Интегральные микросхемы: определение, обозначение, назначение

Неизвестно, кому первому пришла мысль выполнить два или более транзисторов на одном кристалле полупроводника. Возможно, эта идея возникла сразу после начала выпуска полупроводниковых элементов. Известно, что теоретические основы такого подхода были опубликованы в начале 50-х годов прошлого века. Меньше 10 лет ушло на преодоление технологических проблем, и уже в начале 60-х годов было выпущено первое устройство, содержащее в одном корпусе несколько электронных компонентов – микросхема (чип). С того момента человечество встало на путь совершенствования, которому пока не видно конца.

История

Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных плёнок, проявляющихся в эффекте плохой электро-проводимости при небольших электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, что в месте соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к открытию диодов а позже транзисторов и интегральных микросхем.
В 1958 году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был одним из основателей небольшой компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor. Обоих объединил вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и учёные решили попробовать их объединить на одном монолитном кристалле из полупроводникового материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний. В 1959 году они отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения — началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов. После того как в 1961 году Fairchild Semiconductor Corporation пустила интегральные схемы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность.

Первая советская полупроводниковая микросхема была создана в 1961 г. в Таганрогском радиотехническом институте, в лаборатории Л. Н. Колесова.

Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была разработана (создана) на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ (Микрон). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов — эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год).

Идея устройства интегральной схемы

Идея устройства микросхемы состояла в том, чтобы взять полную схему со всеми многочисленными электронными компонентами и связями, с последующим воссозданием в микроскопической форме на поверхности куска кремния. Благодаря этой идее появились всевозможные виды «микроэлектронных» гаджетов, которые сейчас воспринимаются как должное:

• цифровые часы,
• карманные калькуляторы,
• космические ракеты,
• спутниковая навигация и многое другое.

Интегральные схемы произвели настоящую революцию в электронике и вычислительной технике в период 1960 — 1970-х годов. Постепенно интегральные схемы модернизировались, что сопровождалось увеличением масштабов интеграции электронных компонентов при сохранении (и даже уменьшении) малых габаритных размеров:

• Маломасштабная интеграция (SSI)
• Среднемасштабная интеграция (MSI)
• Крупномасштабная интеграция (LSI)
• Очень крупномасштабная интеграция (VLSI)
• Ультра крупномасштабная интеграция (ULSI)

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.

Будет интересно➡ Все о блоках питания — схема устройства, изготовление своими руками

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.

Интересно почитать: что такое клистроны.

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. спустя год подала заявку на патент.

Тем временем представитель другой — 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

Чем являются логические интегральные схемы (ИС)

По сути, это микроэлектронное устройство, которое базируется на кристалле произвольной сложности, что изготовлено на полупроводниковой плёнке или пластине. Оно помещается в неразборный корпус (хотя может обойтись и без него, но только когда он является частью микросборки). Первая интегральная схема была запатентована в 1968 году. Это стало своеобразным прорывом в промышленности, хотя предоставленное устройство и не очень сильно соответствовало современным представлениям по своим параметрам. Интегральные схемы в массе своей изготавливаются для поверхностного монтажа. Часто под ИС понимают один только кристалл или плёнку. Наибольшее распространение получила интегральная схема на пластине кремния. Так вышло, что его применение в промышленности имеет ряд преимуществ, например, эффективность передачи сигналов.

Краткая историческая справка.

Первые опыты по созданию полупроводниковых интегральных схем были осуществлены в 1953 г., а промышленное производство интегральных схем началось в 1959 г. В 1966 г. был начат выпуск интегральных схем средней степени интеграции (число элементов в одном кристалле до 1000). В 1969 г. были созданы интегральные схемы большей степени интеграции (большие интегральные схемы, БИС), содержащие до 10000 элементов в одном кристалле.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

В 1971 г. были разработаны микропроцессоры, а в 1975 г. — интегральные схемы сверхбольшой степени интеграции (сверхбольшие интегральные схемы, СБИС), содержащие более 10000 элементов в одном кристалле. Полезно отметить, что предельная частота биполярных транзисторов в полупроводниковых интегральных схемах достигает 15 ГГц и более.

