Аналоговых устройствах

Между тем, элементарные фрагменты электрической схемы ЭВМ можно оформить в виде бескорпусных полупроводниковых микросхем, а затем соединить их с помощью тонко- или толстопленочной коммутационной платы на диэлектрической подложке методами, описанными в § 2.2. При этом отпадает даже ограничение, касающееся построения электрической схемы БИС из однородных элементарных схем. Их подбор можно осуществить из числа разнообразных бескорпусных полупроводниковых микросхем, выбор которых достаточно широк. Недостающие бескорпусные микросхемы разрабатываются и изготавливаются заново. По этой причине, а также из-за того, что технологический процесс изготовления БГИС значительно проще, чем полупроводниковых БИС, этот метод наиболее подходит для построения неоднородных аналоговых устройств, например преобразователей аналог — код и код — аналог. Одновременно отметим, что достижимая степень интеграции для корпусных и бескорпусных БГИС — наивысшая из всех рассмотренных вариантов конструкций БИС. Так, например, одна из типовых БГИС на основе многослойных керамических коммутационных плат

Логические элементы. Логические элементы в отличие от аналоговых устройств (усилителей и др.), рассмотренных в предыдущих лабораторных работах, допускают в качестве значений входных и выходных напряжений лишь два уровня: «высокий» и «низкий». Как правило, «высокий» уровень напряжения соответствует логической «1», а «низкий» — логическому «О». В транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ) напряжение логического

Схемотехническое проектирование устройств предусматривает разработку блоков, узлов системы до уровня принципиальных схем. При разработке аналоговых устройств задают варианты построения, для которых находятся выходные характеристики, их сопоставлением с требуемыми характеристиками определяется работоспособность устройства. В проектировании цифровых устройств предусматриваются этапы алгоритмического проектирования, т. е. разработки алгоритма функционирования блоков, и логического проектирования с получением логической структуры узлов.

Одна из основных характеристик микроэлектронного изделия — рассеиваемая мощность. При гибридном исполнении можно обеспечить изготовление изделий достаточно большой мощности, что важно при создании аналоговых устройств, управляющих мощными выходными цепями.

В конструкциях приемоусилительных устройств МЭА четвертого поколения частотно-избирательные узлы имеют планарную конструкцию, в которой электромагнитные связи возникают только в плоскости монтажа. Устранение взаимных наводок осуществляется в этом случае применением экранирующих шин. Если верхняя крышка корпуса ячейки расположена близко к элементам бескорпусных микросборок, то электромагнитные связи могут возникнуть и в объеме (см. 1.17—1.23). Практически, за исключением аппаратуры СВЧ-диапа-зона, электромагнитными связями между элементами и компонентами ГИС, микросборок и металлической крышкой можно пренебречь и при определении высоты герметичной ячейки исходить из высоты наиболее высоких ЭРЭ микросборки. В этом случае результаты работы конструктора по миниатюризации аналоговых устройств существенно зависят от компоновочной сов-

Созданы комплексы гибридных вычислительных машин, состоящих из ЦВМ и аналоговых устройств. В США создана ЦВМ, совершающая в 1 с операции, на которые обычные ЭВМ потратили бы сотни лет. В указанном комплексе ЦВМ является управляющей машиной, одновременно выдающей исходную информацию для дальнейшего решения задач на аналоговых устройствах. Этот комплекс при подключении к нему системы соответствующих датчиков может управлять экспериментом, реализуя связь от анализа информации до принятия решения. При этом появляются новые возможности поиска оптимального режима на принципе самообучения системы.

Промышленные серии ОУ являются основой свыше 100 типовых аналоговых устройств или узлов различного назначения для систем автоматического управления и промышленной автоматики, измерительной и вычислительной техники. Поскольку ОУ считаются наиболее перспективными приборами широкого применения, то их выпуск и номенклатура постоянно растут, а области использования расширяются наряду с логическими элементами.

