11. Основы электроники и микросхемотехники.
Электроника – наука о теории и практике работы электровакуумных, ионных и полупроводниковых приборов и устройств.
Современную электронику можно разделить на три области: радиоэлектроника – раздел электроники, связанный с передачей, приемом и обработкой радиосигналов; энергетическая (промышленная или силовая), связанная с преобразованием переменного и постоянного токов для нужд электроэнергетики, электротяги, металлургии и пр.; информационная, к которой относятся электронные средства, обеспечивающие измерения, контроль и управление различными процессами, включая производство и научные исследования.
Э
лектронные
элементы
современных электронных устройств
выпускаются промышленностью в двух
видах:
в виде отдельных дискретных компонентов (диодов, транзисторов, тиристоров и др.); применяются преимущественно в силовых цепях автоматики.
в виде микросхем (интегральных схем), в которых в одном корпусе в один функциональный узел объединен ряд отдельных элементов, выполненных, как правило, на одном кристалле полупроводника. Эл-ты выполняют все более сложные функции, включают в себя все большее число отдельных электронных элементов, создаются в одном корпусе (на одном кристалле) программируемые электронные элементы – микропроцессорные наборы и микроЭВМ, применение которых открывает новый этап в развитии всех областей техники, и в особенности автоматики.
Первая тенденция состоит в стремлении как можно подробнее изучить и учесть внутреннюю структуру процесса и объекта, вторая – в стремлении охарактеризовать объект так, чтобы эта структура и эти процессы учитывались как можно меньше.
Рис. 1. Система управления технологическим процессом
Система содержит электронные устройства, работающие с аналоговыми (усилители, исполнительные устройства) и цифровыми сигналами (промышленный контроллер), а также устройства, осуществляющее преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую и обратно (АЦП и ЦАП).
С внедрением средств электроники во все отрасли народного хозяйства повышается эффективность производства и управления. Микроэлектроника является областью электроники, охватывающей проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения интегральных микросхем и других микроэлектронных изделий. Интегральная микросхема (интегральная схема - ИС) -это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов или кристаллов.
На основе электронной схемы создают соответствующее устройство (входящее в состав некоторой технической системы). К устройству предъявляется требование надёжной работы в течение заданного времени в реальных условиях производственного разброса параметров элементов и их старения, влияния внешней среды и возмущающих воздействий. Поэтому при разработке схем наряду с расчётом номинальных значений параметров элементов необходимо рассчитывать эксплуатационные допуски на них, предусматривать в схеме средства, повышающие надёжность устройства (обеспечивающие устойчивую работу схемы при внешних воздействиях), а также позволяющие контролировать его исправность.
Элементной базой для создания электронных устройств служат дискретные электро- и радиоэлементы (резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы и т. д.) и интегральные микросхемы ИС. Если электронная схема реализуется в виде ИС либо нескольких ИС, то говорят о «микросхемотехнике», под которой понимают область микроэлектроники, связанную с проектированием ИС. Помимо синтеза и расчёта электронных схем, микросхемотехника решает задачу разработки на основе электронных схем структуры (топологии) ИС. Основные этапы разработки: расчёт геометрических размеров элементов ИС; рациональное размещение элементов на поверхности или в объёме подложки ИС; нахождение оптимальных соединений элементов. Т.к. создание новой ИС - комплексная проблема, то её решают совместно специалисты по микросхемотехнике, физики, технологи, конструкторы, используя комплексные опытно-теоретические методы, в том числе моделирование на ЭВМ как самой схемы, так и условий её работы.
Микросхемотехника - область науки и техники (раздел микроэлектроники), охватывающую исследование и проектирование структурных и принципиальных схем ИС, а также схемоструктурные вопросы применения ИС как элементной базы современной микроэлектронной аппаратуры (МЭА). В круг задач микросхемотехники входят разработка методов логического и электрического анализа ИС и МЭА, логическое (структурное) и схемотехническое проектирование и обеспечение надежности ИС. Вследствие многообразия решаемых задач характерным для микросхемотехники является комплексный, системный подход к разработке ИС и их применению.
Микропроцессор - устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде, реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем.