Генрих Кардашев - Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником

Светодиоды могут иметь несколько р-n переходов на одном кристалле — матричные светодиоды. Из подобных структур создают многоразрядные знакосинтезирующие индикаторы (рис 15, в).

Светодиоды имеют низкое напряжение питания, малый ток и высокое быстродействие.

Арсенид-галлиевые светодиоды излучают свет в инфракрасном диапазоне (ИК). Это ИК-диоды. Максимум их излучения лежит в диапазоне 0,87…0,96 мкм, излучаемая мощность 10…500 мВт, максимальный ток 100…2500 мА.

Полупроводниковые лазеры

В отличие от простых светодиодов, дающих некогерентное излучение, в специальных инжекционных лазерах генерируется когерентное излучение света. Помимо определенного выбора активной среды инжекционного лазера, представляющего собой в электрической цепи диод, в нем на основе р-n перехода выполняется еще и специальная резонансная оптическая система. Эта система и вносит основные ограничения на размеры устройства: площадь поперечного сечения р-n перехода — 0,5…2 мкм2, длина излучающей области — 300…500 мкм. Излучение имеет форму иглы с пространственным расхождением луча, составляющим несколько угловых минут.

Полупроводниковый лазер может работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме.

Оптроны

Оптроны, или оптопары, состоят из двух рассмотренных выше оптоэлектронных приборов, связанных общим световым каналом так, что один из них является излучателем света, а другой — его приемником. Таким образом, оптрон представляет собой электрический многополюсник, в котором передача сигнала от входа к выходу осуществляется за счет преобразования входного электрического сигнала в световой сигнал, его передаче внутри устройства и последующего преобразования в электрический выходной сигнал.

В оптронах используются некогерентные оптоэлектронные полупроводниковые приборы. Общим требованием ко всем оптронам является согласованность оптических спектральных характеристик излучателя и приемника. Между входом и выходом оптрона обеспечивается высокая электрическая изоляция, и он служит идеальной гальванической развязкой электрических цепей. В этом, собственно, и заключено его основное достоинство и на этом строятся его применения.

Основным видом излучателя в оптронах является светодиод.

В качестве фотоприемников в оптронах применяют: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Соответственно по названиям этих фотоприемников и называют весь оптрон.

Резисторный оптрон представляет собой входной светодиод и выходной фоторезистор, объединенные в одном корпусе оптически прозрачным клеем с большим сопротивлением изоляции.

В диодном оптроне аналогично объединены свето- и фотодиод, с которого на выходе снимается фото-ЭДС. Используют также и диодное включение фотодиода.

Транзисторный оптрон состоит из ИК-диода на основе арсенида галлия, имеющего максимум излучения в области максимальной чувствительности приемного фототранзистора (длина волны 1 мкм). Сопряжение излучателя и приемника осуществляется, как и в остальных приборах, прозрачным клеем, являющимся одновременно электрическим изолятором.

В тиристорном оптроне, устроенном аналогично транзисторному, в качестве приемника излучения используется кремниевый фототиристор.

Оптосимистор состоит из арсенид-галиевого ИК-светодиода, соединенного оптическим каналом с двунаправленным кремниевым переключателем (симистором). Последний может быть дополнен отпирающей цепью, срабатывающей при переходе питающего напряжения через нуль и размещенной на том же кремниевом кристалле. Это весьма удобная в использовании оптопара, позволяющая вывести управляющий сигнал с логических элементов, имеющих малый уровень напряжения, на нагрузку, питаемую от сети с напряжением до 800 В. Оптосимисторы размещают в малогабаритных DIP-корпусах с шестью выводами.

Помимо простых вышеперечисленных оптронов используются также и более сложные устройства: оптоэлектронные интегральные микросхемы (переключательные, функциональные и др.), а также специальные виды оптронов с открытым оптическим каналом, с гибким световодом и с управляемым оптическим каналом.

Жидкокристаллические индикаторы

Буквенно-цифровые ЖКИ представляют собой печатную плату, на которой расположены выводы подключения и управляющие элементы. Сверху на печатной плате закреплено жидкокристаллическое табло в металлической оправе.

В ЖКИ используется эффект изменения оптических характеристик некоторых органических жидкостей (относящихся к классу жидких кристаллов) под действием электрического поля с напряженностью 2…5 кВ/см. Изменение ориентации молекул в некоторых производных бензола, ряде гетероциклических соединений и других в области электродов, приводит к локальным изменениям коэффициента отражения и преломления. Это и делает их в этих местах непрозрачными. Таким образом, в проходящем или отраженном свете внешнего источника появляется изображение, сформированное электрическим полем. При снятии напряжения прозрачность структуры восстанавливается.

Управление типовым индикатором осуществляется с помощью специализированных микросхем, соединенных с ними 8- или 4-разрядной шиной через 16-контактный разъем.

В отличие от светодиодов и инжекционных лазеров, ЖКИ являются пассивными приборами, не создающими собственного излучения; невелико также и быстродействие ЖКИ. Это ограничивает область их использования в основном в качестве дисплеев микрокалькуляторов, часов и переносных электроизмерительных приборов. В ЖКИ может использоваться дополнительная подсветка (электролюминесцентная, светодиодная и флуоресцентная с холодным катодом).

Микросхемы и микроконтроллеры

Операционные усилители

Всего лишь два-три десятка лет тому назад практически на равных существовали два вида электронных вычислительных машин: аналоговые (АВМ) и цифровые (ЦВМ). Для решения особо сложных задач создавались гибридные вычислительные комплексы из АВМ и ЦВМ.

В отличие от цифровой машины в аналоговой для выполнения каждой математической операции существовал свой специализированный операционный блок: сумматор, «перемножитель», интегратор и т. д. Число таких блоков в одной машине доходило до нескольких сотен. Основу операционного блока составлял сначала ламповый, а потом транзисторный усилитель, получивший название операционного. Операционный усилитель (сокращенно — ОУ) на английском языке называется Operational Amplifier (сокращенно — Op Amp), а радиолюбители ласково окрестили его как «операционник». Поскольку в математических операциях встречаются не только переменные величины, но и константы, представляющие на языке сигналов постоянные напряжения и токи, то ОУ принципиально должен быть усилителем постоянного тока. Значит, его АЧХ должна начинаться с нуля и быть равномерной в широкой полосе частот. В теоретических расчетах используют понятие идеального ОУ с бесконечно большим коэффициентом усиления и полосой частот; на расчетных схемах для него используется специальное УГО (рис. 16, а).

Стабильность работы ОУ должна быть очень высокой, иначе неминуемы ошибки и сбои. Существенный прорыв в улучшении характеристик ОУ и других устройств был достигнут в микросхемотехнике при использовании интегральных технологий.

Рис. 16. Микросхемы:

а — идеальный ОУ; б, г — внешний вид аналоговой и цифровой микросхем; в-е — УГО и компоненты EWB; ж — микроконтроллер

Создание интегральной микросхемы

Двухметровый уроженец Канзаса Джек Килби был тихим, замкнутым человеком. В свое время он не добрал на вступительных экзаменах по математике трех баллов и не смог поступить в Массачусетский технологический институт. Позже он поступил в Иллинойский университет и, окончив его, 10 лет проработал в малоизвестной фирме, выпускавшей радио- и телевизионные детали.

В мае 1958 г. ему представилась счастливая возможность перейти в знаменитую фирму «Texas Instruments». Здесь в то время выполнялся военный заказ по миниатюризации электронных схем на основе микромодулей: электронные элементы печатались на тончайших керамических пластинках, которые затем спаивали в виде стопки, получая нужную схему.

В июле сотрудники компании отправились в двухнедельный летний отпуск. Килби же, как новичку, отпуск еще не полагался. Он остался в лаборатории практически один и вынужден был выполнять сам почти все технологические операции. Снуя по лаборатории от резака к вакуумному посту, от него к микроскопу, от микроскопа к рабочему столу, Килби упорно спаивал стопки пластинок, но работа не клеилась: ему явно не хватало навыков по операциям, в которых набили руку его отдыхавшие коллеги. И тогда его буквально осенило: «Ведь резисторы и конденсаторы можно не только делать порознь из того же полупроводникового материала, что и транзисторы, но и изготавливать все компоненты одновременно на одной и той же полупроводниковой пластине». Это был путь к интегральной технологии.