• První integrovaný obvod se objevil v r Velké integrované obvody

    ) nejprve předložil myšlenku kombinace mnoha standardních elektronických součástek v monolitickém polovodičovém krystalu. Realizace těchto návrhů v těchto letech nemohla proběhnout z důvodu nedostatečného rozvoje techniky.

    Koncem roku 1958 a v první polovině roku 1959 nastal průlom v polovodičovém průmyslu. Tři lidé zastupující tři soukromé americké korporace vyřešili tři zásadní problémy, které bránily vzniku integrované obvody. Jack Kilby z Texas nástroje patentoval princip unifikace, vytvořil první, nedokonalé, prototypy IS a uvedl je do sériové výroby. Kurt Legovets z Sprague Electric Company vynalezl metodu elektrické izolace součástek vytvořených na jediném polovodičovém čipu (izolace p-n přechodem (angl. P–n přechod izolace)). Robert Noyce z Fairchild Semiconductor vynalezl metodu elektrického spojení součástek IC (pokovování hliníkem) a navrhl vylepšenou verzi izolace součástek založenou na nejnovější planární technologii Jean Ernie (eng. Jean Hoerni). 27. září 1960 kapela Jaye Lasta Jay Poslední) vytvořeno dne Fairchild Semiconductor první práce polovodič IP o myšlenkách Noyce a Ernieho. Texas Instruments, která vlastnila patent na Kilbyho vynález, rozpoutala patentovou válku proti konkurentům, která skončila v roce 1966 celosvětovou dohodou o křížových licencích na technologie.

    Rané logické integrované obvody zmíněné řady byly postaveny doslova z Standard součásti, jejichž rozměry a konfigurace byly stanoveny technologickým postupem. Obvodoví inženýři, kteří navrhli logické integrované obvody konkrétní rodiny, pracovali se stejnými typickými diodami a tranzistory. V letech 1961-1962 hlavní vývojář porušil designové paradigma Sylvánie Tom Longo, poprvé používá různé konfigurace tranzistorů v závislosti na jejich funkcích v obvodu. Na konci roku 1962 Sylvánie uvedla na trh první rodinu tranzistor-tranzistorové logiky (TTL) vyvinutou společností Longo – historicky první typ integrované logiky, který se dokázal na trhu prosadit na dlouhou dobu. V analogových obvodech byl průlom této úrovně učiněn v letech 1964-1965 vývojářem operačních zesilovačů. Fairchild Bob Vidlař.

    První v SSSR hybridní tlustovrstvá integrovaný obvod(série 201 "Path") byla vyvinuta v letech 1963-65 ve Výzkumném ústavu přesné technologie ("Angstrem"), sériová výroba od roku 1965. Na vývoji se podíleli specialisté z NIEM (nyní NII Argon).

    První polovodičový integrovaný obvod v SSSR vznikl na základě planární technologie, vyvinuté počátkem roku 1960 na NII-35 (tehdy přejmenované na NII Pulsar) týmem, který byl později převeden na NIIME (Micron). Vznik prvního tuzemského křemíkového integrovaného obvodu byl zaměřen na vývoj a výrobu s vojenskou akceptací řady integrovaných křemíkových obvodů TC-100 (37 prvků - ekvivalent obvodové složitosti klopného obvodu, obdoba amerického řada IC SN-51 firem Texas nástroje). Prototypy a výrobní vzorky křemíkových integrovaných obvodů pro reprodukci byly získány z USA. Práce byly provedeny v NII-35 (ředitel Trutko) a Fryazinsky Semiconductor Plant (ředitel Kolmogorov) na základě obranného rozkazu pro použití v autonomním výškoměru naváděcího systému balistických střel. Vývoj zahrnoval šest typických integrovaných křemíkových planárních obvodů řady TS-100 a s organizací pilotní výroby trval na NII-35 tři roky (od roku 1962 do roku 1965). Zvládnutí tovární výroby s vojenským přijetím ve Fryazinu (1967) trvalo další dva roky.

    Paralelně probíhaly v ústředně práce na vývoji integrovaného obvodu projekční kancelář ve Voroněžském závodě polovodičových zařízení (nyní -). V roce 1965 při návštěvě VZPP ministrem elektronického průmyslu A. I. Shokinem byl závod pověřen prováděním výzkumných prací na vytvoření křemíkového monolitického obvodu – VaV „Titan“ (rozkaz ministerstva č. 92 ze dne 16.8. , 1965), která byla v předstihu dokončena do konce roku. Téma bylo úspěšně předloženo státní komisi a série 104 diodově-tranzistorových logických obvodů se stala prvním pevným počinem v oblasti polovodičové mikroelektroniky, což se promítlo do příkazu Ministerstva hospodářského rozvoje ze dne 30. 1965 č. 403.

    Designové úrovně

    V současné době (2014) je většina integrovaných obvodů navrhována pomocí specializovaných CAD systémů, které umožňují automatizovat a výrazně urychlit výrobní procesy, například získání topologických fotomasek.

    Klasifikace

    Stupeň integrace

    V závislosti na stupni integrace použijte následující tituly integrované obvody:

    • malý integrovaný obvod (MIS) - až 100 prvků v krystalu,
    • střední integrovaný obvod (SIS) - až 1000 prvků v krystalu,
    • velký integrovaný obvod (LSI) - až 10 tisíc prvků v krystalu,
    • velmi velký integrovaný obvod (VLSI) - více než 10 tisíc prvků v krystalu.

    Dříve se také používaly zastaralé názvy: ultra-velký integrovaný obvod (ULSI) - od 1 do 10 milionů až 1 miliarda prvků v krystalu a někdy i giga-velký integrovaný obvod (GBIS) - více než 1 miliarda prvků v krystalu. V současné době, v roce 2010, se názvy „UBIS“ a „GBIS“ prakticky nepoužívají a všechny mikroobvody s více než 10 tisíci prvky jsou klasifikovány jako VLSI.

    Technologie výroby

    • Polovodičový mikroobvod - všechny prvky a propojení jsou vyrobeny na jediném polovodičovém krystalu (například křemík, germanium, arsenid galia, oxid hafnia).
    • Filmový integrovaný obvod - všechny prvky a propojení jsou vyrobeny ve formě filmů:
      • tlustovrstvý integrovaný obvod;
      • tenkovrstvý integrovaný obvod.
    • Hybrid IC (často označovaný jako mikrosestavení), obsahuje několik holých diod, holých tranzistorů a/nebo jiných elektronických aktivních součástek. Mikrosestava může také obsahovat nezabalené integrované obvody. Pasivní mikromontážní komponenty (rezistory, kondenzátory, induktory) jsou obvykle vyráběny tenkovrstvými nebo tlustovrstvými technologiemi na běžném, obvykle keramickém substrátu hybridního mikroobvodu. Celý substrát s komponentami je umístěn v jediném utěsněném krytu.
    • Smíšený mikroobvod - kromě polovodičového krystalu obsahuje tenkovrstvé (silnovrstvé) pasivní prvky umístěné na povrchu krystalu.

    Typ zpracovávaného signálu

    Výrobní technologie

    Logické typy

    Hlavním prvkem analogových obvodů jsou tranzistory (bipolární nebo polní). Rozdíl v technologii výroby tranzistorů výrazně ovlivňuje vlastnosti mikroobvodů. Proto je v popisu mikroobvodu často uvedena výrobní technologie, aby se zdůraznily obecné charakteristiky vlastností a schopností mikroobvodu. V moderní technologie kombinují bipolární a tranzistorové technologie s efektem pole k dosažení lepšího výkonu čipu.

    • Mikroobvody na unipolárních (polních) tranzistorech jsou nejekonomičtější (z hlediska spotřeby proudu):
      • MOS logika (metal-oxide-semiconductor logic) - mikroobvody jsou tvořeny z tranzistorů s efektem pole n-MOS nebo p-typ MOS;
      • CMOS logika (komplementární MOS logika) - každý logický prvek mikroobvodu se skládá z dvojice komplementárních (komplementárních) tranzistorů s efektem pole ( n-MOS a p-MOS).
    • Čipy na bipolárních tranzistorech:
      • RTL - rezistor-tranzistorová logika (zastaralá, nahrazena TTL);
      • DTL - diodo-tranzistorová logika (zastaralá, nahrazena TTL);
      • TTL - tranzistor-tranzistor logic - mikroobvody jsou tvořeny bipolárními tranzistory s víceemitorovými tranzistory na vstupu;
      • TTLSH - tranzistor-tranzistorová logika se Schottkyho diodami - vylepšené TTL, které využívá bipolární tranzistory se Schottkyho efektem;
      • ESL - emitor-coupled logic - zapnuto bipolární tranzistory, jejichž provozní režim je zvolen tak, aby nevstoupily do režimu saturace, což výrazně zvyšuje výkon;
      • IIL - integrální-injekční logika.
    • Mikroobvody využívající jak polní, tak bipolární tranzistory:

    Pomocí stejného typu tranzistorů lze mikroobvody sestavit pomocí různých metodologií, jako jsou statické nebo dynamické. Technologie CMOS a TTL (TTLS) jsou nejběžnější čipové logiky. Tam, kde je potřeba šetřit proudový odběr, se používá technologie CMOS, kde rychlost je důležitější a není vyžadována žádná úspora energie, je použita technologie TTL. Slabým místem mikroobvodů CMOS je zranitelnost vůči statické elektřině - stačí se dotknout výstupu mikroobvodu rukou a jeho integrita již není zaručena. S rozvojem technologií TTL a CMOS se mikroobvody parametry přibližují a v důsledku toho je například řada mikroobvodů řady 1564 vyrobena technologií CMOS a funkčnost a umístění v pouzdře je podobné jako u TTL. technika.

    Čipy vyrobené technologií ESL jsou nejrychlejší, ale také energeticky nejnáročnější a byly použity při výrobě počítačová věda v případech, kdy nejdůležitějším parametrem byla rychlost výpočtu. V SSSR byly nejproduktivnější počítače typu ES106x vyráběny na mikroobvodech ESL. Nyní se tato technologie používá jen zřídka.

    Technologický proces

    Při výrobě mikroobvodů se používá metoda fotolitografie (projekční, kontaktní atd.), přičemž obvod vzniká na substrátu (nejčastěji křemíku) získaném řezáním monokrystalů křemíku na tenké destičky diamantovými kotouči. Vzhledem k malosti lineárních rozměrů mikroobvodových prvků bylo upuštěno od použití viditelného světla a dokonce i blízkého ultrafialového záření pro osvětlení.

    Následující procesory byly vyrobeny pomocí UV záření (ArF excimerový laser, vlnová délka 193 nm). V průměru probíhalo zavádění nových technických procesů špičkami v oboru podle plánu ITRS každé 2 roky, přičemž počet tranzistorů na jednotku plochy se zdvojnásobil: 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011) , 14nm výroba zahájena v roce 2014, vývoj 10nm procesů se očekává kolem roku 2018.

    V roce 2015 se objevily odhady, že zavádění nových technických procesů se zpomalí.

    Kontrola kvality

    Pro kontrolu kvality integrovaných obvodů se hojně využívají tzv. testovací struktury.

    Účel

    Integrovaný obvod může mít kompletní, libovolně složitou funkčnost - až celý mikropočítač (jednočipový mikropočítač).

    Analogové obvody

    • Filtry (včetně filtrů založených na piezoelektrickém jevu).
    • Analogový multiplikátory.
    • Analogové atenuátory a proměnné zesilovače.
    • Stabilizátory napájení: stabilizátory napětí a proudu.
    • Řídicí mikroobvody spínaných zdrojů.
    • Převodníky signálu.
    • Synchronizační schémata.
    • Různé senzory (např. teploty).

    Digitální obvody

    • Vyrovnávací konvertory
    • (Mikro)procesory (včetně CPU pro počítače)
    • Čipy a paměťové moduly
    • FPGA (programovatelné logické integrované obvody)

    Digitální integrované obvody mají oproti analogovým řadu výhod:

    • Snížená spotřeba energie spojené s používáním pulzních elektrických signálů v digitální elektronice. Při příjmu a převodu takových signálů pracují aktivní prvky elektronických zařízení (tranzistory) v režimu "klíč", to znamená, že tranzistor je buď "otevřený" - což odpovídá signálu vysoké úrovně (1), nebo "zavřený" - (0), v prvním případě na není žádný pokles napětí v tranzistoru, ve druhém - neteče jím žádný proud. V obou případech se spotřeba energie blíží 0, na rozdíl od analogová zařízení, ve kterém jsou většinu času tranzistory v mezilehlém (aktivním) stavu.
    • Vysoká odolnost proti hluku digitálních zařízení je spojen s velkým rozdílem mezi signály vysoké (například 2,5-5 V) a nízké úrovně (0-0,5 V). Chyba stavu je možná na takové úrovni rušení, že vysoká úroveň je interpretována jako nízká úroveň a naopak, což je nepravděpodobné. Kromě toho v digitální zařízení k opravě chyb je možné použít speciální kódy.
    • Velký rozdíl v úrovních stavů signálů vysoké a nízké úrovně (logická „0“ a „1“) a poměrně široký rozsah jejich přípustných změn činí digitální technologii necitlivou vůči nevyhnutelnému rozšíření parametrů prvků v integrované technologii, eliminuje nutnost výběru komponentů a konfigurace nastavovacích prvků v digitálních zařízeních.

    Analogově-digitální obvody

    • digitálně-analogové (DAC) a analogově-digitální převodníky (ADC);
    • transceivery (například převodník rozhraní ethernet);
    • modulátory a demodulátory;
      • rádiové modemy
      • dekodéry teletextu, radiotext VHF
      • Vysílače/přijímače pro rychlý ethernet a optické linky
      • vytočit modemy
      • digitální TV přijímače
      • optický senzor myši
    • napájecí čipy pro elektronická zařízení - stabilizátory, měniče napětí, výkonové spínače atd.;
    • Digitální atenuátory;
    • frekvenční obvody s fázovým závěsem (PLL);
    • generátory a restaurátory hodin;
    • základní maticové čipy (BMC): obsahuje analogové i digitální obvody;

    Série čipů

    Analogové a digitální mikroobvody jsou vyráběny sériově. Řada je skupina mikroobvodů, které mají jednotnou konstrukci a technologické provedení a jsou určeny pro společné použití. Mikroobvody stejné řady mají zpravidla stejná napětí napájecích zdrojů, jsou přizpůsobeny z hlediska vstupních a výstupních odporů, úrovní signálu.

    Sbor

    Konkrétní tituly

    Mikroprocesor tvoří jádro počítače, doplňkové funkce, jako je komunikace s periferií, byly prováděny pomocí speciálně navržených čipsetů. U prvních počítačů se počet mikroobvodů v sadách počítal v desítkách a stovkách, v moderní systémy toto je sada jednoho, dvou nebo tří žetonů. V Nedávno jsou trendy postupného předávání funkcí čipsetu (řadič paměti, řadič sběrnice PCI Express) k procesoru.

    INTEGROVANÁ CXEMA (IC, integrovaný obvod, mikroobvod), funkčně kompletní mikroelektronický výrobek, který je souborem elektricky propojených prvků (tranzistorů apod.) vytvořených v polovodičové monokrystalické destičce. Integrované obvody jsou základním prvkem všech moderních radioelektronických zařízení, počítačového vybavení, informačních a telekomunikačních systémů.

    Historický odkaz. IC vynalezl v roce 1958 J. Kilby (Nobelova cena, 2000), který aniž by rozdělil germaniovou monokrystalovou desku na samostatné tranzistory v ní vytvořené, spojil je dohromady nejtenčími dráty, takže výsledné zařízení se stalo kompletním elektronický obvod. O půl roku později americký fyzik R. Noyce realizoval tzv. planární křemíkový IC, ve kterém byly pro každou oblast bipolárních tranzistorů (emitor, báze a kolektor) vytvořeny pokovené oblasti (tzv. kontaktní plošky). na povrchu křemíkového plátku a spojení mezi nimi bylo provedeno tenkovrstvými vodiči. V roce 1959 byla v USA zahájena průmyslová výroba křemíkových integrovaných obvodů; hromadná výroba IP v SSSR byla organizována v polovině 60. let ve městě Zelenograd pod vedením K. A. Valijeva.

    IS technologie. Struktura polovodičového integrovaného obvodu je znázorněna na obrázku. Tranzistory a další prvky jsou vytvořeny ve velmi tenké (až několik mikronů) vrstvě blízké povrchu křemíkového plátku; shora je vytvořeno vrstvený systém meziprvková spojení. S nárůstem počtu prvků IC se počet úrovní zvyšuje a může dosáhnout 10 nebo více. Propojení musí mít nízkou hodnotu elektrický odpor. Tento požadavek splňuje například měď. Mezi vrstvami vodičů jsou umístěny izolační (dielektrické) vrstvy (SiO 2 atd.). Na jednom PP plátku se vytvoří až několik stovek IC současně, načež se plátek rozdělí na samostatné krystaly (čipy).

    Technologický cyklus výroby IC zahrnuje několik stovek operací, z nichž nejdůležitější je fotolitografie (PL). Tranzistor obsahuje desítky dílů, jejichž obrysy se tvoří jako výsledek PL, který také určuje konfiguraci propojení v každé vrstvě a polohu vodivých oblastí (kontaktů) mezi vrstvami. V technologickém cyklu se PL opakuje několik desítekkrát. Po každé operaci PL následují operace výroby tranzistorových dílů, např. depozice dielektrických, PP, kovových tenkých vrstev, leptání, dopování iontovou implantací do křemíku atd. Fotolitografie určuje minimální velikost (MR) jednotlivých dílů . Hlavním nástrojem PL jsou optické projekční steppery-skenery, které provádějí krok za krokem (z čipu na čip) expozici obrazu (osvětlení čipu, na jehož povrchu je nanesena fotocitlivá vrstva - fotorezist, přes masku nazývaná fotomaska) se zmenšením (4:1) velikosti obrázků ve vztahu k rozměrům masky a se skenováním světelné skvrny v rámci stejného čipu. MR je přímo úměrná vlnové délce zdroje záření. Zpočátku byly v sestavách PL použity čáry g a i (436 a 365 nm) emisního spektra rtuťové výbojky. Pro změnu rtuťová výbojka přišly excimerové lasery založené na molekulách KrF (248 nm) a ArF (193 nm). Dokonalost optický systém, použití fotorezistů s vysokým kontrastem a citlivostí, stejně jako speciální techniky s vysokým rozlišením při návrhu fotomasek a krokových skenerů se světelným zdrojem o vlnové délce 193 nm, umožňují dosáhnout MR rovné 30 nm popř. méně na velké třísky (o ploše 1-4 cm 2) s kapacitou až 100 talířů (průměr 300 mm) za hodinu. Posun do oblasti menší (30-10 nm) MR je možný pomocí měkkého rentgenového záření nebo extrémního ultrafialového záření (EUV) o vlnové délce 13,5 nm. Vzhledem k intenzivní absorpci záření materiály na této vlnové délce nelze použít refrakční optiku. EUV steppery proto používají reflexní optiku na rentgenových zrcadlech. Vzory by také měly být reflexní. EUV litografie je obdobou projekční optické litografie, nevyžaduje vytváření nové infrastruktury a poskytuje vysoký výkon. Do roku 2000 tak technologie IC překonala bariéru 100 nm (MR) a stala se nanotechnologií.

    Struktura integrovaného obvodu: 1- pasivační (ochranná) vrstva; 2 - horní vrstva vodiče; 3 - dielektrická vrstva; 4 - meziúrovňové spoje; 5 - kontaktní podložka; 6 - MOSFETy; 7 - křemíkový plátek (substrát).

    Směry vývoje. IC se dělí na digitální a analogové. Hlavní podíl digitálních (logických) mikroobvodů tvoří obvody procesoru a paměťové obvody, které lze kombinovat na jednom čipu (čipu) a vytvořit tak „systém na čipu“. Složitost integrovaného obvodu je charakterizována stupněm integrace, určeným počtem tranzistorů na čipu. Před rokem 1970 se stupeň digitální integrace integrovaných obvodů zdvojnásobil každých 12 měsíců. Této zákonitosti (poprvé na ni upozornil americký vědec G. Moore v roce 1965) se říkalo Moorův zákon. Moore později svůj zákon zdokonalil: zdvojnásobení složitosti paměťových obvodů nastává každých 18 měsíců a obvodů procesoru - po 24 měsících. S rostoucí mírou integrace IC byly zavedeny nové pojmy: velký IC (LSI, s počtem tranzistorů do 10 tisíc), super-velký IC (VLSI - až 1 milion), ultra velký IC (UBIS - až na 1 miliardu) a obří LSI (GBIS - více 1 miliarda).

    Existují digitální integrované obvody na bipolárních (Bi) a na MOS (kov - oxid - polovodičových) tranzistorech, včetně konfigurace CMOS (komplementární MOS, tj. komplementární tranzistory p-MOS a w-MOS zapojené do série ve "zdrojovém zdroji - bod s nulovým potenciálem"), stejně jako BiCMOS (na bipolárních tranzistorech a CMOS tranzistorech v jednom čipu).

    Zvýšení stupně integrace je dosaženo zmenšením velikosti tranzistorů a zvětšením velikosti čipu; tím se zkracuje doba sepnutí logického prvku. Jak se velikost zmenšovala, klesala spotřeba energie a energie (součin výkonu a doby sepnutí) vynaložené na každou operaci sepnutí. Do roku 2005 se rychlost IS zlepšila o 4 řády a dosáhla zlomků nanosekundy; počet tranzistorů na jednom čipu byl až 100 milionů kusů.

    Hlavní podíl (až 90 %) na světové produkci mají od roku 1980 digitální IC CMOS. Výhodou těchto obvodů je, že v jednom ze dvou statických stavů ("0" nebo "1") je jeden z tranzistorů uzavřen a proud v obvodu je určen proudem tranzistoru ve vypnutém stavu I VYP. . To znamená, že pokud je I OFF zanedbatelné, proud ze zdroje se spotřebovává pouze ve spínacím režimu a spotřeba je úměrná spínací frekvenci a lze ji odhadnout ze vztahu Ρ Σ ≈C Σ N f U 2 , kde C zatížitelnost na výstupu logického prvku, N - počet logických prvků na čipu, f - spínací frekvence, U - napájecí napětí. Téměř veškerá spotřebovaná energie se uvolňuje jako Jouleovo teplo, které musí být z krystalu odstraněno. V tomto případě se výkon spotřebovaný ve statickém režimu (určený proudy I VYP a svodovými proudy) přičte k výkonu spotřebovanému ve spínacím režimu. S poklesem velikosti tranzistorů se statický výkon může stát srovnatelným s dynamickým výkonem a dosáhnout řádově 1 kW na 1 cm 2 krystalu. Problém velkého uvolňování energie vyžaduje omezení maximální frekvence přepínání vysoce výkonných integrovaných obvodů CMOS v rozsahu 1-10 GHz. Proto, aby se zvýšil výkon „systémů na čipu“, další architektonické (tzv vícejádrové procesory) a algoritmické metody.

    Při délkách kanálů MOS tranzistorů řádově 10 nm začnou kvantové efekty ovlivňovat charakteristiky tranzistoru, jako je podélná kvantizace (elektron se šíří v kanálu jako de Broglieho vlna) a příčná kvantizace (kvůli úzkému kanál), přímé tunelování elektronů kanálem. Posledně uvedený efekt omezuje možnosti použití prvků CMOS v integrovaných obvodech, protože významně přispívá k celkovému svodovému proudu. To se stává významným při délce kanálu 5 nm. CMOS IC budou nahrazeny kvantovými zařízeními, molekulárními elektronickými zařízeními atd.

    Analogové integrované obvody tvoří širokou třídu obvodů, které fungují jako zesilovače, oscilátory, atenuátory, digitálně-analogové a analogově-digitální převodníky, komparátory, fázové posuvníky atd., včetně nízkofrekvenčních (LF), vysokofrekvenčních (HF) a mikrovlnné integrované obvody. Mikrovlnné IO jsou obvody s relativně nízkým stupněm integrace, které mohou zahrnovat nejen tranzistory, ale také filmové induktory, kondenzátory, odpory. K vytvoření mikrovlnného IO se používá nejen tradiční křemíková technologie, ale také technologie heteropřechodových IO na bázi Si - Ge pevných roztoků, sloučenin A III B V (například arsenid a nitrid gallia, fosfid india) atd. umožňuje dosáhnout provozních frekvencí 10-20 GHz pro Si-Ge a 10-50 GHz a vyšší pro mikrovlnné integrované obvody na připojení A III B V. Analogové integrované obvody se často používají společně se senzorovými a mikromechanickými zařízeními, biočipy atd., které zajišťují interakci mikroelektronických zařízení s člověkem a prostředím a lze je s nimi uzavřít v jednom balení. Takové návrhy se nazývají multi-chip nebo "system-in-package".

    Rozvoj IS v budoucnu povede ke spojení obou směrů a vytvoření mikroelektronických zařízení velké složitosti, obsahujících výkonná výpočetní zařízení, systémy řízení prostředí a prostředky komunikace s člověkem.

    Lit. viz u sv. Mikroelektronika.

    A. A. Orlíkovského.

    Obsah článku

    INTEGROVANÝ OBVOD(IC), mikroelektronický obvod vytvořený na malém plátku (krystalu nebo „čipu“) z polovodičového materiálu, obvykle křemíku, který se používá k ovládání elektrický šok a jeho vylepšení. Typický integrovaný obvod se skládá z mnoha vzájemně propojených mikroelektronických součástek, jako jsou tranzistory, odpory, kondenzátory a diody, vyrobených na povrchu čipu. Velikosti krystalů křemíku se pohybují od přibližně 1,3 x 1,3 mm do 13 x 13 mm. Pokrok v oblasti integrovaných obvodů vedl k rozvoji technologií pro velké a velmi velké integrované obvody (LSI a VLSI). Tyto technologie umožňují získat integrované obvody, z nichž každý obsahuje mnoho tisíc obvodů: v jednom čipu lze napočítat více než 1 milion součástek.

    Integrované obvody mají oproti svým předchůdcům řadu výhod – obvody, které byly sestaveny z jednotlivých součástek osazených na šasi. Integrované obvody jsou menší, rychlejší a spolehlivější; jsou také levnější a méně náchylné k poruchám v důsledku vibrací, vlhkosti a stárnutí.

    Miniaturizace elektronické obvody díky speciálním vlastnostem polovodičů. Polovodič je materiál, který má mnohem větší elektrickou vodivost (vodivost) než dielektrikum, jako je sklo, ale mnohem menší než vodiče, jako je měď. V polovodičovém materiálu, jako je křemík, je v krystalové mřížce při pokojové teplotě příliš málo volných elektronů, aby byla zajištěna významná vodivost. Proto mají čisté polovodiče nízkou vodivost. Zavedení vhodné nečistoty do křemíku však zvyšuje jeho elektrickou vodivost.

    Dopanty se do křemíku zavádějí dvěma způsoby. Pro silný doping nebo v případech, kdy není nutná přesná kontrola množství vnášené nečistoty, se obvykle používá difúzní metoda. Difúze fosforu nebo boru se obecně provádí v atmosféře dopantu při teplotách mezi 1000 a 1150 °C po dobu půl hodiny až několika hodin. Při iontové implantaci je křemík bombardován vysokorychlostními dopantovými ionty. Množství implantabilní příměsi lze upravit na několik procent; přesnost je v některých případech důležitá, protože zisk tranzistoru závisí na počtu atomů nečistot implantovaných na 1 cm 2 báze ( viz. níže).

    Výroba.

    Výroba integrovaného obvodu může trvat až dva měsíce, protože některé oblasti polovodiče je třeba dotovat s vysokou přesností. V procesu zvaném pěstování nebo tahání krystalu se nejprve získá válcový blok křemíku. vysoká čistota. Z tohoto válce se vyřezávají pláty o tloušťce např. 0,5 mm. Oplatka je nakonec rozřezána na stovky malých kousků, nazývaných čipy, z nichž každý je přeměněn na integrovaný obvod postupem popsaným níže.

    Zpracování čipů začíná výrobou masek pro každou vrstvu IC. Je vyrobena velkoplošná šablona ve tvaru čtverce o ploše cca. 0,1 m2. Sada takových masek obsahuje všechny součásti integrovaného obvodu: úrovně difúze, úrovně propojení atd. Celá výsledná struktura je fotograficky zmenšena na velikost krystalu a vrstva po vrstvě reprodukována na skleněné desce. Tenká vrstva oxidu křemičitého narůstá na povrchu křemíkového plátku. Každá deska je potažena materiálem citlivým na světlo (fotorezist) a vystavena světlu procházejícímu maskami. Neexponovaná místa fotosenzitivního povlaku se odstraní rozpouštědlem a pomocí dalšího chemického činidla, které rozpouští oxid křemičitý, se oxid křemičitý vyleptá z těch oblastí, kde nyní není chráněn fotocitlivým povlakem. Varianty tohoto základního výrobního procesu se používají při výrobě dvou hlavních typů tranzistorových struktur: bipolární a pole s efektem pole (MOS).

    bipolární tranzistor.

    Takový tranzistor má strukturu jako n-p-n nebo mnohem méně často jako p-n-p. Obvykle technologický postup začíná deskou (substrátem) ze silně legovaného materiálu p-typ. Na povrchu tohoto plátku je epitaxně narostlá tenká vrstva lehce dopovaného křemíku. n-typ; narostlá vrstva má tedy stejnou krystalickou strukturu jako substrát. Tato vrstva by měla obsahovat aktivní část tranzistoru - budou se v ní tvořit jednotlivé kolektory. Deska se nejprve umístí do pece s borovou parou. K difúzi boru do křemíkového plátku dochází pouze tam, kde byl jeho povrch vyleptán. V důsledku toho jsou z materiálu vytvořeny oblasti a okna n-typ. Druhý vysokoteplotní proces, který využívá páry fosforu a další masku, slouží k vytvoření kontaktu s vrstvou kolektoru. Provedením postupných difúzí boru a fosforu se vytvoří báze a emitor. Tloušťka základny je obvykle několik mikronů. Tyto malé ostrůvky vedení n- A p- typ připojený obecné schéma přes propojení vyrobená z hliníku naneseného z plynné fáze nebo naneseného ve vakuu. Někdy se pro tyto účely používají ušlechtilé kovy, jako je platina a zlato. Tranzistory a další prvky obvodu, jako jsou odpory, kondenzátory a induktory, spolu s příslušnými propojeními, mohou být difúzně vytvořeny v destičce v sérii kroků, což vede k úplnému elektronickému obvodu.

    MOSFET.

    Nejrozšířenější MOS (metal-oxide-semiconductor) - struktura sestávající ze dvou těsně od sebe vzdálených oblastí křemíku n-typ implementovaný na substrát p-typ. Vrstva oxidu křemičitého roste na povrchu křemíku a na této vrstvě (mezi oblastmi n-typ a mírně je zachycující) se vytvoří lokalizovaná vrstva kovu, která funguje jako uzávěr. Dvě výše zmíněné oblasti n-typy, nazývané source a drain, slouží jako konektory pro vstup a výstup. Okny v oxidu křemičitém jsou provedeny kovové přípojky ke zdroji a odpadu. Úzký povrchový kanálek ​​vyrobený z materiálu n-typ spojuje zdroj a odtok; v jiných případech může být kanál indukován - vytvořen působením napětí aplikovaného na bránu. Když je kladné napětí aplikováno na hradlo tranzistoru s indukovaným kanálem, vrstvu pod hradlem p-type se změní na vrstvu n-typu a proud, řízený a modulovaný signálem přivedeným na bránu, teče ze zdroje do odpadu. MOSFET spotřebovává velmi málo energie; má vysokou vstupní impedanci, jinou nízký proud odvodňovací řetězy a velmi nízká úroveň hluk. Protože hradlo, oxid a křemík tvoří kondenzátor, je takové zařízení široce používáno v systémech paměti počítače (viz. níže). Doplňkové nebo CMOS obvody používají MOSFETy jako zátěže a nespotřebovávají energii, když je hlavní MOSFET v neaktivním stavu.

    Po dokončení zpracování se desky rozřežou na kusy. Operace řezání se provádí kotoučovou pilou s diamantovými hranami. Každý krystal (čip nebo IC) je pak uzavřen v jednom z několika typů obalu. 25 µm zlatý drát se používá k připojení součástí integrovaného obvodu k rámu pouzdra. Silnější rámové vodiče umožňují připojení IC elektronické zařízení kde bude pracovat.

    Spolehlivost.

    Spolehlivost integrovaného obvodu je přibližně stejná jako spolehlivost jediného křemíkového tranzistoru ekvivalentního tvaru a velikosti. Teoreticky mohou tranzistory vydržet tisíce let bez selhání - jeden z nejdůležitějších faktorů pro aplikace, jako jsou raketové a kosmické technologie, kde jediná porucha může znamenat úplné selhání probíhajícího projektu.

    Mikroprocesory a minipočítače.

    Mikroprocesory, které byly poprvé představeny veřejnosti v roce 1971, vykonávaly většinu základních funkcí počítače na jediném křemíkovém integrovaném obvodu implementovaném na čipu 5x5 mm. Díky integrovaným obvodům bylo možné vytvářet minipočítače - malé počítače, kde jsou všechny funkce vykonávány na jednom nebo více velkých integrovaných obvodech. Tato působivá miniaturizace vedla k dramatickému snížení nákladů na výpočetní techniku. Minipočítače, které jsou v současnosti vyráběny za cenu nižší než 1 000 $, nejsou výkonnostně horší než první velmi velké. počítače, která na počátku 60. let stála až 20 milionů dolarů. Mikroprocesory se používají v komunikačních zařízeních, kapesních kalkulačkách, náramkové hodinky, voliče televizních kanálů, elektronické hry, automatizovaná kuchyňská a bankovní zařízení, automatická regulace paliva a dočišťování výfukových plynů v autech, stejně jako v mnoha dalších zařízeních. Většina z globálního elektronického průmyslu v hodnotě 15 miliard USD se tak či onak spoléhá na integrované obvody. V celosvětovém měřítku se integrované obvody používají v zařízeních, jejichž celkové náklady dosahují mnoha desítek miliard dolarů.

    Počítačová paměťová zařízení.

    V elektronice termín „paměť“ obvykle označuje nějaké zařízení určené k ukládání informací digitální podobě. Z mnoha typů paměťových zařízení (RAM) zvažte paměť s náhodným přístupem (RAM), nabíjecí zařízení (CCD) a paměť pouze pro čtení (ROM).

    U RAM je přístupová doba k libovolné paměťové buňce umístěné na čipu stejná. Taková zařízení mohou uložit 65 536 bitů (binárních, obvykle 0 a 1), jeden bit na buňku, a jsou široce používaným typem elektronické paměti; na každém čipu mají cca. 150 tisíc součástek. Vyrábí se RAM s kapacitou 256 Kbps (K = 2 10 = 1024; 256 K = 262 144). V paměťových zařízeních se sekvenčním vzorkováním probíhá cirkulace uložených bitů jakoby po uzavřeném potrubí (u CCD se tento typ vzorkování používá). V CCD, což je speciálně konfigurovaný IC, mohou být balíčky elektrických nábojů umístěny pod drobné kovové destičky, umístěné v krátkých vzdálenostech od sebe, elektricky izolované od čipu. Náboj (nebo jeho nedostatek) tak může procházet polovodičovým zařízením z jedné buňky do druhé. V důsledku toho je možné zapamatovat si informace ve formě sekvence jedniček a nul ( binární kód), jakož i přístup k němu v případě potřeby. Přestože CCD nemohou konkurovat RAM z hlediska rychlosti, jsou schopny zpracovat velké množství informací za nižší náklady a používají se tam, kde není vyžadována paměť s náhodným přístupem. RAM implementovaná na takovém IC je nestálá a informace v ní zaznamenané jsou ztraceny, když je napájení vypnuto. Informace se ukládají do paměti ROM produkční proces a trvale uloženy.

    Vývoj a výroba nových typů IS se nezastavuje. Vymazatelná programovatelná ROM (EPROM) má dva uzávěry naskládané nad sebou. Při přivedení napětí na horní hradlo může spodní získat náboj, který odpovídá 1 binárnímu kódu a při přepnutí (převrácení) napětí může hradlo ztratit svůj náboj, což odpovídá 0 binárnímu kódu.

    Právě před pětadvaceti lety museli radioamatéři a specialisté starší generace studovat na tehdejší dobu nová zařízení – tranzistory. Nebylo snadné se vzdát elektronické elektronky, na které jsou tak zvyklí, a přecházejí do přeplněné a rozrůstající se „rodiny“ polovodičových zařízení.

    A nyní tato „rodina“ začala stále více ustupovat svému místu v radiotechnice a elektronice polovodičová zařízení nejnovější generace - integrované obvody, často nazývané zkráceně IC.

    Co je integrovaný obvod

    integrovaný obvod- Jedná se o miniaturní elektronickou jednotku obsahující tranzistory, diody, rezistory a další aktivní a pasivní prvky ve společném pouzdře, jejichž počet může dosahovat až několika desítek tisíc.

    Jeden mikroobvod Může nahradit celou jednotku rádiového přijímače, elektronického počítače (ECM) a elektronického stroje. „Mechanismus“ například elektronických náramkových hodinek je jen jeden větší čip.

    Podle funkčního účelu se integrované obvody dělí do dvou hlavních skupin: analogové nebo lineárně pulsní a logické nebo digitální mikroobvody.

    Analogové mikroobvody jsou určeny pro zesilování, generování a převádění elektrických oscilací různých frekvencí, například pro přijímače, zesilovače a logické mikroobvody pro použití v automatizačních zařízeních, v zařízeních s digitální čteníčas v počítači.

    Tento workshop je věnován seznámení se zařízením, principem činnosti a možnou aplikací nejjednodušších analogových a logických integrovaných obvodů.

    Na analogovém čipu

    Z obrovské „rodiny“ analogů jsou nejjednodušší dvojité mikroobvody „K118UN1A (K1US181A) a K118UN1B (K1US181B), zahrnuté v sérii K118.

    Každý z nich je zesilovač obsahující ... O elektronické "náplně" je však lepší mluvit později. Zatím je budeme považovat za „černé skříňky“ s vývody pro připojení napájecích zdrojů, přídavných dílů, vstupních a výstupních obvodů k nim.

    Rozdíl mezi nimi spočívá pouze v jejich nízkofrekvenčních oscilačních ziskech: zisk čipu K118UN1A na frekvenci 12 kHz je 250 a čipu K118UN1B je 400.

    Na vysoké frekvence ach, zesilovací faktor těchto mikroobvodů je stejný - asi 50. Takže kterýkoli z nich může být použit pro zesílení kmitů jak nízkých, tak vysokých frekvencí, a tedy pro naše experimenty. Vzhled A symbol těchto zesilovacích obvodů na schématech zapojení zařízení jsou znázorněna na Obr. 88.

    Jejich těla jsou plastová obdélníkového tvaru. Na horní straně pouzdra je štítek, který slouží jako referenční bod pro čísla pinů. Mikroobvody jsou určeny pro napájení ze zdroje stejnosměrný proud napětí 6,3 V, které je napájeno přes svorky 7 (+ Upit) a 14 (— U Pete).

    Zdrojem energie může být regulovaný zdroj střídavého proudu nebo baterie složená ze čtyř článků 334 a 343.

    První experiment s mikroobvodem K118UN1A (nebo K118UN1B) se provádí podle schématu znázorněného na obr. 89. Jako obvodovou desku použijte lepenkovou desku o rozměrech přibližně 50X40 mm.

    mikročipové kolíky 1, 7, 8 A 14 pájku na drátěné sponky procházející otvory v kartonu. Všechny budou fungovat jako stojany držící mikroobvod na desce a držáky kolíků 7. a 14, navíc propojení kontaktů s baterií GB1 (nebo síťový blok výživa).

    Mezi nimi na obou stranách mikroobvodu zpevněte dva nebo tři další kontakty, které budou mezilehlé pro další části. Namontujte kondenzátory na desku C1(typ K50-6 nebo K50-3) a C2(KJAS, BM, MBM), připojte sluchátka k výstupu mikroobvodu AT 2.

    Připojte ke vstupu mikroobvodu (přes kondenzátor C1) elektrodynamický mikrofon V 1 jakéhokoli typu nebo telefonní kapsle DEM-4m, zapněte napájení a přitiskněte telefony blíže k uším a lehce poklepejte na mikrofon tužkou. Pokud se nevyskytnou žádné chyby při úpravách, měly by telefony slyšet zvuky připomínající cvakání na buben.

    Požádejte kamaráda, aby něco řekl před mikrofonem – jeho hlas uslyšíte v telefonech. Místo mikrofonu můžete ke vstupu mikroobvodu připojit reproduktor rozhlasového vysílání (předplatitelský) s odpovídajícím transformátorem. Efekt bude přibližně stejný.

    Pokračujte v experimentu s jednočinným telefonním zařízením, připojte mezi společný (záporný) vodič silového obvodu a výstup 12 IC elektrolytický kondenzátor SZ, naznačeno v diagramu přerušovanými čarami. Zároveň by se měla zvýšit hlasitost zvuku v telefonech.

    Telefony budou znít ještě hlasitěji, pokud je ve výstupním obvodu zahrnut stejný kondenzátor 5 (na obr. 89 - kondenzátor C4). Pokud je však současně vybuzen zesilovač, pak bude muset být mezi společný vodič a svorku 11 připojen elektrolytický kondenzátor s kapacitou 5-10 mikrofaradů. jmenovité napětí 10V.

    Další zkušenost: zapnout mezi závěry 10 A 3 třísky keramické popř papírový kondenzátor s kapacitou 5 - 10 tisíc pikofarad. Co se stalo? V telefonech se objevil nepřetržitý zvuk střední tonality. S nárůstem kapacity tohoto kondenzátoru by se měl tón zvuku v telefonech snižovat a s poklesem naopak zvyšovat. Koukni na tohle.

    A nyní otevřeme tuto „černou skříňku“ a uvažujme o jejím „vycpávání“ (obr. 90). Ano, je to dvoustupňový zesilovač s přímým propojením mezi jeho tranzistory. Křemíkové tranzistory, struktury č -R-n. Nízkofrekvenční signál generovaný mikrofonem je přiveden (přes kondenzátor C1) na vstup mikroobvodu (vývod 3).

    Na rezistoru vznikl pokles napětí R6 v emitorovém obvodu tranzistoru PROTI2, přes odpory R4 A R5 aplikovaný na bázi tranzistoru VI a otevře ji. Rezistor R1 — zatížení tohoto tranzistoru. z něj odstraněny zesílený signál jde do báze tranzistoru PROTI2 pro extra zesílení.

    V experimentálním zesilovači zátěž tranzistoru PROTI2 v jeho kolektorovém obvodu byla zahrnuta sluchátka, která konvertovala nízkofrekvenční signál do zvuku.

    Ale jeho zátěží může být odpor R5 mikroobvody, pokud spojíte závěry dohromady 10 A 9. V tomto případě musí být telefony připojeny mezi společný vodič a spojovací bod těchto závěrů přes elektrolytický kondenzátor o kapacitě několika mikrofarad (kladné obložení mikroobvodu).

    Když je mezi společný vodič a výstup připojen kondenzátor 12 Hlasitost zvuku čipu se zvýšila, proč? Protože přepíná odpor R6 mikroobvod, oslabil negativní zpětnou vazbu na střídavý proud v něm působící.

    Negativní zpětná vazba byla ještě slabší, když jste do základního obvodu tranzistoru zařadili druhý kondenzátor PROTI1. A třetí kondenzátor, zapojený mezi společný vodič a výstup 11, tvořený odporem R7 IC oddělovací filtr pro zamezení buzení zesilovače.

    Co se stane, když zapnete kondenzátor mezi vývody 10 a 5? Mezi výstupem a vstupem zesilovače vytvořil kladnou zpětnou vazbu, která jej přeměnila na generátor oscilací audio frekvence.

    Takže, jak vidíte, čip K118UN1B (nebo K118UN1A) je zesilovač, který může být nízkofrekvenční nebo vysokofrekvenční například v přijímači. Může se ale stát i generátorem elektrických oscilací jak nízkých, tak vysokých frekvencí.

    Čip v rádiu

    Tento mikroobvod navrhujeme otestovat ve vysokofrekvenční dráze přijímače, sestaveného např. podle obvodu znázorněného na Obr. 91. Vstupní obvod magnetické antény takového přijímače je tvořen cívkou L1 a proměnný kondenzátor C1. Vysokofrekvenční signál rozhlasové stanice, na jejíž vlně je obvod naladěn, prostřednictvím komunikační cívky L2 a oddělovací kondenzátor C2 přejde na vstup (výstup 3) mikročipy L1.

    Z výstupu mikroobvodu (výstup 10, připojen k výstupu 9) zesílený signál je přiváděn přes kondenzátor C4 pro detektor, diody VI A PROTI2 které jsou zapojeny podle obvodu násobení napětí a nízkofrekvenčního signálu, který jim přidělují telefony V 1 převedeny na zvuk. Přijímač napájený baterií GB1, složený ze čtyř prvků 332, 316 nebo pěti baterií D-01.

    V mnoha tranzistorových přijímačích je zesilovač vysokofrekvenční cesty tvořen tranzistory a v tomto - mikroobvodem. To je jediný rozdíl mezi nimi. Se zkušenostmi z předchozích workshopů doufám, že budete schopni samostatně namontovat a G nastavit takový přijímač a případně jej doplnit o NF zesilovač pro hlasitý příjem rádia.

    Na logickém čipu

    Nedílnou součástí mnoha digitálních integrovaných obvodů je logický prvek AND-NOT, jehož symbol vidíte na Obr. 92, A. Jeho symbol je „&“ umístěné uvnitř obdélníku, obvykle v levém horním rohu, nahrazující spojku „a“ v anglický jazyk. Dva nebo více vstupů vlevo, jeden výstup vpravo.

    Malý kroužek, který začíná připojovací linii výstupního signálu, symbolizuje logickou negaci "NE" na výstupu mikroobvodu. V řeči digitální techniky „NOT“ znamená, že prvek AND-NOT je invertor, tedy zařízení, jehož výstupní parametry jsou opačné než vstupní.

    Elektrický stav a činnost logického prvku je charakterizována úrovněmi signálů na jeho vstupech a výstupech. Signál malého (nebo nulového) napětí, jehož úroveň nepřesahuje 0,3 - 0,4 V, se obvykle (v souladu s binární číselnou soustavou) nazývá logická nula (0) a signál je více vysokého napětí(oproti logické 0), jejíž úroveň může být 2,5 - 3,5 V, je logická jednotka (1).

    Například říkají: "na výstupu prvku, logická 1." To znamená, že v tuto chvíli se na výstupu prvku objevil signál, jehož napětí odpovídá úrovni logické 1.

    Abychom nezasahovali do technologie a zařízení prvku NAND, budeme jej považovat za „černou skříňku“, která má dva vstupy a jeden výstup pro elektrický signál.

    Logika prvku spočívá v tom, že když je na jeden z jeho vstupů přivedeno logické O a na druhý vstup logická 1, objeví se na výstupu signál logické 1, který po přivedení signálů odpovídajících logické 1 zmizí. na oba vstupy.

    Pro experimenty, které opraví tuto vlastnost prvku v paměti, budete potřebovat nejběžnější mikroobvod K155LAZ, stejnosměrný voltmetr, čerstvou baterii 3336L a dva odpory s odporem 1 ... 1,2 kOhm.

    Čip K155LAZ se skládá ze čtyř prvků 2I-NOT (obr. 92, b) napájen jedním společným zdrojem 5 V DC, ale každý z nich funguje jako nezávislé logické zařízení. Číslo 2 v názvu mikroobvodu znamená, že jeho prvky mají dva vstupy.

    Vzhledem a designem se stejně jako všechny mikroobvody řady K155 neliší od již známého analogového mikroobvodu K118UN1, liší se pouze polarita připojení zdroje energie. Proto je lepenková deska, kterou jste vyrobili dříve, také vhodná pro experimenty s tímto mikroobvodem. Napájení je připojeno: +5 V - na pin 7" — 5 B - k závěru 14.

    Ale tyto závěry nejsou obvykle uvedeny na schematickém obrázku mikroobvodu. To se vysvětluje tím, že základní elektrická schémata prvky, které tvoří mikroobvod, jsou znázorněny samostatně, například jako na obr. 92, c. Pro experimenty můžete použít kterýkoli z jeho čtyř prvků.

    špendlíky 1, 7, 8 A 14 připájejte na drátěné stojany na kartonové desce (jako na obr. 89). Jeden ze vstupních kolíků kteréhokoli z jeho prvků, například prvek s kolíky 1 — 3, připojte přes rezistor s odporem 1 ... 1,2 kOhm k výstupu 14, výstup druhého vstupu je přímo se společným („uzemněným“) vodičem silového obvodu a na výstup prvku připojte stejnosměrný voltmetr (obr. 93, A).

    Zapněte napájení. Co ukazuje voltmetr? Napětí přibližně 3 V. Toto napětí odpovídá signálu logické 1 na výstupu prvku. Stejným voltmetrem změřte napětí na výstupu prvního vstupu a zde, jak vidíte, je to také logická 1. Proto, když jeden ze vstupů prvku má logickou 1 a druhý má logickou 1. logická 0, výstupem bude logická 1.

    Nyní propojte výstup a druhý vstup přes rezistor s odporem 1 ... 1,2 kOhm s výstupem 14 a zároveň drátovou propojkou - se společným vodičem, jak je znázorněno na obr. 93b.

    V tomto případě bude výstup, stejně jako v prvním experimentu, logická 1. Dále podle šipky na voltmetru odstraňte drátovou propojku, abyste přivedli signál odpovídající logické 1 na druhý vstup.

    Co měří voltmetr? Signál na výstupu prvku byl převeden na logickou 0. Tak to má být! A pokud je některý ze vstupů periodicky uzavřen na společný vodič a tím simuluje přívod logické 0 k němu, pak se na výstupu prvku objeví proudové impulsy se stejnou frekvencí, jak dokládají kolísání jehly voltmetru . Zkuste to experimentálně.

    Vlastnost prvku AND-NOT měnit svůj stav vlivem vstupních řídicích signálů je široce využívána v různá zařízení digitální výpočetní technika. Radioamatéři, zejména začátečníci, velmi často používají jako invertor logický prvek - zařízení, jehož výstupní signál je opačný než vstupní signál.

    Následující experiment může potvrdit tuto vlastnost prvku. Spojte svorky obou vstupů prvku dohromady a přes rezistor s odporem 1 ... 1,2 kΩ je připojte na svorku 14 (obr. 93, PROTI).

    Na společný vstup prvku tedy přivedete signál odpovídající logické 1, jehož napětí lze měřit voltmetrem. Jaký je z toho výstup?

    Ručička k ní připojeného voltmetru se mírně odchýlila od nulové značky stupnice. Zde tedy podle očekávání signál odpovídá logické 0.

    Poté bez odpojení rezistoru od výstupu 14 mikroobvod, několikrát za sebou uzavřete vstup prvku na společný vodič drátěnou propojkou (na obr. 93, PROTI znázorněno přerušovanou čarou se šipkami) a současně sledovat ručičku voltmetru. Ujistíte se tedy, že když je vstup měniče logická 0, výstup je v tuto chvíli logická 1 a naopak, když je vstup logická 1, výstup je logická 0.

    Tak funguje střídač, který zvláště často využívají radioamatéři v jimi konstruovaných impulsních zařízeních.

    Příkladem takového zařízení je pulzní generátor sestavený podle obvodu znázorněného na Obr. 94. Jeho účinnost si můžete ověřit právě teď a strávit na něm jen pár minut.

    Připojte výstup prvku D1.1 ke vstupům prvku D1.2 stejný mikroobvod, jeho výstup je se vstupy prvku DJ.3, a výstup tohoto prvku (výstup 8) - se vstupem prvku D1.1 přes proměnný odpor R1 . K výstupu prvku D1.3 (mezi výstupem 8 a společný vodič) připojte sluchátka B1, paralela k prvkům D1.1 a D1.2 elektrolytický kondenzátor C1.

    Nastavte motor s proměnným odporem do pravé polohy (podle schématu) a zapněte napájení - v telefonech uslyšíte zvuk, jehož tón lze měnit proměnným rezistorem.

    V tomto experimentu prvky D1.1, D1.2 aD1.3, sériově propojené jako tranzistory třístupňového zesilovače tvořily multivibrátor - generátor pravoúhlých elektrických impulsů.

    Z mikroobvodu se stal generátor díky kondenzátoru a rezistoru, který vytvořil frekvenčně závislé obvody mezi výstupem a vstupem prvků. zpětná vazba. S proměnným rezistorem lze plynule měnit frekvenci pulzů generovaných multivibrátorem od cca 300 Hz do 10 kHz.

    Který praktické využití může najít toto impulsní zařízení? Může se stát například domovním zvonkem, sondou pro kontrolu výkonu kaskád přijímače a basového zesilovače, generátorem pro trénink poslechu telegrafní abecedy.

    Domácí hrací automat na čipu

    Takové zařízení lze proměnit v červený nebo zelený automat. Schéma takového impulsního zařízení je na Obr. 95. Zde jsou prvky D1.1, D1.2, D1.3 stejný (nebo stejný) čip K155LAZ a kondenzátor C1 tvoří podobný multivibrátor, jehož pulsy řídí tranzistory VI A PROTI2, zapojeny podle schématu se společným emitorem.

    Živel D1.4 funguje jako invertor. Pulsy multivibrátoru díky němu dorazí na báze tranzistorů v protifázi a jeden po druhém je otevírají. Takže například, když je úroveň logické 1 na vstupu měniče a úroveň logické 0 je na výstupu, pak v těchto okamžicích tranzistor V 1 otevřít a rozsvítit žárovku AHOJ v jeho kolektorovém obvodu je zapnutý a tranzistor PROTI2 zavřené a jeho žárovka H2 nehoří.

    Při dalším impulsu měnič změní svůj stav. Nyní se tranzistor otevře PROTI2 a světlo se rozsvítí H2, tranzistor VI rozsvítit žárovku H1 půjde ven.

    Ale frekvence pulsů generovaných multivibrátorem je poměrně vysoká (alespoň 15 kHz) a žárovky samozřejmě nemohou reagovat na každý puls.

    Proto slabě svítí. Ale stojí za to stisknout tlačítko S1, abyste zkratovali kondenzátor s jeho kontakty C1 a tím narušit generování multivibrátoru, jelikož se okamžitě jasně rozsvítí světlo jednoho z tranzistorů, na základě čehož v tu chvíli bude napětí odpovídající logické 1 a druhé světlo úplně zhasne.

    Nelze předem říci, která z žárovek po stisknutí tlačítka bude nadále hořet - lze jen hádat. To je smysl hry.

    Hrací automat spolu s baterií (3336L nebo tři 343 články zapojené do série) lze umístit do malé krabičky například v případě „kapesního“ přijímače.

    Žárovky AHOJ A H2(MH2,5-0,068 nebo MH2,5-0,15) umístěte pod otvory v přední stěně pouzdra a uzavřete je víčky nebo destičkami z červeného a zeleného organického skla. Zde také upevněte hlavní vypínač (přepínač TV-1) a tlačítkový vypínač §1(typ P2K nebo KM-N) zastaví multivibrátor.

    Zřízení automat je pečlivě vybrat odpor R1. Jeho odpor by měl být takový, že když multivibrátor zastavíte tlačítkem S1 nejméně 80 - 100 násobek počtu požárů každé z žárovek byl přibližně stejný.

    Nejprve zkontrolujte, zda multivibrátor funguje. K tomu paralelně s kondenzátorem C1, e, jehož kapacita může být 0,1 ... 0,5 mikrofaradů, připojte k výstupu multivibrátoru elektrolytický kondenzátor s kapacitou 20 ... 30 mikrofaradů a sluchátka - v telefonech by se měl objevit nízký zvuk.

    Tento zvuk je známkou činnosti multivibrátoru. Poté vyjměte elektrolytický kondenzátor, rezistor R1 nahradit ořezávacím odporem s odporem 1,2 ... 1,3 kOhm a mezi vývody 8 a 11 prvků DI.3 A D1.4 zapněte DC voltmetr. Změnou odporu ladícího rezistoru docílit takové polohy, aby voltmetr ukazoval nulové napětí mezi výstupy těchto prvků mikroobvodu.

    Počet hráčů může být libovolný. Každý postupně stiskne tlačítko zastavení multivibrátoru. Vyhrává ten, kdo se stejným počtem tahů, například dvaceti stisky tlačítek, více jednou hádejte barvy žárovek poté, co se multivibrátor zastaví.

    Bohužel frekvence multivibrátoru zde popsaného nejjednoduššího hracího automatu se vlivem vybíjení baterie poněkud mění, což samozřejmě ovlivňuje ekvipravděpodobnost zapálení různých žárovek, proto je lepší jej napájet ze stabilizovaného zdroje napětí 5 V.

    Literatura: Borisov V. G. Praktikum pro začínajícího radioamatéra. 2. vyd., přepracováno. a doplňkové — M.: DOSAAF, 1984. 144 s., ill. 55 tis.

    Přečtěte si více: