Принципы конструирования радиоэлектронной

3.2. Принципы конструирования радиоэлектронной

аппаратуры

Рассмотрим, как приведенные варианты конструктивной иерархии ЭВМ согласуются с общими принципами конструирования радиоэлектронной аппаратуры на печатных платах. В настоящее время получили распространение принципы конструирования, такие как: моносхемный, схемно-узловой, каскадно-узловой, функционально-узловой и модульный.

Этот принцип заключается в том, что полная принципиальная схема радиоэлектронного оборудования располагается на одной печатной плате и поэтому выход одного элемента системы из строя приводит к сбою всей системы. Оперативная замена этого элемента затруднена из-за сложности его обнаружения.

ЭВМ, построенная по моносхемному принципу должна монтироваться из нескольких БИС, в которых предусмотрены меры увеличения надежности путем введения аппаратурной и информационной избыточности. Нахождение неисправностей при этом обычно производится на программном уровне.

Схемно-узловой принцип конструирования.

Этот принцип подразумевает расположение частей полной электрической схемы изделия на нескольких печатных платах. При этом, схемы расположенные на отдельных платах должны иметь четко выраженные входные и выходные характеристики.

По такому принципу сконструированы настольные и бортовые ЭВМ. Объединение плат у таких ЭВМ производится с помощью коммутационной платы и также с помощью проводных жгутов.

Каскадно-узловой принцип конструирования.

Этот принцип заключается в том, что принципиальную схему изделия делят на отдельные каскады, которые не могут выполнять самостоятельные функции. В этих изделиях вариант конструктивной иерархии занимает промежуточное положение между схемно-узловым и функционально-узловым принципами.

ЭВМ с большой и сложной структурой строится по каскадно-узловому принципу, а ЭВМ с более простой структурой – по схемно-узловому принципу.

Функционально-узловой принцип конструирования.

Этот принцип применяется при разработке больших ЭВМ. Базовым элементом конструкции является ТЭЗ. Имея необходимый набор ТЭЗ, можно строить целый ряд вычислительных машин с различными техническими характеристиками.

Естественно, что в ЭВМ все функциональные узлы взаимосвязаны. Так вот модульный принцип конструирования предполагает, что эта взаимосвязь осуществляется по одному каналу. Обычно, для обеспечения связи с приемником, модуль передатчик посылает необходимый сигнал вместе с адресом по одной или более шине. Сигналы поступают на входы всех подключенных к каналу модулей, но отвечает только запрашиваемый.

Применяя этот принцип, можно построить машину с практически неограниченной производительностью и сложностью, сохраняя при этом гибкость в ее организации, т.к. разработчик использует ровно столько модулей, сколько ему требуется. Разработчик может также модернизировать конструкцию, меняя или добавляя отдельные модули и получая при этом необходимые параметры.

3.3. Классификация интегральных микросхем

3.3.1. Классификация и система обозначений интегральных микросхем

Для любого типа конструктивной иерархии ЭВМ на низшем уровне находятся интегральные микросхемы (ИС), выполняющие логические, вспомогательные и специальные функции, а также функцию запоминания. В настоящее время промышленностью выпускается большое количество микросхем, которые можно классифицировать по ряду признаков:

- логические (цифровые);

- линейно-импульсные;

- линейные (аналоговые);

- полупроводниковые ИС;

- гибридные ИС;

Рассмотрим полупроводниковые ИС. Они могут располагаться на поверхности полупроводникового материала, так называемой подложке, или прямо формируются из некоторого объема полупроводника. Появление активных и пассивных элементов зависит от введения определенным образом концентраций примесей в различные части монокристаллической пластины.

В зависимости от применяемых активных элементов, полупроводниковые ИС подразделяют на схемы с биполярными и униполярными структурами. Одни и другие имеют изоляторы. В роли изоляторов выступают диффузионные p-n переходы и изолятор-диэлектрик.

При рассмотрении гибридных ИС можно выделить следующее: в этих ИС пассивную часть схемы выполняют в виде пленки, которую наносят на поверхность диэлектрического материала (подложки), а активные материалы или элементы, имеющие самостоятельное конструктивное решение, крепятся к поверхности подложки. В гибридных ИС используют как тонкие, так и толстые резистивные, проводящие и диэлектрические пленки.

Пленки имеют разную толщину и в зависимости от этого имеют следующую классификацию: - пленки толщиной до 1 мкм считаются тонкими; - пленки толщиной свыше 1 мкм считаются толстыми. И в зависимости от этого технологии изготовления ИС с толстыми пленками – толстопленочная, а с тонкими плёнками – тонкопленочная.

Гибридные ИС делят на микросхемы с гибкими и жесткими выводами. Это деление происходит на основе метода подсоединения бескорпусных активных элементов. Выводы в этих ИС могут быть шариковыми, столбиковыми, балочными, лепестковыми.

Еще один вид ИС – это совмещенные ИС (они являются разновидностью полупроводниковых ИС). К ним относятся ИС, в которых активные элементы выполняются внутри полупроводниковой подложки, а пассивная часть схемы наносится на поверхность в виде тонких металлических и неметаллических пленок. И т.к. такие ИС изготавливают на одном кристалле, то их называют и относят к полупроводниковым ИС.

Степень интеграции К_u микросхемы определяется числом содержащихся в ней элементарных схем, где (lg N) – целая часть lg N, а N – количество элементарных схем.

Таким образом, микросхема, содержащая 10 элементарных схем, имеет 1 степень интеграции (малая ИС), до 100 элементарных схем - 2 степень интеграции (средняя ИС), до 1000 элементарных схем - 3 степень интеграции (БИС), свыше 1000 элементарных схем - сверхбольшая ИС (СБИС).

По конструктивному исполнению. Деление дает следующие типы ИС:

- корпусные с выводами;

- корпусные без выводов;

- бескорпусные;

Из всего рассмотренного материала, можно подвести итог, что ИС классифицируются по:

- функциональному назначению;

- технологии изготовления;

- конструктивному исполнению.

И если можно выделить ряд отдельных функциональных микросхем, объединенных по виду технологии изготовления, напряжениям источников питания, входным и выходным сопротивлениям и уровням сигналов, конструктивному оформлению и способам крепления или монтажа, то говорят, что такие микросхемы образуют серию ИС.

Обычно в серию ИС входит такой набор функциональных микросхем, из которых можно построить законченное радиоэлектронное устройство. Существуют также серии специальных микросхем, предназначенных для работы в специфических условиях или специального назначения, например – для управления запоминающим устройством, внешними устройствами, и т.д.

Каждая микросхема, входящая в ту или иную серию имеет условное обозначение, которое отображает ее принадлежность к какому-либо классу, группе (в пределах этого класса) и порядковому номеру серии.

Приведем пример классификации ИС по функциональному назначению:

1). Логические элементы:

“И” – ЛИ

“НЕ” – ЛН

“И - ИЛИ” – ЛС

“И - НЕ” – ЛА

“ИЛИ - НЕ” – ЛЕ

“И - НЕ/ИЛИ - НЕ” – ЛБ

“И - ИЛИ - НЕ” – ЛР

расширители – ЛД

прочие – ЛП

2). Многофункциональные схемы:

аналоговые – ХА

цифровые – ХЛ

комбинированные – ХК

прочие – ХП

3). Коммутаторы и ключи:

тока – КТ

напряжения – КН

прочие – КП

4). Генераторы:

гармонических сигналов – ГС

прямоугольных сигналов – ГГ

линейно измеряющих сигналов – ГЛ

сигналов специальной формы – ГФ

шума – ГМ

прочие ГП

5). Преобразователи сигналов:

частоты – РС

длительности – ПД

напряжения (тока) – ПН

мощности – ПМ

уровня (согласования) – ПУ

аналогово-цифровые – ПА

синтезаторы частоты – ПЛ

делители частоты аналоговые – ПК

умножители частоты аналоговые – ПЕ

6). Схему ЗУ:

матрицы оперативных ЗУ – РМ

матрицы постоянных ЗУ – РВМ

оперативные ЗУ – РУ

постоянные ЗУ с возможностью однократного программирования – РТ

постоянные ЗУ с ультрафиолетовым стиранием – РФ

постоянные ЗУ с возможностью многократного электрического перепрограммирования – РР

ассоциативные ЗУ – РА

7). Схемы вычислительных средств:

микро ЭВМ – ВЕ

микропроцессоры – ВМ

микропроцессорные секции – ВС

схемы микропрограммного управления – ВУ

функциональные расширители – ВР

схемы синхронизации – ВБ

схемы управления прерываниями – ВН

схемы управления вводом – выводом (схемы интерфейса) – ВВ

и т.д.