«Кирпичи» Микросхемы – Цифровая техника

May 31, 2015 by admin Комментировать »

Выше, в гл. 1.1, нами были рассмотрены так называемые навесные элементы, или, по моей терминологии, цемент (глина) для сложной схемы — стройки. Рассмотренные в этой главе элементы выгодно использовать только в качестве связующего звена — для согласования друг с другом более сложных схем. Все попытки построить на основе одних только навесных элементов что-нибудь довольно сложное практически бессмысленны; вы затратите огромные средства на приобретение всех нужных элементов, потратите уйму времени на настройку и доведение его «до ума» и в итоге получите устройство необъятных размеров, которое будет «есть» энергии больше, чем электрочайник…

Возьмем, к примеру, простейший усилитель, характеристики которого весьма далеки от идеальных, изображенный на рис. 1.13. Несмотря на свою относительную «простоту», он требует три транзистора, каждый из которых предварительно нужно проверить на исправность (особенно если они из разряда «бывших в употреблении»), 4 резистора, которые нужно подобрать по требуемому выходному сопротивлению и начальному смещению транзисторов, два конденсатора… В общем, настройка даже столь простой схемы превращается в испытание: у кого крепче нервы — у человека или у схемы? К сожалению, чаще всего у схемы

В принципе в такой схеме можно все или большинство номиналов деталей взять «от балды», руководствуясь расчетами и интуицией, но в таком случае, если даже схема «решит» заработать, качество ее работы будет оставлять желать лучшего. И вы будете обвинять «злого дядьку» что он подсунул «неправильную» схему, которая даже в принципе не может работать. В то же время, если вы немножко измените (подкорректируете) номиналы некоторых резисторов-конденсаторов, та же самая схема заработает «очень даже прилично».

Все эти «беды» из-за значительного разброса параметров отдельных элементов, изготовленных в разное время и в разных местах. Разброс параметров, особенно у полупроводников, может быть очень большим: у некоторых транзисторов, из одной серии и с одинаковой буквой, коэффициент Ь21э может отличаться в 2…3 раза.

Вывод: не требует настройки только то устройство, параметры деталей которого полностью соответствуют параметрам исходного, по схеме которого оно собрано, т. е. точная копия, «отпечаток от матрицы», проекция шаблона исходного устройства.

Но что стоит нашей промышленности с ее огромными заводами и научно-исследовательским институтом в придачу сделать шаблон схемы (например, что изображена на рис. 1.13), довести характеристики схемы на шаблоне до идеальных, а потом попросту «наштамповать» копий столько, сколько нужно? Да ничто! Поэтому большинство заводов выпускает самые разнообразные схемы, которые могут удовлетворить потребности практически любого радиолюбителя (и не только) в миниатюрном интегральном исполнении. Такие схемы называются интегральные микросхемы. «Интегральный» в переводе с радиотехнического языка означает, что на одном маленьком кристаллике кремния (квадрат в несколько миллиметров) «нарисовано» до нескольких тысяч… сотен тысяч отдельных транзнсторов-резисторов-диодов и прочих «деталей», которые соединены друг между другом согласно схеме. Поэтому интегральный усилитель может иметь всего 4 вывода: 2 провода питания + вход + выход. При этом о подборе трех транзисторов и четырех резисторов можно забыть: об этом позаботились на заводе-изготовителе микросхемы. Можно даже вообще не знать, сколько и каких именно элементов «нарисовано» внутри микросхемы, работающего с микросхемами интересует только ответ на вопрос: «Что появится на выходе микросхемы, если на ее вход подать вот это?» Поэтому забивать головы читателей всякими глупостями относительно Схем, по которым собраны микросхемы, здесь и далее я не буду.

Несмотря на гораздо большую сложность (внутри современных микросхем очень редко бывает менее десятка транзисторов, резисторы и все остальное обычно не учитывается), основных характеристик (т. е. тех, которые «самые главные») у большинства микросхем даже меньше, чем у транзисторов. Разброс параметров у микросхем очень небольшой (не более 10%); сами же эти параметры можно найти в справочниках, которые имеются у каждого «серьезного» торговца радиодеталями, или в Интернете. Большинство микросхем имеют стандартную цоколевку выводов, поэтому очень часто «старую» микросхему можно заменить на более современную непосредственно, без переделки печатной платы.

Цифровые микросхемы

До сих пор рассматривались преимущественно только аналоговые устройства, т. е. те устройства которые работают с сигналом, амплитуда которого может изменяться по случайному закону от нуля до напряжения питания (рис. 1 33, а) Но существуют также цифровые устройства, работающие с цифровым сигналом, т. е. его амплитуда может равняться или нулю, или напряжению питания (рис. 1.33, б).

Такие устройства иногда называют логическими. Сигнал, напряжение которого б низко или равно нулю называется уровнем логического О, нулевым, низким уровнем или по-английски буквой L (low — низкий); а тот Сигнал, напряжение которого близко к напряжению питания, — уровнем логической «1», высоким, единичным уровнем или английской буквой Н (high — высокий) Третьего не дано и сигнал, напряжение которого больше уровня лог. «0», но меньше лог «I», анализируется цифровой схемой и, в зависимости от его амтитуды, а также напряжения переключения схемы, превращается в один

Рис. 1.33. Временные диаграммы сигналов: а — аналогового, б цифрового из логических уровней. Как видно, цифровая техника гораздо проще (и примитивней) аналоговой: аналоговая схема может работать в том числе и с цифровым сигналом, а цифровая с аналоговым — нет. Впрочем, некоторые цифровые микросхемы можно перевести в аналоговый режим, но они будут работать в нем с таким «скрипом»…

Как видно из рис. 1.33, цифровой сигнал гораздо примитивней аналогового, поэтому его легче обрабатывать, также он имеет большую помехоустойчивость. На рис. 1.33, а на спаде сигнала видна небольшая ступенька. При обработке такого сигнала аналоговыми методами (усиление, ограничение, модуляция) этот «зуб» никуда не исчезнет и будет также обрабатываться, а так как крутизна линии в его области резко увеличивается по отношению к крутизне (антоним этого слова — «плавность») линии основного сигнала, то искажение сигнала при последующей обработке практически неизбежно и сигнал на выходе будет несколько отличаться от входного сигнала — вполне возможно, что амплитуда этого «зуба» — помехи «дорастет» до напряжения питания.

Цифровое устройство абсолютно нечувствительно к подобным «зубам», если их амплитуда не достигает напряжения переключения элемента (1/3…1/2 напряжения питания), что бывает очень редко. Поэтому помехоустойчивость цифрового устройства и его коэффициент искажения входного сигнала гораздо лучше, чем у аналогового.

Также цифровой сигнал легче обработать. Допустим, нам нужно увеличить его частоту в 1,852 раза. Нет ничего проще, нужно вначале записать его с обычной частотой в специальное запоминающее устройство (микросхему памяти), а потом считать его из памяти со скоростью в 1,852 раза больше. С аналоговым сигналом такой фокус не удастся хотя бы потому, что до сих пор не существует аналоговых микросхем памяти, есть только цифровые. В принципе можно записать аналоговый сигнал на пленку, но это плохо скажется на суммарном коэффициенте искажений (нужно вначале преобразовать электрический сигнал в не электрический, а потом наоборот; любое преобразование сигнала вносит в него новые искажения), а также потребует увеличения габаритов устройства (сравните лйбой лентопротяжный механизм с маленькой микросхемкой памяти, которых в спичечный коробок «влезает» несколько десятков).

Именно поэтому будущее электроники за цифровой техникой. Даже существующие сегодня (2002) довольно примитивные цифровые телевизоры и проигрыватели дисков по качеству звучания и изображения оставляют аналоговую технику далеко позади. Что будет лет через 1…20 — предсказывать не берусь. Скорее всего, аналоговая техника будет «гибридизироваться» с цифровой и чисто аналоговые микросхемы останутся только в самых примитивных (по меркам будущего) устройствах.

Аналоговый сигнал очень легко преобразовать в цифровой и, наоборот цифровой в аналоговый с помощью специальных микросхем — аналогоцифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП). Принцип действия таких преобразователей довольно прост: допустим, если у нас 8-разрядный АЦП и мы подадим на него сигнал, аналогичный изображенному на рис. 1.33, а, то он «разобьет» весь интервал от нуля до «UnilT» на 28 = 256 линий, а погрешность измерения напряжения сигнала равна (1 /256) · 100% = 0,39%. Это довольно много, поэтому в наиболее качественной цифровой аппаратуре сейчас используются 24-битные преобразователи, которые делят интервал почти на 17 миллионов «линий».

Впрочем, я немного отвлекся, негоже ставить телегу перед лошадью, поэтому начнем с самого начала.