К 2000 г. ожидается появление интегральных схем, содержащих до 100 млн МОП транзисторов в одном кристалле (речь идет о цифровых схемах).

Что такое интегральная микросхема

Интегральная микросхема — это миниатюрный электронный блок, содержащий в общем корпусе транзисторы, диоды, резисторы и другие активные и пассивные-элементы, число которых может достигать нескольких десятков тысяч.

Одна микросхема может заменить целый блок радиоприемника, электронной вычислительной машины (ЭВМ) и электронного автомата. «Механизм» наручных электронных часов, например, — это всего лишь одна большей микросхема.

По своему функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на две основные группы: аналоговые, или линейно-импульсные, и логические, или цифровые, микросхемы.

Аналоговые микросхемы предназначаются для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний разных частот, например, для приемников, усилителей, а логические — для использования в устройствах автоматики, в приборах с цифровым отсчетом времени, в ЭВМ.

Этот практикум посвящается знакомству с устройством, принципом работы и возможным применением самых простых аналоговых и логических интегральных микросхем.

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.

Уровни проектирования

• Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.
• Электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.).
• Логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.).
• Схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехническая схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.).
• Топологический — топологические фотошаблоны для производства.
• Программный уровень (для микроконтроллеров и микропроцессоров) — команды ассемблера для программиста.

В настоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается при помощи САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.

Как создаются интегральные схемы?

Как изготовить чип памяти или процессор компьютера? Процесс производства начинается с химического элемента — кремния, который химически обрабатывается (легируется) для придания различных электрических свойств.

ЧИП ПАМЯТИ

Современное исполнение интегральной схемы (одна из многочисленных форм), установленной на электронной плате устройства. Это далеко не самый продвинутый вариант, а лишь один из многих

Традиционно для нужд электроники используются материалы двух категорий:

1. Проводники.
2. Изоляторы.

Но технически всё сложнее, особенно когда дело касается определенных элементов середины таблицы Менделеева (группы 14 и 15), в частности, кремния и германия. Что примечательно — материалы изоляторы способны переходить в разряд проводников, если к этим материалам добавить некоторое количество примесей. Процесс, известный как легирование.

PLCC корпус

PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) и СLCC (Ceramic Leaded Chip Carrier) — соответственно пластиковый и керамический корпус с расположенными по краям контактами, предназначенными для установки в специальную панельку, в народе называемую «кроваткой». Типичным представителем является микросхема BIOS в ваших компьютерах.

Вот так примерно выглядит «кроватка» для таких микросхем

А вот так микросхема «лежит» в кроватке.

Иногда такие микросхемы называют QFJ, как вы уже догадались, из-за выводов в форме буквы «J»

Ну и количество выводов ставится после названия корпуса, например PLCC32.

Производство.

Изготовление интегральной схемы может занимать до двух месяцев, поскольку некоторые области полупроводника нужно легировать с высокой точностью. В ходе процесса, называемого выращиванием, или вытягиванием, кристалла, сначала получают цилиндрическую заготовку кремния высокой чистоты. Из этого цилиндра нарезают пластины толщиной, например, 0,5 мм. Пластину в конечном счете режут на сотни маленьких кусочков, называемых чипами, каждый из которых в результате проведения описываемого ниже технологического процесса превращается в интегральную схему.

Процесс обработки чипов начинается с изготовления масок каждого слоя ИС. Выполняется крупномасштабный трафарет, имеющий форму квадрата площадью ок. 0,1 м2. На комплекте таких масок содержатся все составляющие части ИС: уровни диффузии, уровни межсоединений и т.п. Вся полученная структура фотографически уменьшается до размера кристаллика и воспроизводится послойно на стеклянной пластине. На поверхности кремниевой пластины выращивается тонкий слой двуокиси кремния. Каждая пластина покрывается светочувствительным материалом (фоторезистом) и экспонируется светом, пропускаемым через маски. Неэкспонированные участки светочувствительного покрытия удаляют растворителем, а с помощью другого химического реагента, растворяющего двуокись кремния, последний вытравливается с тех участков, где он теперь не защищен светочувствительным покрытием. Варианты этого базового технологического процесса используются в изготовлении двух основных типов транзисторных структур: биполярных и полевых (МОП).

SOP корпус

SOP (Small Outline Package) — то же самое, что и SOIC.

Модификации корпуса SOP:

PSOP — пластиковый корпус SOP. Чаще всего именно он и используется.

HSOP — теплорассеивающий SOP. Маленькие радиаторы посередине служат для отвода тепла.

SSOP(Shrink Small Outline Package) — » сморщенный» SOP. То есть еще меньше, чем SOP корпус

TSSOP(Thin Shrink Small Outline Package) — тонкий SSOP. Тот же самый SSOP, но «размазанный» скалкой. Его толщина меньше, чем у SSOP. В основном в корпусе TSSOP делают микросхемы, которые прилично нагреваются. Поэтому, площадь у таких микросхем больше, чем у обычных. Короче говоря, корпус-радиатор).

SOJ — тот же SOP, но ножки загнуты в форме буквы «J» под саму микросхему. В честь таких ножек и назвали корпус SOJ:

Ну и как обычно, количество выводов обозначается после типа корпуса, например SOIC16, SSOP28, TSSOP48 и тд.

Основные виды современных микросхем

Важно понимать, что прогресс не стоит на месте: с каждым годом список основных видов микросхем терпит значительные изменения, кроме того, расширяется их ассортимент.

Типы микросхем различны, в зависимости от основных критериев оценки.

По назначению:

1. Цифровые. Необходимы для обработки специального сигнала, выраженного в цифровом коде. Имеют значительное количество преимуществ перед другими видами: меньшие затраты на употребление электроэнергии, кроме того, имеют большую устойчивость к возникновениям помех.

Цифровые микросхемы нередко используются в различных вычислительных машинах, таких как: система автоматики, электронно-вычислительная техника и многих других.

2. Аналоговые. Предназначены для обработки и преобразования сигнала, поступающего непрерывно. Аналоговые микросхемы имеют высокие показатели производительности. Часто используются в таких популярных устройствах как:

 Видеомагнитофоны.

 Телевизоры.

 Преобразователи звуковых частот.

 В различных стабилизаторах напряжения.

 В датчиках.

 Операционные усилители.

3. Аналого-цифровые. Являются настоящим гибридом двух, представленных выше, микросхем. Они пользуются большой популярностью из-за повышенных показателей производительности, кроме того, они совмещают положительные характеристики сразу двух видов микросхем. Именно они используются при создании большинства современной техники, такой как:

 Модуляторы и демодуляторы.

 Коммутаторы.

 Генераторы и восстановители частот.

По типу конструкции:

1. Пленочные. Это микросхемы, для изготовления которых используют специальную методику. Кроме того, все соединительные элементы представляют собой специальный пленочный слой. Существуют определенные подразделения на два вида: тонкопленочные и толстопленочные, отличающиеся по толщине пленочного слоя.

2. Полупроводниковые микросхемы используются не так часто, для их изготовления используют пластмассу (чаще всего эпоксидной смолой) со специальными проволочными или ленточными выводами, обеспечивающими производительность устройства.

3. Гибридные. Более сложные по исполнению устройства, для изготовления которых используются не только популярные пленки и подложки, но и менее распространенные навесные материалы (например, различные кристаллы).

