишь при использовании современных компьютерных технологий. Появились цифровое телевидение, мобильный телефон, который в терминах прошлых лет может называться радиостанцией, но по сути это компьютер с соответствующими преимуществами. Глобальные спутниковые системы навигации и ориентации стали общеизвестными комплексами, которые применяются в самых различных областях человеческой и производственной деятельности, в том числе и на железнодорожном транспорте.

Чрезвычайно важным фактором последствий электронизации является ускорение темпов жизни человечества. Обмен любой информацией или частными данными при помощи Интернета или мобильных телефонов обусловил сокращение сроков выполняемых работ в сотни-тысячи раз. Из производства исчезли многие профессии или сильно уменьшилось их количество.

Этот перечень можно продолжать, но невозможно указать ка- кие-либо границы и прогнозы дальнейшего общемирового прогресса в области вычислительной техники.

Одновременно с этим необходимо отметить и недостатки широкого внедрения современных средств электронизации и цифровизации.

К одному из них можно отнести возможности тотального контроля за любой деятельностью человека в обществе, его перемещениями в пространстве и т. д. Появление глобальных информационных сетей, по которым осуществляются финансовые операции, управление различными производственными процессами или объектами (в том числе и военной техники) привело к появлению нового класса профессий — хакер. Это, в свою очередь, обусловило по-

98

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

явление другой профессии — антихакер. Таким «антихакерством» занимается, например, компания Касперского и многие другие организации. Постоянно с переменным успехом происходит борьба между хакерами и антихакерами. Убытки от «работы» хакеров исчисляются миллиардами долларов в год.

Однако нет причин отказываться от успехов и достижений современной электронизации и цифровизации. Практически любой прогресс в любой научно-технической деятельности и появление новых разработок всегда приводили как позитивным, так и к негативным последствиям. Здесь можно вспомнить достижения в области ядерной техники, появление автомобилей с двигателями внутреннего сгорания и потребностью использования углеводородов и т.д. Известные достижения в области генетики, на которые общество возлагало большие надежды, обусловили и отрицательные последствия. Очевидно, что этот перечень может быть существенно продолжен. Однако если предположить исчезновение в настоящее время всех современных достижений производства, науки и техники, то человечество бы вымерло.

В любом случае существующее человечество должно ориентироваться на здравый смысл, который направлен на свое достаточно удовлетворительное выживание и сохранение жизни на Земле.

3.2.Сравнение аналоговых и логических ИМС

Все разнообразие ИМС можно условно разделить на два основных типа: аналоговые и логические, называемые также цифровыми. В современных средствах вычислительной техники используются оба вида ИМС, так как на практике приходится иметь дело

сразличными видами преобразуемых информационных сигналов.

КаналоговымИМСотносятсяфункциональныеустройства,предназначенные для преобразования электрических сигналов, информационные параметры которых определяются уровнем (величиной тока или напряжения) этих сигналов и их формой.

В цифровых ИМС информационным параметром преобразуемого электрического сигнала служит наличие импульса (сигнал логической единицы) или его отсутствие (сигнал логического нуля), а также длительность импульса или паузы. При этом амплитуда

99

3. Интегральные микросхемы

импульса логической единицы и уровень сигнала логического нуля должны лежать в определенных пределах, задаваемых соответствующими нормами.

На рисунке 3.1, а и б приведены примеры формы аналогового и цифрового сигналов напряжения соответственно.

Здесь аналоговое напряжение характеризуется непрерывной функцией изменения напряженияU = f(t), где U(t1), U(t2), U(t2), …U(tn) соответствуют промежуточным точкам измерения функции (фиксации уровней напряжения). Для логического сигнала

uлог = f(t) напряжения U max1 и U min1 соответствуют предельным максимальному и минимальному значениям напряжения, которые

логической ИМС принимаются за единицу, а пределы допусимо-

го изменения напряжения от 0 доU max0 принимаются ИМС за логический нуль. Промежуточные значения Uнд напряжений от U max0

доU min1 , а также свыше U max1 в схеме не должны допускаться, так как при длительном нахождении логического элемента в этом состоянии произойдет его отказ.

В отдельных случаях по внешнему виду сигнала четкой границы между аналоговыми и логическими сигналами провести невозможно; некоторые электронные схемы и сигналы могут быть отнесены как к классу аналоговых, так и к виду логических. В общем случае качественным и достаточно точным отличием логического сигала от аналогового служит вид приемника этого сигнала: логический элемент или аналоговый.

100