Интегральные микросхемы и работа с ними

Назначение микросхем

В интегральном исполнении в настоящее время выполняются самые разнообразные электронные узлы с различной степенью интеграции. Из них, как из кубиков, можно собирать различные электронные устройства. Так, схему радиоприемника можно реализовать различными способами. Начальный вариант – воспользоваться микросхемами-наборами транзисторов. Соединив их выводы, можно выполнить приёмное устройство. Следующий этап – использовать отдельные узлы в интегральном исполнении (каждое в своём корпусе):

• усилитель радиочастоты;
• гетеродин;
• смеситель;
• усилитель звуковой частоты.

Наконец, самый современный вариант – весь приемник в одной микросхеме, надо лишь добавить несколько внешних пассивных элементов. Очевидно, что с ростом степени интеграции построение схем упрощается. Даже полноценный компьютер в настоящее время можно реализовать на одной микросхеме. Его производительность пока будет ниже, чем у обычных вычислительных устройств, но с развитием технологий, возможно, и этот момент удастся победить.

АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ТЕРМИНОВ НА НЕМЕЦКОМ ЯЗЫКЕ

Таблица 3

Переменные резисторы

Начинающие радиолюбители нередко путают переменный резистор с конденсатором переменной емкости, поскольку внешне они очень похожи друг на друга. Тем не менее, у них совершенно разные функции, а также имеются существенные отличия в отображении на принципиальных схемах.

В конструкцию переменного резистора входит ползунок, вращающийся по резистивной поверхности. Его основной функцией является подстройка параметров, заключающаяся в изменении внутреннего сопротивления до нужного значения. На этом принципе основана работа регулятора звука в аудиотехнике и других аналогичных устройствах. Все регулировки осуществляются за счет плавного изменения напряжения и тока в электронных устройствах.

Основным параметром переменного резистора является сопротивление, способное изменяться в определенных пределах. Кроме того, он обладает установленной мощностью, которую должен выдерживать. Этими качествами обладают все типы резисторов.

На отечественных принципиальных схемах элементы переменного типа обозначаются в виде прямоугольника, на котором отмечены два основных и один дополнительный вывод, располагающийся вертикально или проходящих сквозь значок по диагонали.

На зарубежных схемах прямоугольник заменен изогнутой линией с обозначением дополнительного вывода. Рядом с обозначением ставится английская буква R с порядковым номером того или иного элемента. Рядом проставляется значение номинального сопротивления.

Соединение резисторов

В электронике и электротехнике довольно часто используются соединения резисторов в различных комбинациях и конфигурациях. Для большей наглядности следует рассматривать отдельный участок цепи с последовательным, параллельным и .

При последовательном соединении конец одного резистора соединяется с началом следующего элемента. Таким образом, все резисторы подключаются друг за другом, и по ним протекает общий ток одинакового значения. Между начальной и конечной точкой существует только один путь для протекания тока. С возрастанием количества резисторов, соединенных в общую цепь, происходит соответствующий рост общего сопротивления.

Параллельным считается такое соединение, когда начальные концы всех резисторов объединяются в одной точке, а конечные выходы — в другой точке. Течение тока происходит по каждому, отдельно взятому резистору. В результате параллельного соединения с увеличением числа подключенных резисторов, возрастает и количество путей для протекания тока. Общее сопротивление на таком участке уменьшается пропорционально количеству подключенных резисторов. Оно всегда будет меньше, чем сопротивление любого резистора, подключенного параллельно.

Чаще всего в радиоэлектронике используется смешанное соединение, представляющее собой комбинацию параллельного и последовательного вариантов.

На представленной схеме параллельно соединяются резисторы R2 и R3. Последовательное соединение включает в себя резистор R1, комбинацию R2 и R3 и резистор R4. Для того чтобы рассчитать сопротивление такого соединения, вся цепь разбивается на несколько простейших участков. После этого значения сопротивлений суммируются и получается общий результат.

Типы микросхем

В настоящее время выпускается огромное количество типов микросхем. Практически любой законченный электронный узел, стандартный или специализированный, выпускается в микроисполнении. Перечислить и разобрать все типы в рамках одного обзора не представляется возможным. Но в целом по функциональному назначению микросхемы можно разделить на три глобальные категории.

1. Цифровые. Работают с дискретными сигналами. Цифровые уровни подаются на вход, с выхода также снимаются сигналы в цифровом виде. Этот класс устройств охватывает область от простых логических элементов до самых современных микропроцессоров. Сюда же относятся программируемые логические матрицы, устройства памяти и т.п.
2. Аналоговые. Работают с сигналами, изменяющимися по непрерывному закону. Характерный пример такой микросхемы – усилитель звуковой частоты. Также к этому классу относят интегральные линейные стабилизаторы, генераторы сигналов, измерительные датчики и многое другое. К категории аналоговых принадлежат и наборы пассивных элементов (резисторов, RC-цепей и т.п.).
3. Аналогово-цифровые (цифро-аналоговые). Эти микросхемы не только преобразовывают дискретные данные в непрерывные или в обратную сторону. Исходные или полученные сигналы в том же корпусе могут усиливаться, преобразовываться, модулироваться, декодироваться и т.п. Широко распространены аналого-цифровые датчики для связи измерительных цепей различных технологических процессов с вычислительными устройствами.

Также микросхемы делятся по типу производства:

• полупроводниковые – выполняются на одном кристалле полупроводника;
• пленочные – пассивные элементы создаются на основе толстых или тонких пленок;
• гибридные – к пассивным пленочным элементам «подсаживаются» полупроводниковые активные устройства (транзисторы и т.п.).

Но для применения микросхем эта классификация в большинстве случаев особой практической информации не дает.

АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ТЕРМИНОВ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ

     АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ТЕРМИНОВ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ

Таблица 2

Аналоговые микросхемы

Аналоговые интегральные микросхемы (ИМС) предназначены для преобразования аналоговых сигналов. Аналоговые ИМС используют в аппаратуре связи, телевизионной аппаратуре, радиолокации, медицинской технике и тому подобное. Они более разнообразны, чем цифровые и имеют меньшую плотность упаковки элементов.

По конструктивно-технологичным особенностям аналоговые ИМС могут быть гибридными или полупроводниковыми и изготавливаться на биполярных или полевых транзисторах.

Аналоговые микросхемы делятся на две группы. К первой группе относятся ИМС универсального назначения: операционные усилители, матрицы транзисторов, диодов и т.д., ко второй — специализированные аналоговые ИМС. Интегрированные сверхвысокочастотные (СВЧ) — микросхемы считают специализированными ИМС, но они имеют конструктивно технологическую, схемотехническую и функциональную специфику, что является причиной выделения их в отдельную подгруппу.

Среди аналоговых ИМС выделяют также многоцелевые усилители (операционные усилители). Они предназначены для усиления сигналов в широком диапазоне частот. Ими являются усилители низких, промежуточных и высоких частот. Серия аналоговых операционных усилителей охватывает широкий спектр различного функционального назначения, в совокупности дают возможность разрабатывать определенную группу аналоговых устройств в микроэлектронном исполнении.

Внутренняя схема простого операционного усилителя К140УД7 (LM741)

Аналоговые микросхемы универсальные и многофункциональные. Эти качества закладывают в них при разработке. Многофункциональные микросхемы изготавливают в массовом производстве. Узкоспециализированные ИМС не пользуются большим спросом, производятся в малом количестве или на заказ, поэтому они дорогие. Аналоговым ИМС, особенно операционным усилителям, свойственна функциональная перенасыщенность по большинству параметров. Это позволяет проектировать приборы промышленной электроники на базе интегральных микросхем с высокими техническими и эксплуатационными показателями.

Особенности аналоговой интегральной схемотехники

Аналоговые интегральные микросхемы предназначены для усиления, обработки и преобразования электрических сигналов, параметры которых изменяются по закону непрерывной функции. К таким аналоговым ИМС принадлежат операционные усилители, интегральные стабилизаторы, компаратора и другие схемы, состоящие из базовых схемотехнических элементов, например, элементарных усилительных каскадов, дифференциальных усилителей, каскадов смещения потенциальных уровней, генераторов стабильного тока, источников опорного напряжения, конечных усилительных каскадов. Эти элементарные схемы широко используются как при проектировании известных, так и при создании новых линейных ИМС.

При разработке полупроводниковых аналоговых ИМС большое внимание уделяется повышению технологичности микросхем, то есть уменьшению количества технологических операций. Это достигается использованием транзисторных структур не только как элементов усиления, а также для выполнения функций пассивных элементов, например, как резисторов, конденсаторов и т

д

При этом важно, чтобы у схемы была низкая чувствительность к разбросу параметров, что увеличивает процент выхода годных ИМС

Для аналоговых микросхем характерно использования обратных связей как с целью повышения электрических характеристик, так и для расширения функциональных возможностей, например, для выборочного усиления, коррекции характеристик и т. п. Поэтому разработчики радиоаппаратуры вводят внешние цепи обратных связей. Необходимо отметить, что в принципиальных схемах ИМС пытаются избежать местных обратных связей. Например, введение глубокого обратной связи для стабилизации режима работы усилительных каскадов по постоянному току (режим покоя) приводит к заметному уменьшению коэффициента усиления. Поэтому чаще всего режим стабилизируют параметрическими способами, используя транзисторные структуры в диодном включении.

Связь между отдельными каскадами в схеме ИМС непосредственная, без переходных конденсаторов. При этом встает проблема согласования как отдельных каскадов в составе микросхемы, так и отдельных микросхем между собой. Для такого согласования необходимо, чтобы потенциалы входящей и исходящей напряжений были близки к потенциалу общей клеммы источника питания. Это достигается, в частности, с помощью каскадов смещения потенциального уровня.

Диоды и стабилитроны

Диоды относятся к простейшим полупроводниковым приборам, функционирующим на основе электронно-дырочного перехода, известного как p-n-переход. Свойство односторонней проводимости наглядно передается на графических обозначениях. Стандартный диод изображается в виде треугольника, символизирующего анод. Вершина треугольника указывает направление проводимости и упирается в поперечную черту, обозначающую катод. Все изображение пересекается по центру линией электрической цепи.

Для используется буквенное обозначение VD. Оно отображает не только отдельные элементы, но и целые группы, например, . Тип того или иного диода указывается возле его позиционного обозначения.

Базовый символ применяется и для обозначения стабилитронов, представляющих собой полупроводниковые диоды с особыми свойствами. В катоде присутствует короткий штрих, направленный в сторону треугольника, символизирующего анод. Данный штрих располагается неизменно, независимо от положения значка стабилитрона на принципиальной схеме.

Параметры цифровых микросхем

Прежде чем говорить о параметрах цифровых логических микросхем, необходимо сказать о том, что не все они учитываются и не всегда. Как это можете задать вопрос. Но тут очень просто, при разработке и моделировании цифровых устройств исходят из различных моделях логических микросхем. Всего таких модели три:

1. Логическая модель.

2. Модель с временными задержками.

3. Электрическая модель.

Для логической модели всё очень просто, здесь главным параметром является таблица истинности или описание алгоритма работы логического элемента. Примерно 20% всех схем строят на основе логической модели. В данной модели можно считать, что логический элемент срабатывает мгновенно.

Для модели с временными задержками необходимо учитывать то, что выходной сигнал изменяется с некоторой задержкой относительно входного сигнала. Данная модель позволяет разрабатывать около 80% всех устройств. Данная модель учитывает параметры задержки при переходе сигнала из единицы в нуль (t_PHL) и переход сигнала из нуля в единицу (t_PLH).

Для электрической модели логической микросхемы уже учитывают входной и выходной токи, а также входные и выходные напряжения. Данная модель говорит о том что уровни напряжений и токов устанавливаются не мгновенно, а с учётом переходных процессов внутри микросхем. С учётом этой модели разрабатываются все остальные цифровые устройства. Приведу некоторые из них:
входной ток нуля (I_IL)и входной ток единицы (I_IH);
входное напряжение нуля (U_IL) и входное напряжение единицы (U_IH);
выходной ток нуля (I_OL) и выходной ток единицы (I_OH);
выходное напряжение нуля (U_OL) и выходное напряжение единицы (U_OH).

Также для цифровых логических микросхем имеются общие электрические параметры: допустимое напряжение питания (U_CC) и максимальный ток потребляемой микросхемой (I_CC).

Микросхемы TI со встроенным шунтом для измерения тока

В обширном ассортименте продукции компании Texas Instruments (TI) нашлось место и для измерителей тока со встроенным шунтом. Представляем два типа подобных микросхем, каждая из которых предназначена для решения различных специфических задач. Используя встроенный шунт, микросхемы INA250 и INA260 позволяют измерять двунаправленный ток нагрузки со стороны шины питания или шины заземления.

Интеграция в микросхемы прецизионного резистора для контроля тока обеспечивает высокую точность измерения, сравнимую с калиброванной, и минимальную зависимость характеристик от колебаний температуры. Кроме того, обе микросхемы используют оптимизированное 4-точечное подключение токоизмерительного шунта (схема Кельвина).

INA250

Микросхема INA250 является токоизмерительным усилителем с выходным напряжением, пропорциональным измеряемому току. Прецизионный встроенный резисторный шунт позволяет с высокой точностью измерять ток при синфазном напряжении, которое может изменяться от 0 до 36 В независимо от величины напряжения питания микросхемы.

Семейство INA250 доступно с четырьмя типами шкалы выходного напряжения: 200 мВ/A, 500 мВ/A, 800 мВ/A и 2 В/A. Все микросхемы рассчитаны на номинальный ток до 15 А (10 А – при максимальной температуре 125°C). Однополярное напряжение питания для INA250 составляет 2,7…36 В, а максимальный потребляемый ток достигает 300 мкА. Микросхема работает в расширенном температурном диапазоне -40…125°C и выпускается в 16-выводном корпусе типа TSSOP.

Основные характеристики INA250

• Встроенный прецизионный резисторный шунт сопротивление шунта: 2 мОм
• допустимая погрешность сопротивления шунта: 0,1% (макс.);
• номинальный измеряемый ток: до 15 A при температуре -40…85°C;
• температурный коэффициент: 10 ppm/°C в диапазоне 0…125°C.

Повышенная точность измерения:

• погрешность коэффициента усиления (шунт и усилитель): 0,3% (макс.);

ток смещения: 50 мА (макс., для INA250A2).
Четыре коэффициента усиления

• INA250A1: 200 мВ/A;

INA250A2: 500 мВ/A;
INA250A3: 800 мВ/A;
INA250A4: 2 В/A.
Широкий диапазон синфазного сигнала: -0,1…36 В
Рабочий диапазон температур: -40…125°C

INA260

Микросхема INA260 предназначена для контроля тока, мощности и напряжения с использованием встроенного шунтирующего резистора высокой точности. Цифровой выход этого интегрального монитора обеспечивает совместимость с шинами I²C и SMBus.

Микросхема обеспечивает высокую точность измерений тока и мощности в сочетании с возможностью обнаружения превышения тока в режиме синфазных напряжений, уровень которых может изменяться от 0 до 36 В независимо от напряжения питания. У INA260 можно задать до 16 адресов для работы нескольких микросхем на единой шине I²C. Цифровой интерфейс позволяет программировать критические уровни тока, время преобразования и усреднение аналого-цифрового преобразователя (ЦАП). Для упрощения использования измерителя внутренний множитель обеспечивает прямые отсчеты тока в амперах и мощности в ваттах.

Выполненный в 16-ти выводном корпусе TSSOP интегральный измеритель INA260 работает от источника питания напряжением 2,7…5,5 В при среднем потребляемом токе 310 мкА в диапазоне рабочих температур -40…125°C.

Основные характеристики INA260

• Интегрированный резисторный шунт высокой точности сопротивление шунта: 2 мОм;
• эквивалентная погрешность: не более 0,1%;
• номинальный ток: до 15 A при температуре -40…85°C;
• температурный коэффициент: 10 ppm/°C (0…125°C).

Измеряемое шинное напряжение: 0…36 В
Измерение в цепи между источником питания и нагрузкой или между нагрузкой и общим проводом
Считываемые данные о токе, напряжении и мощности
Повышенная точность

• системная погрешность усиления: 0,15% (макс.);

ток смещения: 5 мА (макс.).
Настраиваемые функции усреднения
16 программируемых адресов
Напряжение питания: 2,7…5,5 В;
Корпус типа TSSOP, 16 выводов.

Структурная интегральная схема внутри чипа

Итак, процесс создания интегральной схемы начинается от монокристалла кремния, напоминающего по форме длинную сплошную трубу, «нарезанную» тонкими дисками — пластинами. Такие пластины размечаются на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых представляет один кремниевый чип (микрочип). Пример внутренней структуры интегральной схемы, демонстрирующий возможности такой уникальной технологии интеграции полноценных электронных схемотехнических решений.

Затем на каждом таком чипе создаются тысячи, миллионы или даже миллиарды компонентов путём легирования различных участков поверхности — превращения в кремний N-типа или P-типа. Легирование осуществляется различными способами. Один из вариантов — распыление, когда ионами легирующего материала «бомбардируют» кремниевую пластину.

Другой вариант — осаждение из паровой фазы, включающий введение легирующего материала газовой фазой с последующей конденсацией. В результате такого ввода примесные атомы образуют тонкую пленку на поверхности кремниевой пластины. Самым точным вариантом осаждения считается молекулярно-лучевая эпитаксия.

Конечно, создание интегральных микросхем, когда упаковываются сотни, миллионы или миллиарды компонентов в кремниевый чип размером с ноготь, видится сложнейшим процессом. Можно представить, какой хаос принесёт даже небольшая крупинка в условиях работы в микроскопическом (наноскопическом) масштабе. Вот почему полупроводники производятся в лабораторных условиях безупречно чистых. Воздух лабораторных помещений тщательно фильтруется, а рабочие обязательно проходят защитные шлюзы и облачаются в защитную одежду.

Кто создал интегральную схему?

Разработка интегральной схемы приписывается двум физикам — Джеку Килби и Роберту Нойсу, как совместное изобретение. Однако фактически Килби и Нойс вынашивали идею интегральной схемы независимо друг от друга. Между учёными даже существовала своего рода конкуренция за права на изобретение.

Джек Килби трудился в «Texas Instruments», когда учёному удалось реализовать идею монолитного принципа размещения различных частей электронной схемы на кремниевом чипе. Учёный вручную создал первую в мире интегральную микросхему (1958 год), использовав чип на основе германия. Компания «Texas Instruments» спустя год подала заявку на патент.

Тем временем представитель другой компании «Fairchild Semiconductor» — Роберт Нойс, проводил эксперименты с миниатюрными цепями своего устройства. Благодаря серии фотографических и химических методов (планарный процесс), учёный всего лишь на год позже Килби создал практичную интегральную схему. Методика получения также была оформлена заявкой на патент.

Микросхемы на плате

Цифровые устройства

ИР — регистры;ИМ — сумматоры;ИЛ — полусумматоры;ИЕ — счетчики;ИД — дешифраторыИК — комбинированныеИВ — шифраторы;ИА — арифметико — логические устройства;ИП — прочие.

Четвертый элемент — число, обозначающее порядковый номер разработки микросхемы в серии

В обозначение также могут быть введены дополнительные символы (от А до Я), определяющие допуски на разброс параметров микросхем и т. п.

Перед первым элементом обозначения могут стоять следующие буквы:

К — для аппаратуры широкого применения;Э — на экспорт (шаг выводов 2,54 и 1,27 мм);Р — пластмассовый корпус второго типа;М — керамический, металло- или стеклокерамический корпус второго типа;Е — металлополимерный корпус второго типа;А — пластмассовый корпус четвертого типа;И — стеклокерамический корпус четвертого типаН — кристаллоноситель.

Для бескорпусных интегральных микросхем перед номером серии может добавляться буква Б, а после нее, или после дополнительного буквенного обозначения через дефис указывается цифра, характеризующая модификацию конструктивного исполнения

1 — с гибкими выводами;2 — с ленточными выводами;3 — с жесткими выводами;4 — на общей пластине (неразделенные);5 — разделенные без потери ориентировки (например, наклеенные на пленку);6 — с контактными площадками без выводов (кристалл).