Методична розробка. Питання для самоконтролю

Питання для самоконтролю

1. Чим викликана необхідність розвитку функціональної

мікроелектроніки як нової галузі технічної електроніки?

2. Назвіть основні напрямки розвитку функціональної мікроелектроніки.

3. Які фізичні явища використовуються у функціональної

микроелектроніці?

4. Незважаючи на розмаїтість фізичних явищ, використовуваних

у функціональній мікроелектроніці, застосовувані в цій області

прилади і пристрої мають деякі загальні риси і властивості.

5. Дайте визначення оптоелектроніці як науково технічного

напрямку функціональної мікроелектроніки.

6. Що собою представляє оптоелектронный прилад?

7. Дайте характеристику використовуваним в оптоелектроніці

фотовипромінювачам і фотоприймачам.

8. Як улаштовані і працюють оптрони? Які види оптронов відомі?

9. Чим забезпечуються надійність узгодження, перешкодостійкість

і широкополосність оптоелектронних ланцюгів?

10.Які функції виконують оптоелектронні прилади?

11.Як працює лінія оптичного зв'язку?

12.Розповісти про пристрій і призначення світловодів.

13.Як працює електроакустичний підсилювач?

14.Вкажіть основні властивості тонких магнітних плівок. Чим

пояснити принципову можливість застосування технічних засобів магніто- електроніки в обчислювальній техніці?

15.Які температури вважаються криогенними?

16.Как працює криотрон?

17.Що вивчає хемотроніка?

18.Чим займається біоелектроніка яак галузь науки і техніки?

1..Література для самовтійної роботи:

1. А. К. Криштафович. В. В. Трифонюк Основи прпомишленой електроники М.: Висшая школа, 1985.

2. Б. С. Тершунский Справочник по основам электроной техники. К.: Вища школа, 1975.

3. Забродин Ю.С.Промышленая електроника. -М.:Высшая школа, 1982.

4. Криштафович А.К.. Трифонюк В.В, Основи промышленной електор-оники. -М.: Высшая школа, 1985.

5. Б.С. Гершунский. Основы электроники и микроэлектроники. - К., Высшая школа 1989.

6. Колонтаєвський Ю., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемотехніка: Підручник/За редакцією А.Г.Соскова- К: Каравела,2007.-384с.

ФУНКЦІОНАЛЬНА МІКРОЕЛЕКТРОНІКА

Функціональна мікроелектроніка дозволяє реалізувати функцію електронного пристрою шляхом використання фізичних явищ у твердому тілі. Для переробки інформації у функціональних пристроях використовуються фізичні явища, не зв'язані обов'язково з електропровідністю, наприклад оптичні і магнітні явища, поширення ультразвуку.

Напрямки функціональної мікроелектроніки: оптоелектроніа, акустоэлектроніка, магнітоэлектроніка, кріоэлектроніка, хемотропіка, діелектрична електроніка і біоэлектроніка.

1 Оптоелектроніка

Оптоелектроніка — один з найбільш розвинутих напрямків у функціональній мікроелектроніці, оскільки оптичні і фотоелектричні явища досить добре вивчені, а технічні засоби, засновані на цих явищах, тривалий час використовуються в електроніці (фотоелементи, фотоелектронні множники, фото діоди, фото транзистори й ін.).

Оптоелектроніка основана на електронно-оптичному принципі одержання, передачі, обробки і збереження інформації, носієм якої є електричний нейтральний фотон. Сполучення в фотоелектронних функціональних пристроях двох способів обробки і передачі інформації — оптичного й електричного — дозволяє досягати величезної швидкодії, високої щільності розміщення збереженої інформації, створення високоефективних засобів відображення інформації. Перевагою елементів оптоелектроніки є те, що вони оптично зв'язані, а електрично ізольованні між собою.

Малюнок. 1. – Структурна схема однієї спрямованості

Основним елементом оптоелектроніки, є оптрон. Найпростіший оптрон являє собою чотириполюсник (мал. 1), що складається з трьох елементів: джерела випромінювання (фото випромінювача) 1, світовода 2 і приймачі випромінювання (фотоприймача) 3.

Сполучення фотовипромінювача і фотоприймача в оптроні одержало назву оптоэлектронної пари. Світлодіоди, виконані на основі арсени-да галію, фосфіду галію, фосфіду кремнію, карбіду кремнію. Можливості оптрона визначаються характеристиками фотоприймача, цей елемент і дає назва оптрона в цілому. До основних різновидів оптронів відносяться: резисторні (фотоприймачем служить фоторезистор); діодні (фотоприймач — фотодіод); транзисторні (фотоприймач-фототранзистор) і тиристорні (фотоприймач — фототиристор).

Малюнок 2. – Схематичне зображення оптронів: а-резисторного; в- транзисторного; г-тиристорного

На мал.3 приведені деякі найпростіші схеми, що дозволяють реалізувати специфічні властивості цих приладів. Наприклад, резисторний оптрон,, може бути використаний у якості керованого резистивного дільника напруги. Під впливом керуючого вхідної напруги (U_вх) змінюється прямий струм світлодіода і його випромінювання.

Відповідно змінюється опір фоторезистора, а отже, і розподіл напруги джерела Е₂ на фоторезисторі і вихідному резисторі R₂.

Подібний керований резистор може бути використаний у різних електронних схемах, наприклад, для дистанційного керування коефіцієнтом підсилення в підсилювача.

На мал.3, б показана схема включення діодного оптрона. Ця схема може працювати в ключовому (імпульсному) режимі і при цьому створювати на виході імпульсну напругу, що перевищує по своїй амплітуді рівень керуючих вхідних імпульсів. Напруга на виході, залежить від струму фотодіода. Величина струму фотодіода, керується світловим потоком світлодіода, що змінюється за законом зміни імпульсного вхідного сигналу. При цьому амплітуда вхідних імпульсів, що впливають на світлодіод, може бути значно менше, ніж напруга U_{в х} .

Малюнок 3.– Застосування оптронів:

а — як керовані резистори; б — у ключових схемах.

2 Акустоелектроніка

Акустоелектроніка — це напрямок функціональної мікроелектроніки, оснований на використанні п'єзоелектричного ефекту. Акусто-електроніка займається перетворенням акустичних сигналів в електричні й електричних в акустичні.

На мал.4, а показана структура елементарного осередку кварцу, що складатьсяє з трьох молекул SiО₂. При відсутності деформації центр ваги позитивних і негативних іонів збігається (плюсом відзначені іони кремнію, мінусом — кисню). Стиск кристала у вертикальному напрямку (мал. 4, б) приводить до зсуву позитивних іонів вниз, а негативних нагору. Відповідно, на зовнішніх електродах з'являється різниця потенціалів. Це явище називають прямим п'єзоелектричним ефектом. Існує і зворотний пезоефект, коли під дією прикладеної напруги й у залежності від її полярності пезокристалл (кварц, сегнетова сіль, турмалін і ін.) поляризується і змінює свої геометричні розміри. Якщо ж до пезокристаллу прикласти перемінну напруга, то в ньому збуджуються механічні коливання визначеної частоти, що залежать від розмірів кристалу.

Малюнок.4- Виникнення пьезо-э. д с. при стиску елементарного осередку кварцу

Одним з основних приладів акустоэлектроники є электроакустичний підсилювач (ЄАУ). На мал.5 показана схема такого підсилювача на об'ємних хвилях.

На торцях напівпровідникового звукопровода (3) розташовані п'єзоелектричні напівпровідникові перетворювачі (П), що за допомогою омічних контактів (ДО) приєднані з однієї сторони до звукопроводу, а з іншого боку — до вхідних і вихідних клем. При подачі на вхід перемінної напруги у вхідному п’єзоперетворювачі збуджується акустична хвиля, що поширюється по звукопроводу. Взаємодія хвилі з рухаючимися в тім же напрямку по напівпровідниковому звукопроводу електронами забезпечує її підсилення.

Малюнок 5-Структура электроакустичного підсилювача на об'ємних хвилях: П — п'єзоелектричні напівпровідникові перетворювачі;3- напівпровідниковий звуковід; ДО — омічні контакти

Для пояснення цього явища розглянемо мал.6. Припустимо, що в звукопровод вводиться гармонійна поздовжня акустична хвиля, що рухається зі швидкістю V в. Тиск Р в кристалі при цьому від крапки до крапки міняється. У тих місцях, де кристал стискується (Р>0), п’єзо-ерс. (Ев) сповільнює рух електронів, а в тих місцях, де розтягується,— прискорює. У результаті цього на початку кожного періоду хвилі утворяться згустки електронів. При Vе > Vв згустки рухаються в гальмуючих ділянках хвилі і передають їй свою енергію, чим і забезпечується посилення. Подібні акустоєлектронні підсилювачі можуть давати вихідну потужність сигналу порядку декількох ватів, маючи смугу пропускання до 300 Мгц. Їхній обсяг (у мікроелектронному виконанні) не перевищує 1 дм³.

Малюнок 6.- Взаємодія потоку електронів і акустичної хвилі

Основним недоліком об'ємних ЄАУ є порівняно велика потужність, що розсіюється в звукопроводі.

Акустоэлектронні пристрої є дуже перспективними особливо для широкополосних схем і схем надвисокочастотного (СВЧ) діапазону.

3 Магнетоелектроніка

Магнетоелектроніка зв'язана е використанням властивостей тонких, магнітних плівок. Застосування магнітних матеріалів як носіїв інформації основане на тім, що вони володіють двома стійкими станами, що відповідають двом граничним ділянкам циклу перемагнічування — магнітному насиченню і розмагнічуванню. Як магнітні матеріали використовуються феритові сердечники, тонкоплівкові магніти елементи. Для магнітних плівок електричні властивості зв'язані з гальваномагнітними ефектами, основаними на взаємодії носіїв струму з магнітним полем у плівці.

Для мікроелектроніки й обчислювальної техніки найчастіше використовуються тонкі.плівки пермалої (сплав нікелю і заліза з невеликими добавками міді, хрому і молібдену). Такі плівки забезпечують високу швидкодю, інформаційні ємності в обмеженому обсязі з малими енергетичними витратами на керування і збереження інформації.

На мал. 7 показана схема побудови матриці пам'яті на тонких магнітних плівках.

Малюнок 7. Схема побудови матриці пам'яті.на тонких; магнітних

плівках:

1-плівка;2-підкладка: 3-підшар міді; 4 — діелектрична ллівка;

5 - сигнально-розрядні шини; 6-числові шини; 7 — поліамідна плівка

На скляній підкладці 2 спочатку формується мідна плівка 8, на яку потім методом випаровування у вакуумі наноситься пермалоєву магнітна плівку товщиною порядку 0,01 мкм. Далі на основі поліамідної плівки 7, фольгованої із двох сторін у процесі стандартної фотолітографії, формують перпендикулярно розташовані друг до друга числові і сигнально-розрядні шини. Отримана керуюча матриця провідників накладається на скляну пластинку з пермалоєвою плівкою. Якщо тепер по числовий і сигнальнорозряджений шинам пропустити струмові імпульси, то вони при своєму збігу на перехрестку шин перемагнітять ділянку плівки. Під перехрестям шин з'явиться таким чином зорієнтований домен. Це локальне положення намагніченості можна прийняти за одиницю. Магнітостатичні характеристики магнітної плівки забезпечують стабільне положення сформованого домена і тривале збереження записаної інформації. Для того щоб така ситуація була виявлена, у числову шину подається перемінний струм частотою 10 МГц, що розгойдує домен з такою же частотою щодо сигнально-розрядної шини на кут менш ^;90°. В результаті складова повного магнітного потоку домена змінюється по абсолютній величині між максимальним значенням і нулем з частотою, удвічі більшою, ніж частота струму в числовій шині. При цьому виникає вихідний сигнал, що знімається із сигнально-розрядної шини. 'Подані в момент відтворення в числову шину імпульси струму частотою 10 МГц викликають появу вихідного сигналу в сигнально-розрядній шині з частотою 20 Мгц. При відтворенні обидва сигнали (відтворений і опорний) знаходяться у фазі і вихідна різницева напруга, поступаюча на підсилювач, практично дорівнює нулю. Якщо ж відтворюється «1», то корисний сигнал виявляється зрушеним по фазі щодо опорного на 180° і амплітуда вихідного сигналу буде подвоюватися. Це дозволяє чітко розрізнити нульовий рівень сигналу від одиничного і надійно представити відтворену інформацію в двоїчному коді.

