Электронные устройства автоматики

Скачать DjVu (1,7 МБ)

Описание

В книге изложены теоретические основы, принципы действия и расчеты различных электронных устройств, применяемых в автоматике. Основной элементной базой описываемых устройств являются полупроводниковые интегральные схемы и транзисторы

Во втором издании (1-е— 1983 г.) расширен материал по операционным усилителям, методически переработай ряд разделов.

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

Одним из главных факторов, обеспечивающих развитие всех отраслей народного хозяйства, является комплексная автоматизация производственных процессов на основе последних достижений электронной техники. К электронным устройствам автоматики предъявляются высокие требования, так как современная электронная аппаратура должна обеспечивать надежность работы сложнейших систем автоматического управления и контроля.

Современный этап развития радиоэлектронной аппаратуры ха-рак!еризуется все более широким применением интегральных схем (ИС) высокой функциональной сложности. Это требует нового подхода к написанию современных учебников и учебных пособий радиоэлектронного направления.

Настоящее учебное пособие является переработанным и дополненным вторым изданием пособия, вышедшего в 1983 г. Как и в первом издании, теоретическая часть состоит из описания принципов действия электронных устройств и вывода основных расчетных соотношений. Для закрепления теории в конце некоторых глав даны вопросы и задачи для самопроверки. Для облегчения работы учащегося над курсовым проектом приведены примеры расчета некоторых схем. В приложении дан вспомогательный справочный материал.

По сравнению с предыдущим изданием в данной книге практически полностью переработан раздел «Усилители», в котором существенно расширен материал об операционных усилителях за счет сокращения материала, касающегося рассмотрения многокаскадных усилителей с трансформаторной и резистивно-емкостной связями, методически переработан материал по типовым усилительным каскадам, бестрансформаторным усилителям мощности. Переработаны также главы, в которых рассматриваются стабилизаторы напряжения, генераторы гармонических колебаний. Исключены устаревшие ламповые схемы генераторов.

ВВЕДЕНИЕ

Последние достижения в области физики и технологии полупроводников, математики, химии, радиотехники позволили перейти к новому этапу миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры — созданию и совершенствованию интегральных схем.

Интегральная микросхема (ИС)—микроэлектронное изделие, выполняющее функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов или кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке-и эксплуатации — рассматривается как единое целое.

Различают следующие ИС: пленочные, все элементы и межэлементные соединения которых выполнены в виде пленок; бескорпусные гибридные, содержащие кроме пленочных элементов навесные компоненты (транзисторы, диоды, конденсаторы); полупроводниковые, все элементы и межэлементные соединения которых выполнены в объеме или на поверхности полупроводника.

Низкоомные пленочные резисторы гибридных микросхем (сопротивлением от 0,01 Ом до 10 кОм) получают из чистого хрома, тантала или нихрома, нанося эти материалы в виде тонких пленок на электрическую подложку. Для получения высокоомных пленочных резисторов используют оксидные пленки, например из оксида олова. Так как эти пленки обычно относятся к материалам с электропроводностью n-типа (из-за присутствия кислородных вакансий), то добавка сурьмы снижает, а добавка индия повышает удельное сопротивление.

Полупроводниковые ИС изготовляют по планарной технологии, широко применяемой в производстве дискретных транзисторов. Основой планарной технологии является последовательное создание методом диффузии слоев р- и я-типа в объеме кремниевой подложки.

Так как все элементы полупроводниковой ИС создаются в объеме полупроводникового монокристалла, то возникает проблема электрической изоляции компонентов друг от друга. Для решения этой проблемы используются два метода изоляции: 1) обратно-смещенным р-n-переходом; 2) диэлектриком. Наиболее распространенной является изоляция обратносмещенным р-n-переходом, так как в этом случае существенно снижается стоимость ИС.

Транзисторы полупроводниковых ИС с изоляцией диэлектриком по параметрам близки к дискретным транзисторам, однако у интегральных транзисторов выводы всех электродов выполняются с одной стороны кристалла.

Биполярные транзисторы полупроводниковых ИМС с изоляцией р-я-переходом представляют собой четырехслойную структуру с тремя р-n-переходами, один из которых — изолирующий. Наличие этого перехода приводит к появлению паразитных элементов и ухудшает параметры интегральных транзисторов по сравнению с дискретными.

Полевые транзисторы с управляющим р-я-переходом выполняются совместно с биполярными на одном кристалле в едином технологическом цикле, составляя таким образом один тип ИС. Биполярные и МДП-транзисторы, как правило, совместно не изготовляются, т. е. разрабатываются два типа ИС: на биполярных и полевых МДП-транзисторах.

В качестве диодов в полупроводниковых ИС обычно используют транзисторы в диодном включении. В зависимости от схемы включения транзистора изменяются параметры диода.

Резисторы полупроводниковых ИС получают, используя объем полупроводника, заключенный между двумя выводами. Сопротивление такого резистора определяется удельным сопротивлением полупроводника и геометрическими размерами.

Для полупроводниковых ИС объемные резисторы более технологичны, чем пленочные, так как создаются одновременно с остальными элементами микросхемы. Однако они характеризуются большим разбросом параметров, сильной температурной зависимостью сопротивления и существенными паразитными эффектами. Размеры полупроводниковых резисторов, даже при сопротивлении порядка нескольких килоом, значительно превышают размеры транзисторов. Так как сопротивление объемных резисторов не превышает нескольких десятков килоом, то при создании ИС с повышенной степенью интеграции стремятся уменьшить количество резисторов в схеме или совсем исключить их.

Роль конденсаторов полупроводниковой интегральной микросхемы выполняет емкость обратносмещенного р-я-перехода, максимальное значение которой составляет примерно 100—200 пФ. Большие значения емкостей трудно реализовать в ограниченном объеме кристалла, поэтому интегральные микросхемы разрабатывают с минимальным количеством конденсаторов. Индуктивные катушки и трансформаторы в микроэлектронных устройствах применяются только как навесные элементы гибридных микросхем, так как формирование индуктивной катушки в объеме ИС практически невозможно. Полупроводниковые ИС представляют собой законченные функциональные устройства, элементы которых выполняются в едином технологическом цикле. Поэтому параметры полупроводниковых интегральных микросхем имеют меньший разброс и температурную зависимость, чем параметры аналогичных функциональных устройств, выполненных на дискретных элементах. Однако полупроводниковые ИС требуют сложного оборудования и крупных начальных капиталовложенний. Кроме того, недостатком полупроводниковых ИС является наличие паразитных связей между элементами и подложкой. Несмотря на это технология изготовления полупроводниковых ИС позволяет получать их надежнее и дешевле гибридных микросхем с навесными элементами. По количеству составных элементов интегральные микросхемы делят на схемы с малой степенью интеграции (до 100 элементов); средней (до 1000) и большой (свыше 1000).

При проектировании ИС с большой степенью интеграции (БИС) необходимо решить две проблемы. Первая — возможность уменьшения геометрических размеров элементов схемы. Эти размеры определяются заданными электрическими параметрами и разрешающей способностью технологического оборудования. При этом следует учесть, что для изготовления БИС требуется более трудоемкий технологический процесс, чем для изготовления ИС с малой степенью интеграции. Вторая проблема — обеспечение отвода теплоты. Увеличение плотности упаковки элементов в интегральной микросхеме обусловливают увеличение удельной мощности рассеяния. Работа элементов в условиях повышенной температуры приводит к уменьшению надежности элементов и микросхемы в целом. Поэтому БИС, как правило, имеют специальные конструкции корпусов.

В настоящее время уровень интеграции БИС достигает нескольких тысяч элементов на одном кристалле. Создание и серийный выпуск таких БИС позволили перейти к созданию микропроцессоров.

Микропроцессор — это функционально законченное и полностью автономное цифровое устройство, реализованное на одной или нескольких БИС и обеспечивающее обработку информации и управление по заданной программе. Микропроцессоры рассчитаны на совместную работу с устройствами памяти и ввода — вывода информации. Эти устройства поставляются в комплекте в виде семейства совместимых приборов, способных работать при тех же напряжениях питания, при которых работает микропроцессор.

Основным недостатком микропроцессоров является сравнительно низкое быстродействие устройств на микропроцессорах, что обусловлено принципиально последовательным характером выполнения программы. Повышение быстродействия микропроцессоров тесно связано с совершенствованием технологии изготовления БИС.