Лекція 1

Загальна характеристика компонентної бази РЕА.

Що ж таке РЕА?

РЕА – це виріб або складові його частини, в основу функціонування яких покладена наука про прийом, перетворення та передачу інформації за допомогою електромагнітних коливань.

Типова структура сучасної РЕА складається з елементної бази, як вихідного елементу і має чотири рівні: від 0 до 3.

’’0’’ рівень – це елементна база, до якої відноситься сукупність різноманітних ЕР елементів, що приймають участь в обробці сигналів. Для створення потрібного ефекту застосовуються певні фізичні явища, відповідно до яких реалізуються основні параметри ЕРЕ.

Наприклад:

· Електропровідність – резистори;

· Електроємність – конденсатори.

і тому подібне.

Всі ЕРЕ можна розбити на два великих класи:

· Пасивні;

· Активні;

Пасивні ЕРЕ засновані на таких фізичних принципах як електричний контакт, взаємодія електричного та магнітного полів, напруга та електричний заряд.

До пасивних відносять котушки індуктивності, конденсатори, резистори, транзистори і тому подібне.

Елементною базою вважають також пристрої, складаються з окремих ЕРЕ, наприклад: LC-фільтри, електромеханічні елементи (з’єднувачі, перемикачі, реле).

Активні ЕРЕ за своєю фізичною суттю відрізняються від пасивних. Їх принцип дії заснований на складних фізичних процесах, що проходять в напівпровідниках та вакуумі (підсилення, перетворення сигналу).

До них можна віднести:

· Напівпровідникові та електровакуумні прилади, які ви докладно розглянете в першій частині курсу;

· Інтегральні мікросхеми;

· Пристрої функціональної електроніки.

Інтегральна мікросхема – це виріб, який виконує певну функцію обробки сигналу і має високу щільність розміщення нероздільно виконаних і електрично-з’єднаних елементів або компонентів та кристалів, яких з точки зору вимог до випробувань, постачання та експлуатацію розглядається як неподільний.

Під елементом мікросхеми розуміють частину ІС, яка виконую функцію ЕРЕ і не може бути виділена як самостійний виріб.

Компонент ІС – це частина ІС, яка може бути виділена як самостійний виріб (безкорпусні, VI, VD, C, L та інші).

Основною особливістю ІС, як до речі і напівпровідникових приладів, є наявність кристалу напівпровідникового матеріалу з великою кількістю створених на його поверхні шару статичних неоднорідностей (р-н переходів).

Для оцінки складності ІС використовують показник – ступінь інтеграції.

,

Де N- кількість елементів та простих компонентів в ІС.

Діляться на:

· Малі ІС – К=10²

· Середні ІС – К=10³

· Великі ІС – К=10⁴

· Надвеликі ІС – К=10⁶

· Ультравеликі ІС – К>10⁹.

Пристрої функціональної електроніки – це пристрої, в яких використовується сукупність різних фізичних явищ у твердих тілах, рідинах та газах для формування. Збереження та обробки сигналів.

До пристроїв ФЕ відносяться:

· Акустоелектронні (на об’ємних та поверхневих акустичних хвилях);

· Магнітоелектронні (використовують переміщення магнітних доменів в різних твердих тілах);

· Кріоелектронні (робота при наднизьких температурах);

· Біоелектронні (для роботи з клітинами).

’’1’’ рівень. Елементна база це добре, але вона ще не РЕА. Конструкція РЕА починається з функціонального вузла.

Існують три різновиди функціональних вузлів:

· Друкований вузол;

· Мікрозбірка;

· Гібридно-інтегральний вузол.

Основою друкованого вузла є друкована плата, виконана в вигляді ізоляційної основи з нанесенням на неї друкованими провідниками та (якщо вони є) друкованими радіоелементами.

Друкована плата виконана з фольгірованого міддю гетинаксу, склотекстоліту чи фторохлору. Характерною особливістю друкованого провідника є те, що його ширина (0,15..1мм) значно перевищує його товщину (30 або 50 мкм).

Друковані плати поділяються на:

· Односторонні;

· Двосторонні.

А багатошарові можуть мати до 12 друкованих шарів з необхідними між ними з’єднаннями.

Для того, щоб до друкованого елементу під’єднати об’ємний провідник або вивід ЕРЕ на платі роблять контактну площину в висоті ділянки збільшеної ширини. В зоні контактної площини може знаходитися отвір, в який вставляють провідник чи вивід ЕРЕ.

Монтажний отвір може мати металізовані стінки, в цьому випадку метал, нанесений на циліндричну поверхню отвору, повинен бути з’єднаний з контактною площиною по всьому периметру, забезпечуючи гарний електричний контакт.

Металізовані отвори використовуються також для з’єднання провідників, які знаходяться в різних шарах багатошарової плати.

Мікрозбірки - це мікроелектронний виріб, який виконує визначену функцію і складається з елементів, компонентів і (або) ІМС та інших електрорадіоелементів.

Гібридно-інтегральний модуль - безкорпусна мікрозбірка.

’’2’’ рівень. До нього відносяться блоки, та їх різновиди – мікроблоки.

Блок – частина РЕА, що виконує складну функцію обробки сигналу і складається з декількох модулів 1-го рівня та має лицьову панель.

Мікроблок відрізняється тим, що складається з декількох гібридно-інтегральних модулів та ЕРЕ, виконаних на каркасній основі.

’’3’’ рівень - це закінчена РЕА у вигляді шафи, пульта, приладу, виконує покладені на неї закінчені функції по обробці інформації.

За елементною базою та структурою конструкції розрізняють п’ять поколінь РЕА:

1-е покоління – апаратура, виконана на радіоланках з навісними ЕРЕ об’ємним просторовим монтажем.

Недоліки:

· Великі габарити та вага;

· Високе тепловиділення;

· Низька надійність;

· Неможливість автоматизації конструювання та виробництва.

2-е покоління – це апаратура, виконана на електронних лампах та транзисторах з навісними малогабаритними елементами та з використанням друкованих плат, на яких елементи із сумірною висотою розміщувалися на поверхні (планарна конструкція).

Це дозволило:

· Забезпечити уніфікацію та автоматизацію процесів проектування та виробництва;

· Заміна повністю або в основному ламп дала можливість покращити малогабаритні показники, збільшити надійність, зменшити споживну потужність та спростити систему живлення.

Характерним для РЕА-2 є різноманітність форм і криволінійність більшості ЕРЕ.

3-є покоління – характеризується планарним розміщенням, прямокутністю форм корпусів елементі, введенням координатної сітки прив’язаної до друкованої плати.

Апаратура виконана на основі корпусних ІС, багатошарових друкованих плат, приборів функціональної електроніки. Використання навісних ЕРЕ в поєднанні з ІС дає можливість реалізувати переваги останніх.

Характерною особливістю РЕА-3 є:

· Чітка орієнтація ІС та мікрозбірок з прив’язкою їх виодів до місць перетину координатної сітки друкованих плат;

· Поділ апаратури на зони однотипних елементів, що дає можливість автоматизувати розробку та виготовлення;

Поділ монтажного об’єму на зони характерний не тільки для вузлів, але й для РЕА більш високого рівня.

4-е покоління – характеризується більш високою надійністю та малогабаритними розмірами, завдяки використанню ВІС та мікрозбірок підвищеного ступеня інтеграції. ВІС (більше 1000 елементів та компонентів) друкують в одній ІС для реалізації блока та цілої системи. В зв’язку з цим ВІС не мають такої широкої універсальності як ІС низького та середнього ступенів інтеграції і тому використовуються для апаратури конкретних типів.

5-е покоління – це апаратура виконана на основі НВІС, надшвидкодіючих гібридних інтегральних модулів та волокно-оптичних з’єднувальних кабелів.

Апаратура 3,4 та 5 поколінь називається мікроелектронною. Ускладнення функцій виконуваних функцій веде до:

· Збільшення маси та габаритів;

· Збільшення споживчої потужності;

· Збільшення витрат.

З точки зору ергономіки, матеріалоякості та фізичних обмежень об’ємів виділених для РЕА необхідно мініатюризувати апаратуру.

Мініатюризація – це напрям конструювання РЕА значно менших розмірів та маси в порівняння з відомими. Особливо актуально проблема настає при розробці бортової та морської РЕА, а також рухомої та носимої наземної апаратури.

Якісний стрибок – перехід до мініатюризації, тобто до розробки конструкцій, в яких елементи як самостйні дискретні вироби для складання – не існують.

МЕА стає компактною, витрати матеріалів зменшуються в сотні разів, з’являється можливість розміщувати обмежених об’ємах складні комплекси порівняно невеликої маси та енергоспоживання.

Найкращих результатів в мініатюризації дозволяє отримати комплексна мініатюризація, при якій всі елементи комплексу мають сумірні значення малогабаритних показників. Найпростіша комплексна мікромініатюризація реалізується для цифрової РЕА.

З ростом ступеня інтеграції, коли на кристалі можна реалізувати цілі функціонально завершені систем, традиційні методи технічного проектування уже не відповідають рівню поставлених завдань, як я казав, апаратура, що використовує ВІС та НВІС вузькоспеціалізована.

Однак останнім часом з’явилися і достатньо широко починають впроваджуватися програмовані інтегральні мікросхеми (ПЛІС).

На сучасному етапі розвитку РЕА, ПЛІС системи на одному кристал, які з’явилися років десять тому назад, стали базовою платформою для більшості сучасних вбудованих систем супер ПЕОМ, які останнім часом починають впроваджуватися в обчислювальні системи загального призначення.

ПЛІС на одному кристалі об’єднують цифрові, аналогові, змішані та радіочастотні вузли.

Типова схема складається з:

· Одного або декількох процесорів, які обробляють сигнал, та програмують стандартні вузли системи за заданою програмою у відповідну систему;

· Блоків пам’яті: ПЗУ, ОЗУ;

· Системи синхронізації;

· Периферійних процесорів (таймерів, годинників, систем ввімкнення живлення);

· Зовнішніх цифрових інтерфейсів (USB та інші);

· АЦП та ЦАП;

Переваги ПЛІС:

· Висока продуктивність;

· Малі розміри;

· Висока надійність;

· Нижча ціна пристрою;

Недоліки:

· Достатньо складна система створення заданої мікросхеми;

· Перехід забезпечення еталонної програмної моделі в програмно-апаратну реалізацію.

Для цього існує програмне забезпечення та мови програмування Handel, C, System C.

Дата добавления: 2014-01-05