Vϒ(гамма) - напряжение порога проводимости

При прямом включении напряжение на диоде должно достигнуть определенного порогового значения - V_ϒ. Это напряжение, при котором PN-переход в полупроводнике открывается достаточно, чтобы диод начал хорошо проводить ток. До того как напряжение между анодом и катодом достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником. V_ϒ у кремниевых приборов примерно 0.7V, у германиевых – около 0.3V.

Id_max - максимальный ток через диод при прямом включении

При прямом включении полупроводниковый диод способен выдержать ограниченную силу тока I_{D_MAX}. Когда ток через прибор превышает этот предел, диод перегревается. В результате разрушается кристаллическая структура полупроводника, и прибор становится непригодным. Величина данной силы тока сильно колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

I_OP – обратный ток утечки

При обратном включении диод не является абсолютным изолятором и имеет конечное сопротивление, хоть и очень высокое. Это служит причиной образования тока утечки или обратного тока I_OP. Ток утечки у германиевых приборов достигает до 200 µА, у кремниевых до нескольких десятков nА. Самые последние высококачественные кремниевые диоды с предельно низким обратным током имеют этот показатель около 0.5 nA.

PIV(Peak Inverse Voltage) - Напряжение пробоя

При обратном включении диод способен выдерживать ограниченное напряжение – напряжение пробоя PIV. Если внешняя разность потенциалов превышает это значение, диод резко понижает свое сопротивление и превращается в проводник. Такой эффект нежелательный, так как диод должен быть хорошим проводником только при прямом включении. Величина напряжения пробоя колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

Паразитическая емкость PN-перехода

Даже если на диод подать напряжение значительно выше V_ϒ, он не начнет мгновенно проводить ток. Причиной этому является паразитическая емкость PN перехода, на наполнение которой требуется определенное время. Это сказывается на частотных характеристиках прибора.

Приближенные модели диодов

В большинстве случаев, для расчетов в электронных схемах, не используют точную модель диода со всеми его характеристиками. Нелинейность этой функции слишком усложняет задачу. Предпочитают использовать, так называемые, приближенные модели.

Приближенная модель диода «идеальный диод + V_ϒ»

Самой простой и часто используемой является приближенная модель первого уровня. Она состоит из идеального диода и, добавленного к нему, напряжения порога проводимости V_ϒ.

Приближенная модель диода «идеальный диод + V_ϒ + r_D»

Иногда используют чуть более сложную и точную приближенную модель второго уровня. В этом случае добавляют к модели первого уровня внутреннее сопротивление диода, преобразовав его функцию из экспоненты в линейную.

Интегральная схема

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция». Вы можете дополнить или исправить его.

Перейти к: навигация, поиск

Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа.

Интегра́льная (микро)схе́ма (ИС, ИМС, м/сх), чип, микрочи́п (англ. chip — щепка, обломок, фишка) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещенная в неразборный корпус. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение «чип компоненты» означает «компоненты для поверхностного монтажа» в отличие от компонентов для традиционной пайки в отверстия на плате. Поэтому правильнее говорить «чип микросхема», имея в виду микросхему для поверхностного монтажа. В настоящий момент (2006 год) большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

История

В 1958 году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был владельцем собственной компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor Corporation. Обоих объединил вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и ученые решили попробовать их объединить в один монолитный кристалл из полупроводникового материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний. В 1959 году они отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения — началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов. После того как в 1961 году Fairchild Semiconductor Corporation пустила интегральные схемы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность. Первая российская (советская) полупроводниковая микросхема была создана в 1961 г. в Таганрогском радиотехническом институте, в лаборатории Л. Н. Колесова.

Уровни проектирования

• Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.

• Электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.).

• Логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.).

• Схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехническая схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.).

• Топологический — топологические фотошаблоны для производства.

• Программный уровень (для микроконтроллеров и микропроцессоров) — команды ассемблера для программиста.

В настоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается при помощи САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.

Классификация

Степень интеграции

В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (в скобках количество элементов для цифровых схем):

• МИС — малая интегральная схема (до 100 элементов в кристалле);

• СИС — средняя интегральная схема (до 1 000);

• БИС — большая интегральная схема (до 10 000);

• СБИС — сверхбольшая интегральная схема (до 1 миллиона);

• УБИС — ультрабольшая интегральная схема (до 1 миллиарда);

• ГБИС — гигабольшие (более 1 миллиарда).

В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.

Технология изготовления

• Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия).

• Пленочная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде пленок:

  • толстоплёночная интегральная схема;

  • тонкоплёночная интегральная схема.

• Гибридная микросхема — кроме полупроводникового кристала содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещенных в один корпус.

Вид обрабатываемого сигнала

• Аналоговые

• Цифровые

• Аналого-цифровые

Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определенный диапазон напряжения. Например, для микросхем ТТЛ-логики при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,8 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ-логики при питании −5,2 В: логическая единица — это −0,8…−1,03 В, а логический ноль — это −1,6…−1,75 В.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий получают все большее распространение.

Технологии изготовления

Типы логики

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

• Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах — самые экономичные (по потреблению тока):

  • МОП-логика (металл-окисел-полупроводник логика) — микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа;

  • КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) — каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП).

• Микросхемы на биполярных транзисторах:

  • РТЛ — резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

  • ДТЛ — диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

  • ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика — микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе;

  • ТТЛШ — транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки — усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шотки.

  • ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика — на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, — что существенно повышает быстродействие.

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распротранёнными логиками микросхем. Где небходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость от статического электричества — достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и её целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 — сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии.

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но наиболее энергопотребляющими и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.

Технологический процесс

При изготовлении микросхем используется фотопроцесс. Ввиду малости размера элементов микросхем, от использования видимого света и даже ближнего ультрафиолета при засветке давно отказались. В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают ширину полосы фотоповторителя и, как следствие, размеры транзисторов (и других элементов) на кристалле. Этот параметр, однако, находится во взаимозависимости c рядом других производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами вытравливания и напыления.

В 70-х годах ширина процесса составляла 2-8 мкм, в 80-х была улучшена до 0,5-2 мкм. Некоторые экспериментальные образцы рентгеновского диапазона обеспечивали 0,18 мкм.

В 90-х годах из-за нового витка "войны платформ" экспериментальные методы стали внедряться в производство и быстро совершенствоваться. В начале 90-х процессоры (например ранние Pentium и Pentium Pro) изготавливали по технологии 0,5-0,6 мкм. Потом их уровень поднялся до 0,25-0,35 мкм. Следующие процессоры (Pentium 2, K6-2+, Athlon) уже делали по технологии 0,18 мкм.

В конце 90-х фирма Texas Instruments создала новую ультрафиолетовую технологию с шириной полосы около 0,08 мкм. Но достичь её в массовом производстве не удавалось влоть до недавнего времени. Она постепенно продвигалась к нынешнему уровню совершенствую второстепенные детали. По обычной технологии удалось обеспечить уровень производства вплоть до 0,09 мкм.

Новые процессоры (сперва это был Core 2 Duo) делают по новой УФ-технологии 0,065 мкм. Есть и другие микросхемы давно достигшие и превысившие данный уровень (в частности видеопроцессоры и flash-память фирмы Samsung - 0,040 мкм). Тем не менее дальнейшее развитие технологии вызывает всё больше трудностей. Обещания фирмы Intel по переходу на уровень 0,030 мкм. уже к 2006 году так и не сбылись.

Сейчас альянс ведущих разработчиков и производителей микросхем работает над тех. процессом 0,032 мкм.

Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

• Операционные усилители

• Генераторы сигналов

• Фильтры (в том числе на пьезоэффекте)

• Аналоговые умножители

• Стабилизаторы источников питания

• Микросхемы управления импульсных блоков питания

• Преобразователи сигналов

Цифровые схемы

• Логические элементы

• Триггеры

• Счетчики

• Регистры

• Буферные преобразователи

• Модули памяти

• Шифраторы

• Дешифраторы

• Микроконтроллеры

• (Микро)процессоры (в том числе ЦПУ в компьютере)

• Однокристальные микрокомпьютеры

Аналогово-цифровые схемы

• ЦАП и АЦП

Серии микросхем

Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия — это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.

Корпуса микросхем

Микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах — корпусном и бескорпусном. Бескорпускная микросхема — это полупроводниковый кристал, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку. Корпус — это часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов. Корпуса стандартизованы для упрощения технологического процесса изготовления изделий из разных микросхем. Число стандартных корпусов исчисляется сотнями! В российских корпусах растояние между выводами измеряется в милиметрах и наиболее часто это 2,5 мм или 1,25 мм. У импортных микросхем растояние измеряют в дюймах, используя величину 1/10 или 1/20 дюйма, что соответствует 2,54 и 1,28 мм. В корпусах до 16 выводов эта разница не значительна, а при больших размерах идеинтичные корпуса уже несовместимы. В современных импортных корпусах для поверхностного монтажа применяют и метрические размеры: 0,8 мм; 0,65 мм и другие.

Специфические названия микросхем

Из большого количества цифровых микросхем изготавливались процессоры. Фирма Intel первой изготовила микросхему Intel 4004, которая выполняла функции процессора. Такие микросхемы получили название микропроцессор. Микропроцессоры фирмы Intel совершенствовались: Intel 8008, Intel 8080, Intel 8086, Intel 8088 (на основе двух последних микропроцессоров, фирмой IBM, были выпущены первые персональные компьютеры).

Микропроцессор выполняет в основном функции АЛУ (арифметико-логическое устройство), а дополнительные функции связи с периферией выполнялись с помощью специально для этого изготовленных наборов микросхем. Для первых микропроцессоров число микросхем в наборах исчислялось десятками, а сейчас это набор из двух-трех микросхем, который получил термин чипсет.

Микропроцессоры со встроенными контроллерами памяти и вводы-вывода, ОЗУ и ПЗУ, а также другими дополнительными функциями называют микроконтроллерами.eo:Integra cirkvitohu:Integrált áramkörlt:Integrinė mikroschemazh-yue:集成電路

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ 14.1. Особенности интегральных схем Интегральные схемы (ИС) представляют собой микроми­ниатюрные устройства из полупроводниковых элементов, та­ких, как транзисторы, резисторы и диоды. Используя специ­альную технологию, различные элементы соединяют между со­бой таким образом, чтобы они могли выполнять определенную функцию: усиление, генерирование сигналов или формирование импульсов. В интегральных схемах отдельные микроэлементы объединены в одной полупроводниковой монолитной пластине (chip). Когда монолитные пластины соединяют друг с другом для получения некоторой электронной схемы (усилителя звуко­вой частоты или схемы обработки цифровых сигналов), такие ИС называют составными. Интегральные схемы могут содержать сотни элементов весь­ма малой площади, размеры которых иногда ограничиваются лишь возможностью изготовления выводов. Часто интегральные пластины являются частью модуля, который содержит в своем составе ряд других элементов (катушки индуктивности, мощные транзисторы и т. п.), необходимых при создании таких уст­ройств, как амплитудный детектор, звуковой усилитель, свип-генератор, выходные усилители разверток телевизионного при­емника. Интегральные схемы также являются основой ручных калькуляторов, электронных систем слежения и других подоб­ных устройств, объединяющих электронные и механические блоки. Для изготовления интегральных схем применяются раз­личные технологические процессы, включающие травление не­обходимого рисунка схемы, тепловую обработку, изготовление маски, химическое травление, фотообработку. Кроме того, ис­пользуются операции диффузии и вакуумного осаждения для соединения элементов в единую структуру. Часть ИС, показанная на рис. 14.1, а, содержит два резисто­ра, конденсатор, транзистор и межэлементные соединения и яв­ляется интегральной реализацией каскада усилительной схемы» приведенного на рис. 14.1,6. Изображение части ИС на рис. 14.1, а дает, конечно, весьма приближенное представление о реальной интегральной схеме. Рис. 14.1. Интегральное представление (а) каскада усилителя (б). ^ 14.2. Применение интегральных схем в модулях Типичная схема модуля, показанная на рис. 14.2, содержит УПЧ звука, детектор и выходной звуковой усилитель. На кор­пусе такого модуля обычно имеется специальный выступ для установки его на шасси, на котором имеется соответствующий выступу вырез. Схема, изображенная на рис. 14.2, может быть схемой мо­дуля обработки звуковых сигналов ЧМ-радиоприемника или мо­дуля ЧМ звукового сопровождения в телевизионном приемнике. Первая интегральная схема HCi содержит несколько каскадов УПЧ, и сигнал с ее выхода подается на входной трансформатор ЧМ-детектора. Перемещением сердечника обеспечивается воз­можность подстройки частоты в процессе регулировки. Далее сигнал подается на схему ИС₂, содержащую частотный детек­тор и один или два каскада звукового усиления, которые позво­ляют получить амплитуду сигнала, необходимую для подачи на динамик. Как показано на рис. 14.2, для обеспечения работы ИС ис­пользуются внешние резисторы и конденсаторы. В тех случаях, когда в модуле применяется один резистор для подачи напря­жения питания на несколько интегральных схем, номинальная мощность этого резистора должна быть больше, чем в случае одной ИС. Таким образом, иногда оказывается более целесооб­разно применять в схемах внешние элементы. Так, используют навесные катушки индуктивности, поскольку пока нет возмож­ности изготовлять их методами интегральной технологии. Для изготовления емкостей в интегральных схемах приходится при­менять дополнительные технологические процессы. Поэтому ча­сто более удобным оказывается их замещение навесными кон­денсаторами. Внешние катушки индуктивности приходится ис­пользовать всегда, когда требуется осуществлять настройку ча стоты. Рис. 14.2. Схема модуля с интегральными схемами. Типичная схема выводов ИС, включающей два звуковых усилителя для стереофонического устройства, показана на рис. 14.3. Выступы на корпусе ИС располагаются с той сторо­ны, которая обращена к панели для включения ИС (или к пе­чатной плате в случае присоединения методом пайки). Выемка, изображенная на рисунке сверху, служит началом нумерации выводов. Такая интегральная схема имеет размеры 6,5х6,5хl,5 мм и выходную мощность порядка нескольких ватт на один канал и содержит в себе все необходимые каскады для обработки входных сигналов. Рис. 14.3. Схема выводов ИС. ^ 14.3. Многоэмиттерные транзисторы в схемах ТТЛ-типа В интегральных логических схемах часто используются мно-гоэмиттерные транзисторы (МЭТ) (рис. 14.4, а). Такие транзи­сторы удобно применять для многовходовых логических венти­лей, так как это упрощает процесс изготовления интегральных схем. Применение многоэмиттерного транзистора в схеме логи­ческого вентиля показано на рис. 14.4,6. Здесь три эмиттера транзистора Т₁ n — р — n-типа являются входными зажимами схемы. Транзистор Т₂ инвертирует сигнал, поэтому оба транзи­стора T₁ и Т₂ формируют логику отрицания. Эта схема пред­ставляет транзисторно-транзисторный логический (ТТЛ) вен­тиль типа И-НЕ (см. гл. 8). Оба транзистора — в схеме n — р — n-типа, поэтому при работе в нормальном (неинверсном) режиме прямое смещение на базе имеет положительную полярность относительно эмиттера. На базу МЭТ через резистор R₁ подается положительный потенциал (несколько вольт). При подаче хотя бы на один из входов МЭТ отрицательного или даже небольшого положитель­ного потенциала (не более — 0,5 В) эмиттерный ток МЭТ почти равен току базы МЭТ, а ток базы транзистора Т₂ практически равен нулю, и транзистор Т₂ заперт. Если же на все входы МЭТ будут поданы положительные потенциалы выше 1 — 2 В, то токи эмиттеров МЭТ становятся практически равными нулю, а ток базы МЭТ оказывается равным току базы транзистора Т₂. Рис. 14.4 Многоэмиттерный транзистор fa) и логическая схема ТТЛ-типа на его основе (б). В этом случае транзистор T₂ открыт и находится в состоянии насыщения. Выходной каскад на транзисторе Т₂ работает как инвертор, а МЭТ выполняет функции логической схемы И. Применение многоэмиттерных транзисторов и логических устройств ТТЛ-типа позволяет минимизировать число элемен­тов, составляющих интегральную схему. Использование непо­средственной связи между транзисторами исключает примене­ние переходного конденсатора, способствует повышению быст­родействия и помехоустойчивости логической схемы этого типа, выполняющей логическую функцию И-НЕ. Иногда применяют многоэмиттерные транзисторы с четырьмя-пятью входами, но большее число эмиттеров приводит к снижению помехоустойчи­вости схемы. ^ 14.4. Интегральные схемы с дополняющими МОП-транзисторами Схемы с дополняющими МОП-транзисторами представляют собой специальный тип интегральных схем и были впервые раз­работаны фирмой RCA. Термин «МОП» означает, что транзи­стор имеет структуру металл — окисел — полупроводник. Как по­казано на рис. 14.5, а, схема состоит из двух дополняющих по­левых транзисторов МОП-типа с р- и я-каналами. Схемы ука­занного типа имеют ряд преимуществ в отношении технологии их изготовления и могут использоваться как в цифровых, так и в линейных аналоговых системах. ^ Рис. 14.5. Интегральные схемы с дополняющими МОП-транзисторами. При отсутствии входных сигналов схемы МОП-типа с до­полняющими транзисторами, по существу, не потребляют ника­кой мощности. Логические системы из таких схем, содержащие около 100 вентилей, потребляют мощность менее 0,1 мВт. Как показано на рис. 14.5, полевые транзисторы МОП-типа с р- и n-каналами соединены параллельно и, таким образом, имеют характеристики противоположной полярности. Следовательно, если транзистор с р-каналом открыт, то транзистор с я-каналом находится в закрытом состоянии. По этой причине рабочий ток в схеме весьма мал, а к. п. д. схемы очень высок. При работе в цифровых системах, где используются им­пульсные сигналы малой длительности, транзисторы работают поочередно, обеспечивая также очень незначительное потребле­ние мощности. При увеличении скорости переключения средняя мощность вентиля возрастает, хотя, если скорость переключения не превышает 10 кГц, значение рассеиваемой мощности состав­ляет не более 1 мкВт на вентиль. С повышением частоты сиг­нала увеличивается частота повторения импульсов тока, и по­этому несколько возрастает потребляемая мощность. Благодаря особенностям передаточной характеристики схе­мы МОП-типа с дополняющими транзисторами имеют высокую помехоустойчивость. Различные фирмы выпускают интеграль­ные цифровые схемы такого типа, которые могут хорошо рабо­тать на частотах до нескольких мегагерц. Таким образом, МОП-схемы с дополняющими транзисторами могут с успехом применяться не только в вычислительных устройствах, но так­же в системах связи и измерительной аппаратуре. Как показано на рис. 14.5,6, в схему может быть введен до­полнительный резистор Rь обеспечивающий линейный режим работы. Этот резистор включают между входным и выходным зажимами, так что он является цепью обратной связи, которая автоматически корректирует дрейф, появляющийся на выходе схемы. Так как при нормальной работе вентиля через него про­текает ток незначительной величины, то падение напряжения на резисторе R₁ практически отсутствует. Это позволяет при­менять высокоомный резистор R₁ величиной в несколько десят­ков мегом, что обеспечивает эффективное разделение сигналов на входе и выходе. Схема, изображенная на рис. 14.5,6, может использоваться для построения генератора или усилителя. В схеме генератора с кварцевой стабилизацией частоты кварцевую пластину вклю­чают параллельно резистору R₁. Кварц ведет себя как резо­нансный контур в цепи обратной связи на частоте сигнала, обес­печивая высокую стабильность частоты колебаний (см. рис. 4.5). ^ 14.5. Логические схемы инжекционного типа Термин «интегральные логические схемы инжекционного ти­па» (схемы инжекционной логики — PL) относится к интеграль­ным схемам, достоинства которых особенно очевидны в бипо­лярных схемах с большим уровнем интеграции (БИС). Логиче­ские схемы инжекционного типа потребляют очень незначи­тельную мощность, просты, так как содержат минимальное ко­личество схемных элементов, и обладают высокой эффектив­ностью. Так, например, на одной полупроводниковой пластине можно изготовить систему, содержащую до 3000 вентилей, или систему памяти объемом 10000 двоичных разрядов. Важной характеристикой инжекционных схем является уни­версальность их применения в электронных схемах. Они могут применяться в производстве недорогих электронных часов, в ко­торых потребление мощности не превышает нескольких микро­ватт. Несмотря на очень малое потребление энергии, такие схе­мы обеспечивают достаточно большую амплитуду сигнала и тем самым делают возможной работу цифрового устройства отобра­жения на светодиодах. Схемы инжекционного типа могут также использоваться в цифровых вольтметрах, цифровых блоках на­стройки, в линейных схемах радио- и телевизионных приемни­ков. Но главное применение инжекционных схем — логические матрицы, устройства считывания информации из постоянных запоминающих устройств, а также системы обработки логиче­ских сигналов в калькуляторах. Инжекционные схемы, включающие два дополняющих тран­зистора, выполняют роль вентиля (рис. 14.6, а). Многоколлек­торный транзистор n — р — n-типа применяется в качестве инвер­тора, а транзистор р — n — р-типа служит либо в качестве нагрузки, либо является источником тока. На входе и выходе схе­мы не используется ни одного резистора. Рис. 14.6. Логические схемы инжекционного типа. Типичная схема инжекционного типа показана на рис. 14.6,a. Здесь в виде двух пересекающихся окружностей изображен ис­точник тока, который присоединен к многоколлекторному тран­зистору n — р — n-типа (см. также рис. 2.3). Источник тока мо­жет быть транзистором р — n — р-типа, как показано на рис. 14.6,6. В такой схеме первый транзистор р — n — р-типа яв­ляется вентилем, который инжектирует неосновные носители в базу второго транзистора n — р — n-типа, являющегося инверто­ром. Второй транзистор можно .рассматривать как нагрузку, следовательно, отпадает необходимость в применении обычных резисторов (см. разд. 14.3). Схемы инжекционного типа работают очень устойчиво при различных видах сигналов, а потребляемая мощность не увели­чивается с возрастанием частоты. Кроме того, такие схемы об­ладают высокой помехоустойчивостью при действии шумов и нежелательных сигналов. Рис. 14.7. Схема вентиля ИЛИ-НЕ инжекционного типа. ^ 14.6. Схема вентиля ИЛИ-НЕ инжекционного типа На рис. 14.7 изображена схема логического двухвходового вентиля ИЛИ-НЕ. Схема имеет два выхода, один из которых является выходом с отрицанием (ИЛИ-НЕ), а второй выход — неинвертированный (ИЛИ). В таком вентиле использованы три схемы инжекционного типа, а источники постоянного тока об­разованы инжекционными транзисторами, являющимися неотъ­емлемой частью интегральной схемы. Коллекторы каждой из входных инжекционных схем соеди­нены между собой перекрестно, т. е. верхний коллектор схе­мы А соединен с нижним коллектором схемы В и наоборот. Вы­ход схемы А подан на базу дополнительной инжекционной схе­мы, которая является инвертором. Благодаря этому при подаче сигнала на вход А на выходе этой схемы он инвертируется; вто­рая схема инвертирует сигнал вторично и возвращает его в ис­ходное состояние. Когда же сигнал подается на вход В, то он инвертируется только один раз, и поэтому полярность сигнала на выходе окажется противоположной сигналу на входе. ^ Рис. 14.8. Схема фиксации с диодами Шоттки. При подаче сигнала на вход А он появляется на выходе пос­ле второго инвертора в неинвертированном виде. Однако с пер­вой инжекционной схемы этот же сигнал подается и на выход нижней схемы, а так как здесь он не подвергается повторной операции инвертирования, на нижнем выходе вентиля сигнал появляется в инвертированном виде (А). Аналогичным образом при подаче импульса на вход В на нижнем коллекторе схемы и на выходе он появится в инвертиро­ванном виде (В). Выходной сигнал с верхнего коллектора ниж­ней схемы подается одновременно на верхнюю схему и выход­ной инвертор. Следовательно, на верхнем выходе этот сигнал появится в неинвертированном виде. Таким образом, выходные сигналы в такой схеме появляются в случае подачи сигнала ИЛИ на вход Л, ИЛИ на вход В, ИЛИ на оба входа вместе, а выходной сигнал получается как в инвертированном, так и в неинвертированном виде. Путем добавления других схем, ана­логичных показанной на рис. 14.7, можно получить схему с большим числом входов и выходов. ^ 14.7. Схема фиксации с диодами Шоттки Для улучшения характеристик логических схем в интеграль­ной технике широко применяются специальные приборы, назы­ваемые диодами Шоттки. Эти диоды выполняют функции переключения с значительно более высокой скоростью, чем обычные диоды. Кроме того, бла­годаря небольшому падению напряжения на диодах Шоттки по­тери мощности в таких диодах минимальны. Условное изобра­жение диодов Шоттки (рис. 14.8) отличается от принятого для обычных диодов. В схеме на рис. 14.8 диоды Шоттки используются для фик­сации выходных сигналов вентилей инжекционного типа. Эти диоды ограничивают амплитуду сигналов, подаваемых на вход логических схем, и уменьшают время переключения, которое имело бы место при чрезмерно большой амплитуде сигналов. Применение фиксирующих диодов Шоттки позволяет увеличить скорость переключения инжекционного вентиля примерно в 5 — 6 раз. Приведенная на рисунке схема применяется в вентилях инжекционного типа фирмы IBM для уменьшения амплитуд сигналов, превышающих 500 мВ, до уровня 150 — 300 мВ. Глава 15 ^ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ПЕРЕДАЮЩИХ И ПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ 15.1. Передатчик АМ-сигналов Рис. 15.1. Блок-схема передатчика с A.M. Схема передающего устройства, показанная на рис. 15.1, применяется для генерирования АМ-сигналов, которые переда­ются в широковещательных радиосистемах. (Соответствующий приемник АМ-сигналов рассмотрен в разд. 15.5). Как показано на рис. 15.1, высокочастотный генератор с кварцевой стабили­зацией генерирует колебания несущей частоты. С выхода гене­ратора колебания подаются на стандартный буферный усили­тель класса С или умножитель частоты, после чего амплитуда и частота сигнала принимают такие значения, которые требу­ются для управления высокочастотным усилителем мощности. Сигналы с микрофона, звукоснимателя или магнитофона пода­ются на предварительный усилитель. Далее для повышения амплитуды сигнала применяются звуковой усилитель и выход­ной усилитель мощности, с выхода которого сигнал использу­ется для модуляции несущей (более подробно см. гл. 6). Если сигнал с модулирующего усилителя класса С подается непосредственно в антенну, как показано на рисунке, то такую схему называют схемой модуляции на высоком уровне мощно­сти (модуляция осуществляется при наибольшей мощности не­сущей). Если же после модулятора используется линейный уси­литель класса В (показан штриховой линией), выход которого присоединяется к антенне, тогда имеет место схема модуляции на низком уровне мощности (модуляция производится при наи­меньшей мощности несущей). В результате амплитудной модуляции для каждого сигнала звуковой частоты образуются сигналы верхней и нижней боко­вых частот. Таким образом, если несущая частота 100 кГц мо­дулируется сигналом частотой 1000 Гц, то образуются сигналы с частотами 101 и 99 кГц. Это сигналы боковых полос, и вме­сте с несущей они образуют сложный радиосигнал, амплитуда высокочастотных колебаний которого изменяется с частотой мо­дулирующего звукового сигнала. Так как боковые составляю­щие отстоят от несущей на частоту модулирующего сигнала, то при большей частоте модулирующего сигнала боковые составляющие будут дальше отстоять от несущей частоты, и, следова­тельно, для передачи и приема будет требоваться более широ­кая полоса частот. ^ 15.2. Одноканальный передатчик с ЧМ Существует несколько методов получения ЧМ-сигналов, Блок-схема передатчика с непосредственной частотной модуля­цией приведена на рис. 15.2. Неотъемлемой частью такой схе­мы является реактансная схема. Для получения сигнала, моду­лированного по частоте, требуется изменять частоту несущей со скоростью, зависящей от частоты модулирующего сигнала. Таким образом, если частота модулирующего сигнала равна 100 Гц, частота несущей после модуляции будет отклоняться от средней частоты в обе стороны 100 раз в секунду. Аналогично, если частота модулирующего сигнала равна 2 кГц, то частота модулированного сигнала будет изменяться 2000 раз в секунду. Величина же отклонения частоты от ее среднего значения опре-дечяется амплитудой модулирующего сигнала. При увеличении амплитуды модулирующего сигнала отклонение частоты несу­щей от среднего значения возрастает. Поскольку частота несущей непрерывно изменяется в про­цессе частотной модуляции, генератор несущей должен позво­лять осуществлять перестройку частоты. Для того чтобы часто­та несущей была стабильной, применяется кварцованный авто­генератор. Кроме того, для той же цели используется схема ав­томатической подстройки частоты. Рис. 15.2. Блок-схема передатчика с непосредственной ЧМ. Генератор с регулируемой частотой в схеме на рис. 15.2 име­ет частоту, равную ~ 1/18 частоты несущей. Таким образом, если частота несущей равна 90 МГц, то частота генератора составит 5 МГц. Максимальное отклонение (девиация) частоты поддер­живается в пределах 4,2 кГц с тем, чтобы обеспечить линей­ную частотную модуляцию. Если, например, отклонение частоты генератора равно 4 кГц, то отклонение частоты на выходе со­ставит 72 кГц, так как за счет умножения отклонение частоты также увеличивается в 18 раз. В данной схеме кварцованный автогензратор вырабатывает колебания частотой 2,8 МГц. Затем эта частота удваивается до 5,6 МГц и подается на смеситель, на который также поступают сигналы частотой 5 МГц от генератора с регулируемой часто­той. На выходе смесителя образуется сигнал разностной часто­ты 600 кГц, который поступает на схему автоматической под­стройки частоты (АПЧ). При работе схемы в ней поддерживается устойчивое состоя­ние. Если частота генератора отклоняется от значения 5 МГц, то сигнал разностной частоты на выходе смесителя не будет совпадать с резонансной частотой, на которую настроена схема АПЧ. В результате на выходе схемы АПЧ появится напряжение, которое будет действовать как управляющий сигнал, кор­ректирующий уход частоты генератора (см. также разд. 4.6). Как показано на рисунке, управляющий сигнал с выхода схемы АПЧ проходит через фильтр нижних частот и подается на реактансную схему. Последняя осуществляет коррекцию ухода частоты генератора с регулируемой частотой (см. гл. 12). Фильтр нижних частот используется для того, чтобы модули­рующие колебания, которые содержатся в сигнале 0,6 МГц, не попадали на реактансную схему. Этот фильтр обычно пропуска­ет сигналы частотой не более 10 Гц. Благодаря исключению сигналов звуковой частоты они не будут оказывать влияния на функцию управления. Если же звуковые составляющие не бу­дут отфильтрованы, то они приведут к появлению реактивно­сти, противоположной по знаку той, которая возникает под действием сигналов, подаваемых с модулирующей схемы. В ре­зультате частотная модуляция несущей может свестись к нулю. Так как уход частоты генератора с регулируемой частотой про­исходит с очень небольшой скоростью, то изменение напряже­ния на выходе схемы АПЧ происходит с частотой значительно ниже 10 Гц, т. е. в пределах полосы фильтра нижних частот. Другой метод получения ЧМ-сигналов представлен на рис. 15.3. Вначале осуществляется амплитудная модуляция, ко­торая затем преобразуется в частотную путем смещения боко­вых составляющих на 90° и воссоединения боковых составляю­щих и несущей. Здесь используется маломощная частотная мо­дуляция, поэтому образуются только две боковые составляю­щие достаточной амплитуды. Путем сдвига фазы боковых со­ставляющих получается фазовая модуляция, которая может быть преобразована в частотную при помощи схемы коррекции. В схеме на рис. 15.3 используется кварцованный автогенера­тор, сигналы которого после умножения частоты образуют не­сущую. Звуковые сигналы с усилительного выходного каскада подаются на балансный модулятор, на который поступают так­же сигналы с кварцованного автогенератора. В балансном мо­дуляторе осуществляется амплитудная модуляция несущей звуковыми сигналами. Две боковые составляющие АМ-сигнала подаются на квадратурную фазосдвигающую схему. Две боко­вые полосы затем объединяются с несущей, которая подается от кварцованного автогенератора через буферный усилитель. Таким образом, осуществляется косвенная частотная модуля­ция. В последующих каскадах происходит умножение частоты до требуемого значения. В балансном модуляторе несущая по­давляется, так что на его выходе получаются только сигналы боковых составляющих (см. гл. 6). ^ Рис. 15.3. Блок-схема передатчика с косвенной ЧМ. При фазовой модуляции девиация несущей является функ­цией частоты звукового модулирующего сигнала, умноженной на максимально допустимый сдвиг фазы. Следовательно, более высокой частоте звукового сигнала будет соответствовать большая величина девиации несущей в отличие от частотной модуляции, где девиация зависит только от амплитуды звуко­вого сигнала. Для уравнивания девиации с тем, чтобы она со­ответствовала значению, которое имеет место при ЧМ, вводит­ся корректирующая цепь, показанная на рис. 15.3. Эта цепь со­стоит из последовательного резистора и параллельного конден­сатора. Сопротивление pesncTqpa выбирается таким образом, чтобы оно было значительно больше реактивного сопротивления конденсатора во всем диапазоне звуковых частот. Поэтому осу­ществляется компенсация характеристик, полученных во время фазовой модуляции сигналов, и на выходе сигнал приобретает свойства ЧМ-сигнала. Выходной сигнал с корректирующей цепи снимается с кон­денсатора, поэтому амплитуда сигналов изменяется в зависи­мости от частоты. На низких частотах конденсатор имеет боль­шое реактивное сопротивление и оказывает слабое шунтирующее действие В этом случае амплитуда сигнала, по существу, полностью передается на следующий каскад. Однако на более высоких частотах реактивное сопротивление конденсатора уменьшается так что он оказывает более сильное шунтирующее влияние Поэтому при возрастании частоты амплитуда сигна­лов поступающих с корректирующей схемы на выходной уси-титель уменьшается. Эта операция, обратная процессу фазо­вой модуляции, приводит к компенсации последней. В резуль­тате осуществляется процесс, эквивалентный стандартной час­тотной модуляции, при которой одинаковым амплитудам звуко­вых сигналов соответствуют одинаковые отклонения частоты несущей независимо от частоты. ^ 15.3. Многоканальный передатчик с ЧМ Как было показано ранее в разд. 6.4, в радиовещательных ЧМ-системах 100%-ная модуляция определяется как девиация частоты по 75 кГц в обе стороны от несущей. В ЧМ стерео- или других многоканальных системах передача должна осуществ­ляться таким образом, чтобы спектр частот оставался в задан­ных пределах определяемых указанной 100%-ной модуляцией. Таким образом, в процессе стереопередачи различные модули­рующие сигналы не должны приводить к превышению преде­лов определяемых 100%-ной модуляцией. В системах высокого качества модулирующие звуковые сиг­налы обычно находятся в диапазоне частот 30 Гц- 15 кГц. Мо­гут быть использованы и более высокие модулирующие часто­ты но при условии, что их амплитуда не будет слишком вели­ка и полоса частот не превысит заданных пределов. При более высокой частоте модулирующих сигналов скорость девиации несущей возрастает. Таким образом, применение более высоко­частотных модулирующих сигналов позволяет реализовать удобный метод формирования сигналов в многоканальных (сте­рео-) системах. ^ Рис. 15.4. Стереопередатчик с ЧМ. Пои передаче стереосигналов должна обеспечиваться совме­стимость т. е. возможность приема как стерео-, так и обычным одноканальным приемником. Для обеспечения совместимости стереостанции ведут передачу моносигнала, получаемого сложе­нием двух сигналов от разных источников. При этом звуковые сигналы с левого и правого микрофонов подаются на модули­рующую схему основного ЧМ-передатчика, который является основным каналом. Такой способ иллюстрируется на рис. 15.4, ?де сигналы левого (Л), и правого (П) каналов подаются на моносмеситель. Эти сигналы затем поступают на модулятор ге­нератор несущей и другие схемы, составляющие основной ЧМ-передатчик. Для передачи стереосигналов требуются дополнительные схемы, которые образуют отдельно левый и правый каналы. С этой целью формируется разностный сигнал путем вычитания правого сигнала из левого (правый и левый сигналы подаются на смеситель со сдвигом фаз 180°). Разностный сигнал исполь­зуется для модуляции дополнительной несущей (называемой поднесущей) по амплитуде (AM), в результате чего образуются боковые составляющие. Эти боковые составляющие отдельно модулируют несущую по частоте. Поднесущая частота подавляется, и поэтому при приеме стереосигналов она должна вос­станавливаться в приемнике (см. разд. 15.7). Частота поднесущей равна 38 кГц (генератор вырабатывает частоту 19 кГц, которая затем удваивается для получения тре­буемой частоты 38 кГц). Сигнал частотой 19 кГц также пере­дается (путем модуляции несущей) для синхронизации стерео-детектора в приемнике. При этом сигнал частотой 19 кГц, назы­ваемый пилот-сигналом, осуществляет неглубокую модуляцию несущей (приблизительно 10%). Этого оказывается достаточно для удвоения этой частоты с целью восстановления поднесущей 38 кГц в приемнике. В приемнике поднесущая демодулируется вместе с боковыми составляющими стереосигнала (см. рис. 9.6). Боковые составляющие, которые получаются в результате модуляции поднесущей частотой 38 кГц разностным сигналом, не совпадают с модулирующими моносигналами; боковые со­ставляющие располагаются в диапазоне частот 23 — 53 кГц. Как и в случае моносигнала, диапазон частот звуковых стерео­сигналов находится в пределах 30 Гц — 15 кГц. Таким образом, многоканальный модулирующий сигнал при ЧМ-стереопередаче состоит из моносигнала (Л + П), частота которого лежит в зву­ковом диапазоне 30 Гц — 15 кГц, пилот-сигнала (поднесущей) частотой 19 кГц и (Л — П)-сигнала (23 — 53 кГц) с подавленной при передаче несущей частотой 38 кГц. При передаче музыкаль­ных записей производится также модуляция основной несущей сигналами по двум каналам при помощи вспомогательного ге­нератора, как показано на рисунке штриховыми линиями. Метод совмещения каналов (subsidiary communications aut­horization — SCA) позволяет в передающей станции использо­вать дополнительные каналы, кроме канала обычного радиове­щания. ЧМ-канал используется для радиовещания, а совме­щенный (SCA) канал — только для передачи сигналов со звуко­снимателя, например для звукового сопровождения и других вспомогательных целей. Как показано на рис. 15.4, вспомога­тельный генератор является по существу миниатюрным ЧМ-пе-редатчиком (по сравнению с основным передатчиком) с часто­той поднесущей 67 кГц. ^ 15.4. Телевизионный передатчик В телевидении изображение передается по способу ампли­тудной модуляции несущей, как и при обычной АМ-радиопере-даче. Для передачи сигналов звукового сопровождения исполь­зуется частотная модуляция. Разность между частотами несу­щей изображения и несущей звука составляет 4,5 МГц (см. рис. 5.14, а). При передаче черно-белого изображения требуется переда­вать и сигналы для синхронизации кадровой и строчной раз­верток. Однако в цветном телевидении при модуляции несущей используются, кроме того, сигналы цветности и дополнительные синхронизирующие сигналы. В черно-белом телевизионном приемнике задающий генера­тор вырабатывает колебания основной частоты, из которых по­лучают сигналы для схем развертки. Частота колебаний за­дающего генератора равна 31,5 кГц. Для получения частоты строчной (развертки 15750 Гц она делится на два, а для полу­чения частоты кадровой развертки 60 Гц ее делят на 7, 5, 5 и 3. В случае передачи цветного изображения эти частоты не­сколько отличаются из-за особенностей ширины спектра и син­хронизации. При цветной передаче требуется генерировать под-несущую и осуществлять ее модуляцию для получения боковых составляющих сигналов цветности, а затем несущую требуется подавить ввиду того, что отведенная для передачи полоса ча­стот ограничена. Поэтому в приемнике несущую следует вос­становить и смешать с боковыми составляющими для после­дующей демодуляции цветоразностных сигналов. Таким образом, частота строчной развертки в цветном теле­визионном приемнике равна 15734,264 Гц, а частота поднесу-щей при этом составляет 3,579545 МГц (3,58 МГц). Частота кадровой развертки в цветном телевизионном приемнике равна 59,94 Гц. Так как частоты строчной и кадровой разверток в цветном приемнике близки к соответствующим частотам в чер­но-белом приемнике, то при нормальных условиях работы не возникает никаких проблем при переходе от приема черно-бело­го изображения к цветному. Основные блоки передающего устройства цветного телеви­дения показаны на рис. 15.5. Передающая камера цветного те­левидения со специальной передающей трубкой и линзовой си­стемой воспринимает три основных цвета изображения. Исходя из принципа аддитивности цвета, такими цветами являются красный (R), синий (В) и зеленый (G). Как следует из схемы, приведенной на рис. 15.5, схемы уси­ления и развертки формируют на выходе три составляющих (сигналы красного, зеленого и синего) передаваемого изобра­жения. Сигналы R, G и В далее подаются на три матричные схемы, две из которых содержат фазоинверторы. Выходные сиг­налы матриц обозначены У, 7 и Q. Сигнал У, как было отмече­но выше, называют яркостным сигналом. Он получается сложе­нием трех сигналов основных цветов — красного, зеленого и си­него — в соотношении 0,3:0,59:0,11. Соблюдение такого соот­ношения необходимо для компенсации неодинаковой чувстви­тельности глаза человека к различным цветам. Рис. 15.5. Блок-схема цветного телевизионного передатчика. Два основных цветоразностных сигнала состоят из I-сигна­ла (в фазе) и Q-сигнала (квадратурного). Сигнал I содержит 0,6 сигнала красного, 0,28 сигнала зеленого и 032 сигнала си­него. Соотношение этих составляющих для сигнала Q следую­щее: R : G : B = 0,21 : 0,52 : 0,13. Сигналы I и Q подаются на балансные модуляторы, где они модулируют две поднесущие частотой 3,58 МГц, сдвинутые по фазе на 90°, причем сигнал I опережает сигнал Q. В баланс­ных модуляторах поднесущая и сигналы I и Q подавляются, а на выход проходят только боковые колебания поднесущей. Сигнал У через фильтр поступает на сумматор, куда подаются также выходные сигналы с балансных модуляторов. Формирователь сигналов цветовой синхронизации, на кото­рый поступают сигналы от генератора частотой 3,58 МГц, вы­рабатывает 9-периодный сигнал частотой 3,58 МГц, который передается на заднем уступе строчного гасящего импульса и служит для синхронизации генератора поднесущей в приемни­ке (см. разд. 4.6). Все сигналы, включая синхронизирующие сигналы и гасящие импульсы строк и полей, складываются в сумматоре. Сформированный таким образом полный телевизи­онный сигнал подается на усилитель-модулятор, где при необхо­димости он усиливается, и затем поступает на оконечный моду­ляционный каскад, работающий в режиме усиления класса С. Как и в других передатчиках с AM, здесь используется генера­тор с кварцевой стабилизацией. Сигналы с этого генератора умножаются по частоте, усиливаются и подаются на усилитель класса С. Для передачи сигналов звукового сопровождения ис­пользуется отдельный передатчик с ЧМ. Таким образом, в те­левизионном передающем устройстве используются два передат­чика: один с амплитудной, а другой с частотной модуляцией. ^ 15.5. Приемник АМ-сигналов Блок-схема приемника АМ-сигналов изображена на рис. 15.6. Здесь представлена супергетеродинная схема приема, которая положена в основу большинства приемников, используемых в системах связи. Сигнал с выхода антенны через ВЧ-усилитель (см. рис. 3.4) поступает на преобразователь частоты, включающий в себя ге­теродин и смеситель. В приемниках с низкой чувствительностью высокочастотного усилителя может и не быть; тогда сигнал с выхода антенны подается непосредственно на преобразователь, как показано на рисунке штриховой линией (см. также рис. 4.2). Гетеродин преобразователя вырабатывает колебания тре­буемой частоты, которые, смешиваясь в смесителе с принимае­мыми колебаниями модулированной несущей, образуют на вы­ходе смесителя колебания промежуточной (разностной) часто­ты. Значение промежуточной частоты 455 кГц является стан­дартным для радиовещательных приемников [Промежуточная частота приемников, используемых в различных обла­стях радиоэлектроники, изменяется в очень широких пределах. — Прим. Ред]. Рис. 15.6. Блок-схема супергетеродинного приемника. Со смесителя сигнал подается на усилитель промежуточной частоты для дополнительного усиления и фильтрации мешаю­щих сигналов, которые появляются в процессе гетеродинирова-ния. После усиления сигнал промежуточной частоты демодули-руется в детекторе, и выделяется звуковой сигнал. Так как звуковые сигналы на выходе детектора довольно слабые, их усиливают в обычном звуковом усилителе до уровня, необходи­мого для их дальнейшего воспроизведения в громкоговорителе. Независимо от частоты принимаемых сигналов промежуточ­ная частота приемника сохраняет определенное значение. Для этого настроечные конденсаторы высокочастотного усилителя, смесителя и гетеродина связывают между собой, так что в про­цессе настройки их роторы вращаются одновременно. Парал­лельно каждому из основных конденсаторов настройки включа­ют подстроечный конденсатор небольшой емкости для обеспе­чения точной настройки во всем диапазоне работы приемника (см. рис. 4.2). Таким образом, независимо от частоты прини­маемого сигнала гетеродин обеспечивает получение сигнала промежуточной (строго фиксированной) частоты; обычно часто­та гетеродина выше несущей частоты сигнала. Следовательно, если станция ведет передачу на частоте несущей 1000 кГц, то для получения разностной частоты 455 кГц частота колебаний гетеродина должна быть равна 1455 кГц. ^ 15.6. Одноканальный приемник ЧМ-сигналов Блок-схема одноканального приемника ЧМ-сигналов изобра­жена на рис. 15.7. Эта схема аналогична схеме приемника АМ-сигналов (рис. 15.6), за исключением того, что здесь ис­пользуется частотный, а не амплитудный детектор (см. гл. 7). Рис. 15.7. Блок-схема одноканального приемника ЧМ-сигналов. Хотя блок-схемы AM- и ЧМ-приемников схожи, тем не менее имеется существенное различие между их схемными реализа­циями, обусловленное тем, что ЧМ-приемники используются в диапазоне существенно более высоких частот. Так как радиове­щательная полоса частот с частотной модуляцией лежит в пре­делах 88 — 108 МГц, входная часть смесителя и гетеродин долж­ны строиться таким образом, чтобы минимизировать потери,, действующие на высоких частотах. Стандартное значение про­межуточной частоты здесь равно 10,7 МГц, и так же, как и в приемнике АМ-сигналов, при перестройке приемника оно сохра­няется неизменным. Как и в случае АМ-приемника, гетеродин вырабатывает колебания, частота которых на 10,7 МГц выше частоты принимаемого сигнала. При приеме сигналов различ­ной частоты гетеродин отслеживает настройку ВЧ-усилителя и смесителя и обеспечивает получение фиксированного значения промежуточной частоты. Каскады УПЧ также должны проектироваться с учетом их работы на более высоких частотах и обеспечивать минималь­ные потери на этих частотах. В схеме применяется специаль­ный детектор, чувствительный к изменениям частоты сигнала, описанный в гл. 7. После детектора вводится цепь частотной коррекции для компенсации частот сигнала, «подчеркнутых» передатчиком (см. разд. 6.8). ^ 15.7. Многоканальный приемник ЧМ-сигналов Рис. 15.8. Блок-схема стереоприемника ЧМ-сигналов. Как было показано в разд. 15.3, многоканальная система позволяет передавать несколько сигналов одновременно. Такая необходимость возникает в ЧМ-стереовещашш для передачи дополнительных боковых составляющих, которые требуются при нескольких звуковых каналах. Для модуляции использует­ся дополнительная несущая, называемая поднесущей, которая и позволяет получить необходимые боковые составляющие в спек­тре сигнала. После получения боковых полос поднесущая по­давляется в передатчике с целью экономии полосы частот. Сле­довательно, в приемнике поднесущая должна быть восстанов­лена и вместе с боковыми составляющими подана на детектор. Частота поднесущей равна 38 кГц. Так как сигнал такой ча­стоты должен воспроизводиться в приемнике с высокой точ­ностью, то производится передача сигналов, используемых при­емником для синхронизации. Таким синхронизирующим сигна­лом является пилот-сигнал, т. е. поднесущая частотой 19 кГц. В приемнике эта частота удваивается до требуемого значения 38 кГц, Блок-схема многоканального (стерео-) ЧМ-приемника пока­зана на рис. 15.8. Заметим, что первый блок представляет собой одноканальный ЧМ-приемник, состоящий из блока настройки, УПЧ и детектора. Корректирующая цепь здесь исключена, так как она используется в последующих схемах. Напряжение на выходе детектора содержит все виды при­нятых сигналов. В случае, когда принимается стереосигнал, сигнал на выходе детектора содержит боковые составляющие ле­вого (Л) и правого (П) сигналов, пилот-сигнал поднесущей и моносигнал; перечисленные сигналы образуют составной (пол­ный) ЧМ-сигнал. Как показано на рис. 15.8, для увеличения амплитуды полного сигнала до величины, необходимой для его последующей обработки, применяется специальный усилитель. Сигнал с выхода этого усилителя подается на резонансный усилитель, настроенный на частоту 19 кГц, и заградительный фильтр, настроенный на такую же частоту. С усилителя сигнал поступает на схему удвоения частоты до 38 кГц и далее пода­ется на мостовой балансный демодулятор. Заградительный фильтр пропускает сигналы всех частот, кроме пилот-поднесу-щей частотой 19 кГц. Следовательно, на его выходе будут со­держаться (Л + П) -сигналы в диапазоне 50 Гц — 15 кГц, боко­вые составляющие (Л — П) с полосой частот 23 — 53 кГц и сигнал частотой 67 кГц, предназначенный для приема сигналов только определенной станции. Такой дополнительный сигнал передается с целью музыкального сопровождения передачи или обеспечения служебной связи. Для приема этих специальных сигналов необходимо иметь декодирующее устройство. В обыч­ных радиовещательных стереоприемниках дополнительные сиг­налы подавляются при помощи заградительного фильтра, на­строенного на частоту 67 кГц. После этого остальные сигналы подаются на балансный мостовой демодулятор вместе с подне­сущей частотой 38 кГц. В демодуляторе боковые составляющие смешиваются с под-несущей и производится их совместное детектирование. Коррек­тирование сигналов левого и правого каналов осуществляется отдельно для каждого канала, а общий потенциометр между ка­налами позволяет регулировать баланс сигналов левого и пра­вого каналов (см. разд. 9.9). Сигналы левого и правого кана­лов затем поступают на отдельные усилители и, наконец, на два отдельных громкоговорителя стереосистемы. ^ 15.8. Телевизионный приемник Основные блоки цветного телевизионного приемника показа­ны на рис. 15.9. Блоки, изображенные на рисунке двойными ли­ниями, необходимы для приема сигналов цветного изобра­жения. Рис. 15.9. Блок-схема цветного телевизионного приемника. В блоке настройки (переключателе телевизионных про­грамм) имеются две секции: для приема в диапазоне метровых волн и в диапазоне дециметровых волн. Выходы с этих секций подаются на общий вход усилителя промежуточной частоты. В цветном телевизионном приемнике УПЧ должен иметь более широкую полосу частот для обеспечения хорошей цветопереда­чи изображения. Поэтому УПЧ должен пропускать сигналы сшириной спектра до 4,2 МГц. При такой широкой полосе вели-­ка возможность возникновения помех, поэтому должны быть, предусмотрены меры по частичному снижению уровня звуковых сигналов. В результате на входе видеодетектора амплитуда не­сущей звука будет несколько меньше, а для ее детектирования используется отдельный детектор в звуковом канале (см. гл.7). Промежуточная частота в звуковом канале равна 4,5 МГц, так же как и в черно-белом телевизионном приемнике. Сигналы цветности с выхода видеоусилителей подаются на соответствую­щие детекторы через полосовые усилители, как показано на рис. 15.9. Сигнал яркости У, несущий информацию о яркости передаваемой сцены и обеспечивающий передачу черно-белого изображения, подается на катод трехпрожекторного цветного кинескопа. На внутренней поверхности переднего стекла колбы кинескопа нанесено множество триад люминофорных кружков с красным, синим и зеленым цветами свечения, на которые на­правлены электронные лучи соответствующих электронных про­жекторов. Таким образом, при приеме черно-белого изображе­ния в цветном приемнике должны светиться все три цветных люминофора, свечение которых, смешиваясь, дает черно-белое изображение. Три цветоразностных сигнала (исключая сигнал У) поступа­ют каждый на отдельную управляющую сетку трехпрожектор­ного кинескопа. Усилитель импульсов цветовой синхронизации пропускает сигнал частотой 3,58 МГц (см. разд. 4.6) и обеспе­чивает синхронизацию генератора поднесущей частотой 3,58 МГц. Выходной сигнал этого генератора поступает на де­текторы сигналов цветности, где боковые колебания поднесу­щей смешиваются с самой поднесущей и происходит детектиро­вание цветоразностных сигналов. Синхронизирующие сигналы с видеоусилителя подаются на схемы строчной и кадровой раз­верток (см. гл. 2 и 4). Так же, как и в черно-белом телевизионном приемнике, им­пульсы с устройства строчной развертки после увеличения их амплитуды и выпрямления используются для получения высо­кого напряжения, подаваемого на второй анод кинескопа. Для стабилизации высокого напряжения часто применяется высоко­вольтный стабилизатор. Для фокусирующего электрода также вырабатывается дополнительное напряжение. (Такая схема была описана в гл. 2.) В системах строчной и кадровой раз­верток имеются схемы сведения лучей, которые служат для точной регулировки совмещения трех цветных изображений на экране кинескопа. Это позволяет создать такие условия, когда каждый луч направляется в определенную точку экрана, бла­годаря чему обеспечивается соответствующее воспроизведение цветов на экране кинескопа.

Сверхвысокочастотный диод — полупроводниковый диод, предназначенный для работы в сантиметровом диапазоне волн. Диод содержит между двумя сильно легированными областями высокой проводимости n+ и p+ активную базовую i-область с низкой проводимостью и большим временем жизни носителей заряда, то есть p-i-n-переход. Это позволяет снизить его емкость и повысить частоту работы элемента.

Проводимость диода зависит от длины волны, интенсивности и частоты модуляции падающего излучения. Обедненный слой существует почти во всей области собственной электропроводности, которая имеет постоянную ширину даже при обратном включении. Область собственной электропроводности может быть расширена с помощью увеличения зоны рекомбинирования электронов и дырок. Этим обуславливается применение p-i-n диодов в фотодетекторах.

Сверхвысокочастотные диоды подразделяют на:

• смесительные (например: 2А101 — 2А109);

• детекторные (например: 2А201 — 2А203);

• параметрические (например: 1А401 — 1А408);

• переключательные и ограничительные (например 2А503 — 2А524);

• умножительные и настроечные (например: 2А601 — 2А613);

• генераторные (3А703, 3А705).

В зависимости от внутреннего строения диода и используемых в нем физических эффектов диоды СВЧ бывают множества самых различных подтипов. Часто диоды одного подтипа могут использоваться в устройствах различного назначения. Например, и как умножительные, и как смесительные и т.д. Наиболее известны и распространены следующие виды диодов СВЧ: лавинно-пролетные диоды (диоды Рида, диоды Мисавы, диоды Тагера и т.д.), p-i-n диоды, диоды Ганна, точечно-контактные диоды, диоды с переходом Шоттки или Мотта и др.

Содержание:

• Полевой транзистор с плавающим затвором.

• МНОП транзистор.

Полевой транзистор с плавающим затвором.

Если затвор обычного полевого транзистора модифицировать введением дополнительного металл-полупроводникового “сэндвича” (плавающий затвор), новая структура может служить элементом па­мяти, длительно сохраняющим накопленный заряд. Схематически рисунок полевого транзистора с плавающим затвором,котроый явля­ется в основном р-канальным прибором в режиме обогащения, предс­тавлен на рис.4.1.

Рис.4.1 МОП транзистор с плавяющим затвором.

Затвор выполнен в виде “сэндвича”: изолятор - металл - изолятор - металл. Если толщина нижнего слоя достаточно мала, так что возможен контролируемый полем механизм перехода электронов, такой, как туннелирование или внутренняя полевая эмис­сия, то положительное смещение на верхнем затворе относительно полупроводни­ка вызовет накопление электронов в плавающем затворе при условии, что перемещение электронов через верхний диэлектрический слой мало. Эти условия могут быть выполнены подбором диэлектрических слоев таким образом, что от­ношение диэлектрических проницаемостей e₁ / e₂ мало и (или) высота барьера в втором слое меньше, чем во втором. Кроме того, толщина плавающего затвора должна быть достаточно большой, чтобы эмитированные электроны были бы близки к уровню Ферми металла ПЗ, прежде чем достигнут второго диэлектрического слоя, толщина которого должна быть большой, с тем чтобы не допустить пере­носа носителей в нем. Величина заряда Q, накопленного за время t определится из уравнения: , где J(t)-величина инжекционного тока в момент времени t.

Когда возникает необходимость быстро разрядить плавающий затвор, необходимо приложить к внешнему затвору напряжение, при­мерно равное по величине и противоположное по знаку напряже­нию, которое использовалось при зарядке.Очевидно,что в плавающем затворе может быть накоплен и суммарный положительный заряд (убыль электронов), если подобрать подходящее по продолжительнос­ти и величине разряжающее напряжение на затворе.

МДП-транзистор с плавающим затвором может быть использован в качестве элемента памяти со временем хранения, равным времени диэлектрической релаксации структуры. Затвор с таким элементом памяти обеспечивает возможность непрерывного считывания без раз­рушения информации (с электродов сток-исток), причем запись и считывание могут быть выоплнены в очень короткое время, например в наносекундный интервал или даже меньше.

МНОП транзистор.

МНОП-структуры (металл - нитрид кремния - оксид кремния - по­лупроводник) в настоящее время используются при конструировании ячеек памяти энергонезависимых запоминающих устройств, благодаря эффекту накопления объемного заряда на глубоких ловушках в под­затворном диэлектрике. На рис.4.2 приведена конструкция МНОП-транзистора, используемого в качестве элемента памяти интегральных схем.

Рис.4.2. Конструкция МНОП-транзистора. 1 - металлический затвор; 2,3 - области истока и стока соответственно; 4 - подложка.

Эффект памяти ос­нован на изменении порогового напряжения транзистора при наличии захваченного в подзатворном диэлектрике заряда определенного знака. Положительный или отрицательный заряд хранится на глубо­ких ловушках в нитриде кремния вблизи границы SiO₂ - Si₃N₄ и пе­реписывается при приложении к затвору импульсов напряжения дос­таточно большой амплитуды. В хорошо сконструированной ячейке па­мяти заряд может сохраняться многие годы. Основными факторами, влияющими на запись и хранение заряда, являются электрическое поле, температура и радиация.

Зонная диаграмма МНОП структуры представлена на рис.4.3. При приложении импульса напряжения определенной полярности к метал­лическому затвору происходит инжекция носителей заряда из полуп­роводниковой подложки через слой SiO₂ во второй диэлектрик (нит­рид кремния) и захват в нем заряда (рис.4.4). Стирание инфор­мации (возврат структуры в исходное состояние) осуществляется подачей на структуру импульса напряжения, противоположного по знаку записывающему.

Рис.4.3. Зонная диаграмма МНОП-структуры.

Рис.4.4. Операция записи в МНОП-структуре. Ток в окисле J_ox - туннельный ток инжекции, ток J_N - ток сквозной проводимости в нитриде, J _tot - полный ток через структуру.

На базе МДП-транзистора с плавающим затвором, который позволяет хранить электроны, реализованы устройства flash-памяти. Операция программирования (заряд плавающего затвора) проводится лавинной инжекцией электронов из стоковой области канала МДП-транзистора. Если заряд плавающего затвора у однобитного МДП-транзистора меньше 5000 электронов, то это означает, что ячейка хранит логическую «1», а если заряд больше 30 000 электронов, то — «0». Заряд ячейки вызывает изменение порогового напряжения транзистора, и при операции чтения измеряется величина этого порогового напряжения, а по нему определяется количество заряда на плавающем затворе.

После выполнения операции стирания или программирования каждой ячейки этого массива стертые ячейки (логическая «1») имели порог 3,1 В, в то время как запрограммированные ячейки (логический «0») имели пороговое напряжение более 5 В.

Пионером разработки методов размещения заряда и считывания являлась компания Intel, которая разработала впервые тестовый чип 32 Мб по данной технологии. Во время разработки решались три основные задачи:

1. Контролируемая инжекция заряда: программирование ячейки flash-памяти должно очень хорошо контролироваться (что требует детального изучения физики программирования). Это значит, что во время программирования нужно подводить к ячейке ток на строго определенное время.

2. Контролируемое считывание инжектированного заряда: операция чтения MLC-памяти — аналого-цифровое преобразование заряда, сохраненного в ячейке, в цифровые данные.

3. Надежное сохранение заряда на плавающем затворе: для сохранения заряда на долгое время ставилась цель сделать его утечку меньше одного электрона за день.

Первый тестовый промышленный чип был выпущен компанией Intel в 1994 году и показал возможность сохранения нескольких бит информации в одной ячейке памяти. Типичные параметры однобитовой flash-памяти Intel: напряжение питания 2,7–3,6 В, время считывания 120 нс, время записи 11,3 мс, время стирания 0,55 с, рабочая температура от –40 до +85 °C, количество циклов перезаписи не менее 100 000. Флэш-диск может иметь объем до 2 ГБ памяти. Популярным устройством, реализующимся на основе flash-памяти является USB-флэш-память — новый тип флэш-накопителей,получивший распространение в последние годы. USB-память представляет собой накопитель с USB-разъемом, внутри которого размещаются одна или две микросхемы флэш-памяти и USB-контроллер.

Одним из важнейших устройств компьютера является память, или запоминающее устройство (ОЗУ). По определению, данном в книге "Информатика в понятиях и терминах", ОЗУ - "функциональная часть цифровой вычислительной машины, предназначенной для записи, хранения и выдачи информации, представленных в цифровом виде." Однако под это определение попадает как собственно память, так и внешние запоминающие устройства (типа накопителей на жестких и гибких дисках, магнитной ленты, CD-ROM), которые лучше отнести к устройствам ввода/вывода информации. Таким образом под компьютерной памятью в дальнейшем будет пониматься только "внутренняя память компьютера: ОЗУ, ПЗУ, кэш память и флэш-память". Итак, рассмотрим классификацию внутренней памяти компьютера. Классификация оперативной памяти (ОЗУ) Введение Оперативное запоминающее устройство является, пожалуй, одним из самых первых устройств вычислительной машины. Она присутствовала уже в первом поколении ЭВМ по архитектуре (“Информатика в понятиях и терминах”), созданных в сороковых — в начале пятидесятых годов двадцатого века. За эти пятьдесят лет сменилось не одно поколение элементной базы, на которых была построена память. Поэтому автор приводит некоторую классификацию ОЗУ по элементной базе и конструктивным особенностям. 1. Энергозависимая и энергонезависимая память ЭВМ первого поколения по элементной базе были крайне ненадежными. Так, среднее врем работы до отказа для ЭВМ “ENIAC” составляла 30 минут. Скорость счета при этом была не сравнима со скоростью счета современных компьютеров. Поэтому требования к сохранению данных в памяти компьютера при отказе ЭВМ были строже, чем требования к быстродействию оперативной памяти. Вследствие этого в этих ЭВМ использовалась энергонезависимая память.

Энергонезависимая память позволяла хранить введенные в нее данные продолжительное время (до одного месяца) при отключении питания. Чаще всего в качестве энергонезависимой памяти использовались ферритовые сердечники. Они представляют собой тор, изготовленных из специальных материалов — ферритов. Ферриты характеризуются тем, что петля гистерезиса зависимости их намагниченности от внешнего магнитного пол носит практически прямоугольный характер. Рис. B.1. Диаграмма намагниченности ферритов.

Вследствие этого намагниченность этого сердечника меняется скачками (положение двоичного 0 или 1, смотри рисунок B.1.) Поэтому, собрав схему, показанную на рисунке B.2, практически собран простейший элемент памяти емкостью в 1 бит. Память на ферритовых сердечниках работала медленно и неэффективно: ведь на перемагничивание сердечника требовалось время и затрачивалось много электрической энергии. Поэтому с улучшением надежности элементной базы ЭВМ энергонезависимая память стала вытеснятьс энергозависимой — более быстрой, экономной и дешевой. Тем не менее, ученые разных стран по-прежнему ведут работы по поиску быстрой энергозависимой памяти, которая могла бы работать в ЭВМ для критически важных приложений, прежде всего военных. Рис. B.2. Схема элемента памяти на ферритовых сердечниках. Полупроводниковая память. В отличие от памяти на ферритовых сердечниках полупроводниковая память энергозависимая. Это значит, что при выключении питания ее содержимое теряется. Преимуществами же полупроводниковой памяти перед ее заменителями являются: ·         малая рассеиваемая мощность; ·         высокое быстродействие; ·         компактность. Эти преимущества намного перекрывают недостатки полупроводниковой памяти, что делают ее незаменимой в ОЗУ современных компьютеров. 2. SRAM и DRAM. Полупроводниковая оперативная память в настоящее время делится на статическое ОЗУ (SRAM) и динамическое ОЗУ (DRAM). Прежде, чем объяснять разницу между ними, рассмотрим эволюцию полупроводниковой памяти за последние сорок лет. 2.1. Триггеры. Триггером называют элемент на транзисторах, который может находиться в одном из двух устойчивых состояний (0 и 1), а по внешнему сигналу он способен менять состояние [Информатика в понятиях и терминах/М., Просвещение, 1991 г. — 208 с.: ил. — стр. 91]. Таким образом, триггер может служить ячейкой памяти, хранящей один бит информации. Любой триггер можно создать из трех основных логических элементов: И, ИЛИ, НЕ. Поэтому все, что относится к элементной базе логики, относится и к триггерам. Сама же память, основанная на триггерах, называется статической (SRAM). 2.2. Элементная база логики. 1.          РТЛ —резистивно-транзисторна логика. Исторически является первой элеентной базой логики, работающей на ЭВМ второго поколения. Обладает большой рассеивающей мощностью (свыше 100 мВт на логический элемент). Не применялась уже в ЭВМ третьего поколения. 2.          ТТЛ, или Т²Л —транзисторно-транзисторна логика. Реализована на биполярных транзисторах. Использовалась в интегральных схемах малой и средней степени интеграции. Обладает временем задержки сигнала в логическом элементе 10— нс, а потребляемая мощность на элемент —10 мВт. 3.          ТТЛ-Шотки —это модификация ТТЛ с использованием диода Шотки. Обладает меньшим временем задержки (3 нс) и высокой рассеиваемой мощностью (20 мВт). 4.

ИИЛ, или И²Л —интегральная инжекторна логика. Это разновидность ТТЛ, базовым элементом которой являются не биполярные транзисторы одного рода (pnp или npn), а горизонтально расположенного p+n+p транзистора и вертикально расположенного npn транзистора. Это позволяет создать высокую плотность элементов на БИС и СБИС. При этом потребляемая мощность равна 50 мкВт на элемент и время задержки сигнала – 10 нс. 5.          ЭСЛ —логические элементы с эмиттерными связями. Эта логика также построена на биполярных транзисторах. Время задержки в них —0,5 —2 нс, потребляема мощность —25 —50 мВт. 6.          Элементы на МДП (МОП) —транзисторах. Это схемы, в которых биполярные транзисторы заменены на полевые. Время задержки таких элементов составляет от 1 до 10 нс, потребляемая мощность — от 0,1 до 1,0 мВт 7.          CMOS) КМОП —логика (комплементарная логика.) В этой логике используются симметрично включенные n-МОП и p-МОП транзисторы. Потребляема мощность в статическом режиме —50 мкВт, задержка —10 —50 нс. Как видно из этого обзора, логика на биполярных транзисторах самая быстрая, но одновременно самая дорогая и обладает высокой мощностью рассеяния (и значит —лучше “греется”.) При прочих равных условиях логика на полевых транзисторах более медленная, но обладает меньшим электропотреблением и меньшей стоимостью.2.3. SRAM. Замечания. Из предыдущего раздела Вы узнали, что является элементной базой статического ОЗУ. Как Вы уже поняли, статическое ОЗУ —дорогой и неэкономичный вид ОЗУ. Поэтому его используют в основном для кэш-памяти, регистрах микропроцессорах и системах управления RDRAM (смотри раздел B.3.3.5). 2.4. DRAM. Что это такое? Для того, чтобы удешевить оперативную память, в 90-х годах XX века вместо дорогого статического ОЗУ на триггерах стали использовать динамическое ОЗУ (DRAM). Принцип устройства DRAM следующий: система металл-диэлектрик-полупроводник способна работать как конденсатор. Как известно, конденсатор способен некоторое время “держать” на себе электрический заряд. Обозначив “заряженное” состояние как 1 и “незаряженное” как 0, мы получим ячейку памяти емкостью 1 бит. Поскольку заряд на конденсаторе рассеивается через некоторый промежуток времени (который зависит от качества материала и технологии его изготовления), то его необходимо периодически “подзаряжать” (регенерировать), считывая и вновь записывая в него данные. Из-за этого и возникло понятие “динамическая” дл этого вида памяти. За 10 лет, прошедших со времени создания первых микросхем DRAM, их развитие шло “семимильными" шагами по сравнению с SRAM. Эволюция DRAM рассматривается в следующем подразделе. 3. Динамическое ОЗУ. Конструктивные особенности. Динамическое ОЗУ со времени своего появления прошло несколько стадий роста, и процесс ее совершенствования не останавливается. За свою десятилетнюю историю DRAM меняла свой вид несколько раз. Вначале микросхемы динамического ОЗУ производились в DIP-корпусах. Затем их сменили модули, состоящие из нескольких микросхем: SIPP, SIMM и, наконец, DIMM и RIMM. Рассмотрим эти разновидности поподробнее. 3.1. Устаревшие модификации.

3.1.1. DIP. Рис. B.3.1. Модуль памяти DIP DIP- корпус —это исторически сама древняя реализация DRAM. DIP-корпус соответствует стандарту IC. Обычно это маленький черный корпус из пластмассы, по обеим сторонам которого располагаются металлические контакты (см. рисунок B.3.1.).

Рис. B.3.2. Банк модулей памяти DIP Микросхемы (по-другому, чипы) динамического ОЗУ устанавливаются так называемыми банками. Банки бывают на 64, 256 Кбайт, 1 и 4 Мбайт. Каждый банк состоит из девяти отдельных одинаковых чипов. Из них восемь чипов предназначены для хранени информации, а девятый чип служит для проверки четности остальных восьми микросхем этого банка. Чипы памяти бывают одно и четырехразрядными, и иметь емкость 64 Кбит, 256 Кбит, 1 и 4 Мбит. Обозначение разновидностей микросхем памяти в DIP-корпусах показано в таблице [Р. Вебер, стр. 46—].

Следует отметить, что памятью с DIP-корпусами комплектовались персональные компьютеры с микропроцессорами i8086/88, i80286 и, частично, i80386SX/DX. Установка и замена этого вида памяти была нетривиальной задачей. Мало того, что приходилось подбирать чипы для банков памяти одинаковой разрядности и емкости.Приходилось прилагать усилия и смекалку, чтобы чипы правильно устанавливались в разъемы. К тому же необходимо было не разрушить контакты механически, не повредить их инструментом, статическим электричеством, грязью и т.п. Поэтому уже в компьютерах с процессором i80386DX эти микросхемы стали заменять памяти SIPP и SIMM. 3.1.2. SIPP (SIP) —модули памяти. Рис. B.3.3. Модуль памяти SIPP Одной из незаслуженно забытых конструкций модулей памяти являются SIPP-модули. Эти модули представляют собой маленькие платы с несколькими напаянными микросхемами DRAM. SIPP является сокращением слов Single Inline Package. SIPP-модули соединяются с системной платой с помощью контактных штырьков. Под контактной колодкой находятся 30 маленьких штырьков (смотри рисунок B.3.3.), которые вставляются в соответствующую панель системной платы ([Вебер,] стр. 49—). Модули SIPP имели определенные вырезы, которые не позволяли вставить их в разъемы неправильным образом. По мнению автора, этот вид модулей лидировал по простоте их установки на системную плату.

3.2. SIMM-модули. Рис. B.3.4. Модуль памяти SIMM Аббревиатура SIMM расшифровывается как Single Inline Memory Module (Модуль памяти с однорядным расположением выводов.) Он включает в себя все то, что для DIP называлось банком (смотри подраздел B.3.1.1.)

Модули SIMM могут иметь объем 256 Кбайт, 1, 2, 4, 8, 16 и 32 Мбайт. Соединение SIMM-модулей с системной платой осуществляется с помощью колодок (см. рисунок B.3.5.) Рис. B.3.5. Установка модуля памяти SIMM Модуль вставляется в пластмассовую колодку под углом 70 — градусов, а потом зажимается пластмассовым держателем. При этом плата встает вертикально. Специальные вырезы на модуле памяти не позволит поставить их неправильным образом ([Вебер,] стр. 47—.) Модули SIMM для соединения с системной платой имеют не штырьки, а позолоченные полоски (так называемые pin, пины). 3.2.1. Сравнение SIMM-модулей. SIMM-модули в своем развитии прошли два этапа. Первыми представителями SIMM-модулей были 30-пиновые SIMM FPM DRAM. Их максимальная частота работы — 29 МГц. Стандартным же временем доступа к памяти считалось 70 нс. Эти модули уже с трудом работали на компьютерах с микропроцессорами i80486DX2, и были вытеснены сначала 72-пиновыми FPM DRAM, а затем EDO RAM. SIMM EDO RAM имеют только 72 пина и могут работать на частоте до 50 МГц. Этими модулями памяти оснащались компьютеры с процессорами Intel 80486DX2/DX4, Intel Pentium, Pentium Pro и Pentium MMX, а также AMD 80586 и K5. Эти модули устанавливались на платах с чипсетом Intel 440TX, 440EX, 440LX, 450NX; VIA Apollo MVP 3/4, Pro/Pro+; ALI Alladin 4/4+/V/PRO II, ALI Alladin TNT2. В настоящее время SIMM-модули, как 30-pin, так и 72-pin не удовлетворяют по своим характеристикам требованиям новых шин и процессоров. Поэтому они все активнее заменяютс модулями DIMM [Евгений Калугин Типы памяти.//”Подводная лодка”, январь 2000 —стр. 166—.]

МДП-структура

МДП-структура — это плоская трехслойная структура, состоящая из тонкого слоя металла, чуть более толстого слоя диэлектрика и толстого слоя полупроводника (металл-диэлектрик/окисел- полупроводник). В свободной природе не встречается. Отсюда истоки некоторого пренебрежения, как к самой МДП структуре так и эффекту поля, связанные с искусственностью самой структуры и явлений, что в ней наблюдаются. На самом деле МДП-структура есть идеальный физический объект (хоть и искусственный), в котором легко реализуется однородность электрического поля (в атомах реализуется идеальная изотропность). Отсюда также вытекает её идеалистичность для исследования эффекта поля на поверхности полупроводника, и всех тех попутных явлений (классических и квантовых), которые связаны с этим эффектом.

Впервые МДП-структура была получена на практике в 1960 году после успешной реализации технологии пассивации кремния Канго и Аталлою. В рамках этой технологии МДП-структура создавалась в одном технологическом процессе: сначала поверхность кремния окислялась, а уже на окись напыливалась металлизация. Благодаря единому процессу, металлический электрод практически был эквидистантно поверхности раздела окисел — кремний, что обеспечивало однородность электрического поля на всей площади МДП-структуры. На основе этих МДП-структур были изготовлены первые МДП-транзисторы.

Следует отметить, что тривиальный учет статистики Ферми-Дирака вместо Максвелла-Больцмана не выводит теорию за пределы квазиклассического подхода. Более того, даже учета т. н. треугольной потенциальной ямы на поверхности полупроводника, что приводит к появлению дискретных уровней энергии в зоне проводимости (валентной зоне) также не выводит за указанные пределы.

Основной особенностью МДП-структуры является то, что на поверхности раздела диэлектрик-полупроводник индуцируется p-n — переход, в котором носители заряда имеют свойства двумерной (2D-) системы, поведение которой до сих пор практически не изучена. Отсюда и т. н. «Неожиданность» с открытием квантового эффекта Холла, плоского атома и т. д.

Емкость МДП-структуры

Поверхностная проводимость МДП-структуры

Если на поверхности полупроводника в МДП-структуре созданы омические контакты, то измеряя проводимость между ними в зависимости от напряжения смещения, можно получить ряд полезных сведений о свойствах поверхности. Этот метод исследования был использован в классических экспериментах Шокли и Пирсона.

Наиболее простой путь вычисления поверхностной проводимости состоит в нахождении избыточной поверхностной плотности электронов и дырок ΔN и ΔP в функции поверхностного потенциала. Обозначая через иплотности носителей заряда в случае плоских зон, можно записать:

где

или

Здесь выражение для был представлен формулой (6). Если предположить, что носители заряда не захвачуються поверхностными ловушками, тогда изменение поверхностной проводимости будет выражена как:

где и— эффективные подвижности носителей заряда, которые зависят в общем випалдку от. Зависимостьдля Si и Ge была вычислена рядом авторов. Здесь только стоит внимания то, что величинадля легированного полупроводникаимеет минимум при

Графическое представление этой зависимости проводят для случая . Здесь рост проводимости при u<0 соответствует «режима аккумуляции», при u>0 с удалением уровня Ферми сверху валентной зоны, когда проводимость падает, а затем снова резко возрастает за счет образования инверсного слоя.

Если использовать выпрямительные контакты при измерении проводимости, тогда величина определяется носителями заряда одного типа. Поэтому в подынтегральная выражениях следует принимать только один из составляющих.

Исследованию эффективной подвижности носителей заряда в приповерхностных слоях полупроводника посвящено много теоретических и экспериментальных работ. Дж. Шриффером была развита классическая теория поверхностной подвижности, из которой следует, что за счет дополнительного рассеяния носителей на границе раздела диэлектрик-полупроводник и воздействия электрического поля величинападает с ростом поверхностного потенциала и всегда остается меньше подвижности в объеме полупроводника. Затем теория Шриффера была усовершенствована путем введения в рассмотрение анизотропии кристалла, зеркального отражения носителей от поверхности и ряда других эффектов, однако результаты расчетов плохо совпадают с экспериментальными данными. Основная причина этих различий состоит в том, что классический подход к проблеме поверхности не является справедливое, поскольку здесь мы имеем малую толщину слоя, в котором движутся носители заряда. Эта толщина является величина одного порядка с длиной волны де Бройля и поэтому наличие сильного электрического поля приводит к появлению квантовых явлений.

Численные эксперименты по исследованию поверхностной подвижности, в которых особое внимание уделялось стабильности и воспроизводимости результатов, показали что в инверсных слоях значения ипримерно вдвое меньше чем в объеме полупроводника и не зависят от электрического поля.

Поверхностная рухливисить основных носителей, которая изучалась на МДП-структурах в режиме аккумуляции, несколько превышает подвижность в инверсных слоях. При увеличении электрического поля значения падают медленнее, чем предсказывает теория.