Текст книги "Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником"

Автор книги: Генрих Кардашев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 19 страниц)

Оптоэлектронные компоненты

В различных электронных устройствах широко используются физические сигналы в виде света в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом участках спектра. В связи с этим существует два вида первичных оптоэлектронных устройств: приемники и излучатели света. В первых происходит преобразование энергии света в электрическую энергию или световой сигнал преобразуется в электрический сигнал (здесь, конечно, тоже происходит преобразование энергии, но важны временные параметры). Во вторых происходит обратное преобразование энергии. Наконец, существуют компоненты, в которых происходит двойное преобразование сигнала (энергии) по схеме: «электричество->свет->электричество».

Многие из рассмотренных выше полупроводниковых устройств в той или иной степени обладают свойствами подобных преобразователей, и их развитие привело к созданию в виде отдельных компонентов с определенными характеристиками.

Работа оптоэлектронных приборов основана на открытиях физиков: Беккереля, Герца, Столетова, Эйнштейна, Басова, Прохорова, Таунса и др.

Фоторезисторы

Фоторезистор включают в цепь последовательно с источником напряжения и резистором нагрузки. За счет внутреннего фотоэффекта под действием света он уменьшает свое сопротивление: фотоны переводят электроны в зону проводимости, в результате чего возрастает концентрация носителей электричества (электронов и дырок) и сопротивление уменьшается. В качестве светочувствительного материала в фоторезисторах используют сульфид или селенид кадмия, которые наносят на изолирующую подложку.

В отсутствие светового потока в фоторезисторах протекает небольшой темновой ток, обуславливающий их темновое сопротивление от 1 до 100 МОм. С ростом светового потока их сопротивление может уменьшиться в 1000 раз.

Фоторезисторы являются сравнительно инерционными приборами: их постоянная времени составляет 10…100 мс.

Основными параметрами фоторезисторов являются: темновое сопротивление и кратность его изменения, рабочее напряжение и ток.

Фотогальванические (солнечные) элементы

Фотогальванический элемент представляет собой источник тока, выполненный на основе р-n перехода в полупроводниковых материалах (кремний). Принцип их действия также основан на внутреннем фотоэффекте, но наличие р-n перехода приводит к разделению зарядов на электродах и, следовательно, к возникновению фото-ЭДС. Для одного элемента величина ЭДС невелика и при токе 50 мА составляет 0,45 В. Для увеличения тока элементы выполняют с большой плоской поверхностью, а для увеличения напряжения соединяют последовательно в батарею. КПД преобразования энергии света в электрическую энергию у них также не высок (15 %), но зато они являются экологически чистыми возобновляемыми источниками электроэнергии.

Фотодиоды

Устройство фотодиода подобно устройству фотогальванического элемента, а использование аналогично фоторезистору или гальваническому элементу.

Существует два типа фотодиодов с обычным р-n переходом и так называемым p-i-n переходом. В p-i-n фотодиоде, как и в упомянутом выше пин-диоде, между р и n областями, имеется прослойка из нелегированного полупроводника. Это приводит к улучшению ряда их характеристик, например быстродействия. В корпусе фотодиода имеется стеклянное окошко, позволяющее свету попадать на р-n переход (рис. 15, а, б).

Рис. 15. Оптоэлектронные компоненты (внешний вид, УГО и компоненты EWB):

_{а, б – фото– и светодиоды; в, г – цифровые индикаторы}

Основными параметрами фотодиодов являются: темновой ток, рабочее напряжение и чувствительность по отношению к световому потоку.

Фотодиод может работать в двух режимах как фоторезистор и в генераторном режиме, когда внешний источник отсутствует и с его зажимов снимается фото-ЭДС.

Фототранзисторы

Фототранзисторы устроены аналогично обычным транзисторам, но, как и в фотодиоде, в их корпусе имеется светопрозрачное окошко, через которое свет попадает на базу прибора. Благодаря этому в базе генерируются дополнительные носители заряда, что эквивалентно подаваемому на нее сигналу управления.

Фототранзистор может и не иметь электрического вывода от базы (диодное включение). По сравнению с фотодиодами фототранзисторы имеют большие выходные токи из-за своих усилительных свойств, хотя их инерция немного больше.

Основными параметрами фототранзисторов служат: рабочее напряжение и темновой ток при этом напряжении; наибольший ток при освещении прибора и его интегральная чувствительность.