На тонких магнітних плівках можуть бути виконані не тільки елементи пам'яті ЕОМ, але також логічні мікросхеми, магнітні підсилювачі й інші пристрої.

4 Криоелектроніка

Криогенна^: електроніка, чи криоелектроніка, — одна з нових і перспективних галузей науки. Досліджує явища, що відбуваються у твердому тілі при низьких температурах, і практичне застосування отриманих результатів у різних галузях радіоелектроніки,

До криогенних температур відносять температури в межах 20...0 К. Опір будь-якого металу при пониженні температури падає. У деяких металах і сплавах: при температурі близько 20 К і нижче опір падає до нуля. Такі матеріали називаються надпровідниками. В даний час надпровідність удалося знайти приблизно в двадцяти елементів (зокрема, свинцю, ртуті, алюмінію, телуру), багатьох металевих сплавів (сплави свинцю з золотом), а також в інших з'єднань, що містять неметали (сульфіду, міді, карбіду, молібдену й ін.). Якщо в кільце зі зверхпровідного матеріалу ввести струм, то він буде присутній у ньому дуже довго (протягом багатьох місяців і навіть років). Це пояснюється тим, що електрони проходять через матеріал, що знаходиться у зверхпровідному стані, без втрат енергії. Відомо також, що надпровідник характеризується нульовою магнітною індукцією. Якщо матеріал стає зверхпровідним, то він як би виштовхує будь-яке наведене в ньому магнітне поле, а повний магнітний потік, що охоплює зверхпровідну ціль, змінитися не може. Використання низьких температур дозволяє домогтися кінетичної упорядкованості (упорядкованості руху) носіїв заряду, звести до мінімуму теплову хаотичність коливальних рухів атомів у кристалічних ґратах твердого тіла, тобто в значній мірі зменшити рівень флуктуаційних власних шумів відповідних приладів. Тим самим використання криогенних температур дозволило значно поліпшити технічні і економічні параметри електронних пристроїв, у тому числі й в обчислювальній техніці

5 Хемотроніка

Хемотроніка як новий науково-технічний напрямок виникло на стику електрохімії й електроніки. Це наука про побудову різноманітних електрохімічних приладів на основі явища, зв'язаних із проходженням струму в рідких тілах з іонною провідністю.

Дослідження показали, що рідинні системи мають ряд важливих переваг перед системами на основі твердих тіл. До основних переваг рідинних (електролітичних) приладів варто віднести: низькі робочі напруги (до 1 В) і малі струми (мікроампери), що дозволяє створювати дуже економічні прилади; поява нелінійності характеристик при малих прикладених напругах (0,05...0,005 В), що дозволяє досягти високої чутливості нелінійних перетворювачів; протікання фізико-хімічних процесів у тонкому шарі (одиниці мікрометрів), що дає можливість створювати мікромініатюрні елементи схем. Разом з тим варто враховувати, що невелика рухливість (порядку

5 • 10 ~⁴ М²/(В • с)) значно обмежує зверх робочий частотний діапазон цих приладів (/ «0...1 Кгц).

В даний час запропоновано велике число різних хемотронних приладів і пристроїв: керовані опори, крапкові і площинні електрохімічні діоди і транзистори, інтегратори, блоки пам'яті ЕОМ, каскади посилення постійного струму й ін. Спільність механізму роботи хемотронних приладів і електрохімічних механізмів сприйняття, перетворення і збереження інформації в складних системах живих організмів (у тому числі й у нейронах людського мозку) дозволяє розраховувати на створення в майбутньому на рідинній основі біоперетворювачів інформації — своєрідних моделей людського інтелекту.

З різноманітних технічних засобів хемотроніки найбільший інтерес представляють керовані опори і запам'ятовуючі пристрої.

Принцип дії хемотронної комірки пам'яті ілюструє мал. 8.

Малюнок 8. Хемотронна комірка пам'яті:I — пластинчасті електроди з золота чи платини; 2 — епоксидне ізолююче покрття; 3 — міжелектродний зазор; 4 — мідний електрод

У герметичному пластмасовому корпусі розташовані два пластинчастих електроди 1 з золота чи платини. Електроди з внутрішньої сторони ізольовані епоксидним покриттям 2, за винятком вузького зазору 3, ширина якого не повинна перевищувати 0,1 мм. На протилежній стінці осередку напроти зазору розташований мідний електрод 4. Відстань між цим електродом і пластинчастими електродами 1 складає приблизно 0,5 мм. Опір між електродами /залежить від наявності розчину електроліту в зазорі 3. Якщо зазор заповнений розчином, то цей опір великий. При подачі на електроди 1 напруги, негативного щодо електрода 4, останній починає розчинятися, і в зазорі 3 відбувається відкладення міді. Через якийсь час (час запису) зазор між електродами / буде замкнутий обложеною міддю й опір між ними різко знизиться через високу провідність міді. Якщо ж на електроди / подати позитивну напругу, щодо електрода 4, то відкладена в зазорі мідь розчиняється й осередок повертається в колишній стан. Таким чином, осередок має два стійких стани, що дозволяють записувати інформацію в двійковому коді.

6 Біоелектроніка

Це напрямок функціональної мікроелектроніки знаходиться в стадії становлення, однак він є одним з найбільш цікавих і перспективних. Біоелектроніка виникла як одна з відгалужень більш загальної науки — біоніки, що досліджує специфічні явища, що відбуваються в живих організмах, і використовующихся в ціх явища в різноманітних науково-технічних цілях.

Сучасна біоелектроніка охоплює проблеми вивчення нервової системи людини, тварин, а також моделювання нервових кліток (нейронів і нейронних мереж) для подальшого удосконалення електронних приладів і пристроїв, особливо в області електронної обчислювальної техніки.

Майже для всіх біологічних видів нервова система являє собою мережу нейронів. Будова і функціонування окремого нейрона показане на мал. 8

Малюнок.8 Схематичне зображенняа нейрона (1 — катод; 2 — керуючий електрод; 3 — анод); I — девдрити; 2 — тіло нейрона (сома); 3 — аксон.  

Нейрон складається з тіла клітки (соми) і має один чи кілька вхідних відростків (дендритів), а також вихідних відростків (аксонів). Місце переходу аксона одного нейрона в дендрит іншого називається синапсом. Тіло клітки — це місце збору інформації нейроном, тому на ньому згруповані сотні і тисячі синаптичних закінчень. У незбудженому стані плазма нейрона має деякий потенціал щодо навколишнього середовища. Величина його може коливатися в ту чи іншу сторону, тобто можливий процес адаптації — пристосування до зовнішніх умов. У тілі клітки відбувається просторове і тимчасове підсумовування сигналів, що надходять від інших нейронів. Дендрити збирають інформацію синапсів, що на них закічуютья і передають сумарний сигнал у сому. При досягненні сумарним сигналом деякого граничного значення в сомі виробляється імпульс, що надходить в аксон, поширюється в ньому, а потім розгалужується в численні синапси, направляючись до інших нейронів.

Нервові клітки володіють величезними логічними можливостями, обумовленими великою кількістю входів, виходів, зворотних зв'язків, що змінюють свою структуру по визначеним, поки ще не вивченим законам. Жодна зі штучно створених моделей нейронів не відтворює в даний час навіть у грубому наближенні тих логічних можливостей, що маються в реальній нервовій клітці.

Найважливішими інформаційними властивостями, якими повинні володіти моделі нейронів, є: генерування імпульсу при порушенні; наявності порога збудливості; просторове і тимчасове підсумовування вхідних сигналів; велика кількість входів і один вихід; пам'ять. Існуючі моделі нейронів різної складності, виконані на транзисторах, тунельних діодах, логічних мікросхемах — це тільки перший крок на шляху створення штучного мозку.

№9

Навчальна дисципліна Основи промислової електроніки та МПТ

Спеціальність Монтаж і експлуатація електроустаткування підприємств іцивільних споруд

для позааудиторної самостійної роботи

До теми: Попередні каскади підсилення

1. Навчальна мета: Ознайомитись з роботою однокаскадних підсилювачів на біполярних транзисторах.

2. Студент повинен знати:

-призначення і класифікацію підсилювальних пристроїв

- вхідний і вихідний опори підсилювача, коефіцієнт підсилення по напрузі, по струму, по потужності; амплітудно - частотну характеристику - залежність K=f(F) і частотні викривлення; амплітудну характеристику, динамічний діапазон, нелінійні викривлення, коефіцієнт корисної дії.

-режими роботи підсилювального каскаду (класи А, В і АВ);

-зворотній зв'язок (33) у підсилювачах (2, с, 96) зустрічається в практичних

1. Студент повинен вміти:

-розраховувати параметри підсилювачів;

- досліджувати характеристики підсилювачів.

4 Базові знання, необхідні для засвоєння теми:

Дисципліни	Знати
1.ТОЕ 2.Математика	Основи теорії електичних кіл Інтегрування.Диференіювання.

5 Орієнтовна карта роботи з літературою:

№	Навчальні завдання	Вказівки до завдання
1.     2.     3.     4.	Опрацювати матеріал за літературою та підготувати конспект за поданою літературою і переліком запитань з теми   Однокаскадні підсилювачі на біполярних транзисторах. Коло зміщення. Температурна стабілізація режимів роботи.   Підсилювальний каскад за схемою з загальним емітером. Графічний аналіз його роботи.	Л1, с. 87...101, 104...120, 131.,.137); Л2. с. 86...111. 116...118, 127...129); ЛЗ, с. 91...118), Л6. с. 269)   Л2, с. 86, Л2, с. 9   1Л, с. 93 і Л3, с. 9, Л2, с. 103, мал. 4.12а.     Л2, с. 104, мал. 4.13а, а на мал. 2.17, с. 41

6 Методичні вказівки з вивчення.

Призначення і класифікацію підсилювальних пристроїв вивчіть по [2, с. 86], 6[ ] і далі в цих же книгах розберіть: вхідний і вихідний опори підсилювача, коефіцієнт підсилення по напрузі, по струму, по потужності; амплітудно - частотну характеристику - залежність K=f(F) і частотні викривлення; амплітудну характеристику, динамічний діапазон, нелінійні викривлення, коефіцієнт корисної дії.

Зверніть увагу на режими роботи підсилювального каскаду (класи А, В і АВ); текст у (2, с. 9), малюнок у [2, с. 41, мал. 2.1]. Аналогічні зображення є в (1, с. 93 і 3, с. 9).

Зворотній зв'язок (33) у підсилювачах (2, с, 96) зустрічається в практичних схемах дуже часто, тому зверніть увагу на його вивчення; необхідно знати призначення 33, розрізняти послідовний і паралельний 33 по струму і по напрузі, коефіцієнт підсилення при 33, розглянути структурні схеми в (2, с. 96.97).

Однокаскадні підсилювачі на біполярних транзисторах, коло заміщення і температурна стабілізація викладені в (2, с. 100...103); зверніть увагу на мал. 4. 10а (2) і утворення в даній схемі зміщення фіксованим струмом бази; схема 4.106 (2) - з фіксованою напругою база - емітер.

Температурну колекторну стабілізацію розгляньте в схемі (2, с. 103, мал. 4.12а).

Схема з емітерною температурною стабілізацією (мал. 4.126 (2)) є підсилювачем з негативним 33 по струму.

Підсилювальний каскад за схемою з загальним емітером (ЗЕ) вивчіть по (2, с. 104, мал. 4.13а), а на мал. 2.17, с. 41 [2] даний його графічний аналіз, за результатами якого визначають опори, струми і напруги.

Підсилювальний каскад з емітерним навантаженням вивчіть по (2, с. 106, мал. 4 14); усвідомте збільшення вхідного опору в даній схемі, особливості і застосування.

Підсилювальні каскади на польових транзисторах по схемах із загальним витоком і стоком представлені в (2, с. 109) чи (3,с. 105 і 108). У схемах застосовані польові транзистори з р - n -переходом. Засвойте призначення елементів, режими роботи, ланцюга зміщення і застосування.

Схема двокаскадного підсилювача напруги з резистивно - ємнісним зв'язком на біполярних транзисторах представлена в (2, с. 117, мал.4.23). Необхідно знати призначення елементів, ланцюга зміщення, фізичні процеси в схемах, загальний коефіцієнт підсилення і застосування.

Розберіть структурну схему багатокаскадного підсилювача в (2.c.116) і (І,с. 114, мал. 2.15).

Підсилювачі в інтегральному виконанні викладені в (2.с. 118).

Дата добавления: 2014-01-05