Элементов треугольником

Шумы в усилительных устройствах в основном определяются шумами активных сопротивлений и усилительных элементов (транзисторов, интегральных микросхем), расположенных во входных цепях (или каскадов) усилителей. Наличие собственных источников шумов ограничивает возможность усиления слабых сигналов.

Чаще всего ИМС синтезируется из готовых типовых элементов схем, заблаговременно рассчитанных и хранящихся в памяти вычислительного комплекса, недостающие элементы проектируемой схемы рассчитываются заново. Таким образом, первый этап проектирования — расчет необходимых параметров активных и пассивных элементов. По заданной геометрической конфигурации, характеристикам материалов и другим исходным данным рассчитываются все параметры элементов, составляются и оптимизируются их математические модели (эквивалентные схемы). Набор элементов — транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, имеющих различные геометрические размеры и электрические -параметры, накапливается в памяти машины в виде банка данных. Оттуда изображение элемента, отражающее его геометрические размеры, конфигурацию, по выбору конструктора можно вывести на экран графического дисплея вместе с параметрами элемента, представляемыми на том же экране в знаковой форме. В процессе работы

элементов стало возможным на базе микроэлектроники. Микроэлектроникой называют новое научно-техническое направление электроники, охватывающее проблемы создания микроминиатюрных электронных устройств, обладающих надежностью, низкой стоимостью, высоким быстродействием и малой потребляемой энергией. Основным конструктивно-техническим принципом микроэлектроники является элементная интеграция — объединение в одном сложном миниатюрном элементе многих простейших элементов (диодов, транзисторов, резисторов и т. д.). Полученный в результате такого объединения сложный микроэлемент называют интегральной микросхемой (ИМС).

Интегральная микросхема — микроэлектронное изделие, содержащее не менее пяти активных элементов (транзисторов, диодов) и пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, дросселей), которые изготовляются в едином технологическом процессе, электрически соединены между собой, заключены в общий корпус и представляют неразделимое целое.

С помощью простейших дополнительных устройств на основе осциллографа можно получить характериограф — устройство для получения на экране ЭЛТ характеристик нелинейных элементов (транзисторов, диодов и др.). На 10.4 приведена функциональная схема харак-териографа для исследования коллекторных характеристик транзистора/«=/({/K)h6=const. Синусоидальное напряжение от генератора поступает через трансформатор в коллекторную цепь транзистора и на вход X осциллографа, генератор развертки которого выключен. На вход У с резистора R подается напряжение, пропорциональное коллекторному току t'K. Сопротивление резистора R выбирают малым, чтобы оно не влияло на коллекторный ток. С помощью потенциометра R& задается ток базы г'б. При воздействии на промежуток эмиттер — коллектор транзистора синусоидального напряжения ик возникает коллекторный ток, когда потенциал коллектора положителен (положительная полуволна синусоиды). Одновременно с этим луч на экране ЭЛТ смещается по горизонтали на величину, пропорциональную ик. Смещение луча по вертикали пропорционально iK; следовательно, на экране будет наблюдаться характеристика iK(uK). Изменяя ток базы, можно последовательно получить на экране ЭЛТ семейство коллекторных характеристик, а при быстром ступенчатом автоматическом изменении тока базы наблюдать на экране сразу все семейство.

В области разработки и производства полупроводниковых приборов господствует интегральная технология. Дискретное исполнение имеют мощные полупроводниковые приборы, а также приборы, предназначенные для применения в аппаратуре низкой степени сложности. Широкое использование ИМС наряду с другими преимуществами обусловлено резким снижением стоимости электронных устройств на их основе, что достигается возрастанием размеров кристаллов и повышением степени интеграции. Если в 1973 г. уровень интеграции логических БИС достигал 3 тыс. активных элементов (транзисторов и диодов) в одной ИМС, то в 1982 г. с технологических линий сошли первые СБИС, содержащие 100 тыс. элементов в одном кристалле, а к 1985 г. уровень интеграции достиг нескольких сотен тысяч элементов. Стоимость одного элемента БИС при увеличении степени интеграции постоянно снижается. По данным печати США, стоимость одного элемента составляла 2—3 доллара в 1960 г., 0,1 цента в 1975 г., 0,03 цента в 1980 г.

Главное направление развития технологии СБИС — уменьшение размеров транзисторов. В 1982 г. в серийных СБИС достигнут минимальный размер транзистора 2 мкм и начат переход к технологиям, обеспечивающим размер транзистора в 1 мкм. Экспериментальные исследования, выполненные в 1981 г., подтвердили возможность создания работоспособных сверхбыстродействующих МОП-транзисторов с длиной канала 0,25 мкм. Наиболее перспективной технологией БИС и СБИС в 80-е годы, по-видимому, останется КМОП-технология, позволяющая получать приборы с минимальным потреблением энергии. Значительное повышение быстродействия логических элементов возможно благодаря разработке и освоению в производстве транзисторов на основе арсе-нид-галлиевых структур. В 1982 г. экспериментально исследованы транзисторы такого типа с временем переключения 20—30 пс.

После изготовления всех элементов (транзисторов, диодов, резисторов и др.) полупроводниковых ИМС необходимо создать межэлементные соединения, формирующие окончательную структуру принципиальной схемы определенного назначения, а также контактные площадки для подсоединения внешних выводов корпуса. Для этого предварительно окисленную поверхность пластины кремния покрывают слоем осажденного алюминия (например, методом вакуумного напыления) толщиной 0,5—2 мкм, который после заключительной операции фотолитографии через окна фоторезиста в ненужных местах стравливают. На поверхности полупроводника остается требуемый рисунок алюминиевых проводников шириной около 10 мкм и контактные площадки. Соединение контактных площадок с выводами корпуса осуществляют в большинстве случаев с помощью золотых проволочек диаметром 25—50 мкм ультразвуковой или термокомпрессионной сваркой.

Корпус модуля СВЧ обычно выполняется коробчатой формы (см. 7.19 и 7.20) и имеет крышку с одной или двух сторон. Герметизация осуществляется паяным швом или резиновыми прокладками (см. гл. 4). Высота от подложки до крышки модуля ( 7.25) выбирается из соображений предотвращения распространения волн высших типов, а также с учетом высоты навесных элементов (транзисторов, диодов, ИС, конденсаторов, постоянных магнитов, подмагничивающих катушек и т. д.) и различных переходных устройств. Для исключения распространения волн высших типов необходимо соблюдать условие (Я — /2ш,)/Апл>5 (до 10) для подложек из поликора (см. 7.25). Иногда для исключения распространения высших типов волн на внутреннюю сторону крышки наносят слой поглощающего материала или изменяют конфигурацию поля с помощью настроечного винта, ввернутого в экспериментально определенное место в экране. С этой же целью размеры любой стороны корпуса, в котором установлены не разделенные экраном подложки, не должны быть более половины самой короткой резонансной длины волны.

Таким образом, перед началом разработки будущее устройство можно представить как «черный ящик», содержимое которого неизвестно, однако известны внешние условия его работы, возмож-, ные входные и выходные сигналы, а также необходимое его поведение при соответствующих изменениях входных сигналов (изменения выходных сигналов, устойчивость к перегрузкам и др.). Задачей проектирования является определение содержания этого «черного ящика», разрабатываемого УРЗ с тем, чтобы его можно было создать из имеющихся в распоряжении проектировщика элементов— транзисторов, интегральных схем, конденсаторов и др. Кроме того, как уже было сказано, проектировщик должен стремиться, чтобы разработанное УРЗ по возможности полнее вписалось в связанные с ним системы.

Некоторые преимущества по надежности имеют схемы первой группы в случае выполнения их в виде фазовых детекторов на диодах или схемы сравнения по абсолютному значению. Это объясняется использованием в схемах второй группы активных нелинейных элементов (транзисторов и др.), непрерывно работающих в режиме циклического переключения, что ускоряет их старание.

1.9. Схема соединения ре-зистивных элементов треугольником (а) и звездой (б)

1.10.5. Электрические цепи, содержащие соединения рези-стивных элементов треугольником. Под соединением треугольником ( 1.9, а) понимается такое, при котором вывод К1 одного из элементов соединяется с выводом Н2 второго, вывод К2 второго — с выводом НЗ третьего, а вывод КЗ третьего — с выводом HI первого элемента. Узловые точки а, Ь и с подключаются к остальной части электрической цепи.

Для упрощения анализа и расчета некоторых электрических цепей, содержащих соединения резистивных элементов треугольником, целесообразно заменить их эквивалентными рези-стивными элементами, соединенными звездой ( 1.9,6). Примером подобных электрических цепей являются мостовые цепи ( 1.10, а). Как видно, в мостовой цепи резистивные элементы образуют два смежных треугольника (rab, rbc, гса и rbc, гм, rdc) и нет ни одного элемента, который был бы соединен с другими последовательно или параллельно. Это осложняет расчет и анализ электрической цепи. Однако если заменить, например, резистивные элементы rab, rbc и гса, соединенные треугольником, эквивалентными элементами га, гь и rt, соединенными звездой ( 1.10,6), то получим цепь со смешанным соединением резистивных элементов, методика расчета которой была рассмотрена выше.

резистивных элементов треугольником ... 34

Преобразование «звезда — треугольник». Кроме последовательного и параллельного соединений элементов весьма распространенными являются соединения элементов треугольником и звездой ( 1.14). Найдем формулы преобразования соединения треугольника в звезду. Запишем для схемы треугольника уравнения по ЗТК и ЗНК ( 1.14, а):

Уравнения (1.36) и (1.37) позволяют осуществить переход от соединения резистивных элементов треугольником к соединению звездой. Обратный переход можно получить по формулам

Как видно из этого уравнения, четыре коэффициента четырехполюсника связаны одним уравнением; поэтому независимыми друг от друга являются только три коэффициента. Из этого очевидно, что схема любого четырехполюсника может быть представлена в виде эквивалентных схем, состоящих из трех элементов. Таких эквивалентных схем две: Т-образная, в которой элементы соединены звездой ( 2-47, а), и П-образная — при соединении элементов треугольником ( 2-47, б).

Как видно из этого уравнения, четыре коэффициента четырехполюсника связаны одним уравнением; поэтому независимыми друг от друга являются только три коэффициента. Из этого очевидно, что схема любого четырехполюсника может быть представлена в виде эквивалентных схем, состоящих из трех элементов. Таких эквивалентных схем две: Т-образная, в которой элементы соединены звездой ( 2-47, а), и П-образная — при соединении элементов треугольником ( 2-47, б).

1.9. Схема соединения резистивных элементов треугольником (а) и звездой (б)

1.10.5. Электрические цепи, содержащие соединения резистивных элементов треугольником. Под соединением треугольником ( 1.9, а) понимается такое, при котором вывод К1 одного из элементов соединяется с выводом Я2 второго, вывод К2 второго — с выводом НЗ третьего, а вывод КЗ третьего — с выводом HI первого элемента. Узловые точки а, Ь и с подключаются к остальной части электрической цепи.

Для упрощения анализа и расчета некоторых электрических цепей, содержащих соединения резистивных элементов треугольником, целесообразно заменить их эквивалентными рези-стивными элементами, соединенными звездой ( 1.9,6). Примером подобных электрических цепей являются мостовые цепи ( 1.10, а). Как видно, в мостовой цепи резистивные элементы образуют два смежных треугольника (rab, rbc, гса и гь„ гм, rdc) и нет ни одного элемента, который был бы соединен с другими последовательно или параллельно. Это осложняет расчет и анализ электрической цепи. Однако если заменить, например, резистивные элементы rab, rbc и гса, соединенные треугольником, эквивалентными элементами га, гь и гс, соединенными звездой ( 1.10,6), то получим цепь со смешанным соединением резистивных элементов, методика расчета которой была рассмотрена выше.