Тема 1.5. Ионные приборы

Наряду с электронными приборами в судовых радиоустановках применяются приборы, ток в которых протекает за счет электриче­ского разряда в газах, находящихся внутри баллона. Такие приборы называются ионными или газоразрядными

Действие ряда ионизирующих факторов (космическое излучение, фотоэлектронная эмиссия и пр.) обусловливает всегда присутствие в га­зе некоторого количества остаточных ионов, которые способствуют возникновению тока через газовый промежуток.

Если имеется двухэлектродная лампа с двумя неэмиттирующими электродами, пространство между которыми заполнено разряженным газом, то при отсутствии электрического поля ионы находятся в со­стоянии беспорядочного хаотического движения.

При подаче напряжения на электроды лампы под действием элект­рического поля положительные ионы будут двигаться к отрицательно заряженному электроду — катоду, а электроны — к положительно заряженному электроду — аноду. Таким образом, в лампе возникнет ток. Такой вид газового разряда называется самостоятельным.

Если электроны и ионы создаются самим разрядом, то разряд назы­вается несамостоятельным. Для осуществления несамостоятельного разряда, кроме разности потенциалов на электродах, необходимо, чтобы осуществлялась ионизация газа столкновением электронов, излучаемых катодом, с нейтральными частицами газа. Электроны, возникающие в процессе ионизации газа, попадая на положительно заряженный анод, создают ток в анодной цепи прибора, а положитель­но заряженные ионы, притягиваясь катодом, компенсируют отрица­тельный пространственный заряд вокруг катода.

В ионных (газоразрядных) приборах с несамостоятельным разрядом различают следующие основные виды газовых разрядов:

а) тлеющий разряд, который возникает при небольших плотно­стях тока и при холодном (ненакаливаемом) катоде, испускающем электроны за счет вторичной эмиссии под влиянием бомбардировки катода положительными ионами;

"б) дуговой разряд, который возникает при больших плотностях тока и создается интенсивным испусканием электронов накаленным катодом;

в) искровой и высокочастотный разряды, которые возникают: пер­вый при электрическом пробое газового промежутка, а второй, когда газоразрядный прибор подвергается воздействию высокочастотного электромагнитного поля и когда замыкание цепи происходит за счет токов смещения (емкостных токов) в изолирующих стенках баллона прибора. Благодаря компенсации пространственного заряда газораз­рядные приборы имеют малое падение напряжения на разрядном промежутке при большой величине тока. Одновременно с этим газо­разрядные приборы характеризуются большей инерционностью по сравнению с электронными приборами. Объясняется это наличием в газоразрядном промежутке ионов, малоподвижных по сравнению с электронами. Это обстоятельство ограничивает использование ион­ных приборов на частотах, превышающих несколько килогерц.

Среди различных типов приборов с тлеющим разрядом широкое применение в судовой радиотехнической аппаратуре получили неоно­вые (газосветные) лампы, газовые разрядники, газоразрядные стабили­заторы напряжения (стабиловольты и стабилитроны) и др.

Стеклянный баллон неоновой лампы наполняется неоном с при­месью какого-либо инертного газа для получения соответствующего цвета свечения. Внутри баллона помещаются два электрода — анод и катод, на зажимы которых подается напряжение. Под действием электрического поля положительные ионы, имеющиеся в некотором количестве в разреженном газе, устремляются к катоду и, ударяясь, выбивают из него электроны. Эти электроны, двигаясь с большой ско­ростью к аноду, сталкиваются с атомами газа, вызывая процессы возбуждения и ионизации последних. Ионизация газа увеличивает бомбардировку катода положительными ионами, полученными при расщеплении молекул газа, а переход возбужденных молекул'* в нормальное состояние сопровождается появлением свечения внутри баллона.

Преимуществами неоновой лампы являются малая потребляемая мощность и безынерционность. Благодаря этому такая лампа при­меняется там, где необходимо иметь источник света, который мог бы быстро (до нескольких тысяч раз в секунду) изменять свою яркость. Обычные лампы накаливания совершенно непригодны для этой цели из-за большой тепловой инерции.

Свечение неоновой лампы начинается при определенном значении напряжения на электродах, называемого напряжением зажигания Гаснет неоновая лампа при напряжении, меньшем, чем напряжение зажигания.

Газовый разрядник, применяемый в судовой РЭА представляет собой стеклянную трубку наполненную аргоном.. Внутри трубки вмонтированы две алюминиевые пластинки, расположенные параллельно одна другой и являющиеся электродами разрядника. В нормальных условиях когда грозовые разряды отсутствуют разрядник обладает бесконечно большим сопротивлением и не оказывает влияния на работу приемника. При появлении грозовых разрядов в антенне наводится высокое напряжение, газ в разряднике ионизируется вследствие чего сопротивление разрядника резко падает и антенна замыкается на землю (корпус судна) помимо приемника. Газовые разрядники специальных конструкций применяются в антенных переключателях радиолокационных станций.

К ионным приборам с дуговым разрядом относятся газотроны, тиратроны и тригатроны

Газотроном называется наполненная газом двухэлектродная лампа.

Тиратроном называется наполненная газом лампа, в которой кроме катода и анода, имеется еще третий электрод — сетка.

Тиратроны с водородным наполнением в настоящее вре­мя применяются в импульсных модуляторных устройствах радиоло­кационных станций. Наряду с односеточными встречаются тиратроны с экранирующей сеткой. Экранирующая сетка устраняет влияние на потенциал зажигания внешних полей, а также защищает управляющую сетку от теплового воздействия со стороны анода и катода

Тригатроном называется ионный прибор без накаливаемого катода. Он состоит из двух так называемых рабочих электродов, имеющих форму полусфер из тугоплавкого металла, и поджигающего электрода стержнеобразной формы. При­меняется тригатрон в качестве электрического разрядника в модуля­торах радиолокационных станций.

Первый элемент — наименование: стабилизаторы напряжения (стабилитроны) — СГ; тиратроны с газовым наполнением — ТГ; тира­троны с наполнением парами ртути — ТР; тиратроны с водородным наполнением (импульсные) — ТГИ; газотроны с газовым наполнением — ГГ; газотроны с наполнением парами ртути — ГР; разрядники всех типов — Р.

Второй элемент—у тригатронов буква «Т»; у газотронов и тиратро­нов — число, указывающее порядковый номер типа; у стабилитронов чисел (цифрового условного обозначения) не имеется.

Третий элемент — цифра, указывающая порядковый номер типа прибора; у разрядников всех типов, стабилизаторов напряжения, га­зотронов и тиратронов этого цифрового обозначения не имеется.

Четвертый элемент — дробное число, где числитель указывает среднее значение тока в амперах (для импульсных приборов — им­пульсное значение), а знаменатель — амплитудное значение обратного напряжения в киловольтах; этот элемент обозначения применяется у газотронов и тиратронов; у стабилитронов в стеклянном баллоне применяется обозначение С, у пальчиковых — П.

Тема 1.6. Микроэлектроника. Микроминиатюризация радиоаппаратуры. Устройство микромодулей и интегральных схем. Принципы их создания и применение. Аналоговые и цифровые микросхемы. Классификация микросхем.

Микроэлектроника — область элект­ронной техники, на базе которой с по­мощью сложного комплекса физиче­ских, химических, схемотехнических, технологических и других приемов ре­шается задача создания высоконадеж­ных и экономичных микроминиатюр­ных электронных схем и устройств.

Первым этапом решения этой задачи было применение микромодулей, кото­рые представляют собой функциональ­но и конструктивно завершенные узлы, предназначенные для использования в малогабаритной радиоэлектронной аппаратуре.

В зависимости от схемы микромо­дуль может быт усилителем, генерато­ром или любым другим функциональ­ным узлом радиоаппаратуры. Умень­шение габаритов микромодулей по сравнению с обычными схемами дости­гается за счет использования спе­циальных миниатюрных деталей и уплотнения их размещения в преде­лах заданного объема.

В судовом радиооборудовании полу­чили применение плоские и объемные конструкции модулей с плотностью компоновки до 20 деталей в 1 см³. Собранный микромодуль заливается компаундом для защиты от внешних воздействий. Надежность микромоду­лей примерно на порядок превышает надежность схем, выполненных на дискретных элементах (отдельных транзисторах, резисторах, конденсато­рах и пр.). В процессе эксплуатации аппаратуры микромодули не ремонти­руются, а при необходимости заме­няются запасными.

Интеграция (объединение) отдельных компонен­тов в конструктивно единый прибор, и усложнение выполняемых функций по сравнению с функциями отдельных дискретных элементов. Различают два вида интеграции: элементную и функциональную. В первом случае это моноблок - законченное устройство (совокупность схемных элементов).

Методом функциональной интегра­ции создаются приборы, способные вы­полнять функции типовых электронных устройств, но построенные не по прин­ципу обычной схемной электроники, а на основе использования определен­ных физических свойств твердого тела.

Микросхема — микроэлектронное из­делие, имеющее эквивалентную пло­щадь монтажа не менее пяти элемен­тов в 1 см³ объема, занимаемого схе­мой, и рассматриваемое как единое конструктивное целое.

Интегральная микросхема (ИС) — микросхема, все или часть элементов которой нераздельно связаны и элект­рически соединены между собой так, что устройство рассматривается как единое целое (указанные элементы не имеют внешних выводов, корпусов и не могут рассматриваться как от­дельные изделия).

Полупроводниковая интегральная микросхема — интегральная микросхе­ма, элементы которой выполнены в объеме и (или) на поверхности полу­проводникового материала.

Пленочная интегральная микросхе­ма — интегральная микросхема, эле­менты которой выполнены в виде пле­нок, нанесенных на поверхность ди­электрического материала.

Тонкопленочная интегральная микро­схема — пленочная интегральная мик­росхема с толщиной пленок до 1 мкм. Толстопленочная интегральная мик­росхема — пленочная интегральная микросхема с толщиной пленок свыше 1 мкм.

Гибридная интегральная микросхе­ма —интегральная микросхема, часть элементов которой имеет самостоятельное конструктивное оформление.

Микросборка - микросхема состоящая из различных элементов и (или) интегральных схем, которые имеют отдельное конструктивное оформление и могут быть испытаны до сборки или монтажа (элемент микросборки имеет внешние выводы, может иметь корпус и рассматриваться как отдельное изделие).

Подложка интегральной микросхемы – основание на поверхности или в объеме которого формируются элементы интегральных микросхем.

Элемент интегральной микросхемы –часть интегральной микросхемы, выполняющая функцию радиоэлемента (под радиоэлементом понимают транзистор, резистор, диод и пр.).

Серия интегральных микросхем — совокупность интегральных микросхем, выполняющих различные функции, имеющих единую конструктивно-технологическую основу и предназначенных для совместного применения в радиоэлектронной аппаратуре.

Корпус интегральной микросхемы — часть интегральной микросхемы, предназначенная для ее защиты от внешних воздействий и монтажа в аппаратуре с помощью соответствующих выводов.

Базовый кристалл — подложка из полупроводникового материала с определенным набором сформированных ней не соединенных между собой элементов, используемая для создания интегральных микросхем путем изготовления избирательных внутрисхемных соединений.

Степень интеграции микросхем определяется количеством элементов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и др) входящих в состав микросхемы

Интегральные микросхемы в зависимости от количества элементов в схеме принято называть: до 10 элементов — «Интегральные микросхемы 1-й степе­ни интеграции» (ИС1); от 10 до 100 эле­ментов — «Интегральные микросхемы 2-й степени интеграции» (ИС2); от 100 до 1000 элементов — «Интегральные микросхемы 3-й степени интеграции» (ИСЗ) и т. д.

По функциональному назначению интегральные схемы разделяются на 2 класса: линейно-импульсные (ана­логовые) и цифровые (логические). Аналоговые микросхемы применяют для усиления сигналов низкой и высо­кой частоты в качестве генераторов, смесителей, детекторов и др. Цифровые микросхемы используют в устройствах дискретной обработки информации, электронно-вычислительных машинах, системах автоматики.

Полупроводниковые интегральные микросхемы разделяются на 2 класса: биполярные и МДП интегральные схе­мы. Основной элемент биполярных интегральных схем — транзистор типа NPN.

На полупроводниковой микросхеме инвертора (рис. 21) все элементы размещены в одной кремниевой пласти­не (подложке) типа Р. Для исключения взаимного влияния активные и пассивные элементы находятся в островках, изолированных от подложки. Сверху подложка защищена изоляционным слоем, на который нанесены проводящие дорожки, соеди­няющие элементы микросхемы между собой.

Рис.20 Полупроводниковая схема инвертора в разрезе

Активные элементы полупроводни­ковых микросхем: транзисторы, диоды, тиристоры состоят из p-n-переходов.

В качестве пассивных элементов — конденсаторов, резисторов — также используются p-n -переходы и отдельные участки полупроводника. Например, любой p-n переход обладает барьерной емкостью, аналогичной емкости плоско­го конденсатора, поэтому такие кон­денсаторы чаще всего и применяются в полупроводниковых микросхемах. Слой кремния, например, может вы­полнять функции резистора, а p-n -переходы — являться границами этого участка полупроводника.

Изоляция элементов друг от друга достигается несколькими способами. Например, для каждого элемента или группы элементов изготовляется спе­циальный «карман» (островок), элект­рически изолированный от других участков и от подложки. Для изоляции наиболее часто применяются p-n -переходы, включенные в обратном направ­лении.

Элементы соединяются несколькими способами: нанесением токопро­водящих металлических дорожек, изолиро­ванных от подложки слоем диэлектри­ка; с помощью высоколегированных диффузионных каналов в объеме полу­проводника; с помощью проволочных соединений. Для уменьшения падения напряжения сопротивление межсоединений должно быть минимальным.

МДП-транзисторы используются в ка­честве конденсаторов и резисто­ров, емкость и сопротивление которых изме­няются в определенных пре­делах пу­тем регулирования напряжения на управляющем электроде — затворе

Достоинство полевых транзисторов (элементов МДП) состоит также в том, что они не нуждаются в специальной изоляции, так как взаимодействие между смежными МДП-транзисторами через кристалл отсутствует и их можно располагать на минимальном рас­стоянии друг от друга.

Гибридные интегральные микросхе­мы (ГИМ) содержат элементы двух типов: пленочные, выполненные в виде пленок, нанесенных на стеклянную или керамическую пластинку (под­ложку), и навесные, имеющие само­стоятельное конструктивное оформле­ние.

В зависимости от технологии полу­чения пленок ГИМ делятся на толсто­пленочные и тонкопленочные. К тол­стым относятся пленки толщиной еди­ницы — сотни микрометров, к тонким — толщиной до нескольких микрометров.

Для изготовления ГИМ вначале на диэлектрической подложке с по­мощью толсто- или тонкопленочной технологии создаются пассивные эле­менты — резисторы, конденсаторы, кон­тактные площадки и внутренние соеди­нения. Затем устанавливаются навес­ные элементы.

Гибридные толстопленочные микросхемы представляют собой пассивную схему из толстопленочных элементов – проводников, резисторов, конденсаторов на керамическом основании с навесными активными компонентами. Толстопленочная технология основана на сравнительно простом методе. Не требующем сложного оборудования. По этой технологии через сетку трафарет на диэлектрическую подложку наносят пасты, а затем вжигают. Используются три вида паст: резистивные для получения резисторов, диэлектрические для получении я конденсаторов, и проводящие для создания контактных площадок и обкладок конденсаторов.

Гибридные ИС, изготовленные по толстопленочной технологии отличаются дешевизной и хорошими электрофизическими параметрами, характеризуются высокой надежностью и стабильностью при длительном воздействии, высокой стойкостью к механическим перегрузкам и температурным воздействиям из-за хорошей теплопроводности керамического основания. Недостаток толстопленочных ГИМ относительно низкая прецизионность элементов (резисторов и конденсаторов) из-за невозможности обеспечить достаточно малые допуски на их номиналы.

Гибридные тонкопленочные микросхемы состоят из изоляционной подложки на которой нанесены тонкопленочные резисторы, конденсаторы, металлические проводники и контактные площадки. Тонкопленочные пассивные элементы обладают лучшими частотными свойствами, чем полупроводниковые поэтому имеют преимущества при использовании в диапазонах высокой и сверхвысокой частот.

Тонкопленочная технология основана на методах термовакуумного осаждения и катодного распыления, тонкопленочные резисторы напыляют на подложки в виде узких полосок, заканчивающихся контактными площадками. Для получения больших сопротивлений тонкопленочному резистору придается соответствующая конфигурация.

Тонкопленочные конденсаторы обычно имеют планарную структуру получаемую при осаждении трех пленочных слоев: проводник – диэлектрик – проводник. Емкость такого конденсатора, как известно, зависит от площади электродов и диэлектри­ческой проницаемости диэлектрика и обратно пропорциональна расстоянию между пленками. Наиболее эконо­мичное использование занимаемой площади обеспечивают тонкопленочные конденсаторы квадратной формы.

В качестве навесных активных эле­ментов используются бескорпусные транзисторы, у которых кристаллы полупроводника защищены от воз­действия внешних факторов за счет методов пассивации их поверхности и герметизации с помощью специаль­ных защитных покрытий. Бескорпус­ные транзисторы — обычно кремниевые структуры NPN.

Логические интегральные микросхе­мы выполняют простейшие логические операции, которые являются предме­том алгебры логики или булевой алгебры. В основе алгебры логики ле­жат логические величины, характери­зующие 2 взаимоисключающих поня­тия «есть» или «нет», «включено» или «выключено» и т. д.

Наиболее удобна двоичная система счисления, в которой используются 2 цифры: 1 и 0, реализуемые соответ­ствующим кодированием этих сигна­лов, которое бывает потенциальным и импульсным.

При потенциальном кодировании цифрам 1 и 0 соответствуют различные уровни напряжения, обычно логиче­ской единице — высокий потенциал U¹, а логическому нулю — низкий потен­циал U⁰, которые сохраняются в тече­ние всего времени представления данной информации.

При импульсном коде логической единице соответствует наличие импуль­са, а логическому нулю — его отсут­ствие. Разность высокого и низкого потенциальных уровней называется размахом логического сигнала, или ло­гическим перепадом U_л=U¹-U⁰.

Чем больше размах логического сигнала, тем выше помехозащищенность системы посокльку случайные помехи не превратят один уровень в другой. Когда логическая единица соответствует высокому потенцальному уровню, а логический нуль низко­му, то такая логика позитивная (по­ложительная), а наоборот — негатив­ная (отрицательная).

Основные функциональные логиче­ские элементы — группа И; ИЛИ; НЕ, называемая полной группой или буле­вым базисом. Простейший из этих эле­ментов—функция НЕ, или функция отрицания или инверсии. Схема, обеспе­чивающая выполнение такой функции, называется инвертором, или схемой НЕ Функция инверсии ха­рактеризуется кружком на выходной стороне прямоугольника и является функцией одного аргумента. При по­ступлении на вход схемы НЕ импульса положительной полярности на выходе получим импульс отрицательной по­лярности и наоборот.

Рис.21 Группа основных логических элементов

Логический элемент ИЛИ реализует логическое сложение (дизъюнкцию). Единица на выходе логического эле­мента ИЛИ будет при наличии на одном или на всех входах 1.

Логический элемент И осуществляет логическое умножение (конъюнкцию). Единица на выходе логического эле­мента И будет тогда, когда на всех его входах будет 1, и если хотя бы на одном входе будет 0, то и на вы­ходе будет 0.

Сочетание функции ИЛИ с инвер­сией приводит к комбинированной функции ИЛИ—НЕ. Соответственно сочетание функции И с инверсией при­водит к комбинированной функции И—НЕ. Эти логические элементы на­ходят широкое применение, так как на их основе можно реализовать лю­бую другую логическую функцию. При этом количество аргументов, а значит, и количество входов у соот­ветствующих схем может быть равно трем, четырем и более.

Поскольку каждая входная перемен­ная может принимать только 2 значе­ния— 0 или 1—значит, функция п переменных имеет 2ⁿ комбинаций зна­чений переменных.

Значение функций для трех входных переменных и, следовательно, восьми комбинаций приводится в табл.1, называемой таблицей истинности.

Табл.1 Таблица истинности

Рис. 22 Транзисторная логическая схема ИЛИ-НЕ

Рис.23 Статические МДП-схемы

а –логический элемент И-НЕ; б –логический элемент ИЛИ-НЕ

Интегральные микросхемы имеют условное обозначение, состоящее из че­тырех элементов: первый — цифра, указывающая конструктивно-техноло­гическое исполнение микросхемы (1,5, 7 — полупроводниковые; 2, 4, 6, 8 — гибридные; 3 — прочие микросхемы, например, пленочные); второй — 2 циф­ры, обозначающие порядковый номер разработки серии (от 00 до 99); тре­тий— 2 буквы, отображающие функ­циональное назначение микросхем, обозначающие: ЛА или ЛБ — логиче­ский элемент И—НЕ, ИЛИ—НЕ; ЛИ — логический элемент И; ЛЛ — логический элемент ИЛИ; ЛД — рас­ширители; УВ — усилители высокой частоты; УР — усилители промежуточ­ной частоты и т. д.; четвертый — по­рядковый номер разработки микросхем по функциональному признаку в дан­ной серии.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: