Интегралдық микросхемалар туралы түсінік

Дата: 2025-06-02; Просмотры: 10

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Қазіргі электрондық құрылғылар өте күрделі және көп элементті болып келеді. Әрине элементтер саны көбейген сайын құрылғының салмағы, көлемі және бағасы артады, ал сенімді жұмыс жасау мүмкіндігі азяды. Аталған мәселелерді шешугі электрондық құрылғыға кіретін элементтерді кішірейту және оларды атқаратын міндеттеріне қарай топтастырып жасау маңызды орын алады. Мәселен, күшейткіш каскадты, түрлендіргішті т. б. бір элемент етіп жасаса, құрылғыны жинастыру жөндеу жұмыстарының жеңілдейтіні хақ. Бірнеше ұзақ электронды элементтерден тұратын және белгілі бір жұмысты атқаратын электрондық нәрсені интегралдық микросхема деп атайды.

Мұндағы интегралдық сөзі жиынды деген ұғымды білдіреді. Интегралдық микросхеманың негізгі параметрлері жинастыру тығыздығы деп интегралдық микросхеманың бір текше сантиметр көлемінде орналасқан элементтердің санын айтады.

Микросхеманың интеграциялық дәрежесі оның құрамындағы элементтердің жалпы санымен анықталады. Әдетте егер микросхеманың құрамында он элементке дейін болса, бірінші интеграциялық дәрежелі, жүзден мыңға дейін элемент болса үшінші интеграциялық дәрежелі т.с.с. деп саналады. Интеграциялық дәрежесі мыңнан артық интегралдық схемалар үлкен интегралдық схема деп аталады.

Жасалу технологиясына қарай интегралдық микросхемалар шала өткізгішті және гибридті болып бөлінеді. Шала өткізгішті интегралдық микросхмаларда оның барлық элементтері және оларды жалғау шала өткізгіш материалдың ішінде немесе үстінде орындалады (1-сурет). Шала өткізгіштің үсті диэлектрик болып есептелетін силицийдің қос тотығымен жабылған, ал элементтердің арасындағы изоляция міндетін р-түрлі силиций атқарады. Элементтер металл қабықшаларымен жалғанған. Шала өткізгіштің көлемі ішінде диодтарды, транзисторларды, резисторларды және конденсаторларды жасауға болады. Конденсаторлардың сыйымдылығы пайдаланылады.

Шала өткізгіші интегралдық микросхемаларды жасау технологиясы өте күрделі және көп қаржы жұмсауды керек етеді. Сондықтан оларды пайдалану өте көп мөлшерде шығарғанда ғана тиімді.

1-сурет. Шала өткізгішті интегралдық микросхемалар

Гибридті интегралдық микросхемаларда резисторлар, конденсаторлар мен индуктивті шарғылар төсеніштің үстіне әртүрлі әдіспен жұқтырылатын қабықшалардың көмегімен орындалады да, ал шала өткізгішті нәрселер төсенішке жеке-жеке бекітіледі. Осылайша дайындалған интегралдық микросхемалар қорапшаның ішіне орналастырылады да, сыртына керекті ұштары ғана шығарылады.

Гибридті интегралдық микросхемаларды жасау технологиясы шала өткізгішті интегралдық микросхемалардың технологиясына қарағанда оңай, элементтерге параметрлер беру дәлдігі жоғары, базасы арзан. Бірақ массасы және көлемі үлкен де, интеграциялық дәрежесі төмен.

Қазіргі интегралдық микросхемалардың интеграциялық дәрежесі өте жоғары және функционалдық қолданымы жан-жақты болып келеді. Интегралдық микросхемалардың басты кемшілігі берер қуатының аздығы.

Нұсқау

Түзулеткіш вентильді былай таңдайды, орташа І_а және максимал І_{а мах} вентиль арқылы ток мәні, сонымен қатар қайта сондағы, кернеу U_{b max} , берілгеннен аспады. Бұл өлшемдіктер берілген мәндерінің түзулеткішінің тогы І_d және кернеу U_d түзулеткіш схемаға қатысты анықтайды.

