История электротехники

Новой сферой применения средств электроники стала обработка логических сигналов. До сих пор предполагалось, что любой сигнал содержит информацию, которая ставится в соответствие с количественной характеристикой сигнала: мгновенным значением аналогового напряжения, частотой гармонического носителя, длительностью импульса в последовательности.

Наряду с такими сигналами все большее применение находили логические сигналы, которые могли принимать фиксированное множество значений и отвечали на вопрос, принадлежит или не принадлежит данный сигнал к одному из подмножеств.

Общеизвестными стали двоичные (бинарные) сигналы, которые давали однозначный ответ на вопрос, истинно или ложно то или иное положение. Информация в таком сигнале содержалась не в уровне сигнала, а в его принадлежности к некоторому множеству. У бинарных сигналов это множество соответствует двум различным значениям, которые определяются как высокий (единичный) и низкий (нулевой) уровень. С логическими бинарными сигналами часто встречаются в технике, когда возникает необходимость отобразить состояние контакта (замкнут, разомкнут), транзисторного ключа (насыщен или находится в режиме отсечки). На основе логических переменных были введены логические функции. Примером логической функции может служить правило функционирования некоторого устройства: агрегат должен быть включен, если присутствует напряжение сети, температура не вышла из допустимых пределов, а с момента подачи сигнала на включение прошло не менее 5 с. На начальном этапе развития логических устройств в 50-е годы была осознана возможность реализации любых алгоритмов логического управления при ограниченном элементном базисе. Достаточно иметь весьма ограниченный набор типовых логических элементов, например, И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, чтобы из них можно было создать электронное устройство любой сложности и любого функционального назначения.

Первые типовые логические элементы создавались на основе транзисторно-резисторных, диодно-транзисторных, транзисторно-транзисторных ячеек (РТЛ, ДТЛ, ТТЛ), выполняемых из дискретных компонентов навесным монтажем или на печатных платах. Конструктивно они выполнялись в виде компактного параллелепипеда в пластмассовом корпусе, иногда залитого эпоксидной смолой (рис. 11.12). Монолитный брусок с набором внешних выводов имел хорошие механические свойства. Слабым местом устройств были внешние выводы и соединения. Проектирование логических устройств означало полное, исчерпывающее описание функционирования на языке булевой алгебры, приведение к выбранному элементному базису и схемотехническое (топологическое) проектирование.

^{Рис. 11.12. Первые микромодули (1955–1960 гг.)}

^{а — объемно-плоские; б — микроэлементы, собранные в «этажерки»; в — герметизированные; г — блок аппаратуры на микромодулях} 

11.4.5. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ И АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Интеграция в электронике проявилась как результат объединения нескольких элементов схем в один функционально и конструктивно завершенный узел. На этом этапе развития полупроводниковой схемотехники произошло удачное объединение микроэлектроники с развитым аппаратом логического проектирования. В 50–60-х годах было освоено массовое производство интегральных схем малой степени интеграции (до нескольких десятков логических элементов в одном корпусе). На их основе стало возможным проектирование устройств, выполняющих любые требуемые функции.

Переход от логических модулей на дискретных компонентах к интегральным логическим схемам ознаменовал начало победного шествия интегральной электроники и схемотехники.

Методы интегральной технологии позволили получить на одном кристалле — микроскопическом кусочке полупроводника — целое микроэлектронное устройство, содержащее диоды, транзисторы, резисторы. Выполнение функциональных узлов на таких микросхемах стало значительно менее трудоемким, надежность возросла благодаря меньшему числу внешних соединений. Дальнейшее развитие микросхемотехники шло по пути поиска компромисса между повышением степени интеграции и универсальностью микросхем. Методами интегральной технологии можно изготовить весьма сложную схему, однако она будет находить ограниченное применение в силу своей специфичности, а следовательно, ее производство станет нерентабельным, такая микросхема окажется дороже узла, выполненного на элементах малой степени интеграции. Наряду со схемами малой степени интеграции (до 10 логических вентилей на одном кристалле) получили распространение средние (до 100 вентилей) и большие интегральные схемы (до 1000 вентилей). Здесь логическим вентилем назовем минимальную структуру, имеющую один вход и один выход (внутренний или внешний). В 1980 г. интеграция достигла 3 млн. вентилей на одном кристалле (чипе) — так называемые сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).

Наряду с логическими интегральными схемами начался массовый выпуск аналоговых микросхем, в первую очередь операционных усилителей. Первые операционные усилители с навесным монтажем и на дискретных компонентах были сложны, громоздки и годились для использования в дорогостоящем оборудовании. Освоение балансных симметричных интегральных операционных усилителей произвело радикальные перемены в усилительной технике и возможностях ее применения. Прежде всего усилитель перестал быть устройством в конструктивном отношении, он стал элементом, модулем со скромным набором выводов. Массовый спрос породил массовое производство; усилитель стал дешевым, доступным элементом. Области их применения резко расширились. Благодаря развитию современной теории электрических цепей появилась возможность синтеза схем с заданными частотными и переходными свойствами, втом числе активных фильтров, корректирующих звеньев и других средств, задающих амплитудно- и фазочастотные характеристики. Один из главных аргументов скептиков — низкое входное сопротивление интегральных схем — отпал с появлением каскадов на полевых транзисторах. Успехи в области аналоговых интегральных схем привели к тому, что интегральные полупроводниковые микросхемы превзошли своих ламповых предшественников по всем важнейшим параметрам: коэффициенту усиления, входному сопротивлению, шумовым свойствам, предельной частоте. Пожалуй, они уступают только в максимальном уровне выходного напряжения. Неслучайно по массовости выпуска почти у всех фирм-производителей операционные усилители занимали первую строку.

В годы расцвета интегральной электроники первого поколения (50-е годы) быстро возникали новые функциональные решения на основе аналоговых узлов с использованием их нелинейных свойств. Помимо традиционных сумматоров, интеграторов, инвертирующих и неинвертирующих каскадов были разработаны компараторы, дифференциальные каскады, ограничители амплитуды, схемы защит от перегрузок, восстановители постоянной составляющей, фиксаторы уровня, мультивибраторы, одновибраторы, триггеры Шмитта. Специалисты, накопившие большой опыт работы со старой, классической аналоговой схемотехникой, получили в свое распоряжение мощный арсенал технических средств интегральной электроники.

Наличие цифровых и логических средств, с одной стороны, аналоговых — с другой породило необходимость создания цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей. На смену классическим преобразователям, выполняемым на навесных компонентах и реализующим принципы кодоимпульсного и времяимпульсного преобразования, пришли интегральные схемы. Современные преобразователи в составе интегральных схем имеют развитую управляющую часть. Работа такой интегральной схемы представляет собой достаточно сложную последовательность действий. Пример алгоритма аналогово-цифрового преобразования:

выборка аналоговой величины, т.е. запоминание и хранение отсчета, сделанного по команде таймера или по условию;

формирование компенсирующего сигнала, который набирается из серии нормализованных значений, обычно двоичных; число разрядов может быть различным, распространенное число 10, что обеспечивает предельную разрешающую способность 0,1%;

запись в выходной регистр результата и подтверждение готовности к выполнению следующего цикла.

В современных ЦАП и АЦП использованы как уже известные принципы, например поразрядного взвешивания, так и те способы, которые не могли быть успешно реализованы из-за схемотехнической сложности. К последним относится способ считывания, который не имеет себе равных по быстродействию, но требует большого числа быстродействующих компараторов. Число компараторов, определяемое разрешающей способностью аналогового канала, может достигать нескольких тысяч. Естественно, аппаратная реализация такого аналогово-цифрового преобразования возможна только на основе больших интегральных микросхем [11.53, 11.54].

11.4.6. ЭЛЕКТРОННЫЕ АВТОМАТЫ С ПАМЯТЬЮ

В развитии интегральной схемотехники заслуживает упоминания такой этап, как синтез автоматов с памятью. В 1961 г. появились ставшие классическими работы В.М. Глушкова по синтезу автоматов, имеющих конечное множество внутренних состояний. Этому классу цифровых (логических) устройств принадлежит множество средств промышленной электроники. Описать функционирование автоматов можно, разделив их (со значительной степенью условности) на следующие узлы: