Элементная база

НОУ ИНТУИТ | Наноэлектронная элементная база информатики на основе полупроводников и ферромагнетиков

Из огромного объема информации – десятков тысяч публикаций, посвященных наноэлектронной элементной базе информатики (далее НЭБИ) за последние 15-20 лет, – авторами отобрано, систематизировано и структурировано только самое существенное.

В курсе описаны принципы работы современных средств наблюдения нанообъектов, описаны качественные изменения свойств элементов при переходе к наноразмерам. Дано описание НЭБИ на основе полупроводников и ряд лекций посвящен вопросам НЭБИ на основе ферромагнетиков.

Российское и Нижегородское Научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им. А. С. Попова   приглашают Вас принять участие в работе Второй российско-белорусской научно-технической конференции «Элементная база отечественной радиоэлектроники: импортозамещение и применение» им. О. В. Лосева.

 Конференция состоится 17-19 ноября 2015 г. в Нижнем Новгороде на базе ННГУ им. Н. И. Лобачевского  . Информписьмо и Паспорт конференции прилагается.

Вот и выполняй требования миниатюризации по весу и габаритам, одновременно
снижая энергопотребление, сохраняя устойчивость к ЭМИ. Это как лесорубу дают лобзик, говоря, что
бензопилу нельзя использовать по причине крупных опилок. Самое интересное, что все прекрасно
понимали о нереальности устойчивости ко всем этим ЭМИ. Спросите, что мы делали? Правильно, плевали
на ЭМИ и старались вести разработку на самой современной элементной базе (по крайней мере, это
было интереснее, чем пилить лобзиком). А дальше срабатывал принцип Ходжи Насреддина: "либо эмир
помрет, либо ишак". Либо к моменту окончания разработки электронщики доводили нужную комплектацию
до требований по ЭМИ, либо писались серьезные технические обоснования. Со ссылкой на
правительственные закрытые постановления в них утверждалось, что по-другому требования по
весам-габаритам-энергопотреблению не выполнить, но вот уж на стадии серийного производства...
Короче, чаще все оставалось ЭМИ-неустойчивым, зато нормально работало и работает до сих пор.

Теперь о разработке электронных компонентов в Советском Союзе. Чтобы
разработать современную аппаратуру, нужно иметь современные интегральные схемы, размер и
функциональные возможности которых растут как на дрожжах. Чтобы их разрабатывать, нужно иметь
современное, очень точное и дорогое технологическое оборудование. Причем с ростом степени
интеграции микросхем сложность оборудования растет экспоненциально. Когда технология касалась
транзисторов, микросхем малой и средней степени интеграции, то наша электронная промышленность
еще поспевала за зарубежной (с отставанием в один, максимум два года). Ведь технологию нужно
придумать (украсть), реализовать и запустить в серию. Последним "писком" нашей электроники был
выпуск отечественного 8-разрядного микропроцессора 8080. Разработчики рассказывали, что у
закупленной за рубежом микросхемы лазером срезали один за другим тончайшие слои, чтобы
сфотографировать топологию напыления. Конечно, когда у нас дело дошло до дела с отставанием
на пару лет, электронная промышленность США, Японии и Южной Кореи уже улетела вперед,
параллельно приняв меры по невозможности пиратского лазерного копирования. Мы еще по инерции
сподобились на выпуск следующего процессора 8086. Затем грянула Перестройка, и все поняли,
что в области электронных компонентов для компьютеров мы отстали навсегда, зато получили
возможность закупать все самое современное "там". Их экспонента унеслась в заоблачные дали,
мы же упали мордой в болото. Голову, правда, сохранили в целости.

Элементная база состоит из электрорадиоизделий ( ЭРИ), входящих в перечень элементов электрической принципиальной схемы РЭА ( или частей РЭА) как комплектующие изделия.

Элементная база уже претерпела несколько радикальных изменений я продолжает совершенствоваться. Если первое поколение систем и ЭВМ Создавалось на базе вакуумных электронных ламп и релейно-контактных элементов с отмеченными выше недостатками, тб второе поколение возникло на основе полупроводниковой электроники.


(3.4)


Уравнение (3.4) получено путем
эквивалентных преобразований. Добавление
в него комбинаций, соответствующих
запрещенным си­туациям и помеченных
знаком «~», т.е.


позволяет еще более упростить
уравнение триггера:


Для реализации полученной
зависимости в базисе И — НЕ приме­ним
правило де Моргана и получим функцию


По данной зависимости можно
построить схему элемента памя­ти —
асинхронного RS-триггера.
В этой схеме следует только соеди­нить
выходqt+1со входомqt(рис. 3.9). Эта связь отмечена штрихо­вой
линией.


RS-триггер нашел
широкое распространение в схемах ЭВМ.
Оди­ночные триггеры этого типа часто
используются в различных бло­ках
управления. В асинхронныхRS-триггерах
имеется один суще­ственный недостаток,
обусловленный самой логикой их построения
(см. табл. 3.5), т.е. в них сигналыRиSдолжны быть разнесены
во времени. Дополнение этого триггера
комбинационными схемами син­хронизации
на входе и выходе позволяет получить
триггеры с более сложной логикой работы:
синхронныеRS-, Т-,JK-,D-триггеры и це­лый ряд
комбинированныхRST-,JKRS-,DRS-триггеров [4].

Рис. 3.9. Схема
асинхронногоRS-триггера:а — схема;

б — обозначение
на принципиальных электрических схемах;

в — временная
диаграмма


Прописные буквы в названиях
триггеров обозначают:


• R(Reset— сброс) — вход установки триггера в
нулевое состоя­ние,Q=0;


• S(Set— установка) — вход установки триггера
в единичное со­стояние,Q=l;


• Т (Toggle—релаксатор)
— счетный вход триггера;


• J(Jerk— внезапное включение) — вход установкиJK-триггера в единичное
состояние,Q=l;


• К (Kill— внезапное
выключение) —Q=0;


• D(Delay— задержка) — вход установки триггера
в единичное или нулевое состояние на
время, равное одному такту;


• С (Clock— часы)
— вход синхронизирующих тактовых
импуль­сов.


На рис. 3.10 показаны схемы
синхронного однотактного (а) и
двух­тактного(б) RS-триггеров.

2. Усилители низкой частоты (УНЧ) – для усиления сигналов до сотен кГц;

3. Высокочастотные усилители (УВЧ) – для усиления сигналов до сотен МГц.

А также различают широкополосные и избирательные усилители.

Любой усилитель имеет структуру (рис. 2.1.): входную и выходную цепи, к которым подключается источник сигнала ЕГ и нагрузочное устройство RH, источник питания – ИП и усилительный элемент – УЭ (транзистор, микросхема). Процесс усиления связан с преобразованиемэнергии источника питания в энергию выходного сигнала Uвых усилителя.



В соответствии с разделением усилителей на усилители напряжения, тока и мощности различают:
1. Коэффициент усиления по напряжению:
 








Наличие одного только усилительного элемента (биполярного или полевого транзистора) без других элементов (резисторов, конденсаторов и т.д.) не может…  
Для обеспечения динамического режима работы усилительного элемента последовательно с ним в цепь постоянного источника…







 
Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов на биполярных… Усилитель (рис.2.6) включает в себя все элементы структурной схемы (рис.2.1): основными элементами усилителя являются…

Принцип работы УОЭ (рис.2.6).

Пусть входной сигнал отсутствует uвх=0. Через элементы усилителя протекает постоянный ток: Iбо - ток покоя базовой цепи транзистора, Iко- ток покоя коллекторной цепи транзистора, вызывающий между электродами транзистора падение напряжения покоя Uбэо и Uкэо. Важно правильно

обеспечить режим работы усилителя по постоянному току, т.е. Р.Т. (Iбо, Iко, Uкэо, Uбэо), так чтоб усилитель функционировал на линейном участке амплитудной характеристики. Это обеспечивается выбором Rк и Rб. На практике Rк выбирают равным (1÷10) кОм. Rб согласно закона Кирхгофа можно определить .

Номинальные значения Iбо, Iко, Uкэо, Uбэо выбирают по входным и выходным характеристикам транзисторов, которые приводятся в справочниках, или по переходным характеристикам (рис.2.5).

В соответствии с зависимостью Uкэ=f(Uбэ) на рис.2.5 напряжение Uкэ начинает уменьшаться(точка B/) при увеличении напряжения Uбэ, с того значения, когда начинает расти ток Iб (Iб=f(Uбэ)). Объясняется это тем, что увеличение Iб вызывает рост тока Iк через транзистор. Следовательно, увеличивается напряжение на резисторе Rк по закону Ома и в соответствии со 2-м законом Кирхгофа уменьшается напряжение на коллекторе транзистора Uкэ:

Uкэ = Eк - Iк Rк

(участок BA характеристики рис. 2.5). Этот линейный участок является рабочим и определяет интервал колебаний переменных напряжений на входе и выходе усилителя относительно постоянных значений Uкэо и Uбэо. Таким образом, эти значения Uбэ0 и Uкэ0 лежат в середине линейного участка, они обозначены Р.Т., т.е. это рабочая точка усилителя. По статической характеристике Iб=f(Uбэ) определяется ток покоя базы Iбо, ему соответствует ток покоя коллектора Iк0=bIбо. Совокупность значений Iбо, Iко, Uкэо, Uбэо транзистора задаёт режим покоя. Накладывая на указанные постоянные составляющие переменные составляющие от входного сигнала в пределах участка AB, получим колебания напряжений на электродах транзистора, соответствующие линейному режиму.

Работа усилительного каскада может быть пояснена с помощью рис.2.7. Пусть напряжение на входе усилителя возрастаетна величину DUвх, это приведет к увеличению напряжения DUбэ, входного базового тока Iб и тока коллектора транзистора . Сопротивление коллектор-эмиттерного перехода транзистора падает и, согласно закона Ома, уменьшается напряжение Uкэ=Uвых. Сказанное можно записать с помощью условной диаграммы: (где знак - величина возрастает, - величина уменьшается). Если входное напряжение будет изменяться по синусоидальному закону , то выходное напряжение также имеет синусоидальную форму (это хорошо иллюстрирует временная диаграмма работы усилителя (рис.2.7)). Следует заметить, что усилитель меняет фазу сигнала на 1800 (см. рис. 2.7), это означает, что УОЭ является инвертирующим.

Благодаря тому, что ток коллектора во много раз превышает ток базы (b=20÷200), а сопротивление Rк больше Rвх, выходное напряжение усилительного каскада с коллекторной нагрузкой получается во много раз больше входного напряжения, а коэффициент усиления по напряжению УОЭ составляет Кu = 10 ¸ 100.

Для температурной стабилизации усилительного каскада, т.е. фиксации положения рабочей точки на линейном участке характеристики, в цепь эмиттера включают резистор Rэ, шунтированный конденсатором Сэ (рис.2.6). Повышение температуры окружающей среды приводит к увеличению токов транзистора Iбо и Iко () и изменению положения РТ (рис.2.5). Режим работы по постоянному току входной цепи УОЭ (рис.2.6) определяется по 2-му закону Кирхгофа , поэтому увеличение Iэ0, согласно этому уравнению, приводит к уменьшению Uбэо, т.к. первое слагаемое уравнения постоянно и не зависит от Т оС. Уменьшение Uбэо закрывает транзистор Т и уменьшает Iбо до прежней величины. Сказанное отражается с помощью условной диаграммы:

ΔToC↑→ Iбо ↑→ Iко ≈ Iэо ↑→ Uбэо ↓→ Uбо

Однако включение резистора Rэ уменьшает Кu усилителя, т. к. часть полезного (усиливаемого сигнала) uвх выделяется на нем и не усиливается транзистором (уравнение для входной цепи усилителя по переменному току запишется uбэ=uвх-Rэiэ). Чтобы этого избежать резистор RЭ шунтируется конденсатором СЭ, емкость которого выбирается таким образом, чтобы для всех частот усиливаемого переменного сигнала его сопротивление было много меньше RЭ, тогда переменная составляющего тока эмиттера проходит через конденсатор СЭ, почти не вызывая падения напряжения на резисторе RЭ. В результате падение напряжения на резисторе RЭ от постоянной составляющей тока практически не меняется, а, следовательно, переменное напряжение на входе каскада оказывается равным переменному напряжению между базой и эмиттером uвх»uбэ, т.е. усиливаемое напряжение не меняется за счет цепочки RэСэ (стабильно при изменении температуры).

Приведенная схема усилительного каскада хорошо стабилизирована в диапазоне температур от –60°C до +60°C, при этом значение сопротивления RЭ выбирают наименьшим по величине (обычно Rэ»(10¸100) Ом), чтобы обеспечить минимальные энергетические потери.

Характеристики УОЭ:

вся современная циФровая техника построена, в основном, на полевых моп (металл-оксиД-полупровоДник)-транзисторах (мопт), как более экономичных, по сравнению с бт, элементах. иногДа их называют мДп (металл-Диэлектрик-полупровоДник)- транзисторы. межДунароДный термин — mosfet (metal-oXIde-semIconductor fIeld effect transIstor). транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на оДном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» Для построения микросхем логики, памяти, процессора и т. п. размеры современных мопт составляют от 90 До 25 нм. в настоящее время на оДном современном кристалле площаДью 1—2 см? могут разместиться несколько (пока еДиницы) миллиарДов мопт. на протяжении 60 лет происхоДит уменьШение размеров (миниатюризация) мопт и увеличение их количества на оДном чипе (степень интеграции), в ближайШие гоДы ожиДается ДальнейШее увеличение степени интеграции транзисторов на чипе. первые патенты на принцип работы полевых транзисторов были зарегистрированы в германии в 1928 гоДу (в канаДе, 22 октября 1925 гоДа) на имя австро-венгерского Физика юлия эДгара лилиенФельДа.

 в 1934 гоДу немецкий Физик оскар хейл запатентовал полевой транзистор. полевые транзисторы (в частности, моп-транзисторы) основаны на простом электростатическом эФФекте поля, по Физике они существенно проще биполярных транзисторов, и поэтому они приДуманы и запатентованы заДолго До биполярных транзисторов. тем не менее, первый моп-транзистор, составляющий основу современной компьютерной инДустрии, был изготовлен позже биполярного транзистора, в 1960 гоДу. только в 90-х гоДах XX века моп-технология стала Доминировать наД биполярной.

первоначально название «транзистор» относилось к резисторам, управляемым напряжением. в самом Деле, транзистор можно преДставить как некое сопротивление, регулируемое напряжением на оДном электроДе (в полевых транзисторах — напряжением межДу затвором и истоком, в биполярных транзисторах — напряжением межДу базой и эмиттером).

          

       ·USB

       ·HDMI

       ·DisplayPort

       ·S-Video

По
типу устройства использования:

       ·в телевизорах

       ·в компьютерах

       ·в телефонах

Читать статью "Российская радиоэлектроника - мираж или реальность?" далее:


Дата добавления: 2014-01-31; просмотров: 847; Опубликованный материал нарушает авторские права?.


Наверх