По курсу «Технология компонентов ЭВС»

Заводян А.В.

 

 

Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов

По курсу «Технология компонентов ЭВС»

 

 

Утверждено редакционно-издательским советом института

 

Москва 2007

Содержание

Стр.

Введение……………………………………………………………………………………………3

Теоретические материалы для самостоятельной работы студентов по дисциплине «Технология компонентов ЭВС» с контрольными вопросами и тестами для контроля усвоенности материала и выполнения лабороторных работ……………………………….4

1. Основные термины и определения…………………………………………………………..4

2. Конструкторско-технологическая иерархия ЭВС …………………………………………8

3. Резисторы электронных устройств (ЭУ)…………………………………………………….14                                                                                      

4. Конденсаторы ЭУ………………………………………. ……………………………………..34

5. Устройства отображения информации ……………………………………………………..63

6. Устройства функциональной микроэлектроники……………………………………….128

7. Тестовые вопросы…………………………………………………………………………….147

Литература…………………………………………………………………………………………

Аннотация

к учебно-методическому пособию для самостоятельной работы студентов Заводян А.В. по курсу «Технология компонентов ЭВС»

В учебно-методическом пособии, предназначенном для самостоятельной работы студентов старших курсов, изучающих дисциплину «Технология компонентов ЭВС», содержатся материалы по основным разделам этой дисциплины, охватыващим наиболее существенные этапы базовых и специальных (в том числе новых) технологий изготовления электронных устройств, что позволит самостоятельно изучить, освоить и углубить знания по предмету, ответить на вопросы, усвоить основные понятия, термины и определения, разобрать конкретные примеры решения задач, рекомендуемых для их использования при выполнении курсовых работ и провести проверку усвоенности данных разделов, а также выполнить домашние задания и курсовые работы.

Пособие может быть полезным студентам, не только обучающимся по специальностям 210200 «Проектирование и технология электронных средств» и 210202 «Проектирование и технология электроноо-вычислительных средств », но и смежным с ними.

Введение

 

Качество функционирования современных изделий электронной техники, среди которых важнейшее значение имеют изделия компанентной базы (интегральные схемы (ИС)), дискретные навесные компоненты, изделия функциональной микроэлектроники и различные миниатюрные устройства, в том числе аппаратурного уровня разного назначения, основанное на использовании физических явлений и процессов, протекающих в изделиях полупроводниковой, плёночной и функциональной микроэлектроники, во многом зависит от уровня и степени отработанности технологий изготовления этих изделий.

В настоящем учебно-методическом пособии для самостоятельной работы студентов приведены основные сведения о физико-химических процессах, составляющих сущность реализациинаиболее важных базовых специальных технологий производства электронных устройств (ЭУ). Проведен анализ конструкторско-технологических особенностей ЭУ разного уровня сложности, а также представлены основные покозатели ЭВМ 1-5 поколений. Рассмотрены базовые вопросы, касающиеся разработки и реализации технологических процессов (ТП), современных представлений о гибкой автоматизации и организации компютерно-интегрированных систем для создания перспективных ЭУ. Акцентированно внимание на новейших технологиях высокоточной сборки и поверхностного монтажа в производстве плотно-укомпонованных ЭУ. Даны материалы, расширяющие и углубляющие разделы дисциплины, предусмотренные рабочей программой курса.

Наряду с контрольными вопросами, сопровождающими лаконично изложенные теоретические сведения, даны материалы для тренинга и выполнения курсовых работ. Это, прежде всего, тестовые вопросы по важнейшим разделам курса, основные термины и определения, а также задачи с примерами решений, рекомендуемые для использования при выполнении курсовых работ, в том числе с применением компютерного моделирования. Материалы данного учебно-методического пособия можно использовать при самостоятельном изучении курса, в том числе дополнительных, новых его разделов, для лучшего их освоения. Данное пособие предназначено для студентов старших курсов дневного и вечернего отделений факультетов ЭТМО, ИМЭ и др., изучающих дисциплины «Технология производства ЭВС», «Технология МЭА» и смежных с ними. Оно может быть использовано для закрепления и углубления материалов других курсов, связанных с конструированием и производством электронной аппаратуры.

 Современный взгляд на рассматриваемые вопросы, представленные варианты тестовых и контрольных вопросов, а также задачи, рекомендуемые для самостоятельного решения в частности, при выполнении курсовых работ, обуславливают полезность пособия для студентов, изучающих курсы «Технология производства ЭВС», «Технология МЭА» и смежных с ними.

Теоретические материалы для самостоятельной работы студентов по дисциплине «Технология производства ЭВС» с контрольными вопросами и текстами для контроля усвоенности материала и выполнения домашних курсовых работ.

 

1. Основные термины и определения.

Совершенствование технологии компонентов ЭВС приводит к положению, когда смысловое содержание ряда терминов и понятий становится не всегда однозначным, что существенно затрудняет не только понимание данной дисциплины, но и осмысленное применение ее материала при решении студентами технологических задач, в том числе и при выполнении курсовых работ и дипломном проектировании. Поэтому весьма важно привести ясные определения используемых терминов.

Электронное вычислительное средство – это комплекс технических (аппаратных) и программных средств, являющийся универсальным инструментом для восприятия, сбора (или создания), обработки, хранения, отображения, и передачи информации, представленной в дискретной форме, либо в виде непрерывно изменяющихся физических величин. К ЭВС, прежде всего, относятся электронные вычислительные машины (ЭВМ), отличающиеся способом обработки представляемой информации (аналоговые, цифровые, комбинированные); характером выполняемых операций (универсальные, специализированные); конструктивным исполнением (простейшие модульные, моноблочные, полиблочные, комплексы и др.); условиями эксплуатации и объектами размещения (например, стационарные (настольные, напольные и др.), транспортируемые (бортовые, судовые, автомобильные и др.), а также их сочетания (например, портативные)); сферой применения (бытовые, учебные, профессиональные и др.); совокупностью основных параметров, определяющих функциональные возможности с учетом областей применения (например, разрядностью основного микропроцессора, быстродействием, емкостью ОЗУ, потребляемой мощностью и др.) и т.д. Основные сведения о поколениях ЭВМ в хронологической последовательности их появления представлены в табл. 1. По своей сути современные ЭВС являются результатом синтеза радиотехники, электроники и микроэлектроники.

Радиотехника – наука об электромагнитных колебаниях и волнах радиодиапазона (с длиной волны от десятых долей мм до нескольких десятков км), о методах их генерации, усиления, излучения, приема и об использовании; кроме того – это отрасль техники, осуществляющая применение электромагнитных колебаний и волн радиодиапазона (с частотой менее  Гц) для приема и передачи информации на расстояния.

Электроника – наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями (макро- и микрополями) в разных средах (в твердых телах, вакууме, жидкостях, газах и др.) и о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии в основном с целью приема (электромагнитных колебаний с частотой до Гц), обработки, хранения и передачи информации. Слияние электроники и радиотехники расширило возможности последней и способствовало появлению большого разнообразия радиоэлектронных средств (РЭС) (на базе изделий электронной технике), в том числе и первых ЭВМ. Фундаментальные исследования в области физики, квантовой механики и технологии электронных приборов привели к возникновению новых направлений электроники (опто -, магнито -, акусто -, био-, криоэлектроники, хемотроники, квантовой электроники, микроэлектроники, наноэлектроники и др.), реализующих открытые физические и другие эффекты и явления в новых перспективных приборах и устройствах.

Микроэлектроника (МЭ) – направление электроники, связанное с созданием приборов и устройств в микроминиатюрном исполнении; она с одной стороны базируется на схемотехнической, конструкторской и технологической интеграциях схемных элементов при реализации изделий МЭ (ИМЭ). В качестве примера самого широко известного ИМЭ следует привести интегральную схему (синоним микросхемы) разного уровня интеграции (ИС, БИС, СБИС, УБИС соответственно малого (среднего), большого, сверхбольшого и ультрабольшого уровней интеграции). В этом случае можно говорить об интегральной МЭ. С другой стороны – развитие функциональной электроники, охватывающей вопросы использования разнообразных физических явлений, например, в твердых средах, для интеграции различных схемотехнических функций в объеме одного твердого тела (функциональной интеграции) и создание на их основе с применением технологий МЭ изделий, позволяет говорить о функциональной МЭ. Только в этом случае схемотехническую интеграцию называют технологической, а функциональную интеграцию – физической.

Конструкцией ЭС следует называть совокупность материальных объектов (в том числе с разными формой и физико-химическими свойствами), которые расположены определенным образом в пространстве и находятся в определенной механической, тепловой и электромагнитной взаимосвязи, обеспечивающей требуемую точность и надежность выполнения заданных функций в условиях эксплуатации. Конструкция любого электронного устройства (ЭУ), изготовленная на предприятии и пригодная к эксплуатации является готовым изделием.

Конструктив – конструктивно законченная часть изделия определенного назначения (например, печатная плата, компонент, корпус блока, лицевая панель, объемный проводник, рама и др.).

Объект производства представляет собой материальный предмет или совокупность предметов, на которые направлены действия в сфере производства (например, заготовка, подложка, а также конструктивы различной сложности) для получения готового изделия. В процессе изготовления изделия состояние объекта производства изменяется количественно и (или) качественно преимущественно на каждой стадии этого процесса.

Деталью следует называть конструктив, который невозможно разобрать (разъединить) на части без его повреждения (например, печатная плата, винт, резистор и др.). Деталь может быть комплектующим изделием, но самостоятельно не используется, а только в составе изделия, для которого она предназначена.

Сборочная единица (узел) – конструктив, составные части которого подлежат соединению на предприятии-изготовителе с применением сборочных (или сборочно-монтажных) операций. Сборочный узел может быть комплектующим изделием (если поставляется предприятию-изготовителю), но используется только в составе изделия, для которого он предназначен.

Технология (дословно с греческого языка) – это наука об искусной деятельности, а в общем, представлении – это глобальная сфера научно-прикладной деятельности, направленной на создание эффективной продукции. Применительно к сфере производства ЭУ, технология является объектом научной и видом практической деятельности, направленных на создание и реализацию наиболее эффективных и экономичных методов и средств превращения исходных материальных предметов в готовое изделие. К основным показателям эффективности технологии относятся: удельный расход материалов на единицу изделия, процент выхода годных изделий и их качество, уровень производительности труда, затраты на производство и себестоимость изделия. Задачей технологии как науки является теоретическое и теоретико-экспериментальное выявление сущности и закономерностей электрофизических, физико-химических и других явлений и процессов, на базе которых создаются новые (или совершенствуются имеющиеся) методы и средства воздействия на объект производства для изготовления перспективных изделий. Технология производства, например, ИМЭ, называемая микроэлектронной технологией, базируется на методах и способах изменения формы, размеров, физико-химических и электрофизических свойств, состава и структуры исходных полупроводниковых и других материалов. Технология производства ЭВС базируется на микроэлектронной технологии, а также методах и способах создания отдельных конструктивов с применением перспективных технологий приборостроения и прочих (например, лазерной, химико-гальванической, компьютерной, сборочной, монтажной и др.).

 Технология сборки направлена на получение механических соединений между конструктивами.

Технология монтажа направлена на получение электрических соединений между конструктивами.

Вещество – простейший вид материи с ненулевой массой покоя.

Материал – вещество или несколько веществ определенного происхождения и назначения.

Конструкционные материалы – это материалы, из которых состоит конструкция изделия, включая все его конструктивы.

Технологические материалы различают как:

- основные, которые непосредственно участвуют в процессе изготовления изделия, то есть количественно и (или) качественно изменяют состояние объекта производства (например, клеи, припои, флюсы, диффузанты, защитные покрытия и др.). Они могут оставаться в составе конструкции изделия (например, клеи, припои, покрытия и др.), либо частично или полностью удаляться до завершения изготовления изделия (например, очистители, электролиты, фоторезисты, флюсы и др.);

- вспомогательные, которые контактируют с объектом производства и способствуют реализации технологии, но не влияют на состояние объекта, например, материалы оснастки (технологической тары, разных приспособлений, контактирующих устройств и др.), а также материалы рабочих частей технологического оборудования.

Технологическая среда – совокупность технологических материалов и воздействий, направленных на требуемое изменение состояния объекта производства во время изготовления изделия. В сущности, технологическая среда – это условия реализации технологии.

Внешняя среда – среда, в которой осуществляется транспортировка, хранение и эксплуатация изделия после передачи его потребителю.

Окружающая среда – среда, контактирующая с поверхностью герметизирующей конструкции объекта производства (это, по сути, производственная среда, ограниченная производственным помещением и поверхностью герметизирующей конструкции объекта производства либо готового изделия).

Внутрикорпусная среда – среда, ограниченная стенками, основанием и крышкой корпуса (в полых корпусах), то есть отделенная от окружающей и внешней сред.

Элемент конструктива – неразделимая часть конструктива (которую нельзя демонтировать и заменить), например, у печатной платы элементами являются: электропроводящие дорожки, отверстия, тестовые площадки или отверстия, контактные площадки и др.; у корпусированной ИС элементами являются: кристалл, тело корпуса, выводы и др.

Компонент конструктива – часть конструктива, которая до его изготовления была самостоятельным изделием и которую можно демонтировать и заменить при изготовлении конструктива, либо после его изготовления. Например, ИС, дискретные электрорадиокомпоненты (ЭРК): резисторы, конденсаторы, транзисторы и др.; объемные соединители и др.

Микросистема (МС) – объединенная на одной подложке (или в одном объеме) функциональная система (со сложной функциональной структурой) или устройство с минимальными размерами всех компонентов. Термин микросистема применим также по многим суперкомпонентам, представляющим собой гибридную большую микросборку (БМСБ) с интегральными или функциональными компонентами (либо интегральными элементами и ЭРК, либо с функциональными элементами) многофункционального назначения и многоиерархического применения (например, многокристальные модули, двух-, трехмерные УБИС; биочипы – группа сенсоров (биосенсоров) на секционированной подложке; специализированные БМСБ на базе интегральной МЭ, либо опто -, магнито -, пьезо -, акустоэлектронные и другие устройства на базе функциональной МЭ).

Под технологичностью конструкции следует понимать такое сочетание ее конструкторско-технологических характеристик с характеристиками используемых технологий, которое обеспечивает наиболее простое и экономичное производство изделий при соблюдении всех функциональных и эксплуатационных условий.

Совместимость материалов – способность различных материалов сосуществовать в сопряжении без недопустимого ухудшения своих свойств и параметров в течение требуемого промежутка времени в заданных условиях.

Конструкторско-технологические особенности современных ЭВС и технологические задачи, решаемые при их производстве.

 

Контрольные вопросы.

1. Дайте определение ЭВС и приведите примеры функционального назначения ЭВС в разных сферах применения.

2. Что представляет собой конструкция компонета? Каково назначение компоновки в ЭУ и что означает принцип размерно-модульной ее координации?

3. По каким признакам систематизируют разновидности МЭА?

4. Дайте определения терминов: конструктив, деталь, сборочный узел, компонент.

5. Охарактеризуйте термины: технология, объект производства, изделие.

6. Чем отличаются элементы от компонентов ЭУ? Приведите примеры.

7. Поясните термины: внешняя, внутрикорпусная, технологическая и другие среды.

8. Какие материалы называют конструкционными и какие технологическими? Приведите примеры.

9. Чем отличаются вещества от материалов? Приведите примеры.

10. Поясните термины: совместимость материалов, технологичность конструкции.

 

 

План

Классификация резисторов

Классификация резисторов

Резисторы общего (универсального) применения предназна­чены для использования в различных цепях постоянного и перемен­ного токов при формировании сигналов, построении шунтов, дели­телей напряжений в цепях питания, различных фильтров, регулято­ров, ограничителей и др.

Резисторы специального назначения имеют специфические свойства в соответствии с областью применения, например, преци­зионные.

Высокочастотные резисторы, благодаря малым значениям соб­ственной емкости и индуктивности, используются в радиотехнических цепях на частотах в десятки мегагерц и выше в качестве согласующих элементов, аттенюаторов, элементов волноводных трактов и др.

Прецизионные резисторы применяются в электрических це­пях, к которым предъявляются повышенные требования к точности -в измерительных и пороговых устройствах, релейных схемах.

Миниатюрные резисторы изготавливаются для использова­ния в печатных платах поверхностного монтажа, имеющих для них специальные монтажные площадки.

Высокоомные резисторы (сопротивлением до 10¹³ Ом) при­меняются в электрических цепях с малыми токами (в измерительных устройствах, дозиметрах).

Высоковольтные резисторы (сопротивлением до 10¹¹ Ом) из­готавливаются для включения в цепи с высоким (10...60 кВ) рабочим напряжением - в делителях напряжений для кинескопов, поглотите­лях искрогасителях, разрядных устройствах.

Полупроводниковые резисторы - терморезисторы, фоторези­сторы, варисторы применяются в схемах контроля и управления.

Большое разнообразие резисторов, изготавливаемых миро­выми производителями, может быть структурировано по нескольким признакам (рис.1).

Рис. 1. Классификация резисторов по назначению

 

Постоянные резисторы во время монтажа, настройки и экс­плуатации РЭС должны сохранять свое электрическое сопротивле­ние в пределах своих допусков.

Некоторые типы постоянных резисторов общего назначения изображены на рис. 2.

Переменные резисторы предназначены для управляющего изменения электрического сопротивления в электрических цепях. Подстроенные резисторы обычно устанавливаются в узлах РЭС требуемой регулировки узлов в процессе изготовления или профи­лактического обслуживания во время эксплуатации.

Внешний вид некоторых типов переменных и подстроечных резисторов показан на рис. 3.

Рис. 2. Некоторые типы постоянных резисторов общего назначения

 

 

Рис. 3. Некоторые типы непроволочных переменных и подстроечных резисторов

 

Резисторы состоят из резистивного элемента, основания и контактного узла с внешними выводами для подсоединения к электрической цепи.

Классификация типов резистивных элементов конструктивного выполнения резистивного элемента приведена на рис.4 и 5.

Рис. 4. Классификация типов резистивного элемента

 

Рис. 5. Разновидности конструктивного исполнения резистивного элемента

а-в - пленочные: г - композиционные; д - проволочные; е - дугообразный резистивный элемент переменных и подстроечных резисторов

 

Конденсаторы ЭУ.

 

План

Классификация конденсаторов

Классификация конденсаторов

По назначению (рис. 1) конденсаторы подразделяются на два класса: конденсаторы общего применения и выпускаемые массовым порядком и специальные. К специальным относятся, например, ваку­умные, дозиметрические, импульсные и др. Группа общего применения содержит широко используемые конденсаторы, пригодные практически для любых РЭС. Традиционно к этой группе относят низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особых требований.

У конденсаторов постоянной емкости значение электрической емкости фиксировано и в процессе использования РЭС не регулиру­ется. Конденсаторы переменной емкости позволяют управлять зна­чением емкости либо механически (например, конденсаторы пере­менной емкости с поворачивающимися вокруг механической оси ро­торными пластинами), электрическим напряжением (вариконды), нагревом (термоконденсаторы). Подстроечные конденсаторы ис­пользуются для разовой или эпизодической регулировки емкости.

По способу монтирования конденсаторы разделяются на груп­пы навесного, печатного (традиционного и поверхностного) монтажа и в составе микромодулей. Выводы конденсаторов для навесного монтажа изготавливают жесткими, мягкими, радиальными, аксиаль­ными из проволоки круглого сечения или плоской ленты, в виде ле­пестков, резьбовых втулок, опорных винтов и др. У некоторых типов конденсаторов в качестве выводов используют металлизированные части их поверхности.

Рис. 1. Классификация конденсаторов

Незащищенные конденсаторы используются только в составе герметизированного узла (например, микросборки или гибридной ин­тегральной схемы). Неизолированные конденсаторы не имеют элек­троизоляционной оболочки и потому не допускают при работе контак­тов с другими неизолированными компонентами и корпусом узла. Уп­лотненные конденсаторы обладают корпусом, специально созданным для работы при повышенных уровнях влажности окружающей среды.

 

Маркировка и условное графическое обозначение конденсаторов

Для конденсаторов обычно используется буквенно-цифровая маркировочная надпись. Она содержит сокращенное обозначение типа конденсатора, номинальное напряжение, номинальное значе­ние емкости, допуск, обозначение климатического исполнения и год выпуска. Полное или сокращенное указание емкости и допуска зави­сит от размеров конденсатора. Полное указание номинальной емко­сти состоит из цифры и обозначения единицы измерений: Ф - фара­да; мкФ - микрофарада (10^-6 Ф); нФ - нанофарада (10^-9 Ф); пФ - пикофарада (10^-12 Ф).

Сокращенное указание номинальной емкости производят тремя или четырьмя знаками, состоящими из двух или трех цифр и буквы (русского или латинского алфавитов): например, 1,5 пикофарады = = 1П5 (или 1р5); 10 нанофарад = H (10n); 10 микрофарад = 10M (10 ); 1 фарада = 1Ф0 (1F0).

Обозначение марки (типа) конденсатора состоит из букв и цифр. Первый элемент обозначения - буква или группа букв, соот­ветствует подклассу: К - постоянной емкости; КТ - подстроечный; КП - переменной емкости. Второй элемент обозначения - номер группы конденсаторов по типу диэлектрика (табл. 2). Третий эле­мент обозначений (регистрационный номер данного типа конденса­тора) указывается через дефис.

В технической документации на РЭС и его составные части должно быть приведено на каждый конденсатор его полное услов­ное обозначение, состоящее из сокращенного обозначения марки конденсатора и сокращенного обозначения некоторых его основных характеристик.

Примеры условных обозначений конденсаторов:

• Керамический конденсатор типа К10-7В предназначен для всеклиматического применения (буква «В») на номинальное напря­жение 50 В с температурным коэффициентом емкости М47 (т.е. C) и номинальную емкость 27 пФ с допуском ±10% и име­ет условное обозначение в виде:

Конденсатор КЮ-7В-50В-М47-27пФ±10% ГОСТ 5.621-70.

 

 

Таблица 2. Обозначение конденсаторов по группам диэлектриков

Подкласс конденсаторов Группа конденсаторов по типу диэлектрика Обозначение группы Конденсаторы постоянной емкости Керамические на номинальное напряжение ниже 1600В 10   Керамические на номинальное напряжение 1600В и выше 15 Стеклянные 21 Стеклокерамические 22 Тонкопленочные с неорганическим диэлектриком 26 Слюдяные малой мощности 31 Слюдяные большой мощности 32 Бумажно-фольговые на напряжение ниже 2кВ 40 Бумажно-фольговые на напряжение выше 2кВ 41 Бумажные металлизированные 42 Алюминиевые оксидно- электролитические 50 Танталовые, ниобиевые и другие оксидно-электролитические 51 Объемно-пористые 52 Оксидно-полупроводниковые 53 С воздушным диэлектриком 60 Вакуумные 61 Полистирольные 71(70) Фторопластовые 72 Полиэтилентерефталатные 73(74) Комбинированные 75 Лакопленочные 76 Поликарбонатные 77 Полипропиленовые 78 Подстроечные конденсаторы Вакуумные 1   С воздушным диэлектриком 2 С газообразным диэлектриком 3 С твердым диэлектриком 4 Конденсаторы переменной емкости   Вакуумные   1   С воздушным диэлектриком 2 С газообразным диэлектриком 3 С твердым диэлектриком 4

• Оксидно-электролитический алюминиевый конденсатор типа К50-7 с вариантом конструктивного крепления 1 (с лепестковым вы­водом анода и крепежной гайкой катода) на номинальное напряжение 250 В номинальной емкостью 100 мкФ с допуском +80...-20% всеклиматического исполнения «В» в диапазоне температур -10...+85°С имеет полное условное обозначение в виде:

Конденсатор К50-7-1-250В-100мкФ- B¹.

• Подстроечный малогабаритный керамический конденсатор типа КПК-М с перестройкой емкости в пределах 2...7 пФ имеет пол­ное условное обозначение:

            Конденсатор КПК-М-2/7 ГОСТ 5.500-76.

Следует иметь в виду, что приведенные условные обозначе­ния не распространяются на устаревшие правила обозначения кон­денсаторов, у которых в качестве основы использовалась информа­ция о конструктивных разновидностях, технологических особенно­стях, эксплуатационных показателях, области применения и др. На­пример, КТК (конденсатор трубчатый керамический); КО (конденса­тор опорный): КД (конденсатор дисковый); КСО (конденсатор слюдя­ной опрессованный); КЛС (конденсатор литой секционированный); КМ (конденсатор монолитный); КБГИ (конденсатор бумажный герме­тизированный изолированный); СГМ (конденсатор слюдяной мало­габаритный); КЭГ (конденсатор электролитический герметизирован­ный); ЭТО (конденсатор электролитический танталовый объемно-пористый) и др.

а        б                  в            г        д             е       ж

Рис. 2. Условное графическое обозначение конденсаторов

На принципиальных схемах узлов РЭС конденсаторы, соглас­но действующему в России стандарту, имеют следующие графиче­ские изображения: рис. 2, а - конденсаторы постоянной емкости; рис. 2, б - конденсаторы переменной емкости; рис. 2, е - конден­саторы дифференциальные; рис. 2, г - конденсаторы подстроечные; рис. 2, д - конденсаторы сегнетоэлектрические (вариконды); рис. 2, е - конденсаторы полярные; рис. 2, ж - конденсаторы про­ходные.

 

 

Основные электрические характеристики конденсаторов

К основным электрическим характеристикам конденсаторов относятся- номинальная емкость и допуск на нее, температурный коэффициент емкости, номинальное напряжение, номинальный ре­активный ток, тангенс угла диэлектрических потерь, сопротивление изоляции и ток утечки,

НОМИНАЛЬНАЯ ЕМКОСТЬ И ДОПУСК

Номинальным называют значение емкости конденсатора, ко­торое указано в технической документации на конденсатор или ко­торое обозначено на его корпусе. Номинальная емкость является исходной для отсчета допустимого и реального отклонений конкретного конденсатора. Практически используемые значения емкостей конденсаторов находятся в пределах от 1 пФ до 1Ф, т.е. 12 порядков или 12 декад.

Экономически целесообразно, чтобы конденсаторы имели лишь некоторые значения емкости, которые находят наибольшее применение. Номинальные значения емкостей (табл. 9.3), согласно рекомендациям МЭК (Международной электротехнической комис­сии), стандартизованы (т.е. не произвольны) и выбираются из опре­деленных рядов чисел ЕЗ; Е6; Е12; Е24; Е48; Е96; Е192 (цифра ука­зывает количество номинальных значений в каждой декаде).

Таблица 3. Ряды номинальных емкостей конденсаторов, наиболее часто используемые в РЭС

Е3	Е6	Е12	Е24	Е3	Е6	Е12	Е24
1,0	1,0	1,0	1,0		3,3	3,3	3,3
			1,1				3,6
	1,2	1,2	1,2			3,9	3,9
			1,3				4,3
	1,5	1,5	1,5	4,7	4,7	4,7	4,7
			1,6				5,1
	1,8	1,8	1,8			5,6	5,6
			2,0				6,2
2,2	2,2	2,2	2,2		6,8	6,8	6,8
			2,4				7,5
	2,7	2,7	2,7			8,2	8,2
			3,0				9,1

 

Так, в ряде ЕЗ имеется три значения номинальных емкостей в каждой их декаде, которые соответствуют числам 1,0; 2,2; 4,7. Это зна­чит, что конденсаторы могут иметь, например, номинальные значения в микрофарадах: 1,0; 2,2; 4,7; 10; 22; 47; 100; 220; 470 и т.д. Аналогично в пикофарадах, нанофарадах, фарадах. Номинальные емкости должны соответствовать значениям теоретического ряда, однако реально ис­пользуемый состав ряда может быть ограничен по технологическим или физическим причинам. Например, керамический монолитный кон­денсатор типа К10-23 с температурными коэффициентами ПЗЗ и М47 производятся с номинальными емкостями, подчиняющимися ряду Е6, от 2,2 до 330 пФ, т.е. всего три декады из теоретических двенадцати.

В производстве конденсаторов наиболее часто применяются ряды номиналов ЕЗ, Е6, Е12 и Е24. Фактическое значение емкости, измеренное у конкретного конденсатора, может отличаться от номи­нального на некоторое значение, обязанное находиться в пределах поля допуска. Назначаемые допуски обычно исчисляются в процен­тах от номинального значения и также подчиняются ряду (табл. 4). Как уже упоминалось, допустимые отклонения могут указываться на самом конденсаторе. Кроме того, существует международная коди­ровка допусков, которой соответствуют отечественные обозначения (в скобках табл. 4).

 

Таблица 4. Ряд допустимых отклонений емкости конденсаторов от номинальных значений и их кодировка

Допуск, %	Международный код	Допуск, %	Международный код
0,1	B(Ж)	20	M(В)
0,2	C(У)	30	NФ()
0,5	D(Д)	-10…+30	O(О)
1	FР()	-10…+50	T(Э)
2	G(Л)	-10…+100	Y(Ю)
5	J(И)	-20…+50	S(Б)
10	K(С)	-20…+80	Z(А)

 

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ЕМКОСТИ

Емкость большинства конденсаторов зависит от их температу­ры, причем зависимость имеет нелинейный характер. Для практиче­ских целей используют линеаризацию введением температурного коэффициента емкости (ТКЕ) - величины, равной относительному изменению емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус. При наличии существенной нелинейности линеари­зацию применяют для диапазонов температур.

Керамические (и немногие другие) конденсаторы по уровню ТКЕ подразделяют на группы с линейной или близкой к ней зависи­мостью емкости от температуры. В табл. 9.5 приведены условные обозначения (буквенно-цифровое и цветными поясами) групп тем­пературных коэффициентов емкости конденсаторов.

Таблица 5. Условное обозначение групп температурных коэффи­циентов емкости керамических конденсаторов

Группа ТКЕ	ТКЕ (20...80°C)*10-6. 1/°С	Группа ТКЕ	ТКЕ (+20...+80°С),10"в. 1/°С
П100(П120)	+ 100 (+120) Цвет оран­жевый + черный	М150	-150 Цвет оранжевый
П60	+60	М220	-220 Цвет желтый
П33	+33 Цвет серый	МЗЗО	- 330 Цвет зеленый
МПО	0 Цвет черный	М470	- 470 Цвет голубой
M33	-33 Цвет коричневый	М750 (М700)	- 750 (- 700) Цвет фиолетовый
M47	-47 Цвет голубой + красный	М1500	-1500 Цвет оранжевый
M75	- 75 Цвет красный	М2200	-2200 Цвет желтый + оранжевый

 

Таблица 6. Кодированные обозначения изменений емкости кон­денсаторов с ненормируемым ТКЕ

Группа ТКЕ	Изменение емкости в диапазоне -60…+85°С	Цветная кодировка
Н10	±10%	Оранжевый + черный
Н20	±20%	Оранжевый + красный
Н30	±30%	Оранжевый + зеленый
Н50	±50%	Оранжевый + голубой
Н70	-70%	Оранжевый + фиолетовый
Н90	-90%	Оранжевый + белый

 

Температурный коэффициент емкости слюдяных и полистирольных конденсаторов колеблется в пределах , 1/°С. Поли карбонатные конденсаторы по знаку ТКЕ не гарантируются производителями (  1/°С). ТКЕ конденсаторов с другими ди­электриками не нормируются, но с помощью кодировки могут быть указаны допустимые пределы нелинейного изменения емкости в за­данном диапазоне температур (табл. 6).

 

НОМИНАЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЕ, ТОК И РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ

Номинальным называют напряжение, при котором конденса­тор может работать с сохранением своих характеристик в пределах допусков в течение эксплуатации в заданных условиях. Уровень это­го напряжения зависит от применяемых материалов и конструкции конденсатора. Поскольку свойства диэлектриков существенно зави­сят от температуры, то с ее повышением (обычно выше 70...90°С) для многих типов конденсаторов номинальное напряжение снижают.

Номинальное напряжение назначают с некоторым запасом по отношению к электрической прочности диэлектрика. Такой запас ис­ключает интенсивное старение диэлектрика и снижение пробивного напряжения в течение срока эксплуатации. В свою очередь, электри­ческая прочность диэлектрика зависит от формы приложенного на­пряжения (постоянное, переменное гармоническое, переменное им­пульсное), температуры и влажности среды, от площади соприкосно­вения с электродными пластинами, от длительности эксплуатации.

Номинальные напряжения подчиняются стандартному ряду следующих значений: 1; 1,6; 2,5; 3,2; 4; 6,3; 10; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 350; 400; 450; 500; 630; 800; 1000; 1600; 2000; 2500; 3000; 4000; 5000; 6300; 8000; 10 000 В.

Особенностью применения конденсаторов в составе РЭС яв­ляется их работа под напряжением, содержащем постоянную и пе­ременную составляющие. Сумма амплитуд постоянной и перемен­ной составляющей не должна превышать номинальное напряжение конденсатора.

С целью установления допустимого электрического режима вы­сокочастотных и особенно высоковольтных конденсаторов вводят по­нятие реактивной мощности, которая характеризует нагрузочную способность конденсатора при наличии на нем больших напряжений U_m высокой частоты. Реактивную мощность конденсатора определяют соотношением (ВАР). В области низких частот допус­тимый электрический режим обусловлен амплитудой переменного напряжения U_m, а на высоких - допустимой реактивной мощностью.

В свою очередь, амплитуду переменной составляющей можно найти с учетом допустимой пропускаемой реактивной мощно­сти (ВАР) на частоте f (Гц) конденсатора емкостью С (пФ):

.

Пропускаемая реактивная мощность конденсатора оказывает существенное влияние на допустимую амплитуду переменной со­ставляющей приложенного напряжения при включении конденсато­ра в цепь, например, высоковольтного делителя. Так, высоковольтный керамический конденсатор типа К15-12 имеет (о зависимости от номинального импульсного напряжения) допустимую реактивную мощность 0,5…3,5 кВАР и номинальное напряжение в пределах 2…4 кВ, а опорный керамический конденсатор К1ОУ-1 (применяемый при изготовлении помехоподавляющих фильтров РЭС) емкостью 2Н2 - всего 0,5 ВАР и номинальное напряженно 350 В.

Наличие омических (активных) потерь в конденсаторе приво­дит к возникновению активной мощности потерь , выделяемой на конденсаторе и приводящей к его нагреву.

Номинальный ток (нормируется только для вакуумных кон­денсаторов) - это наибольший ток, при котором конденсатор может работать длительное время. Он введен для целесообразного выбо­ра теплового режима конденсатора при значительных уровнях пере­менного тока. При пропускании через конденсатор радиоимпульсов (импульсов с заполнением сигналом высокой частоты) уровень им­пульсного тока 1„ со скважностью q может превышать номинальный ток , в несколько раз: .

Конденсатор, включенный в цепь переменного тока, обладает полным сопротивлением (импедансом), обусловленным присутстви­ем (помимо емкости) у реального конденсатора внутреннего омиче­ского сопротивления и индуктивности. На высоких частотах они ока­зывают заметное влияние на амплитуду и форму напряжений и то­ков цепи, в которую включен конденсатор.

                                   Рис 3. Эквивалентная схема замещения конденсатора на высокой частоте

 

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика полного сопротивления конденсатора

В простейшем случае эквивалентную схему конденсатора можно представить (рис. 3) последовательным включенном емко­сти С, индуктивности L и сопротивления r, которая характеризуется импедансом

.

На резонансной частоте f₀ конденсатор имеет (рис. 4) чисто активное сопротивление - на этой частоте компенсируются емкост­ная и индуктивная составляющие импеданса, т.е. . Следует отметить весьма важную для практики особенность - на часто­тах ниже f₀ реактивное сопротивление носит емкостной характер, на частоте выше f₀ - индуктивный.

В табл. 7, представлены усредненные значения характери­стик элементов эквивалентной схемы замещения конденсатора.

Таблица 7. Значения усредненных характеристик элементов за­мещения конденсаторов некоторых типов

Группы конденсаторов по типу диэлектрика	Индуктивность, мГн	Резонансная частота, МГц
Керамические и слюдяные	0,25…15	1…5000
Бумажные и пленочные цилиндрической формы	6…20	1,5…15
Бумажные и пленочные в форме параллепипеда	10…100	0,1…2,5
С оксидным диэлектриком	3…40	0,035…12

 

В большинстве случаев применения конденсаторы являются линейными компонентами, у которых основные электрические ха­рактеристики считаются не зависящими от приложенных напряжений и протекающих токов. При протекании через один из таких конденса­торов переменного тока синусоидальной формы вида  падение напряжения на нем должно учитывать инерционные свойства конденсатора:

.

Таким образом, напряжение на конденсаторе отстает от тока через него на 90^º (векторная диаграмма показана на рис. 5). До­полнительный угол появился при переходе к синусоидальной функ­ции. В комплексной форме имеет место следующее соотношение:

, где величина  является комплексным сопротивлением конденсатора, а величина  - называется реактивным сопротивлением конден­сатора, которое на постоянном токе стремится к бесконечности, а на переменном токе снижается до минимальных значений при уве­личении частоты (рис. 6),

Рис. 5. Векторная диаграмма тока и напряжения на конденсаторе

 

                  

Рис. 6. Зависимость реактивного со-                           Рис. 7. Временные зависимости на-противления конденсатора от частоты                    пряжения, тока и реактивной мощно­сти

конденсатора

 

Мгновенная мощность, выделяемая на конденсаторе (рис.7),

 может иметь положительное и отрицательное значения (конденса­тор запасает электрическую энергию или отдает ее в ту цепь, в ко­торую он включен).

 

ТАНГЕНС УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

Потери энергии на заданной частоте в конденсаторе отражает тангенс угла потерь, который определяют отношением активной мощности на конденсаторе к его реактивной мощности (при напряжении синусоидального тока): . Тангенс угла диэлектриче­ских потерь  обусловлен типом диэлектрика и его качеством, температурой окружающей среды, частотой переменного тока. Зна­чения  для керамических высокочастотных, слюдяных, полистирольных, фторопластовых конденсаторов находятся в пределах , поликарбонатных , керамических низко­частотных , оксидных , полиэтиленфталатных .

 

 

СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ И ТОК УТЕЧКИ

 

На постоянном токе конденсатор представляет собой доста­точно большое сопротивление. Это сопротивление называют сопро­тивлением изоляции конденсатора. Его значение отражает качество, как диэлектрика, так и изготовленного конденсатора. При длитель­ной эксплуатации или хранении сопротивление изоляции под дейст­вием внешних воздействий может снизиться на несколько порядков. Для практической оценки этой характеристики конденсатора изме­рение сопротивления изоляции производят при некоторых фиксиро­ванных напряжениях (10, 100, 500 В), значения которых ниже номи­нальных для соответствующих типов конденсаторов.

Проводимость конденсатора на постоянном токе в установив­шемся режиме обусловливает ток утечки между его обкладками. Причиной его возникновения являются свободные носители заряда в диэлектрике, и он нелинейно зависит от приложенного напряжения и длительности воздействия. Поэтому практическое измерение тока утечки конденсатора производят через 5 мин после подачи на него напряжения. Обнаружено, что многократное приложение постоянно­го напряжения (ниже номинального) вызывает у вновь изготовленно­го конденсатора «формовку» диэлектрика (некоторое снижение тока утечки). Длительная эксплуатация и хранение вызывают рост тока утечки.

ЛАКОПЛЕНОЧНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ

Особенностью лакопленочных низкочастотных конденсаторов является вид диэлектрика - тонкая пленка эфироцеллюлозного лака толщиной несколько микрометров. Поэтому лакопленочные конден­саторы имеют высокую удельную емкость (до 0,22 мкФ/см³). В зави­симости от толщины лаковой пленки и металлизации номинальное напряжение их составляет 25, 63 или 250 В.

Конструктивно они в большинстве случаев оформлены в ме­таллическом корпусе (К76П-1; К-76-3; К76-4; К76-5), приспособлен­ные к печатному и объемному монтажу. Конденсаторы выпускают номиналами 0,47,..22 мкФ с допусками ± 5%, ± 10%, ± 20%. Диапа­зон допустимых температур -60...+70 (85)°С, диэлектрические поте­ри - не более (при частоте 1 кГц).

Сегментные индикаторы

Матричные индикаторы

1. Жидкокристаллические индикаторы
2. Вакуумные люминесцентные индикаторы
3. Индикаторы на ЭЛТ
4. Газоразрядные индикаторы, плазменные панели
5. Накальные индикаторы
6. Электролюминесцентные индикаторы
7. Электрохромные и электрофорезные индикаторы
8. Электрофорезные индикаторы
9. Сравнение различных типов индикаторов и перспективы их развития
10. Контрольные вопросы

 

 

Индикаторные устройства предназначены для вывода информации в удобной для человека визуальной форме. Иначе говоря, индикаторы - это средство общения машина - человек. Визуальный способ передачи информации самый эффективный: о его помощью в единицу времени можно передать в десятки раз больший объем информации, чем, например, по звуковому каналу.

Сейчас трудно представить себе электронный прибор без инди­катора, причем сами индикаторы становятся более информативными и удобными для человека. Всего тридцать лет назад выбор индика­торов был крайне ограничен. В основном это были стрелочные приборы типа амперметров и вольтметров, простейшие накальные и газоразрядные индикаторы. Самым совершенным из них казался экран осциллографической трубки.

В последние годы в связи с бурным развитием вычислительной, измерительной и информационной техники потребность в индикаторах возросла многократно. Появились принципиально новые типы индикаторов, которые, в свою очередь, стимулировали развитие микроэлектроники. Как пример можно привести жидкокристаллические индикаторы, которыми снабжен каждый второй калькулятор и почти вое электронные часы. Без жидкокристаллических индикаторов эти приборы не могли бы быть такими компактными, долговечными и де­шевыми.

 Созданы индикаторы, работающие на разливших принципах и способные отображать любую информацию: цифровую, буквенную, графическую - во множестве цветов и цветовых оттенков. Разработаны аналоги стрелочных индикаторов, практически безынерционные, но боящиеся ударов и вибраций. Сложные индикаторы – дисплеи - могут одновременно отображать целые страницы буквенной, цифровой и графической информации. И все же нельзя считать, что в области индикаторов все исследовано и разработано. Каждый из известных типов индикаторов наряду с достоинствами имеет недостатки. Индикатор, сочетающий все достоинства, еще не создан. Вероятно, в будущем появятся новые более совершенные типы индикаторов. Наметилась явная тенденция - разработка плоского аналога электронно-лучевой трубки. Практически все типы индикаторов опробованы для этой цели и уже имеются определенные достижения.

Совершенствование индикаторов непосредственно связано с раз­витием микропроцессорной техники, которая позволяет создавать более эффективные схемы управления индикаторами. С другой стороны, современные индикаторы позволяют более полно и информативно представлять результаты работы микропроцессорных систем.

Большая роль в разработке и исследовании индикаторных устройств принадлежит русским и советским ученым. В 1922 году советский физик Лосев О.В. обнаружил явление излучательной рекомбинации и создал первые светодиоды. В дальнейшем исследование различных типов индикаторов продолжили Агейкин Д.И., Готра З.Ю., Яблонский Ф.М. и многие другие.

В результате проведенных разработок было создано большое разнообразие серийных индикаторов.

 

 Система параметров индикаторов

Для характеристики индикаторов разработана система параметров, отражающая физические свойства и воздействие индикаторов на человека, а также особенности их электрического возбуждения. Эта система позволяет объективно сравнивать различные типы индикаторов и выбирать наилучшие для каждого применения.

Световой поток Ф, лм - это полный поток излучения, отдавае­мый индикатором в видимой области спектра. Для характеристики индикаторов используется редко.

Сила света J_св, кд - световой поток в единице телесного угла, I кд = I лм/стер. Приближенно можно считать, что силой света в I кд обладает лампа в I Вт или обыкновенная свеча. Оп­тика (линзы) позволяет усилить свет в определенном направлении. Характеристика силы света используется преимущественно для точеч­ных индикаторов. Нормальной для восприятия считается сила света от 0,1 до 10 мкд.

Яркость L, кд/м² - отношение силы света к площади излучате­ля. При любом перемещении наблюдателя относительно плоского из­лучателя яркость не меняется, так как одновременно изменяется сила света и площадь излучателя. Линзы также не изменяют яркость, но они увеличивают кажущуюся площадь излучателя. Яркость чаще используется для характеристики индикаторов большой площади: цифровых, знаковых, матричных. Нормальной считается яркость от 30 до 3000 кд/м².

Контраст К - безразмерная величина, равная отношению яркости символа к яркости фона. Может характеризовать как активные, так и пассивные индикаторы. В последнем случае подразумевается вторичная яркость, то есть яркость отраженного света. Для нормального восприятия необходимо, чтобы К была больше 3:1.

Диаграмма направленности - это зависимость силы света от угла, отсчитываемого от направления нормали к плоскости излучателя или его главного направления.

Угол излучения α _изл измеряется в угловых градусах, характеризует остроту диаграммы направленности. Определяется как угол между двумя направлениями, для которых сила света уменьшается в два раза. Для плоского источника излучения малых размеров α _изл =120°. С помощью оптики можно существенно изменять α _изл .

Спектральная характеристика излучения, или длина волны излучения λ_изл для монохроматических источников света. Считается, что видимая глазом человека область спектра простирается от 360 ни до 760 нм (рис.1).

 

 

Рис.1. Спектральная диаграмма цветов излучения.

 

Напряжение питания U _пит, В - параметр, определяющий совмес­тимость индикатора с управляющей электронной схемой. Для хорошей совместимости необходимо, чтобы U _пит <5 В. Важна также характеристика U _пит: постоянное, переменное, импульсное. Это определяет необходимость построения специальной схемы питания и преобразователей напряжения, что усложняет разработку и увели­чивает помехи.

Потребляемая мощность Р_потр, Вт - мощность источника питания для обеспечения поминальной яркости или контраста индикатора. Для переносной МЭА необходима как можно меньшая величина Р _потр.

 

 Светоизлучательные диоды

Светоизлучающие диоды (СИД) в современной МЭА являются самыми массовыми по численности и сферам применения. Это обусловлено их уникальными характеристиками: кристаллы СИД - самые миниатюрные источники света, их размеры обычно не превосходят 0,3x0,3x0,3 мм, они не требуют вакуумирования в стеклянную колбу надежны, работают при малых токах и напряжениях и хорошо совместимы с ТТЛ-схемами.

Явление люминесценции в естественных р-п, переходах карбиде кремния было открыто советским ученым Лосевым еще в 1923 году, умышленные разработки СИД ведутся с 1962 года; к настоящему времени световую эффективность СИД удалось повысить в десятки рва путем физических, технологических и конструктивных усовер­шенствований.

 

 Физические основы работы СИД

В основе принципа работы СИД заложено явление излучательной рекомбинации, то есть излучение света при прохождении прямого тока через р-п переход [I]. Рассмотрим это явление в простом р-п переходе, как показано на рис. 2. В исходном состоянии две участка р - и п - типа одного и того же полупроводникового материала изолированы друг от друга, их зонные диаграмма представ­лены на рис.2.а. При плотном соприкосновении этих участков, а еще лучше при изготовлении их в едином монокристалле уровни Ферми E_F выравниваются, а зонная диаграмма в переходной области становится ступенчатой. При приложении к р-п переходу прямого напряжения высота ступеньки уменьшается и носители заряда (электроны) инжектируются в р-область. Здесь они, являясь не основными носителями, рекомбинируют с дырками. При этом высвобождается энергия в виде кванта излучения (фотона), равная ширине запрещенной зоны, то есть hυ>>∆E .

Рис.2. Механизм излучательной рекомбинации: а - материалы p- и n- типа изолированы друг от друга; б - области р и n возданы в едином монокристалле; в - к р-п переходу приложено прямое напряжение, ∆E -ширина запрещенной зоны, E_F -уровень Ферми, hυ- энергия кванта.

 

 Кроме того, возможна безызлучательная (фононная) рекомбинация, когда электрон рекомбинирует на примесных уровнях в запрещенной зоне. Для характеристики из­лучательной рекомбинации введено понятие внутренней квантовой эффективности η_внутр, равной отношению количества излученных фотонов к количеству электронов, инжектированных через р-п переход:

[фотон/электрон],

 

где τ _изл - время жизни инжектированного электрона по отношению к излучательному переходу; τ _{без изл} - то же по отношению к безызлучательному переходу.

В практически используемых ОВД η_{внутр =} 0,3-0,9.

Рассмотренная картина является простейшей, она описывает только некоторые СИЛ. Реальные СИД имеют более сложную зонную диаграмму, показанную на рис. 3. В координатах энергия Е, квазиимпульс ¯к зонная диаграмма многих полупроводниковых материалов имеет два минимума. Законы квантовой механики разрешают переход,

 

       

а)                                                   б)

Рис 3. Рекомбинация в не прямозонном полупроводнике: а-непосредственная рекомбинация; б - рекомбинация через экситонные центры; I - зона проводимости, 2 –валентная зона; 3 - прямозонный переход; 4 - не прямозонный переход; 5 - уровень экситонного центра.

 

при которых  остается постоянным, поэтому рекомбинация элек­трона из более глубокого минимума зоны проводимости практичес­ки невозможна (не прямозонный переход запрещен).

Для того чтобы сделать такие переходы возможными, вводят "экситонные центры" рекомбинации. Механизм действия этих центров заключается в следующем: в кристаллическую решетку внедря­ются атомы примеси, имеющие такую же валентность, как атомы ре­шетки, но меньший порядковый номер в периодической таблице. Свободные электроны этих атомов находятся ближе к положительно заряженному ядру и сильнее с ним связаны, чем электроны атомы решетки. Образуются потенциальные ямы для свободных электронов решетки. Происходит локализация свободных электронов на "экси-тонных центрах". В соответствии с принципом неопределенности значение квазиимпульса электронов К размывается и с большой ве­роятностью становится равным квазиимпульсу для дырок в макси­муме валентной зоны. Рекомбинация становится возможной, при этом излучается фотон с энергией hυ, равной разности энергий ∆E  "экситонного центра" и максимума валентной зоны. Длина вол­ны излучения для прямозонных и не прямозонных переходов опреде­ляется по общей формуле:

         

 

где ∆E  - ширина запрещенной зоны, либо разность энергий между уровнями экситонных центров.

Реально излучение происходит в некоторой узкой полосе длин волн вблизи .

 

Материалы для СИД

Наиболее известный полупроводниковый материал - кремний - для СИД не годится. Действительно, как следует из формулы (2.2), длина волны излучения кремния λ_изл - 1240/1,12 = 1100 нм лежит в дальней инфракрасной области, невидимой для глаза человека; при этом η_внутр также низка. Для СИД сейчас повсеместно используют полупроводниковые соединения типа А ^III  В ^V , то есть соединения материалов третьей и пятой групп периодической системы Д.И. Менделеева.

 

А ^III : В ; Al; Ga; Jn; Tl.

В ^V ; N; Р ; As; Sb; В i.

Возможны двойные и тройные соединения с разным процентами составом. Наиболее известны такие соединения: Ga Р; Si С; GaAs _{1- x} ; Ga_xAl _{1- x} As , , причем формула GaAs ₀₆ P ₀₄ означает, что на 10 атомов Ga приходится 6 атомов А s и 4 атома Р ,

Характеристики некоторых материалов для СИL приведены в табл. 1.

Т а б л и ц а 1. Характеристики материалов дай СИД

Материал	Тип перехода	∆E ,эВ	λизл ,нм	Цвет излучения
G аР: Z пО	Непрямой	1,77	699	Красный
G аР: N	То же	2,17	570	Зеленый
GаА s	Прямой	1,36	910	ИК
GaAs 06 P 04	То же	1,91	649	Красный
Ga 07 AlAs	_ " _	1,84	675     То же
Si С	Непрямой	2,10	590	Желтый
GaN	Прямой	2,82	440	Синий

 

Типичный представитель не прямозонных материалов – G аР. Его зонная диаграмма показана на рис. 2. Вводя различные добавки, образующие экситонные центры, можно получать различные цвета излучения. Соединение G аР: N дает зеленый цвет излучения, а GаР: Z пО - красный. Это позволяет создавать двух цветовые индикаторы в одном кристалле. Тройные соединения в зависимости от процентного содержания могут быть как прямозонными, так и не прямозонными. Как следует из табл.1, наиболее распространены красные излучатели, причем возможны различные длины волн (оттенки) красного цвета: 699, 649, 675 нм. Синие светодиода на G а N пока известны только в виде лабораторных образцов из-за сложности создания р-п переходов в этом материале. Для создания излучателей в ИК области широко используют GаА s, об­ладающий высокой η_внутр.

 

 

Рис.4. Принцип образования различного цвета излучения GаР,а - зеленое излучение из G аР: N (∆E = 2,17 эВ); б - красное излучение из GаР: Z пО (∆E= 1,77 эВ).

 

Конструкция точечных СИД

Основой светодиодных излучателей является кристалл, в котором создан плоский р-п переход. Перехода создают методом диффузии либо эпитаксии в пластинах большой площади, которые затем разрезаются на кристаллики с размерами приблизительно 0,3x0,3x0,3 мм. К р - и n-областям нужно обеспечить надежный электрический контакт. Излучение зарождается в тонком слое р-п перехода (толщиной несколько микрон) и направляется во все стороны. В зависимости от ориентации кристалла по отношении к наблюдателю различают планарные и торцевые излучатели (рис. 5.). Пленарные излучатели имеют большую светящуюся площадь, равную площади плоскости кристалла за вычетом металлизации. Но часть излучения теряется на поглощение в слое полупроводникового мате риала р - типа, как показано на рис. 5.,а. Металлический пленочный контакт имеет кольцевую форму, что обеспечивает потенциал и, следовательно, яркость излучения по всей поверхности кристалла.

Рис.5. Конструкция дискретных СИД: а - планарный излучатель; б - торцевой излучатель; г - излучающая область р- n перехода; 2 - металлизация; 3 - на­правление полезного излучения.

 

В торцевых излучателях светится непосредственно торец р-п перехода, потерь на поглощение нет, яркость высока, но из-за малой ширины р- n   перехода световой поток меньше, чем для планарного излучателя. Конструкция проста, металлизация поверхностей сплошная, однако в качестве индикаторов торцевые СИД используют редко из-за низкой световой эффективности. Такая конструк­ция характерна для полупроводниковых лазеров.

Наиболее распространена конструкция, в которой используется как плоскостное, так и торцевое излучение (рис. 6).

 

 

Рис.6. Принцип использования торцевого излучения кристалла СИД: а - поперечное сечение кристалла в отражателе; б-вид на излучатель сверху; I - кристалл; 2 -зеркальные поверхности; 3 - плоскостное излучение; 4 - торцевое излучение.

 

Достигается это с помощью миниатюрного отражателя, в который помещают кристалл, направляющий почти все излучение к наблюдателю.

В настоящее время известны три основных варианта герметиза­ции точечных СИД, показанные на рис. 7.

 

 

    

 

Рис.7. Варианты герметизации дискретных СИЛ: в – бескорпусной; б - в металлостеклянном корпусе;в - в прозрачном полимерном корпусе; г - кристалл СИД;2 - вывода; 3 - прозрачный полимер; .4 - стекло; 5 - полезное излучение.

 

Герметизация защищает кристалл от внешних воздействий и одновременно формирует световой поток. В бескорпусном варианте кристалл заливается капелькой прозрачной пластмассы и излучает свет во все сторона α_изл=360°. Достоинством варианта является миниатюрность, однако сила света невелика. Металлостеклянный корпус обеспечивает высокую надежность по отношению к тепловым и климатическим воздействиям, но сила света таких индикаторов также мала. Наиболее распространены полимерные корпуса из прозрачной или окрашенной пластмассы. В таких индикаторах существенно возрастает сила света, контрастность, направленность излучения.

 

Внешняя квантовая эффективность СИД

1. Поглощение в толще полупроводникового материала. Фотон, генерированный в области р-п перехода, имеет энергию, равную ширине запрещенной области полупроводникового материала. Следовательно, при прохождении через этот материал возможен фотоэффект, то есть поглощение фотона. Вот почему верхний слой материала (чаще всего р- типа ) делают как можно тоньше. Эффективность СИД, с учетом поглощения характеризуют коэффициентом η_внутр, численное значение которого составляет 0,4 - 0,9.

2. Френелевские потери, связанные с прохождением света че­рез границу кристалл - воздух, независимо от угла падения луча света на эту границу. Эффективность СИД с учетом френелевских потерь характеризуется коэффициентом η_фр :

 

                                     

где η_в - I - оптическая плотность воздуха; п_кр =3,4 - оптичес­кая плотность кристалла. При этом получаем η_фр =0,7.

3. Потери на полное внутреннее отражение. Вследствие того, что свет выходит из более плотной оптической среда (из кристалла) в менее плотную (воздух), существует критический угол α_крит за пределами которого луч отражается от границы раздела и воз­вращается в кристалл:

                                 

Для указанных значений η_в и п_кр α_крит = 17°.

Эффективность СИД с у четом потерь на внутреннее отражение определяется коэффициентом п_отр :

 

 

Произведение трех перечисленных коэффициентов характеризует

оптическую эффективность п_опт вывода излучения из кристалла СИД:

 

   

 

Внешняя квантовая эффективность СИД п_внеш определяется как:

                          

и характеризует количество фотонов, вышедших из кристалла, к количеству электронов, инжектированных через р-п переход. По сути дела это КПД СИД, так как энергии инжектированных электронов и излученных фотонов практически одинаковы.

Конструктивные пути повышения внешней квантовой эффективности

Путем выбора более рациональной конструкции СИД можно в не­сколько раз повысить его эффективность. Наиболее просто это достигается для СИД в прозрачном полимерном корпусе (рис,2.6,в), Введение промежуточного слоя пластмассы с показателем преломле­ния п_пл- 1,5 уменьшает френелевские потери, определяемые ана­логично:

 

Принцип уменьшения потерь на полное внутреннее отражение иллюстрируется рис. 8. Если кристалл граничит с воздухом, то α_крит=17°.

Рис.8. Принцип увеличения критического угла путем заливки кристалла полимером

 

Ход лучей в кристалле ОВД, граничащем с воздухом, α_крит=17° (а), в кристалле, покрытом плоским слоем полимера, α_крит=17°(б), в кристалле со сферическим покрытием из полимера, α_крит=26,2° (в). I - материел кристалла с п_кр 3,4; 2 - полимер с п_пл,=1,5; 3 - воздух с п_в = I.

 

При нанесении на поверхность кристалла слоя пластмассы критический угол для границы кристалл - пластмасса уве­личивается до величины, равной:

 

 

Однако, как видно из рис. 8,Б, дополнительная часть светового потока отражается от границы пластмасса - воздух, по отношению к выходящему излучению критический угол не возрастает и остается равным 17°. .Вывести этот дополнительный световой поток из кристалла можно, придав сдою пластмассы сферическую форму, как показано на рис, 8,в. В этом случае всякий световой луч, прошедший в слой пластмассы, выйдет из него в воздух, поскольку будет падать на границу раздела под углом, близким к прямому. Критический угол становится равным действительно 26,2° и эффективность вывода излучения из кристалла увеличивается:

 

вместо прежних η_внутр = 0,0865.

Итак, эффективность СИД с пластмассовым покрытием сферической формы возрастает приблизительно в 3 раза за счет увеличения критического угла и уменьшения френелевских потерь.

 

Формирование диаграммы направленности СИД

Плоский кристалл имеет ламбертовскую диаграмму направленности, то есть сила света изменяется по закону:

             

где J₀ - света на оси, перпендикулярной плоскости кристалла; α - угол, отсчитанный от нормали.

Форма диаграммы направленности представляет собой окружность, касающуюся поверхности кристалла, как показано на рис. 9, а.

 

 

Рис.9. Диаграммы направленности СИД: а - для дискретного плоскостного излучателя; б - для кристалла, помещенного в полимерный корпус.

 

Угол излучения такого источника, определяемый по уменьшению силы света в 2 раза, составляет α_изл =120°,

Для увеличения внешней квантовой эффективности кристалл СИД помещают в центр сферы из прозрачной пластмассы, как это было показано. При этом диаграмма направленности светового потока остается ламбертовской, а сила света на оси увеличивается в п²_пл= 2,25 раза. Иначе говоря, J’₀ =2,25 J₀ . Кроме того, можно регулировать положение кристалла относительно центра линзы; Если глубина погружения h кристалла в пластмассовую линзу больше радиуса кривизны r поверхности линзы, то диаграмма направленности вытягивается вдоль главной оси, как показано на рис. 10. Световой поток,

 

Рис.10. Деформация диаграммы направленности CИД выбором заглубления кристалла

 

выходящий из СИД, остается почти постоянным, угол излучения уменьшается, а сила света на оси увеличивается в соответствии с выражением:

  

Форму диаграммы направленности можно изменять и другими способами. Например, если придать пластмассовой линзе заостренную форму, то можно получить почти постоянное значение силы света в пределах α_изл (рис. 11,а).

 

 

Рис.11. Специфические диаграммы направленности: а - с постоянной силой света в пределах угла излу­чения; б - с большим углом излучения.

 

В панельных индикаторах широкий угол излучения α_изл =180° получается добавлением в материал линзы мелких частичек алюми­ниевого порошка, рассеивающих свет по всем направлениям (рис.11,б).

Контрастность СИД можно существенно увеличить, добавив в материал прозрачной линзы краситель того же цвета, что и излучение СИД, Тогда собственное излучение СИД проходит через линзу без потерь, а внешняя засветка, имеющая обычно широкий спектральный состав, в значительной мере поглощается красителем.

 

 Сверхъяркие СИД

До сих пор анализировались способы увеличения внешней квантовой эффективности СИД выбором конструкции оптической системы.

Рассмотрим оригинальный способ снижения потерь на поглощение в самом кристалле СИД.

Ранее отмечалось, что в планарных СИД часть светового потока теряется в слое полупроводникового материале на поглощение за счет фотоэффекта. Фотоэффект можно значительно уменьшить, если ширину запрещенной зоны этого полупроводникового материала сделать, больше энергии фотонов излучения. Это достигается созданием многослойной структуры, показанной на рис.12. Излучение зарождается в р-п переходе, образованном в Ga ₀₃₅ Al ₀₆₅ As, име­ющем ∆Е=1,84 эВ, по обе стороны от которого находится материал Ga ₀₃₅ Al ₀₆₅ As , имеющий ∆Е=2,02 эВ. Этот материал прозрачен для фотонов излучения, так как их энергии недостаточно для генерации электронов и дырок, то есть фотоэффекта. На обратной сто­роне кристалла нанесено зеркальное покрытие. Часть излучения попадает к наблюдателю непосредственно, а часть - отразившись от зеркала. Торцевое излучение также направляется к наблюдателю. Таким образом удалось существенно повысить долю полезного излучения. По данным печати, создан Сверхьяркий СИД, по силе света на порядок превосходящий обычные СИД[2].

 

 

 

Рис.12. Принцип увеличения полезного излучения в сверхзьярком СИД: а - структура кристалла: б - зонная диаграмма: I- материал Ga ₀₆₅ Al ₀₆₅ As ; 2 - материал Ga ₀₃₅ Al ₀₆₅ As; 3 - излучающая область; 4 - зеркальное покрытие; 5 - прямое излучение;6 - отраженное излучение.

 

 

Световая эффективность СИД

Важную роль в восприятии индикатора человеком играет соответствие его излучения и спектральной чувствительности глаза. Глаза у всех людей индивидуальны, поэтому Международной электротехнической комиссией (МЭК) разработана обобщенная кривая видности человеческого глаза, показанная на рис.13. График построен в логарифмическом масштабе и отражает относительную чувствительность глаза к различным длинам волн излучения V(λ). Кривая имеет максимум при λ= 555 нм (зеленое излучение). На этой длине волны излучение мощностью I Вт соответствует световому потоку 680 лм. При других длинах волн I Вт излучения соответствует меньшему световому потоку, а именно 680 V(λ) лм. Например, для красного СИД с λ = 699 нм излучение мощностью I Вт со­ответствует всего 6,8 лм, так как V (699 нм) = 0,01.

Световая эффективность СИД определяется как

                                      

и показывает, какой световой поток в люменах можно получить, приложив к СИД электрическую мощность в I Вт .

 

Рис.13. Кривая видности МЭК.

 

 

В настоящее время достигнуты следующие значения световой эффективности:

 красные СИД - I лм/Вт;

 зеленные СЩ - 1,2 лм/Вт;

 желтые СИД - 0,5 лм/Вт.

Большое распространение красных СИД объясняется значительным количеством соединений А ^III В ^V дающих красное излучение, их относительно низкой стоимостью и большим психологическим воздействием на человека.

 

Спектральные характеристики некоторых СИД приведены на рис.14 на фоне кривой видности и кривой чувствительности

 

Рис.14.Спектральные характеристики в относительных единицах: 1 - кривая видности; 2 - кривая чувствительности кремниевого фотоприемника; 3 - излучение G аР: N; 4 - излучение G аР: Z пО; 5 – излучение G а As .

кремниевого фотоприемника. Ширина спектральной характеристики излучения большинства СИД не превышает 20нм. Кремниевые фотоприемники чувствительны к ИК области спектра, поэтому они могут работать совместно с любым СИД как видимого, так и ИК диапазона.

 

 Паспортные параметры СИД

 

В настоящее время в СССР выпускается широкая номенклатура СИД: бескорпусных и в корпусах, различного цвета свечения, рай личной формы. Сведения по СИД можно найти в справочкой литера­туре [3-5]. В табл. 2. приведены характеристики и параметры некоторых промышленных образцов.

Таблица 2. Параметры промышленных образцов СИД

Тип СИД	Исходный материал	Исполнение корпуса	Цвет свечения, λизл ,нм

 

В табл.2. указаны минимальные и максимальные значения силы света при определенном токе через СИД. Это связано о технологическим разбросом эффективности излучения.

Из анализа табл. 2. можно сделать следующие выводы.

1. СИД одною типа, например АЛ341,могут иметь различный цвет излучения.

2. СИД в пластмассовых корпусах дают значительно большую силу света, чем в металло-стеклянных, а также бескорпусные СИД.

3.Сила света существенно зависит от угла излучения.Например, для СИД одинаковой конструк­ции и с одинаковыми кристаллами АЛ307КМ и АЛ336К максимальная сила света составляет 5 мкд и 150 мкд при углах излучения соот­ветственно 100° и 20⁰.

 

 

Схемы включения СИД для индикации

 

Схема включения должна обеспечивать номинальный режим работы СИД, а именно номинальный ток. Прежде чем определять величину тока, рассмотрим вольтамперную характеристику СИЛ в общем, виде, показанную на рис. 15. Как и для кремниевых диодов, ВАХ имеет ярко выраженный излом при U_порог. При малых напряжениях

 

Рис.15. Типичная ВАХ СИД.

 

(U< U_порог) ток через СИД практически равен нулю и излучения нет. При U≥ U_порог начинается резкое увеличение тока и, если не ввести ограничительного сопротивления, ток через СИД может превысить допустимое значение. Значение U_порог =1,2- 2,0 В зависит от цвета излучения: для красных СИД характерны малые напряжения, для желтых и зеленых - большие.

Простейшая схема включения СИД состоят из источника питания напряженней U _пит и ограничительного резистора R _огр (рйс.16,а). Задача заключается в определении R _огр при заданном U _пит:

 

где J_сид –номинальный ток через СИД, определяющийся из паспортных данных.

Например, при J_сид = 10 мА; U_пит =5 В; U_порог = 1,5 В, получаем R_орг =330 Ом.

 

Рис.16.Схемы включении СИД для индикации: а - простейшая схема с ограничительным резистором; б - транзисторная схема.

Если требуется управление СИД (включение и выключение, модуляция излучения), его включают в коллекторную цепь транзистора, играющего роль ключа, как показано на рис. 16,б. В этом случае величина сопротивления ограничительного резистора определялся по формуле:

 

 

где  - напряжение насыщения ключевого транзистора, обычно =0,2- 0,3 В. Выпрямительные свойства СИД позволяют включать его в цепь переменного сигнала. При встречно-параллельном включении двух СИД можно получить индикатор полярности напряжения.

Следует заметить, что при работе совместно с ТТЛ-схемами, имеющими U _пит =5 В, значительную часть напряжения приходится гасить на R _огр , то есть мощность источника питания расходуется нерационально. В этом случае целесообразно использовать последовательное включение двух СИД, при этом световой поток удваивается. Известны конструкции индикаторов, в которые встроены два последовательно соединенных кристалла.

Значительно более рационально питать СЩ, не постоянным, а импульсным током. При частоте импульсов выше 100 Гц мерцание становится незаметным, но достигается существенный выигрыш по мощности, потребляемой от источника питания. Для пояснения этого эффекта рассмотрим зависимость силы свете J _св от тока через СИД J _сид , показанную на рис. 17.

 

Рис.17.Зависимость силы света от тока через светодиод: 1 - линейная зависимость; 2 - сверхлинейная зависимость.

 

Эта зависимость называется сверхлинейной: с ростом J _сид крутизна возрастает, а следовательно, повышается эффективность преобразования электрического тока в световой поток. Объясняется это тем, что при больших токах уменьшается доля безызлучательных переходов и растёт η _внутр Кривая 2 на рис.17 описывается формулой:

                 

где А - коэффициент пропорциональности; л - показатель нелинейности, для GaP и GaAs _{1- x} P_x n=1,4.

При двукратной увеличении тока через СИД сила света возрастает в 2,8 раза. Однако увеличивать постоянный ток через СИД нельзя: возрастает тепловая мощность, выделяемая на кристалле что может привести к его порче. Но можно питать СИД импульсным током с большой скважностью таким образом, чтобы средний ток и средняя мощность не превышали допустимых значений. Определим скважность q следующим образом:

 

 

 

где τ_и -длительность импульса; Т_и  - период следования импульсов ,

Используя закон Тальбота, выразим силу света J _св.и в импульсном режиме через силу света J _{св. пост} при питании постоянным током:

 

J _св.и = J _{св.пост} * q

 

Из уравнений можно рассчитать импульсный ток  необходимый для создания такой же силы света, что и при постоянном токе :

  

Например, при q=5, n=1,4 и  =10 мА потребуется = 32 мА. Для сравнения укажем, что если бы зависимость J_св(J_сид) была линейной, потребовался бы  = 50 мА и соответственно в 1,6 раза больший расход тока от источника питания.

На рис, 18 показаны временные диаграммы тока J_сид для различных значений q. 

а)                                             б)

Рис.18. Временные диаграммы импульсного режима питания индикаторных СИД: а - q = 2; 6-q.= 10.

 

Заметим также, что в импульсном режиме дополнительный выигрыш получается за счет уменьшения потерь мощности на R_огр , величина которого оказывается меньше, чем при постоянном токе. Рис.19 иллюстрирует выигрыш в J _св получаемый при больших значениях q и при одинаковом значении J_сред, потребляемого от источника тока.

 

Рис.19. Зависимость силы света СИД от скважности импульсов питающего тока.

 

Многоэлементные СИД

Для вывода сложной информации; буквенной; цифровой или графической - применяют многоэлементные СИД, составленные из нескольких точечных индикаторов. К многоэлементным индикаторам от­носят сегментные и матричные индикаторы, а также линейные шкалы. Рассмотрим их устройство, конструкцию и особенности работы.

 

Сегментные индикаторы

Сегментные индикаторы являются самыми простыми для отображения цифровой и буквенной информации. Для отображения цифр от 0 до 9 повсеместно используются 7-сегментные индикаторы. На рис.20. показано, что с помощью такого индикатора можно отображать также и некоторые буквы, например, формировать символы гексагонального кода. Кроме этого существуют 9- и 16-сегментные индикаторы, предназначенные для отображения букв русского алфавита,

Каждый сегмент в индикаторе - это один или два СИД, соединенных последовательно. Все сегменты имеют один общий вывод, поэтому различают индикаторы с общим анодом и общим катодом, показанные на рис.21.

 

 

Рис.20. Стандартный 7-сегментный цифровой ин­дикатор; а - обозначения сегментов индикаторов; б - примеры формирования.

 

 

Рис 21. Схемы соединения отдельных СИД в сегментном индикаторе: а- схема большим анодом; б- схема с общим катодом.

 

Вторые выводы СИД каждого сегмента выве­дены на внешние контакты, на них подают управляющие сигналы. Зажигая те или иные сегменты, можно сформировать любую нужную цифру. Управляющие сигналы могут поступить от транзисторных ключей либо от специальных микросхем - дешифраторов 7-сегментного кода, например К514ИД2, как показано на рис.22..

 

Рис22. Схемы управления сегментными индикаторами: а - транзисторная; 6 - на основе микросхемы К514ИД2.

 

Рис.23..Конструкция монокристаллического сегментного СИД: а - общий вид кристалла; б - вид на отдельный сегмент сверху; в - вид в сечении;1 - кристалл;2 - сегмент индикатора; 3 - металлизация; 4 - золотые проводники.

 

Конструкция 7-сегментных индикаторов

Для СИД существуют три основных конструктивно-технологичес­ких варианта сегментных индикаторов:

- малые индикаторы с размером цифры до 2 мм, формируемые в монокристалле методом локальной диффузии (рис. 23). Общий вывод делается от подложки; кроме того, каждый сегмент имеет свой проволочный вывод. Сегмент покрыт узкой полоской металлизации для выравнивания потенциала на поверхности и, следовательно, равномерного свечения. Для увеличения силы света и кажущихся размеров знака над индикатором располагают сферические и цилинд­рические линзы. Конструкция простая, но требующая нерациональ­ного расхода дорогого полупроводникового материала;

- индикаторы средних размеров (до 6-7 мм) делают по гибрид­ной технологии (рис. 24). На керамической подложке распаивают торцевые СИД (в виде удлиненных полосок), образующие сегменты.

 

Рис.24. Конструкция простого гибридного индикатора; а - общий вид индикатора; б- отдельный сегмент в виде торцевого СИД; в - то же в виде планарного СИД.

 

Полупроводниковый материал при этом экономится, но все же конст­рукция не получила большого распространения;

- индикаторы больших размеров (до 7-15 мм) делают по гибридной технологии с применением отражателей. В подложке формируют удлиненные углубления, образующие контуры сегментного индикатора. Эти углубления покрывают изнутри отражающим веществом и в них помещают кристаллики СИД. Планарное и торцевое излучение СИД, отражаясь от стенок углубления, направляется к наблюдателю, который воспринимает его как свечение всего сегмента. Для улучшения равномерности свечения углубление заполняется светорассеивающим составом, а весь индикатор заливают прозрачной окрашенной пластмассой, усиливающей контраст. Так устроены, например, индикаторы АЛС324А(Б, В). СИД здесь работает при более высоких плотностях тока, что способствует повышению КПД.

Рис.25. Конструкция гибридного рефлексного СИД: а - общий вид индикатора; б - структура отдельного сегмента; I - светорассеивающий материал; 2 - зер­кальная поверхность; 3 - полезное излучение.

 

Индикаторы имеют следующие обозначения: АЛ и ЗЛ - для точеч­ных индикаторов, АЛС и ЗЯС - для многоэлементных индикаторов (сборка) и цифр (см. табл. 3).

 

Та б л и ц а 3. Параметры сегментных индикаторов на СИД

Тип индика­тора	Конструкция	Размер цифры, мм	Цвет свечения, длина волны	Сила света, мкд	Прямой ток, мА	Угол излучения, град
АЛС313А	Монокристалл	2,6x1,7	Красный, 660	0,08	5	120
АЛС324Б	Гибридный с отражателем	7,5x4,2	Красный, 660	0,15	20	120

 

 

Динамическая индикация в СИД

Зачастую на практике требуются не отдельные сегментные цифры, а отроки, состоящие из 5, 10 и более таких цифр (разрядов). В этом случае целесообразно использовать многоразрядные индикаторы, выполненные как единое целое, например, 5-разрядный индикатор АЛС340А. В таких индикаторах одноименные сегменты всех разрядов соединены между собой (рис. 26). Это существенно

Рис.26.Схема соединения в многоразрядных индикаторах при динамическом режиме.

 

сокращает число внешних выводов и повышает надежность, но требует специального способа управления, называемого динамической индикацией. Суть способа заключается в том, что в каждый момент времени загорается только один разряд индикатора. Спустя некоторое время загорается другой разряд, а первый гаснет - и так до конца строки, после чего снова загорается первый разряд. Такой режим можно осуществить, последовательно подавая положительное напряжение на общий анод каждого разряда, как это показано на рис. 27. На сегментные входы а- l синхронно с анодными импульсами нужно подать код цифры, которая должна загореться в данном разряде. Таким образом, в каждом разряде можно зажигать нужную цифру. Если в индикаторе n разрядов, то каждая цифра светится только 1/ n часть времени. Повторяемость таких вспышек должна быть достаточно высокой, чтобы глаз не почувствовал мелькания, а воспринимал свечение индикатора как статическое, для разных людей критическая частота различна, но считается, что она

 

 Рис.27. Временная диаграмма работы многоразрядного индикатора: 1 - на входах а, в, l , е код цифры первого разряда; г-на входах а, в, l , код цифры второго разряда; 3- на входах а, в,..., l код цифры n-го разряда.

 

должна быть не ниже 100 Гц. В индикаторах с динамической инди­кацией реализуется экономичный импульсный режим работы.

 

Матричные индикаторы

Для создания дисплеев (индикаторных устройств, способных отображать любой вид информации: буквенной, цифровой, графической) используют матричные индикаторы, состоящие из большого чис­ла точечных СИД. Отдельные СИД могут быть организованы в прямоугольные матрицы размером от 5x7 до 64x64 элементов и более. На подложке формируют системы горизонтальных и вертикальных проводящих шин, как это показано на рис. 28, между которыми распаивают кристаллики СИД. Отдельные СИД объединены по строкам и столбцам, например, объединены все аноды в каждой строке и все катоды в каждом столбце. Зажигая те или иные кристаллики-точки, можно получать любые символы.

Управление матрицей осуществляется с помощью специальных двухкоординатных дешифраторов (см. рис. 29). СИД загорается только в том случае, если на его аноде будет высокий уровень, то есть "I" на выходе дешифратора, а на катоде низкий уровень, то есть "О". Все другие комбинации не действуют.

В многоцветных матричных индикаторах матрица СИД одного цвета как бы накладывается на матрицу другого цвета.

Рис 28. Фрагмент конструкции матричного индикатора на СИД:1 - изолирующая подложка; 2 -горизонтальная шина; 3 –вертикальная шина; 4 - кристалл СИД.

 

 

Рис 29. Схема включения матричного индикатора: 1- вход информации; 2- схема управления; 3 - дешифратор строк; 4 - дешифратор столбцов.

 

При этом получают два основных цвета и их комбинации. Отсутствие, промышленно пригодных синих СИД не позволяет создавать полноцветные светодиодные матричные дисплеи и все же их можно считать конкурентами вакуумных ЭЛТ. Потребление энергии дисплеями на СИД меньше, чем ЭЛТ сравнимой площади, а яркость достигает 300 кд/мм² при токе 0,5 мА через элемент.

 

Индикаторы на ЭЛТ

Индикаторы на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) за последние года претерпели существенную модернизацию [I]. Имея своим про­тотипом осциллографические и телевизионные трубки, они способны отражать сразу большое количество буквенной, цифровой и графи­ческой информации в цвете. В настоящее время известны два основ­ных типа ЭЛТ: с электростатическим и электромагнитным отклоне­нием.

Принцип действия ЭЛТ о электростатическим отклонением пока­зан на рис. 42,а.

 

Рис.42. Электронно-лучевые трубки: а - с элект­ростатическим отклонением; б- с электромагнитным отклонением: 1 - катод; 2 - модулятор;3 - пластины вертикальной ОС; 4 - пластины горизонтальной ОС; 5 - катушки горизонтальной ОС;6 - катушки верти­кальной ОС; 7-траектория электронного луча; 8 - люминофор экрана.

 

Электронный пучок, испускаемый катодом I, формируется в узкий луч с помощью фокусирующей и модулирующей системы 2, а с помощью вертикальных 3 и горизонтальных 4 пластин отклоняющей системы (ОС) сканирует экран 8, покрытый люминофором с длительным послесвечением. Электростатическое отклонение производится путем подачи на пластины 3 и 4 высокого напряжения, которое создает силу Лоренца, отклоняющую движущийся поток электронов. Такие ЭЛТ отличаются высоким быстродействием и могут ре­гистрировать мгновенные процессы, но требуют высокого отклоняющего напряжения.

 

В ЭЛТ с электромагнитным отклонением (рис. 42,6) электрон­ный луч отклоняется в магнитном поле двух пар катушек: 5 и 6. Такая система, являясь более инерционной из-за большой индуктивности отклоняющих катушек, применяется в телевизионных приемниках. Развертка осуществляется в ней строка за строкой с частотой 100 кадров в секунду. Изображение формируется модуляцией интенсивности электронного луча, В настоящее время достаточно хорошо отработана технология цветных ЭЛТ с электромагнитным отклонением.

Индикаторы на ЭЛТ часто используют в качестве видеотерминалов, дисплеев персональных и профессиональных компьютеров. Дальнейшее совершенствование ведется в направлении повышения разрешающей способности до 512x512 точек на экран и расширения цветовой палитры экранов. Созданы дисплеи на ЭЛТ, способные синтезировать 16 цветов и десятки цветовых оттенков. Для пони­жения утомляемости зрения минимальная частота смены кадров принята равной 75 Гц.

Сейчас значительные усилия прилагаются к тому, чтобы уменьшить глубину ЭЛТ при большой поверхности экрана. Основная идея заключается в том, чтобы формировать луч не перпендикулярно, а параллельно экрану. Один из образцов такой плоской ЭЛТ показан на рис.43.

 

Рис.43. Плоская ЭЛТ:1 - катод;2 – фокусирующая система; 3 - модулятор; 4 - горизонтальная ОС; б - пластины вертикальной ОС; 6 – траектория электронного луча.

 

. Электронный луч с помощью пластин 4 сканируется в горизонтальном направлении по экрану. Пластины 5 осуществляют поворот луча в сторону экрана и сканирование его в вертикальном направлении. Для этого на пластины 5 подается поочередно высокое отрицательное напряжение, отталкивающее поток электронов в сторону экрана.

Другая оригинальная ЭЛТ с V - образной траекторией электронов показана на рис. 44. Электронный луч, сформированный электронной пушкой 3, направленный вначале параллельно экрану вдоль разделительной пластины 8, огибает эту пластину с помощью электростатической поворотной линзы 7 и движется в обратном направлении.

 

 

 Рис.44.Плоская ЭЛГ с V-образной траекторией луча:1 - стеклянная колба;2 - катод; 3,- фокусирующая система; 4 - модулятор; 5 - горизонтальная ОС; 6 - траектория электронного луча; 7 - электростатическая линза; 8 - пластины вертикальной ОС; 9 -канальный усилитель.

 

Здесь на него действуют вертикальные отклоняющие подоски, расположенные на пластине 8 и направляющие луч в сторону экрана, Для эффективного отклонения электронного луча его энергия должна быть небольшой, но такой луч не способен создать высокой яркости экрана. Для повышения энергии электронов непосредственно перед экраном установлен канальный усилитель 9, который представляет собой пластину, пронизанную множеством каналов. Между входом и выходом каждого канала приложено высокое положительное напряжение. Электроны, пролетая через канал, приобретают дополнительную энергию и ускоряются, в направлении экрана. На основе описанной конструкции создана плоская ЭЛТ с экраном 23 см глубиной всего 8 см.

Несмотря на все попытки создания плоских аналогов электронной трубки индикаторы на ЭЛТ пока прочно удерживают свои позиции благодаря высокой информационной емкости, четкости и яркости изображения, возможности создания любого цвета и множества цветовых оттенков. К недостаткам ЭЛТ следует отнести их большие габариты, низкую механическую прочность из-за наличия стеклянной колба, необходимость создания высоких ускоряющих и управляющих напряжений (десятки киловольт).

Интересно отметить, что вакуумные люминесцентные индикаторы и ЭЛГ во многом похожи. И там и здесь создается электронный поток, бомбардирующий анод - экран, покрытый люминофором. Но в ЭЛТ очень тонкий электронный луч создает изображение точка за точкой. Каждая точка активизируется в течение тысячных долей времени сканирования полного кадра. Это определяет требование высоких энергий электронного луча, а, следовательно, высоких уско­ряющих напряжений.

 

Накальные индикаторы

Индикаторы этого типа является наиболее старыми и простыми [ I]. Световой поток в них создается за счет протекания тока через вольфрамовую нить и разогрева ее до белого каления. Спектр излучения очень широк, но сдвинут в красную область. Напряжение питания - единицы вольт, сила тока - десятки миллиампер. Световая эффективность ниже чем у СИД,. Такие индикаторы требуют вакуумирования в стеклянную колбу, чувствительны к ударам, вибрациям.

Определенный интерес представляют знаковые накальные инди­каторы, выполненные по тонкопленочной технологии (рис. 52). На

 

Рис. 52. Накальный пленочный индикатор: I - подложка из сапфира; 2 - толстая пленка вольфрама; 3 - тонкая пленка вольфрама.

 

сапфировую подложку напылена пленка вольфрама переменной толщины. Под тонкими участками вытравливают в сапфире прямоугольные "окошки". При пропускании тока через пленку тонкие участки ярко светятся, в то время как толстые нагреваются слабо, отдавая свое тепло подложке. Таким образом, становятся видимыми только тонкие участки пленки. Если им придать форму сегментов цифр, то можно получить сегментный накальный индикатор, подобный светодиодному. Применимость накальных индикаторов в современной МЭА относительно низкая.

 

Электрофорезные индикаторы

Принцип действия этих индикаторов основан на переносе окрашенных заряженных частиц в электрическом поле. Химических реакций здесь не происходит. Конструкция электрофорезного индикато­ра в разрезе показана на рис. 56. Она очень напоминает электрохромный индикатор, но между стеклянной пластинкой и подложкой

 

Рис.56. Конструкция элезстрофорезного индикатора: I - стекло; 2 - прозрачный сплошной электрод; В -белая коллоидная суспензия; 4, 5- непрозрачные электроды; 6 - отрицательно заряженные частицы черного пигмента; 7 - подложка.

 

находится не электролит, а коллоидная суспензия, то есть взвесь нейтральных окрашенных частиц, которые призваны создавать фон изображения и могут иметь, например, ярко белый цвет. Электроды в виде сегментов напылены на внутреннюю поверхность стеклянной пластинки и подложки. В жидкость добавлены отрицательно заряженные частички пигмента контрастного, например черного, цвета.

Рассмотрим работу индикатора. На электрод 4 подано положительное напряжение. Частички пигмента 6 оседают на этом электроде и становятся невидимыми наблюдателю через слой суспензии. На электрод 5 подано отрицательное напряжение. При этом отрицательно заряженные частички пигмента отталкиваются от него, оседают на стеклянной пластине I и становятся видимыми наблюдателю. Появляется изображение черного сегмента на белом фоне. Подавая на сегменты-электроды постоянное напряжение ±50 В, можно формировать и стирать изображение. Электроды покрыты тонкой пленкой диэлектрика, и ток во внешней цепи не протекает.

По экономичности такие индикаторы сравнимы с ЖКИ. Время отклика - десятки миллисекунд, что для глаза незаметно; контрастность - до 40:1 при широком угле наблюдения. Основной недостаток, сдерживающий пока применение электрофорезных ЖК, - деградация во времени, особенно в условиях вибрации. Частички пигмента произвольно перераспределяются и отдельные участки изображения имеют различную контрастность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сфера применения индикаторов постоянно расширяется. Это связано с увеличением информационного потока, создаваемого современной электронной техникой. Совершенствуются и сами индикаторы. Можно утверждать, что в ближайшее десятилетие работы в области индикаторов будут интенсивно продолжаться. Ожидается существенное улучшение параметров люминесцентных, электрохромных и электрофорезных индикаторов. Вполне вероятно, что будут открыты новые принципы, которые позволят создать новые индикаторы с существенно лучшими параметрами по цветопередаче, контрасту, быстродействию, экономичности и надежности. Возможно, появление совершенно новых индикаторов, создающих объемное изображение. Большую роль в этом, несомненно, предстоит сыграть и советским ученым и инженерам - нынешним студентам, изучающим данный курс.

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Что собой представляют жидкие кристаллы? Чем отличаются ЖК разных видов, и какие из них находят наиболее широкое применение для УОИ и почему?

2. Поясните принцип действия ЖКИ на отражение и укажите его отличия от ЖКИ, работающего на просвет.

3. Изобразите конструкцию (в сечении) простейшего ЖКИ и поясните назначение отдельных её конструктивов.

4. Перечислите и поясните основные достоинства и недостатки ЖКИ.

5. С использованием каких технологических операций обеспечивается начальная ориентация молекул ЖК в производстве ЖКИ?

6. Изобразите схему основных этапов технологического процесса изготовления простейшего ЖКИ и поясните назначение каждого этапа (или технологической операции).

7. Назовите и охарактеризуйте способы получения электрических контактов между элементами в ЖКИ и при монтаже ЖКИ на плате ЭУ.

8. Что представляет собой конструкция УОИ на СИД? Какие технологии и материалы используются для её изготовления?

9. Как осуществляют герметизацию ЖКИ и УОИ на СИД?

10. Какие физические эффекты положены в основу функционирования УОИ на СИД и ЭЛТ?

11. Охарактеризуйте вакуумные люминесцентные (или катодолюминесцентные) индикаторы с точки зрения конструкции, технологии изготовления, применяемых материалов, функциональных особенностей и применимости для ЭУ.

12. Что собой представляют газоразрядные индикаторы и плазменные панели? Приведите примеры конструкций плазменных панелей. Какие технологии используются при их изготовлении? Укажите достоинства и недостатки плазменных УОИ.

13. Охарактеризуйте электролюминесцентные индикаторы. Изобразите конструкцию такого индикатора (в разрезе). Какие технологии используются для изготовления данного УОИ?

 

 

КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ МИКРОСХЕМ

Конструктивное оформление микросхем весьма разнообраз­но. Бескорпусные микросхемы применяют в качестве компонентов других (гибридных) герметизированных микросхем. Большинство микросхем изготавливают в корпусах, необходимых для защиты от

внешних механических и климати­ческих воздействий при монтаже, а также от эксплуатационных меха­нических, климатических, электри­ческих, тепловых и других факто­ров. Наибольшее распространение получили DIP (Dual In-line Package) корпуса микросхем с жесткими внешними выводами: в пластмас­совом (рис.1, а) и и металлокерамическом (рис.1, б) вариантах, в которых выводы расположены в два ряда с шагом 2,5 мм.

 

 

Рис. 1. Корпуса микросхем типа а - пластмассовый;  б- металлокерамический

 

 

При миниатюризации РЭС важнейшей характеристикой корпу­са микросхемы стало расстояние между выводами, поскольку для реализации возможностей созданных кристаллов микросхем число выводов должно быть 100 и более. В корпусах типа DIP возможно разместить только 64 вывода: при большем числе выводов снижа­ются электрические характеристики микросхемы, резко возрастает занимаемая микросхемой площадь на плате печатного монтажа, снижается устойчивость к внешним эксплуатационным воздействи­ям. Были разработаны корпуса с шагом выводов 1,25 мм: SO -двух­рядные; QFP - квадратные плоские; PLCC - пластмассовые квад­ратные (рис. 2).

 

Рис. 2. Совершенствование корпусов микросхем

 

Однако при малом шаге выводов усложняется технологический процесс установки выводов корпусов в отверстия печатных плат. Технологии монтажа микросхемы на поверхность отвечают корпуса типов TQFP; BQFP; SSOP; TSOP; HD-QFP; FQFP; VQFP. Выводы корпусов с шагом 0,4 мм требуют использования в автоматах сборки систем технического зрения для проверки компланарности выводов и цен­тровки корпуса на посадочное место, что повышает стоимость сбо­рочных операций. Совершенствование корпусов микросхем достига­ется применением матрицы с шариковыми выводами (корпус типа BGA), переходом на многокристальные модули (МКМ), установкой кристалла на плату без корпуса (технология СОВ), креплением кристалла на ленточном носителе (технология ТАВ).

Шаг между выводами менее 0,5 мм требует жесткого соблюдения требований компланарности, поскольку отклонение от нормального положения хотя бы одного вывода приводит к отказу узла РЭС.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Увеличение числа выполняемых функций, рост требований по надежности и стоимости определяют необходимость повышения степени интеграции компонентной базы современных РЭС. Инте­гральная электроника, используемая в настоящее время, предпола­гает интеграцию элементарных электронных составляющих (рези­сторов, конденсаторов, транзисторов, полупроводниковых диодов, тиристоров) на кристалле микросхемы. Развитие компонентной базы РЭС связано с уменьшением размеров этих составляющих до суб­микронных и переход в манометровый масштаб измерений разме­ров и расстояний.

Весьма скоро будут достигнуты физические пределы интегра­ции такого схемотехнического направления, когда появятся микро­схемы с топологическими нормами порядка 0,1 мкм, изготовленные на пластинах большого диаметра с помощью литографических уста­новок неоптического экспонирования. При этом многочисленные межсоединения, свойственные схемотехнической интегральной электронике, вызовут ограничение скорости внешнего обмена ин­формацией уровнем 3 ГГц, хотя рабочая частота отдельно изготов­ленных транзисторов превысит 10 ГГц.

Предельные показатели традиционного направления развития интегральной электроники не смогут соответствовать уровню уже су­ществующих задач, таких как системы оперативного распознавания образов, искусственного интеллекта, параллельной обработки пото­ков информации, управление многомерными базами знаний и др.

Традиционно изготовленный схемотехнический базовый эле­мент интегральной микросхемы (цифровой или аналоговой) выпол­няют на кристалле, в который с помощью определенных технологи­ческих процессов целенаправленно внесено значительное количе­ство локальных неоднородностей на поверхности и в объеме. Полу­ченные неоднородности называют статическими, поскольку они должны оставаться неизменными весь срок эксплуатации микросхе­мы. Выполнение заданных функций по генерированию, обработке и хранению информации осуществляется на основе определенных схемотехнических решений.

Альтернативой интегральной электронике статических неод­нородностей является использование динамических неоднородно­стей в процессе генерирования, обработки и хранения информации, а также интеграция количества выполняемых функций.

Увеличение функциональных возможностей интегральной электроники происходит за счет интеграции на одном кристалле не только элементов, но и физических эффектов и явлений. Таким об­разом, при работе микросхем используются не только схемотехни­ческие решения, но и динамические неоднородности различной фи­зической природы как физические носители информации.

Динамическая неоднородность может быть расположена на части поверхности или в локальной области внутри некоторого су­ществующего материала, полученного применением определенных физико-химических процессов. Локализация динамической неодно­родности в материале или ее перемещение по рабочему объему материала в результате взаимодействия с физическими полями или другими динамическими неоднородностями различной физической природы могут быть использованы, например, для переноса инфор­мации.

К динамическим неоднородностям относят ансамбли (пакеты) заряженных частиц, домены (электрические домены, домены Ганна, цилиндрические магнитные домены), волны (поверхностные акусти­ческие волны, магнитные статические волны) и др. Размеры дина­мической неоднородности зависят от ее физического существованием зарядовых пакетов и магнитных доменов) до размера ато­мов (спиновые, волновые устройства).

Следовательно, функциональная электроника является обла­стью интегральной электроники, в которой используются явления возникновения, перемещения и взаимодействия динамических не­однородностей различной природы в однородной среде под дейст­вием физических полей. Например, в матрицах приборов зарядовой связи (ПЗС), относящихся по своему принципу действия к изделиям полупроводниковой функциональной электроники, информация об­рабатывается или хранится в виде зарядового пакета, состоящего из электронов и дырок. При этом статические неоднородности в прибо­ре и различное схемотехническое обрамление являются вспомога­тельными. Этим подтверждается тот факт, что функциональная и интегральная электроника развиваются одновременно, дополняя друг друга при создании сложных РЭС.

Следует обратить внимание на то, что в функциональной электронике пока не найдено принципиальных ограничений на раз­меры динамических и статических неоднородностей.

    Отличительным свойством функциональной электроники яв­ляется возможность использования в процессе обработки информа­ции функций высшего порядка в качестве основных. Например, ин­тегрального преобразования Лапласа, быстрого преобразования Фурье, процедуры свертки, корреляции, автокорреляции, задержки, фильтрации, когерентного сложения и др. Одновременно могут быть осуществлены традиционные логические операции типа И, НЕ, ИЛИ и т.п. Немаловажно также, что обработка информации происходит без проводников и межсоединений и в аналоговом виде без преоб­разования в цифровую форму и обратно.

Итак, составными частями прибора функциональной электро­ники являются: динамические неоднородности некоторого материа­ла (например, поверхностные акустические волны); генератор дина­мических неоднородностей (для их ввода в канал распространения); устройство управления в тракте переноса информации; детектор информации (например, если необходим перевод в двоичный код).

Главными направлениями исследований в области функцио­нальной электроники являются разработка теоретических основ и практическое использование достижений в создании новых уст­ройств, использующих свойства таких динамических неоднородно­стей, как: поверхностные и спиновые акустические волны, цилинд­рические магнитные домены, ансамбли (пакеты) зарядов, ядерный магнитный резонанс, голографические массивы, белковые бистабильные среды, фазовые переходы на границах многослойных структур, кооперативное поведение самоорганизующихся неодно­родностей, сверхпроводимость, пьезо- и пироэлектричество в ди­электрических средах, электрокапиллярные явления и др.

 

 

Акустоэлектроника

Одно из направлений развития функциональной электроники, основанное на использовании пьезоэлектрического эффекта, а так­же физических явлений взаимодействия электрического поля с вол­нами акустических напряжений в пьезоэлектрическом и полупровод­никовом материале, получило название акустоэлектроника. Таким образом, в акустоэлектронных приборах происходит преобразование акустических колебаний в электрические и обратно.

Основными пьезоэлектрическими материалами являются кварц, сегнетова соль, турмалин и некоторые виды керамики, со» стоящие из молекул Si0₂, которые в отсутствие механической де­формации имеют нейтральный заряд вследствие равномерно рас­пределенных положительных и отрицательных ионов. При сжатии кристалла на расположенных снаружи электродах появляется раз­ность потенциалов (в этом проявляется прямой пьезоэффект). Под действием приложенного к электродам электрического напряжения И в зависимости от его полярности кристалл поляризуется и изменяет свои геометрические размеры (обратный пьезоэффект). Приложе­ние к электродам переменного напряжения определенной частоты вызывает возбуждение механических колебаний, определяемых свойствами материала кристалла и его размерами.

 

КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ

Ранее других в составе РЭС начали применяться кварцевые резонаторы, в которых используют механические колебания изгиба, сжатия, кручения или сдвига всего объема кварцевой пластины. Чем меньше размеры кристалла, тем выше частота. Например, для час­тот основной механической гармоники 200...500 кГц кварцевый резонатор, работающий на изгиб, имеет толщину в десятые доли мил­лиметра, а в длину - несколько десятков миллиметров.

Резонаторы такого типа, имеющие несколько механических степеней свобо­ды, колеблются сразу в нескольких на­правлениях. Например, при возбуждении кристалла в виде прямоугольной пластины имеют место колебания продольные и по­перечные (по толщине). Кроме основных возможно появление побочных колебаний (чаще всего изгибных), что приводит к по­явлению дополнительных составляющих спектра частот резонатора. Наиболее ярко пьезоэлектрический эффект обнаружива­ется в кристаллах кварца (рис. 3.).

 

 

Рис. 3. Кристалл кварца

 

 

На механическом резонансе в кварцевой пластине устанавли­ваются стоячие упругие волны, длина которых пропорциональна скорости их распространения по пластине, определяемой анизо­тропными упругостью и плотностью кристалла (зависимых от на­правления деформации). Деформация в одном направлении в силу внутренних связей твердого тела вызывает деформацию в других направлениях. Поэтому основная деформация сопровождается по­бочными резонансами, особенно у пластин с основным механиче­ским резонансом по толщине.

В электрической цепи переменного тока кварцевый резонатор проявляет себя как параллельно-последовательный колеба­тельный контур (рис. 4.), в котором сопро­тивление R_s обозначает потери внутреннего трения в пластине, индуктивность L_s про­порциональна массе кристалла, емкость Cs обратно пропорциональна показателю меха­нической жесткости кристалла, С_Р - паразитная электрическая емкость выводов и кристаллодержателя.

 

Рис. 4. Эквивалент­ная схема замещения кварцевого резонатора

 

 

По сравнению с колебательным контуром из сосредоточенных компонентов добротность кварцевого резо­натора весьма высока, что позволяет использовать его для создания избира­тельных фильтров. Кроме того, высокая добротность позволяет обеспечить стабильность частоты электрических колебаний в авто­генераторах с кварцем. На рис. 5 приведена за­висимость реактивного сопротивления резонатора от частоты при­ложенного к нему переменного напряжения. На низких частотах резонатор ведет себя как емкость. С повышением частоты емкостное сопротивление уменьшается, и на частоте последователь­ного резонанса (называемой резонансной частотой кварцевого резо­натора) оно снижается до нуля. Резонатор проявляет свойства после­довательного контура, его полное сопротивление минимально и равно активному сопротивлению R_s.

 

 

Рис. 5. Изменение реактивного сопротивления кварцевого резона­тора от частоты

 

 

Выше частоты последовательного резонанса, определяемой формулой Томпсона

 f_noc =1/(2Π( jL_sC_s)^(1/2)) растет индуктивное сопро­тивление резонатора и на частоте f_nAP резонатор достигает резонанса параллельного колебательного контура. При дальнейшем по­вышении частоты начинает сказываться шунтирующее действие ем­костей кварцедержателя и обкладок (резонатор действует как конденсатор малой емкости). Разность между резонансными частотами невелика и составляет приблизительно 0,4% от частоты последова­тельного резонанса.

Колебания кварцевых пластин на механических гармониках основного резонанса могут быть использованы для получения резонаторов на более высоких частотах. Например, в случае поперечных колебаний половина длины волны первой гармоники колебаний рас­положена по толщине (рис. 6, а), а при нечетных гармониках -нечетное число полуволн (рис. 6, б). Знаки зарядов на противопо­ложных плоскостях кварцевой пластины, где расположены сплош­ные электроды, различны. Поперечные колебания четной механиче­ской гармоники (рис. 6, в) вызывают одноименный заряд плоских, частей пластины и отсутствие пьезоэффекта. Аналогичные свойства ; проявляются при продольных колебаниях. Однако, применяя не­сколько электродов на плоскостях резонатора, удается путем их специального электрического соединения получить пьезоэффект на четных механических гармониках. Кварцевая пластина резонатора, используемого на высших гармониках, длиннее пластины резонато­ра основной механической гармоники.

Точность номинальной частоты кварцевых резонаторов достигается биологической подгонкой и состав­ляет +/- (0,5...1,0)*10^-7.

Поскольку добротность кварцевых резонаторов весьма высока (как правило, 10⁴...10⁶ и выше), то в предварительных расчетах сопротивлением потерь R_s эквивалентной схемы

замещения можно пренебречь.

К важнейшим характеристикам кварцевых резонаторов относятся температурная зависимость резонансной частоты и уровень старения. Для получения резонаторов с минимальным температурным коэффициентом частоты (ТКЧ) выбирают соответствующий срез кристалла (пространственный угол наклона плоскости разрезания исходного кристалла кварца). Например, наименьшим ТКЧ в достаточно широком диапазоне температур (кривая 1 на рис. 7) обла­дают пластины со срезом под углом 51° (технологический тип ухl/+ 51°30У+45°).

 

 

 

 

Рис. 6. Упругие механиче­ские деформации кристалла кварца по толщине и знаки заряда его плоскостей

 

 

 Однако вблизи основной частоты пластины этого типа расположен паразитный резонанс, что заставляет применять для пластин другие срезы, например, под углом 35° (технологический тип ухl/+35°15'), ТКЧ которого отражает кривая 2 на рис. 13.5. Небольшим изменением угла среза можно в процессе производства кварцевых резонаторов добиться того, чтобы нулевое значение ТКЧ совпадало с серединой температурного диапазона условий эксплуатации РЭС. ТКЧ резонаторов с пластинами других срезов отличаются более существенной зависимостью от температуры.

 

Рис. 7. Относительное изменение резонансной частоты кварцевого резонатора в диапазоне температур: 1 - пластина со срезом 51°; 2- пластина со срезом 35°

 

Процесс необратимого изменения резонансной частоты кварцевого резонатора обычно называют его старением, причины которого объясняются изменениями свойств материалов (прежде всего кварцевой пластины). Существенное влияние на старение оказывает качество обработки поверхностей кварца. При длительной эксплуа­тации для уменьшения скорости старения необходимо поддержи­вать уровень рабочих напряжений и токов в пределах милливольт и миллиампер.

Электроды кварцевых резонаторов на поверхностях пластины изготавливают металлизацией, к которой предъявляются требова­ния высокой прочности. Для металлизации в большинстве примене­ний используют серебро и золото.

Крепление пластин в корпусе резонатора зависит от типа ме­ханических колебаний. В большинстве случаев пластину с попереч­ными колебаниями закрепляют специальными пружинными зажима­ми по ее клиновидному торцу (рис. 8, а), расположенному в узле колебаний, что обеспечивает минимальные вносимые потери. Квар­цевые пластины продольных колебаний укрепляют на проволочных выводах из бронзы, припаиваемых к вожженным в узлах колебаний кварца серебряным площадкам (рис. 8, б). Разновидности метал­лических и стеклянных корпусов кварцевых резонаторов представ­лены на рис. 9.

К современным РЭС предъявляются все более высокие тре­бования по стабильности частоты сигналов. Обычно требуемая дол­говременная относительная нестабильность частоты должна быть не ниже 10^-6... 10^-8, что можно обеспечить, применяя кварцевые ре­зонаторы. Добротность кварцевых резонаторов во много раз превы­шает добротность резонаторов на LC-контурах.

На рис.10. приведена одна из разновидностей генератора с кварцевым резонатором между коллектором и базой транзистора, выполненная по схеме с заземленным эмиттером (емкостная трех-точка).

 

 

Рис. 8. Примеры крепления пластины кварцевого резонатора с помощью выводов

 

 

Рис. 9. Разновидности корпу­сов кварцевых резонаторов

 

 

 

Рис. 10. Пример генератора с кварцевой стабилизацией частоты

 

 

Появление программируемых кварцевых генераторов позволило вместо производства изделий с различными рабочими часто­тами, напряжениями питания и диапазонами рабочих температур использовать всего несколько стандартных функционально закон­ченных генераторов, а многочисленные их вариации по основным электрическим параметрам обеспечивать уже программным путем на этапе поставки продукции или даже непосредственно у заказчика. В состав микросхем программируемых кварцевых генераторов входит собственно кварцевый генератор опорной частоты (например, 25 МГц), делитель частоты с коэффициентом деления, фазовый де­тектор, генератор, управляемый напряжением (ГУН), делитель час­тоты, однократно программируемое ЭППЗУ и управляемые выход­ные каскады. Внешний вид таких генераторов изображен на рис.11.                                     

 

 

Рис. 11. Программируемые генера­торы с кварцевым резонатором

 

 

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ

Фильтры предназначены для селекции электрических сигна­лов по частотному признаку за счет специфического свойства - раз­личия уровня затухания для сигналов отличающихся частот. В составе РЭС фильтры применяются, в основном, для избиратель­ного пропускания полезного и ослабления мешающих сигналов (по­лосовые фильтры), для разделения сигналов по частоте и др. Фильтры могут быть изготовлены на LC -контурах, а также с приме­нением механических и пьезоэлектрических резонаторов. Возможны варианты с комбинированным использованием механических и пье­зоэлектрических резонаторов.

Пьезоэлектрические фильтры могут быть изготовлены на базе кварцевых и пьезокерамических резонаторов. В этом классе лучшими характеристиками обладают кварцевые фильтры, состоящие из нескольких резонаторов, но для получения высоких результатов они требуют тщательной подгонки по частоте каждого резонатора. Го­раздо дешевле пьезокерамические фильтры, имеющие к тому же существенно меньшие габариты.

Полосовые фильтры могут быть узкополосными (отношение ширины полосы к рабочей частоте 0,2-5%) и широкополосными.

К основным характеристикам фильтров относятся:

• избирательность (или затухание в полосе заграждения для мешающих сигналов);

• коэффициент прямоугольности (отношение полосы пропус­кания по уровню 0,7 минимального вносимого затухания на рабочей частоте к полосе пропускания на уровне, например, -40 дБ);

• неравномерность затухания в полосе пропускания (напри­мер, не более 6 дБ).

Дисковый резонатор, на одной стороне которого расположены разделенные электроды (центральный и кольцевой на рис.12), а на другой - общий электрод, представляет собой систему из двух пьезокерамических резонаторов (цилиндрического и кольцевого) с сильной объемной механической связью, позволяющей получить определенную полосу пропускания или режекции. Входной и выход­ной импедансы фильтра зависят от площади электродов, что позво­ляет в условиях производства управлять ими для достижения согла­сования фильтра с внешними цепями. Такое устройство характерно как для полосовых (например, типов ФП1П6; ФП1П8), так и для режекторных (например, типа ФП1Р8) пьезокерамических фильтров.

 

Рис. 12. Дисковый резонатор с разделен­ными электродами

 

 

Рис.13. Кварцевые (а) и пьезокерамические (б) фильтры

 

Поскольку пьезокерамические резонаторы, входящие в состав пьезокерамических фильтров, обладают по сравнению с кварцевы­ми, невысокой добротностью, то для изготовления полосового фильтра необходимо применение нескольких резонаторов, соеди­няемых, как правило, по лестничной схеме.

    Рабочая частота фильтров типа ФП1П составляет 10,7; 6,5 и 5,5МГц при полосе пропускания 0,15...0,6 МГц (по уровню 20 дБ) с входным сопротивлением около 300 Ом. Конструкция фильтра (рис. 13.) должна предусматривать защиту от электрических и магнит­ных полей и воздействия влажной среды. Характеристики фильтров чувствительны к механическим воздействиям (ударам и вибрации).

 

ПРИБОРЫ ПАВ

Приборы, выполнение функций которых основано на поверх­ностных акустических волнах (ПАВ), имеют существенные достоин­ства, обусловленные малой массой и габаритами, отсутствием энер­гопотребления, линейностью, температурной стабильностью, техно­логичностью, устойчивостью к механическим воздействиям и др.

Поверхностные акустические волны распространяются вдоль поверхности твердого тела, проникая на глубину 2-3 длины волны.

Полосовые фильтры на поверхностных акустических волнах изготавливают на среднюю частоту от 30 МГц до 3 ГГц. На низких частотах масса и габаритные размеры фильтров ПАВ возрастают и более выгодными становятся пьезокерамические фильтры. Ограни­чение частотой 3 ГГц обусловлено технологическими причинами (разрешающей способностью фотолитографии).

Простейший фильтр ПАВ состоит из пьезоэлектрической подложки, на поверхности кото­рой расположены два преобра­зователя со встречными решет­ками (гребенками) с расстоянием между электродами в половину длины волны (рис. 14). Один из преобразователей возмущает поверхностную волну, а другой ее принимает.

 

 

 

Рис. 14. Простейший фильтр ПАВ с двумя преобразователями

 

 

Короткий входной (рис. 15) импульс прямого сигнала возбуж­дает локальный импульсный отклик обоих преобразователей и на вы­ходе возникает специфическая импульсная реакция Поскольку фильт­ры ПАВ обычно имеют акустическую задержку распространения сиг­нала 0,1...50 мкс, то входной сигнал (на рисунке показан как прямой сигнал), появляющийся на выходе за счет паразитных связей «вход-выход», опережает основной отклик (основной сигнал) на время 7.

Благодаря внутренним отражениям в импульсной характери­стике образуется третий участок (сигнал «тройное эхо»), который вызывает интерференцию с основным сигналом в полосе пропуска­ния. Обычно уровень отражений составляет -50...60 дБ по отноше­нию к основному сигналу.

 

 

Рис. 15. Импульсная характери­стика фильтра ПАВ

 

К достоинствами фильтров на ПАВ относится высокая селек­тивность (коэффициент прямоугольности до 1,15 и менее), возмож­ность изготовления методами интегральной технологии, совмести­мость с интегральными модулями. При массовом производстве обеспечивается хорошая стабильность и воспроизводимость харак­теристик и относительно низкая себестоимость, высокая надеж­ность. Обычно время распространения волны в таких фильтрах со­ставляет от нескольких сотен наносекунд до нескольких десятков микросекунд.

Фильтрам на ПАВ свойственны и некоторые недостатки:

• наличие нежелательных всплесков АЧХ на частотах, кратных основной;

• снижение коэффициента подавления по мере повышения основной частоты (этот недостаток можно устранить подключением внешней индуктивности);

• заметные потери в полосе пропускания (до 25...30 дБ);

• чувствительность к статическому электричеству (чем выше основная частота фильтра, тем значительнее чувствительность);

• наличие паразитного просачивания прямого сигнала и сигна­ла «тройного эха».

Проникновение прямого сигнала образуется за счет емкостной связи между входной и выходной гребенками миниатюрного фильт­ра, а также из-за наличия связи между внешними выводами фильт­ра. Уровни этих сигналов ограничивают, например, динамический диапазон усилителя телевизионного сигнала. Фильтр считается ка­чественным, если динамический диапазон составляет не менее 40...45 дБ. Амплитуда прямого сигнала и уровень трехэхового сиг­нала зависят только от конструкции фильтра и, в некоторой степени, связаны с потерями в полосе пропускания.

Для входных цепей приемников применяют специальные по­лосовые фильтры ПАВ с малыми (около 1 дБ) потерями и полосой 0,2...25% основной частоты (рис. 16).

 

Рис. 16. Амплитудно-частотная характеристика согласованного фильтра

 

 

На основе поверхностных акустических волн разработаны и изготавливаются высокочастотные резонаторы ПАВ с высокими тех­ническими характеристиками (рис. 17), предназначенные для ста­билизации частоты, например, автогенераторов. У таких резонато­ров, помещенных в герметизированный металлостеклянный корпус, тонкопленочную резонансную структуру с отражательными решет­ками располагают на поверхности пьезокварцевой пластины. На рис. 18 изображен вариант включения резонатора ПАВ в схему авто­генератора.

 

Рис. 17. Резонаторы ПАВ

 

 

Рис. 18. Автогенератор с резонатором ПАВ

 

Датчик поверхностных акустических волн на пьезоэлектриче­ском кристалле позволяет методами хроматографии выделять из смеси веществ отдельные составляющие, отличающиеся своими физическими и химическими свойствами. Сложный электрод на од­ном конце кристалла возбуждает поверхностные акустические волны с частотой около 500 МГц, регистрируемые вторым электродом. Ес­ли на поверхности кристалла осаждены какие либо вещества (даже в ничтожном количестве), то они исказят поверхностную волну и это фиксирует второй электрод. Обработка результатов на компьютере позволяет с высокой точностью определить, например, загрязняю­щее вещество.

Поверхностные акустические волны позволяют изготовить тонкую прозрачную панель, позволяющую превратить обычный дис­плей компьютера в сенсорный. На стеклянной панели с пьезоэлек­трическими преобразователями, находящимися по углам, вдоль ее краев расположены отражающие и принимающие датчики. Преобра­зователь панели превращает принимаемый от специального кон­троллера высокочастотный сигнал в акустическую поверхностную волну, распространяющуюся по поверхности и отражающуюся от краевых отражателей. Принятый отраженный сигнал поступает для обработки на контроллер. Прикосновение к панели вызывает изменение характера распространения, что фиксируется принимающими датчиками. Управляющая программ сравнивает принятый от датчи­ков изменившийся сигнал со значениями в узлах цифровой матрицы, хранящейся в памяти компьютера.

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ

Линией задержки называют компонент РЭС, предназначенный для задержки во времени распространения определенного электри­ческого сигнала без изменения его формы. Реальная линия задерж­ки, представляющая собой линейный четырехполюсник, все-таки вносит определенные искажения в форму задерживаемого сигнала за счет ограниченной полосы пропускания. Поскольку широкую по­лосу пропускания получить сложно, то применяют дополнительные цепи коррекции.

По физическому принципу линии задержки бывают электриче­скими и ультразвуковыми, а по интервалу времени задержки под­разделяются на диапазоны: наносекундный (10^-10...10^-7 с); микросе­кундный (10^-7...10^-4 с); миллисекундный (10^-4 ...10^-2 с). Входное и выходное сопротивления составляют 300...600 Ом.

Для значительных интервалов времени задержки применяют, главным образом, ультразвуковые линии, содержащие электроаку­стические или магнитострикционные преобразователи, расположен­ные в звукопроводящей среде. Объемная ультразвуковая волна (частотой 10...40 МГц) возбуждается одним из преобразователей и распространяется в звукопроводе до второго преобразователя.

Снижению массы и габари­тов линии задержки (рис. 19) Способствует применение не объ­емных, а поверхностных волн. Это позволяет снизить толщину звуко-провода и использовать его в виде пластины, стержня (стеклянного или металлического) или металли­ческой ленты.

 

Рис. 19. Конструктивные разно­видности линий задержки

 

 

Вопросы

 

1) Каковы основные отличия элементов от компонентов электронных устройств (ЭУ)?

1. Элемент – составная часть ЭУ, выполняющая электрические, механические и электромеханические функции, которая неразделимо связана с конструктивами ЭУ; компонент – часть ЭУ, выполняющая функции, связанные с обработкой электрических сигналов.

2. Элемент может быть самостоятельным изделием электронной техники (ИЭТ) и представляет собой простейшую единицу конструкции ЭУ, а компонент – более сложная единица конструкции ЭУ, хотя тоже может быть ИЭТ.

3. Элемент не отделим от любого конструктива ЭУ и не является самостоятельным ИЭТ, а компонент – самостоятельное ИЭТ, которое можно заменить без разрушения конструкции ЭУ; компоненты выполняют более сложные функции в ЭУ и при изготовлении требуют применения гораздо большего разнообразия технологий чем элементы.

4. Для изготовления элемента используют не более одной какой-либо технологии, а для изготовления компонента всегда требуется применение нескольких технологий.

Правильный ответ –

 

2) По каким признакам классифицируют дискретные резисторы? Выберите правильные ответы : а – по функциональному признаку;

б – по разновидности материала, из которого изготовлен резистивный элемент (РЭ); в – по способу монтажа на печатной плате; г – по номинальной мощности; д – по диапазону изменения ТКС; е – по технологии изготовления; ж – по степени защищенности от внешних воздействий; з – по форме выводов; и – по назначению; к – по величине удельного объемного сопротивления РЭ; л – в зависимости от конструкторско-технологической реализации РЭ.

 

1. а…к.

2. а…д; ж…и; л.

3. б…е; з…к.

4. а…в; ж…и; л.

5. б…и; к; л.

6. а; б; д…к.

Правильный ответ –

 

3) Перечислите особенности изготовления углеродистых постоянных резисторов:

а – обеспечивают химическую однородность структуры поверхности диэлектрического основания с минимальным и однородным ее микрорельефом;

б – используют керамическую технологию изготовления основания;

в – для получения РЭ используют пиролиз гептана;

г – используют пиролиз трипропилбора;

д – керамические основания покрывают глазурью;

е – осуществляют армирование выводов;

ж – наносят суспензию коллоидного раствора графита или серебра с последующей термообработкой;

з – проводят электротренировку в импульсном режиме;

и –выполняют нарезку при необходимости.

 

1. а…в; е; з; и.

2. а…ж.

3. а…г; е… и.

4. а…в; д… и.

5. а…г; е; з; и.

 

 

Правильный ответ –

4) Укажите особенности изготовления бороуглеродистых постоянных резисторов:

а – обеспечивают химическую однородность структуры поверхности диэлектрического основания с минимальным и однородным ее микрорельефом;

б – используют керамическую технологию изготовления основания;

в – для получения РЭ используют пиролиз гептана;

г – используют пиролиз трипропилбора;

д – керамические основания покрывают глазурью;

е – осуществляют армирование выводов;

ж – наносят суспензию коллоидного раствора графита или серебра с последующей термообработкой;

з – проводят электротренировку в импульсном режиме;

и –выполняют нарезку при необходимости.

 

1. а…г; ж… и.

2. а; б; г; д; ж…и.

3. а; б…д; з; и.

4. а…д; ж… и.

5. а…е; з; и.

 

Правильный ответ –

Какие технологии используют при изготовлении металлопленочных резисторов?

6. Тонкопленочная технология, включая фотолитографию; технология армирования выводов, термоотжига, контроля.

7. Толстопленочная технология; технология нанесения защитных покрытий и контроля.

8. Керамическая технология изготовления основания; технология глазурования керамики; технология осаждения в вакууме металлов, сплавов, керметов, силицидов, карбидов, нитридов металлов; армирования выводов или формирования выводов с применением контактолов; технологии термостабилизации, формирования защитных покрытий и контроля, а при необходимости – технологии корпусирования.

9. Керамическая технология; тонкопленочная технология, включая фотолитографию; технология армирования выводов, нанесения защитного покрытия, контроля и корпусирования.

10. Керамическая технология; трафаретная печать электропроводящих паст; технология армирования выводов, нанесения защитного покрытия, контроля качества.

Правильный ответ –

 

Укажите технологии изготовления РЭ на основе композиционных материалов для: а – объемных; б – толстопленочных; в – тонкопленочных резисторов.

 

11. а – пиролиз; б – керамическая; в – электрохимическое осаждение.

12. а – керамическая; б – офсетная печать; в – химическое осаждение.

13. а – трафаретная печать резистивных паст; б – керамическая; в – вакуумное напыление.

14. а – керамическая; б – трафаретная печать; в – химико-гальваническое осаждение.

15.  а – керамическая (литья или прессования); б – трафаретная печать резистивных паст; в – вакуумное напыление (ионно-плазменное, магнетронное распыление и др.).

 

Правильный ответ –

5) Какие из параметров и характеристик постоянных непроволочных резисторов включены в систему их полных условных обозначений? Приведите их правильную последовательность в обозначении:

а – номинальное сопротивление (Ом, кОм, МОм);

б – номинальная мощность рассеяния (Вт);

в – допускаемое отклонение в сопротивления (±%);

г – интенсивность отказов (1/ч);

д – уровень собственных шумов (мкВ/В);

е – предельное рабочее напряжение (В);

ж – группа по уровню шумов;

з – группа по ТКС;

и – климатическое исполнение;

к – диапазон рабочих температур (ºС).

 

1. а; в; б; е…и.

2. б; а; в; ж…и.

3. а…д; и; к.

4. б; а; в; г…з.

5. а…в; д; з…к.

6. б; а; в…е; з…к.

 

Правильный ответ –

6) Укажите основные материалы для изготовления РЭ терморезисторов с отрицательным ТКС (ОТ); с положительным ТКС (ПТ), включая позисторы,:

а – смесь поликристаллических оксидов переходных металлов (Mn₃O₄; CoO; NiO и др.);

б – легированные Si и Ge;

в – SiC;

г – полупроводники А³В⁵;

д – аморфные полупроводники;

е – твердые растворы на основе BaTiO₃ (включающие Sr, Ti, Sn либо Pb);

ж – поликристаллические полупроводниковые материалы на основе BaTiO₃, легированные Bi, Nb, Sb;

и основные технологии изготовления их РЭ:

з – керамическая технология (спекание порошков, прессование);

и – пленочная технология;

к – полупроводниковая технология.

 

1. ОТ – а…е – з, к; ПТ – в, ж – и, к.

2. ОТ – в…ж – з, и; ПТ – д…ж – и.

3. ОТ – а…д – з…к; ПТ – е, ж – з, и.

4. ОТ – б…ж – и, к; ПТ – ж – з.

5. ОТ – а…д – и, к; ПТ – е – з, и.

 

Правильный ответ –

 

7) Укажите основные материалы для изготовления РЭ болометров (Б); варисторов (В); фоторезисторов (Ф):

а – оксиды Co, Mg, Ni;

б – сплав Ag, Pb, S (чернь);

в – металлы Ni, Au, Bi, сплавы на основе Sn, Ta, Nb;

г – Ge, легированный Ga;

д – SiC, ZnO-SiO₂ с органическим или неорганическим связующим;

е – легированный Si;

ж – аморфный Si;

з – CdS, CdSe;

и – соединения PbS, PbSe, CdHgTe, PbSnSe;

и широко применяемые технологии их изготовления:

к – керамическая технология (спекание порошков, прессование);

л – полупроводниковая технология;

м – вакуумное напыление;

н – химическое осаждение.

 

1. Б – а…е – к…м; В – г…е – к…л; Ф – г, е…и – к,л.

2. Б – а…д – к,л; В – д…з – к,м; Ф – г…з –л.

3. Б – а…ж – к, н; В – а…д – к…м; Ф – г, е…и – л, н.

4. Б – а, б – к…н; В – е…и – к, н; Ф – е, з, и – к…н.

5. Б – а…г – к…м; В – д…ж – к…м; Ф – г, е, з, и – к…н.

 

Правильный ответ –

 

8) Укажите основные материалы и технологии изготовления РЭ магниторезисторов (МР) и тензорезисторов (ТР):

а – монокристаллический полупроводник типа ZnSb, ZnAs, ZnSb- NiSb;

б – поликристаллический ZnSb;

в – Zn, Ni;

г – легированный Si, Ge;

д –сплавы на основе Cu, Ni, Mo, Pt;

е – полупроводниковая технология;

ж – тонкопленочная технология;

з – аппликативная технология;

и – керамическая технология ;

к – гальваническая технология;

л – фольгирование.

 

1. МР – а…в, д – е…з, к; ТР – г, д – е…з, л.

2. МР – а…д – е…л; ТР – б…д – ж…л.

3. МР – б…г – з, и, к; ТР – а…в – е…и.

4. МР – в, г– е, к, л; ТР – б…г – ж…и.

5. МР – д – е…з, к; ТР – в…д – е…к.

 

Правильный ответ –.

 

9) Назовите способ подгонки сопротивления разных типов резисторов «в номинал»:

а – тонкопленочных;

б – толстопленочных;

в – композиционных объемных;

г – проволочных; из:

д – распыление с помощью песчаной струи;

е – нарезка канавок на поверхности РЭ алмазным диском;

ж – локальное удаление материала РЭ лазерным лучом;

з – нанесение на поверхность РЭ слоя идентичного материала;

и – намотка при повышенных температурах;

к – термостарение;

л – термоэлектротренировка;

м – токовая тренировка (в импульсном режиме);

н – локальное окисление;

о – закорачивание отдельных витков РЭ;

п – использование подгоночных топологических элементов.

1. а – д…з, к…м; б – д…з; в – д…ж; г – д, и…о.

2. а – е…з, к, л, п; б – д, ж, к…н; в – д, з; г – и, м, о.

3. а – д…ж, к, н; б – д, з, л, м; в – ж, з; г – и, о, п.

4. а – е…з, к, м, н, п; б – д…ж, л; в – д, к, л; г – и…л, о.

5. а – е…ж, к, м; б – д…з, к…н; в – д, з, к; г – д, и, л, о.

 

Правильный ответ –

 

10) По каким признакам классифицируют конденсаторы? Перечислите все признаки с учетом преимущественно общей для дискретных компонентов классификации и конкретной, относящейся только к конденсаторам классификации:

а – по назначению;

б – по способу защиты конструкции;

в – способу монтажа;

г – по виду диэлектрика;

д – по функциональным особенностям при использовании в электронных устройствах;

е – по характеру изменения емкости;

ж – по величине номинальной емкости;

з – по номинальному напряжению;

и – по ТКЕ;

к – по частотным свойствам;

л – по варианту конструкторско-технологической реализации.

1. а ; г…ж.

2. а …ж; л.

3. а , е, б…г; з, к, д.

4. а , г; е…к.

5. а …г; ж…л.

Правильный ответ –

 

 

11) Укажите материалы диэлектриков для следующих групп конденсаторов:

а – конденсаторы с неорганическим диэлектриком;

б – конденсаторы с органическим диэлектриком;

в – конденсаторы с оксидным диэлектриком;

г – конденсаторы с газообразным диэлектриком;

д – конденсаторная бумага, полиэтилентерефталат, полипропилен, поликарбонат, их комбинации;

е – полистирол, фторопласт, их сочетания с бумагой;

ж – окислы металлов (Al, Ta, Nb);

з – керамика, стекло, стеклоэмаль;

и – слюда;

к– азот, фреон;

л – элегаз (SF₆), вакуум;

м – двуокись марганца;

н – кварц;

о – стеклокерамика;

п – воздух;

р – политетрафторэтилен, лавсан.

1. а – з, н ; б – д, е, и, о, р; в – ж…и; г – к, л, п.

2. а – ж, з, о; б – д, е, л, р; в – ж, з; г – к, п.

3. а – з, и, н, о; б – д, м; в – ж, м; г – к, л.

4. а – ж…и, н, о; б – д, е; в – ж; г – к, л, п.

5. а – ж…и, м, о; б – д, е, и, р; в – ж, з, м; г – к, п.

Правильный ответ –

12) Перечислите основные материалы диэлектриков, используемых при изготовлении конденсаторов постоянной емкости для следующих конструкций:

а – пакетной;

б – трубчатой;

в – пластинчатой;

г – дискообразной;

д – литой секционированной;

е – многослойной монолитной;

ж – рулонной;

з – резервуарной;

и – типа - чип.

А – слюда, стеклоэмаль, стеклокерамика, специальные виды керамики; б – разные виды конденсаторной керамики; в –аналогичны б, стеклокерамика; г, д, е – аналогичны б; ж – конденсаторная бумага, разные виды полимерных пленок (или лент), комбинации различных органических материалов; з – оксиды Al , Ta ; и – аналогичны в, оксиды Al , Ta , Nb .

3. а – слюда, керамика; б…е – разные виды конденсаторной керамики; ж – ленты керамики, бумаги; з – полимерные пленки, оксиды Al ; и – керамика.

4. а – стеклокерамика; б…д – керамика, стеклокерамика; е, ж, з – керамика, бумага; и – керамика, стёкла.

5. а – стеклоэмали; б…е – керамика, стеклоэмали; ж, з – конденсаторная бумага, оксид Al ; и – керамика, полимерные пленки.

Правильный ответ –

13) Для изготовления постоянных конденсаторов конструкций:

а – пакетной;

б – трубчатой;

в – пластинчатой;

г – дискообразной;

д – литой секционированной;

е – многослойной монолитной;

ж – рулонной;

з – резервуарной;

и – типа – чип;

используют следующие основные технологии:

к – спрессовывание с обжимками пакета диэлектрических металлизированных пластин;

л – приемы тонкопленочной технологии;

м – приемы толстопленочной технологии;

н – литьё керамики;

о – нанесение и вжигание серебросодержащих покрытий;

п – формирование влагозащитных покрытий;

р – литьё горячей керамики по форме с пазами;

с – химическая, либо химико-гальваническая металлизация;

т – спекание металлизированных слоев керамики, стеклокерамики;

у – формирование внешних выводов (микроконтактироване);

ф – формирование выводных площадок;

х – свертывание в рулон лент из различных органических и неорганических материалов;

ц – изготовление металлобумажных заготовок;

ч – сборка и герметизация в корпусе;

ш – пропитка волокнистых материалов электролитом;

щ – спекание стержня и порошка металла с последующим анодированием получаемой пористой поверхности слага;

э – формирование слоя MnO₂;

ю – опрессовка пластмассой;

я – заливка герметиком.

Определить технологии, используемые для создания каждой конструкции конденсатора.

1. а – к…м, о, с, у ; б – л…п, у; в – м, у; г – л…о, у; д – м…р, у; е – м… п, т, у; ж – о, н, с, х, ц, ш, ю; з – у…ш; и – л…п, т, у, щ…я.

2. а – к…н, п, у ; б – л…п, у; в – м, о, у; г – л…п, у; д – н…п, у; е – м… п, т, у; ж –с, у, х… ш, я; з – т…ч, я; и – м…о, у, ф, ч…я.

3. а – к…о, с, у ; б – л…н, п, у; в – л…п, у; г – м…о, у; д – о…с, у; е – м… п, т, у; ж –с, х… ч, ю; з – у…щ, ю; и – н…р, у, ф, ч…ю.

4. а – к…п, т, у ; б – м…о, п, у; в – л…о, у; г – л…п, у; д – н…ф, у; е – м… п, т, у; ж –у, х… ш, ю, я; з – с; у, х…щ; и – о, п, с…ф; щ…я.

5. а – к…м, о, п, у ; б – м…п, у; в – л…п, у; г – м…п, у; д – м, о…р, у; е – м… п, т, у; ж – с, у, х…ш; з – с, у, х…ч, щ; и – л…п, т, ф, щ…я.

Правильный ответ –

14) Какие материалы для изготовления

а – варикапов; б – варакторов;в – варикондов;

из: г – Si, Ge; д – GaAs;

е – GaP; ж – различные виды сегнетокерамики на основе титаната бария;

з – TeS; и – керамика на основе Si₃N₄;

указаны неверно?

1. а – г; б – г; в – ж.

2. а – г, д; б – г, д; в – ж.

3. а – е; б – з; в– и.

4. а – д; б – г; в – ж.

5. а – г; б – д; в – ж.

Правильный ответ –

15) Назовите материалы диэлектриков конденсаторов общего назначения:

а – переменных; б – подстроечных;

из: в – воздух; г – конденсаторная керамика; д – стекло;

е – кварц; ж – сапфир; з – слюда; и – вакуум; к – элегаз;

л – органический пленочный материал;

м – сегнетокерамика; н – оксиды Al, Ta, Nb.

1. а – в, г, и, к; б – в…к, м.

2. а – в, и…м; б – г…и, н.

3. а – в, г, и…л; б – в…з, л.

4. а – в, г, и…н; б – г…з, н.

5. а – г, и…м; б – в, и…н.

Правильный ответ –

16) Каковы основные технологии изготовления таких специальных конденсаторов как:

а – варакторы;

б – варикапы;

в –вариконды;

г – термоконденсаторы ? Выберите из:

д – тонкопленочная;

е – толстопленочная;

ж – литье керамики;

з – прессование композиционного материала;

и – полупроводниковая технология;

к– технология микроконтактирования;

л – технология вжигания электропроводящего материала;

м – технология корпусирования;

н – формирование защитных покрытий;

о – формирование выводов;

п – формирование выводных контактных площадок.

1. а – д, и…м; б – д, и, к, н. п; в – е…з, л…п; г – д…з, м…о.

2. а – д, з…н; б – д, и, к, м…о; в – з, к…м, п; г – е…з, к…н.

3. а – е, и…о; б – и…п; в – д…з, н…п; г – ж, з, л…п.

4. а – з…м; б – д, з…л, о; в – е…з, м…о; г – ж, з, н…п.

5. а – и, к, н…п; б – и, к, н…п; в – е…з, к, л, н…п; г – е…з, л, н, п.

Правильный ответ –

17) Катушки индуктивности, используемые в ЭУ, могут быть:

а – контурные; б – длинноволновые;

в – ультракоротковолновые; г – катушки связи;

д – средневолновые; е – коротковолновые; ж – дроссели;

з – трансформаторные; и – вариометры;

к – частотноизбирательные;

л – ограничительные; м – помехоподавляющие.

Какие из них указаны не по критерию «назначение»?

1. а; г; ж… и.

2. г; ж… и.

3. ж… и.

А; г; и.

5. б; в; д; е; к…м.

Правильный ответ –

18) Назовите особенности конструкций катушек индуктивности из:

а – тонкопленочные; б – с каркасом; в – толстопленочные;

г – бескаркасные; д – объемные; е – экранированные; ж – плоские; з – однослойные; и – неэкранированные; к – намотанные;

л – с магнитным сердечником или без него; м – многослойные;

н – секционированные; о – печатные; п – типа чип; р – с немагнитным сердечником.

1. а …е; з… м.

2. б; г…ж, и; л; п; р.

3. а; б; г…з; л.

4. г…м; о; п; р.

5. б…л; н; п.

 

Правильный ответ –

19) Укажите особенности намоток, чаще всего реализуемых при изготовлении обмоток объемных катушек индуктивности (КИ) (включая трансформаторные), применяемых:

а – в контурных КИ ДВ – и СВ - диапазонов;

б –в контурных КИ КВ – и УКВ - диапазонов;

в – в катушках связи;

г – для низкочастотных дросселей;

д – для вариометров;

е – для дросселей высокой частоты;

ж – в навесных КИ для ГИС;

з – для импульсных трансформаторов;

и – для силовых низкочастотных трансформаторов;

к – для согласующих трансформаторов;

выбрав из:

л – многообмоточная намотка на стержневом или тороидальном сердечнике (магнитопроводе);

м – многообмоточная намотка на Ш - образном магнитопроводе с немагнитным зазором;

н – намотка многослойная универсальная на пластмассовом каркасе;

о –намотка однослойная сплошная на пластмассовом каркасе;

п – многослойная (рядовая, внавал) намотка на пластмассовом каркасе;

р – бескаркасная намотка;

с – на керамическом каркасе вожженная намотка;

т – на керамическом каркасе горячая тугая намотка;

у – на пластмассовом каркасе однослойная намотка с шагом;

ф – секционированная универсальная намотка на пластмассовом каркасе;

х – многослойная (внавал) на тороидальном магнитном сердечнике;

ц – двухобмоточная однослойная намотка на каркасе;

ч – двухобмоточная намотка на ферритовом П - образном сердечнике;

ш – однослойная намотка на тороидальном каркасе (круглого или прямоугольного сечения);

щ – двухобмоточная с одно - и многослойной (универсальной) намотками на каркасе;

э – однослойная намотка (преимущественно с шагом) на каркасах из высокочастотных диэлектриков (возможно с пазами);

ю – однослойная сплошная, либо многослойная (чаще – универсальная) намотка на ферритовые стержни.

1. а – н…у; б – м; ф; у; в – х; ш; г –х; ч…ю; д – л…о; е – р; ж – х; з – ф; х; и – л; м; к – л; м.

2. а – о; н; ф; х; б –р, с, т, у, э, ю; в –ц; щ; г – о; п; х; д – ч; е – н…п; у; х; ю; ж – х; э; ю; з – ю; и – н; к – м.

3. а – н; п; ф; х; б – о, р, с, т, у, э, ю; в – ф; ц; щ; г – н; о; п; х; д – ц,ч; е – н…п; у; х; ю; ж – н, х; э; ю; з – л; ю; и – л; н; к – л; м.

4. а – н; ф; х; б – о, с, т, у, э, ю; в – ф; щ; г – н; п; х; д – ц, е – н…п; у; х; ю; ж – н, э; ю; з – л; и – л; к – л…ю.

5. а – н; п; х; б – о, р, т, у, э, ю; в – ф; ц; г – н; о; п; х; д – ц, ч…э; е – н…п; у; х; ю; э; ж – н, х; э; ю; з – л; ю; и – л; н; к – л; м…э.

Правильный ответ –

20) Назовите основные технологии изготовления катушек индуктивности:

а – плоской конструкции; б – чип-конструкции; из следующих:

в – толстопленочная технология;

г – тонкопленочная технология;

д – полупроводниковая технология;

е – субтрактивная технология;

ж – тонкопленочная с гальваническим доращиванием электропроводящего слоя;

з – технология по типу формирования слоев керамики, чередуемых с металлизацией этих слоёв;

и – технология опрессовывания пластмассой;

к – технология формирования внешних выводов.

1. а – в…ж; к; б – в…д; з…к.

2. а – в…е; к; б – г; ж…к.

3. а – г…з; к; б – в; е; и; к.

4. а – г; е; ж; к; б – в; з; и; к.

5. а – г, ж… к; б – в; ж; и; к.

Правильный ответ –

 

21) Для изготовления акустоэлектронных компонентов, таких как:

а – резонаторов на ПАВ; б – фильтров на ПАВ;

в – линий задержки на ПАВ; укажите основные технологии из следующих:

г – формирование звукопровода на основе монокристаллических LiNbO₃, или Bi₁₂GeO₂₀ , или LiTaO₃ , или SiO₂;

д – формирование звукопровода по тонкопленочной технологии (пленки ZnO и AlN) на сапфире;

е – формирование звукопровода на основе кварца;

ж – формирование звукопровода на основе пьезокерамики;

з – тонкопленочная технология формирования преобразователей, включая фотолитографию;

и – толстопленочная технология формирования преобразователей;

к – технология сборки и монтажа;

л – технология герметизации;

м – технология корпусирования;

н – технология формирования защитных покрытий.

1. а – е; з; к; л; б – г; з; к; м; в – г; з; к; м.

2. а – е; з… л; б – д; з; и; м; в – ж; з; к…м.

3. а – г; ж…м; б – ж; з; к; л; в – г; и… м.

4. а – д; з; и; к; н; б – г; ж; з; к; в – д; з; к… м.

5. а – ж; з; к; м; б – д; и…н; в – е; з…л.

Правильный ответ –

22) Укажите основные технологии изготовления оптронов:

а – на дискретных компонентах; б – на интегральных элементах; из:

в –технология формирования подложки;

г – субтрактивная технология;

д – полупроводниковая технология (на монокристаллах соединений А³В⁵ или твердых растворов на их основе);

е – тонкопленочная технология;

ж – толстопленочная технология;

з – технология формирования световода;

и – технология сборки и монтажа;

к – технология прецизионной сборки и монтажа интегрально-оптических элементов;

л – технология герметизации.

1. а – в; г…л; к;  б – в…е; з; и.

2. а – в; г; е; з…л; б – в…д; к; л.

3. а – в; г; е; з; и; л; б – в; д; е; з; к; л.

4. а – в; е…л;      б – в… з; л.

5. а – в; е; и; л;    б – в… и; л.

Правильный ответ –

 

Заводян А.В.

 

 

Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов

по курсу «Технология компонентов ЭВС»

 

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: