Книга: Электроника для начинающих (2-е издание)
Назад: Глава 4 МИКРОСХЕМЫ, ВАМ СЛОВО!
Дальше: Эксперимент 16. Интегральный таймер
Комплектующие для четвертой главы
Единственный новый инструмент, который может вам потребоваться для работы с микросхемами, — это логический пробник. Он определит, в каком состоянии находится вывод микросхемы, что поможет понять, как работает ваша схема. Пробник обладает памятью, поэтому он способен реагировать на одиночный импульс, который может оказаться слишком быстрым и незаметным.
Некоторые из моих читателей не согласны со мной, но я считаю логический щуп необязательным инструментом. При желании поищите в интернет-магазинах и купите самый дешевый, какой найдете. У меня нет каких-либо рекомендаций по поводу производителя.
Компоненты
Как и прежде, подробные рекомендации по приобретению комплектующих приведены в главе 6. Если вам больше нравится готовый набор компонентов, смотрите раздел «Наборы». Если вы предпочитаете покупать компоненты самостоятельно, смотрите раздел «Компоненты». Для расходных материалов смотрите раздел «Расходные материалы».
Как выбрать микросхему
На рис. 4.2 показаны две интегральные микросхемы. Вверху изображена устаревшая конструкция со штырьковыми выводами, расположенными на расстоянии 2,54 мм, которые вставляются в отверстия макетной или печатной платы. Я буду пользоваться исключительно такими микросхемами, потому что с ними проще работать. Микросхема, показанная внизу, разработана специально для поверхностного монтажа. Мы не будем использовать подобные микросхемы, потому что они не подходят для макетных или перфорированных плат.
Рис. 4.2. Микросхема для установки в монтажные отверстия (вверху) и микросхема для поверхностного монтажа (внизу)
Многие микросхемы для установки в отверстия на плате и для поверхностного монтажа сходны по функциям. Единственное различие — это размер (хотя некоторые версии для поверхностного монтажа работают при меньшем напряжении).
Корпус микросхемы обычно делается из пластика или эпоксидной смолы. Обычная микросхема, как правило, поставляется в корпусе с двухрядным расположением выводов; это означает, что он имеет два ряда контактов. Сокращенное обозначение такого корпуса - DIP (dual-inline package) или PDIP (если он сделан из пластика).
Корпуса для поверхностного монтажа часто обозначаются аббревиатурами, которые начинаются с буквы S, например SOIC (small-outline integrated circuit, микросхема в малогабаритном корпусе или ИС в корпусе типа SO). Существует множество вариантов микросхем для поверхностного монтажа, с разным расстоянием между выводами и другими параметрами. Все они не подходят для наших экспериментов, и если вы приобретаете компоненты самостоятельно, то должны быть внимательными, чтобы не купить такие микросхемы по ошибке.
Внутри корпуса находится тоненькая пластина из кремния (подложка), которая и дала жизнь названию «чип» (chip — тонкая пластина), применяемому для обозначения микросхемы в целом. Тонкие провода соединяют подложку с внешними выводами по сторонам корпуса микросхемы.
Микросхема в PDIP-корпусе на рис. 4.2 имеет по семь выводов в каждом ряду, всего их 14. У других микросхем может быть 4, 6, 8, 16 и больше выводов.
Почти на каждой микросхеме нанесена маркировка. Обратите внимание на то, что хотя на фотографии обе микросхемы внешне отличаются друг от друга, но в их маркировке присутствует одинаковый фрагмент — «74». Это означает, что оба компонента относятся к одному семейству логических микросхем, которым при создании несколько десятилетий назад была присвоена серия 7400 с последовательно возрастающими номерами. Их часто называют серией 74хх, и мы будем много раз использовать такие микросхемы.
Взгляните на рис. 4.3. Начальные буквы указывают на производителя, на них можно не обращать внимания, поскольку для наших целей это не имеет никакого значения.
ЗамечаниеЕсли вас интересует, почему буквы SN обозначают компанию Texas Instruments, то это связано с тем, что когда-то этот производитель называл свои микросхемы «полупроводниковыми цепями» (Semiconductor Networks — SN).
Следом за числом 74 идут две буквы, которые важны для нас. Семейство 7400 развивалось в течение многих десятилетий, и буквы после 74 подскажут, к какому поколению относится выбранная вами схема. Среди вариантов могут быть: 74L, 74LS, 74С, 74НС и 74АНС. Существует также множество других.