Цифровая электроника

Цифровая электроника, как это ясно из названия, оперирует электрическими эквивалентами цифр. В электронике цифр немного — только две (0 и 1), поэтому эта система счисления называется двоичной. Система счисления с двумя цифрами наиболее удобна для электроники: для его расшифровки приемной стороне нужно только определить, напряжение на входе есть (лог. «1») или его нет (лог. «0»). Для этого не нужны сложные измерительные и сравнивающие приборы. В то же время два — это минимальное количество цифр, которого достаточно для описания любого, даже практически бесконечного, числа. Это как в обычном десятичном счислении — с помощью двух цифр можно описать числа до 100, с помощью трех — до тысячи, с помощью сотни — 80…

Благодаря небольшому количеству цифр математические операции в двоичном счислении очень просты Так, если в десятичной системе таблица умножения состоит из 102 – 100 примеров, то в двоичной — всего из 22= 4. Это буквально на одка для двоечника или просто ленивого младшеклассника. Правда, повсеместное внедрение двоичной системы сдерживают несколько причин:

•                средняя «длина» какого то числа в двоичной системе в -УГо « 3 раза превышает длину (количество цифр) того же числа в десятичной системе, и для записи, например, чи ла 900 в двоичном счислении требуется не 3, а 10 цифр;

•                люди уже привыкли к десятичному счислению, а перевод его в двойннч ное и наоборот очень трудоемок.

Но для цифровых микросхем две эти «отговорки» не имеют никакого значения: они ни к чему никогда не привыкают, а на длину числа им попросту «наплевать».

Все цифровые микросхемы работают только в ключевом режиме. Если на вход большинства микросхем подать сигнал, похожий на рис. 1.33, а, на выходе цифровой микросхемы будет «картина», аналогичная изображенной на рис. 1.33, б. Но похожа она будет только относительно — фронты и спады сигналов будут не резкими, а наклоненными.

Рис. 1.34 Инвертор на КМОП пранзисторах

Все дело в том, что наиболее часто используемые радиолюбителями микросхемы далеко не идеальны (не буду уточнять здесь, сколько стоит идеальные), и поэтому они имеют некоторую запрещенную зону по входному напряжению, которую нельзя нарушить. Чтобы лучше это понять, обратимся к схеме простейшего логического элемента — инвертора, изготовленного по КМОП-технологии (рис. 1.34)

Как видно из рисунка, инвертор состоит из разноканальных полевых транзисторов с индуцированным каналом. При нулевом напряжении на входе откпыт верхний, с p-каналом, транзистор (так как напряжения на его затворе относительно истока очень велико и равно напряжению питания), следовательно, напряжение на нагрузке довольно велико — на выходе уровень лог. «1». Канал у нижнего по схеме транзистора не индуцируется, так как напряжение на выходе относительно его истока равно нулю.

При увеличении напряжения на входе разность потенциалов между затвором и истоком верхнего по схеме транзистора уменьшается, а разность потенциалов между этими выводами у нижнего транзистора — увеличивается. При достижении входным напряжением некоторой величины (обычно 1/3… 1/2 от напряжения питания) сопротивление канала верхнего по схеме транзистора начинает резко (так как толщина канала у «микросхемных» транзисторов ничтожно мала) увеличиваться, а сопротивление канала нижнего — резко уменьшаться. Происходит переключение микросхемы, приводящее к смене уровней на выходе логического элемента; напряжение, при котором этот процесс происходит, называется напряжением переключения Шпркл).

Из-за несовершенства и большой простоты схемы КМОП-микросхе^, и этого инвертора в том числе (кстати, именно такие микросхемы дешево стоят), процесс переключения при очень плавно нарастающем входном напряжении может развиваться двумя путями. Первый путь — это когда вначале увеличится почти до бесконечности сопротивление канала — р-транзистора и только потом начнет уменьшаться сопротивление η-канального транзистора (см. рис. 1.35, а)\ при напряжении, близком к напряжению переключения Unpiul, оба транзистора закрыты и выход логического элемента как бы «отключен» от шин питания. Второй — η-канальный транзистор начинает открываться задолго до того, как р-канальный транзистор полностью закроется (см. рис. 1.35, б); при напряжении, равном напряжению переключения, каналы обоих транзисторов имеют некоторое не очень большое сопротивление, и через оба канала от шины «+U» к общему проводу течет ток, которого, по идее, быть не должно и который зовется сквозным током. Этот ток вреден и довольно опасен для микросхемы. Вреден он потому, что именно из-за него резко увеличивается ток потребления микросхемы во время переключения логических элементов. Опасен из-за того, что, если сопротивление каналов транзисторов не успело увеличиться до безопасной

Рис. ί.35. Графики, поясняющие работу цифровых КМОП-схем (см. рис. 1.34): а, б — см. в тексте: в — напряжение на выходе инвертора; г — напряжение на выходе повторителя уровня для них величины, сквозной ток может оказаться столь большим, что теплота, выделяющаяся на каналах транзисторов, попросту пережжет каналы и микросхема (или ее отдельный элемент) выйдет из строя.

Несмотря на свою большую опасность для микросхемы, этот «путь» используется почти во всех КМОП-микросхемах. Основная причина — выходы микросхем ни при каких обстоятельствах не должны «отключаться» — через выход всегда должен течь какой-то ток. Входное сопротивление КМОП-элементов очень высоко, поэтому если выход предыдущего элемента, подключенного ко входу последующего, внезапно «отключится», то вход элемента станет чувствительным к электромагнитным наводкам и статическим потенциалам. В таком случае информацию и ее изменение на выходе предсказать невозможно. А вся электроника держится именно на том, что, зная свойства отдельных элементов, можно предсказать, как будет работать схема несколько соединенных определенным образом элементов.

Схема, изображенная на рис. 1.34, называется комплементарной (не путать с комплементами) парой полевых транзисторов. Комплементарный в переводе означает «взаимнодополняющий», такие схемы строятся на основе транзисторов с абсолютно одинаковыми параметрами, но разность структуры (п-р-п и р-п-р бипо лярные транзисторы, пи р-канальные полевые). Комплементарную пару можно заменить одним транзистором с резистором вместо второго транзистора, но в таком случае, когда открыт транзистор, через резистор течет некоторый ток, который никакой работы не выполняет и из-за которого резко возрастает энергопотребление микросхемы У комплементарной пары, когда один транзистор открыт, второй находится в режиме отсечки и сквозной ток равен нулю. Кстати, в схеме, изображенной на рис. 1.13, на выходе можно поставить комплементарный эмиттерный повторитель (рис. 1.36). Напряжение на выходе такого повторителя поддерживается на неизменном уровне и примерно равно одному напряжению. Если из-за подключения нагрузки напряжение на выходе относительно входного напряжения понизится, падение напряжения на переходе

Рис. 1.36. Пояснения в тексте база—эмиттер транзистора структуры п-р-п увеличится, увеличится также и эмиттерный ток этого транзистора, и напряжение на выходе также увеличится. Если напряжение на выходе повторителя из-за внешнего воздействия увеличится, п-р-п транзистор закроется (падение напряжения на его эмиттерном переходе уменьшится), а транзистор структуры р-п-р откроется сильнее и скомпенсирует увеличение выходного напряжения. При отключенной нагрузке протекающий через оба транзистора сквозной ток очень мал, и его можно не учитывать.

Но, как видно из рис. 1.36, выходное напряжение не совсем точно поддерживается на одном уровне — оно может колебаться в пределах ±0,6 В относи тельно входного. Как известно, биполярные транзисторы начинают открываться только после того, как напряжение на их переходе база—эмиттер увеличится до 0,6 В. Поэтому верхний по схеме транзистор начнет открываться только после того, как напряжение на выходе снизится относительно входного напряжения на 0,6 В и более, а нижний — после того, как оно повысится относительно входного более чем на 0,6 В. Такая особенность этого повторителя полностью исключает вероятность возникновения сквозных токов, но из-за нее возникают искажения входного сигнала (тип — «ступенька»). В цифровых схемах, которые работают в ключевом режиме, на «ступеньку» можно не обращать внимания, но в аналоговых схемах с ней нужно бороться всеми способами. Поэтому подробнее такой .тип искажений будет рассмотрен в следующем томе книги.

Вернемся обратно к рис. 1.34. Зависимость выходного напряжения этой схемы от входного показана на графике рис. 1.35, в. При напряжении на входе, равном примерно 0…2,5 В, напряжение на выходе близко к напряжению питания (9 В), а при напряжении, равном 3…9 В — близко к нулю. Напряжение в пределах

2,5..      .3 В на эту схему подавать нельзя — в таком режиме возникают сквозные токи, а также напряжение на выходе линейно зависит от входного напряжения. Этот диапазон входных напряжений называется запрещенной зоной, ширина этой зоны не превышает 0,1…0,5 В для большинства цифровых КМОП-микросхем.

На рис. 1.35, г показана зависимость выходного напряжения от входного для повторителя уровня. Повторитель можно собрать из двух последовательно соединенных инверторов, соединив выход первого инвертора со входом второго.

Кроме повторителей и инверторов, в цифровой электронике существует целый класс специализированных логических элементов, способных выполнять простейшие математические действия с двоичными числами — сложение, умножение и т. д. Подробнее об этом чуть позже.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 1. Цифровая техника. / А. С. Колдунов — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 272 с. — (Серия «СОЛОН — радиолюбителям» Выпуск 18)

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