Фототранзисторы выполняют также на основе так называемых однопереходных транзисторов (или двухбазовых диодов).

Фототиристоры

В фототиристоре, как и в обычном тиристоре, используется четырехслойная полупроводниковая структура р-n-р-n; конструктивно он выполняется так, чтобы свет попадал на высокоомную n-базовую область. Таким образом, световой импульс играет роль импульса управляющего тока, отпирающего тиристор. Так же, как и обычный тиристор, он остается включенным после действия импульса и для его выключения надо выключить приложенное к нему внешнее напряжение.

Светоизлучающие диоды

Светоизлучающий диод или сокращенно светодиод представляет собой полупроводниковый диод, преобразующий электрические сигналы в световые. Работа светодиодов основана на физическом явлении, называемом электролюминесценцией. Возбуждение полупроводниковой структуры сопровождается рекомбинацией электронов и дырок с последующим излучением квантов света. Для получения требуемого цвета свечения используются специально подобранные многокомпозитные полупроводники. В результате использования карбида кремния получают красно-оранжевый цвет свечения, антимонида галлия – желтый, а теллурида цинка – зеленый.

Чаще всего светодиоды выпускают в круглых пластмассовых корпусах диаметром 3 или 5 мм (рис. 15, а, б). Для вывода света базовая область светодиода выполняется в виде полусферической линзы (либо имеет аналогичное покрытие).

Светодиоды широко используются в качестве индикаторов общего применения, заменяя лампы накаливания, так как имеют меньшие габариты и меньшее энергопотребление.

Прямые токи светодиодов составляют 5…22 мА, а прямое напряжение около 2…6 В. Максимальное обратное напряжение у отдельных типов светодиодов составляет 5 В.

Комбинируя светодиоды, создают специальные знаковые индикаторы. Примером может служить одноразрядный семисегментный индикатор, позволяющий за счет внешней коммутации сегментов высвечивать цифры от 0 до 9 (рис. 15, г).

Светодиоды могут иметь несколько р-n переходов на одном кристалле – матричные светодиоды. Из подобных структур создают многоразрядные знакосинтезирующие индикаторы (рис 15, в).

Светодиоды имеют низкое напряжение питания, малый ток и высокое быстродействие.

Арсенид-галлиевые светодиоды излучают свет в инфракрасном диапазоне (ИК). Это ИК-диоды. Максимум их излучения лежит в диапазоне 0,87…0,96 мкм, излучаемая мощность 10…500 мВт, максимальный ток 100…2500 мА.

Полупроводниковые лазеры

В отличие от простых светодиодов, дающих некогерентное излучение, в специальных инжекционных лазерах генерируется когерентное излучение света. Помимо определенного выбора активной среды инжекционного лазера, представляющего собой в электрической цепи диод, в нем на основе р-n перехода выполняется еще и специальная резонансная оптическая система. Эта система и вносит основные ограничения на размеры устройства: площадь поперечного сечения р-n перехода – 0,5…2 мкм², длина излучающей области – 300…500 мкм. Излучение имеет форму иглы с пространственным расхождением луча, составляющим несколько угловых минут.

Полупроводниковый лазер может работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме.

Оптроны

Оптроны, или оптопары, состоят из двух рассмотренных выше оптоэлектронных приборов, связанных общим световым каналом так, что один из них является излучателем света, а другой – его приемником. Таким образом, оптрон представляет собой электрический многополюсник, в котором передача сигнала от входа к выходу осуществляется за счет преобразования входного электрического сигнала в световой сигнал, его передаче внутри устройства и последующего преобразования в электрический выходной сигнал.

В оптронах используются некогерентные оптоэлектронные полупроводниковые приборы. Общим требованием ко всем оптронам является согласованность оптических спектральных характеристик излучателя и приемника. Между входом и выходом оптрона обеспечивается высокая электрическая изоляция, и он служит идеальной гальванической развязкой электрических цепей. В этом, собственно, и заключено его основное достоинство и на этом строятся его применения.

Основным видом излучателя в оптронах является светодиод.

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 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.

Микроконтроллеры

Термин «контроллер» образовался от английского слова to control – управлять. Традиционно эти устройства основывались на различных принципах работы от механических или оптических устройств до электронных аналоговых. Наиболее распространенными на сегодняшний день являются схемы управления, построенные на основе цифровых микросхем – микроконтроллеры.

Микроконтроллеры – разновидность микропроцессорных систем (микроЭВМ), специализированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами. В отличие от микропроцессора МК представляет собой функционально законченное устройство, готовое к выполнению «зашитых» в него программ, и не требует внешних устройств (разумеется, при этом он может управлять различными внешними объектами).

Еще в 1965 г. Гордон Мур (Gordon Moore), один из будущих основателей могущественной корпорации Intel, обратил внимание на интереснейший факт. Представив в виде графика рост производительности запоминающих микросхем, он обнаружил любопытную закономерность: новые модели микросхем появлялись каждые 18–24 месяца, а их емкость при этом возрастала каждый раз примерно вдвое. Если такая тенденция продолжится, предположил Г. Мур, то мощность вычислительных устройств экспоненциально возрастет на протяжении относительно короткого промежутка времени.

Предвидение Г. Мура впоследствии блестяще подтвердилось, а обнаруженная им закономерность, названная «Законом Мура», наблюдается и в наши дни.

В 1976 г. экспоненциальное развитие полупроводниковой технологии привело к созданию фирмой Intel первого микропроцессора – 8048. Помимо центрального процессора, в его состав входила память программ, память данных, восьмибитный таймер и 27 линий ввода/вывода. Конечно, 8048 уже является достоянием истории, а вот следующее изделие – микропроцессор 8051, выпущенный Intel в 1980 г., живет и здравствует поныне.

Сегодня в мире выпускаются тысячи типов микроконтроллеров и микропроцессоров. Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность данных, обрабатываемых арифметико-логическим устройством. По этому признаку микроконтроллеры делятся на 4-, 8-, 16-, 32– и 64-разрядные.

В однокристальных микроконтроллерах все аппаратные средства (микропроцессор, память, таймер, периферийные устройства и программное обеспечение) находятся в одном кристалле. Наружу выводятся только линии ввода/вывода (порты). Наиболее ценным качеством микроконтроллеров является наличие многократно программируемой памяти. Программирование выполняется на языке Ассемблер, позволяющем точно спрогнозировать время выполнения им команд (используются также языки СИ и Паскапь).

Наиболее распространенными в настоящее время являются микроконтроллеры семейства MCS-51. Это семейство поддерживается рядом фирм-производителей микросхем. Не менее распространенными в мире, но не в России, являются микроконтроллеры фирмы Motorolla. Это такие семейства, как НС05, НС07, НС11 и многие другие. Пожалуй, не менее популярными микроконтроллерами являются микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel, например АТ89 с флэш-памятью программ, являющиеся функциональным аналогом семейства 8-разрядных микроконтроллеров фирмы Intel. Представляют интерес также так называемые PIC-контроллеры (Peripheral Interface Controller) фирмы Microchip, также являющиеся 8-разрядными устройствами. Эти микроконтроллеры имеют электрически программируемые пользователем ППЗУ: минимальное энергопотребление, высокую производительность, хорошо развитую RISC-архитектуру (Reduced Instruction Set Code), функциональную законченность и минимальные размеры. Они дают возможность программировать их после установки в изделие.

Впрочем, одно перечисление семейств микроконтроллеров может занять не один том, а как следствие закона Мура, их число и количество публикаций о них также будет расти по экспоненте.

Ограничимся кратким перечнем изделий, построенных на базе микроконтроллеров: микроАТС, автоответчики, АОНы, мобильные телефоны, зарядные устройства, факсы, модемы, пейджеры, таймеры, системы сигнализации, измерительные приборы, счетчики воды, газа и электроэнергии, дозиметры, приборы автосигнализации, системы управления зажиганием и впрыском топлива, приборные панели и радарные детекторы, интеллектуальные датчики, системы управления электродвигателями, промышленные роботы, регуляторы температуры, влажности, давления и т. д., схемы управления принтерами и плоттерами, сетевые контроллеры, сканеры, схемы управления аудиосистемами, системы синтеза речевых сообщений, видеоигры, системы дистанционного управления, кассовые аппараты и т. д.

Безусловно, этот впечатляющий список будет и расширяться, и углубляться, и читателям, после освоения основ электроники – начального старта, безусловно, придется окунуться в эту бурно развиваемую область.