По типу корпуса:

1. Корпусные. При таком типе исполнения микросхема помещается в специальный корпус (материал, из которого он изготовлен, может быть выбран производителем). Такой вид не пользуется особой популярностью в повседневной жизни. Чаще всего микросхему помещают в корпус для того, чтобы избежать поломки или деформации отдельных частей при транспортировке.

Корпусные микросхемы используются для транспортировки больших партий товара. В любом другом случае изготовителю дешевле изготовить бескорпусные микросхемы.

2. Бескорпусные микросхемы. Чаще всего используются именно бескорпусные модели. Микросхема не помещается в корпус, в таком случае для защиты все части заливают специальной краской или компаундом. Именно это позволяет защитить кристалл от повреждений или любых других негативных влияний окружающей среды.

Такие конструкции выпускаются специально для установки в гибридную схему или предварительную микросборку.

При выборе микросхемы, следует учитывать все преимущества и недостатки основных видов. Отельные технические приспособления нуждаются в определенных микросхемах, для того, чтобы подобрать необходимую модель, необходимо получить профессиональную консультацию специалистов данной сферы. В таком случае, выбираемое вами устройство прослужит долгое время.

SOIC корпус

Самым большим представителем этого класса микросхем являются микросхемы в корпусе SOIC (Small-Outline Integrated Circuit) — маленькая микросхема с выводами по длинным сторонам. Она очень напоминает DIP, но обратите внимание на ее выводы. Они параллельны поверхности самого корпуса:

Вот так они запаиваются на плате:

Ну и как обычно, цифра после «SOIC» обозначает количество выводов этой микросхемы. На фото выше микросхемы в корпусе SOIC16.

Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

• Операционные усилители
• Генераторы сигналов
• Фильтры (в том числе на пьезоэффекте)
• Аналоговые умножители
• Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители
• Стабилизаторы источников питания
• Микросхемы управления импульсных блоков питания
• Преобразователи сигналов
• Схемы синхронизации
• Различные датчики (температуры и др.)

Цифровые схемы

• Логические элементы
• Триггеры
• Счётчики
• Регистры
• Буферные преобразователи
• Модули памяти
• Шифраторы
• Дешифраторы
• Микроконтроллеры
• (Микро)процессоры (в том числе ЦПУ в компьютере)
• Однокристальные микрокомпьютеры
• ПЛИС — программируемые логические интегральные схемы

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

• Уменьшенное энергопотребление
  связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» — что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» — (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором — через него не идёт ток. В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (резистивном) состоянии.
• Высокая помехоустойчивость
  цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например 2,5 — 5 В) и низкого (0 — 0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот, что мало вероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.
• Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной
  к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.

Аналогово-цифровые схемы

• ЦАП и АЦП
• ЦВС
• Трансиверы (например, преобразователь интерфейса RS422)
• Модуляторы и демодуляторы Радиомодемы
• Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста
• Трансиверы Fast
• Dial-Up модемы
• Приёмники цифрового ТВ
• Сенсор оптической мыши

На логической микросхеме

Составной частью многих цифровых интегральных микросхем является логический элемент И-НЕ, условное обозначение которого ты видишь на рис. 4, а. Его символом служит знак «&», помещаемый внутри прямоугольника, обычно в верхнем левом углу, заменяющий союз «И» в английском языке. Слева два или больше входов, справа — один выход.

Небольшой кружок, которым начинается линия связи выходного сигнала, символизирует логическое Отрицание «НЕ» на выходе микросхемы. На языке цифровой техники «НЕ» означает, что элемент И-НЕ является инвертором, то есть устройством, выходные параметры которого противоположны входным.

Электрическое состояние и работу логического элемента характеризуют уровнями сигналов на его входах и выходе. Сигнал небольшого (или нулевого) напряжения, уровень которого не превышает 0,3 — 0,4 В, принято (в соответствии с двоичной системой счисления) называть логическим нулем (0), а сигнал более высокого напряжения (по сравнению с логическим 0), уровень которого может быть 2,5 — 3,5 В, — логической единицей (1).