Түзулеткіш схемада ток пен кернеудің ара-қатынасы 1-кестеде көрсетілген. Бұларды справочниктерден және керекті әдебиеттерден табуға болады.

1-кесте

Мұндағы:

U_d – түзулеткіш кернеудің орташа мәні;

U_{b мах} – кернеудің қайта максимал мәні;

I_a – токтың орташа мәні вентиль арқылы;

I_{a мах} – токтың максимал мәні;

I_d –түзулеткіш токтың орташа мәні;

P_d=U_bI_d – түзулеткіш токтың қуаты;

К_т – Трансформатордың трансформация коэффициенті.

Трансформацияның коэффициенті U_d / U₂ қатынасы арқылы анықталады, мұнда U₂ – фазалық ЭДС.

Өлшемдер мәні, алынған қатынастан, келтірілген 3,4 және 5 графаларда каталогтардан вентильдер таңдалынады.

Кей жағдайларда, есептеу қайта кернеу түзулеткіші асады U_{b мах} , бір вентилі, кейінгі қосылу вентилі қолданады (1-сурет). Вентильдердің әрқайсысын кедергілермен шунтировать ету керек, қайта кедергіден біршама аз сол үшін, қайта кернеу вентильдер арасында біркелкі бөліну керек.

Үлкен түзу токтың вентилін өткізу үшін параллель қосу керек (2-сурет). Терманиевый және кремнеевый вентильді қолданған кезде, түзу токтары біркелкі болу үшін аздаған қосымша кедергіні қосу керек. Селеновый вентильдер бірдей параметрлі болады және параллельді немесе бірінен кейін бірі қосылуы мүмкін.

Негізгі проектілі параметрлер жақындата, онда жоғалтусыз анықтайды. Жобалық параметрлерге: кернеу және фазалық токтың бірлік орамы, трансформатордың бірлік қуаты жатады. Алмастыра кенотронды немесе газотолық вентильдер, кернеудің түсуін ескерген жөн. Жақындата кернеу түсу газотронын 10В, титатронда 15В, кенатронда 20В.

Сызықтық немесе уақытша диаграмма деп – кернеу мен токтың әртүрлі схемасында уақытша өзгеруін айтады. Ток пен кернеулер осі арқылы еркін масштабта қалдырылады. Диаграммалар бір масштаб уақытында құрылады. Диаграммаларды бір жарым периодта құрастырған жөн.

Принципиалдық схемада көрсеткен жөн: Питающий трансформатор, шунтирующий комплект вентильдері (егер олар болса), жүк кедергі активті түрінде. Схемада накал цепидің накал трансформаторын көрсеткен жөн.

Нұсқау

Күшейткіштерді есептеген кезде жартылай өткізгіштіктер триодтарда n-параметрларымен қолданады, жиі кездесетін справочниктерде кездеседі.

Есептейтін формулалар h-параметрін қолданып, күшейткіштерін анықтау үшін – триод жартылай өткізгіштіктердің схема қосылған ОБ немесе ОЭ бірдей және R « 1/h₂₂, болғанда мынадай түр береді:

K₁ = -h₂₁; R_вых = (h₁₁+R_r) / (∆h+h₂₂+R).

Мұндағы:

∆h – h параметрінің анықтауыш матрицасы,

∆h = h11*h22 - h12*h21.

Осы формулаға h-параметрін қоя отырып, өлшенген қызықтырған бізге схемада жанық триодымен аламыз, егер h параметр триоды өлшенген схемада ОБ, не мәндері К, күшейткіште ОБ схемасында анықталады.

Егер параметрлері өлшенген схемада ОБ, ал күшейткіш ОЭ схемасымен саналады, тағы да параметрді есептеп жіберу керек. Бұл үшін белгілі h параметр триодын анықтайды, формула арқылы.

a = -h₂₁; r₆ = h₁₂*r_k;

r_k = 1/h₂₂; r_э = h₁₁-r_б(1-a).

Сонан кейін, триодтың ішкі параметрлерімен алынған ОЭ схемасы бойынша оның h-параметрін есептейді.

h₁₁ = [ r _э +r _б (1-a) ] / (1-a);

h₁₂ = r _э / r _б (1-a).

h₂₁ = a / (1-a);

h₂₂ = r _э / r _б (1-a).

Онан соң, осы өлшемдерді пайдалана отырып, триодтың күшейткішінің негізгі көрсеткішін есептейді, басында келтерілген формулаға байланысты ОЭ схемасы бойынша.

Лекция 14

Айырымдық сигналдарды күшейту және синфаздық сигналдарды әлсірету тәсілдері.

1.Синфаздық бөгеттердің коэффициентін жоғарлату әдістері.

2.Транзистор каскадының күшейткіш кернеуі, реостат-көлемі төменгі фазалық байланысы, ОЭ схемасымен жағылған, келесі реттермен жүргізіледі:

1. Күшейткіш схема каскадымен бейнеленеді және әрбір элементті түсіндіреді.

2.Транзистор типін анықтайды, бұған анықтау:
а) U_{кэ доп} > (1,1 - 1,3) Е_н , мұнда: U_{кэ доп} - коллектор мен эмиттер арасында жіберілген кернеуді анықтамаларда тапса болады.
б) I_{к доп} > 21_нм = 2(U_{вых м} / R_u)

I_км - жүктеме токтың амплитуда мүмкіндігі.

I_{к доп} - коллекторлы ток, анықтамада алынады.

Таңдап алынған транзистор типіне байланысты алынатын өсу коэффициенті ток бойынша ОЭ β_мин и β_м кейбір анықтамаларда ток бойынша өсу коэффициенті ОБ схемасы бойынша және коллектордың бастапқы тогы - І_кн. Сонда β = a/(1-a), сонымен қатар P_k = U_k*I_k – жіберілген қуат, транзистордағы қалыпты жұмыс істеу температурасы.

Күшейткіш каскадтарының кернеуіне, мынадай типті транзисторлар қолданады: П6; П13; П16; МП33; Мп42 және де т.б., сол берілген диапазондық температураны қанағаттандырады.

3. Миллиметрлік қағазға бір мінездемені сызу керек I_б = f(U_бэ) соның жағдайында U_кэ=-5 В және шықпалық статикалық мінездеме I_k = f(U_кэ) соның жағдайында I_б = const. Бірнеше нүктелерден қуаттың қисығы, транзисторда жайылған P_k=U_k*I_k=const .

4. Транзистордың жұмыс режимін анықтау үшін жүкті түзу мінездемесі құрылады (1-сурет). Жүкті линия екі нүктеден құрылады: 0 – тыныштық нүктесі және 4 – кернеу бастапқысы питаниямен анықталады Е_п. Координаттармен 0-мен байланысты, тыныштық тогы I_kо кернеу тыныштығы U_kоэ (ток және кернеу, U_вх=0 ).

U_кэо = U_{вых м}+ U_ост Мұнда: U_ост - U_кэ<U_ост.
Аз күштi транзисторлар үшiн U_ост=1 В қабылдауға болады.

5. Кедергiнiң үлкендiгiн R_k және R_э анықтайды. Шығыс характеристикаларына қарап эмиттер-коллектор R_общ = R_k+ R_э тiзбегiндегi жалпы кедергiнi анықтайды; R_об=Е_n / I, бұнда I – ток, ол ток осi мен кернеулiк түзуідің қиылысқан нүктесiнде анықталады.

R_э=(0,15÷0,25) R_k деп қабылдасақ, онда

R_k= R_об / (1,15÷1,25);

R_э= R_об - R_k аламыз.

6. Берiлген мәндi қамтамасыз ету үшiн токтың кiрiс сигналдарының I_вхм және кернеудiң U_вхм керектi ең үлкен амплитудалық мәндерi анықталады. Ток бойынша транзистордың күшею коэффициентiнiң ең кiшi мәнiн β_мин алып

I_{вх мин}= I_{б мин}= I_{к мин} / β_мин;

I_{вх м} = I_{б м}= I_{к м} / β_мин анықтайды; сонда I_{вх м} = I_{б м} = I_{б м} - I_{б мин} / β_мин.

