Тема 6. ПідсилювачІ електричних сигналів

Підсилювачами називаються пристрої, призначені для підсилення вхідного електричного сигналу по напрузі, струму або потужності за рахунок перетворення енергія джерела живлення в енергію вихідного сигналу. При цьому для підсилення електричного сигналу з мінімальними спотвореннями використовується режим роботи в класі А. Даний режим в схемі (рис.6.1.)

забезпечується за допомогою резисторів Rб1 і Rб2. За допомогою резистора Rк задається режим роботи колекторного ланцюга транзистора по постійному струму. Резистор Rе забезпечує негативний зворотний зв'язок по постійному струму і призначений для термостабілізації робочої точки транзистора. Конденсатор Се шунтує резистор Rе забезпечуючи високий коефіцієнт посилення по змінному струму. Конденсатори Свх і Свих служать для виділення змінної складової вхідного і вихідного сигналів.

На рис.6.1. наведена схема підсилювача на біполярному транзисторі, що включений за схемою з загальним емітером.

Рис.6.1.

Принцип роботи транзисторного підсилювача полягає у тому, що при невеликій зміні вхідної напруги, прикладеної між базою і емітером транзистора, струм бази зміниться на якесь значення . При цьому струм колектора змінюється на значно більше значення: Вольт-амперні характеристики, що пояснюють принцип підсилення за допомогою транзисторного підсилювача, представлені на рис.6.2.

Режим роботи підсилювача і клас посилення визначаються вибором робочої точки 0 на вхідній і вихідній динамічній характеристиках транзистора. Для отримання максимальної вихідної потужності на навантаженні динамічна характеристика навантаження вибирається так, щоб вона знаходилася поблизу лінії гранично допустимого режим у, але не перетинала її. У режимі посилення А робоча точка О вибирається приблизно посередині динамічної характеристики навантаження. Представлені графіки дозволяють визначати основні параметри підсилювального каскаду: Rвх, Rвих, KI, K_U

Рис.6.2..

.Слід сказати, що будь-яка зміна вхідної напруги підсилювача приводить до пропорційної зміни вихідної напруги. Кількісно ця зміна визначається коефіцієнтом підсилення, рівного відношенню приростів вихідної і вхідної напруг:

Для схеми без зворотного зв'язку

Коефіцієнт підсилення каскаду, охопленого негативним зворотн\им зв'язком, визначається виразом:

,

де - коефіцієнт зворотного зв'язку.

В результаті одержуємо:

Вхідний опір каскаду, охопленого зворотним зв'язком:

Вихідний опір каскаду:

Тема 7. Основи мікроелектроніки і мікро схемотехніки

Тенденції розвитку мікроелектронних інтегральних схем.

Мікроелектроніка – науково-технічний напрям, який базується на досягненні у області фізики твердого тіла, технології, мікросхемотехніки і системотехніки, що динамічно розвивається. Знання основ мікросхемотехніки необхідне інженеру електронної техніки для раціонального вибору і вживання елементної бази при створенні радіоелектронної апаратури, а також обгрунтованого завдання технічних вимог на розробку радіоелектронної апаратури і виробів мікроелектроніки.

Мікроелектроніка це розділ електроніки, який включає дослідження, конструювання і виробництво інтегральних мікросхем і радіоелектронної апаратури на їх основі.

Інтегральна мікросхема (ІМС) – мікроелектронний виріб, що виконує певні функції перетворення, обробки сигналу і (або) накопичення інформації і що має високу густину упаковки електрично сполучених елементів (або компонентів), котрі з погляду вимог до випробувань, прийманню, поставці і експлуатації розглядається як єдине ціле.

Мікросхемотехніка – (інтегральна схемотехніка) як одна з основ мікроелектроніки охоплює дослідження і розробку оптимальних схем. Багато хто сучасні ІМС є складними електронними пристроями, тому при їх описі використовуються принаймні лише два рівні уявлення схемотехніки. Перший, найдетальніший, – це електрична схема. Другий, структурна схема, яка визначає функціональне з'єднання окремих каскадів.

Мікроелектроніка – порівняльно нова галузь, початок її розвитку обчислюється небагато чим більше 40 років. Це напрям електроніки, пов'язаний із створенням електронних функціональних вузлів в мікроелектронному виконанні. Технологічні методи мікроелектроніки, як і методи інших, традиційних галузей машинобудування. Засновані на формуванні і модифікації властивостей конструкційних матеріалів і поєднання деталей пристроїв (збірці). У теж час мікроелектроніку відрізняють 3 основні особливості:

1. Розміри елементів мікроелектронних приладів лежать в мікронній області, а допуски на їх розміри обчислюються десятими і сотими частками мікрон.

2. Мікроелектронні прилади не мають рухомих частин, а їх функціонування забезпечується електричними струмами в напівпровідниках і провідникових матеріалах, а також зарядами в діелектрику.

3. Виготовлення деталей і збірка мікроелектронних приладів поєднуються в єдиний технологічний процес, результатом якого є інтегральна мікросхема.

Особливість технології мікроелектроніки полягає в доведенні зразка кремнію до надвисокої чистоти і досконалості кристалічних решіток, подальшому локальному легуванні окремих областей поверхні кремнію електрично активними домішками в заданій концентрації і з'єднанні цих областей провідниками. Як діелектрик використовується найчастіше двоокис кремнію або алюмінію, а як провідник – плівка алюмінію, його сплавів, плівки полікрісталевого кремнію, з'єднань кремнію з металами (силіциди металів).

Технологія виготовлення ІМС дуже складна, її маршрут включає часто більше 100 технологічних операцій:

дифузії,

нанесення і труять провідникових і діелектричних шарів,

фотолітографія,

нанесення фоторезиста,

розпайка,

герметизація,

вимірювання параметрів.

Продуктом мікроелектроніки є ІМС, побудовані з транзисторів. Транзистори формуються в поверхневому шарі напівпровідникової пластини завтовшки 5-10 мкм. Решта частини (близько 300-500 мкм) служить теплопровідною платформою. Широко застосовуються два типи транзисторів: польові транзистори, в яких електричний струм від витоку до стоку управляється електричним полем на управляючому електроді, – затворі і біполярні транзистори, в яких електричний струм від колектора до емітера управляється струмом від базового контакту. Розміри елементів транзисторів обчислюються одиницями і частками мікрон.

Як приклад на рис.7.1. показаний поперечний розріз структури осередку n-МОП транзистора.

Рис.7.1.

Фізичні обмеження в мікроелектронних приладах

Вплив розмірів елементів транзисторів і займаної ними на поверхні пластини площі є важливим значенням при проектуванні ІС. Зменшення цих розмірів супроводжується їх якісними характеристиками: збільшенням швидкодії, зменшенням споживаної потужності. Аналіз показує, що зменшення лінійних розмірів польового транзистора в К раз при Е=const приводить до збільшення швидкодії в К раз, потужність розсіювання енергії зменшується в К² раз, а робота на одне перемикання зменшується в К³ раз. Проте густина потужності, що виділяється, тобто тепла, що відводиться, залишається постійною. Густина струму в провідникових доріжках збільшується в К раз, що знижує їх надійність через деградацію, викликану процесами масопереносу. При цьому отримання оптимальних умов, що забезпечують необхідну швидкодію, в рівній мірі залежить як від параметрів СБІС, так від оптимального розміщення елементів МС на пластині.

Аналіз показує, що максимальне значення ступеня інтеграції N і площі кристала А експоненціальне зростають в часі протягом всього періоду розвитку мікроелектроніки. Тоді як мінімальний розмір l малюнка СБІС експоненціальне зменшується.

Емпіричні формули:

де t – рік числення.

Тому стратегія однакового зменшення розмірів з метою підвищення ступеня інтеграції в СБІС не є оптимальною, оскільки це вимагає зменшення живлячої напруги. Радикальним є метод масштабування при постійній живлячій напрузі, а також вдосконалення технологічного процесу, наприклад створення ІМС за допомогою КНС- структур (кремній на сапфірі).

Архітектурні типи ІМС

Мікроелектроніка в своєму розвитку пройшла ряд етапів, кожний з яких можна охарактеризувати переважаючим архітектурним типом або поєднанням декількох архітектурних типів виробництва ІМС:

1. Стандартні інтегральні схеми (ІС), середні інтегральні схеми (СІС), великі інтегральні схеми (БІС), зокрема постійні пристрої (ПЗП) і репрограмовані пристрої, що запам'ятовують, що запам'ятовують (РПЗУ).

2. Мікропроцесорні комплекти БІС.

3. Напівзамовлені БІС на матрицях логічних осередків.

4. Напівзамовлені БІС на основі осередків, що виконують функції стандартних БІС і ІС.

5. Замовлені (спеціалізовані) БІС.

6. Субсистеми на цілій кремнієвій пластині.

7. Тривимірні ІМС.

Поява кожного архітектурного БІС викликано необхідністю вирішення протиріч, пов'язаних з підвищенням ступеня інтеграції, оскільки розробка функціональних вузлів на стандартних елементах не завжди було оптимальним і виникали складні проблеми з реалізацією.

Стандартні ІМС (ІС, СІС,БІС,ПЗУ, ППЗУ).

Перші два етапи розвитку мікроелектроніки, коли створювалися стандартні ІС і МП комплекти БІС вважається золотим століттям мікроелектроніки. Стандартні ІС і БІС пам'яті на біполярних транзисторах розвивалися в схемотехніці транзистоно-транзисторна логіка (ТТЛ), ТТЛ – логіка на транзисторах з бар'єром шоттки (ТТЛШ), емітернозвязаної логіки (ЕСЛ), інжекційної логіки (И²Л). До складу кожного комплекту включається до 150 типів ІС, логічні функції тригерів, суматорів, регістрів зберігання і зсув, лічильників, цифро-аналогових і аналого-цифрових перетворювачів (ЦАП і АЦП) і інших. Всі ці схеми проектуються для роботи один з одним, тому визначається напруга живлення, напруга логічного нуля і логічної одиниці.

У міру розвитку технології і переходу до все більш малих розмірів ці комплекти мали декілька видань, кожне з яких характеризувалося все більшою ефективністю тобто меншим значенням роботи А на одне перемикання:

де Рле – потужність, що виділяється в логічному елементі;

τ – час перемикання логічного елементу.

Логічні стандартні ІС доповнені ІС і БІС пам'яті 16, 64, 256 біт, 1, 4, 16, 64, 256 кбіт в модифікаціях постійної, програмованої пам'яті (однократно програмованої і ре-програмована) і оперативної пам'яті з довільним доступом. На польових транзисторах аналогічні сімейства ІС і БІС пам'яті були виготовлені з використанням р-МОП, n-МОП к-МОП технологій.

Параметричний і схемотехніка ряд стандартних ІС складається з декількох серій, що містять в сумі понад 1000 найменування. Серії стандартних ІС складають основний тираж ІС і основну елементну базу ЕОМ. Проте вже більше 20 років тому відносно прості функції, виконувані стандартними елементами, прийшли в суперечність з можливостями мікроелектроніки. Технологія БІС використовувалася раніше тільки для виробництва засобів пам'яті, а потім і для виробництва мікропроцесорних комплектів БІС, напівзамовлених, а потім і замовлених ІС.

Мікропроцесорні комплекти БІС

В даний час відомо більше 400 мікропроцесорних комплектів БІС. Їх можна умовно розділити на 3 класи:

1. Однокристалеві мікроЕОМ.

2. Мікропроцесорні комплекти (МПК) на основі однокристалевих МП.

3. Мікропроцесорні комплекти на основі процесорних секцій або секціоновані МПК (СМПК).

Напівзамовлені і замовлені БІС на матрицях логічних осередків

Не дивлячись на величезні успіхи в розвитку мікроелектроніки

різноманітність вживаних в ній конструктивних і архітектурних рішень, стандартні БІС не змогли набути достатнього універсального характеру, що дозволило б вирішувати задачі по створенню на їх основі ЕОМ і цифрової апаратури всіх класів. Навіть у області створення малих пристроїв обробки цифрової інформації різноманітність вимог так велика, що всі наявні типи БІС не покривають цих потреб, з'являються всі нові і нові БІС, тепер уже звані замовленими, спеціалізованими.

Простим типом замовлених БІС є БІС на основі матриць логічних елементів. Матриця не обов'язково повністю однорідна. Усередині площі кристала розташовуються елементи, з яких формується майбутній логічний пристрій, тоді як елементи на периферії кристала призначаються для створення інтерфейсу, що працює з іншими схемами на платні.

Всі операції по виготовленню матриці для замовленої схеми (ЗБІС) можуть виконуватися до появи замовлення; пластини з готовими матрицями елементів можуть знаходитися на складі виготівника БІС. Замовлення у формі опису функцій ЗБІС або у формі описів з'єднань елементів матриці поступають до розробника. У першому випадку розробник запускає опис в САПР БІС, проектує з'єднання. При цьому час його виконання залежить від складності ІС, але воно набагато менше, ніж при розробці нової схеми.

Регулярна структура матриці полегшує проектування з'єднань, скорочує час проектування і виготовлення зразків замовлених БІС. Головним недоліком матриці БІС є неповне використовування площі напівпровідникової пластини.

Виграш в часі при виготовленні зразків матричних БІС можна збільшити, виготовляючи з'єднання на матриці методом прямої електронної літографії. В цьому випадку виготовлення фотошаблонів відсутнє. Маючи в своєму розпорядженні розвинену САПР БІС, а також переналагоджувані системи вимірювань і випробувань можна щодня одержувати нові типи логічних БІС.

Напівзамовлені БІС на стандартних осередках

Другим архітектурним типом напівзамовлених логічних БІС є БІС, побудовані на бібліотеці стандартних осередків. В цьому випадку для виконання одержаного замовлення найчастіше розробляється повний комплект фотошаблонів, а не тільки шаблони для виконання з'єднань, як у випадку БІС на матриці стандартних елементів. Цим досягається значна економія кремнію, площа кристалів. Розміри даної структури БІС можуть бути зменшені удвічі в порівнянні з площею кристала БІС, виконаної на матриці логічних осередків.

Важливою проблемою в розробці БІС на стандартних логічних осередках є вибір бібліотеки стандартних осередків. Функції осередків, як правило, вибираються еквівалентно функціям стандартних серій логічних ІС ТТЛ або к-МОП. Бібліотека включає стандартні осередки І-НЕ, АБО-НЕ, а також складніші осередки, що містять більше 100 елементів, такі як лічильники, тригери, генератори сигналів. У ряді випадків в бібліотеки можуть бути включені макроосередки типу перетворювачів АЦП, ЦАП пристроїв пам'яті, а також аналогові пристрої, наприклад операційні підсилювачі і компаратори.

Річний тираж напівзамовлених БІС може складати від декількох сотень штук до сотень тисяч. При дуже малих тиражах більш вигідні виявилися напівзамовлені БІС на матрицях, оскільки витрати часу і засобів на розробку і виготовлення їх мінімально. При великих тиражах економічнішими є напівзамовлені БІС на основі бібліотек осередків.

Замовлені (спеціалізовані) БІС

Окремим архітектурним типом є повністю замовлені логічні БІС. Спеціалізація таких систем може бути така, що при їх розробці неможливо використовувати бібліотеку стандартних осередків. Типовішим випадком є необхідність проектування повністю нової схеми. При цьому без використовування бібліотеки осередків площа кристалів може бути зменшена на 30-40 %. Тираж таких схем повинен бути не менше 100 тыс.шт. Прогнози показують, що в майбутньому більше 50 % будуть напівзамовлені і замовлені схеми.

Створення субсистем на цілій кременевій пластині

Подальшим розвитком ідей виготовлення напівзамовлених БІС на матрицях логічних елементів або бібліотеках стандартних осередків є пропозиція про створення субсистеми на цілій кремнієвій пластині. Технічна доцільність пошуку такої технології витікає з необхідності скорочення довжини зв'язків між осередками або блоками системи. Виготовлення такої гігантської БІС (ГБІС) на кремнієвій пластині в субсистему є максимально складною метою, що досягається на сучасній технологічній базі. Така схема або кристал може містити близько 107-108 логічних елементів. Вважаючи, що площа кристала сучасної БІС 50 мм2, вірогідність виходу годних виробів для таких БІС складає не більше 0,1. Тому для вказаних ГБІС вірогідність виходу годних виробів має неприпустимо мале значення менше 10-200.

Слід вказати декілька способів подолання бар'єрів так малого виходу годних ГБІС:

1. Різке (приблизно у 200 разів) зменшення густини дефектів, що виникають при обробці пластин, шляхом зниження запорошеної на 2 порядки в порівнянні з досягнутим рівнем.

2. Зменшення числа операцій по створенню активних елементів.

3. Автоматизований метод з'єднань годних елементів за рахунок перехресних зв'язків. Архітектура ГБІС повинна бути стійкою до відмов окремих її елементів.

Універсальним засобом створення нестандартних з'єднань є пряма електронна літографія на пластині. При цьому існує проблема відведення тепла. При хорошому контакті з теплоотводом, омиваним рідким теплоносієм, пластина діаметром 100 мм може розсіяти потужність до 1 кВт, а повітрям – до 100 Вт. Способи монтажу пластин на платні і їх з'єднань один з одним поки розроблені слабо.

ГБІС найбільш доцільно використовувати для створення обчислювальних систем, що мають до 100 працюючих процесорів, а також в створенні ГБІС напівпровідникової пам'яті.

Тривимірні інтегральні схеми

Традиційні мікросхеми виготовляються за планарною технологією, коли активні елементи розташовуються в одній площині.

Ідея створення тривимірних інтегральних схем з'явилася на початку 80-х років. Це ІС, в якій активні елементи (транзистори) виготовлені в декілька шарів, розділених діелектричними прошарками. В даний час висловлюється багато аргументів за і проти такої конструкції.

Які недоліки конструкції тривимірних ІС:

1. Утруднення відведення тепла від 3-мерного об'єму.

2. Виготовлення багатьох поверхів транзисторів відбувається в послідовному технологічному процесі, так що число технологічних операцій зростає багато разів, приблизно в стільки ж, в скільки поверхів зростає мікросхема.

3. Технологічні процеси виготовлення верхніх поверхів впливатимуть на властивості нижніх поверхів. На верхніх поверхах не можна використовувати як технологічні радіацію, пронизливу в нижні шари, високоенергетичні електронні пучки і т.д.

Проте, тенденції в мікроелектроніці володіють великою гнучкістю, тому ці проблеми не виглядають непереборними.

На користь створення тривимірних БІС можна виказати переконливі доводи:

1. Загальна тенденція необмеженого зростання ступеня інтеграції ІС (закон Мору) диктує пошуки конструктивних рішень, альтернативних зростанню площі Чипа і зменшенню розмірів в двомірних БІС. Починаючи з деякого рівня інтеграції може бути економічно вигіднішим виготовляти багатоповерхову БІС, ніж БІС на кремнієвій пластині.

2. Багатоповерхова конструкція може ефективно використовуватися для виготовлення на різних поверхах схеми приладів різних типів і інтеграції.

3. Спрощення схеми з'єднань.

Ідеї і проблеми молекулярної електроніки

Термін молекулярна електроніка (МЕ) позначає область досліджень, в яких поєднуються ідеї твердоті лої електроніки (мікроелектроніки) і молекулярної біології. Думки про те, що окрема молекула може володіти властивостями електронного приладу і як електронний прилад може бути включена до складу ЕОМ, породила термін МЕ. Пошуки молекулярного електронного приладу МЕП продовжуються близько 40 років і до теперішнього часу поки не привели до вирішального успіху, що погасило на деякий час інтерес до МЕ, тим паче, що в твердоті лої електроніці були зроблені останніми роками великі успіхи.

Проте цей інтерес знов починає виникати у зв'язку з новою ідеєю про можливість вживання методів біотехнології для збірки систем, побудованих з молекулярних електронних приладів. Субсистеми або системи, побудовані з МЕП, можуть бути названі Біочипами, БІОЕОМ. Надзвичайно принадно проводити Біочипи методами, наприклад генної інженерії: аналогічно тому, як живий організм відтворюється згідно генетичної інформації.

Молекулярний електронний прилад повинен виконувати роль транзистора в звичних електронних системах, тобто володіти властивостями електронного ключа. Саму назву електронний ключ вимагає від пристрою бістабільності, тобто здатності скільки завгодно довго знаходитися в одному з двох станів. Щоб ы ключ можна було використовувати в системі він повинен володіти чотирма властивостями:

1. Ключ повинен бути контрольованим, тобто під дією зовнішнього сигналу він повинен переходити в заданий стан.

2. Стан ключа повинен бути прочитаним, тобто мати спосіб визначення його стану.

3. Ключ повинен бути адресним, тобто необхідно, щоб операції установки і прочитання могла проводитися над будь-якою молекулою.

4. Біоключ повинен бути конкуруючим з електронним, тобто час його перемикання повинне знаходитися в пико і наносекундній області.

Перелік цих вимог так суворий, що відкидає один за іншим можливі варіанти в створенні ключів за допомогою молекулярної електроніки. Найважливішим кроком на цьому шляху буде розробка методів виділення окремих молекул і дослідження їх електронних властивостей.