Компоненты электронной техники специальности 211000 210100 4 -й

Компоненты электронной техники специальности 211000, 210100 4 -й семестр Лекция 1. Введение. М. А. Денисенко

План работы в 4 -м семестре Вид занятий Объем (ч. ) Лекции 34 Практические занятия 17 Самостоятельная работа 17 Итоговый контроль Зачет

Рекомендуемая литература 1) Горшков Б. И. , Горшков А. Б. Электронная техника М. : Академия, 2008 (и позже). 2) Ушаков П. А. Электронная техника Ижевск: Иж. ГТУ, 2006 (и позже). 3) Справочники по электронной технике, Интернет.

Электроника В физике - область, в которой изучаются процессы, происходящие с заряженными частицами в вакууме, газах, жидкостях и твердых телах. Полупроводниковая электроника - отрасль электроники, исследующая электронные процессы в полупроводниках и их использование в целях преобразования и передачи информации Электронная техника - область техники, связанная с разработкой и применением электронных приборов и устройств, используемых для передачи, обработки и хранения информации.

Предварительные сведения Микроэлектроника - подраздел электроники, связанный с изучением и производством электронных компонентов, с геометрическими размерами характерных элементов порядка нескольких микрометров и меньше (<10 -6 м).

Предварительные сведения Закон Мура в 1965 году (через 6 лет после изобретения ИС) Гордон Мур (один из основателей Intel) высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца. При анализе графика роста производительности запоминающих микросхем им была обнаружена закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно одинаковые периоды (18 - 24 мес. ) после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое. «Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долл. и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом пять галлонов (~18, 9 л) топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ» . - Журнал «В мире науки» (1983, № 10)

Б. Г. Коноплев

Предварительные сведения Темпы уменьшения проектных норм

Предварительные сведения Связь проектной нормы и длины канала МОП-транзистора

Предварительные сведения Основные принципы электроники и микроэлектроники • -принцип конструктивной интеграции • -принцип технологической интеграции Основные цели • -повышение надежности • -снижение стоимости • -уменьшение массы и объема

Компоненты ЭТ Пассивные компоненты Резистор • Варистор • Термистор • Мемристор • Потенциометр Конденсатор Вариконд • Ионистор • Индуктивность (дроссель, катушка) Трансформатор Кварцевый резонатор Линия задержки Предохранитель

Компоненты ЭТ Активные компоненты. Вакуумные и газоразрядные. Электронная лампа • Диод • Триод • Тетрод • Пентод • Гексод • Гептод • Октод • Механотрон • Клистрон • Магнетрон • Амплитрон • Платинотрон Электронно-лучевая трубка Лампа бегущей волны (ЛБВ)

Компоненты ЭТ Фотоэлектрические. Фоторезистор Фотодиод Фототранзистор Оптрон Оптопара Солнечная батарея

Компоненты ЭТ Активные компоненты. Полупроводниковые (твердотельные). • Диод • Светодиод • Фотодиод • Полупроводниковый лазер • Диод Шоттки • Стабилитрон • Стабистор • Варикап (варактор) • Вариконд • Диодный мост • с областью «отрицательного сопротивления» : • Лавинно-пролётный диод • Туннельный диод • Диод Ганна Транзистор • Биполярный транзистор • Полевой транзистор • КМОП-транзистор • IGBT-транзистор • Однопереходный транзистор • Фототранзистор • Составной транзистор (транзистор Дарлингтона) Тиристор (динистор, тринистор, симистор) Интегральная схема (ИМС, микросхема) Аналоговая интегральная схема Цифровая интегральная схема

Устройства электроники: Компоненты ЭТ Устройства отображения Акустические устройства и датчики Термоэлектрические устройства Антенные устройства Соединительные элементы Устройства для электрических измерений Электронные устройства Аналоговые Выпрямитель Источник питания Усилитель • Операционный усилитель Фазоинвертор Компаратор Генератор Мультивибратор Фильтр Смеситель Аналоговый умножитель Магнитный усилитель Импедансный согласователь Аналоговый компьютер Цифровые Логические элементы Триггер Компаратор Генератор тактовых импульсов Счётчик Шифратор / Дешифратор Мультиплексор / Демультиплексор Регистр Полусумматор Сумматор Цифровой компаратор Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) Микроконтроллер Микропроцессор Микрокомпьютер Запоминающие устройства

Сигнал (в теории информации и связи) - материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений в системе связи. Сигналом может быть любой физический процесс, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемым сообщением. Сигнал, детерминированный или случайный, описывают математической моделью, функцией, характеризующей изменение параметров сигнала. Математическая модель представления сигнала, как функции времени, является основополагающей концепцией теоретической радиотехники, оказавшейся плодотворной как для анализа, так и для синтеза радиотехнических устройств и систем. В радиотехнике альтернативой сигналу, который несёт полезную информацию, является шум - обычно случайная функция времени, взаимодействующая (например, путём сложения) с сигналом и искажающая его. Основной задачей теоретической радиотехники является извлечение полезной информации из сигнала с обязательным учётом шума.

Классификация сигналов По физической природе носителя информации: * электрические; * электромагнитные; * оптические; * акустические. По способу задания сигнала: * регулярные (детерминированные), заданные аналитической функцией; * нерегулярные (случайные), принимающие произвольные значения в любой момент времени. Для описания таких сигналов используется аппарат теории вероятностей. В зависимости от функции, описывающей параметры сигнала, выделяют: * непрерывные (аналоговые), описываемые непрерывной функцией; * дискретные, описываемые функцией отсчётов, взятых в определённые моменты времени; * квантованные по уровню; * дискретные сигналы, квантованные по уровню (цифровые). Сигнал

Аналоговый сигнал Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени. Сигнал Пример АС - гармонический сигнал: s(t) = A·cos(ω·t + φ). Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в компьютер и обработать его невозможно, так как на любом интервале времени он имеет бесконечное множество значений, а для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому необходимо преобразовать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.

Дискретный сигнал Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени. Эти значения называются отсчётами. Δt называется интервалом дискретизации. Используемые частоты дискретизации звука: * 8 000 Гц — телефон, достаточно для речи; * 22 050 Гц — радио; * 44 100 Гц — используется в Audio CD; * 48 000 Гц — DVD, DAT. * 96 000 Гц — DVD-Audio (MLP 5. 1) * 192 000 Гц — DVD-Audio (MLP 2. 0) * 2 822 400 Гц — SACD Super audio CD 5. 1 Частота дискретизации (или частота семплирования) — частота взятия отсчетов непрерывного во времени сигнала при его дискретизации (в частности, аналогоцифровым преобразователем). Измеряется в Герцах. Чем выше частота дискретизации, тем более широкий спектр сигнала может быть представлен в дискретном сигнале. Как следует из теоремы Котельникова, для того, чтобы однозначно восстановить исходный сигнал, частота дискретизации должна более чем в два раза превышать наибольшую частоту в спектре сигнала.

Квантованный сигнал Сигнал При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности. Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число этих уровней равно N (от 0 до N-1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчёты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичных чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log 2(N).

Цифровой сигнал Сигнал Для того, чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближённое (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Если записать эти целые числа в двоичной системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом.

Основные параметры сигнала: Сигнал * Мощность сигнала P(t) = s 2(t); * Удельная энергия сигнала; * Длительность сигнала T определяет интервал времени, в течение которого сигнал существует (отличен от нуля); * Динамический диапазон есть отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к наименьшей: D = 10 lg. Pmax / Pmin * Ширина спектра сигнала F — полоса частот, в пределах которой сосредоточена основная энергия сигнала; * База сигнала есть произведение длительности сигнала на ширину его спектра B = TF. Необходимо отметить, что между шириной спектра и длительностью сигнала существует обратно пропорциональная зависимость: чем короче спектр, тем больше длительность сигнала. Таким образом, величина базы остается практически неизменной; * Отношение сигнал/шум равно отношению мощности полезного сигнала к мощности шума; * Объем передаваемой информации характеризует пропускную способность канала связи, необходимую для передачи сигнала. Он определяется как произведение ширины спектра сигнала на его длительность и динамический диапазон V = FTD

Резистор пассивный элемент, в котором происходит необратимый процесс поглощения электрической энергии и превращения ее в тепловую. Основное функциональное назначение резисторов — оказывать известное (номинальное) сопротивление электрическому току с целью регулирования тока и напряжения. То есть регулируется и распределяется электрическая энергия между цепями и элементами схемы. В зависимости от характера изменения сопротивления при протекании тока и внешних воздействующих факторов резисторы делятся на линейные и нелинейные. Варистор - полупроводниковый резистор, сопротивление которого резко и нелинейно зависит от приложенного напряжения. Терморезистор (термистор) - полупроводниковый резистор, отличающийся ярко выраженной зависимостью сопротивления от температуры, примерно в 10. . . 25 раз более сильной, чем у металлов. Магниторезистор - полупроводниковый резистор, сопротивление которого резко и нелинейно изменяются во внешнем магнитное поле. Фоторезистор - полупроводниковый резистор, изменяющий свое электрическое сопротивление под действием электромагнитного излучения раз¬личных длин волн (от инфракрасной области спектра до рентге¬новских и гамма лучей). Фоторезисторы в рамках данной лекции не рассматриваются.

Классификация резисторов По характеру изменения сопротивления все резисторы подразделяются на постоянные и переменные. Переменные делятся на подстроечные и регулировочные По материалу токонесущей части • проволочные; • непроволочные, которые в свою очередь, делятся на проводниковые и полупроводниковые; • металлофольговые с резистивным элементом из фольги определенной конфигурации, нанесенной на изолированное основание. По назначению • резисторы общего назначения • прецизионные резисторы; • высокочастотные и импульсные резисторы; • высоковольтные резисторы; • высокомегомные резисторы; • переменные (подстроечные и регулировочные) резисторы.

По способу защиты резистивного элемента • • • неизолированные; изолированные (лакированные); компаундированные; опрессованные пластмассой; герметизированные; вакуумированные. Параметры резисторов Номинальное сопротивление резистора - электрическое сопротивление RНОМ при температуре 20°C (293 K), значение которого обозначено на резисторе или указано в нормативной документации и которое является исходным для отсчета отклонений от этого значения. Диапазон номинальных сопротивлений установлен для резисторов: • постоянных от долей ома до единиц тераом; • переменных проволочных от 0, 47 Ом до 1 МОм: • переменных непроволочных от 1 Ом до 10 МОм.

Ряды номинальных сопротивлений Е 3, Е 6, E 12, Е 24, Е 48, Е 96, Е 192 Ряды Е представляют собой геометрическую прогрессию со знаменателем q n, равным: для ряда Е 6 ; для Е 12 ; для Е 24 ; для Е 48 ; для Е 96 ; для Е 192. Таблица Ряды номинальных величин сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов общего применения Индекс ряда Е 6 Е 12 Е 24 Номинальные значения (единицы, десятки, сотни Ом, кило. Ом, мега. Ом, гига. Ом, пикофарад, микрофарад, фарад) 1, 0 1, 2 1, 0 1, 1 1, 2 1, 3 1, 5 1, 8 1, 5 1, 6 1, 8 2, 0 2, 2 2, 7 2, 2 2, 4 2, 7 3, 0 3. 3 3, 9 3, 3 3, 6 3, 9 4. 3 4. 7 4, 7 5, 6 4, 7 5, 1 5, 6 6, 2 6, 8 8. 2 6, 8 7. 5 8, 2 9, 1 Допустимое отклонение от номинальных значений, % 20 10 5 5

Стандартные допуски постоянных резисторов Постоянные резисторы, обычно используемые в измерительной аппаратуре, имеют допуски ± 0, 01%; ± 0, 02%; ± 0, 05%; 0, 1%; ± 0, 2%; ± 0, 5%; ± 1%; ± 2%, ± 5%, ± 10%, ± 20%, ± 30%. Таблица Кодированные обозначения допустимых отклонений емкости и сопротивления от номинальных значений Допустимое отклонение, % ± 0, 1 ± 0, 2 ± 0, 5 ± 1 ± 2 ± 5 ± 10 ± 20 Кодированное обозначение Ж У Д Р Л И С В Допустимое отклонение, % ± 30 От +50 до -10 От +50 до -20 От +80 до -20 +100 От +100 до -10 ± 0, 4* Кодированное обозначение Ф Э Б А Я Ю Х