Схемы унч на транзисторах с печатной платой. Схемы усилителей на транзисторах: особенности германиевых УНЧ

Схема усилителя звука на тразисторах с печатной платой

Post Views: 1 932

Схема усилителя мощности звуковой частоты, построенная на транзисторах.

Краткое описание схемы усилителя

Устройство может питаться от источника с напряжением от 10 В до 15 В. Номинальная выходная мощность 3 Вт. Максимальная 5 Вт.

Допустимый уровень входного сигнала должен быть не более 0,8 В. Это старая советская схема, которая применялась аудиотехнике.

Печатная плата

Вы можете скачать файл печатной платы для программы SprintLauot.

Комментарии по печатной плате и сборке

На месте синих стрелочек нужно установить перемычку.

Обязательно установите изоляционную термопрокладку под эти два транзистора. Они должны быть изолированны от других. иначе произойдет короткое замыкание.

Список используемых деталей

Post Views: 1 932

Качественный усилитель класса B | AUDIO-CXEM.RU

Как известно, усилители звуковой частоты класса B имеют довольно серьезные искажения, которые связаны с отсутствием смещения на базах выходных транзисторах. То есть, без этого смещения, для открытия кремниевого транзистора, необходимо, чтобы сигнал превысил 0.6-0.7В, и пока сигнал на базе не достиг такого уровня, на выходе усилителя горизонтальная полка (сигнала нет). Каждый раз при прохождении сигнала через нулевой потенциал в базах транзисторов выходного каскада, сигнал на выходе усилителя класса B искажается в виде «ступеньки».

Но почему любители собирают усилители класса B невзирая на искажения? Дело в том, что на противоположной чаше весов лежат такие особенности как высокий коэффициент полезного действия, хорошая термостабильность и высокая мощность при простоте схемы.

Также они являются более экономичными, так как при отсутствии входного сигнала транзисторы выходного каскада усилителей класса B обычно холодные, ведь их ток покоя практически равен нулю (из-за отсутствия смещения на базах), в отличие от класса AB и тем более класса A. Это важно при питании от автономных источников, хотя для этого лучше использовать класс D, но все же.

Схема из журнала

Данная схема усилителя класса B была опубликована в журнале «Радио №3 1991» в статье «Режим B в усилителях мощности ЗЧ». В сети эта схема более известна как «Усилитель Дорофеева» и была повторена любителями электроники тысячи раз.

Адаптированная схема

В адаптированной схеме применена современная элементарная база и сохранены все порядковые номера элементов. Добавлен разделительный конденсатор Cin. Убран конденсатор положительной обратной связи C2. Увеличены емкости C5 и C7. Изменено сопротивление резисторов R10 и R12, ограничивающих ток стабилитронов VD1 и VD2.

Усилитель прост, дешев, не требует сложной наладки, достаточно громкий и поэтому я рекомендую его к сборке. Он хорошо подойдет для работы в качестве сабвуфера или УНЧ автомобиля, но меня он устраивает и для домашнего прослушивания.

Основные характеристики

Напряжение питания ………. ±25В

Сопротивление нагрузки ………. 4Ома

Выходная мощность, номинальная (Rout=4Ома) ………. 40Вт

Выходная мощность, максимальная (Rout=4Ома) ………. 60Вт

Входное сопротивление ………. 10кОм

Входное напряжение ………. 750мВ

КНИ (Pном., f=1кГц) ……….0.08%

КНИ (Pном., f=20кГц) ……….0.15%

Остальные характеристики можно посмотреть в оригинальной статье.

В журнале автор описывает особенность схемы, которая заключается во включении транзисторов VT1 и VT2 как усилителей тока для баз транзисторов выходного каскада VT3 и VT4. То есть, транзисторы выходного каскада открываются не напряжением, а током, усиленным транзисторами VT1 и VT2. Такое включение дает возможность устранения искажения в виде «ступеньки», без смещения на базах транзисторов VT3 и VT4, то есть, сохранив режим класса B.

Схему можно собирать, как на советской элементарной базе, так и на импортной. Я собирал на импортных компонентах.

Операционный усилитель включен в инвертирующем варианте с отрицательной обратной связью через резистор R1. Операционный усилитель усиливает напряжение, а VT1 и VT2 усиливают ток, усиленный ими ток полностью уходит в базы транзисторов VT3 и VT4. Последние транзисторы также усиливают ток, который протекает через нагрузочный резистор R11. На этом резисторе образуется падение напряжения, пропорциональное току, протекающему через него. Это падение и есть усиленное напряжение, хотя все транзисторы работают в режиме усиления тока.

На базах VT1 и VT2 задано смещение с помощью резисторного делителя напряжения R6-R9. Смещение задается таким образом, чтобы при температуре транзисторов до 60⁰C напряжение на базах было 0.4-0.5В, то есть они еще закрыты, но еще немного (0.1-0.2В) и они откроются. Автор схемы объясняет это уменьшением их порога срабатывания.

Стабилитроны VD5 и VD7 и резисторы R10 и R12 обеспечивают напряжением питания (±15В) операционный усилитель.

Компоненты

Транзисторы TIP41 и TIP42 можно заменить на BD911 и BD912, или на КТ818, КТ819, но у последних другое расположение выводов. Будьте внимательны! Печатная плата разведена именно под КТ818, КТ819.

Автор схемы пишет в своей статье, что подбирать транзисторы в пары по их параметрам не нужно.

Операционный усилитель TL071 можно заменить на TL081.

Конденсаторы Cin и C6 пленочные.

Все резисторы мощностью 0.25Вт, за исключением R11 – 1Вт.

Стабилитроны VD1 и VD2 на напряжение 15В.

Охлаждение

Транзисторы выходного каскада должны быть установлены на одном теплоотводе, а транзисторы предвыходного каскада каждый на своем радиаторе. Если не соблюсти данную рекомендацию, то усилитель может стать не стабилен и при нагреве VT1 и VT2 может пойти в «разнос».

Теплоотводы для BD139 и BD140 должны быть площадью поверхности 60см² каждый. Теплоотвод для TIP41 и TIP42 должен иметь площадь поверхности 600см².

Для наладки усилителя я установил все транзисторы на один радиатор, но при установке в корпус теплоотводы будут разъединены.

Фланцы VT3 и VT4 я не изолировал от теплоотвода, так как их коллекторы соединены по схеме, но если корпус усилителя металлический, то необходимо их изолировать.

Питание нашего усилителя класса B должно быть двуполярным ±25В. Его можно обеспечить с помощью импульсного источника питания или линейного источника.

При использовании линейного блока питания, напряжение вторичных обмоток трансформатора не должно превышать 18+18 Вольт переменного тока, так как после выпрямления, на накопительном конденсаторе напряжение будет в 1.41 раз больше, то есть ±25В. Рекомендуемый ток вторичных обмоток (на один канал) не менее 1.5А.

Емкость накопительных конденсаторов (для одного канала) должна составлять 4700-6800мкФ в каждом плече, а их напряжение не менее 35В.

Налаживание усилителя

Наладка производится путем подбора резисторов R7 и R8 до достижения на базах VT1 и VT2 напряжения постоянного тока в диапазоне 0.4-0.5В. В моем случае подбирать ничего не пришлось, все в допуске. Одним щупом касаемся средней точки (GND), вторым щупом базы VT1, а потом базы VT2.

Если сборка производилась по схеме из журнала, с применением советского ОУ, то далее вращением ротора подстроечного резистора R5 добиваемся нулевого напряжения на выходе усилителя. Для TL071 данная операция не выполняется, так как ею на выходе обеспечивается нулевое напряжение.

После прогрева усилителя рекомендуется повторить его наладку.

После наладки я нагрузил усилитель резистором с сопротивлением 4Ома.

На вход подал синусоидальный сигнал с частотой 1кГц. На экране моего осциллографа С1-94 искажений в виде «ступеньки» на выходе усилителя я не увидел.

Печатная плата (разводка от AKA KASYAN) СКАЧАТЬ

Похожие статьи

Схемы усилителей мощности на германиевых транзисторах. Секреты звучания забытых германиевых УНЧ.

Эх, жалко пацанов — королевство маловато, разгуляться негде!
Ни ламповых тебе однотактников, ни гераниевых раритетов… Что ещё остаётся пытливому уму неоперившегося меломана?
Разве что брейкануть под японское хокку, да кайфануть для большего эффекта под уханье бумбокса.

«Кремний — всему голова» — крикнут яростные члены на форумных дебатах.
«Не надо впаривать нам этот шняга-силикатный экстракт» — вторят им другие, «для начала послушайте своими руками, а потом делайте свои тупоголовые выводы».

На самом деле, слушать надо!
Перелопатить определённое количество разномастной усилительной аппаратуры — тоже надо.
Не обязательно быть музыкантом со стажем, но таить в себе зачатки какого-никакого слуха — опять же, надо.
И тогда любой пацак, владелец старого пепелаца, сможет авторитетно заявить: «Однако разница в звуке есть, и она весьма существенна!»

На этой странице поговорим об УНЧ на германиевых транзисторах.

Своеобразие германиевого звучания, как правило, сводится к двум устойчивым постулатам:
1. Усилители на германиевых транзисторах отличаются музыкальностью,
2. Звук похож на звук ламповика.
И если первый пункт у меня возражений не вызывает, то со вторым мнением коллег позволю вежливо не согласиться — не похож, абсолютно разное звучание.

Электрофон сетевой транзисторный «Вега-101-стерео» с усилителем на германиевых транзисторах, выпускаемый Бердским радиозаводов с начала 1972 по 1982 год, заложил в головы современников основы понимания того, каким должен быть высококачественный стереофонический звук.
Время шло, появлялись на свет и более продвинутые вертушки с магнитными звукоснимателями, и значительно более мощные УНЧ на кремниевых транзисторах с незаурядными характеристиками.
Однако душещипательные воспоминания о том, как звучали в конце 70-ых простенькие Веги с их примитивной схемотехникой открыли историю ожесточённой борьбы человечества с феноменом транзисторного звучания.

