Микросхемы и микроконтроллеры
Аналоговые микросхемы
Операционные усилители
Всего лишь два-три десятка лет тому назад практически на равных существовали два вида электронных вычислительных машин: аналоговые (АВМ) и цифровые (ЦВМ). Для решения особо сложных задач создавались гибридные вычислительные комплексы из АВМ и ЦВМ.
В отличие от цифровой машины в аналоговой для выполнения каждой математической операции существовал свой специализированный операционный блок: сумматор, "перемножитель", интегратор и т. д. Число таких блоков в одной машине доходило до нескольких сотен. Основу операционного блока составлял сначала ламповый, а потом транзисторный усилитель, получивший название операционного. Операционный усилитель (сокращенно - ОУ) на английском языке называется Operational Amplifier (сокращенно - Op Amp), а радиолюбители ласково окрестили его как "операционник". Поскольку в математических операциях встречаются не только переменные величины, но и константы, представляющие на языке сигналов постоянные напряжения и токи, то ОУ принципиально должен быть усилителем постоянного тока. Значит, его АЧХ должна начинаться с нуля и быть равномерной в широкой полосе частот. В теоретических расчетах используют понятие идеального ОУ с бесконечно большим коэффициентом усиления и полосой частот; на расчетных схемах для него используется специальное УГО (рис. 16, а).
Стабильность работы ОУ должна быть очень высокой, иначе неминуемы ошибки и сбои. Существенный прорыв в улучшении характеристик ОУ и других устройств был достигнут в микросхемотехнике при использовании интегральных технологий.
Рис. 16.Микросхемы:
а - идеальный ОУ; б, г - внешний вид аналоговой и цифровой микросхем; в-е - УГО и компоненты EWB; ж - микроконтроллер
Создание интегральной микросхемы
Двухметровый уроженец Канзаса Джек Килби был тихим, замкнутым человеком. В свое время он не добрал на вступительных экзаменах по математике трех баллов и не смог поступить в Массачусетский технологический институт. Позже он поступил в Иллинойский университет и, окончив его, 10 лет проработал в малоизвестной фирме, выпускавшей радио- и телевизионные детали.
В мае 1958 г. ему представилась счастливая возможность перейти в знаменитую фирму "Texas Instruments". Здесь в то время выполнялся военный заказ по миниатюризации электронных схем на основе микромодулей: электронные элементы печатались на тончайших керамических пластинках, которые затем спаивали в виде стопки, получая нужную схему.
В июле сотрудники компании отправились в двухнедельный летний отпуск. Килби же, как новичку, отпуск еще не полагался. Он остался в лаборатории практически один и вынужден был выполнять сам почти все технологические операции. Снуя по лаборатории от резака к вакуумному посту, от него к микроскопу, от микроскопа к рабочему столу, Килби упорно спаивал стопки пластинок, но работа не клеилась: ему явно не хватало навыков по операциям, в которых набили руку его отдыхавшие коллеги. И тогда его буквально осенило: "Ведь резисторы и конденсаторы можно не только делать порознь из того же полупроводникового материала, что и транзисторы, но и изготавливать все компоненты одновременно на одной и той же полупроводниковой пластине". Это был путь к интегральной технологии.
По прошествии нескольких месяцев он убедил в правильности своей идеи скептически настроенного шефа, изготовив первый грубый опытный образец. Первая в мире интегральная схема (от латинского integer - цельный, неразрывно связанный, единый) еще не отличалась особым изяществом. Она представляла собой сантиметровую германиевую пластинку, на которой размещались всего пять компонентов. Отдельные части схемы были изолированы друг от друга благодаря своей форме в виде букв U, L и т. п. Крошечные проволочки, соединяющие компоненты схемы друг с другом и с источником питания, просто припаивались. Вся конструкция скреплялась воском в лучшем духе сургучно-веревочной техники физического эксперимента времен Майкла Фарадея. Тем не менее, схема работала. Фирма сообщила о рождении принципиально нового устройства в январе 1959 г. Для демонстрации потенциальных возможностей новой технологии компания построила на ее основе компьютер для ВВС США.
Прошло более 40 лет, и вот в 2000 г. Джек Килби вместе с Хербертом Кроемером и российским ученым Жоресом Алферовым были номинированы на Нобелевскую премию по физике за работы "по получению полупроводниковых структур, которые могут быть использованы для сверхбыстрых компьютеров".
По функциональному назначению различают интегральные микросхемы, аналоговые и цифровые. Существуют и смешанные микросхемы, такие как аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, таймер серии 555 и др. В классе аналоговых микросхем выделяют микросхемы с линейными характеристиками - линейные микросхемы, к которым и относятся микросхемы ОУ. Широкое распространение интегральных монолитных ОУ началось с выпуска в 1964 г. фирмой "Fairchild" первого крупносерийного ОУ типа μА702; здесь символ μ происходит от микро, А от Amplifier. Аналогом явилась отечественная микросхема - К140УД1.
В 1965 г. появился знаменитый ОУ типа μА709 (аналог - К153УДЭ). Это была настолько удачная микросхема, что ее ежегодный выпуск достиг 30 млн. Все последующие микросхемы ОУ в той или иной степени генетически несут ее черты. Не случайно ее прозвали дедушкой (granddaddy) операционных усилителей! Стандарт следующего поколения определил ОУ типа μА741 (рис. 16, б, в).
Аналоговые микросхемы выпускают, как правило, функционально незавершенными, что открывает широкий простор для радиолюбительского творчества.
Цифровые микросхемы
Цифровые микросхемы работают с логическими сигналами, имеющими два разрешенных уровня напряжения. Каждая микросхема преобразует последовательность входных сигналов в последовательность выходных. В связи с этим микросхема, заключенная в тот или иной корпус, имеет следующие выводы ("ножки"): питания (общий - "земля" и напряжения питания (+5 В или +3,3 В), входы внешних цифровых сигналов и выходы. Большинство микросхем заключено в DIP-корпус с двумя рядами, содержащими от 8 до 40 выводов по продольным боковым сторонам (см. рис. 16, г-е).
Наибольшее распространение получили две технологии (серии или "семейства") цифровых микросхем: ТТЛ (TTL) - транзисторно-транзисторная логика на основе биполярных транзисторов и КМОП (CMOS) - комплементарные транзисторы со структурой "металл-окисел-полупроводник".
Маркировка обычных (стандартных) зарубежных ТТЛ-микросхем начинается с цифр 74, например 7400 и 74121. Популярные КМОП-микросхемы образуют часть семейства 4000, и их номера начинаются с цифры 4, например 4001 и 4501. КМОП-микросхемы были разработаны более 30 лет тому назад в знаменитой американской радиокорпорации RCA. Это легендарные серии CD4000A.B и UB. Отечественные микросхемы имеют более сложную буквенно-цифровую идентификацию, поскольку в ней заключено указание на ее функциональное назначение.
Микросхемы различаются по степени интеграции, функциональному назначению, нагрузочной способности и схеме выходного каскада, быстродействию и энергопотреблению. ТТЛ-микросхемы более "прожорливы" и, следовательно, сильнее нагреваются.