🗊Презентация Радиоэлектроника

Вводная лекция № 1 Введение: РЭ, Э, МЭ, НЭ Объект, предмет, задачи и структура курса. Основные понятия и терминология. Классификация ЭП Этапы развития электронной техники. Современный уровень развития электроники, перспективы и тенденции развития. Основные виды электронных и микроэлектронных устройств и их условные обозначения.

РАДИОФИЗИКА раздел физики, охватывающий изучение и использование эл.-магн. колебаний и волн, поиск новых физических явлений и эффектов при распространении ЭМВ в различных средах и их взаимодействии с веществом. На шкале электромагнитных волн радиодиапазон занимает интервал частот от 104 до 1010 Гц), и первоначально радиофиз. исследования придерживались этих границ. Co временем, однако, методы Р. проникли и в др. диапазоны частот от очень низких частот (ОНЧ) до гамма-излучения, а также в область исследований волновых процессов не эл.-магн. природы (напр., в акустику). Р. сформировалась в 30—40-е гг. благодаря бурному развитию радиотехники, радиосвязи, радио- и телевещания и др. Появление радиолокации и радионавигации потребовало освоения новых диапазонов частот и разработки общих физ. принципов генерации, излучения, распространения и приёма радиоволн, модуляции и кодирования радиосигналов и т. д. В СССР развитие Р. связано с именами Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси и созданной ими школы. На первом этапе развитие Р. опиралось на общую теорию колебаний и волн, физ. электронику и электродинамику. Теория колебаний создала матем. аппарат, позволяющий исследовать и управлять процессами в колебат. системах (Важную роль сыграли исследования нелинейных колебаний и особенно автоколебаний, лежащие в основе работы большинства генераторов эл.-магн. колебаний радиодиапазона. Быстродействие, простота управления, высокие кпд, перекрытие всех диапазонов частот и мощностей, высокая чувствительность, избирательность и низкий уровень шумов и др. требования, предъявляемые к разл. радиотехнич. устройствам, могут быть удовлетворены только с привлечением разнообразных физ. явлений в газах и конденсированных средах.

РАДИОТЕХНИКА наука об электромагнитных колебаниях и волнах радиодиапазона — о методах их генерации, усиления, излучения, приёма и об их использовании; отрасль техники, осуществляющая применение электромагнитных колебаний и волн радиодиапазона для передачи информации — в радиосвязи, радиовещании и телевидении, в радиолокации и радионавигации, при контроле и управлении машинами, механизмами и технологическими процессами, в разнообразных научных исследованиях и т.д. Радиодиапазон охватывает спектр электромагнитных волн (ЭВ) длиной от нескольких десятков тыс. км до десятых долей мм (подробнее см. в ст. Радиоволны). развитие Р. тесно связано с достижениями в области радиофизики (См. Радиофизика), электроники (См. Электроника), физики полупроводников (См. Полупроводники), электроакустики (См. Электроакустика), теории колебаний (См. Колебания), теории информации (см. Информации теория), и различных разделах математики (См. Математика), а также с прогрессом в технике высокочастотных измерений (см. Измерительная техника, Радиоизмерения), вакуумной и полупроводниковой технике (см. Полупроводниковая электроника), в производстве источников электропитания и др. В Р. входит ряд областей, главные из которых — Генерирование электрических колебаний, Усиление электрических колебаний, их преобразование, управление ими (см. Модуляция колебаний), антенная техника (см. Антенна, Излучение и приём радиоволн), Распространение радиоволн в свободном пространстве, в различных средах (ионосфере, почве) и в направляющих системах (кабелях, волноводах), фильтрация электромагнитных колебаний, демодуляция, воспроизведение переданных сигналов (речи, музыки, изображений, телеграфных и иных знаков), контроль, управление и регулирование при помощи ЭВ и колебаний (посредством радиоэлектронных систем).

Электроника Электроника – область науки и техники, изучающая процессы взаимодействия потоков электронов с электромагнитными полями в различных средах, создающая методы и средства разработки электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, передачи, обработки и хранения информации.

Микроэлектроника Микроэлектроника – направление электроники, в которой занимаются физическими, техническими, конструкторско-технологическими методами и средствами микроминиатюризации с целью создания высоконадежных и экономичных микроэлектронных схем и устройств, называемых интегральными микросхемами (ИМС) малой (МИС), средней (СИС), большой (БИС) и сверхбольшой (СБИС) степени интеграции

Наноэлектроника Наноэлектроника – современная область микроэлектроники, занимающаяся физическими, техническими, конструкторско-технологическими методами и средствами наноминиатюризации с размерами интегральных электронных приборов с топологическими размерами 1-100 нм, работающих на квантовых эффектах. Задачи: разработка физических основ работы активных приборов с нанометровыми размерами, в первую очередь квантовых; разработка физических основ технологических процессов; разработка самих приборов и технологий их изготовления; разработка интегральных схем с нанометровыми технологическими размерами и изделий электроники на основе наноэлектронной элементной базы.

2 Объект, предмет, задачи дисциплины «Микроэлектроника»

3 Основные понятия и терминология Прибор – специальное устройство, аппарат для производства разнообразных операций: преобразование физических воздействий в электрические сигналы , преобразование энергии или информации, измерение, регулирование, контроль параметров и характеристик объектов и процессов и т.п. Электронный прибор (ЭП) – это устройство, принцип работы которого основан на использовании явлений, возникающих в процессе получения потоков электронов и других носителей заряда, управления движением этих потоков и преобразования их энергии. Следовательно, понятие «электронный» связано с использованием электронов и их взаимодействий с электрическими и магнитными полями

Принципы функционирования электронных приборов основаны на движении носителей заряда в рабочем объеме, управлении их потоками и преобразовании энергии посредством воздействия : Принципы функционирования электронных приборов основаны на движении носителей заряда в рабочем объеме, управлении их потоками и преобразовании энергии посредством воздействия : электрических полей; магнитных полей; электромагнитных полей; вещественных преград на пути движения зарядов.

Результатом воздействия на движение носителей зарядов (НЗ) может быть: Результатом воздействия на движение носителей зарядов (НЗ) может быть: ускорение; торможение; изменение направления движения; изменение плотности потока носителей заряда; изменение площади поперечного сечения потока носителей заряда; преобразование кинетической или потенциальной энергии зарядов. Диффузия – движение НЗ рабочей среды, приводящее к переносу и выравниванию концентрации НЗ в среде. Диффузия определяется тепловым движением. Дрейф – направленное движение заряженных частиц в среде под влиянием внешних воздействий (например, электрических полей). НЗ могут в результате диффузии или дрейфа двигаться от эмиттера к другому электроду, создавая во внешней цепи электрический ток.

Простейший ЭП можно представить в виде корпуса и 2-х электродов, плоскости которых параллельны. Простейший ЭП можно представить в виде корпуса и 2-х электродов, плоскости которых параллельны. Корпус представляет собой герметичный элемент из конструкционного материала (металл, керамика, пластмасса, металлокерамика) с электродами и выводами , обеспечивающий защиту и надежную работу активной части ЭП в условиях внешних климатических (влага, теплота, радиация и др.) и механических воздействий Электрод (от «электричество» и греческого hodos – дорога, путь) – конструктивный элемент внутри корпуса электронного прибора, служащий для электрической связи активной (рабочей) части прибора, находящейся в среде корпуса (вакуум, газ, полупроводник, жидкость) с внешней электрической цепью. Выводы – металлические проводники, служащие для соединения электродов с внешней цепью. Эмиттер (катод) – электрод, который является источником электронов (или других носителей заряда) при воздействии внешних причин (нагревание, облучение, электромагнитное поле и т.д.). Коллектор (анод) – электрод, главным назначением которого обычно является прием основного потока НЗ

4 Классификация ЭП ЭП предназначены для выполнения разнообразных функций, позволяющих решить две основные задачи: преобразование энергии и преобразование сигналов. В зависимости от вида энергии входного воздействия на ЭП и энергии на его выходе или способа обработки информации различают четыре основных класса ЭП: электропреобразовательные (и на входе и на выходе электрические сигналы); излучательные (электрические сигналы преобразуются в световые); фотоэлектрические (световые сигналы преобразуются в электрические); термоэлектрические (тепловые сигналы преобразуются в электрические).

ЭП по принципу действия подразделяются делятся на следующие виды: Активные элементы и компоненты: полупроводниковые (диоды, транзисторы, тиристоры и т.д.); электровакуумные (электронные лампы, электронно-лучевые приборы , ФЭУ, ТВ трубки , СВЧ –приборы: клистроны, магнетроны, ЛБВ, ЛОВ и т.д.); газоразрядные приборы; микроэлектронные и наноэлектронные ИМС : ЛИС и ЦИС (МИС,СИС, БИС, СБИС) Пассивные элементы: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы

Интегральные микросхемы как микроэлектронные приборы

По функциональному назначению микросхемы подразделяются на цифровые и аналоговые. По функциональному назначению микросхемы подразделяются на цифровые и аналоговые. цифровая микросхема предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции. аналоговые микросхемы предназначены для усиления и преобразования сигналов, которые описываются непрерывными функциями времени.

Плотность упаковки – это отношение числа простых компонентов и элементов, в том числе содержащихся в составе сложных компонентов, к объему микросхемы без учета объема выводов. Плотность упаковки – это отношение числа простых компонентов и элементов, в том числе содержащихся в составе сложных компонентов, к объему микросхемы без учета объема выводов. Критерием оценки сложности микросхемы, т.е. числа содержащихся в ней элементов и простых компонентов, является степень интеграции. В полупроводниковых ИМС (ПП ИМС) все элементы и межэлементные соединения выполняются в объеме и на поверхности полупроводниковой пластины. В гибридных ИМС (ГИМС) пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и др.) выполняются в виде пленок на поверхности диэлектрической подложки, а активные элементы реализуются в виде навесных компонентов.

Структура полупроводниковой ИС

Групповой метод изготовления ИС

Структура пленочной и гибридной ИС

5. Этапы развития электронной техники. Современный уровень развития электроники, перспективы и тенденции развития Использование электронных приборов в радиотехнике началось с того, что в 1904 году Д. Флеминг изобрел двухэлектродную лампу (диод) с накаленным катодом. В 1907 году Л. Форест ввел в лампу управляющую сетку, лампа стала трехэлектродной . В 1913 году А. Мейснер применил трехэлектродную лампу (триод) для генерирования высокочастотных электрических колебаний. В 1915 году под руководством М. А. Бонч-Бруевича были созданы первые отечественные триоды. В 1918 году родилась Нижегородская радиолаборатория, в которой впервые в мировой практике были разработаны мощные триоды с водяным охлаждением. В 30-е годы развивалось такое направление в электронике, как создание передающих телевизионных трубок, позволивших создать электронное телевидение.

Другим направлением в развитии электроники в 30-е годы было создание специальных электронных приборов для сверхвысоких частот (СВЧ). Другим направлением в развитии электроники в 30-е годы было создание специальных электронных приборов для сверхвысоких частот (СВЧ). В 1939 году построены первые приборы для усиления и генерирования колебаний СВЧ, названные пролетными клистронами. В 1940 году изобретен более простой отражательный клистрон. В 1938-40 годах сконструированы вакуумные триоды с плоскими дисковыми электродами, нашедшие применение в СВЧ-диапазоне. В эти же годы для генерирования мощных СВЧ-колебаний разрабатываются магнетроны.

В течение 30-х годов и позже интенсивно развивалась полупроводниковая электроника. В 1948 г. Д. Бардин, У. Браттайн и У. Шокли элементарным способом открыли транзисторный эффект и предложили принцип действия транзистора. Нобелевская премия была присуждена в 1956 г. Вскоре после этого Пфанн разработал процесс зонной очистки для выращивания монокристаллов кремния и германия заданной чистоты. Была экспериментально подтверждена теория и возможность изготовления полупроводниковых транзисторов школой советского академика А. Ф. Иоффе, о чем было сообщение в газете «Нью-Йорк таймс» 1 июля 1948 года .

Этап микроминиатюризации РЭА. В 1961 году была создана первая интегральная схема (ИС –триггер на 4-х транзисторах) фирмой Fairchild Semiconductor В начале 70-х годов появились большие интегральные схемы (БИС) В конце 70-х годов созданы сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) Дальнейшее развитие микроэлектроники привело к освоению субмикронных размеров элементов микросхем. Параллельно с интегральной микроэлектроникой в 80-е годы развивалась функциональная электроника. В функциональной электронике используются такие механизмы, как оптические явления (оптоэлектроника), взаимодействие потока электронов с акустическими волнами в твердом теле (акустоэлектроника) и ряд других. Вступление в третье тысячелетие электроника отмечает зарождением нового направления — наноэлектроники

6 Основные виды микроэлектронных устройств ( ИС) и их условные обозначения Система условных обозначений современных типов интегральных микросхем установлена ГОСТ 11073915-80. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код. Первый элемент - цифра, обозначающая группу интегральной микросхемы по конструктивно-технологическому исполнению: 1,5,6,7 - полупроводниковые ИМС; 2,4,8 - гибридные; 3 - прочие (пленочные, вакуумные, керамические). Второй элемент - две или три цифры (от 01 до 99 или от 001 до 999), указывающие на порядковый номер разработки данной серии ИМС. Первый и второй элемент образуют серию микросхем. Третий элемент - две буквы, обозначающие функциональную подгруппу и вид микросхемы.

Четвертый элемент - число, обозначающее порядковый номер разработки микросхемы в серии. Четвертый элемент - число, обозначающее порядковый номер разработки микросхемы в серии. В обозначение также могут быть введены дополнительные символы (от А до Я), определяющие допуски на разброс параметров микросхем и т. п. Перед первым элементом обозначения могут стоять следующие буквы: К - для аппаратуры широкого применения; Э - на экспорт (шаг выводов 2,54 и 1,27 мм); Р - пластмассовый корпус второго типа; М - керамический, метало - или стеклокерамический корпус второго типа; Е - металлополимерный корпус второго типа; А - пластмассовый корпус четвертого типа; И - стеклокерамический корпус четвертого типа; Н - кристаллоноситель.

Для бескорпусных интегральных микросхем перед номером серии может добавляться буква Б, а после нее, или после дополнительного буквенного обозначения через дефис указывается цифра, характеризующая модификацию конструктивного исполнения: Для бескорпусных интегральных микросхем перед номером серии может добавляться буква Б, а после нее, или после дополнительного буквенного обозначения через дефис указывается цифра, характеризующая модификацию конструктивного исполнения: 1 - с гибкими выводами; 2 - с ленточными выводами; 3 - с жесткими выводами; 4 - на общей пластине (неразделенные); 5 - разделенные без потери ориентировки (например, наклеенные на пленку); 6 - с контактными площадками без выводов (кристалл).

Виды ИМС 1Наборы элементов: НД - диодов; НТ - транзисторов; НР - резисторов; НЕ - конденсаторов; НК - комбинированные; НФ - функциональные; НП - прочие.

2Коммутаторы и ключи: КТ - тока; КН - напряжения; КП - прочие;

3Усилители: УТ - постоянного тока; УИ - импульсные; УЕ - повторители; УВ - высокой частоты; УР - промежуточной частоты; УН - низкой частоты; УК - широкополосные; УЛ - считывания и воспроизведения; УМ - индикации; УД - операционные; УС - дифференциальные; УП - прочие.

4 Генераторы сигналов: ГС - гармонических; ГГ - прямоугольной формы; ГЛ - линейно - изменяющихся; ГМ - шума; ГФ - специальной формы; ГП - прочие.

4 Детекторы: ДА - амплитудные; ДИ - импульсные; ДС - частотные; ДФ - фазовые; ДП - прочие.

5Модуляторы: МА - амплитудные; MИ - импульсные; MС - частотные; MФ - фазовые; MП - прочие.

6 Устройства селекции и сравнения: CА - амплитудные; CВ - временные; CС - частотные; CФ - фазовые; CП - прочие

7Фильтры: ФВ - верхних частот; ФН - нижних частот; ФЕ - полосовые; ФР - режекторные; ФП - прочие.

8Формирователи: АГ - импульсов прямоугольной формы; АФ - импульсов специальной формы; АА - адресных токов; АР - разрядных токов; АП - прочие.

9Фоточувствительные устройства с зарядовой связью (приборы с зарядовой связью): ЦМ - матричные; ЦЛ - линейные; ЦП - прочие.

10 ИМС источников вторичного эдектропитания: ЕМ - преобразователи; ЕВ - выпрямители; ЕН - стабилизаторы напряжения непрерывные; ЕТ - стабилизаторы тока; ЕК - стабилизаторы напряжения импульсные; ЕУ - устройства управления импульсными стабилизаторами напряжения; ЕС - источники вторичного питания; ЕП - прочие;

11 Преобразователи: ПС - частоты; ПФ - фазы; ПД - длительности (импульсов); ПН - напряжения; ПМ - мощности; ПУ - уровня (согласователи); ПЛ - синтезаторы частоты; ПЕ - делители частоты аналоговые; ПЦ - делители частоты цифровые; ПА - цифро - аналоговые; ПВ - аналого - цифровые; ПР - код - код; ПП - прочие.

12 Устройства задержки: БМ - пассивные; БР - активные; БП - прочие

13 Многофункциональные устройства: ХА - аналоговые; ХЛ - цифровые; ХК - комбинированные; ХМ - цифровые матрицы; ХИ - аналоговые матрицы ХТ - комбинированные матрицы; ХИ - прочие

14 Логические элементы: ЛИ - И; ЛЛ - ИЛИ; ЛН - НЕ; ЛС - И-ИЛИ; ЛА - И-НЕ; ЛЕ - ИЛИ-НЕ; ЛР - И-ИЛИ-НЕ; ЛК - И-ИЛИ-НЕ (И-ИЛИ); ЛМ - ИЛИ-НЕ (ИЛИ); ЛБ - И-НЕ / ИЛИ-НЕ; ЛД - расширители; ЛП - прочие.

15 Триггеры: ТЛ - Шмитта; ТД - динамические; ТТ - Т - триггер; ТР - RS - триггер; ТМ - D - триггер; ТВ - JK - триггер; ТК - комбинированные; ТП - прочие.

16 Цифровые устройства: ИР - регистры; ИМ - сумматоры; ИЛ - полусумматоры; ИЕ - счетчики; ИД - дешифраторы; ИК - комбинированные; ИВ - шифраторы; ИА - арифметико - логические устройства; ИП - прочие.

17 Запоминающие устройства: РМ - матрицы ОЗУ; РУ - ОЗУ; РВ - матрицы ПЗУ; РЕ - ПЗУ (масочные); РТ - ПЗУ с возможностью однократного программирования ; РР - ПЗУ с возможностью многократного электрического перепрограммирования РФ ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием и электрической записью информации; РА - ассоциативные запоминающие устройства; РЦ - запоминающие устройства на ЦМД; РП - прочие.

18Вычислительные устройства: ВЕ - микро-ЭВМ; ВМ - микропроцессоры; ВС - микропроцессорные секции; ВУ - устройства микропрограммного управления; ВР - функциональные расширители; ВБ - устройства синхронизации; ВН - устройства управления прерыванием; ВВ - устройства управления вводом - выводом; ВТ - устройства управления памятью; ВФ - функциональные преобразователи информации; ВА - устройства сопряжения с магистралью; ВИ - времязадающие устройства; ВХ - микрокалькуляторы; ВГ - контроллеры; ВК - комбинированные устройства; ВЖ - специализированные устройства; ВП - прочие.