Введение в электронику.
Микросхемы

Серия статей известного автора множества радиолюбительских публикаций  Дригалкина В.В.  для начинающих радиолюбителей

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “Радиолюбитель“

Микросхемы

Микросхема (ИС – Интегральная Схема, ИМС – Интегральная Микросхема, чип или микрочип от английского Chip, Microchip) представляет собой целое устройство, содержащее в себе транзисторы, диоды, резисторы и другие, активные и пассивные элементы, общее число которых может достигать нескольких десятков, сотен, тысяч, десятков тысяч и более. Разновидностей микросхем достаточно много. Наиболее применяемые среди них – логические, операционные усилители, специализированные.

Большая часть микросхем помещена в пластмассовый корпус прямоугольной формы с гибкими пластинчатыми выводами (см. Рис. 1), расположенными вдоль обеих сторон корпуса. Сверху на корпусе есть условный ключ — круглая или иной формы метка, от которой ведется нумерация выводов. Если на микросхему смотреть сверху, то отсчитывать выводы нужно против движения часовой стрелки, а если снизу — то в направлении движения часовой стрелки. Микросхемы могут иметь любое количество выводов.

В отечественной электронике (впрочем, в зарубежной тоже) особой популярностью среди микросхем пользуются логические, построенные на основе биполярных транзисторов и резисторов. Их еще называют ТТЛ-микросхемами (ТТЛ – Транзисторно-Транзисторная Логика). Название транзисторно-транзисторный возникло из-за того, что транзисторы используются как для выполнения логических функций, так и для усиления выходного сигнала. Весь их принцип работы построен на двух условных уровнях: низком или высоком или, что эквивалентно, состоянию логического 0 или логической 1. Так, для микросхем серии К155 за низкий уровень , соответствующий логическому 0, приняты напряжения от 0 до 0,4. В, то есть не более 0,4 В, а за высокий, соответствующий логической 1, – не менее 2,4 В и не более напряжения источника питания – 5 В, а для микросхем серии К176, рассчитанных на питание от источника, напряжением 9 В, соответственно 0,02. ..0,05 и 8,6. ..8,8 В.

Маркировка зарубежных ТТЛ-микросхем начинается с цифр 74, например 7400. Условные графические обозначения основных элементов логических микросхем показаны на Рис. 2. Там же приведены таблицы истинности, дающие представление о логике действия этих элементов.

Символом логического элемента И служит знак “&” (союз “и” в английском языке) , стоящий внутри прямоугольника (см. Рис.2). Слева — два (или больше) входных вывода, справа — один выходной вывод. Логика действия этого элемента такова: напряжение высокого уровня на выходе появится лишь тогда, когда сигналы такого же уровня будут на всех его входах. Такой же вывод можно сделать, глядя на таблицу истинности, характеризующую электрическое состояние элемента И и логическую связь между его выходным и входными сигналами. Так, например, чтобы на выходе (Вых.) элемента было напряжение высокого уровня, что соответствует единичному (1) состоянию элемента, на обоих входах (Вх. 1 и Вх. 2) должны быть напряжения такого же уровня. Во всех других случаях элемент будет в нулевом (0) состоянии, то есть на его выходе будет действовать напряжение низкого уровня.
Условный символ логического элемента ИЛИ — цифра 1 в прямоугольнике. У него, как и у элемента И, может быть два и больше входов. Сигнал на выходе, соответствующий высокому уровню (логической 1) , появляется при подаче сигнала такого же уровня на вход 1 или на вход 2 или одновременно на все входы. Проверьте эти логические взаимосвязи выходного и входного сигналов этого элемента по его таблице истинности.
Условный символ элемента НЕ — тоже цифра 1 внутри прямоугольника. Но у него один вход и один выход. Небольшой кружок, которым начинается линия связи выходного сигнала, символизирует логическое отрицание “НЕ” на выходе элемента. На языке цифровой техники “НЕ” означает, что элемент НЕ является инвертором, то есть электронным “кирпичиком”, выходной сигнал которого по уровню противоположен входному. Другими словами: пока на его входе присутствует сигнал низкого уровня, на выходе будет сигнал высокого уровня, и наоборот. Об этом говорят и логические уровни в таблице истинности работы этого элемента.
Логический элемент И-НЕ является комбинацией элементов И и НЕ, поэтому на его условном графическом обозначении есть знак “&” и небольшой кружок на линии выходного сигнала, символизирующий логическое отрицание. Выход один, а входов два и больше. Логика работы элемента такова: сигнал высокого уровня на выходе появляется лишь тогда, когда на всех входах будут сигналы низкого уровня. Если хотя бы на одном из входов будет сигнал низкого уровня, на выходе элемента И-НЕ будет сигнал высокого уровня, то есть он будет в единичном состоянии, а если на всех входах будет сигнал высокого уровня — в нулевом состоянии. Элемент И-НЕ может выполнять функцию элемента НЕ, то есть стать инвертором. Для этого надо лишь соединить вместе все его входы. Тогда при подаче на такой объединенный вход сигнала низкого уровня на выходе элемента будет сигнал высокого уровня, и наоборот. Это свойство элемента И-НЕ очень широко используется в цифровой технике.

Обозначение символов логических элементов (знаков “&” или “1”) применяется только в отечественной схемотехнике.

ТТЛ-микросхемы обеспечивают построение самых различных цифровых устройств, работающих на частотах до 80 МГц, однако их существенный недостаток – большая потребляемая мощность.
В ряде случаев, когда не нужно высокое быстродействие, а необходима минимальная потребляемая мощность, применяют КМОП-микросхемы, которые используются полевые транзисторы, а не биполярные. Сокращение КМОП (CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor) расшифровывается как Комплементарный Металло-Оксидный Полупроводник. Основная особенность микросхем КМОП – ничтожное потребление тока в статическом режиме – 0,1…100 мкА. При работе на максимальной рабочей частоте потребляемая мощность увеличивается и приближается к потребляемой мощности наименее мощных микросхем ТТЛ. К КМОП-микросхемам относятся такие известные серии, как К176, К561, КР1561 и 564.

В классе аналоговых микросхем выделяют микросхемы с линейными характеристиками – линейные микросхемы, к которым относятся ОУ – Операционные Усилители. Наименование “операционный усилитель” обусловлено тем, что, прежде всего такие усилители получили применение для выполнения операций суммирования сигналов , их дифференцирования, интегрирования, инвертирования и т.д. Аналоговые микросхемы выпускают, как правило, функционально незавершенными, что открывает широкий простор для радиолюбительского творчества.

Операционные усилители имеют два входа – инвертирующий и неинвертирующий. На схеме обозначаются минусом и плюсом соответственно (см. Рис.3). Подавая сигнал на вход плюс – на выходе получается неизменный, но усиленный сигнал. Подавая его на вход минус, на выходе получается перевернутый, но тоже усиленный сигнал.

При производстве радиоэлектронной продукции использование многофункциональных специализированных микросхем, требующих минимального количества внешних компонентов, позволяет значительно сократить время разработки конечного устройства и производственные затраты. К этой категории микросхем относятся чипы, которые предназначены для чего-то определенного. Например, существуют микросхемы усилителей мощности, стереоприемников, различных декодеров. Все они могут иметь совершенно разный вид. Если одна из таких микросхем имеет металлическую часть с отверстием, это означает, что ее нужно привинчивать к
радиатору.

Со специализированными микросхемами иметь дело куда приятнее, чем с массой транзисторов и резисторов. Если раньше для сборки радиоприемника необходимо было множество деталей, то теперь можно обойтись одной микросхемой.

Перейти к следующей статье: Микроконтроллеры