4.4.3 Интегральные микросхемы в системах управления

Большинство устройств систем управления выполняют функции формирования и преобразования по определенным законам электрических сигналов информационного уровня. В целях повышения КПД и уменьшения массогабаритных показателей системы управления стремятся к снижению мощности сигналов, преобразуемых и вырабатываемых СУ. Эта тенденция привела к широкому использованию в узлах СУ интегральных микросхем (ИМС).

Интегральные микросхемы представляют собой микроэлектронные устройства с высокой плотностью компоновки элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т.д. Номенклатура ИМС определяется их функциями и масштабом производства. Наиболее широко употребляемые массовые ИМС можно отнести условно к группе базовых ИМС. По желанию заказчика могут создаваться ИМС со специализированными функциями. Такие ИМС называют «заказными» и целесообразность их применения зависит от технико-экономических факторов.

По технологии изготовления различают полупроводниковые, пленочные и гибридные ИМС. В основе полупроводниковых ИМС лежит кристалл полупроводника, в котором выполнены все элементы микросхемы. Пленочные ИМС выполнены в виде пленок проводящих и непроводящих материалов. Гибридные содержат более сложные компоненты (например несколько полупроводниковых кристаллов в одном корпусе).

По функциональному назначению микросхемы принято разделять на аналоговые и цифровые. Особенностью цифровых ИМС является то, что обрабатываемые сигналы имеют вид импульсов с двумя ярко выраженными уровнями: высокий уровень, соответствующий логической «1» (как правило напряжение порядка 5-10В) и низкий уровень, соответствующий логическому «0» (как правило напряжение порядка 0-1В). Аналоговые ИМС преобразуют непрерывные переменные во времени сигналы.

Сложность ИМС определяется степенью интеграции , гдеN число элементов входящих в ИМС. В соответствии с этой формулой микросхема первой степени интеграции содержит до 10 элементов, второй степени – от 11 до 100, третьей степени – от 101 до 1000 и т.д. Соответственно различают малые МИС (, средние СИС (), большие БИС () и сверхбольшие СБИС () ИМС.

Наиболее сложными ИМС являются микропроцессоры (программируемые устройства), которые нашли широкое применение и являются перспективным узлом управления силовых электронных аппаратов.

МИС реализуют простейшие логические преобразования (ИЛИ, И, И-НЕ и др.) и обладают универсальностью – на них может быть построено любое цифровое устройство. В виде СИС выпускаются в готовом виде такие схемы, как регистры, счетчики, дешифраторы, сумматоры и т. п. СИС менее универсальны, чем МИС, поэтому номенклатура СИС более широкая и разнообразная.

БИС и СБИС содержат тысячи и миллионы логических элементов в одном кристалле. Для ИС с жесткой структурой рост уровня интеграции приводил бы к проблеме снижения универсальности, вследствие чего пришлось бы производить огромное число типов ИС при снижении объема производства каждого из типов, что увеличило бы их стоимость.

Решение этой проблемы было найдено путем переноса специализации микросхем в область программирования. Появились процессоры и БИС/СБИС с программируемой структурой.

У каждого микропроцессора есть набор (система) команд. Меняя последовательность и состав команд (программу), можно решать различные задачи на одном и том же микропроцессоре. Промышленность, таким образом, получает возможность массового производства кристаллов, не ориентируясь на определенного потребителя. Это существенно снижает стоимость таких ИС.