Основные этапы развития электроники и схемотехники

В зависимости от используемых электронных компонентов (элементной базы) выделим следующие этапы развития электронных приборов и устройств.

Первый этап (1900—1950 гг.). Характерная особенность этого этапа — использование электронных ламп в качестве активных элементов. Пассивными элементами служили резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и трансформаторы. Соединение элементов осуществлялось с помощью проводов. Устройства имели большие габариты и массу. Плотность монтажа составляла 0,001—0,003 элемента/см³. На этом этапе были разработаны основные теоретические положения и решены многие вопросы схемотехники для различных областей применения устройств радиотехники и вычислительной техники.

Второй этап (1950—1970 гг.). На этом этапе разрабатывались и производились электронные устройства на полупроводниковых диодах и транзисторах. Сборка устройств осуществлялась автоматически с применением печатного монтажа. Полупроводниковые приборы и пассивные элементы располагались на печатной плате. Соединение элементов осуществлялось путем нанесения медного слоя на плату по заранее заданному печатному рисунку в соответствии со схемой устройства. Плотность монтажа составляла около 0,5 элемента/см³.

Третий этап (1970—1980 гг.) знаменовался переходом от дискретных элементов к интегральным схемам, содержащим от десятков до нескольких тысяч транзисторных структур на одном кристалле площадью порядка одного квадратного сантиметра. Основу элементной базы устройств составляли интегральные схемы и микросборки. Интегральная схема представляла собой более или менее законченный функциональный узел, изготовленный на подложке в едином технологическом цикле и требующий навесных элементов. На этом этапе широко использовались блочные конструкции электронных устройств, составленные из набора печатных плат, на которых смонтированы интегральные схемы и микросборки. Плотность монтажа составляла до 50 элементов/см³. Внедрение интегральных схем помимо уменьшения габарита, массы и энергопотребления привело к резкому повышению надежности электронных устройств.

Четвертый этап (1980—2000 гг.). Его главная особенность состояла в применении больших и сверхбольших интегральных схем (БИС, СБИС) с плотностью монтажа, превышающей 10⁸ элементов/см³. В состав таких интегральных схем входят отдельные функциональные узлы, а в целом СБИС представляет собой готовое электронное устройство, позволяющее осуществить прием, хранение, обработку или передачу информации. Появление и внедрение микропроцессоров привело к резкому ускорению темпов развития компьютерной техники. Появились современные компьютеры, имеющие малые габариты и низкую стоимостью, обладающие высокой надежностью и производительностью, многократно превышающую производительность ЭВМ первых поколений.

Пятый этап (с 2000 г. по настоящее время). Продолжается процесс интенсивного развития интегральной схемотехники, который идет по пути освоения новых технологий, уменьшения технологических норм проектирования, повышения рабочих частот, расширения функциональных возможностей и широкого их внедрения в аппаратуру различного назначения (компьютеры и телекоммуникационные сети, системы спутниковой связи, телевидение, бытовая техника и др.).

Уменьшение проектных норм до десятков нанометров позволяет размещать на кристалле согни миллионов транзисторных структур и объединять их в законченные узлы различного функционального назначения, что привело:

• • к повышению тактовой частоты обработки цифровой информации до единиц (и более) гигагерц, благодаря высокой плотности упаковки и отсутствию межсоединений;
• • дальнейшему развитию и совершенствованию микросхем с программируемой структурой;
• • появлению нового класса перспективной элементной базы, называемой «системы-на-кристалле» (system-on-chip — SoC). Внедрение SoC требует качественно новой методологии проектирования, основанной на многократном использовании так называемых IP-блоков (intellectual property — блоков интеллектуальной собственности);
• • дальнейшему развитию, совершенствованию и широкому внедрению различных многопроцессорных вычислительных систем параллельного действия [50].

Развитие запоминающих устройств направлено на увеличение емкости, повышение быстродействия, снижение потребляемой мощности и стоимости, а также обеспечение энергонезависимости. Для этого используются новые физические явления и перспективные технологии, к которым следует отнести 1831:

• • два вида технологий, основанных на использовании ферроэлектрических явлений. Элементы памяти FRAM (ferroelectric) строятся на основе бистабильного атома, диполи которого могут занимать два пространственных положения, соответствующих логическому нулю и логической единице. Положение диполей можно изменять с помощью внешнего электрического поля. Элементами памяти PFRAM (j)olyme?ic ferroelectric) служат диполи, расположенные на полимерной пленке и разделенные перпендикулярными разрядными и словарными линиями. Достоинствами технологий являются энергонезависимость, высокая скорость чтения и записи, практически неограниченное число циклов чтения/записи, малая площадь элемента памяти на кристалле, высокая радиационная стойкость, малые напряжение питания и потребляемая мощность;
• • технологию МRAM {magnetic RAM), основанную на способности особой структуры из ферромагнетика изменять свое сопротивление при изменении намагниченности. Достоинствами памяти MRAM являются неограниченный ресурс перезаписи и весьма малое время доступа, что позволяет применять ее в качестве оперативной памяти;
• • технологию OUM {ovonic unified memory), разрабатываемую одноименной фирмой Ovonics при активном участии Intel. Принцип работы этой памяти сходен с принципом работы оптических перезаписываемых носителей {CD RW). При пропускании через халькогенидный сплав тока он нагревается и переходит из кристаллического состояния в аморфное. Сопротивление сплава резко увеличивается, и он прекращает пропускать ток. Появившиеся первые пробные микросхемы OUM превосходят флеш-память по максимальному количеству циклов перезаписи и имеют лучшие показатели по времени доступа;
• • нанотехнологии, освоение которых открывает широкую перспективу совершенствования микросхем памяти. Самое простое применение нанотехнологии состоит в замене плавающего затвора транзистора на нанокристаллы кремния, что позволит значительно повысить надежность хранения информации и существенно уменьшить размер ячеек.

Бурными темпами продолжает развиваться флеш-память {flash memory). Одно из ее направлений относится к разработке интегрированных однокристальных систем {single-chip, или класса «все-в-одном») с расширенными функциональными возможностями. Другим направлением является уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия памяти. Технологический процесс 90-нм обеспечивает объем модулей памяти единицы гигабайт, их малые размеры (11×13×1,4 мм), напряжение питания 1,8 В, высокую производительность и низкое энергопотребление, высокие скорости чтения (108 Мбайт/с) и записи (10 Мбайт/с).

К перспективным направлениям развития памяти следует отнести твердотельные накопители типа NAND SSD {solidstate disk) на основе флеш-памяти и типа RAM SSD на оперативной памяти. Их достоинства — высокая скорость чтения/заниси, стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации, малые чувствительность к внешним электромагнитным полям, габариты и масса; недостатки — сравнительно высокая стоимость, ограниченное количество циклов перезаписи.

Благодаря широкому применению цифровых интегральных схем удалось улучшить многие показатели информационных устройств. Поэтому препятствием на пути улучшения массогабаритных показателей, повышения надежности и снижения стоимости электронной аппаратуры в целом являются мощные устройства, к которым относятся выходные каскады радиопередатчиков и звуковоспроизводящей аппаратуры, устройства вторичных источников электропитания (ВИЭП) и другие устройства силовой электроники (power electronics).

Поскольку мощные устройства строят на полупроводниковых приборах с ключевым режимом работы, их характеристики и параметры находятся в полной зависимости от современного состояния элементной базы.

Самыми распространенными приборами в низкочастотных (до 1 МГц) и низковольтных (до 200 В) устройствах являются МОПтранзисторы (MOSFET — metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), которые обладают малыми статическими и динамическими потерями, незначительными затратами на управление и крайне небольшим временем переключения, что позволило практически полностью вытеснить из низковольтных преобразовательных устройств все остальные типы силовых полупроводниковых приборов. Совершенствование технологии изготовления МОП-транзисторов расширило область применения приборов этого класса в диапазоне коммутируемых напряжений до 600—1000 В.

При напряжениях 500—600 В и выше предпочтительны биполярные транзисторы с изолированным затвором (1GBT — insulated gate bipolar transistors), которые обеспечивают коммутацию токов до 3600 А и напряжений до 6,5 кВ с временем переключения порядка 200—400 нс.

Дальнейшее улучшение параметров приборов силовой электроники связано с совершенствованием и внедрением новых технологий. В последние годы ведутся широкие исследования новых материалов для приборов силовой электроники, среди которых наиболее перспективен карбид кремния (SiC). Пробивная напряженность электрического поля SiC более чем на порядок превышает соответствующие показатели у Si и GaAs. Высокая теплопроводность SiC уменьшает тепловое сопротивление кристалла по сравнению с Si-диодами почти в два раза. Небольшое удельное сопротивление в открытом состоянии в сочетании с высокой плотностью тока и теплопроводностью позволяет использовать для силового прибора весьма малый, но размерам кристалл. Карбид кремния устойчив к радиации, ее воздействие не приводит к деградации электронных свойств кристалла. Высокая рабочая температура кристалла (более 600°С) позволяет создавать надежные приборы для жестких условий эксплуатации и специальных применений.

Успехи полупроводниковой (MOSFET, 1GBT, мощные высоковольтные диоды Шоттки), микроэлектронной (чипы высокой степени интеграции, 5М/>компоненты и т. д.) и компьютерной (микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры, флеш-память большого объема) технологий, а также достижения в области полимеров, планарных моточных изделий и микропечатных плат дают мощный импульс развитию интеллектуальных силовых модулей.

{IPM — intelligent power modules). Можно выделить два направления развития IPM:

• • объединение в одном модуле силовых компонентов различного вида для образования более сложной структуры модуля;
• • встраивание в силовые ключи или их конфигурацию (полумосты, мосты) управляющих драйверов и (или) ШИМ-контроллеров, датчиков для диагностики работоспособности и других функций. Этому способствует переход от аналогового управления на цифровое.

Цифровое управление источниками питания по сравнению с аналоговым обладает огромными преимуществами. Появление недорогих высококачественных цифровых сигнальных контроллеров обеспечивает:

• • высокую точность регулирования. Допустимое отклонение от заданных параметров определяется влиянием дестабилизирующих факторов. Цифровые контроллеры позволяют не только осуществлять их мониторинг, но и производить непосредственную подстройку цени обратной связи контура регулирования в зависимости от нагрузки, температуры, тока и напряжения. Отклонение напряжения на выходе источника от номинала может достигать десятых долей процента;
• • стабильность работы в заданной полосе частот, которая поддерживается схемой компенсации. Современный цифровой контроллер может автоматически подстраивать схему компенсации, поскольку имеет прямой доступ к коэффициентам полиномов передаточной функции, хранящимся в его регистре, т. е. способен самоадаптироваться к постоянным изменениям условий работы;
• • защиту от выбросов при резких и внезапных изменениях параметров нагрузки путем использования усовершенствованных топологий (архитектур), включая схемы полномостового преобразователя со сдвигом фазы и резонансного преобразователя, а также контроллеры, управляемые напряжением или током. Эти архитектуры обеспечивают оптимальную коммутацию ключа. Цифровое управление позволяет без промедления и дополнительных затрат переключаться между различными архитектурами и тем самым смягчить резкие и внезапные броски тока в нагрузке;
• • диагностику ошибок и более совершенную защиту от перегрузок. Каждая ошибка и сбой могут быть распознаны, а последующая реакция системы может быть предварительно запрограммирована и при необходимости изменена, например в зависимости от выходных напряжений и токов. В источниках с аналоговым управлением система защиты обычно задана внешними элементами, впаянными в печатную плату;
• • высокий КПД в широком диапазоне выходных напряжений и токов, так как цифровые алгоритмы позволяют оптимизировать внутренние параметры источника питания для каждой точки во всем заявленном диапазоне работы;
• • высокую надежность, что достигается сведением к минимуму количества внешних элементов и токопроводящих дорожек на печатной плате. Кроме того, оптимизация КПД гарантирует меньший нагрев и более долгий срок службы компонентов.

Приведенный далеко не полный перечень достоинств цифрового управления свидетельствует о широких возможностях и перспективности его применения в современных источниках питания.

Одной из главных проблем мощных устройств радиопередающей аппаратуры является совершенствование элементной базы. В настоящее время для изготовления мощных высокочастотных транзисторов наиболее перспективной является смещенно-диффузная МОП-технология на основе кремния (LDMOS — laterally diffused metal oxide semiconductors), которая позволяет получить лучшие характеристики транзисторов по сравнению с биполярной технологией. LDMOS-технология появилась в конце прошлого века и стала одной из ключевых технологий в области создания транзисторов СВЧ-диапазона. Одна из ведущих компаний в этой области NXP Semiconductors, известная ранее как Philips Semiconductors, выпускает более 100 модификаций мощных транзисторов для четырех направлений применения: широковещательные транзисторы, транзисторы СВЧ, микроволновые транзисторы и транзисторы для базовых станций сотовой связи. В качестве примера приведем параметры LDMOS-транзистора для диапазона 1030—1090 МГц: выходная мощность — до 600 Вт, коэффициент усиления по мощности — не менее 19 дБ, КПД — до 52%, транзистор имеет встроенную защиту от статического электричества.

Развитие мощных устройств в радиодиапазоне сдерживается отсутствием нелинейных реактивных элементов, способных преобразовывать высокие уровни мощности. Например, область применения частотных и фазовых модуляторов, реализуемых на варикапах, ограничена информационными устройствами.