Коллектив авторов - История электротехники
11.4.5. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ И АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ
Интеграция в электронике проявилась как результат объединения нескольких элементов схем в один функционально и конструктивно завершенный узел. На этом этапе развития полупроводниковой схемотехники произошло удачное объединение микроэлектроники с развитым аппаратом логического проектирования. В 50–60-х годах было освоено массовое производство интегральных схем малой степени интеграции (до нескольких десятков логических элементов в одном корпусе). На их основе стало возможным проектирование устройств, выполняющих любые требуемые функции.
Переход от логических модулей на дискретных компонентах к интегральным логическим схемам ознаменовал начало победного шествия интегральной электроники и схемотехники.
Методы интегральной технологии позволили получить на одном кристалле — микроскопическом кусочке полупроводника — целое микроэлектронное устройство, содержащее диоды, транзисторы, резисторы. Выполнение функциональных узлов на таких микросхемах стало значительно менее трудоемким, надежность возросла благодаря меньшему числу внешних соединений. Дальнейшее развитие микросхемотехники шло по пути поиска компромисса между повышением степени интеграции и универсальностью микросхем. Методами интегральной технологии можно изготовить весьма сложную схему, однако она будет находить ограниченное применение в силу своей специфичности, а следовательно, ее производство станет нерентабельным, такая микросхема окажется дороже узла, выполненного на элементах малой степени интеграции. Наряду со схемами малой степени интеграции (до 10 логических вентилей на одном кристалле) получили распространение средние (до 100 вентилей) и большие интегральные схемы (до 1000 вентилей). Здесь логическим вентилем назовем минимальную структуру, имеющую один вход и один выход (внутренний или внешний). В 1980 г. интеграция достигла 3 млн. вентилей на одном кристалле (чипе) — так называемые сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).
Наряду с логическими интегральными схемами начался массовый выпуск аналоговых микросхем, в первую очередь операционных усилителей. Первые операционные усилители с навесным монтажем и на дискретных компонентах были сложны, громоздки и годились для использования в дорогостоящем оборудовании. Освоение балансных симметричных интегральных операционных усилителей произвело радикальные перемены в усилительной технике и возможностях ее применения. Прежде всего усилитель перестал быть устройством в конструктивном отношении, он стал элементом, модулем со скромным набором выводов. Массовый спрос породил массовое производство; усилитель стал дешевым, доступным элементом. Области их применения резко расширились. Благодаря развитию современной теории электрических цепей появилась возможность синтеза схем с заданными частотными и переходными свойствами, втом числе активных фильтров, корректирующих звеньев и других средств, задающих амплитудно- и фазочастотные характеристики. Один из главных аргументов скептиков — низкое входное сопротивление интегральных схем — отпал с появлением каскадов на полевых транзисторах. Успехи в области аналоговых интегральных схем привели к тому, что интегральные полупроводниковые микросхемы превзошли своих ламповых предшественников по всем важнейшим параметрам: коэффициенту усиления, входному сопротивлению, шумовым свойствам, предельной частоте. Пожалуй, они уступают только в максимальном уровне выходного напряжения. Неслучайно по массовости выпуска почти у всех фирм-производителей операционные усилители занимали первую строку.
В годы расцвета интегральной электроники первого поколения (50-е годы) быстро возникали новые функциональные решения на основе аналоговых узлов с использованием их нелинейных свойств. Помимо традиционных сумматоров, интеграторов, инвертирующих и неинвертирующих каскадов были разработаны компараторы, дифференциальные каскады, ограничители амплитуды, схемы защит от перегрузок, восстановители постоянной составляющей, фиксаторы уровня, мультивибраторы, одновибраторы, триггеры Шмитта. Специалисты, накопившие большой опыт работы со старой, классической аналоговой схемотехникой, получили в свое распоряжение мощный арсенал технических средств интегральной электроники.
Наличие цифровых и логических средств, с одной стороны, аналоговых — с другой породило необходимость создания цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей. На смену классическим преобразователям, выполняемым на навесных компонентах и реализующим принципы кодоимпульсного и времяимпульсного преобразования, пришли интегральные схемы. Современные преобразователи в составе интегральных схем имеют развитую управляющую часть. Работа такой интегральной схемы представляет собой достаточно сложную последовательность действий. Пример алгоритма аналогово-цифрового преобразования:
выборка аналоговой величины, т.е. запоминание и хранение отсчета, сделанного по команде таймера или по условию;
формирование компенсирующего сигнала, который набирается из серии нормализованных значений, обычно двоичных; число разрядов может быть различным, распространенное число 10, что обеспечивает предельную разрешающую способность 0,1%;
запись в выходной регистр результата и подтверждение готовности к выполнению следующего цикла.
В современных ЦАП и АЦП использованы как уже известные принципы, например поразрядного взвешивания, так и те способы, которые не могли быть успешно реализованы из-за схемотехнической сложности. К последним относится способ считывания, который не имеет себе равных по быстродействию, но требует большого числа быстродействующих компараторов. Число компараторов, определяемое разрешающей способностью аналогового канала, может достигать нескольких тысяч. Естественно, аппаратная реализация такого аналогово-цифрового преобразования возможна только на основе больших интегральных микросхем [11.53, 11.54].
11.4.6. ЭЛЕКТРОННЫЕ АВТОМАТЫ С ПАМЯТЬЮ
В развитии интегральной схемотехники заслуживает упоминания такой этап, как синтез автоматов с памятью. В 1961 г. появились ставшие классическими работы В.М. Глушкова по синтезу автоматов, имеющих конечное множество внутренних состояний. Этому классу цифровых (логических) устройств принадлежит множество средств промышленной электроники. Описать функционирование автоматов можно, разделив их (со значительной степенью условности) на следующие узлы:
собственно узел памяти, выполняемый на основе триггеров и обладающий способностью находиться в требуемом множестве состояний;
комбинационная логическая схема, преобразующая множество входных управляющих сигналов в сигналы, управляющие переходами автомата из одного состояния в другое;
комбинационная логическая схема, преобразующая информацию о состоянии автомата и о входных сигналах в сигналы выхода.
Концепция управляющего устройства с определенным объемом памяти состояний и способностью преобразования алфавитов дискретных входных сигналов, сигналов возбуждения автомата (сигналов переходов) и сигналов выходов оказалась достаточно плодотворной. На ее основе были созданы инженерные методы формализованного синтеза автоматов в заданном элементном базисе. Разработка схемы некоторого устройства, описанного на языке специалиста в данной профессиональной области, могла быть сведена к последовательности хорошо структурированных действий. Так, создание устройства трехкратного автоматического повторного включения агрегата означало, что вначале требовалось определить множество входных сигналов, вызывающих отключение агрегата (исчезновение фазного напряжения, перегрузка по току), затем надо было организовать счетчик числа неудачных попыток пуска, таймер для задания интервала времени между попытками включения и таймер, который подтверждал бы успешную реализацию последней попытки и сбрасывал бы счетчик неудачных попыток. Далее на одном из хорошо развитых языков автоматных описаний (язык графов, таблиц соответствия, формул, функций возбуждения или граф-схем алгоритмов) надлежало описать функционирование автомата, Одна из важнейших задач этого этапа — убедиться в полноте описания, т.е. проверить, не попадает ли автомат в одно из тупиковых состояний и не «зависает» ли он там до вмешательства персонала. Следующий этап — выбор элементной базы, т.е. набора интегральных схем, из которого можно создать требуемое устройство. Кончается творческая инженерная работа специалиста по автоматизации созданием топологии схемы, связывающей входные датчики и источники управляющих сигналов с автоматом. Принципиальная схема как результат этого этапа разработки устанавливает внутренние связи между выводами интегральных схем, выводами автомата и исполнительными органами, внешними источниками сигналов, средствами индикации и регистрации [11.47–11.51].
