Интегральные логические схемы

Интегральные схемы (ИС) построены на одном срезе кремния, часто известном как подложка. В ИС некоторые из компонентов, упомянутых в предыдущей статье, могут быть объединены для выполнения различных задач, таких как переключение, усиление и логические функции. Фактически, компоненты, необходимые для этих схем, могут быть изготовлены

непосредственно на срезе кремния. Большим преимуществом этого является не только размер микросхем, но и скорость, с которой их можно заставить работать из-за коротких расстояний между компонентами. Обычно скорость переключения превышает 1 МГц.

Существует четыре основных этапа в построении ИС. Первым из них

является окисление путем воздействия на срез кремния потоком кислорода при высокой температуре. Образовавшийся оксид является отличным изолятором. Следующий процесс -

фототравление, при котором удаляется часть оксида. Срез кремния покрыт

материалом, называемым фоторезистом, который под воздействием света становится твердым. Теперь на срезе окисленного кремния, покрытом

фоторезистом, можно отпечатать рисунок фотографической прозрачности. Срез  промывается в кислоте, чтобы вытравить обратно в кремний те участки, которые не были защищены воздействием света. Следующим этапом является диффузия, при которой срез нагревается в атмосфере примеси, такой как бор или фосфор, что приводит к превращению открытых участков в кремний p- или n-типа. Заключительной стадией является эпитаксия, которая является названием, данным росту кристаллов. Новые слои кремния могут быть выращены и легированы, чтобы стать n- или p-типа, как и раньше.

Ассортимент и типы доступных в настоящее время интегральных схем настолько обширны, что микросхема доступна практически для любого применения. Уровень интеграции микросхем в настоящее время достиг и во многих случаях превышает уровень отдельно изготавливаемых радиодеталей. Это означает, что на одном чипе может быть более 100 000 активных элементов. Развитие в этой области развивается так быстро, что часто наука об электронике в настоящее время занимается в основном выбором правильной комбинации микросхем, а отдельные компоненты используются только в качестве конечных переключающих или

выходных каскадов. На фото не спутниковая карта местности, а интегральная схема под микроскопом. Пирамиды Гизы со спутника, не иначе)))

Простейшая форма усилителя включает в себя только один резистор и один транзистор, как показано на рисунке.

Небольшое изменение тока на входной клемме вызовет аналогичное изменение тока через транзистор, и на выходной клемме будет виден усиленный сигнал. Однако обратите внимание, что выходные данные будут инвертированы

по сравнению с входными. Эта очень простая схема имеет множество применений, когда используется скорее в качестве переключателя, чем усилителя. Например, очень небольшой ток, поступающий на вход, может использоваться для приведения в действие, скажем, обмотки реле, подключенной вместо резистора. Одна из основных проблем с этим типом транзисторного усилителя заключается в том, что коэффициент усиления

транзистора (β) может быть переменным и нелинейным. Чтобы преодолеть это, используется некоторый тип

обратной связи для создания схемы с более подходящими характеристиками.

Транзисторы подобраны таким образом, чтобы их характеристики были очень схожими.

Изменения на входе будут одинаково влиять на напряжение база–эмиттер каждого транзистора, так что ток, протекающий через Re, останется постоянным.

Например, любое изменение температуры одинаково повлияет на оба транзистора, и поэтому дифференциальное выходное напряжение останется неизменным. Важным свойством дифференциального усилителя является его способность усиливать разницу между двумя сигналами, но не сами сигналы.

Дифференциальные усилители на интегральных схемах очень распространены, одним из наиболее распространенных является операционный усилитель 741. Этот тип усилителя имеет коэффициент усиления по постоянному току в

районе 100 000. Операционные усилители используются во многих приложениях и, в частности, могут использоваться в качестве усилителей сигналов. Важная роль этого устройства также заключается в том, чтобы выступать в качестве буфера между датчиком и нагрузкой, такой как дисплей. То внутренняя схема устройств такого типа может быть очень сложной, но внешние

соединения и компоненты могут быть сведены к минимуму. Нечасто

требуется коэффициент усиления 100 000, поэтому при простом подключении нескольких резисторов характеристики операционного усилителя можно изменять в соответствии с применяемыми требованиями. Для достижения точного и соответствующего усиления используются две формы отрицательной обратной связи.

Коэффициент усиления с шунтирующей (параллельной) обратной связью составляет: –R2/R1

Коэффициент усиления с пропорциональной обратной связью составляет: R2/(R1)+ R

Важным моментом, который следует отметить при использовании усилителя этого типа, является то, что его коэффициент усиления

зависит от частоты. Это, конечно, имеет значение только при усилении

Сигналы переменного тока. На рисунке показана частотная характеристика усилителя 741 серии.

Операционные усилители являются основными строительными блоками многих типов схем.

Выпрямитель Уитстоуна, базовая схема выпрямителя

Существует много типов мостовых схем, но все они основаны на принципе

моста Уитстона, который показан на рисунке ниже. Показанный измеритель является очень чувствительным гальванометром. Простой расчет покажет, что счетчик покажет ноль, когда: R1/R2 = R3/R4

Использовать схему такого типа для очень точного измерения неизвестного сопротивления (R1), R3 и R4 - это предварительно настроенные прецизионные резисторы, а R2 -блок прецизионных сопротивлений. ГАЛЬВАНОМЕТР показывает ноль, когда показания на блоке сопротивления

варавнимаются

Кстати, что такое гальванометр Вы можете видеть на рисунке:

Так же, как и амперметр гальванометром измеряется ток, только в отличии от него им замеряется только  малые постоянные электрические токи.

Триггер Шмитта используется для преобразования переменных сигналов в четкие прямоугольные сигналы для использования в цифровых или коммутационных схемах. Например, синусоидальная волна, подаваемая в триггер Шмитта, будет выглядеть как прямоугольная волна с той же

частотой, что и входной сигнал. На рисунке показана простая

схема триггера Шмитта, использующая операционный усилитель.

Выходной сигнал этой схемы будет либо насыщенным положительным, либо насыщенным отрицательным

из-за высокого коэффициента усиления усилителя. Триггерные точки определяются как верхние

и более низкие триггерные точки (UTP и LTP) соответственно. Выходной сигнал от распределителя индуктивного типа или датчика положения коленчатого вала на автомобиле необходимо будет пропускать через триггер Шмитта. Это гарантирует, что либо дальнейшая обработка

будет проще, либо переключение будет положительным. Триггеры Шмитта можно приобрести как самостоятельные интегральные схемы или как часть других готовых приложений.

В своей простейшей форме таймер может состоять из двух компонентов: резистора и конденсатора. Когда конденсатор подключен к источнику питания через резистор, считается, что он полностью зарядится через 5CR секунд, где R- значение сопротивления в омах, а C - значение конденсатора в фарадах. Постоянная времени этой схемы равна CR, часто обозначаемая τ. Напряжение на конденсаторе (Vc) можно рассчитать следующим образом:

где: V = напряжение питания; t = время в секундах; C = значение конденсатора в фарадах;R = значение сопротивления в омах;

e = экспоненциальная функция

Эти два компонента с подходящими значениями могут быть сделаны так, чтобы давать практически любую временную задержку, в пределах разумного, и приводить в действие или отключать цепь с помощью

n-транзистора. На рисунке показан пример схемы таймера, использующей этот метод.