Эффективность использования системного подхода при конструировании зависит от вида Наиболее эффективен системный подход для проектирования цифровых устройств, обладающих регулярной структурой. Это позволяет осуществлять моделирование при отыскании оптимальной конструкторской иерархии с учетом задержки распространения сигнала, перекрестных помех, различных ограничений: технологических (например, нестабильности волнового сопротивления линий связи), эксплуатационных (внешних дестабилизирующих воздействий) и др. Для аналоговых устройств ввиду меньшей регулярности структур и большего разнообразия выполняемых функций (генератор, модулятор, компаратор и пр.), а также более широких диапазонов мощностей и частот сигналов труднее использовать системный подход. В целом использование системного подхода при конструировании РЭС повысило роль конструктора и технолога, которые стали принимать участие в создании РЭС с самых ранних этапов. Это, однако, предъявляет более высокие требования к конструктору и технологу ЮС, которые должны знать выгоды

Для создания подавляющего большинства типов РЭА необходимо использование следующих функционально полных классов ИМС: запоминающих устройств (ЗУ); логических устройств; линейных устройств, включающих устройства бытового и промышленного назначения; аналоговых устройств; датчиков; СВЧ-устройств; оптоэлектронных устройств; функциональных устройств. Каждый из этих классов устройств различается по своему назначению, выполняемым функциям и электрическим параметрам.

Благодаря универсальности и широким функциональным возможностям ПЗС находят применение для построения цифровых, оптоэлектронных и аналоговых устройств. Характеристики таких устройств часто превосходят характеристики имеющихся аналогов. В частности, использование ПЗС в устройствах формирователей сигналов позволило исключить высоковольтные вакуумные системы, а применение их для выполнения функций памяти обеспечило промышленное получение полупроводниковых запоминающих устройств сверхбольшой информативной емкости, которая уже сейчас превышает 16 К бит на одну подложку. Несмотря на технологические трудности изготовления ПЗС, связанные с проколом оксида и закорачиванием затворов соседних элементов, на этих приборах уже разработаны и действуют телевизионные передающие камеры с полным телевизионным разрешением, запоминающие устройства емкостью до 2 М бит, устройства обработки аналоговых сигналов, фотоэлектрические преобразователи и др.

Резонансом называют такое состояние электрической цепи, состоящей из разнохарактерных реактивных элементов, при котором фазовый сдвиг между входным током и приложенным напряжением равен нулю. Цепи, в которых возникает явление резонанса, называют колебательными контурами, или резонансными цепями. Колебательные контуры и явление резонанса находят широкое применение в радиотехнике и электросвязи. Резонансные цепи являются составной частью многих радиотехнических устройств: избирательные цепи в радиоприемниках и усилителях, частотно-зависимые элементы автогенераторов, фильтров, других аналоговых устройств. Для получения высоких технико-экономических показателей (избирательности, полосы пропускания, коэффициента пря-моугольности, равномерности и т. д.) резонансные цепи должны иметь достаточно сложную структуру (многоконтурные связанные цепи, активные резонансные системы и др.). Некоторые из этих систем будут рассмотрены в гл. 10, 13. В настоящей главе изучим основные особенности работы цепей в режиме резонанса на примере простейших колебательных контуров.

В АВМ все переменные представляются в виде непрерывно изменяющихся физических величин (токов и напряжений), изменение которых дает решение задачи. Любая динамическая характеристика воспроизводится с помощью регистрирующего прибора (например, на экране электронного осциллографа). На аналоговых устройствах целесообразно ставить задачи не полностью определенные, постановка которых уточня-

Созданы комплексы гибридных вычислительных машин, состоящих из ЦВМ и аналоговых устройств. В США создана ЦВМ, совершающая в 1 с операции, на которые обычные ЭВМ потратили бы сотни лет. В указанном комплексе ЦВМ является управляющей машиной, одновременно выдающей исходную информацию для дальнейшего решения задач на аналоговых устройствах. Этот комплекс при подключении к нему системы соответствующих датчиков может управлять экспериментом, реализуя связь от анализа информации до принятия решения. При этом появляются новые возможности поиска оптимального режима на принципе самообучения системы.

Промежуточное положение занимают конструкции, выполненные с использованием полупроводниковых приборов, малогабаритных элементов, унифицированных узлов, этажерочных и плоских микромодулей. Использование их в аналоговых устройствах высокой точности связано с большими трудностями в получении требуемой стабильности выходных параметров. При построении же схем на дискретном принципе в перспективных разработках миниатюрные радиоэлементы значительно уступают пленочным и твердым микросхемам по габа-

Импульсные устройства, как правило, используют ключевой режим работы электронных ламп и транзисторов в отличие от активного режима, используемого в аналоговых устройствах. Импульсный режим работы имеет ряд преимуществ перед активным режимом, что обеспечивает следующие достоинства импульсных устройств.

В аналоговых устройствах нередко используется режим малого сигнала, а устройства, в которых применяется такой режим работы, являются линейными. В линейных устройствах амплитуды переменных составляющих напряжений и токов существенно меньше значений постоянного тока и постоянного напряжения, используемых для установки режима электронных ламп или транзисторов. При этом параметры усилительных приборов считают неизменными, так как используются линейные участки ВАХ.

Сложность достижения высокой точности воспроизведения параметров элементов, обеспечения температурной и временной стабилизации, минимизации шумов послужила причиной того, что технология аналоговых микросхем как самостоятельное направление микроэлектроники развивалось с определенной задержкой по сравнению с цифровыми. Серьезным препятствием явился ограниченный набор элементов полупроводниковых микросхем, в частности отсутствие индуктивных элементов и конденсаторов, широко применяемых в аналоговых устройствах на дискретных компонентах. Весьма трудной оказалась задача нахождения и разработки небольшого числа типовых структур, которые подобно ЛЭ в цифровых микросхемах могли бы быть основой для аналоговой микросхемотехники.

5.7. ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ В АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВАХ

Интегральные ОУ, представляющие собой универсальные и многофункциональные ИМС, с успехом используются в аналоговых устройствах для выполнения различных функций. В этом параграфе кратко рассматриваются особенности аналоговых схем, построенных на основе ИОУ. Так как для реализации различных функций ИОУ его охватывают обратной связью, прежде всего рассмотрим влияние обратных связей на характеристики усилителя.

Чтобы обеспечить решение проблемы устойчивости, в аналоговых устройствах обычно применяют отрицательную обратную связь, что реализуется путем подачи сигнала обратной связи на инвертирующий вход ИОУ. Однако даже при отрицательной обратной связи (в области средних времен) необходимо принимать специальные меры, чтобы предотвратить самовозбуждение ИОУ в области высших частот. Неустойчивость многокаскадных усилителей в указанной области частот объясняется фазовыми сдвигами сигналов, обусловленными действием паразитных емкостей и инерционностью транзисто-180

В заключение главы отметим, что ИОУ широко применяются также для построения быстродействующих электронных устройств, соответствующие параметры и характеристики которых обеспечиваются путем охвата ИОУ обратной связью. При этом из-за сдвига фазы сигналов в области высших частот возможно самовозбуждение (хотя и в аналоговых устройствах применяются отрицательные обратные связи). Для предотвращения самовозбуждения применяют корректирующие цепи, действие которых, как правило, связано с уменьшением быстродействия ИОУ. При построении быстродействующих устройств на основе ИОУ следует производить выбор параметров корректирующих цепей так, чтобы снижение быстродействия было наименьшим. При этом определяющим фактором являются не условия устойчивости, а более жесткие требования, которые предъявляются к переходной характеристике устройства.

5.7. Применение интегральных операционных усилителей 180 в аналоговых устройствах ............