ОЭ схемасы үшiн кiрiс статистикалық характеристикасы арқылы, U_к=-5В (2-сурет) кезiнде алынған және табылған I_{б мин} және I_{б м} мәндерi арқылы 2U_{вх м} үлкендiгiн табады.

7. Айнымалы токқа каскадтың кiрiс кедергiсiн анықтайды (R₁ және R₂ кернеу бөлгiштерiн есептемегенде):

R_бх = 2U_{вх м} / 2I_{б м}

6. Кедергi R₁ және R₂ бөлгiштерiн анықтайды. Бөлгiштердiң шунтирлiк iстерiн азайту үшiн айнымалы токтағы каскадтың кiрiс тiзбегiне

R_1-2 ≥ (8÷12) R_вх~, бұл жерде R_1-2 = R₁R₂ / (R₁+R₂);

сонда R₁ = Е_nR_1-2/ R_эI_э = Е_nR_1-2 / I_коR_э;

R₂= R₁R_1-2 / (R₁ - R_1-2).

9. Каскадтың бiрқалыпты жұмыс коэффициентiн анықтайды:

S=[ R _э (R₁+R₂)+ R₁*R₂] / [ R _э (R₁+R₂)+ (R₁*R₂)/(1+ β_м )]

мұндағы β_м – арнайы алынған транзистор тогы бойынша күшеюдiң ең үлкен болмысты коэффициентi. Каскадтың жақсы iстеп тұруы үшiн бiрқалыптылық коэффициентi S бiрнеше бiрлiктен аспауы тиiс.

10. Бөлiнгiш конденсатордың көлемi анықталады:

С_р =1/(2 π f _н * R _вых (√M_H²-1)) ;

R _вых = (R _{вых т} R _к / (R _{вых т} +R _к ))+ R _н

мұндағы R _вых – транзистордың шығыс кедергiсi, бұл шығыс статистикалық харатеристикалары арқылы анықталады. Көп жағдайларда R _{вых т} >>R _вых, сондықтан R _вых = R _к +R _н деп алуға болады.

11. Конденсатор көлемiн анықтайды:

С_э ≥10/ 2 π f _н * R _э

12. Кернеу бойынша каскадтың күшею коэффициентiн анықтайды:

К _U = U _{вых м} / U _{вх м}

ОЭ схемасы бойынша қосылған күшт i қуатты б i р тактылы транзисторлы каскадтың бағамы келес i тәрт i ппен орындалады (3-сурет):

1. Күшейткiш каскадтың схемасын көрсетедi және бұл схеманын әр элементiнiң орындалуын көрсетедi

2. Транзистор түрiн таңдайды, ол үшiн қуатты анықтайды Р₀, ол транзисторда көрiнедi P₀ = P~/ŋ_к , бұл жерде ŋ_к – транзисторды қолдану коэффициентi (ŋ_к=0,035÷0,45; қорек кернеуi Е_р көп болған сайын, ŋ_к-да көп болады); P~ - транзистор беретiн қуат; P~=P_вых / ŋ_т ; мұнда ŋ_т – трансформатордың КПД-сы, 0,7÷0,9 тең қабылдайды.

Кернеудiң құлауын трансформатордың бiрyшiлiктi орамында активтi кедергiлерi r_T1 және кедергiлерi R_э арқылы жобалап алынады:

∆U = Ur_T1+U_R3 = (0,2÷0,3)E_n.

Сонда ең үлкен кернеу транзисторда мынаған тең:

U_кэм = E_п - ∆U/η_к.

Р_о жане U_кэм табылған мәнi бойынша транзистор типiн анықтайды.

Ескерту. Таңдалған транзистор типi үшiн жазылады: коллектор тогы I_{к доп}; коллектордағы кернеу U_{кэ доп};Р_{о доп} транзисторындағы ең үлкен жайылу қуаты; β_мин ток бойынша ең аз күшею коэффициентi; I_{к н} коллектордың бастапқы тогы; r_тт жылулық кедергiсi; Т_тц ең үлкен жiберiлетiн коллекторлық өтiмдiлiк температурасы

3. Миллиметрлiк кағазға бiр кiрiстi статикалық мiнездемесiн II_б = f(U_бэ), U_кэ=-5 В болса және шығыс статикалық мiнездемелерiнiң ұйымы I_k = f(U_кэ) егер I_б = const болса, бұларға бiрнеше нүктелерде қисықты жiберiлетiн қуат тұрғызылған, ал ол транзисторда жайылады P_k=U_k*I_k=const .

4. Кернеулiк түзудi тұрғызады. Шығыс статикалық мiнездемеде тынышталу нүктесiн табады (жұмыс iстейтiн және тыныштықта (4-сурет). Ол үшiн U_вх = 0 кезде коллектордағы кернеудi және коллектордың тыныштық тогын анықтау керек:

U_коэ = Е_п - ∆U;

I_ко=Р₀ / U_коэ.

Бұл түзудiң екiншi нүктесi I_к = 0 болғанда табылады, онда U_{к э}= U_{кэ м}.

0 мен 1 нүктелері арқылы түзулi кернеудi өткiзедi. I_{к мин} ≈ 0 деп қатесiз ала берсек болады. Осыдан кейiн жұмыс орталығы 2 мен 3 нүктелер арасында табылады. Шығыс сигналының ең үлкен мүмкiн амплитудалық кернеуi U_км= U_коэ - U_ост.

Ток амплитудалары I_{к м} 0 мен 3 нуктелер анықтайды (немесе 0 мен 5 нуктелер). Бұдан кейiн тексеру керек, тандалған режим берiлген қуатты Р_вых қамтамасыз ете, ме жок па.

Құрылған кернеулiк түзумен сәйкесiнше P^I~=2 U_км * 2 I_км / 8 табады. Таңдалған режим дұрыс таңдалған болса P^I~>P_вых / ŋ_к. Егер бұл шарт орындалмаса, онда кернеулiк түзудiң қисаюын үлкейту керек (I мәнiн үлкейтiп алу керек).

Мысал

Күшейткіштерді есептеген кезде жартылай өткізгіштіктер триодтарда n-параметрларымен қолданады, жиі кездесетін справочниктерде кездеседі.

Есептейтін формулалар h-параметрін қолданып, күшейткіштерін анықтау үшін – триод жартылай өткізгіштіктердің схема қосылған ОБ немесе ОЭ бірдей және R « 1/h₂₂, болғанда мынадай түр береді:

K₁ = -h₂₁; R_вых = (h₁₁+R_r) / (∆h+h₂₂+R).

Мұндағы:

∆h – h параметрінің анықтауыш матрицасы,

∆h = h11*h22 - h12*h21 = 30*0,000002 - 0,003*(-0,93) = 0,00285 .

K_U = (h₂₁/h₁₁)*R_k = 5,25*10^-6; R_вх = h₁₁ = 30

K₁ = -h₂₁ = 0,93; R_вых = (h₁₁+R_r) / (∆h+h₂₂+R) = 93,8*10³.

Осы формулаға h-параметрін қоя отырып, өлшенген қызықтырған бізге схемада жанық триодымен аламыз, егер h параметр триоды өлшенген схемада ОБ, не мәндері К, күшейткіште ОБ схемасында анықталады.

Егер параметрлері өлшенген схемада ОБ, ал күшейткіш ОЭ схемасымен саналады, тағы да параметрді есептеп жіберу керек. Бұл үшін белгілі h параметр триодын анықтайды, формула арқылы.

a = -h₂₁; r₆ = h₁₂*r_k;

r_k = 1/h₂₂; r_э = h₁₁-r_б(1-a).

Сонан кейін, триодтың ішкі параметрлерімен алынған ОЭ схемасы бойынша оның h-параметрін есептейді.

h₁₁ = [ r _э +r _б (1-a) ] / (1-a);

h₁₂ = r _э / r _б (1-a).

h₂₁ = a / (1-a);

h₂₂ = r _э / r _б (1-a).

Онан соң, осы өлшемдерді пайдалана отырып, триодтың күшейткішінің негізгі көрсеткішін есептейді, басында келтерілген формулаға байланысты ОЭ схемасы бойынша.

Оптоэлектроника – бұл электрлік және құбылыстар қатар қолданылатын негізде жасалған генерация, қайта жасап шығару, мәліметтердің есте қалуын және сақталуын қарастыратын техника мен ғылымның саласы болып табылады. Оптоэлектрондық құрылғылар өз жұмысында оптикалық диапазонының электромагниттік шағылуын қолданады.

Қазіргі заманғы микроэлектроника электронды аппаратураның бәріне ортақ микроминиатюризация мәселесін әлі шеше алмай отыр. Мұндай трансформатор, разъеледі, контактілер, үлкен көлемді конденсаторлар сияқты дәстүрлі элементтер өздерінің габариттерінің үлкен болуына байланысты интегралды компоненттермен нашар орналасады. Әсіресе ерекше қиындықтарды жоғары және төмен вольтты екі жүйенің байланысын электрлік изоляциялауды қамтамасыз ету тудырады. Шынында, мұндай мәселе үлкен электроэнергияны жоғары вольтты құрылғылармен жасау кезінде туындайды. Мұндай жағдайда оптоэлектроника әрдайым көмекке келеді. Байланыстың оптикалық каналын қолдану кез келген жүйенің сенімді электрлік изоляциясын қамтаасыз етеді, реактивті және контактілі компоненттердің ескертілуін, құрылғының жұмыс сенімділігін жоғарлатады.

Оптоэлектрониканың элемент базасының құрамында:

1. Оптошағылдырғыштар – электрлік энергияны жарықтыққа түрлендіргіштер.

2. Шағылысудың фотоэлектрлік қабылдағышы (фотоқабылдағыш) – жарық энергиясын электрлікке түрлендіргіштер.

3. Оптоэлектронды приборлар – мәліметтердің жарық каналы бойынша берілуі кезіндегі энергияны электрлік изоляциялайтын құрылғылар.

4. Жарық диоды.

Лекция 15

Оптоэлектроника.

1. Оптрондар.

2. Фотодиод.

3. Оптопара.

Оптоэлектрондар деп көрінетін, инфрақызыл және ультракүлгін аймақтардағы электромагниттік шағылысуға сезімтал болып келетін, және де осындай шағылысуды тудыратын немесе қолданатын приборларды айтады.

Көрінетін, инфрақызыл және улбтракүлгін аймақтардағы шағылысуды спектрдің оптикалық диапазонына жатқызады. Әдетте, айтылған диапазонға ұзындығы 1нм-ден 1мм-ге дейінгі электромагнитті толқындарды жатқызамыз. Сәйкесінше олар шамалап 0,5*10¹² Гц-тен 5*10¹⁷ Гц-ке дейінгі жиілікке сәйкес келеді.

Тәжірибеде шағылысу көздері (шағылыстырушылар), шағылысуды қабылдағыштар (фотоқабылдағыштар) және оптрондар (оптопаралар) сияқты приборлар кеңінен қолданылады.

Оптрон деп бір корпусқа біріктірілген және орналастырылған шағылысу көзі мен қабылдағышы бар құрылғыны айтады.

Ал шағылысу көздерінен жарық диоды мен лазерлер, ол қабылдағыштардан – фоторезисторлар мен фототиристорлары кеңінен қолданатын құрылғыларды тапты.

Өзінің қызметінде жарықдиоды – фотодиод, жарық диоды – фототиристор сияқты жұптар қолданылатын оптрондар кеңінен қолданылады.

Енді оптоэлектронды құрылғылардың ең негізгі жарықтарымен танысайық:

· Мәліметтерді жіберу оптикалық каналдарының жоғары ақпаратты сыйымдылығы

· Шағылыс қабылдаушы мен көзі арасындағы толық гальваникалық байланыс

· Шағылыс қабылдағыштың дерек көзіне әсер етуінің жоқтығы (мәліметтердің бірбағыттылығы)

· Оптикалық каналдардың электромагнитті өрісте еленбеушілігі