Например, говорят: «на выходе элемента логическая 1». Это значит, что в данный момент на выходе элемента появился сигнал, напряжение которого соответствует уровню логической 1.

Чтобы не углубляться в технологию и устройство элемента И-НЕ, будем рассматривать его как «черный ящичек», у которого для электрического сигнала есть два входа и один выход.

Логика же элемента заключается в том, что при подаче на один из его входов логического О, а на второй вход логической 1, на выходе появляется сигнал логической 1, который исчезает при подаче на оба входа сигналов, соответствующих логической 1.

Для опытов, закрепляющих в памяти это свойство элемента, потребуются наиболее распространенная микросхема К155ЛАЗ, вольтметр постоянного тока, свежая батарея 3336Л и два резистора сопротивлением 1…1,2 кОм.

Рис. 4. Логические элементы микросхемы К155ЛАЗ.

Микросхема К155ЛАЗ состоит из четырех элементов 2И-НЕ (рис. 4, б), питающихся от одного общего источника постоянного тока напряжением 5 В, но каждый из них работает как самостоятельное логическое устройство. Цифра 2 в названии микросхемы указывает на то, что ее элементы имеют по два входа.

Внешним видом и конструктивно она, как и все микросхемы серии К155, не отличается от уже знакомой тебе аналоговой микросхемы К118УН1, только полярность подключения источника питания иная. Поэтому сделанная ранее тобой картонная плата подойдет и для опытов с этой микросхемой. Источник питания подключают: +5 В — к выводу 7» — 5 В — к выводу 14.

Но эти выводы не принято обозначать на схематическом изображении микросхемы. Объясняется это тем, что на принципиальных электрических схемах элементы, составляющие микросхему, изображают раздельно, например, как на рис. 4, в. Для опытов можно использовать любой из ее четырех элементов.

Микросхему выводами 1, 7, 8 и 14 припаяй к проволочным стойкам на картонной плате (как на рис. 1). Один из входных выводов любого из ее элементов, например, элемента с выводами 1 — 3, соедини через ре-.зистор сопротивлением 1…1.2 кОм с выводом 14, вывод второго входа — непосредственно с общим («заземленным») проводником цепи питания, а к выходу элемента подключи вольтметр постоянного тока (рис. 5, а).

Включии питание. Что показывает вольтметр? Напряжение, равное примерно 3 В. Это напряжение соответствует сигналу логической 1 на выходе элемента. Тем же вольтметром измерь напряжение на выводе первого входа, И здесь, как видишь, тоже логическая 1. Следовательно, когда на одном из входов элемента логическая 1, а на втором логический 0, на выходе будет логическая 1.

Рис. 5. Измерения напряжений на логическом элементе.

Теперь вывод и второго входа соедини через резистор сопротивлением 1…1.2 кОм с выводом 14 и одновременно проволочной перемычкой — с общим проводником, как показано на рис. 5, б.

При этом на выходе, как и в первом опыте, будет логическая 1. Далее, следя за стрелкой вольтметра, удали проволочную перемычку, чтобы и на второй вход подать сигнал, соответствующий логической 1.

Что фиксирует вольтметр? Сигнал на выходе элемента преобразовался в логический 0. Так оно и должно быть! А если любой из входов периодически замыкать на общий провод и тем самым имитировать подачу на него логического 0, то с такой же частотой на выходе элемента станут появляться импульсы тока, о чем будут свидетельствовать колебания стрелки вольтметра. Проверь это опытным путем.

Свойство элемента И-НЕ изменять свое состояние под воздействием входных управляющих сигналов широко используется в различных устройствах цифровой вычислительной техники. Радиолюбители же, особенно начинающие, очень часто используют логический элемент как инвертор — устройство, сигнал на выходе которого противоположен входному сигналу.

Подтвердить такое свойство элемента может следующий опыт. Соедини вместе выводы обоих входов элемента и через резистор сопротивлением 1…1,2 кОм подключи их к выводу 14 (рис. 5, в).

Так ты подашь на общий вход элемента сигнал, соответствующий логической 1, напряжение которого можно измерить вольтметром. Что при этом получается на выходе?

Стрелка вольтметра, подключенного к нему, чуть отклонилась от нулевой отметки шкалы. Здесь, следовательно, как и предполагалось, сигнал соответствует логическому 0.

Затем, не отключая резистор от вывода 14 микросхемы, несколько раз подряд замкни проволочной перемычкой вход элемента на общий проводник (на рис. 5, в показано штриховой линией со стрелками) и одновременно следи за стрелкой вольтметра.

Так ты убедишься в том, что когда на входе инвертора логический 0, на выходе в это время логическая 1 и, наоборот, когда на входе логическая 1 — на выходе логический 0.

Так работает инвертор, особенно часто используемый радиолюбителями в конструируемых ими импульсных устройствах.

Рис. 6. Схема генератора сигналов ЗЧ на микросхеме.

Примером такого устройства может служить генератор импульсов, собранный по схеме, приведенной на рис. 6. В его работоспособности ты можешь убедиться сейчас же, затратив на это всего несколько минут.

Выход элемента D1.1 соедини с входами элемента D1.2 той же микросхемы, его выход — с входами элемента DJ.3, а выход этого элемента (вывод — с входом элемента D1.1 через переменный резистор R1. К выходу элемента D1.3 (между выводом 8 и общим проводником) подключи головные телефоны B1, a параллельно элементам D1.1 и D1.2 электролитический конденсатор С1.

Движок переменного резистора установи в правое (по схеме) положение и включи питание — в телефонах услышишь звук, тональность которого можно изменять переменным резистором.

В этом эксперименте элементы D1.1, D1.2 и D1.3, соединенные между собой последовательно, подобно транзисторам трехкаскадного усилителя, образовали мультивибратор — генератор электрических импульсов прямоугольной формы.

Микросхема стала генератором благодаря конденсатору и резистору, создавшим между выходом и входом элементов частотозависимые цепи обратной связи. Переменным резистором частоту импульсов, генерируемых мультивибратором, можно плавно изменять примерно от 300 Гц до 10 кГц.

Какое практическое применение может найти такое импульсное устройство? Оно может стать, например, квартирным звонком, пробником для проверки работоспособности каскадов приемника и усилителя НЧ, генератором для тренировок по приему на слух телеграфной азбуки.

Серии микросхем

Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия — это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.

Корпуса

Корпуса интегральных микросхем, предназначенные для поверхностного монтажа Микросборка с бескорпусной микросхемой, разваренной на печатной плате
Корпус микросхемы — это конструкция, предназначенная для защиты кристалла микросхемы от внешних воздействий, а также для удобства монтажа микросхемы в электронную схему. Содержит собственно корпус из диэлектрического материала (пластмасса, реже керамика), набор проводников для электрического соединения кристалла с внешними цепями посредством выводов, маркировку.

Существует множество вариантов корпусов микросхем, различающихся по количеству выводов микросхемы, методу монтажа, условиям эксплуатации. Для упрощения технологии монтажа производители микросхем стараются унифицировать корпуса, разрабатывая международные стандарты.

Иногда микросхемы выпускают в бескорпусном исполнении — то есть кристалл без защиты. Бескорпусные микросхемы обычно предназначены для монтажа в гибридную микросборку. Для массовых дешевых изделий возможен непосредственный монтаж на печатную плату.

Микросхема в радиоприемнике

Предлагаем испытать эту микросхему в высокочастотном тракте приемника, собранного, например, по схеме, приведенной на рис. 3. Входной контур магнитной антенны такого приемника образуют катушка L1 и конденсатор переменной емкости С1. Высокочастотный сигнал радиостанции, на волну которой контур настроен, через катушку связи L2 и разделительный конденсатор С2 поступает на вход (вывод 3) микросхемы Л1.

С выхода микросхемы (вывод 10, соединенный с выводом 9) усиленный сигнал подается через конденсатор С4 на детектор, диоды VI и V2 которого включены по схеме умножения напряжения, а выделенный им низкочастотный сигнал телефоны В1 преобразуют в звук. Приемник питается от батареи GB1, составленной из четырех элементов 332, 316 или пяти аккумуляторов Д-01.

Рис. 3. Схема приемника на микросхеме.

Во многих транзисторных приемниках усилитель высокочастотного тракта образуют транзисторы, а в этом — микросхема. Только в этом и заключается разница между ними.

Имея опыт предыдущих практикумов, ты, надеюсь, сможешь самостоятельно смонтировать иг наладить такой приемник и даже, если пожелаешь, дополнить его усилителем НЧгдля громкоговорящего радиоприема.

Мировой рынок

В 2022 году мировой рынок интегральных схем оценивался в 700 млрд долл.

Основные производители и экспортёры находятся в Азии: Сингапур (115 млрд долл.), Южная Корея (104 млрд долл.), Китай (80,1 млрд долл.) и Малайзия (55,7 млрд долл.). Крупнейший европейский экспортер — Германия (1,4 млрд долл.), американский — США (28,9 млрд долл.). Крупнейшие импортёры: Китай (207 млрд долл.), Гонконг (168 млрд долл.), Сингапур (57,8 млрд долл.), Южная Корея (38,6 млрд долл.) и Малайзия (37,3 млрд долл.).

Корпус LGA

LGA (Land Grid Array) — тип корпусов микросхем с матрицей контактных площадок. Чаще всего используются в компьютерной технике для процессоров.

Кроватка для LGA микросхем выглядит примерно вот так:

Если присмотреться, то можно увидеть подпружиненные контакты.

Сам микросхема, в данном случае процессор ПК, имеет просто металлизированные площадки:

Для того, чтобы все работало, должно выполняться условие: микропроцессор должен быть плотно прижат к кроватке. Для этого используются разного рода защелки.

Правовые особенности

Что говорится про интегральные схемы в законодательстве? У нас в стране предоставлена правовая охрана топологий интегральных микросхем. Под ней подразумевают зафиксированное на определённом материальном носителе геометрически-пространственного расположения определённой совокупности конкретных элементов и связей меж ними (согласно статье 1448 Гражданского кодекса Российской Федерации). Автор топологии имеет такие интеллектуальные права на своё изобретение:

1. Авторские.
2. Исключительное право.

Кроме этого автору топологии могут принадлежать и другие преференции, в том числе – возможность получения вознаграждения за её использование. Исключительное право действует на протяжении десяти лет. За это время изобретатель, или человек, которому этот статус был уступлен, может зарегистрировать топологию в соответствующей службе интеллектуальной собственности и патентов.

PGA корпус

PGA (Pin Grid Array) — матрица из штырьковых выводов. Представляет из себя прямоугольный или квадратный корпус, в нижней части которого расположены выводы-штырьки

Такие микросхемы устанавливаются также в специальные кроватки, которые зажимают выводы микросхемы с помощью специального рычажка.

В корпусе PGA в основном делают процессоры на ваши персональные компьютеры.

Радиодетали в микросхемах, содержащие драгоценные металлы

В микросхемах находится множество радиодеталей, содержащих драгоценные металлы, такие как золото, серебро, платина и прочие. Они в основном имеются в идее напыления, и редко в виде целых компонентов. Самыми ценными являются советские детали.

Тонкий слой золота можно найти на контактах и разъемах для подключения отдельных элементов. Ценность представляют также транзисторы, резисторы, диоды, шлейфы. После обращения в скупку радиодетали из микросхем отправляются на переработку. Сдать радиодетали в Москве просто, достаточно обратиться к нашим специалистам.
◄ Назад к новостям