(micro)circuit integrat(IC, IC, m/skh, circuit integrat în engleză, IC, microcircuit), cip, microcip (microcip în engleză, cip de siliciu, cip - placă subțire - inițial termenul se referea la o placă a unui cristal de microcircuit) - dispozitiv microelectronic - un circuit electronic de o complexitate arbitrară, fabricat pe un cristal semiconductor (sau peliculă) și plasat într-o carcasă neseparabilă, sau fără una, dacă este inclus într-un microansamblu.

Cip semiconductor- toate elementele și conexiunile dintre elemente sunt realizate pe un cristal semiconductor (de exemplu, siliciu, germaniu, arseniură de galiu, oxid de hafniu).

Circuit integrat de film- toate elementele și conexiunile între elemente sunt realizate sub formă de filme:

Cip hibrid(de asemenea, microansamblu) - pe lângă cristalul semiconductor, conține mai multe diode, tranzistori și (sau) alte componente electronice neambalate, plasate într-o singură carcasă.

Chip mixt- pe lângă cristalul semiconductor, conține elemente pasive cu peliculă subțire (film gros) situate pe suprafața cristalului.

Clasificare

Gradul de integrare

În URSS au fost propuse următoarele denumiri de microcircuite în funcție de gradul de integrare, diferite pentru microcircuite digitale și analogice (este indicat numărul de elemente pentru circuitele digitale):

Circuit integrat mic (MIS) - până la 100 de elemente per cip,

Circuit integrat mediu (SIS) - până la 1000 de elemente per cip,

Circuit integrat mare (LSI) - până la 10.000 de elemente per cip,

Circuit integrat la scară foarte mare (VLSI) - până la 1 milion de elemente per cip,

Circuit integrat ultra-larg (UBIS) - până la 1 miliard de elemente per cip,

Circuit integrat Giga-large-scale (GBIC) - mai mult de 1 miliard de elemente per cip.

În prezent, denumirea UBIS și GBIS nu sunt practic utilizate (de exemplu, cele mai recente versiuni ale procesoarelor Itanium, 9300 Tukwila, conțin două miliarde de tranzistori), iar toate circuitele cu numărul de elemente care depășește 10.000 sunt clasificate ca VLSI, considerând UBIS subclasa sa .

Tehnologia de fabricație

Cip semiconductor - toate elementele și conexiunile dintre elemente sunt realizate pe un cristal semiconductor (de exemplu, siliciu, germaniu, arseniură de galiu, oxid de hafniu).

Circuit integrat de film - toate elementele și conexiunile dintre elemente sunt realizate sub formă de filme:

Circuit integrat cu peliculă groasă;

Circuit integrat cu peliculă subțire.

Un microcircuit hibrid (de asemenea, microansamblu) - pe lângă un cristal semiconductor, conține mai multe diode, tranzistori și (sau) alte componente electronice neambalate plasate într-o carcasă.

Microcircuit mixt - pe lângă cristalul semiconductor, conține elemente pasive cu peliculă subțire (film gros) situate pe suprafața cristalului.

Tipul semnalului procesat

Clasificat in:

analog;

Digital;

Analogic-digital.

Microcircuite analogice - semnalele de intrare și ieșire variază în funcție de legea unei funcții continue în intervalul de la tensiunea de alimentare pozitivă la negativă.

Microcircuite digitale - semnalele de intrare și de ieșire pot avea două valori: zero logic sau una logică, fiecare dintre acestea corespunzând unui anumit interval de tensiune. De exemplu, pentru microcircuite de tip TTL cu o tensiune de alimentare de +5 V, intervalul de tensiune 0…0,4 V corespunde zero logic, iar intervalul 2,4…5 V corespunde celui logic; iar pentru cipurile logice ESL cu o tensiune de alimentare de −5,2 V, intervalul −0,8…−1,03 V este unul logic, iar −1,6…−1,75 V este zero logic.

Chipurile analog-digitale combină forme de procesare a semnalului digital și analogic.

Tipuri de logică

Elementul principal al microcircuitelor analogice sunt tranzistoarele (bipolare sau cu efect de câmp). Diferența în tehnologia de fabricație a tranzistorilor afectează în mod semnificativ caracteristicile microcircuitelor. Prin urmare, tehnologia de fabricație este adesea indicată în descrierea microcircuitului, subliniind astfel caracteristicile generale ale proprietăților și capacităților microcircuitului.

Tehnologiile moderne combină tehnologiile bipolare și cele cu tranzistori cu efect de câmp pentru a obține performanțe îmbunătățite ale microcircuitelor.

Microcircuitele bazate pe tranzistoare unipolare (cu efect de câmp) sunt cele mai economice (din punct de vedere al consumului de curent):

Logica MOS (logica metal-oxid-semiconductor) - microcircuitele sunt formate din tranzistoare cu efect de câmp n-MOS sau p-MOS;

Logica CMOS (logica MOS complementară) - fiecare element logic al microcircuitului este format dintr-o pereche de tranzistoare cu efect de câmp complementare (complementare) (n-MOS și p-MOS).

Microcircuite bazate pe tranzistori bipolari:

RTL - logica rezistor-tranzistor (învechit, înlocuit cu TTL);

DTL - logica diodă-tranzistor (învechit, înlocuit cu TTL);

TTL - logica tranzistor-tranzistor - microcircuitele sunt realizate din tranzistoare bipolare cu tranzistoare multi-emițător la intrare;

TTLSH - logica tranzistor-tranzistor cu diode Schottky - un TTL îmbunătățit care folosește tranzistori bipolari cu efect Schottky;

ECL - logica cuplată cu emițător - pe tranzistoarele bipolare, al căror mod de funcționare este selectat astfel încât să nu intre în modul de saturație - ceea ce crește semnificativ performanța;

IIL - logica integrală a injecției.

Tehnologiile CMOS și TTL (TTLS) sunt cele mai comune cipuri logice. Acolo unde este necesară economisirea consumului de curent, se folosește tehnologia CMOS, unde viteza este mai importantă și nu este necesară economisirea consumului de energie, se folosește tehnologia TTL. Punctul slab al microcircuitelor CMOS este vulnerabilitatea lor la electricitatea statică - doar atingerea ieșirii microcircuitului cu mâna și integritatea acestuia nu mai este garantată. Odată cu dezvoltarea tehnologiilor TTL și CMOS, microcircuitele se apropie din ce în ce mai mult în parametri și, ca urmare, de exemplu, seria 1564 de microcircuite sunt realizate folosind tehnologia CMOS, iar funcționalitatea și amplasarea în carcasă sunt similare cu tehnologia TTL.

Microcircuitele fabricate folosind tehnologia ESL sunt cele mai rapide, dar si cele mai consumatoare de energie, si au fost folosite in productia de echipamente informatice in cazurile in care cel mai important parametru era viteza de calcul. În URSS, cele mai productive computere de tip ES106x au fost fabricate pe microcircuite ESL. În prezent, această tehnologie este rar folosită.

Proces tehnologic

La fabricarea microcircuitelor se folosește metoda fotolitografiei (proiecție, contact etc.), în care circuitul este format pe un substrat (de obicei siliciu) obținut prin tăierea monocristalelor de siliciu cu discuri de diamant în plachete subțiri. Datorită dimensiunilor liniare mici ale elementelor de microcircuit, utilizarea luminii vizibile și chiar în apropierea ultravioletelor pentru iluminare a fost abandonată de mult timp.

Ca o caracteristică a procesului tehnologic de producere a microcircuitelor, dimensiunile minime controlate ale topologiei fotorepetitorului (ferestre de contact în oxid de siliciu, lățimea porții în tranzistori etc.) și, în consecință, dimensiunile tranzistorilor (și ale altor elemente) pe cip sunt indicate. Acest parametru, totuși, este interdependent cu o serie de alte capacități de producție: puritatea siliciului rezultat, caracteristicile injectoarelor, metodele de fotolitografie, metodele de gravare și pulverizare.

În anii 1970, dimensiunea minimă controlată era de 2-8 microni, în anii 1980 a fost redusă la 0,5-2 microni. Unele mostre experimentale de echipamente de fotolitografie cu raze X au furnizat o dimensiune minimă de 0,18 microni.

În anii 1990, din cauza unei noi runde de „războaie pe platforme”, metodele experimentale au început să fie introduse în producție și s-au îmbunătățit rapid. La începutul anilor 1990, procesoarele (de exemplu, primele Pentium și Pentium Pro) erau fabricate folosind tehnologia 0,5-0,6 microni (500-600 nm). Apoi nivelul lor a crescut la 250-350 nm. Următoarele procesoare (Pentium 2, K6-2+, Athlon) au fost deja realizate folosind tehnologia 180 nm.

La sfârșitul anilor 1990, Texas Instruments a creat o nouă tehnologie ultravioletă cu o dimensiune minimă controlabilă de aproximativ 80 nm. Dar nu a fost posibil să se realizeze în producția de masă până de curând. Începând cu 2009, tehnologia a fost capabilă să atingă niveluri de producție de până la 90 nm.

Noile procesoare (la început era Core 2 Duo) sunt realizate folosind noua tehnologie UV de 45 nm. Există și alte microcircuite care au atins și au depășit de mult acest nivel (în special, procesoare video și memorie flash de la Samsung - 40 nm). Cu toate acestea, dezvoltarea în continuare a tehnologiei provoacă din ce în ce mai multe dificultăți. Promisiunile Intel de a trece la nivelul de 30 nm până în 2006 nu s-au împlinit.

Începând cu 2009, o alianță dintre cei mai importanți dezvoltatori și producători de cipuri lucrează la tehnologie. proces 32 nm.

În 2010, procesoarele dezvoltate folosind tehnologia de 32 nm au apărut deja în vânzările cu amănuntul. proces.

Este de așteptat ca următorul să fie probabil tech. proces de 22 nm.

Aici se aplică legea lui Moore (Moore a sugerat că numărul de tranzistori de pe un cip s-ar dubla la fiecare 24 de luni).

Control de calitate

Pentru a controla calitatea circuitelor integrate, așa-numitele structuri de testare sunt utilizate pe scară largă.

Scop

Un circuit integrat poate avea o funcționalitate completă, oricât de complexă ar fi - până la un întreg microcomputer (microcomputer cu un singur cip).

Circuite analogice

Amplificatoare operaționale.

Comparatoare.

Generatoare de semnal.

Filtre (inclusiv efect piezoelectric).

Multiplicatori analogici.

Atenuatoare analogice și amplificatoare variabile.

Stabilizatori de alimentare: stabilizatori de tensiune și curent.

Microcircuite de control al sursei de comutare.

Convertoare de semnal.

Circuite de sincronizare.

Diversi senzori (de exemplu, temperatura).

Circuite digitale

Elemente logice

Declanșatoare

Contoare

Registrele

Convertoare tampon

Criptatoare

Decodoare

Comparator digital

Multiplexoarele

Demultiplexoare

Aditivi

Jumătate de viperă

Microcontrolere

(Micro)procesoare (inclusiv procesoare pentru computere)

Microcalculatoare cu un singur cip

Chip-uri și module de memorie

FPGA (circuite integrate logice programabile)

Circuite integrate digitale

Au o serie de avantaje față de cele analogice:

Consumul redus de energie este asociat cu utilizarea semnalelor electrice pulsate în electronica digitală. La recepționarea și conversia unor astfel de semnale, elementele active ale dispozitivelor electronice (tranzistoare) funcționează în modul „cheie”, adică tranzistorul este fie „deschis” - ceea ce corespunde unui semnal de nivel înalt (1), fie „închis”. ” - (0), în primul caz la Nu există cădere de tensiune în tranzistor, în al doilea nu trece curent prin el. În ambele cazuri, consumul de energie este aproape de 0, spre deosebire de dispozitivele analogice, în care de cele mai multe ori tranzistoarele sunt într-o stare intermediară (rezistivă).

Imunitatea ridicată la zgomot a dispozitivelor digitale este asociată cu o diferență mare între semnalele de nivel înalt (de exemplu, 2,5-5 V) și cele scăzute (0-0,5 V). O eroare este posibilă cu o astfel de interferență atunci când un nivel ridicat este perceput ca scăzut și invers, ceea ce este puțin probabil. În plus, dispozitivele digitale pot folosi coduri speciale pentru a corecta erorile.

Diferența mare dintre semnalele de nivel înalt și cel scăzut și o gamă destul de largă de modificări permise ale acestora face ca tehnologia digitală să fie insensibilă la dispersarea inevitabilă a parametrilor elementului în tehnologia integrată, eliminând necesitatea de a selecta și configura dispozitivele digitale.

Circuite analog-digitale

convertoare digital-analogic (DAC) și analog-digital (ADC).

Sintetizatoare computaționale digitale (DCS).

Transceiver (de exemplu, convertor de interfață Ethernet).

Modulatoare și demodulatoare.

Modemuri radio

Decodoare pentru teletext, text radio VHF

Fast Ethernet și transceiver-uri optice

Modemuri dial-up

Receptoare TV digitale

Senzor optic mouse

Convertoare de alimentare și alte dispozitive care folosesc condensatori comutați

Atenuatoare digitale.

Circuite cu buclă blocată în fază (PLL) cu interfață serială.

Comutatoare.

Generatoare și restauratoare de frecvență de sincronizare a ceasului

Basic Matrix Crystals (BMC): Conține atât elemente primare analogice, cât și digitale.

Seria de cipuri

Microcircuitele analogice și digitale sunt produse în serie. O serie este un grup de microcircuite care au un singur design și design tehnologic și sunt destinate utilizării în comun. Microcircuitele din aceeași serie, de regulă, au aceleași tensiuni de alimentare și sunt potrivite în ceea ce privește rezistențele de intrare și ieșire și nivelurile de semnal.

Carcase pentru cipuri

Microcircuitele sunt disponibile în două opțiuni de design - decorticate şi decojite.

Un microcircuit fără pachet este un cristal semiconductor destinat instalării într-un microcircuit hibrid sau microansamblu (este posibilă instalarea directă pe o placă de circuit imprimat). Carcasa microcircuitului este o parte a designului microcircuitului conceput pentru a proteja împotriva influențelor externe și pentru a se conecta la circuitele electrice externe prin cabluri. Carcasele sunt standardizate pentru a simplifica procesul tehnologic de fabricare a produselor din diferite microcircuite. Numărul clădirilor standard este de sute.

În cazurile rusești, distanța dintre pini (pasul) este măsurată în milimetri și cel mai adesea este de 2,5 mm și 1,25 mm. Pentru microcircuitele importate, pasul se măsoară în inci, folosind valoarea 1/10 sau 1/20 inch, care corespunde la 2,54 și 1,28 mm. În pachetele cu până la 16 pini, această diferență nu este semnificativă, dar cu dimensiuni mari (20 sau mai mulți pini), pachetele corespunzătoare sunt deja destul de incompatibile din punct de vedere structural: pentru bornele pini - ruperea bornelor în timpul instalării, pentru cele plane - lipire cele adiacente.

În carcasele moderne de import pentru montaj la suprafață se folosesc și dimensiunile metrice: 0,8 mm; 0,65 mm și altele.

Exemplu cip pachet:

Scopul pinii microcircuitului K174UN7:
1 - putere (+ Un);
4 - amplificare tensiune, alimentare (+Un);
5-corecție;
6-feedback;
7-filtru;
8-intrare;
9- general (- Un);
etaj de ieșire cu 10 emițători;
12-ieșire.

Denumiri specifice de microcircuite

Intel a fost primul care a produs un cip care îndeplinea funcțiile unui microprocesor (microprocesor englez) - Intel 4004. Pe baza microprocesoarelor îmbunătățite 8088 și 8086, IBM și-a lansat celebrele computere personale).

Microprocesorul formează miezul computerului; funcții suplimentare, cum ar fi comunicarea cu periferice, au fost realizate folosind chipset-uri special concepute (chipset). Pentru primele computere, numărul de microcircuite în seturi era de zeci și sute; în sistemele moderne este un set de două sau trei microcircuite. Recent, a existat o tendință de a transfera treptat funcțiile chipset-ului (controler de memorie, controler de magistrală PCI Express) către procesor.

Microprocesoarele cu RAM și ROM încorporate, controlere de memorie și I/O și alte funcții suplimentare sunt numite microcontrolere. Exemplele includ procesoarele Intel moderne cu controlere OP, video etc.

Prin urmare, de obicei trebuie să faceți un compromis și să alimentați amplificatorul operațional cu o tensiune mai mică (pentru acesta). Majoritatea amplificatoarelor operaționale moderne sunt operaționale cu o tensiune de alimentare mai mare de 3 V (±1,5 V) și numai seria K574 - cu o tensiune de alimentare mai mare de 5 V. De asemenea, în special pentru utilizare în joasă tensiune (5 V). ) tehnologie digitală, se produc și amplificatoare operaționale din seria LM2901... LM2904: parametrii lor sunt ideali cu o tensiune de alimentare de 5 V, iar funcționarea rămâne în domeniul „standard” de 3...30 V. jumătate din tensiunea de alimentare” necesară pentru funcționarea amplificatorului operațional și a comparatorului poate fi „realizată” folosind un divizor de tensiune prin .

O altă problemă este coordonarea între niveluri. Este imposibil să furnizați un semnal digital la intrarea microcircuitelor analogice, în special a semnalului de la ieșirea microcircuitelor (amplitudinea tensiunii de ieșire a acestora este egală cu tensiunea de alimentare). Acest lucru a fost discutat mai detaliat mai sus și puteți reduce amplitudinea semnalului de la ieșirea digitală folosind un divizor de tensiune.

Semnalul de la ieșirea unui sistem analogic care funcționează în modul digital are aproape întotdeauna o amplitudine suficientă pentru funcționarea digitală normală, dar există și „ciudații” în acest sens. Unele microcircuite analogice au un nivel de log. „0” corespunde unei tensiuni de ieșire egală cu +2,1…2,5 V în raport cu firul comun (la care este conectată puterea negativă de intrare), iar pentru circuitele TTL și unele, tensiunea de comutare este de 1,4…3,0 V. Atunci este posibil pentru a seta nivelul de jurnal folosind un astfel de unul analog. „0” la intrarea digitală menționată mai sus este imposibil. Dar cu setarea nivelului de jurnal. „1” la intrarea digitală, problemele nu apar aproape niciodată. Prin urmare, există două ieșiri: sau aplicați numai analogice la intrarea „-U” o mică tensiune negativă (-2...-3 V) în raport cu firul comun (Fig. 2.8, o), care poate fi generată folosind orice generator la ieșirea căruia este conectat - ( Fig. 2.8, b); R este necesar, astfel încât atunci când tensiunea la ieșirea amplificatorului operațional este mai mică decât tensiunea de pe firul comun, să nu deterioreze microcircuitul digital (TTL) sau să nu supraîncărce cel de protecție (), acesta poate fi de la 1 kOhm la 100 kOhm. A doua ieșire este plasată între microcircuitele analog și digital (Fig. 2.8, c): în acest caz, tensiunea la intrarea digitală va scădea și la nivelul log. „1”, care nu este important, iar nivelul de tensiune este log. „0”, care este ceea ce avem nevoie.

Ieșirile comparatoarelor sunt de obicei realizate conform unui circuit colector deschis (Fig. 2.8, d), prin urmare, atunci când se utilizează comparatoare pentru a controla circuitele digitale, este necesară o „pull-up” (este conectată între ieșirea comparatorului și „ autobuz +U”). În circuitele TTL, acestea sunt instalate în interior la fiecare intrare, în circuite trebuie instalate „în exterior”. Nu există niciodată rezistențe pull-up „în interiorul” comparatorilor.

Căderea de tensiune la tranzițiile tranzistorului de ieșire al comparatorului (Fig. 2.8, d) nu depășește 0,8...1,0 V, așa că nu apar niciodată probleme cu controlul circuitelor digitale. Deoarece ieșirea comparatorului este realizată conform unui circuit cu colector deschis, tensiunea de alimentare a comparatorului („+U”) poate fi mai mare sau mai mică decât tensiunea de alimentare digitală - nu este nevoie să se facă modificări la circuit. În acest caz, „pull-up” trebuie conectat între ieșirea comparatorului și magistrala „+U” a părții digitale.

Să spunem că trebuie să creăm unul care să controleze valoarea propriei tensiuni de alimentare și, de îndată ce devine mai mult sau mai puțin decât norma, se va porni.

Mai întâi, să încercăm să creăm unul bazat pe microcircuite digitale. După cum se știe, tensiunea de comutare digitală este foarte slabă de la tensiunea de alimentare, prin urmare, pentru a controla tensiunea de alimentare, intrarea elementului logic poate fi conectată direct prin magistralele de alimentare (Fig. 2.10, a). În acest circuit, cel de jos reacționează la o scădere a tensiunii de alimentare (apoi ieșirea sa este setată la „unu”), iar cel de sus reacționează la o creștere - și în acest caz ieșirea elementului DD1.2 este setată la un nivel de jurnal. „1”. Semnalele de la ieșirile ambelor canale sunt însumate printr-un circuit de diode „2OR”, iar când „unul” este setat la una dintre ieșiri, nivelul de log este setat la ieșirea DD1.4. „0”, permițând generatorului să funcționeze.

Acest circuit poate fi simplificat dacă sunt utilizate cele cu mai multe intrări (Fig. 2.10, b). În aceste scheme DD1.2 (Fig. 2.10, a)

Orez. 2.10. Dispozitive de control al tensiunii: a - pe invertoare; b - îmbunătățirea elementelor logice; c - microcircuitele analogice folosesc unul dintre elementele de „intrare” - datorită acestui fapt, nu este nevoie de un adaos. Sper că vă puteți da seama singur cum funcționează acestea.

După ce ați asamblat unul dintre aceste circuite, veți observa că, în timp ce tensiunea de alimentare se află în intervalul normal, curentul consumat de circuit nu depășește câțiva microamperi, dar când se apropie de limita normală, crește brusc de mii de ori. Prin curenți au apărut. Odată cu o schimbare suplimentară a tensiunii de alimentare, se va porni (dacă tensiunea de alimentare pulsa, atunci va „zbuia” inițial în timp cu ondulațiile) și după un timp, cu o schimbare și mai mare a tensiunii de alimentare, curentul consumat de circuit va începe să scadă.

Dacă nu aveți nevoie de astfel de „trucuri”, puneți-le într-un circuit sau op-amp. Dacă este lansat de nivelul jurnalului. „O” este mai convenabil: ieșirile lor pot fi conectate împreună (nu puteți face acest lucru cu un amplificator operațional!) și „desfaceți-vă” cu un rezistor „pull-up” comun. Dar dacă începe ca „unul”, un amplificator operațional este mai convenabil: veți salva 2 rezistențe prin care curge curentul în modul „standby” (atâta timp cât tensiunea este în limitele normale).

Spre deosebire de cele discutate mai sus, un astfel de circuit va necesita o sursă de tensiune de referință. Cel mai simplu mod este să-l asamblați folosind un rezistor și o diodă zener sau un generator de curent și un rezistor (sau, mai bine, o diodă zener). Opțiunea de rezistență cu o diodă zener este cea mai ieftină, dar majoritatea diodelor zener încep să funcționeze normal doar atunci când trece un curent de câțiva miliamperi prin ele, iar acest lucru afectează consumul de energie al întregului sistem. Cu toate acestea, cele moderne de dimensiuni mici încep să stabilizeze tensiunea la un curent de 10 μA. Pe baza generatoarelor de curent (), curentul minim de stabilizare poate fi oricare.

Pentru a încărca mai puțin, vom conecta direct ieșirea acesteia la intrările comparatoarelor (amplificatoarele operaționale și comparatoarele moderne sunt neglijabile și nu depășesc 0,1 μA) și vom porni trimmerele „reglatoare” în același mod ca și în circuitele discutate mai sus. Rezultatul este cel prezentat în Fig. 2,10, în; Oricine poate fi conectat la ieșirile acestor circuite. Dacă utilizați op-amp-uri quad () în circuit, le puteți asambla pe elemente „libere”.

Acum, pentru a decide care dintre circuite (digital sau analog-digital) este mai bun, să le comparăm caracteristicile:

După cum puteți vedea, ambele scheme au avantaje și dezavantaje, iar avantajele uneia acoperă dezavantajele celeilalte și invers. Prin urmare, nu trebuie să faceți tot posibilul pentru a-l asambla pe al dvs. conform circuitului „corect”, în care un semnal digital funcționează cu un semnal digital, iar un semnal analogic funcționează cu un semnal analogic; uneori includerea non-standard a elementelor, ca în Fig. 2.10, a și 2.10.6, vă permit să economisiți ambele părți și energie electrică. Dar cu includerea non-standard trebuie să fii extrem de atent: majoritatea elementelor din acest mod sunt instabile și, sub influența celei mai mici influențe, pot „lovi” sau chiar eșuează cu totul. Este foarte dificil chiar și pentru radioamatorii cu experiență să prezică evoluția evenimentelor atunci când elementele sunt pornite nestandard, astfel încât este posibil să se determine performanța (sau non-operabilitatea) unuia sau altuia „non-standard” doar pe un să batjocorească. În același timp, veți afla și curentul consumat de circuit și alte caracteristici care vă interesează și veți putea, de asemenea, să ajustați ratingurile elementelor individuale.

Un loc special în istoria electronicii îl ocupă așa-numitul „timer 555”, sau pur și simplu „555” (compania care a dezvoltat acest cip l-a numit „ΝΕ555”, de unde și numele). Aceasta este o combinație simplă, ca toate ingenioase, de dispozitive analogice și digitale și, din această cauză, versatilitatea sa este uimitoare. La un moment dat (începutul anilor 90), multe publicații de radio amatori aveau o coloană precum „veniți cu o nouă aplicație pentru cronometrul 555” - apoi au fost propuse doar mai multe circuite standard pentru pornirea acestui lucru decât paginile din această carte.

Și acesta (principiul de funcționare) este foarte simplu: sub influența unui semnal de modulare extern analog (nu digital!), frecvența, ciclul de lucru sau durata semnalului de ieșire se modifică.

Există două tipuri: liniară și pulsă. Liniare (amplitudine, frecvență, fază etc.) sunt utilizate numai în emisiunile radio, deci nu vor fi luate în considerare aici. Există tipuri de lățime de impuls (PWM) și de fază de impuls (PPM). Practic nu sunt diferiți unul de celălalt, așa că sunt adesea confundați.Acest lucru nu se poate face - la urma urmei, dacă au venit cu două nume diferite pentru ei, înseamnă că cineva a avut nevoie. Ele diferă prin aceea că, cu PIM, frecvența semnalului de ieșire este neschimbată (adică dacă durata impulsului crește de X ori, atunci durata pauzei va scădea de X ori), în timp ce cu PWM se modifică (durata uneia dintre semicicluri - puls sau pauză - este întotdeauna același, iar pentru celălalt se modifică în timp cu tensiunea de modulare).

Vom lua în considerare funcționarea modulatoarelor folosind diagramele situate lângă figuri. Este foarte convenabil să aplicați semnalul de modulare pentru temporizatorul 555 la intrarea sa REF (această intrare a temporizatorului 555 este destinată tocmai pentru aceasta; este imposibil să atribuiți un semnal „modulator” intrării REF a altor microcircuite!), care este ceea ce se face de obicei.

Să începem cu FIM. acesta practic nu este diferit de un generator convențional, iar frecvența impulsurilor de ieșire PPM este calculată folosind formula generatorului. Dar să vedem ce se întâmplă dacă o tensiune externă este aplicată la intrarea REF a „generatorului”.

După cum se poate vedea din diagrame, sub influența tensiunii de modulare, sau, dacă cineva a uitat esența acestui termen, raportul dintre perioada pulsului (log. „1” + log. „O”) la durata pulsului (log. „1”) se modifică. Și de aceea se întâmplă acest lucru.

Când nu este aplicată nicio tensiune externă la intrarea REF, tensiunea de pe aceasta este 2/3 din tensiunea de alimentare și egală cu 2, adică durata impulsului este egală cu durata pauzei. Acest lucru este ușor de verificat folosind calcule teoretice: nivelul este log. „O” la ieșirea generatorului va fi stabilit numai după ce tensiunea la intrările sale R și S devine egală cu 1/3 U cc în raport cu magistrala „U cc”, iar nivelul este log. „1” - după ce tensiunea la intrări devine egală cu 2/4 U cc față de firul comun. În ambele cazuri, căderea de tensiune pe rezistorul de setare a frecvenței R1 este aceeași, prin urmare duratele impulsului și pauzei sunt aceleași.

Să presupunem că, sub influența unui semnal extern, tensiunea la intrarea REF scade. Apoi, tensiunea de comutare a ambelor comparatoare de temporizator va scădea - de exemplu, la 1/4 și, respectiv, 2/4. Apoi nivelul este jurnal. „1” se va schimba în jurnal. „O” la ieșirea temporizatorului după ce tensiunea de pe condensatorul de setare a frecvenței crește de la 1/4 U cc la 2/4 U cc, iar nivelul este log. „O” va fi înlocuit cu nivelul de jurnal. „1” după ce scade de la 2/4 U cc la 1/4 U cc. Este ușor de observat că în primul caz căderea de tensiune pe rezistorul de setare a frecvenței este mai mare (la U cc = 10 V se schimbă de la 7,5 V la 5,0 V) decât în ​​al doilea (2,5 V - 5,0 V) și , dacă ne amintim legea lui Ohm, curentul care curge în primul caz va fi de 2 ori mai mare decât în ​​al doilea, adică la un nivel log. „1” la ieșirea temporizatorului se va încărca de 2 ori mai repede decât descărcarea - la un nivel de log. „0”. Adică durata pulsului este de 2 ori mai mică decât durata pauzei și cu o scădere suplimentară a tensiunii REF va scădea și mai mult.

Este logic să rețineți că, pe măsură ce tensiunea la intrare crește, REF va începe să crească și, de îndată ce depășește 2/3 U cc, durata impulsului va deveni mai mare decât durata pauzei.

Pe baza unui astfel de modulator, este foarte convenabil să asamblați o varietate de cele pulsate. Cel mai simplu C4 se încarcă rapid. De îndată ce tensiunea de pe acesta începe să se apropie de valoarea setată de rezistența R7, VT3 va începe să se deschidă ușor, tensiunea la intrarea REF DA1 va începe să scadă și durata impulsurilor la ieșirea generatorului va scădea. Cu fiecare ciclu de oscilație al generatorului în C4, prin VT1 și VT2, din ce în ce mai puțină energie va fi „pompată” până când, în sfârșit, apare echilibrul dinamic: C4 primește exact aceeași cantitate de energie pe care o dă sarcinii - în timp ce tensiunea de pe acesta rămâne neschimbată. Dacă curentul de sarcină crește brusc, tensiunea de pe condensator va scădea ușor („sarcina „supră” sursa de alimentare”), VT3 se va închide ușor și durata pulsului va fi log. „1” la ieșirea generatorului va crește până când echilibrul dinamic este atins din nou. Când curentul de sarcină scade, durata impulsului, dimpotrivă, va scădea.

Echilibrul dinamic nu trebuie confundat cu echilibrul adevărat. Acesta din urmă apare atunci când, de exemplu, greutăți de masă egală sunt plasate pe două cântare; un astfel de echilibru este foarte instabil și este foarte ușor să-l deranjezi modificând ușor masa oricărei greutăți. O analogie a adevăratului echilibru din lumea electronicii este atunci când, pentru a reduce tensiunea, folosesc o sursă de energie de joasă tensiune pentru a alimenta un dispozitiv de joasă tensiune dintr-o sursă de energie de înaltă tensiune. Atâta timp cât curentul consumat de circuit este constant, tensiunea pe el este, de asemenea, constantă. Dar de îndată ce curentul consumat crește, tensiunea de pe circuit scade - echilibrul este perturbat.

Prin urmare, în toate circuitele moderne de alimentare (și nu numai în ele), principiul echilibrului dinamic este implementat: o parte (se numește „circuit OOS” - acest termen vă este deja familiar) monitorizează semnalul la ieșirea lui. dispozitivul, îl compară cu semnalul de referință (în circuitul din Fig. 2.14 „tensiune de referință” - tensiunea de declanșare a tranzistorului VT3; nu este foarte stabil, dar nu avem nevoie de o precizie mai mare; pentru a crește precizia menținerii tensiunea de ieșire neschimbată, o puteți înlocui cu un invertor (k ycU și 20...50) pe un op-amp) și, dacă două semnale nu sunt egale între ele, modifică tensiunea la ieșirea dispozitivului în direcția corespunzătoare până când acestea coincid.

Deoarece în acest circuit doar o cascadă poate fi plasată în circuitul OOS (doar un astfel de amplificator operațional, și chiar un op-amp scump, poate amplifica semnalul de tensiune; și k ycU în acest circuit, pentru a crește stabilitatea tensiunii de ieșire, trebuie să fie semnificativ), apoi cu creșterea tensiunii pe rezistența motorului R7, tensiunea la intrarea REF va scădea, indiferent de structură (nu va funcționa normal.

Prin urmare, a trebuit să trișez puțin: puneți o etapă intermediară pe un tranzistor (VT1) la ieșirea DA1 și eliminați semnalul pentru a controla tranzistorul de putere al structurii pnp (VT2) de la acest tranzistor. Adevărat, a apărut o nouă problemă: capacitățile tranzistoarelor de bază-emițător „fluieră”, dar se descarcă foarte lent. Din această cauză, se deschide brusc (ceea ce este necesar) și se închide foarte lin, în timp ce căderea de tensiune la bornele colector-emițător crește treptat și puterea eliberată pe acesta sub formă de căldură crește brusc. Prin urmare, pentru a accelera procesul de oprire a tranzistorilor, a trebuit să instalăm R4 și R6 cu rezistență scăzută. Datorită acestora, eficiența amplificatorului la un curent de ieșire mare este mai mare decât fără ele (pierderile de energie pentru încălzirea radiatorului tranzistorului VT2 sunt reduse), iar la unul scăzut (mai puțin de 200 mA) este mai mică: doar un puțin mai complicat: acest lucru necesită impulsuri suplimentare de declanșare. Aceasta este diferența fundamentală dintre FIM și PWM.

Cum funcționează poate fi văzut clar din diagrame. Durata impulsurilor de declanșare pentru un astfel de modulator (ca în Fig. 2.12) ar trebui să fie cât mai scurtă posibil, cel puțin în momentul în care C1 este încărcat la tensiunea de comutare la intrarea R, nivelul log ar trebui să fie deja setat la intrare S. „1”, care trebuie să rămână pe el o perioadă de timp (aproximativ 1/100 din durata pulsului), astfel încât C1 să aibă timp să se descarce. În caz contrar, autoexcitarea poate apărea la o frecvență apropiată de frecvența maximă de funcționare pentru cea utilizată în circuit.

circuit integrat analogic

Un circuit integrat, în care recepția, conversia (procesarea) și ieșirea informațiilor prezentate sub formă analogică se realizează prin semnale continue; în A. şi. Cu. semnalul de ieșire este o funcție continuă a semnalului de intrare. A. și. Cu.… … Big Enciclopedic Polytechnic Dictionary

- (PAIS; matrice analogică programabilă în câmp engleză) un set de celule de bază care pot fi configurate și interconectate pentru a implementa seturi de funcții analogice: filtre, amplificatoare, integratoare, sumatoare, limitatoare, ... ... Wikipedia

Solicitarea „BIS” este redirecționată aici; vezi și alte sensuri. Circuite integrate moderne concepute pentru montaj la suprafață. (micro)circuit integrat (... Wikipedia

Un circuit integrat digital (microcircuit digital) este un circuit integrat conceput pentru a converti și procesa semnale care variază conform legii unei funcții discrete. Circuitele integrate digitale se bazează pe... ... Wikipedia

Circuite integrate moderne concepute pentru montare la suprafață. Microcircuite digitale sovietice și străine. Circuit integrat (engl. Circuit integrat, IC, microcircuit, microcip, cip de siliciu sau cip), (micro)circuit (IC, IC, m/skh) ... Wikipedia

cip analogic- analoginis integrinis grandynas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: engl. circuit integrat analogic vok. IC analogic, n; integrierter Analogschaltkreis, m rus. circuit integrat analog, f; cip analogic, f pranc. circuit...... Radioelektronikos terminų žodynas

Înmulțirea semnalelor analogice, precum amplificarea, este una dintre operațiunile principale în procesarea semnalelor electrice. Pentru efectuarea operației de multiplicare au fost dezvoltate CI specializate - multiplicatori de semnal analogic (ASM). PAS trebuie să ofere o multiplicare precisă pe o gamă dinamică largă de semnale de intrare și pe cea mai largă gamă de frecvență posibilă. Dacă PAS vă permite să înmulțiți semnale de orice polaritate, atunci ele sunt numite patru cadrane; dacă unul dintre semnale poate avea o singură polaritate, atunci ele sunt numite două cadrane. Multiplicatorii care multiplică semnalele unipolare se numesc un singur cadran. Există diferite PAS cunoscute cu unul și două cadrane bazate pe elemente cu rezistență controlată, pantă variabilă și utilizarea logaritmatorilor și antilogaritmatorilor. De exemplu, un regulator cu schimbarea modului de funcționare al elementelor, prezentat în Figura 7.7c, poate fi utilizat ca multiplicator dacă se aplică tensiune la intrarea diferențială. u x, Și în schimb E control Trimite tu y. Sub influență tu y panta caracteristicii de transfer a tranzistorilor se modifică, ale căror baze sunt alimentate cu a doua tensiune multiplicată u x. Se poate arăta că tensiunea de ieșire Ieși, scos între colectorii tranzistoarelor DC, cu R la 1 =R la 2 =R la determinat de formula

Câștig de curent al BT conectat conform circuitului cu OB; ? T- potential de temperatura, ? T=25,6 mV.

Dacă u x<<? T, apoi expresia pentru Ieși poate fi simplificat:

Dezavantajul celui mai simplu multiplicator considerat pe un singur DC este intervalul dinamic foarte mic al semnalelor de intrare, în care este asigurată o precizie acceptabilă de multiplicare. De exemplu, deja la u x=0,1? T Eroarea de multiplicare ajunge la 10%.

O gamă dinamică mai largă de tensiuni multiplicate cu o eroare mai mică este asigurată de multiplicatorii logaritmici construiți pe principiul „logaritm-antilogaritm”. O diagramă a unui astfel de PAS este prezentată în Figura 7.23.

Figura 7.23. Multiplicator logaritmic

Aici amplificatoarele operaționale DA 1 și DA 2 iau logaritmul tensiunilor de intrare, iar DA 3 este folosit ca un adunator, a cărui tensiune de ieșire este egală cu:

U 0 = k 1 (ln u x+ln tu y) = k 2 ln u x u y.

Folosind amplificatorul operațional DA 4, se efectuează antilogaritmul

Ieși = k 3 antin U 0 = k 3 u x u y

Trebuie remarcat faptul că aceste expresii folosesc tensiuni normalizate la un volt. Coeficienții de proporționalitate k 1 , k 2 , k 3 sunt determinate de elementele rezistive incluse în circuitele OOS ale amplificatoarelor operaționale utilizate. Marele dezavantaj al unui astfel de PAS este dependența puternică a intervalului de frecvență de funcționare de amplitudinile semnalelor de intrare. Deci, dacă cu o tensiune de intrare de 10V frecvența superioară a tensiunilor multiplicate poate fi de 100 kHz, atunci cu o tensiune de intrare de 1V banda de frecvență de operare se îngustează la 10 kHz.

Principiul logaritmului și antilogaritmului este utilizat în cea mai comună metodă de construire a PAS cu patru cadrane cu normalizare curentă, care au cel mai bun set de parametri, cum ar fi liniaritatea, bandă largă și stabilitatea temperaturii. De obicei, au intrări diferențiale, ceea ce le extinde funcționalitatea. Multiplicatorii cu normalizare curentă sunt realizate folosind tehnologia semiconductoare integrată.

În Figura 7.24 este prezentată o schemă simplificată a circuitului PAS IC cu normalizarea curentului de tip 525PS1.

Dispozitivul conține o cascadă diferențială complexă folosind tranzistori VT 7, ..., VT 10. Cuplarea încrucișată a colectoarelor acestor tranzistoare asigură inversarea semnalului necesară pentru multiplicarea în patru cadrane. Etapele de intrare pe tranzistoarele VT 3, ..., VT 6 și VT 11, ..., VT 14 convertesc tensiunile de intrare u xȘi tu yîn curenti. Cu ajutorul tranzistoarelor conectate cu diode VT 1 și VT 2, semnalul de curent la intrarea Y este logaritmat. Semnalul Y este antilogaritmat și înmulțit cu semnalul X de un amplificator care utilizează tranzistoarele VT 7, ..., VT 10.

Figura 7.24. Schema de circuit simplificată a CI multiplicatorului 525PS1

În dispozitivul luat în considerare, conexiunea dintre semnalele de intrare și de ieșire poate fi reprezentată ca raport de curent. Curentul de ieșire al multiplicatorului este determinat de relație

Unde eu XȘi eu Y- curenții care trec prin rezistențe R XȘi R Y; IpXȘi eu pY- curenții de funcționare în canalele X și Y.

Tensiunea de ieșire îndepărtată de la una dintre rezistențele de sarcină este egală cu

Factorul de scară.

Toate rezistențele prezentate în Figura 7.24, cu excepția R 1 și R 2, sunt externe. Alegerea lor depinde de cerințele specifice pentru PAS.

Pentru a obține o tensiune zero la ieșirea PAS atunci când tensiunile de intrare sunt egale cu zero, reglarea este asigurată cu ajutorul rezistențelor variabile R4 și R5. Dacă un multiplicator funcționează doar cu o polaritate a unuia dintre semnalele de intrare, atunci se numește polarizat. Pentru a transforma un PAS cu patru cadrane într-unul polarizat, este suficient să aplicați o polarizare atât de constantă uneia dintre intrări încât semnalele de la această intrare să fie întotdeauna mai mici decât tensiunea de polarizare.

„Director” - informații despre diverse componente electronice: tranzistoare, microcircuite, transformatoare, condensatoare, LED-uri etc. Informațiile conțin tot ceea ce este necesar pentru selectarea componentelor și efectuarea calculelor de inginerie, parametrii, precum și pinouts carcasei, circuite de comutare tipice și recomandări pentru utilizarea elementelor radio.

Este dificil de supraestimat importanța circuitelor integrate logice reprogramabile (FPGA) în sinteza sistemelor logice. Dezvoltarea cuprinzătoare a bazei de elemente și a sistemelor de proiectare asistată de computer face posibilă implementarea sistemelor logice complexe într-un timp fără precedent și cu costuri materiale minime. Prin urmare, dorința de a obține rezultate similare în proiectarea și producția de sisteme analogice este de înțeles. Cu toate acestea, multe încercări făcute în această direcție nu au adus încă rezultatele așteptate, iar circuitele integrate analogice programabile (PAIS) și circuitele integrate analogice matriceale (MABIS) nu au devenit universale.

PROBLEME DE PROIECTAREA LSI-urilor ANALOGICE PROGRAMABILE

Progresul rapid în domeniul proiectării sistemelor logice pe FPGA-uri a fost predeterminat de faptul că toate sistemele logice se bazează pe un aparat matematic bine dezvoltat de algebrei Boole. Această teorie face posibilă demonstrarea faptului că construcția unei funcții logice arbitrare este posibilă prin compoziția ordonată a unui singur operator elementar - logicul ȘI-NU (sau SAU-NU). Adică, orice sistem strict logic poate fi proiectat din elemente de un singur tip, de exemplu NAND.

Situația este complet diferită în domeniul proiectării (sintezei) și analizei (descompunerii) schemelor de circuite ale sistemelor analogice. În electronica analogică nu există încă un singur aparat matematic general acceptat care să permită rezolvarea problemelor de analiză și sinteză dintr-o poziție metodologică unificată. Motivele acestui fenomen ar trebui căutate în istoria dezvoltării electronicii analogice.

În primele etape, circuitele dispozitivelor analogice s-au dezvoltat în conformitate cu conceptele metodei nodului funcțional, ideea principală a căreia a fost împărțirea diagramelor de circuite complexe în noduri. Un nod este format dintr-un grup de elemente și îndeplinește o funcție foarte specifică. Atunci când sunt combinate, nodurile formează blocuri, plăci, dulapuri, mecanisme - de ex. unele structuri unificate numite dispozitive. Combinația de dispozitive formează un sistem. Metoda funcțional-nodal a presupus că componentele elementare ale sistemelor ar trebui să fie noduri, a căror sarcină principală este de a îndeplini o funcție foarte specifică.

De aceea funcționalitatea a fost luată drept criteriu de clasificare a nodurilor, adică faptul că un nod îndeplinește o anumită funcție. Cu toate acestea, pe măsură ce electronica s-a dezvoltat, a existat un număr extrem de mare de funcții dedicate și izolate (și, prin urmare, noduri). A dispărut orice posibilitate de minimizare și unificare a acestora, care este necesară pentru sinteza sistemelor complexe. De aceea, dezvoltarea LSI-urilor analogice matrice (MABIS) și a circuitelor integrate analogice reprogramabile (PAIS) a fost și continuă să fie împiedicată.

Starea situației în domeniul circuitelor analogice programabile poate fi urmărită prin analizarea evoluțiilor companiilor lider rusești și străine. Astfel, specialiștii de la OJSC NIITT și uzina Angstrem și-au concentrat eforturile pe dezvoltarea și producerea de BMC-uri analog-digitale (cristale de matrice de bază) de tip Rul N5515ХТ1, Н5515ХТ101, destinate sistemelor de achiziție, monitorizare și control de date, pentru echipamente medicale și sisteme de control.aparatură de măsură.

Designul acestor BMK-uri include o matrice analogică și digitală. Matricea digitală conține 115 celule de bază digitale (230 porți 2N-NOT), care sunt aranjate în cinci rânduri de 23 de celule pe rând. Matricea analogică combină 18 celule de bază analogice dispuse în două rânduri de 9 celule. Între rândurile de celule analogice există două rânduri de condensatoare (nominal 17,8 pF) și două rânduri de rezistențe de difuzie (24,8 kOhm fiecare). Între părțile analogice și digitale există o serie de rezistențe de 3,2 kOhm.

BMK oferă două tipuri de celule analogice (A și B). Celulele de tip A constau din 12 tranzistoare colectoare izolate PRP și patru RLR și 38 de rezistențe de difuzie multi-tap. În celulele de tip B, patru tranzistoare lRL sunt înlocuite cu două tranzistoare p-MOS. Celulele periferice de tip A și B conțin fiecare patru tranzistoare LRL puternice (în celulele de tip B - cu un colector izolat) și doi tranzistori bipolari.

Celulele de bază digitale vin în trei tipuri - patru tranzistoare l-MOS, patru tranzistoare p-MOS și o pereche complementară de tranzistoare bipolare. În plus, la periferia cristalului există celule digitale puternice care conțin patru tranzistoare puternice l-MOS și r-MOS, precum și două tranzistoare lrl conectate conform unui circuit Darlington.

Pentru BMK au fost dezvoltate biblioteci de elemente standard analogice și digitale, care facilitează și accelerează semnificativ procesul de proiectare a dispozitivelor bazate pe BMK. Acestea și BMK-uri similare conțin seturi de elemente electrice radio (ERE) care nu sunt conectate între ele, din care se pot obține un număr de unități funcționale specificate în bibliotecă. Principalul dezavantaj al unor astfel de microcircuite este un domeniu de aplicare foarte restrâns, limitat la valori specifice ale evaluărilor și alte caracteristici ale elementelor de putere electrică dintr-un set dat. Capacitățile unităților funcționale dezvoltate și recomandate pentru acest set sunt date în biblioteca care însoțește cipul.

Orez. 1. Structura ispPAC-10

Din 2000, Lattice Semiconductor produce circuite integrate analogice programabile (PAIC) din familia ispPAC (In-System Programable Analog Circuit) cu programare în sistem, de exemplu. fără a fi scos de pe placa de circuit imprimat. Până la mijlocul anului 2000, trei membri ai acestei familii erau produși: ispPAC-Yu (Fig. 1), ispPAC-20 (Fig. 2) și ispPAC-80. Acestea integrează până la 60 de elemente active și pasive, care sunt configurate, simulate și programate folosind pachetul PAC-Designer.

PAIS din familia ispPAC conțin:

Circuite de interfață serială, registre și elemente ale memoriei nevolatile reprogramabile electric (EEPROM), care asigură configurarea matricei;
celule analogice programabile (PACcells) și blocuri analogice programabile (PACblocks) formate din acestea;
elemente programabile pentru interconexiuni (ARP - Analog Routing Pool).

Arhitectura acestei serii se bazează pe celule de bază care conțin: amplificator de instrumentare (IA); amplificator de ieșire (OA), implementat utilizând un circuit sumator/integrator; Sursă de tensiune de referință de 2,5 V (ION); DAC pe 8 biți cu ieșire de tensiune și comparator dublu (CP). Pentru a crește intervalul dinamic al semnalelor procesate, intrările și ieșirile analogice ale celulelor (cu excepția ION) sunt realizate folosind un circuit diferențial. Două DUT-uri și un VU formează o macrocelulă, numită bloc PAC, în care ieșirile DUT-ului sunt conectate la intrările de însumare ale VU-ului. Cipul ispPAC-10 include patru blocuri PAC, iar ispPAC-20 - două. IspPAC-20 include, de asemenea, celule DAC și comparatoare. În celulă, câștigul DUT este programat în intervalul de la -10 la +10 în pași de 1, iar în circuitul de feedback al VU - valoarea capacității condensatorului (128 de valori posibile) și pornirea/oprirea rezistenţă.

O serie de producători de circuite integrate folosesc tehnologia „condensator comutat” pentru a programa funcții analogice, care implică modificarea capacității circuitelor de setare a frecvenței folosind un comutator electronic care comută în funcție de condiții.

Orez. 2. Structura ispPAC-20

Abordarea Lattice se bazează pe utilizarea circuitelor cu caracteristici constante de timp care pot fi modificate în timpul reconfigurarii sistemului fără a opri alimentarea. Această îmbunătățire este semnificativă deoarece elimină procesarea suplimentară a semnalului necesară în prima metodă.

Instrumentele de rutare internă (Analog Routing Pool) vă permit să conectați pinii de intrare ai microcircuitului, intrările și ieșirile macrocelulelor, ieșirea DAC și intrările comparatorului între ele. Prin combinarea mai multor macrocelule, este posibil să se construiască circuite de filtre active reglabile în intervalul de frecvență de la 10 la 100 kHz, pe baza utilizării unei secțiuni integratoare.
Trebuie remarcat faptul că ispPAC-urile lui Lattice sunt cele mai apropiate de PAIS. Singurul lor dezavantaj este că nu există un sistem de elemente de bază universale care să permită proiectarea nu numai a filtrelor active reglabile, ci și a unei varietăți destul de mari de sisteme analogice. Această circumstanță împiedică ispPAC de la Lattice Semiconductor să devină un analog al FPGA-urilor de la companii precum Altera și Xilinx.

În general, analizând situația în domeniul dezvoltării și implementării practice a microcircuitelor analogice, se pot face o serie de generalizări:

Cea mai mare parte a microcircuitelor analogice implementate industrial nu pot fi clasificate ca LSI-uri din punct de vedere al gradului de integrare;
LSI-urile și BMK-urile analogice sunt destinate proiectării dispozitivelor dintr-o anumită clasă, adică nu sunt universale;
La proiectarea sistemelor analogice mari, metoda nodului funcțional rămâne dominantă (seturi IC specializate, de exemplu pentru receptoarele de televiziune).

BAZĂ DE PROIECTARE UNIFICATĂ PENTRU FPGA ȘI MABIS

Cu toate acestea, sarcina de a dezvolta o bază de proiectare a circuitelor unificate pentru sisteme analogice are încă o soluție; vom încerca să argumentăm teoretic și să arătăm posibile direcții pentru implementarea practică a ideilor prezentate.

În primul rând, ar trebui să alegeți un model matematic al unui sistem electronic analog mare care să permită identificarea unui grup mic de elemente de bază. În domeniul analizei și sintezei circuitelor electronice, practic nu există alternative la aparatul matematic al sistemelor de ecuații diferențiale liniare, care a fost recunoscut încă din anii șaizeci ai secolului trecut. Să remarcăm, totuși, că ideea utilizării practice în masă a acestei metodologii nu a captat încă mințile tuturor specialiștilor.

Un sistem de ecuații diferențiale este format din elemente, conexiunile lor și este caracterizat de o anumită structură. Baza elementară a ecuațiilor diferențiale a fost studiată în prima jumătate a secolului trecut în cadrul disciplinei științifice „automatizare”. În acest domeniu, a apărut un avantaj al ecuațiilor diferențiale precum unificarea: forma lor nu depinde de modelul de proces descris. Cu toate acestea, în forma standard de scriere a unei ecuații diferențiale nu există informații vizuale despre natura relațiilor din sistemul studiat. Prin urmare, pe parcursul dezvoltării teoriei controlului automat au fost dezvoltate metode pentru afișarea vizuală a structurii sistemelor de ecuații diferențiale sub formă de diferite tipuri de diagrame.

Până la sfârșitul anilor 60 ai secolului XX, un punct de vedere modern asupra organizării structurale a modelelor de sisteme dinamice se dezvoltase pe deplin. Formarea unui model matematic al sistemului începe cu împărțirea acestuia în legături și descrierea ulterioară a acestora - fie analitic sub formă de ecuații care conectează cantitățile de intrare și de ieșire ale legăturii; sau grafic sub formă de diagrame mnemonice cu caracteristici. Pe baza ecuațiilor sau caracteristicilor legăturilor individuale, sunt compilate ecuații sau caracteristici ale sistemului în ansamblu.

Legături ale sistemelor dinamice identificate ca tipice

Rețineți că dacă pentru o diagramă funcțională sistemul este împărțit în legături în funcție de funcțiile pe care le îndeplinesc, atunci pentru o descriere matematică sistemul este fragmentat în funcție de comoditatea obținerii descrierii. Prin urmare, linkurile ar trebui să fie cât mai simple (mice) posibil. Pe de altă parte, la împărțirea unui sistem în legături, o descriere matematică a fiecărei legături trebuie compilată fără a lua în considerare conexiunile sale cu alte legături. Acest lucru este posibil dacă legăturile au direcționalitate de acțiune - de ex. transmite influența într-o singură direcție, de la intrare la ieșire. Atunci o modificare a stării oricărei legături nu afectează starea legăturii anterioare.

Dacă este îndeplinită condiția de direcționalitate a acțiunii legăturilor, se poate obține o descriere matematică a întregului sistem sub forma unui sistem de ecuații independente ale legăturilor individuale, completate de ecuații de legătură între ele. Cele mai comune (tipice) legături sunt considerate a fi aperiodice, oscilatorii, integratoare, diferențiatoare, cu întârziere constantă.

Problema legăturilor elementare în modelele formei unui sistem de ecuații diferențiale a fost studiată de o serie de autori. Analiza arată că pozițiile lor se reduc în principal la afirmarea faptului existenței unor legături tipice și studierea rolului lor în procesul de formare a structurilor mai complexe. Selectarea în grupul de unități tipice se face în mod arbitrar, fără niciun criteriu. În listele de legături tipice sunt incluse diverse legături fără explicație sau justificare, iar termenii „cel mai simplu” și „elementar” sunt, de asemenea, folosiți în mod egal pentru a desemna legăturile tipice (vezi tabelul). Între timp, studiul a numeroase legături „tipice” ale sistemelor dinamice folosind metodele matricelor structurale arată că doar trei legături - proporționale, integratoare și diferențiatoare - nu conțin cicluri matriceale în matricele lor structurale. Prin urmare, numai ele pot fi numiți elementare. Toate celelalte link-uri sunt construite prin combinarea link-urilor elementare.

Deci, dacă o legătură proporțională cu o funcție de transfer W B (s) = k B și o legătură de diferențiere cu o funcție de transfer W A (s) = k A s sunt conectate conform unui circuit de reacție negativă (Fig. 3), atunci echivalentul funcție de transfer

Astfel, rezultatul, până la valorile constantelor de timp, coincide cu funcția de transfer a legăturii aperiodice de ordinul întâi. Aceasta înseamnă că această legătură poate fi obținută prin conectarea legăturilor proporționale și diferențiate după un circuit cu feedback negativ și, prin urmare, nu poate fi considerată elementară.

Fig.3. Circuit de legătură aperiodic echivalent

Legăturile rămase incluse în tabel pot fi construite în același mod. O atenție deosebită trebuie acordată funcției de transfer a legăturii oscilatorii (T 2 p 2 + 2ξTp + 1)y = ku. Astfel, dacă conectăm în serie două legături aperiodice cu funcții de transfer care diferă doar în constante de timp, atunci funcția de transfer echivalentă va lua forma

Astfel, rezultatul, până la valorile constantelor de timp, coincide cu funcția de transfer a legăturii studiate. În consecință, legăturile de ordinul 2 oscilatorii, conservative și aperiodice pot fi obținute prin conectarea legăturilor de ordinul întâi în serie. Aceasta înseamnă că nu pot fi considerate elementare, deși în principiu este permis să le numim tipice.

Analiza rezultatelor prezentate în ultima coloană a tabelului ne permite să concluzionăm că legăturile aperiodice, izodromice, forțare, inerțiale diferențiate și inerțiale integratoare pot fi obținute prin conectarea legăturilor elementare. Pentru a demonstra că funcțiile de transfer ale altor legături tipice pot fi obținute prin conectarea legăturilor elementare, ar fi necesar să se analizeze conexiunile de trei, patru și așa mai departe, conform diagramelor de conexiune tipice. Același rezultat poate fi obținut dacă luăm în considerare conexiunile legăturilor elementare cu legăturile tipice de ordinul întâi. O parte din aceste cercetări au fost deja făcute, rezultatele sale sunt prezentate în lucrare.

Astfel, s-a dovedit că prin conectarea legăturilor elementare este destul de simplu să se obțină toate funcțiile de transfer ale așa-numitelor legături dinamice standard. În consecință, sistemele dinamice arbitrare pot fi sintetizate folosind operatorii de înmulțire și combinare a doar trei verigi elementare: proporțional, diferențiator și integrator. Această concluzie este de o importanță fundamentală, deoarece determină baza elementară necesară pentru construcția sistemelor dinamice liniare de orice ordin, inclusiv a circuitelor radio-electronice. Și dacă sistemele dinamice ar trebui să fie construite dintr-o gamă limitată de legături dinamice, ca în cazul MABIS și PAIS, atunci concluzia trasă este deosebit de importantă.

Fig.4. Soluții de circuite simple ale unităților elementare: a) sumator cu mai multe intrări, b) amplificator diferențial (legătură proporțională), c) diferențietor (legătură diferențiată), d) integrator (legătură de integrare)

Devine posibil să sintetizezi dispozitive analogice arbitrare din doar cinci unități funcționale - multiplexor, sumator, multiplicator, integrator și diferențiator (Fig. 4)! Rețineți că este prezentat în fig. Schemele 4 nu trebuie percepute ca soluții de circuit dovedite efectiv, ci doar ca o justificare a posibilității de înlocuire a legăturilor elementare într-o diagramă funcțională cu elemente radio-electronice de bază. Prin înlocuirea legăturilor elementare ale circuitelor funcționale cu omologii lor hardware, este posibil să se proiecteze dispozitive analogice cu caracteristici specificate.

EXEMPLU DE SINTEZĂ A UNUI DISPOZITIV ANALOG

Să luăm în considerare un exemplu foarte simplu de sinteză a unei scheme de circuit a unui dispozitiv analogic după un model specificat de un sistem de ecuații diferențiale sub forma transformărilor Laplace de forma: x 0 = g, x 1 = x 0 - 2x 2 /s, x 2 = 10x 1 /s, x 3 = x 2 - 10x 4 /s, x 4 = 500x 3 /s.