Рис. 4.3. Расшифровка обозначения микросхемы семейства 74хх
В целом, последние поколения более быстрые и универсальные, чем ранние. В этой книге я использую только микросхемы НС семейства 7400, потому что среди них есть почти все функциональные элементы, они оптимальны по цене и энергопотреблению. Для наших целей высокая скорость новейших микросхем не имеет существенного значения, хотя, если желаете, конечно же можете выбрать микросхемы НСТ.
После букв, указывающих поколение, идет последовательность из двух, трех, четырех или (иногда) пяти цифр. Она обозначает конкретную функцию данной микросхемы. Следом за цифрами идут другие буквы (одна или несколько). Для наших целей эти буквы не имеют значения.
Вернемся к рис. 4.2. Маркировка М74НС00В1 означает, что эта микросхема изготовлена компанией STMicroelectronics, относится к семейству 74хх и к поколению НС, а его функция обозначена цифрами 00.
Цель этого длинного объяснения — помочь вам интерпретировать списки каталогов при покупке микросхем. Вы можете указать в поисковом запросе «74НС00», и достаточно разумные поисковые системы интернет-продавцов выдадут вам подходящие микросхемы разных производителей, несмотря на то, что впереди и позади вашего запроса могут быть дополнительные буквы.
Просто убедитесь, что они подходят для вашей макетной платы. Ограничьте результаты поиска корпусами DIP, PDIP или вариантами для установки в отверстия платы. Если обозначение начинается с SS, SO или TSS, то это определенно модели для поверхностного монтажа, и вам они не подходят. Для более детальной информации, относящейся к поиску и покупке, смотрите раздел «Поиск и покупка онлайн» главы 6.
Все микросхемы, необходимые для экспериментов из этой главы, перечислены в табл. 6.7 главы 6. Вам понадобится совсем немного компонентов другого типа, которые я укажу здесь.
Панель для микросхемы
Если вы планируете смонтировать какое-либо из ваших электронных устройств с помощью пайки, то я не рекомендую вам припаивать микросхемы прямо к плате, потому что в случае ошибки монтажа или повреждения микросхемы вам придется демонтировать несколько контактов, чтобы ее удалить. Это очень сложно. Чтобы избежать проблем, купите несколько панелек для микросхем DIP-формата, припаяйте их к плате, а затем вставьте в них микросхемы. Вы можете выбрать самые дешевые панельки, какие найдете (для наших целей не нужны позолоченные контакты). Вам понадобятся панели на 8,14 и 16 выводов по 5 штук каждого типа как минимум. Пример приведен на рис. 4.4.
Рис. 4.4. Панельки для установки микросхем
Сверхминиатюрный ползунковый переключатель
Рис. 4.5. Сверхминиатюрный ползунковый переключатель, рекомендуемый для проектов этой книги
Ползунковый переключатель имеет крошечный рычажок, который вы передвигаете кончиком пальца, замыкая или размыкая контакты внутри. У самых маленьких переключателей всего три вывода, которые расположены на расстоянии 2,54 мм (рис. 4.5). Если вы покупаете компоненты самостоятельно, отыщите раздел «Другие компоненты» главы 6 и для более детальной информации о переключателях ознакомьтесь с подразделом «Компоненты для четвертой главы».
Не допускайте перегрузку переключателя
Помните, что очень маленькие ползунковые переключатели не могут коммутировать большой ток или высокое напряжение. Они предназначены только для маломощных цепей. Стандартное ограничение: сила тока ниже 100 мА при постоянном напряжении 12 В. Для наших целей этого достаточно. Сверьтесь с техническим паспортом компонента, если вам потребуется ползунковый переключатель для более существенной нагрузки.
Слаботочные светодиоды
Логические микросхемы серии НС не предназначены для обеспечения тока, превышающего 5 мА. Обычный светодиод может потреблять ток до 20 мА, но это приведет к понижению напряжения на выходе микросхемы, сделав его непригодным для подачи на вход других логических микросхем. Для всех экспериментов с логическими микросхемами я предлагаю приобрести слаботочные светодиоды.
Помните о том, что для слаботочных светодиодов необходимы токоограничительные резисторы большего номинала, поскольку они не выдерживают такую же силу тока, что и стандартные светодиоды. Я напомню об этом там, где это будет важно.
Светодиодные индикаторы
В одном из наших устройств с микросхемами выходные значения будут высвечиваться с помощью семисегментных цифровых индикаторов — простых компонентов для отображения цифр, широко применяемых, например, в цифровых часах или микроволновых печах (рис. 4.6). Для информации об их покупке загляните в раздел «Другие компоненты» главы 6 и спуститесь до подраздела «Компоненты для четвертой главы».
Рис. 4.6. Семисегментные индикаторы — самый простой способ отображения цифровой информации. Их можно непосредственно соединять с выходом некоторых КМОП- микросхем
Стабилизатор напряжения
Рис. 4.7. Интегральный 5-вольтовый стабилизатор напряжения в корпусе ТО220
Поскольку многие логические микросхемы требуют для работы напряжение питания ровно 5 В, вам понадобится стабилизатор напряжения. Подойдет, например, микросхема LM7805. Как обычно перед номером может присутствовать аббревиатура производителя, а после него — вариант корпуса, как в обозначении микросхемы LM7805CT, выпускаемой компанией Fairchild. Подойдет изделие любого производителя, однако стабилизатор должен выглядеть подобно изображенному на рис. 4.7. (Такой тип корпуса обозначают ТО220.) Стабилизаторы пригодятся при конструировании любых логических схем, поэтому советую приобрести сразу пять штук.
Необязательные компоненты
Чтобы завершить систему сигнализации из эксперимента 18, вам понадобятся магнитные датчики, которые крепятся к дверям или окнам. Во многих интернет-магазинах предлагается модель Directed 8601.
Если вы планируете поместить устройство в корпус, то имеющиеся у вас кнопки окажутся плохо приспособленными для этого. Для эксперимента 18 вам потребуется стандартная двухполюсная кнопка на два направления, типа ВКЛ-(ВКЛ) с контактами для пайки. В интернет-магазине eBay есть очень много вариантов подобных кнопок.
Как появились микросхемы
Идея — встроить полупроводниковые компоненты в миниатюрный корпус, принадлежит английскому специалисту по радиолокационным системам Джефри В. А. Даммеру (Geoffrey W. А. Dummer), который многие годы пропагандировал ее и даже безуспешно пытался реализовать в 1956 году. А первая в полном смысле слова интегрированная схема была выпущена в 1958 году Джеком Килби Qack Kilby), который работал в компании Texas Instruments. Килби использовал германий, поскольку этот материал уже применялся в качестве полупроводника. Вы познакомитесь с германиевым диодом, когда дойдет дело до детекторного радиоприемника в эксперименте 31. Но Роберт Нойс (Robert Noyce), изображенный на рис. 4.8, предложил вариант еще лучше.
Рис. 4.8. Роберт Нойс, который запатентовал интегральные микросхемы и стал одним из основателей компании Intel
Родившийся в 1927 году в штате Айова, Роберт Нойс в 50-х годах прошлого столетия переехал в Калифорнию, где устроился на работу к Уильяму Шокли. Это произошло сразу после того, как Шокли запустил производство транзисторов, которые он изобрел совместно с коллегами из Лаборатории Белла.
Нойс был одним из восьми сотрудников, которым надоело руководство Шокли, и они ушли, чтобы основать компанию Fairchild Semiconductor. Будучи генеральным директором Fairchild, Нойс изобрел интегральную микросхему на основе кремния, который намного проще в производстве по сравнению с германием. В итоге Нойса считают человеком, который воплотил в реальность интегральные микросхемы.
Микросхемами сразу же заинтересовались военные, поскольку системам наведения реактивных снарядов «Минитмен» требовались компактные и легкие компоненты. Именно для этих целей в период с 1960 по 1963 год была произведена основная часть микросхем. За этот период их стоимость снизилась с 1000 до 25 долларов за штуку (в ценах 1963 года).
В конце 60-х годов появились микросхемы со средним уровнем интеграции (MSI, Medium- Scale Integration), каждая из которых содержала сотни транзисторов. В микросхемах с высоким уровнем интеграции, появившихся в середине 70-х годов, число транзисторов доходит до десятков тысяч. Сегодняшние компьютерные микросхемы могут содержать несколько миллиардов транзисторов.
В конечном итоге Роберт Нойс вместе с Гордоном Муром (Gordon Moore) основал компанию Intel. В 1990 году он скоропостижно скончался от сердечного приступа. Вы можете узнать больше об увлекательной истории создания и производства микросхем на сайте Ассоциации историков Кремниевой долины (http://www. siliconvaIleyhistorical.org).
