Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником
Шрифт:
Создание интегральной микросхемы
Двухметровый уроженец Канзаса Джек Килби был тихим, замкнутым человеком. В свое время он не добрал на вступительных экзаменах по математике трех баллов и не смог поступить в Массачусетский технологический институт. Позже он поступил в Иллинойский университет и, окончив его, 10 лет проработал в малоизвестной фирме, выпускавшей радио- и телевизионные детали.
В мае 1958 г. ему представилась счастливая возможность перейти в знаменитую фирму «Texas Instruments». Здесь в то время выполнялся военный заказ по миниатюризации электронных схем на основе микромодулей: электронные элементы печатались
В июле сотрудники компании отправились в двухнедельный летний отпуск. Килби же, как новичку, отпуск еще не полагался. Он остался в лаборатории практически один и вынужден был выполнять сам почти все технологические операции. Снуя по лаборатории от резака к вакуумному посту, от него к микроскопу, от микроскопа к рабочему столу, Килби упорно спаивал стопки пластинок, но работа не клеилась: ему явно не хватало навыков по операциям, в которых набили руку его отдыхавшие коллеги. И тогда его буквально осенило: «Ведь резисторы и конденсаторы можно не только делать порознь из того же полупроводникового материала, что и транзисторы, но и изготавливать все компоненты одновременно на одной и той же полупроводниковой пластине». Это был путь к интегральной технологии.
По прошествии нескольких месяцев он убедил в правильности своей идеи скептически настроенного шефа, изготовив первый грубый опытный образец. Первая в мире интегральная схема (от латинского integer — цельный, неразрывно связанный, единый) еще не отличалась особым изяществом. Она представляла собой сантиметровую германиевую пластинку, на которой размещались всего пять компонентов. Отдельные части схемы были изолированы друг от друга благодаря своей форме в виде букв U, L и т. п. Крошечные проволочки, соединяющие компоненты схемы друг с другом и с источником питания, просто припаивались. Вся конструкция скреплялась воском в лучшем духе сургучно-веревочной техники физического эксперимента времен Майкла Фарадея. Тем не менее, схема работала. Фирма сообщила о рождении принципиально нового устройства в январе 1959 г. Для демонстрации потенциальных возможностей новой технологии компания построила на ее основе компьютер для ВВС США.
Прошло более 40 лет, и вот в 2000 г. Джек Килби вместе с Хербертом Кроемером и российским ученым Жоресом Алферовым были номинированы на Нобелевскую премию по физике за работы «по получению полупроводниковых структур, которые могут быть использованы для сверхбыстрых компьютеров».
По функциональному назначению различают интегральные микросхемы, аналоговые и цифровые. Существуют и смешанные микросхемы, такие как аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, таймер серии 555 и др. В классе аналоговых микросхем выделяют микросхемы с линейными характеристиками — линейные микросхемы, к которым и относятся микросхемы ОУ. Широкое распространение интегральных монолитных ОУ началось с выпуска в 1964 г. фирмой «Fairchild» первого крупносерийного ОУ типа А702; здесь символ происходит от микро, А от Amplifier. Аналогом явилась отечественная микросхема — К140УД1.
В 1965 г. появился знаменитый ОУ типа А709 (аналог — К153УДЭ). Это была настолько удачная микросхема, что ее ежегодный выпуск достиг 30 млн. Все последующие микросхемы ОУ в той или иной степени генетически несут ее черты. Не случайно ее прозвали дедушкой (granddaddy) операционных усилителей! Стандарт следующего поколения определил ОУ типа А741 (рис. 16, б, в).
Аналоговые микросхемы выпускают, как правило, функционально незавершенными, что открывает широкий простор для радиолюбительского творчества.
Цифровые микросхемы работают с логическими сигналами, имеющими два разрешенных уровня напряжения. Каждая микросхема преобразует последовательность входных сигналов в последовательность выходных. В связи с этим микросхема, заключенная в тот или иной корпус, имеет следующие выводы («ножки»): питания (общий — «земля» и напряжения питания (+5 В или +3,3 В), входы внешних цифровых сигналов и выходы. Большинство микросхем заключено в DIP-корпус с двумя рядами, содержащими от 8 до 40 выводов по продольным боковым сторонам (см. рис. 16, г-е).
Наибольшее распространение получили две технологии (серии или «семейства») цифровых микросхем: ТТЛ (TTL) — транзисторно-транзисторная логика на основе биполярных транзисторов и КМОП (CMOS) — комплементарные транзисторы со структурой «металл-окисел-полупроводник».
Маркировка обычных (стандартных) зарубежных ТТЛ-микросхем начинается с цифр 74, например 7400 и 74121. Популярные КМОП-микросхемы образуют часть семейства 4000, и их номера начинаются с цифры 4, например 4001 и 4501. КМОП-микросхемы были разработаны более 30 лет тому назад в знаменитой американской радиокорпорации RCA. Это легендарные серии CD4000A.B и UB. Отечественные микросхемы имеют более сложную буквенно-цифровую идентификацию, поскольку в ней заключено указание на ее функциональное назначение.
Микросхемы различаются по степени интеграции, функциональному назначению, нагрузочной способности и схеме выходного каскада, быстродействию и энергопотреблению. ТТЛ-микросхемы более «прожорливы» и, следовательно, сильнее нагреваются.
Термин «контроллер» образовался от английского слова to control — управлять. Традиционно эти устройства основывались на различных принципах работы от механических или оптических устройств до электронных аналоговых. Наиболее распространенными на сегодняшний день являются схемы управления, построенные на основе цифровых микросхем — микроконтроллеры.
Микроконтроллеры — разновидность микропроцессорных систем (микроЭВМ), специализированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами. В отличие от микропроцессора МК представляет собой функционально законченное устройство, готовое к выполнению «зашитых» в него программ, и не требует внешних устройств (разумеется, при этом он может управлять различными внешними объектами).
Еще в 1965 г. Гордон Мур (Gordon Moore), один из будущих основателей могущественной корпорации Intel, обратил внимание на интереснейший факт. Представив в виде графика рост производительности запоминающих микросхем, он обнаружил любопытную закономерность: новые модели микросхем появлялись каждые 18–24 месяца, а их емкость при этом возрастала каждый раз примерно вдвое. Если такая тенденция продолжится, предположил Г. Мур, то мощность вычислительных устройств экспоненциально возрастет на протяжении относительно короткого промежутка времени.
Предвидение Г. Мура впоследствии блестяще подтвердилось, а обнаруженная им закономерность, названная «Законом Мура», наблюдается и в наши дни.
В 1976 г. экспоненциальное развитие полупроводниковой технологии привело к созданию фирмой Intel первого микропроцессора — 8048. Помимо центрального процессора, в его состав входила память программ, память данных, восьмибитный таймер и 27 линий ввода/вывода. Конечно, 8048 уже является достоянием истории, а вот следующее изделие — микропроцессор 8051, выпущенный Intel в 1980 г., живет и здравствует поныне.