книги / Схемотехника

Рис. 1.13. Электронные лампы и пример схемы на лампах

Внастоящее время электронные лампы практически полностью вытеснены полупроводниковыми приборами, но тем не менее иногда еще применяются в мощных высокочастотных передатчиках, высококачественной аудиотехнике.

Вконце 40-х гг. XX в. были изобретены транзисторы

(рис. 1.14).

Рис. 1.14. Транзисторы и пример схемы на транзисторах с реле

41

На рис. 1.14 изображены резисторы, транзисторы, из которых два с взаимными обратными связями (так называемый мультивибратор), конденсаторы, обмотка и контакт реле. Транзистор МП25, вероятно, выполняет функции усилителя периодического сигнала, формируемого двумя МП41.

Вконце 50-х гг. были разработаны первые интегральные микросхемы (ИМС). Сначала это были микросхемы малой степени интеграции (МИС), потом средней (СИС), потом большой (БИС).

Вначале 70-х гг. были разработаны первые микропроцессоры, затем микроконтроллеры, уже имеющие на кристалле память, средства ввода – вывода. Пример микросхемы фирмы Atmel изображён на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Пример микроконтроллера фирмыAtmel

Если первые ИМС имели 14–16 выводов («ножек» в просторечии), то современные БИС имеют сотни выводов (рис. 1.16).

Если первые БИС содержали несколько тысяч транзисторов, то теперь количество перевалило за миллиард! Фирма Altera, используя 28 нм техпроцесс, разработала микросхему, состоящую из 3,9 млрд транзисторов (рис. 1.17).

Кроме микросхем в аппаратуре используются оптоэлектронные приборы, индикаторы и другие средства отображения информации (рис. 1.18).

42

Рис. 1.16. Современные БИС

Рис. 1.17. Микросхема фирмыAltera, состоящая из 3,9 млрд транзисторов

43

Рис. 1.18. Светодиоды и индикаторные лампы

Различные дисплеи, тачскрины и прочее все мы носим в карманах и сумках и не по одному. Смартфоны, брелки сигнализации автомобильной, пульты управления автоматическими воротами и пр. … Пульты дистанционного управления телевизорами, кондиционерами… Все эти банкоматы, сканеры штрих-кода…

В схемотехнике электрической широко используются элементы, реагирующие на свет: фоторезисторы, фотодиоды и фото-

транзисторы (рис. 1.19, 1.20, 1.21).

Рис. 1.19. Фоторезистор и его условное обозначение (УГО)

44

Рис. 1.20. Фотодиод

Рис. 1.21. Фототранзистор

Оптопара или оптрон – электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно – светодиод) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и, как правило, объединённых в общем корпусе (рис. 1.22).

Рис. 1.22. Оптопары, или оптроны

45

Применяются и коммутационные изделия: кнопки, тумблеры, концевые выключатели, командаппараты, соединители, герконы – магнитоуправляемые контакты. На рис. 1.23 изображён геркон.

Рис. 1.23. Геркон

В генераторах тактовых импульсов используются кварцевые резонаторы-пьезоэлектрические приборы (рис. 1.24).

Рис. 1.24. Кварцевые резонаторы

иУГО кварцевого резонатора

Кустановочным изделиям относятся панели ламповые для микросхем, предохранители, держатели предохранителей. Аппаратура содержит электрические кабели, провода, шнуры, шлейфы…Схемотехника использует соединения – паяные, сварные, зажимные, витые, печатные платы. Печатные так называемые материнские платы выполняются по стандартам или форм-факторам (от англ. form factor). Пример печатной платы изображён на рис. 1.25.

46

Рис. 1.25. Пример печатной платы

В настоящее время оптоволокно используется не только для передачи информации на расстояние, но и имеются проекты использования оптопроводников на уровне не только блоков аппаратуры, но и отдельной печатной платы и даже в самих микросхемах.

47

2. ЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ НА КМОП-ТРАНЗИСТОРАХ

Современные БИС памяти, микропроцессоры, микроконтроллеры и прочее часто строятся на полевых транзисторах типа «металл – окисел – полупроводник» МОП.

КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полу-

проводник; англ. CMOS, complementary metal-oxide-semiconduc- tor) – технология построения электронных схем на основе МОПтехнологии. В более общем случае – КМДП (со структурой ме- талл-диэлектрик-полупроводник). В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости.

КМОП-схемы по сравнению с биполярными (ТТЛ, ЭСЛ и др.) характеризуются малым энергопотреблением в статическом режиме, можно считать, что энергия потребляется только во время переключения состояний.

КМОП-схемы по сравнению с другими МОП-схемами содержат как n-, так и p-канальные полевые транзисторы парами. Поэтому КМОП-схемы обладают большим быстродействием и меньшим энергопотреблением, однако при этом необходим более сложный технологический процесс изготовления, но получается меньшая плотность упаковки.

Рассмотрим некоторые КМОП-транзисторы, имеющиеся в библиотеке элементов системы схемотехнического моделиро-

вания Electronics Workbench фирмы National Instruments, или NI,

США, г. Остин, Техас (рис. 2.1, 2.2).

Их выводы называются так: Gate – затвор, Sourсe – исток, Drain – сток, вывод со стрелкой связан с так называемой подложкой – пластиной полупроводника с примесной проводимостью

(рис. 2.3, 2.4).

Подложку можно соединить с истоком (рис. 2.5, 2.6).

48

Рис. 2.1. КМДП-транзистор	Рис. 2.2. КМДП-транзистор
p-проводимости сотдельным	n-проводимости сотдельным
выводомподложки	выводомподложки

Рис. 2.3. Назначениевыводов	Рис. 2.4. Назначениевыводов
КМДП-транзистораp-проводимости	КМДП-транзистораn-проводимости

Рис. 2.5. КМДП-транзистор	Рис. 2.6. КМДП-транзистор
p-проводимости собъединённым	n-проводимости собъединённым
выводомподложки	выводомподложки

2.1. ИНВЕРТОР НА КМОП-ТРАНЗИСТОРАХ

Построим на КМОП-транзисторах простейший логический элемент инвертор, используя упрощенные обозначения КМОПтранзисторов (рис. 2.7).

При поступлении на вход Х напряжения логического нуля открывается верхний транзистор p-проводимости (указан кружок на затворе – открывается нулём). Нижний транзистор n-проводи-

49

Рис. 2.7. КМДП-схема элемента НЕ супрощённым изображениемтранзисторов– безконтакта подложки

мости закрыт, поэтому ток течёт от +Vcc на выход элемента к нагрузке (например, к другому логическому элементу), т.е. формируется логическая единица (рис. 2.8).

Ток как бы течёт от + к шине «Ноль вольт», не совсем корректно обозначаемой «–». Так вообще-то договорились считать и обозначать. Но заряды – электроны в металлических проводниках – перемещаются к плюсу, поэтому и стрелка на транзисторах p-проводимости показывает к шине +Vcc.

При поступлении на вход Х напряжения логической единицы открывается нижний транзистор n проводимости, поэтому ток течёт с выхода элемента к шине «Ноль вольт», т.е. на выходе формируется логическая единица (рис. 2.9).

Рис. 2.8. КМДП-схема:	Рис. 2.9. КМДП-схема:
на входеинвертора0, навыходе1	навходе инвертора1, навыходе0

Электроны движутся от шины «Ноль вольт» к нагрузке – так какиуказывает стрелка натранзисторе n-проводимости – от шины.

Выполним моделирование в системе схемотехнического моделирования Electronics Workbench фирмы National Instruments (рис. 2.10, 2.11).

50