Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником

В качестве фотоприемников в оптронах применяют: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Соответственно по названиям этих фотоприемников и называют весь оптрон.

Резисторный оптрон представляет собой входной светодиод и выходной фоторезистор, объединенные в одном корпусе оптически прозрачным клеем с большим сопротивлением изоляции.

В диодном оптроне аналогично объединены свето- и фотодиод, с которого на выходе снимается фото-ЭДС. Используют также и диодное включение фотодиода.

Транзисторный оптрон состоит из ИК-диода на основе арсенида галлия, имеющего максимум излучения в области максимальной чувствительности приемного фототранзистора (длина волны 1 мкм). Сопряжение излучателя и приемника осуществляется, как и в остальных приборах, прозрачным клеем, являющимся одновременно электрическим изолятором.

В тиристорном оптроне, устроенном аналогично транзисторному, в качестве приемника излучения используется кремниевый фототиристор.

Оптосимистор состоит из арсенид-галиевого ИК-светодиода, соединенного оптическим каналом с двунаправленным кремниевым переключателем (симистором). Последний может быть дополнен отпирающей цепью, срабатывающей при переходе питающего напряжения через нуль и размещенной на том же кремниевом кристалле. Это весьма удобная в использовании оптопара, позволяющая вывести управляющий сигнал с логических элементов, имеющих малый уровень напряжения, на нагрузку, питаемую от сети с напряжением до 800 В. Оптосимисторы размещают в малогабаритных DIP-корпусах с шестью выводами.

Помимо простых вышеперечисленных оптронов используются также и более сложные устройства: оптоэлектронные интегральные микросхемы (переключательные, функциональные и др.), а также специальные виды оптронов с открытым оптическим каналом, с гибким световодом и с управляемым оптическим каналом.

Жидкокристаллические индикаторы

Буквенно-цифровые ЖКИ представляют собой печатную плату, на которой расположены выводы подключения и управляющие элементы. Сверху на печатной плате закреплено жидкокристаллическое табло в металлической оправе.

В ЖКИ используется эффект изменения оптических характеристик некоторых органических жидкостей (относящихся к классу жидких кристаллов) под действием электрического поля с напряженностью 2…5 кВ/см. Изменение ориентации молекул в некоторых производных бензола, ряде гетероциклических соединений и других в области электродов, приводит к локальным изменениям коэффициента отражения и преломления. Это и делает их в этих местах непрозрачными. Таким образом, в проходящем или отраженном свете внешнего источника появляется изображение, сформированное электрическим полем. При снятии напряжения прозрачность структуры восстанавливается.

Управление типовым индикатором осуществляется с помощью специализированных микросхем, соединенных с ними 8- или 4-разрядной шиной через 16-контактный разъем.

В отличие от светодиодов и инжекционных лазеров, ЖКИ являются пассивными приборами, не создающими собственного излучения; невелико также и быстродействие ЖКИ. Это ограничивает область их использования в основном в качестве дисплеев микрокалькуляторов, часов и переносных электроизмерительных приборов. В ЖКИ может использоваться дополнительная подсветка (электролюминесцентная, светодиодная и флуоресцентная с холодным катодом).

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 А702; здесь символ  происходит от микро, А от Amplifier. Аналогом явилась отечественная микросхема — К140УД1.