Ну да и ладно, пора переходить на новый уровень — нарисовать пару-тройку принципиальных схем усилителей низкой частоты на германиевых транзисторах, но для начала озадачусь вопросом: Что любит и что не любит германий?
1. Германий любит простоту и не приемлет наворотов. Дифференциальный каскад с источником тока в цепи эмиттера — уже является буржуазным излишеством.
2. Германий не любит перегрева, легко может напустить дыма и отправиться к праотцам электроники Амперу и Ому в ответ на потерю бдительности в процессе настройки схемы.

А теперь обещанные схемы.

Рис.1

Номинальная мощность усилителя при коэффициенте гармоник на частоте 1000Гц менее 0,1% — 1 Вт, максимальная — 1,5Вт, чувствительность по входу — 0,2 В.
Усилитель сохраняет работоспособность при понижении напряжения питания до 9В.
Подбором номинала резистора R8 устанавливается значение напряжения на эмиттерах выходных транзисторов, равное половине напряжения питания.
Подбором номинала резистора R2 устанавливается значение напряжения на коллекторе транзистора V1, равное половине напряжения питания.

Рис.2

Схема, приведённая на Рис.2 — для эстетов, желающих порадовать свой слуховой аппарат ни с чем не сравнимым звуком однотактного усилителя, работающего в чистом режиме А.
Для настройки усилителя следует подбором номинала резистора R9 установить ток покоя выходного транзистора — 150мА.

Рис.3

На рис.3 показана принципиальная схема универсального усилителя НЧ, собранного на девяти транзисторах и развивающего выходную мощность до 10 Вт при сопротивлении нагрузки 4 Ом и входном напряжении около 10 мВ.
При налаживании устройства подстроечным резистором R2 устанавливают выходное напряжение в точке соединения транзисторов VT8 и VT9 равным половине напряжения питания.

Схема более мощного усилителя приведена на Рис.4. Усилитель рассчитан на подключение электрогитары и микрофона, но может быть использован также совместно с проигрывателем, магнитофоном или радиоприёмником.
Основные технические данные, приведённые автором:
Номинальная выходная мощность — 30 Вт.
Максимальная выходная мощность — 40 Вт.
Сопротивление нагрузки 3,5-5 Ом.
Полоса рабочих частот 30-16000 Гц.
Коэффициент нелинейных искажений — не более 1,5%.
Чувствительность с выхода микрофона — 10 мВ.
Чувствительность с выхода электрогитары — 0,1 В.
Напряжение 15 В на коллекторе транзистора Т10 устанавливают резистором R19.
Ток покоя всего усилителя не должен превышать 170 мА.

Рис.5

На Рис.5 приведена схема простого и мощного усилителя на германиевых транзисторах DTG110B. При подключении к его входу любого УНЧ мощностью 1,5-2 Вт устройство выдаёт на 8-ми омную нагрузку около 50 Вт чистого германиевого звука.
Согласующий трансформатор Т1 выполнен на железе Ш24 (толщина пакета 20-25мм) и содержит 3 одинаковые обмотки по 120 витков, намотанных на картонном каркасе проводом ПЭВ-1 или ПЭВ-2 диаметром 0,5-0,7мм.
Налаживание устройства заключается в подборе значений резисторов R2 R4 для достижения на выходе схемы нулевого потенциала и тока покоя транзисторов — 120-150 мА.
При снижении напряжения питания на каждом плече до 30В транзисторы DTG110B без каких-либо колебаний могут быть заменены на отечественные П210А.

Рис.6

Схема, представленная на Рис.6, является переработанным под «германий» вариантом усилителя НЧ из статьи Николая Трошина журнале Радио №8 за 1989г (стр. 51-55). Творцом переработки является сам автор статьи. Вот что он пишет на страннице сайта http://vprl.ru:

«Выходная мощность этого усилителя 30 Вт при сопротивлении нагрузки акустических систем 4 Ома, и примерно 18 Вт при сопротивлении нагрузки 8 Ом.
Напряжение питания усилителя (U пит) двухполярное ±25 В;
Диапазон рабочих частот 20Гц…20кГц:

Транзисторы МП40А можно заменить на транзисторы МП21, МП25, МП26. Транзисторы ГТ402Г – на ГТ402В; ГТ404Г – на ГТ404В;
Выходные транзисторы ГТ806 можно ставить любых буквенных индексов. Применять более низкочастотные транзисторы типа П210, П216, П217 в этой схеме не рекомендую, поскольку на частотах выше 10кГц они здесь работают плоховато (заметны искажения), видимо, из-за нехватки усиления тока на высокой частоте.

Площадь радиаторов на выходные транзисторы должна быть не менее 200 см2, на предоконечные транзисторы не менее 10 см2.
На транзисторы типа ГТ402 радиаторы удобно делать из медной (латунной) или алюминиевой пластины, толщиной 0,5 мм, размером 44х26.5 мм.

Настройка правильно собранного из исправных элементов усилителя сводится к установке подстроечным резистором тока покоя выходного каскада 100мА (удобно контролировать на эмиттерном резисторе 1 Ом – напряжение 100мВ).
Диод VD1 желательно приклеить или прижать к радиатору выходного транзистора, что способствует лучшей термостабилизации. Однако если этого не делать, ток покоя выходного каскада от холодного 100мА до горячего 300мА меняется, в общем-то, не катастрофично.

Важно: перед первым включением необходимо выставить подстроечный резистор в нулевое сопротивление.
После настройки желательно подстроечный резистор выпаять из схемы, измерить его реальное сопротивление и заменить на постоянный».

Простой германиевый усилитель мощности — Усилители на транзисторах — Звуковоспроизведение

Николай Трошин

В последнее время заметно вырос интерес к усилителям мощности на германиевых транзисторах. Есть мнение, что звучание таких усилителей более мягкое, напоминает «ламповый звук».
Предлагаю вашему вниманию две простые схемы усилителей мощности НЧ на германиевых транзисторах, опробованные мной некоторое время назад.

Здесь использованы более современные схемные решения, чем те, которые использовались в 70-е годы, когда «германий» был в ходу. Это позволило получить приличную мощность при хорошем качестве звучания.
Схема на рисунке ниже, является переработанным под «германий» вариантом усилителя НЧ из моей статьи в журнале Радио №8 за 1989г (стр. 51-55).

Выходная мощность этого усилителя 30 Вт при сопротивлении нагрузки акустических систем 4 Ома, и примерно 18 Вт при сопротивлении нагрузки 8 Ом.
Напряжение питания усилителя (U пит) двухполярное ±25 В;
Диапазон рабочих частот 20Гц…20кГц:

Несколько слов о деталях:

При сборке усилителя, в качестве конденсаторов постоянной ёмкости (помимо электролитических), желательно применять слюдяные конденсаторы. Например типа КСО, такие, как ниже на рисунке.

Транзисторы МП40А можно заменить на транзисторы МП21, МП25, МП26. Транзисторы ГТ402Г – на ГТ402В; ГТ404Г – на ГТ404В;
Выходные транзисторы ГТ806 можно ставить любых буквенных индексов. Применять более низкочастотные транзисторы типа П210, П216, П217 в этой схеме не рекомендую, поскольку на частотах выше 10кГц они здесь работают плоховато (заметны искажения), видимо, из-за нехватки усиления тока на высокой частоте.

Площадь радиаторов на выходные транзисторы должна быть не менее 200 см2, на предоконечные транзисторы не менее 10 см2.
На транзисторы типа ГТ402 радиаторы удобно делать из медной (латунной) или алюминиевой пластины, толщиной 0,5 мм, размером 44х26.5 мм.

Пластина разрезается по линиям, потом этой заготовке придают форму трубки, используя для этой цели любую подходящую цилиндрическую оправку (например сверло).
После этого заготовку (1) плотно надевают на корпус транзистора (2) и прижимают пружинящим кольцом (3), предварительно отогнув боковые крепёжные ушки.

Кольцо изготовляется из стальной проволоки диаметром 0,5-1,0 мм. Вместо кольца можно использовать бандаж из медной проволоки.
Теперь осталось загнуть снизу боковые ушки для крепления радиатора за корпус транзистора и отогнуть на нужный угол надрезанные перья.

Подобный радиатор можно также изготовить и из медной трубки, диаметром 8мм. Отрезаем кусок 6…7см, разрезаем трубку вдоль по всей длине с одной стороны. Далее на половину длины разрезаем трубку на 4 части и отгибаем эти части в виде лепестков и плотно надеваем на транзистор.

Так как диаметр корпуса транзистора где-то 8,2 мм, то за счёт прорези по всей длине трубки, она плотно оденется на транзистор и будет удерживаться на его корпусе за счёт пружинящих свойств.
Резисторы в эмиттерах выходного каскада – либо проволочные мощностью 5 Вт, либо типа МЛТ-2 3 Ом по 3шт параллельно. Импортные пленочные использовать не советую – выгорают мгновенно и незаметно, что ведет к выходу из строя сразу нескольких транзисторов.

Настройка:

Настройка правильно собранного из исправных элементов усилителя сводится к установке подстроечным резистором тока покоя выходного каскада 100мА (удобно контролировать на эмиттерном резисторе 1 Ом – напряжение 100мВ).
Диод VD1 желательно приклеить или прижать к радиатору выходного транзистора, что способствует лучшей термостабилизации. Однако если этого не делать, ток покоя выходного каскада от холодного 100мА до горячего 300мА меняется, в общем-то, не катастрофично.

Важно: перед первым включением необходимо выставить подстроечный резистор в нулевое сопротивление.
После настройки желательно подстроечный резистор выпаять из схемы, измерить его реальное сопротивление и заменить на постоянный.

Самая дефицитная деталь для сборки усилителя по вышеприведённой схеме — это выходные германиевые транзисторы ГТ806. Их и в светлое советское время было не так легко приобрести, а сейчас наверно и того труднее. Гораздо проще найти германиевые транзисторы типов П213-П217, П210.
Если Вы не сможете по каким либо причинам приобрести транзисторы ГТ806, то Вашему вниманию предлагается ещё одна схема усилителя, где в качестве выходных транзисторов, можно использовать как раз вышеупомянутые П213-П217, П210.

Схема эта – модернизация первой схемы. Выходная мощность этого усилителя составляет 50Вт при сопротивлении нагрузки 4 Ом и 30Вт при 8-Омной нагрузке.
Напряжение питания этого усилителя (U пит) так же двухполярное и составляет ±27 В;
Диапазон рабочих частот 20Гц…20кГц:

Какие же изменения внесены в эту схему;
Добавлены два источника тока в «усилитель напряжения» и еще один каскад в «усилитель тока».
Применение еще одного каскада усиления на довольно высокочастотных транзисторах П605, позволило несколько разгрузить транзисторы ГТ402-ГТ404 и расшевелить совсем уж медленные П210.

Получилось довольно не плохо. При входном сигнале 20кГц, и при выходной мощности 50Вт — на нагрузке искажений практически не заметно (на экране осциллографа).
Минимальные, мало заметные искажения формы выходного сигнала с транзисторами типа П210, возникают только на частотах около 20 кгц при мощности 50 вт. На частотах ниже 20 кгц и мощностях менее 50 вт искажений не заметно.
В реальном музыкальном сигнале таких мощностей на столь высоких частотах обычно не бывает, по этому отличий в звучании (на слух) усилителя на транзисторах ГТ806 и на транзисторах П210 я не заметил.
Впрочем, на транзисторах типа ГТ806, если смотреть осциллографом, усилитель работает все-таки лучше.

При нагрузке 8 Ом в этом усилителе, также возможно применение выходных транзисторов П216…П217, и даже П213…П215. В последнем случае напряжение питания усилителя нужно будет снизить до ±23В. Выходная мощность при этом, разумеется, тоже упадет.
Повышение же питания — ведет к увеличению выходной мощности, и я думаю, что схема усилителя по второму варианту имеет такой потенциал (запас), однако, я не стал экспериментами искушать судьбу.

Радиаторы для этого усилителя обязательны следующие – на выходные транзисторы площадью рассеивания не менее 300см2, на предвыходные П605 – не менее 30см2 и даже на ГТ402, ГТ404 (при сопротивлении нагрузки 4 Ом) тоже нужны.
Для транзисторов ГТ402-404 можно поступить проще;
Взять медную проволоку (без изоляции) диаметром 0,5-0,8, намотать на круглую оправку (диаметром 4-6 мм) проволоку виток к витку, согнуть в кольцо полученную обмотку (с внутренним диаметром меньше диаметра корпуса транзистора), соединить концы пайкой и надеть полученный «бублик» на корпус транзистора.

Эффективней будет наматывать проволоку не на круглую, а на прямоугольную оправку, так как при этом увеличивается площадь соприкосновения проволоки с корпусом транзистора и соответственно повышается эффективность отвода тепла.
Также для повышения эффективности отвода тепла для всего усилителя, можно уменьшить площадь радиаторов и применить для охлаждения 12В куллер от компьютера, запитав его напряжением 7…8В.

Транзисторы П605 можно заменить на П601…П609.
Настройка второго усилителя аналогична описанной для первой схемы.
Несколько слов об акустических системах. Понятно, что для получения хорошего звучания они должны иметь соответствующую мощность. Желательно также, используя звуковой генератор — пройтись на разных мощностях по всему диапазону частот. Звучание должно быть чистым, без хрипов и дребезга. Особенно, как показал мой опыт, этим грешат высокочастотные динамики колонок типа S-90.

Если у кого возникнут какие либо вопросы по конструкции и сборке усилителей — задавайте, по возможности постараюсь ответить.

Удачи всем Вам в Вашем творчестве и всего наилучшего!

— Инженерно-технические -PCBway

Печатная плата (PCB) механически поддерживает и электрически соединяет электронные компоненты с помощью токопроводящих дорожек, контактных площадок и других элементов, вытравленных из медных листов, нанесенных на непроводящую подложку. Печатные платы могут быть односторонними (один слой меди), двусторонними (два слоя меди) или многослойными. Проводники на разных слоях соединены сквозными отверстиями, называемыми переходными отверстиями.Усовершенствованные печатные платы могут содержать компоненты — конденсаторы, резисторы или активные устройства — встроенные в подложку.

История

Появившаяся до печатной платы, взаимосвязь между электронными компонентами и полагается на провода, непосредственно подключенные, чтобы сформировать законченную схему. Теперь, когда существуют эффективные макетные платы, экспериментальные инструменты, а печатные платы в электронной промышленности заняли абсолютное положение.

В начале 20 века люди, чтобы упростить производство электронных устройств, сократить количество проводов между электронными компонентами и снизить стоимость производства и т. Д., Начали изучать способы замены печатных методов проводки. Три десятилетия назад было предложено разработать металлический проводник для разводки на изолирующей подложке. Самый удачный 1925 год, американец Чарльз Дукас на изоляционной подложке с печатным рисунком проводки, а затем на химическом нанесении покрытия, успешно установил проводник для проводки.До 1936 года австриец Пауль Ай Силе (Paul Eisler) в Великобритании опубликовал технологию фольгированных мембран, он использует печатную плату в радиоустройстве; в то время как в Японии, чтобы помочь Миямото hi распылить присоединенную проводку, закон «закон метаболической защиты» выдувание проводки (патент № 119384) успешно подал заявку на патент. И оба метода, и Пол Эйслер сегодня больше всего похожи на печатную плату, такая практика известна как метод вычитания, ненужный металл удаляется; в то время как Чарльз Дукас и Миямото Киносукэ практикуют только необходимую проводку, что называется аддитивным методом.Тем не менее, поскольку это было нагревание электронных частей, с обеими подложками трудно использовать, так что это непрактично, чтобы сделать формальный, но также сделать технологию печатных схем дальше.

В 1941 году в США тальком была нанесена медная паста для проводки для изготовления бесконтактных предохранителей.
В 1943 году большое количество американцев использовали эту технологию в военном радио.
В 1947 году началось изготовление эпоксидной подложки. В то время как NBS начал изучать технологию формирования катушек печатных плат, конденсаторов, резисторов и других технологий производства.
В 1948 году США официально признали изобретение в коммерческих целях.
С 1950-х годов большое количество низкокалорийных транзисторов заменили положение вакуумной лампы, стала широко использоваться технология печатных плат. И затем технология фольги стала мейнстримом.
В 1950 году японцы использовали стеклянную подложку с серебряной краской для проводки; фенольные смолы и бумажные фенольные подложки (CCL) на медной фольге для электромонтажа.
1951, полиимиды, термостойкость смолы и, кроме того, полиимидная подложка.
В 1953 году компания Motorola разработала двойную панель с покрытием сквозных отверстий. Этот метод также можно применить к последней части многослойной печатной платы. Печатные платы
широко используются в 1960-х годах, спустя 10 лет технология становится все более зрелой. Поскольку в наличии двусторонние многослойные печатные платы Motorola появились, соотношение площади разводки к подложке улучшилось еще больше.
1960, Печатная схема В. Дальгрина с металлической фольгой, прикрепленной к термопластику, создавая гибкую печатную плату.
В 1961 году компания Hazeltine Corporation в Соединенных Штатах Америки применила метод покрытия сквозных отверстий для производства фанеры.
1967, опубликован метод одного дополнительного слоя «Plated-up technology».
1969, FD-R производит гибкую полиимидную печатную плату.
В 1979 году Пактел опубликовал метод одного дополнительного слоя «Закон Пактеля».
1984, NTT разработала пленочную схему «Медный полиимид».
В 1988 году компания Siemens разработала печатную плату с растущим слоем микропроводки.
В 1990 году IBM разработала печатную плату «роста линий поверхностного слоя» (Surface Laminar Circuit, SLC).
1995, Panasonic разработала печатную плату ALIVH с растущим слоем.
В 1996 году компания Toshiba разработала печатную плату с растущим слоем B2it.
Увеличение количества слоев в решениях для печатных плат было предложено в конце 1990-х годов, печатные платы с увеличивающимся слоем также официально были практичны до сих пор.

Дизайн

Программное обеспечение CAM350

Создание графических изображений печатных плат изначально было полностью ручным процессом, выполняемым на прозрачных листах майлара в масштабе, обычно в 2 или 4 раза превышающем желаемый размер.Принципиальная схема сначала была преобразована в компоновку контактных площадок компонентов, затем трассы были проложены для обеспечения необходимых соединений. Предварительно напечатанные невоспроизводящиеся майларовые сетки помогли в компоновке, а сухие переносы общих схем элементов схемы (контактные площадки, контактные пальцы, профили интегральных схем и т. Д.) Помогли стандартизировать компоновку. Следы между устройствами оставлены самоклеящейся лентой. Готовое «произведение искусства» макета затем фотографически воспроизводилось на слоях резиста покрытых медью панелей с пустым покрытием.

Современная практика менее трудоемка, поскольку компьютеры могут автоматически выполнять многие шаги компоновки. Общий прогресс в проектировании коммерческой печатной платы будет включать:
1. Захват схемы с помощью средства автоматизации электронного проектирования.
2. Размеры и шаблон карты определяются в зависимости от требуемой схемы и корпуса печатной платы. При необходимости определите фиксированные компоненты и радиаторы.
3. Определение стека слоев печатной платы. От 1 до 12 слоев и более в зависимости от сложности дизайна.Определяются заземляющая плоскость и силовая плоскость. Сигнальные плоскости, по которым маршрутизируются сигналы, находятся как на верхнем, так и на внутреннем уровнях.
4. Определение импеданса линии с использованием толщины диэлектрического слоя, толщины трассируемой меди и ширины трассы. Разделение трасс также учитывается в случае дифференциальных сигналов. Для маршрутизации сигналов можно использовать микрополосковые, полосковые или двойные полосковые линии.
5. Размещение компонентов. Учитываются термические соображения и геометрия. Отмечены переходы и земли.
6.Разводка сигнальных дорожек. Для оптимальной защиты от электромагнитных помех высокочастотные сигналы маршрутизируются во внутренних слоях между плоскостями питания или земли, поскольку плоскости питания действуют как земля для переменного тока.
7. Генерация гербер-файла для производства. В дизайне печатной платы плоскость питания является аналогом заземляющей пластины и ведет себя как заземление для сигналов переменного тока, обеспечивая при этом постоянное напряжение для питания схем, установленных на печатной плате. В инструментах проектирования автоматизации электронного проектирования (EDA) плоскости электропитания (и плоскости заземления) обычно рисуются автоматически как отрицательный слой с автоматически создаваемыми зазорами или соединениями с плоскостью.

Производство


Основные компоненты печатной платы

Линия и узор : линия находится между исходной проводимостью, как инструмент в дизайне дизайна, будет еще одна большая медная поверхность в качестве земли и силовые самолеты. Линия и плоскость одинаковые.
Слой диэлектрика : для сохранения изоляции между линиями и слоями, обычно называемой подложкой.
Сквозное отверстие / переходное отверстие: два уровня могут переходить через каждую проводящую линию, более крупные переходные отверстия используются в качестве заглушки, а другой nPTH обычно используется в качестве позиции для поверхностного монтажа при сборке с помощью винтов.
Устойчивый к припоям / Маска : не все должны есть олово на медных поверхностях, и, следовательно, непищевые оловянные области будут напечатаны с использованием олова, медного поверхностного слоя изоляционного материала (обычно эпоксидной смолы), избегайте употребления олова из непищевого олова. -короткое замыкание. В зависимости от процесса делятся на зеленое масло, масло, синее масло.
Обозначения / Маркировка / Шелкография : Эта ненужная конструкция, основная функция отмечена в названии деталей на печатной плате, положении коробки, простоте сборки после ремонта и идентификации.
Поверхность : Как и медная поверхность в окружающей среде, она легко окисляется, в результате чего олово не попадает (плохой припой) и, следовательно, защищается от оловянной медной поверхности. Существуют способы защиты HASL, ENIG, Immersion Silver, Immersion Tin, OSP, методы имеют преимущества и недостатки, которые в совокупности называются чистотой поверхности.

PCB субстрат

изоляционный участок плиты основания в качестве классификации субстрата, общего сырья, дерева, стекловолокна, а также всех видов пластиковых пластин.Производители печатных плат обычно используют стекловолокно, тканевый материал и изолирующую часть композиции смолы, эпоксидную смолу и медную фольгу, а затем прессуют их в «препрег».

Конструкция схемы, общие основы и основные ингредиенты: фенольная хлопковая бумага
FR-1, основа которой известна как бакелит (более экономичная, чем FR-2),
фенольная вата FR-2,
FR-3 хлопковая бумага, эпоксидная смола
FR-4 Стеклоткань, эпоксидная смола
Стеклоткань FR-5, эпоксидная смола
Матовое стекло FR-6, полиэстер
Стеклоткань G-10, эпоксидная смола
Ткань CEM-1, эпоксидная смола (огнестойкая)
Ткань CEM-2 , эпоксидная смола (непленум)
Стеклоткань CEM-3, эпоксидная смола
Стеклоткань CEM-4, эпоксидная смола
Стеклоткань CEM-5, Полиэстер
Нитрид алюминия AIN
Карбид кремния SIC

PCB Металлическое покрытие

В дополнение к металлическому покрытию монтажной платы теперь установлена ​​монтажная плата для пайки электронных компонентов.Кроме того, из-за разной цены на металлы и, следовательно, напрямую влияет на стоимость производства. Кроме того, паяемость каждого металла, контакт и т. Д. Имеют разные значения сопротивления, что напрямую влияет на производительность устройства.

Обычное металлическое покрытие:
Медь
Sn
Толщина от 5 до 15 м обычно составляет
Олово (оловянный или медный сплав)
толщина припоя обычно от 5 до 25 м, содержание олова около 63%
Золото
обычно только покрыто. Интерфейс
Серебро
обычно покрыто только интерфейсом или сплавом серебра.

Классификация слоев печатной платы

односторонняя (один медный слой)
Односторонняя сборка печатной платы требует, чтобы компоненты были собраны только на одной стороне печатной платы, и это наименее сложный процесс сборки печатной платы для поверхностного монтажа.

двухсторонняя (два медных слоя)
Двусторонние печатные платы имеют медные дорожки и контактные площадки (контактные площадки) на верхней и нижней стороне печатной платы, и часто каждая сторона соединяется сквозными переходными отверстиями.

Многослойные платы
Многослойная печатная плата состоит из более чем трех слоев проводящего графического слоя и изоляционного слоя, попеременно за счет ламинированного склеивания и формы печатной платы, и удовлетворяет проектным требованиям, предусматривающим соединение проводящей графики между слои. Он имеет высокую плотность, небольшой объем, легкий вес, высокую надежность и т. Д., Выходная мощность является самым высоким и быстрорастущим типом печатных плат.

Характеристики печатной платы

Технология сквозного отверстия

Резисторы со сквозными отверстиями (выводами) В первых печатных платах использовалась технология сквозных отверстий, при которой электронные компоненты крепились с помощью выводов, вставленных через отверстия с одной стороны платы и припаянных к медным дорожкам с другой стороны.Платы могут быть односторонними, с компонентной стороной без покрытия, или более компактными двусторонними платами, с компонентами, припаянными с обеих сторон. Горизонтальная установка деталей со сквозным отверстием с двумя осевыми выводами (например, резисторов, конденсаторов и диодов) выполняется путем изгиба выводов на 90 градусов в одном и том же направлении, вставки детали в плату (часто сгибая выводы, расположенные на задней стороне платы). платы в противоположных направлениях, чтобы улучшить механическую прочность детали), припаяв выводы и обрезав концы.Выводы можно паять вручную или с помощью пайки волной припоя.

Технология печатных плат со сквозными отверстиями почти полностью заменила более ранние методы сборки электроники, такие как двухточечная конструкция. Начиная со второго поколения компьютеров в 1950-х годах и до тех пор, пока технология поверхностного монтажа не стала популярной в конце 1980-х, каждый компонент на типичной печатной плате был компонентом со сквозным отверстием.

Производство сквозных отверстий увеличивает стоимость платы, требуя точного просверливания множества отверстий, и ограничивает доступную область трассировки для сигнальных дорожек на слоях, расположенных непосредственно под верхним слоем на многослойных платах, поскольку отверстия должны проходить через все слои на противоположную сторону.После начала использования поверхностного монтажа по возможности использовались SMD-компоненты небольшого размера, с монтажом в сквозное отверстие только тех компонентов, которые не подходят для поверхностного монтажа из-за требований к питанию или механических ограничений, или подвержены механическому напряжению, которое может повредить печатную плату. .

Технология поверхностного монтажа

Компоненты для поверхностного монтажа, в том числе резисторы, транзисторы и интегральные схемы Технология поверхностного монтажа появилась в 1960-х, набрала обороты в начале 1980-х и стала широко использоваться к середине 1990-х.Компоненты были механически переработаны, чтобы иметь небольшие металлические выступы или торцевые заглушки, которые можно было припаять непосредственно к поверхности печатной платы, вместо проводов, проходящих через отверстия. Компоненты стали намного меньше, и размещение компонентов на обеих сторонах платы стало более распространенным, чем при установке в сквозные отверстия, что позволило создавать гораздо меньшие сборки печатных плат с гораздо более высокой плотностью схем. Поверхностный монтаж хорошо поддается высокой степени автоматизации, сокращению затрат на рабочую силу и значительному увеличению производительности.Компоненты могут поставляться смонтированными на несущих лентах. Компоненты для поверхностного монтажа могут быть от четверти до одной десятой размера и веса компонентов, устанавливаемых в сквозные отверстия, а пассивные компоненты намного дешевле; Цены на полупроводниковые устройства для поверхностного монтажа (SMD) определяются в большей степени самим чипом, чем корпусом, с небольшим преимуществом в цене по сравнению с более крупными корпусами. Некоторые компоненты с проводным выводом, такие как малосигнальные переключающие диоды 1N4148, на самом деле значительно дешевле, чем эквиваленты SMD.

Свойства схемы печатной платы
Каждая дорожка состоит из плоской узкой части медной фольги, которая остается после травления.Сопротивление, определяемое шириной и толщиной дорожек, должно быть достаточно низким для тока, который будет проводить проводник. Трассы питания и заземления могут быть шире, чем трассы сигналов. В многослойной плате один весь слой может быть в основном сплошной медью, чтобы действовать как заземляющая пластина для экранирования и возврата питания. Для микроволновых цепей линии передачи могут быть проложены в виде полосковой и микрополосковой линий с тщательно контролируемыми размерами, чтобы обеспечить постоянный импеданс. В радиочастотных схемах и схемах с быстрым переключением индуктивность и емкость проводников печатной платы становятся важными элементами схемы, обычно нежелательными; но их можно использовать как целенаправленную часть схемы, устраняя необходимость в дополнительных дискретных компонентах.

О PCBway

С 2003 года PCBWAY является ведущим производителем быстроворачиваемых печатных плат, специализирующимся как на прототипах, так и на производстве. Первоначально производила односторонние и двусторонние печатные платы для рынка бытовой электроники. PCBWAY входит в четверку ведущих производителей плат в Азии и хорошо известен своей способностью к ускоренному времени выполнения работ и надежным рекордом своевременной доставки.

Что такое печатная плата? Создание цепей путем соединения компонентов

Печатная плата (PCB) — это электрическая схема, компоненты и проводники которой находятся внутри механической конструкции.

ALTIUM DESIGNER

Самый мощный, современный и простой в использовании инструмент для проектирования печатных плат для профессионального использования.

Печатная плата объединяет компоненты и проводники

Печатная плата — это электрическая схема, компоненты и проводники которой содержатся внутри механической конструкции.К проводящим элементам относятся медные дорожки, контактные площадки, радиаторы или токопроводящие плоскости. Механическая конструкция изготовлена ​​из изоляционного материала, ламинированного между слоями проводящего материала. Вся структура покрыта гальваническим покрытием и покрыта непроводящей паяльной маской и шелкографией для обозначения расположения электронных компонентов.

Печатная плата состоит из чередующихся слоев токопроводящей меди со слоями непроводящего изоляционного материала. Во время производства внутренние медные слои протравливаются, оставляя следы меди для соединения компонентов схемы.После протравливания изоляционный материал наклеивается на медные слои и так далее, пока печатная плата не будет готова.

Электронные компоненты добавляются к внешним слоям печатной платы, когда все слои протравлены и ламинированы вместе. Детали для поверхностного монтажа применяются автоматически с помощью роботов, а детали для сквозного монтажа — вручную. Затем все детали припаиваются к плате с использованием таких методов, как пайка оплавлением или волной. На окончательную сборку наносится металлизация, после чего наносится паяльная маска и шелкография.

Прежде чем мы сможем ответить, что такое печатная плата, лучше всего понять, откуда появились печатные платы. Это был огромный путь к разработке HDI-конструкций с сотнями отверстий и печатных плат, электрические соединения которых питают все, от смартфонов до пульсометров и ракет. Процесс от монтажной платы до гибких печатных плат и куда бы то ни было технологий будущего был увлекательным.

До появления печатных плат электрические схемы строились путем присоединения отдельных проводов к компонентам.Проводящие пути были выполнены путем пайки металлических компонентов вместе с проволокой. В более крупных схемах с множеством электронных компонентов было много проводов. Количество проводов было настолько велико, что они могли запутаться или занять большое пространство внутри конструкции. Отладка была сложной и страдала надежность. Производство шло медленно, что требовало ручной пайки нескольких компонентов к их проводным соединениям.

Сетевые правила компоновки устанавливаются при рисовании схемы.

Соединение электронных компонентов с цепями на печатных платах

Устранение необходимости в проводах путем прокладки цепей с медью на многослойных платах.Работая со схемой, разместите компоненты и соедините контакты вдоль слоев печатной платы с продуманным размещением цепей. Начните с автоматической трассировки и используйте ручную трассировку для важных сетей. Altium Designer предлагает автотрассировку для помощи при маршрутизации нескольких сетей.

После того, как вы рассмотрели количество нетто в схеме и определили потребности в маршрутизации для макета, рассмотрите правила и ограничения проектирования.

Сегодня программное обеспечение для печатных плат предоставляет схематический снимок для определения схем и их компонентов для проектирования в печатных платах.Дизайнеры печатных плат работают со схемой, чтобы организовать компоненты на виртуальной плате, габаритные размеры которой были указаны инженером-механиком из группы разработчиков. Компоненты размещаются и трассировка выполняется в соответствии с правилами проектирования, чтобы уменьшить шум за счет тщательно спланированных плоскостей заземления и планирования импеданса.

В наши дни к электронным изделиям предъявляются многочисленные требования, от гибких печатных плат до технологий поверхностного монтажа и компонентов для сложной сборки печатных схем. Процесс производства печатных плат будет значительно улучшен с помощью программного обеспечения, которое может точно и организованно и безопасно отслеживать отверстия, следы и материалы.Кроме того, создание электронных устройств станет проще благодаря схематическому изображению, которое может легко преобразовывать файлы данных на протяжении всего процесса проектирования.

Параметры дифференциальных пар маршрутизации устанавливаются на панели свойств

Использование унифицированной программной среды EDA для сопоставления схем с макетами

Разработчики печатных плат консультируются с проектировщиками схем, чтобы определить наилучшие методы размещения компонентов, многослойного стека, технических характеристик цепей и базы выбор материала.Закупки и цепочки поставок — вот что важно для поиска материалов. Библиотеки компонентов в инструменте содержат информацию о поставщиках и ценах, а также электрические параметры. Производители оборудования привлекаются таким образом, чтобы определения материалов для стопки слоев совпадали с практическими процессами производства печатных плат.

Зная свои посадочные места и ограничения размеров, используйте унифицированную среду Altium для включения в компоновку.

Печатные платы будут становиться только более технологически интенсивными с годами.К счастью, программное обеспечение для проектирования постоянно совершенствуется, чтобы упростить их разработку. При проектировании печатной платы вы меньше всего должны беспокоиться о том, как точно передать производителям отверстия на плате, куда положить медную фольгу или как нанести паяльную пасту. Чем больше слоев на вашей плате, тем больше вам нужен золотой стандарт в программном обеспечении САПР для ваших медных стандартов.

Altium Designer содержит все необходимые инструменты на единой платформе для проектирования и сборки печатной платы.От создания схемы до выпуска и производства, от механических размеров и эскизного чертежа до компоновки платы и посадочных мест компонентов — Altium поможет вам. Во время компоновки схемы могут быть установлены правила для определения высокоскоростных трасс для контроля импеданса. Компоненты могут быть выбраны из общей библиотеки, поэтому физические, а также электрические соображения могут быть учтены при выборе для последующего успеха.

Определите дифференциальные пары в захвате схемы с помощью инструкций

Altium реализует проектирование схем с помощью инструментов унифицированных печатных плат

Вам больше не нужно беспокоиться о том, что детали схемы, записанные в вашей схеме, будут перенесены в макет.Печатная плата и вся связанная с ней подложка, медь, отверстия, слои и дорожки будут производиться в процессе. Но это не должно вызывать беспокойства, если у вас есть точные и легко читаемые выходные данные программного обеспечения.

Унифицированная среда Altium включает в себя инструмент компоновки печатных плат, поэтому дизайнеры могут следить за цепями, которые вы проложили на схеме. Используйте директивы в захвате схемы, чтобы сообщить дизайнеру макета ограничения дизайна. Контуры платы, разработанные вашей командой механиков, легко импортировать в инструмент компоновки плат Altium.Библиотеки компонентов связаны и согласованы в единой среде проектирования. Калькуляторы импеданса соответствуют спецификациям, указанным на схеме.

Унифицированная среда Altium Designer предоставляет все необходимые инструменты в одном месте. Начиная со схемы в каталоге проекта, ваши схемы фиксируются, и ваши цепи определяются. Здесь могут быть установлены правила и ограничения, которые будут перенесены в среду компоновки печатной платы, информируя вашего дизайнера компоновки. Механические чертежи легко импортируются в единую среду, поэтому контуры платы начинаются с их исходных точек.Библиотеки компонентов используются совместно разными инструментами EDA для одной платы, а не являются специальными. Благодаря библиотекам компонентов, связанных на предприятии, разработчики схем могут выбирать легкодоступные детали на ранних этапах цикла проектирования, сохраняя актуальность макета печатной платы к моменту ее выпуска в производство. Маршрутные сети сложны с помощью унифицированных инструментов для расчета импеданса. Плоскости устанавливаются на раннем этапе в диспетчере стека слоев, поэтому высокоскоростные сигналы могут маршрутизироваться по полосковой линии, смежной с плоскостью заземления.

Не бросайте свои печатные платы обратно в дни печатных плат. Позвольте надежному программному обеспечению для проектирования печатных плат выполнять за вас тяжелую работу по созданию печатных плат. Altium Designer — лучший инструмент на рынке для разработки и производства печатных плат для современного электронного рынка.

.

Как работают интегральные схемы?

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 30 января 2020 г.

Вы когда-нибудь слышали о компьютере 1940-х годов? называется ENIAC? Он был примерно такой же длины и веса, как три-четыре двухэтажных автобуса. содержал 18 000 гудящих электронных переключателей, известных как электронные лампы. Несмотря на свои гигантские размеры, это были тысячи в разы менее мощный, чем современный ноутбук — машина примерно в 100 раз меньше.

Если история вычислительной техники звучит как волшебный трюк — выжать все больше и больше мощности во все меньшее и меньшее пространство — это так! Что сделало это возможно было изобретение интегрированного схема (IC) в 1958 году. Это изящный способ набить сотни, тысячи, миллионы или даже миллиарды электронных компонентов на крошечные чипы кремния нет больше, чем ноготь. Давайте подробнее рассмотрим микросхемы и то, как они работают!

Фото: Интегральная схема снаружи. Он поставляется в удобной форме, называемой двухрядным корпусом (DIP), который состоит из черного пластика или керамический внешний корпус с металлическими штырями по бокам для подключения к электронной плате большего размера (коричневая деталь, которую вы видите на заднем плане).Фактическая схема, которая выполняет работу, представляет собой крошечный чип, встроенный в DIP; вы можете увидеть, как он подключен к внешним контактам DIP на следующей фотографии.

Что такое интегральная схема?

Фото: Интегральная схема изнутри. Если бы вы могли снять крышку с типичного микрочипа, такого как тот, что на верхнем фото (а это не очень легко — поверьте, я пробовал!), Вы бы нашли внутри именно это. Интегральная схема — это крошечный квадрат в центре.От него идут соединения к клеммам (металлическим штырям или ножкам) по краю. Когда вы подключаете что-либо к одной из этих клемм, вы фактически подключаетесь к самой цепи. Вы можете увидеть рисунок электронных компонентов на поверхности самого чипа. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Откройте телевизор или радио, и вы увидите, что оно построено вокруг Печатная плата (PCB) : немного похоже на электрическую карту улиц с маленький электронный компоненты (например, резисторы и конденсаторы) на месте здания и печатные медные соединения связывая их вместе как миниатюрные металлические улочки.Печатные платы хороши в небольших таких приборов, но если вы попытаетесь использовать ту же технику для построить сложную электронную машину, например компьютер, вы быстро врезался в препятствие. Даже самому простому компьютеру нужно восемь электронных переключает на хранение одного байта (символа) информации. Итак, если вы хотите построить компьютер с достаточным объемом памяти для хранения этого абзаца, вы смотрите примерно 750 символов, умноженных на 8 или около 6000 переключателей — за один абзац! Если вы любите переключатели, как в ENIAC — электронные лампы размером с взрослый палец — скоро вы получите колоссально большой, энергоемкая машина, которой нужно собственное мини-электричество завод, чтобы он работал.

Когда в 1947 году три американских физика изобрели транзисторы, несколько улучшилось. Транзисторы были размером с электронные лампы и реле. (электромагнитные переключатели, которые начали заменять электронные лампы в середина 1940-х годов), потребляли гораздо меньше энергии и были гораздо более надежными. Но все еще оставалась проблема соединить все эти транзисторы вместе в сложных схемах. Даже после того, как были изобретены транзисторы, компьютеры по-прежнему представляли собой спутанную массу проводов.

Фото: Интегральные схемы вставляются в печатные платы (ПП), как зеленая, которую вы видите здесь.Обратите внимание на тонкие дорожки, соединяющие «ножки» (клеммы) двух разных ИС. Другие дорожки связывают ИС с обычными электронными компонентами, такими как резисторы и конденсаторы. Вы можете думать о рельсах как о «улицах», прокладывающих пути между «зданиями», где делаются полезные вещи (сами компоненты). Существует также миниатюрная версия печатной платы внутри интегральной схемы: дорожки создаются в микроскопической форме на поверхности кремниевой пластины.

Интегральные схемы все изменили.Основная идея заключалась в том, чтобы взять полная схема со всеми ее многочисленными компонентами и соединениями между их, и воссоздать все это в микроскопически крошечной форме на поверхности кусок кремния. Это была удивительно умная идея, и она реализована возможные всевозможные «микроэлектронные» гаджеты, которые мы сейчас принимаем за предоставлено, от цифровых часов и карманные калькуляторы на Луну ракеты и ракеты со встроенной спутниковой навигацией.

Закон Мура

Интегральные схемы произвели революцию в электронике и вычислительной технике в 1960-х и 1970-х годах.Первый, инженеры помещали десятки компонентов на микросхему в так называемой маломасштабной интеграции (SSI). Вскоре последовала Medium-Scale Integration (MSI) с сотнями компонентов в области такого же размера. Как и ожидалось, примерно в 1970 году крупномасштабная интеграция (БИС) принесла тысячи компонентов, очень крупномасштабная интеграция (СБИС). дали нам десятки тысяч и миллионы Ultra Large Scale (ULSI) — и все на микросхемах не больше, чем они был раньше. В 1965 году Гордон Мур из компании Intel, ведущего производителя микросхем, заметил, что количество компонентов на чипе удваивалась примерно каждые один-два года. Закон Мура , как он известен, продолжает действовать с тех пор. В интервью The New York Times 50 лет спустя, в 2015 году, Мур выразил свое удивление по поводу того, что закон продолжает действовать: «Первоначальное предсказание заключалось в том, чтобы смотреть на 10 лет, что, по моему мнению, было большой натяжкой. Это исходило примерно из 60 элементов. на интегральной схеме до 60 000 — тысячекратная экстраполяция за 10 лет. Я думал, что это было довольно дико. Тот факт, что нечто подобное происходит в течение 50 лет, поистине удивительно.«

Диаграмма

: Закон Мура: количество транзисторов, упакованных в микрочипы, примерно удваивается каждый год или два за последние пять десятилетий — другими словами, оно растет экспоненциально. Если вы построите график количества транзисторов (ось y) в зависимости от года выпуска (ось x) для некоторых распространенных микрочипов за последние несколько десятилетий (желтые звезды), вы получите экспоненциальную кривую; вместо этого построив логарифм, вы получите прямую линию. Обратите внимание, что вертикальная ось (y) на этой диаграмме логарифмическая. и (из-за графического программного обеспечения OpenOffice, которое я использовал) горизонтальная ось (x) является лишь неопределенно линейной.Источник: построено с использованием данных Transistor Count, Wikipedia, сверено с данными из других источников.

Как изготавливаются интегральные схемы?

Фото: Интегральные схемы производятся в безупречно чистых условиях; Рабочие должны носить вот такие «костюмы кроликов», чтобы не допустить заражения чипов, которые они производят. Это завод Intel по производству пластин в Чандлере, Аризона, США. Фото любезно предоставлено архивом Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

Как сделать что-то вроде микросхемы памяти или процессора для компьютера? Все начинается с необработанного химического элемента, такого как кремний, который подвергается химической обработке или легированию для придания ему различных электрических свойств …

Легирование полупроводников

Если вы читали наши статьи о диодах и транзисторы, ты будешь знаком с идеей полупроводников . Традиционно люди думали, что материалы можно разделить на две аккуратные категории: которые позволяют электричеству течь через их довольно легко (проводники) и те, что нет (изоляторы).Металлы составляют большую часть проводников, а неметаллы, такие как пластик, дерево и стекло изоляторы. На самом деле все гораздо сложнее, особенно когда речь идет об определенных элементы в середине периодической таблицы (в группах 14 и 15), особенно кремний и германий. Обычно изоляторы, эти элементы могут быть заставить вести себя больше как проводники, если мы добавим небольшое количество примеси к ним в процессе, известном как легирование . Если вы добавите сурьму в кремний, вы получите немного больше электронов, чем он. обычно имеет — и способность проводить электричество.Кремний «легированный» таким образом называется n-типа . Добавляем бор вместо сурьмы и вы удаляете часть электронов кремния, оставляя «дырки» которые работают как «отрицательные электроны», несущие положительный электрический ток в обратном порядке. Такой кремний называется p-type . Расположение областей кремния n-типа и p-типа рядом создает переходы, в которых электроны ведут себя очень интересным образом — и это как мы создаем электронные компоненты на основе полупроводников, такие как диоды, транзисторы и воспоминания.

Внутри завода по производству микросхем

Фото: кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Процесс создания интегральной схемы начинается с большого монокристалл кремния, имеющий форму длинной сплошной трубки, которая «нарезана салями» на тонкие диски (про габариты компакт-диска) вафли называются . Пластины размечены на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых из которых будет составлять один кремниевый чип (иногда называемый микрочип).Тогда тысячи, миллионы или миллиарды компонентов создается на каждом чипе путем легирования различных участков поверхности, чтобы превратить их в Кремний n-типа или p-типа. Допинг осуществляется множеством разных процессы. В одном из них, известном как напыление , ионы легирующего материала стреляют в кремниевую пластину, как пули из пистолет. Другой процесс называется осаждением из паровой фазы включает введение легирующего материала в виде газа и его конденсацию, чтобы атомы примеси создают тонкую пленку на поверхности кремния вафля.Молекулярно-лучевая эпитаксия это гораздо более точная форма осаждения.

Конечно, создание интегральных схем, содержащих сотни, миллионы, или миллиарды компонентов на кремниевом чипе размером с ноготь — это все немного сложнее и запутаннее, чем кажется. Представьте себе хаос даже пятнышко грязи может вызвать, когда вы работаете на микроскопический (а иногда даже наноскопический) масштаб. Вот почему полупроводники производятся в безупречных лабораторных условиях, называемых чистых помещений , где воздух тщательно продувается фильтрованный и рабочие должны входить и выходить через шлюзы в любых защитная одежда.

Как сделать микрочип — краткое описание

Хотя создание микросхемы очень сложно и сложно, на самом деле существует всего шесть отдельных шагов (некоторые из них повторяется более одного раза). Процесс значительно упрощен, вот как работает:

1. Изготовление пластин: мы выращиваем чистые кристаллы кремния в длинные цилиндры и разрезаем их (как салями) на тонкие пластины, каждая из которых в конечном итоге будет разрезана на множество чипов.
2. Маскирование: мы нагреваем пластины, чтобы покрыть их диоксидом кремния, и используем ультрафиолетовый свет (синий), чтобы добавить твердый защитный слой, называемый фоторезистом.
3. Травление: мы используем химические вещества для удаления части фоторезиста, создавая своего рода шаблонный узор, показывающий, где нам нужны области кремния n-типа и p-типа.
4. Легирование: Мы нагреваем протравленные пластины газами, содержащими примеси, чтобы образовались области кремния n-типа и p-типа. Может последовать дополнительная маскировка и травление.
5. Тестирование: длинные металлические соединительные провода проходят от испытательной машины с компьютерным управлением к клеммам на каждой микросхеме. Любые чипы, которые не работают, помечаются и отклоняются.
6. Упаковка: Все нормально работающие микросхемы вырезаны из пластины и упакованы в защитные куски пластика, готовые для использования в компьютерах и другом электронном оборудовании.

Кто изобрел интегральную схему?

Вы, наверное, читали в книгах, что ИС были разработаны совместно Джек Килби (1923–2005) и Роберт Нойс (1927–1990), как если бы эти двое мужчин с радостью сотрудничали в их гениальном изобретении! Фактически, Килби и Нойс идея пришла в голову самостоятельно, более или менее точно так же время, вызвав яростную битву за права на изобретение, которое был совсем не счастлив.

Как два человека могли изобрести одно и то же в одно и то же время? Легко: идея интегральных схем ждала воплощения. К середине 1950-х гг. мир (и военные в частности) открыли удивительный потенциал электронных компьютеров, и это ослепляюще для таких провидцев, как Килби и Нойс, было очевидно, что лучший способ сборки и подключения транзисторов в больших количества. Килби работал в Texas Instruments, когда наткнулся на свою идею он назвал принципом монолитности : пытаясь построить все различные части электронной схемы на кремниевом чипе.12 сентября 1958 года он вручную собрал первую в мире грубую интегральную схему. используя чип из германия (полупроводниковый элемент, подобный кремний) и Texas Instruments подали заявку на патент на идея в следующем году.

Между тем, в другой компании под названием Fairchild Semiconductor (образованной небольшая группа сотрудников, которые первоначально работали над транзистором пионер Уильям Шокли) не менее блестящий Роберт Нойс экспериментировал с миниатюрой схемы его собственные.В 1959 году он использовал серию фотографических и химические методы, известные как планарный процесс (который только что был разработан коллегой Жаном Орни) создать первую практическую интегральную схему, метод, который Fairchild затем попытался патент.

Работа: Snap! Два великих инженера-электрика, Джек Килби и Роберт Нойс, пришли к той же идее почти в одно и то же время в 1959 году. Хотя Килби первым подал патент, патент Нойса был выдан раньше.Вот рисунки из их оригинальных патентных заявок. Вы можете видеть, что в обоих случаях мы придерживаемся одной и той же идеи с электронными компонентами, сформированными из переходов между слоями полупроводников p-типа (синий) и n-типа (красный). Подключения к областям p-типа и n-типа показаны оранжевым и желтым, а базовые слои (подложки) показаны зеленым. Произведения любезно предоставлены Управлением по патентам и товарным знакам США с добавленной нами собственной окраской, чтобы улучшить ясность и подчеркнуть сходство. Вы можете найти ссылки на сами патенты в приведенных ниже ссылках.

Между работой двух мужчин и Техасом было значительное совпадение. Инструменты и Fairchild боролись в судах большую часть 1960-х годов за то, кто действительно разработал интегральную схему. Наконец, в 1969 г. компании согласились поделиться идеей.

Килби и Нойс в настоящее время по праву считаются соавторами возможно, самая важная и далеко идущая технология, разработанная в 20-м веке. век. Оба мужчины были введены в Национальный зал изобретателей Слава (Килби в 1982 году, Нойс в следующем году) и Килби прорыв был также отмечен присуждением половины доли в Нобелевская премия в Физика в 2000 году (как очень великодушно отметил Килби в своей благодарственной речи, Нойс наверняка разделил бы приз, если бы он не умер от сердечного приступа десятью годами ранее).

Хотя Килби помнят как блестящего ученого, наследие Нойса имеет добавленное измерение. В 1968 году он стал соучредителем компании Intel Electronics. с Гордон Мур (1929–), который продолжил разработку микропроцессора (однокристальный компьютер) в 1974 году. С IBM, Microsoft, Apple и др. компаниям-новаторам, Intel приписывают помощь в создании доступные персональные компьютеры для дома и на работе. Спасибо Нойсу и Килби и блестящих инженеров, которые впоследствии основывались на своей работе, сейчас используется около двух миллиардов компьютеров. во всем мире многие из них встроены в мобильные телефоны, портативные устройства спутниковой навигации и другие электронные устройства.

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

• Хотите узнать больше о пионерах? Посмотрите на эти страницы о Джек Килби, первоначально опубликованный на сайте Texas Instruments или посетите музей Intel, чтобы узнать о Роберте Нойсе, Гордоне Муре и их коллегах. Оба сайта имеют великолепную коллекцию фотографии ранних интегральных схем.

Статьи

• Хорошее, плохое и странное: 3 направления закона Мура Сэмюэля К.Мур. IEEE Spectrum, 26 октября 2018 г. Взгляд на недавний технический прогресс в получении новой жизни из старого закона.
• Intel находит следующий шаг закона Мура при 10 нанометрах, автор Рэйчел Кортленд. IEEE Spectrum, 30 декабря 2016 г. Как новый завод по производству микросхем поможет Intel вдохнуть новую жизнь в закон Мура.
• Закон Мура «Закончилось место, технология ищет преемника» Джона Маркова. The New York Times, 4 мая 2016 г. Почему это имеет значение, если производители микросхем больше не могут следовать закону Мура?
• Закон Мура менее важен для технической индустрии? пользователя Quentin Hardy.Нью-Йорк Таймс. 25 июля 2014 г. Изменение рабочих привычек и появление облачных вычислений меняют ожидания людей от своих компьютеров, а это означает, что закон Мура уже не так важен, как был.
• Замедляет ли конец закона Мура мировую гонку суперкомпьютеров? пользователя Роберт Макмиллан. Wired, 23 июня 2014 г. Суперкомпьютеры не работают быстрее, чем раньше. Может быть, закон Мура, наконец, подходит к концу?
• «25 микрочипов, потрясших мир» Брайана Санто.IEEE Spectrum, 1 мая 2009 г. Если вы думаете, что микросхема — это просто микросхема, подумайте еще раз. В этой статье перечислены две дюжины классических микросхем, от схем таймера до флэш-памяти и синтезаторов речи до микропроцессоров, которые радикально изменили историю вычислений.

Книги

История

Технологии

Видео

• От песка к кремнию: Intel показывает вам процесс создания микрочипа, начиная с пустыни (с песка, который дает нам кремний) и заканчивая готовым чипом.Довольно изящное видео, но некоторые комментарии или объяснения не пропали бы даром: это видео действительно имеет смысл только в том случае, если вы уже знаете обо всех процессах, которые вам показывают.

Патенты

Один из лучших способов узнать об изобретениях — это прочитать, как сами изобретатели видели и представляли свои собственные идеи; патенты предлагают отличный способ сделать это. Для тех, кто хочет получить более подробную информацию, вот пара ключевых патентов Килби и Нойса, на которые стоит обратить внимание:

• Патент США 3,115,581: Миниатюрная полупроводниковая интегральная схема от Джека С.Kilby, Texas Instruments, подана 6 мая 1959 г. и опубликована 24 декабря 1963 г. Описывает основную идею создания интегральных схем «с использованием только одного материала для всех элементов схемы и ограниченного числа совместимых этапов процесса для их производства».
• Патент США 2 981877: Полупроводниковое устройство и структура выводов Роберта Н. Нойса, Fairchild Semiconductor, поданный 30 июля 1959 г. и выданный 25 апреля 1961 г. Хотя Нойс подал заявку на это изобретение через два месяца после Килби, патент Нойса был предоставлен более чем через два годами ранее, что способствовало ожесточенной битве между Texas Instruments и Fairchild за то, кто именно изобрел интегральную схему.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2009/2020) Интегральные схемы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/integratedcircuits.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

.

Интегральная схема и закон Мура | ОРЕЛ

Это маленький вдохновитель, стоящий за всей нашей электроникой, который прокладывает себе путь, чтобы захватить мир. Нет, мы здесь не говорим о Пинки и Мозге, а об интегральной схеме или ИС! Эти маленькие черные фишки полны тайн, но какие силы они обладают? Об этом мы узнаем сегодня в нашем блоге.

Главный компонент современной электроники основан на скрытой мощности интегральной схемы, и вы, вероятно, будете использовать ее в своих собственных проектах.Итак, вот все, что вам нужно знать, и Мур, о том, как работает ИС!

Дорогая, я сжал схему!

Итак, что же такое интегральная схема? В своей основной форме ИС — это просто набор крошечных электронных компонентов, организованных на куске кремния. По сравнению с их более крупными братьями и сестрами, компоненты ИС могут быть почти микроскопическими по размеру, и каждая ИС содержит уникальный набор диодов, транзисторов, микропроцессоров, конденсаторов и т. Д.… Все они находятся на чем-то меньшем, чем десять центов!

Все стандартные стандартные компоненты были уменьшены, чтобы поместиться внутри этой интегральной схемы.(Источник изображения)

В чем преимущество объединения всех этих компонентов в одну интегральную схему? Много! Вот лишь несколько:

• Спасатели места . Вместо того, чтобы требовать целую печатную плату, заполненную тоннами транзисторов, диодов и других деталей, вы можете получить все эти расширенные функции в минимальных размерах.
• Большая сложность . Уровень сложности такого маленького пакета позволил нам создать довольно удивительные вещи.Как и самопосадочные ракеты, и спутники со встроенной навигацией. Представьте себе попытку создать эти вещи из миллиардов сквозных компонентов!
• Общие цели . Создав крошечную интегральную схему с точным назначением, вы можете собрать их все вместе для достижения общей цели. Вам нужно устройство слежения за вашим автомобилем? Одна ИС может обеспечивать GPS, другая — отправлять сообщения, а последняя ИС микроконтроллера может управлять всеми данными, передаваемыми туда и обратно.

И, конечно же, у вас есть возможность взять все эти отдельные, но соединенные части, присутствующие в обычной цепи, и собрать их все вместе в одном месте! Это дает вам все необходимые расширенные функции в готовой схеме без необходимости ее сборки самостоятельно!

Интегральная схема действительно является мозгом всех современных электронных устройств, и вам будет трудно найти их повсюду, например, в радарах, телевизорах, видеообработке, ракетах и, да, даже в соковыжималках! Список бесконечен.Просто сделайте быстрое сканирование всех электронных устройств в вашем доме, и вы обязательно найдете IC внутри почти всех из них. Но откуда они взялись?

Начало интегральной схемы

До того, как появилась интегральная схема, королем дня были электронные лампы, которые использовались для усиления электрических сигналов и питания компьютеров размером с целую комнату! Но эти монолитные электронные лампы регулярно выходили из строя и при этом выделяли тонны тепла.

Итак, в 1947 году три американских физика превзошли вакуумную лампу, создав первый транзистор. Эти штуки были размером с электрическую лампу, потребляли меньше энергии и почти не ломались. А если объединить связку этих транзисторов вместе? Вы получаете интегральную схему!

Первый транзистор, изобретенный в 1947 году тремя американскими физиками для замены громоздкой электронной лампы.

Первую интегральную схему разработали два джентльмена — Джек Килби и Роберт Нойс.Килби в то время работал в Texas Instruments, где у него возникла идея построить все части электронной схемы на одном кристалле. Вскоре он воплотил свою идею в жизнь и построил первую в мире интегральную схему 12 сентября 1958 года на пластине германия.

Первая интегральная схема с использованием германия, созданная Джеком Килби в 1958 году. (Источник изображения)

Роберт Нойс также работал в Fairchild Semiconductor. Используя новый химический метод, известный как планарный процесс, Нойс в 1959 году создал еще один вариант интеграции; на этот раз задействовать кремний, который используется до сих пор!

Роберт Нойс (слева) и Джек Килби (справа), оба создали свои собственные версии первой интегральной схемы примерно в одно и то же время.(Источник изображения)

Конечно, обе компании поспешили получить патент на свои изобретения, и 25 апреля 1961 года патентное ведомство выдало Роберту Нойсу первый патент на интегральную схему! Сегодня и Килби, и Нойсу приписывают изобретение интегральной схемы, а позже Килби получил Нобелевскую премию по физике в 2000 году за свой вклад в будущее электроники. Вскоре мир уйдет от простой однотранзисторной интегральной схемы от Нойса и Килби, и вскоре родится целый производственный процесс, который выкачивает эти маленькие черные микросхемы в мир.

Doping It Up — Как делают IC

В основе интегральной схемы лежат слои кремниевых пластин (полупроводников) и меди, которые объединяются для создания электронных компонентов, которые мы сегодня используем в наших макетных платах — транзисторов, резисторов, диодов и т. Д. В миниатюрной форме. Когда вы объединяете все эти части вместе в интегральную схему, вы создаете кристалл. Но как именно сделан этот штамп? Вот где допинг появляется в

Полупроводники и легирование

Полупроводники — это не просто проводники или изоляторы; они оба! Хотя многие люди думали, что проводники и изоляторы делятся на категории поровну, эта истина становится немного нечеткой, чем дальше вы продвигаетесь в периодической таблице.Есть несколько материалов, включая кремний и германий, которые могут действовать как изоляторы, так и как проводники, в зависимости от того, какие примеси в них добавлены. Этот процесс добавления примесей называется легированием, и вкратце он работает:

• Допинг N-типа. Допустим, у вас есть кусок кремния, и вы добавляете к нему химический элемент сурьму. Это даст кремнию больше электронов, чем обычно, а также позволит ему проводить электричество.Этот легированный кремний называется кремнием N-типа .
• Допинг типа Р. Если вы возьмете тот же кремний и добавите к нему химический элемент бор, то вы удалите часть электронов кремния, оставив зазоры, которые действуют как отрицательные электроны, которые могут переносить электрический ток в противоположном направлении, чем кремний n-типа, Итак, вы создали кремний p-типа .
• Собираем вместе. Соединяя кремний n-типа и p-типа вместе, вы можете создать пути для прохождения электронов.И этот обмен электронами является основой включения и выключения или двоичной функции 1 и 0 современных транзисторов, интегральных схем и цифровой электроники!

Здесь вы можете увидеть разницу между легированием n-типа (слева) и p-типа (справа) и его влияние на электроны кремния. (Источник изображения)

Есть несколько методов, чтобы процесс допинга происходил. Один из них называется распыление , в котором легирующий материал обстреливается кремниевой пластиной пулеметным способом.Существует также другой метод, называемый парофазным осаждением , который использует газ для переноса примесей в виде пленки на поверхность кремниевой пластины. Вот весь процесс, через который кусок кремния станет интегральной схемой:

• Вафли. Ученые впервые вырастили кристаллы кремния в форме длинных цилиндров, похожих на трубку из теста для печенья. Затем они нарезаются очень тонкими ломтиками, образуя так называемые вафли.
• Маскировка . Затем на каждую пластину воздействуют тепло и ультрафиолетовое излучение, оставляя после себя покрытие из диоксида кремния и защитный слой, называемый фоторезистом.
• Офорт . Пришло время для химической ванны, в которой с этих замаскированных пластин будет удалена часть фоторезиста, оставив шаблон для размещения областей n-типа и p-типа.
• Допинг . Протравленные пластины снова нагревают газами, содержащими наши легирующие примеси, чтобы создать кремний n-типа и p-типа.
• Тестирование . Готовые пластины теперь проходят через испытательную машину для проверки правильности соединений. Любая непроходящая пластина выбрасывается.
• Упаковка . Все пластины, прошедшие этап тестирования, затем упаковываются в черные ящики, которые мы привыкли видеть на печатной плате!

Шестиэтапный процесс создания интегральной схемы, начиная с создания пластины и заканчивая окончательной упаковкой, которую мы привыкли видеть на печатной плате.(Источник изображения)

Общие типы ИС

Интегральные схемы

бывают всех форм и размеров, и все они могут быть разделены на три основные категории:

• Цифровые интегральные схемы. Эти ИС работают по двоичной системе, которая питает всю современную цифровую электронику, используя систему единиц и нулей, чтобы происходить удивительные вещи. В цифровых интегральных схемах вы найдете логические вентили, транзисторы и т. Д., Все объединенные в один чип для питания таких устройств, как Arduino или Raspberry Pi.
• Аналоговые интегральные схемы. В отличие от своего цифрового кузена, аналоговая ИС работает, решая эти постоянно меняющиеся аналоговые сигналы, и может выполнять некоторые тяжелые задачи, включая фильтрацию, усиление и модуляцию.
• Интегральные схемы со смешанными сигналами. Когда вы объединяете как цифровые, так и аналоговые функции в одном кристалле, вы создаете ИС смешанного сигнала. Вы обнаружите, что этих ребят используют для таких вещей, как синхронизация / регулировка времени и цифро-аналоговое или аналого-цифровое преобразование.

В области цифровых интегральных схем вы найдете множество разнообразных решений, включая логические вентили, таймеры, микроконтроллеры, микропроцессоры, FPGA и датчики. Все эти ИС содержат миллионы и даже миллиарды транзисторов в одной цепи. Но как определить разницу между ними? Здесь могут помочь типы пакетов.

Определение типов упаковки

Мозг интегральной схемы умело спрятан под защитной оболочкой, которую вы привыкли видеть на печатной плате.Все типы корпусов стандартизированы, что упрощает пайку к печатным платам или подключение к макетным платам для создания прототипов. На каждом корпусе есть набор серебряных контактов, которые позволяют ИС подключаться к другим частям вашей схемы. Хотя существуют разные типы пакетов, мы рассмотрим наиболее распространенные, с которыми вы обязательно столкнетесь в своих проектах:

Двухрядные блоки (DIP)

Этот тип корпуса является частью семейства сквозных отверстий, и вы можете легко распознать эти микросхемы, посмотрев на их длинные прямоугольные формы с параллельными рядами контактов.Этот тип корпуса идеально подходит для использования на макетных платах и ​​может включать от 4 до 64 контактов.

Типичный тип корпуса Dual-Inline Package с двумя рядами контактов и длинной прямоугольной формой. (Источник изображения)

Небольшие наброски (СОП)

ИС

SOP тесно связаны с DIP, за исключением того, что они применяются в качестве компонентов для поверхностного монтажа, а не для сквозных отверстий. Эти чипы не будут использоваться в ваших экспериментах по макетированию, и для их точного применения потребуется какое-то современное оборудование.ИС SOP бывают нескольких разновидностей, включая тонкие и малые габаритные пакеты (TSOP) и тонкие термоусадочные пакеты малых размеров (TSSOP).

Подобно DIP с двойным рядом контактов, однако эти устройства устанавливаются на поверхность. (Источник изображения)

Quad Flat Packages (QFP)

Этот тип корпуса легко определить по контактам, выступающим со всех четырех сторон ИС. Эти полезные микросхемы могут иметь от 8 до 70 контактов на каждой стороне, что дает им целых 300 контактов для работы во время процесса компоновки печатной платы! Вы найдете множество микропроцессоров, использующих тип корпуса QFP, включая популярный ATmega328.

Quad Flat Package , используемый в популярном ATmega328. (Источник изображения)

Шаровая сетка (BGA)

Последний тип упаковки, а также самый продвинутый — это Ball Grid Array. Эти сложные типы корпусов включают небольшие шарики припоя на дне, расположенные в виде рисунка или сетки. Маршрутизация всех выводов на BGA может быть довольно сложной, часто требуется несколько часов, чтобы вывести цепи из узкого промежутка (это называется разводкой разветвителей).Вы обнаружите, что тип корпуса BGA используется только для самых продвинутых микропроцессоров, таких как Raspberry Pi.

Сегодняшние современные массивы Ball Grid содержат сотни выводов, разводка которых дизайнером может занять несколько часов. (Источник изображения)

Закон Мура и будущее интегральных схем

С тех пор, как в 1960-х годах появились интегральные схемы, инженеры начали размещать десятки компонентов на одном кристалле в так называемой маломасштабной интеграции или SSI.Вскоре после этого сотни компонентов были размещены в одном корпусе, затем тысячи и миллионы! Заметили здесь тенденцию?

Гордон Мур, соучредитель Intel, конечно, сделал. Мур сделал наблюдение, а также предсказал, что количество компонентов, размещаемых на микросхеме, удваивается примерно каждые один-два года и будет продолжать это делать. Это знаменитый закон Мура .

Устойчивый и постепенный рост количества транзисторов, упаковываемых в ИС, год за годом, известный как закон Мура.

Сегодня закон Мура наталкивается на некоторые проблемы. К 2006 году мы втиснули более 300 миллионов транзисторов на одном кристалле. Но сегодняшние ИС содержат «всего» около 1 миллиарда транзисторов. Это далеко от прогноза Мура, который говорит, что мы должны использовать 4-5 миллиардов. Так в чем проблема? Несколько вещей:

• Проблема с местом. Чем больше компонентов мы помещаем в одно пространство, тем больше проблем мы обнаруживаем. Например, сбой в работе одного атома-изгоя, который может разрушить весь чип и обеспечить некоторую сомнительную надежность.
• Становится все жарче . Наличие миллионов и миллиардов транзисторов, упакованных в такое маленькое пространство, создает огромную проблему с нагревом, как вы собираетесь справиться с этим повышением температуры в и без того уменьшающихся размерах наших устройств?
• Странное поведение. Когда вы начинаете упаковывать транзисторы вместе, возникает квантовая механика, и электроны начинают прыгать без причины. Это становится проблемой для вашего компьютера, где паразитные электроны могут означать разницу между чистыми и поврежденными данными.

Итак, какое решение? Некоторые предлагают прекратить использование кремния и перейти к другим проводящим материалам, таким как графен. Но мы до сих пор не придумали, как надежно производить этот новый материал. Также есть возможность заменить электроны чем-то более быстрым, например фотонами! Пока неизвестно, будет ли какая-либо из этих альтернатив обеспечить будущее наших компьютеров. Вот отличное видео, в котором резюмируются проблемы, с которыми мы сталкиваемся в связи с законом Мура, и где мы можем двигаться в будущем (лазерные компьютеры, кто-нибудь?)

Сегодня, Электроника.Завтра мир!

Итак, это все, что касается безумного и безумного мира интегральных схем. Можем ли мы угадать, что нас ждет в будущем по мере того, как мы будем упаковывать все больше и больше транзисторов в меньшее пространство? Остается только догадываться. Но если есть что-то наверняка, так это то, что интегральные схемы будут и дальше служить маленькими вдохновителями всех наших электронных устройств.

Мы увидели, насколько полезными могут быть эти вещи, предоставляя мозги, стоящие за такими вещами, как радары, телевизоры, обработка видео и наши собственные компьютеры.А имея кучу различных типов корпусов для работы, вы обязательно столкнетесь со своей собственной ИС, когда начнете свой первый проект в области электроники.

Готовы начать свой первый проект в области электроники сегодня? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно!

.