Некоторые типовые узлы микросхем и особенности их эксплуатации

June 26, 2010 by admin Комментировать »

Наконец, для схемотехников микросхемы обладают еще одни бесценным свойством: все компоненты в них изготавливаются в едином технологиче­ском процессе и находятся в строго одинаковых температурных условиях. Это совершенно недостижимо для дискретных приборов — например, пары транзисторов, для которых желательно иметь идентичные характеристики, ранее приходилось подбирать вручную (такие уже подобранные пары специ­ально выпускались промышленно) и иногда даже ставить их на медную пла­стину, чтобы обеспечить одинаковый температурный режим.

clip_image002

Рис. 11.2. Токовое зеркало

Рассмотрим типичный пример такого случая — так называемое токовое зер­кало (рис. 11.2). Эта схема работает следующим образом. Левый по схеме транзистор представляет собой фактически диод, так как у него коллектор соединен с базой. Из характеристики диода (см. рис. 6.1 в главе 6) видно, что при изменении прямого тока на нем несколько меняется и падение напряже­ния (оно не равно точно 0,6 В). Это напряжение без изменений передается на базу второго, ведомого транзистора, в результате чего он выдает точно такой же ток — но только при условии, что характеристики транзисторов согласо­ваны с высокой степенью точности. То есть если току 1 мА через первый транзистор соответствует напряжение на его переходе база-эмиттер, равное, к примеру, 0,623 В, то такому же напряжению на переходе второго транзи­стора должен соответствовать такой же ток. Мало того, это cooTBetCTBne должно сохраняться во всем диапазоне рабочих температур! Естественно, столь высокая идентичность характеристик практически недостижима для дискретных приборов, а для транзисторов, входящих в состав микросхемы, она получается сама по себе, без дополнительных усилий со стороны разра­ботчиков.

Схемы подобных токовых зеркал получили широкое распространение в ин­тегральных операционных усилителях (ОУ) в качестве нагрузки входного дифференциального каскада, что значительно лучше, чем использование простых резисторов. Их применение вместо резисторов гарантирует повто­ряемость характеристик ОУ в широком диапазоне питающих напряжений. Отметим также, что ведомых транзисторов может быть много (на рис. 11.2 второй такой транзистор показан серым цветом), их количество ограничива­ется только тем обстоятельством, что базовые токи вносят погрешность в ра­боту схемы, отбирая часть входного тока на себя. Впрочем, и с этим обстоя­тельством можно успешно бороться.

Кстати, резисторы в микросхемах в некритичных случаях все равно предпо­читают делать из транзисторов — сформировать обыкновенный резистор, как проводник с заданным сопротивлением, в процессе производства микросхем значительно труднее, чем соорудить, скажем, полевой транзистор с заданным начальным током стока. По этой причине, если точных значений номиналов резисторов не требуется согласно функциональным особенностям микросхе­мы, они имеют большой разброс— скажем, сопротивление «подтягиваю­щих» резисторов портов микроконтроллеров AVR может колебаться в преде­лах от 35 до 100 кОм. Если же все же точные или хотя бы согласованные номиналы резисторов иметь необходимо (как, к примеру, в микросхемах ЦАП и АЦП, которые мы будем рассматривать в главе 18), то после изготов­ления микросхемы их приходится специально подгонять с помощью лазера, что значительно удорожает производство.

На рис. 11.2 соединение баз транзисторов не случайно показано необычным способом: в реальности они действительно представляют собой одну струк­туру, на которую «навешиваются» коллекторы и эмиттеры отдельных тран­зисторов. В микросхемах могут использоваться такие разновидности транзи­сторных структур, которые в обычной дискретной жизни не имеют аналогов: скажем, многоэмиттерные или многоколлекторные транзисторы. Для приме­ра на рис. 11.3 приведена схема входного каскада микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), осуществляющей логическую функцию «ИЛИ» (подробно об этом рассказано в главах 14—75). В этой схеме замыкание лю­бого из трех эмиттеров (или двух, или всех вместе — потому функция и на­зывается «ИЛИ») на общий провод питания приведет к тому, что транзистор откроется и обеспечит ток через нагрузку.

clip_image004

Рис. 11.3. Входной каскад элемента ТТЛ

Кратко рассмотрим общие особенности эксплуатации различных типов микросхем (более подробно о конкретных типах будет рассказываться в соответствующих главах). Вы, возможно, слышали о том, что микросхемы боятся статического электричества. Действительно, потенциал заряда, на­капливающегося во время ходьбы на нейлоновом халатике симпатичной монтажницы, одетой к тому же в синтетические юбочку, кофточку и кол­готки, может составлять тысячи вольт (правда, сама величина заряда неве­лика). И необязательно носить синтетическую одежду — достаточно похо­дить по полу, покрытому обычным линолеумом или недорогим ковровым покрытием, чтобы накопить на себе вполне достаточный заряд (в дорогих покрытиях это чаще всего предусмотрено, и зарядам накапливаться не да­ют). Такое напряжение, конечно, может вывести из строя микросхемы и не только микросхемы — особенно чувствительны к нему полевые транзисто­ры с изолированным затвором. Так как заряду на выводе затвора у них сте­кать некуда, то все накопленное на вас напряжение будет приложено к то­ненькому промежутку между затвором и каналом, и не исключено, что изолирующий слой окисла кремния не выдержит такого надругательства. Поэтому при монтаже всегда следует соблюдать несколько правил: не но­сить синтетическую одежду и не использовать синтетические покрытия для пола и монтажного стола (профессиональные монтажные столы вообще покрывают заземленным металлическим листом). Неплохую гарантию дает заземление корпуса паяльника, но на практике это осуществить непросто, учитывая, что заземление, как таковое, в наших домах отсутствует. Можно также привести еще несколько рекомендаций:

? не хвататься руками за выводы микросхем без нужды, при необходимо­сти их формования взять ее в левую (для левшей — в правую) руку так, чтобы пальцы касались выводов питания;

? первыми всегда следует припаивать выводы питания микросхемы (для дискретных транзисторов — эмиттер или исток);

? перед началом монтажа, особенно если вы только что переодевались, по­держаться руками за заземленный металлический предмет (водопровод­ный кран);

? при стирке рабочей одежды обязательно использовать антистатик.

Хорошую защиту также дает метод, при котором вы не впаиваете микросхе­му в плату непосредственно, а устанавливаете ее на панельку. Панельку, ес­тественно, можно совершенно безопасно монтировать любым паяльником, а микросхема устанавливается в самый последний момент. Правда, такой ме­тод снижает надежность конструкции (см. далее).

Однако случаи выхода микросхем из строя от статического электричества все же довольно редки, так как производители эту опасность учитывают и для критичных случаев принимают меры по защите выводов. Самой распростра­ненной мерой является установка защитных диодов, по два на каждый вывод, так, что один из них присоединен катодом к плюсу питания, а другой — ано­дом к минусу (рис. 11.4). Если напряжение на выводе не выходит за пределы питания, то такие диоды не оказывают никакого влияния на работу схемы (или почти никакого, см. далее). Если же напряжение на выводе выходит за эти пределы, то оно замыкается через соответствующий диод либо на шину питания, либо на общую шину.

clip_image006

Рис. 11.4. Защита выводов микросхем от перенапряжения

Кстати, подобный прием позволяет иногда защитить микросхему и от непра­вильного включения питания— если плюс и минус питания на схеме рис. 11.4 поменять местами, то весь ток пойдет через диоды, и питание упа­дет до двойного падения напряжения на диоде. В этих целях иногда ставят и еще один отдельный защитный диод — прямо от питания до питания. Прав­да, тут весь вопрос в том, насколько долго диоды могут выдерживать прямой ток от источника. В моей практике бывали случаи, когда и выдерживали. Иногда в технических характеристиках указывают максимальный ток, кото­рый могут выдержать защитные диоды без повреждения.

Наличие защитных диодов следует учитывать. Скажем, микросхемы с ком­плементарными полевыми транзисторами (КМОП), которые мы будем под­робно изучать в главе 15, в статическом режиме и на низких частотах потреб­ляют настолько малый ток, что вполне могут питаться и через защитный диод от входного сигнала, даже если напряжение питания вообще не под­ключено. Правда, при этом с выходным сигналом творятся всякие чудеса, но все же выглядит это довольно эффектно. Конечно, обычные КМОП-микро­схемы никто в таком режиме не использует, но иногда в микросхему специ­ально встраивают небольшой конденсатор по питанию, который накапливает заряд от входного сигнала и позволяет некоторое время работать — скажем, ответить на запрос по последовательному интерфейсу. По этому принципу устроены, например, цифровые полупроводниковые датчики температуры фирмы Maxim/Dallas — они могут соединяться с показывающим прибором по двухпроводной линии 1^С, по которой передается только сигнал, тащить питание отдельно не требуется.

Заметки на полях

с другой стороны, наличие защитных диодов может приводить к неприятно­стям — наиболее распространенная в этом смысле ошибка разработчиков электронных схем состоит в том, что при переходе на резервное питание они в целях экономии отключают питание всех узлов, кроме центрального контроллера, или, к примеру, генератора часов реального времени, забывая при этом отключить у них внешние соединения. Тогда схема начинает по­треблять даже больше, чем она потребляла в нормальном режиме: если на выходе контроллера есть напряжение, а микросхема, ко входу которой этот выход подсоединен, обесточена, то указанный выход оказывается фактиче­ски замкнутым накоротко через защитный диод на шину питания. Мне могут возразить, что на шине питания при выключенном источнике потенциала нет и току течь некуда — действительно, если питание оборвано, то плюсовая и минусовая шины вроде бы никак не связаны между собой, и плюс питания обязан «висеть в воздухе». Однако это рассуждение справедливо только в теории. На практике шины питания связаны между собой как минимум фильтрующими конденсаторами большой емкости, которые для маломощно­го сигнала все равно, что проволочная перемычка (если помните, мы в гла­ве 5 об этом говорили — в момент начала процесса заряда конденсатор равносилен короткому замыканию).

В некоторых случаях защитные диоды не ставят: они все же имеют хотя и очень небольшой, но конечный ток утечки, который может быть важен, ска­жем, в случае т. н. зарядового усилителя, то есть устройства, которое измеря­ет величину накопленного заряда. Часто не ставят их и в микросхемах для обработки высокочастотных сигналов. Так что на всякий случай, особенно если вы не уверены в наличии защитных диодов, меры предосторожности при монтаже следует соблюдать.

Некоторые характерные типы корпусов микросхем приведены на рис. 11.5 и 11.6. Вверху слева на рис. 11.5 показан пример панельки («сокета») для корпусов типа DIP, которая позволяет не впаивать микросхему в плату. Вни­зу на рис. 11.6 показана аналогичная панелька для корпусов типа PLCC (при­мер самого корпуса выше на рисунке). Корпуса PLCC специально разработа­ны на такой случай — их легко вынимать и вставлять обратно, не опасаясь повредить выводы. Подобные панельки особенно удобно использовать в ма­кетах, а также их всегда применяют в случаях, если микросхему нужно ино­гда извлекать из устройства для ее перепрограммирования. Понятнб, что ме­ханические контакты в панельке понижают надежность конструкции, и если извлечение микросхемы не предполагается, то все же лучше панельку не ис­пользовать, а если использовать все же приходится, то тип PLCC предпочти­тельнее, чем DIP.

clip_image008

Рис. 11.5. Некоторые распространенные корпуса микросхем. Вверху слева — панелька для корпусов типа DIP

Подробности

Как и в случае транзисторов, для отечественных микросхем мы приводим на­именования импортных аналогов корпусов, ибо отечественная система столь сложна, что только путает. При замене отечественных аналогов на импортные и обратно следует учитывать, что у нас шаг между выводами метрический и кратен величине 2,5 мм (для планарных корпусов — долям от нее, то есть 1,25 мм, 0,625 мм и т. п.). У импортных шаг вычисляется, исходя из десятой доли дюй­ма (2,54 мм). Для корпусов с числом выводов по одной стороне, равным 8 и менее, эта разница несущественна — взаимозаменяемы и платы, и панельки, особенно для DIP-корпусов. А вот для планарных, где шаг мельче, разница на­чинает сказываться уже для пяти—семи выводов по одной стороне. Для мик­росхем с большим числом выводов простая замена импортных микросхем отечественными и наоборот оказывается невозможна: приходится заранее рассчитывать плату под определенный шаг выводов.

clip_image010

Рис. 11.6. Некоторые особые типы корпусов для микросхем — слева вверху PLCC, внизу — панелька для такого типа микросхем; справа вверху одна из разновидностей корпусов для микросхем с большим количертвом выводов

Имейте в виду, что очень часто выводов в микросхеме больше, чем требует ее функциональность. В этом случае существует правило: незадействован-ные выводы никуда не присоединять! В западной документации специально даже принято для таких незадействованных выводов обозначение NC (по connected). Будет грубой ошибкой, например, присоединить незадействован-ные выводы 13 и 16 КМОП-микросхемы 561ПУ4 (см. главу 15) к «земле» или питанию, как это следует делать со входами незадействованных элементов.

1 комментарий

  1. Владимир says:

    А что делать с выводами не использованных каналов в микросхеме? Например в микросхеме 4066 четыре ключа, используется один. Что делаем с выводами остальных ключей?

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты