Что такое чип памяти и как программировать микросхемы

FAQ

Без чего не работают смартфоны и ноутбуки, какое будущее у микросхемотехники и чем опасно производство микросхем

18 Декабря 2019 4484

Ксения Рыкова для ПостНауки

Зачем нужны микросхемы? Чем важен кремний для электроники? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Микросхема, или чипы, — электронное вычислительное устройство, которое обрабатывает информацию, выраженную в единицах и нулях. Чипы работают на основе транзисторов — радиоэлектронных полупроводниковых элементов, которые управляют входящим электротоком. Главный элемент транзистора — p-n-переход (от англ. positive — положительный и negative — отрицательный): в нем соприкасаются полупроводники с противоположными типами проводимости.

В одной микросхеме умещается до миллиарда транзисторов, и это дает большие вычислительные мощности. На базе микросхем созданы современные компьютеры и умная электроника.

Принцип работы и устройство микросхемы

Основа смартфонов и ноутбуков — это монокристаллический кремний. На нем инженеры формируют микросхемы из электронных компонентов: резисторов, транзисторов и конденсаторов. Чтобы избежать помех, микросхеме нужен диэлектрик для изоляции транзисторов друг от друга и металлические развязки-проводники для соединения.  Транзистор преобразует входной ток и передает простейшую информацию в виде единиц и нулей. Ими оперирует булева алгебра для базовых логических функций: отрицания, тождества, сложения и пересечения. 

Регистры настраиваются под каждую логическую функцию, а после объединяются в единую схему — процессор или микроконтроллер. Они выполняют вычислительное действие. В современных микросхемах на один кристалл кремния миллиарды транзисторов, поэтому настраивает и размещает их компьютер, а не человек. 

Рекомендуем по этой теме:<app> 35801Основные законы электроники: от масштабирования к параллельному программированию</app>

Производство микросхем

Кристаллы для микросхем выращивают по методу Чохральского: в расплав кремния помещается небольшой кусочек кремния, затем его медленно вращают, и он начинает вытягиваться и застывать. В итоге получается цилиндр монокристаллического кремния, его нарезают на несколько пластин. В кремний добавляют атомы различных элементов (мышьяк, фосфор, бор), формируя базовый элемент транзистора — p-n-переход. Пленка из оксида кремния изолирует транзисторы, а металлические развязки соединяют их между собой.

После этого в корпусе DIP (dual-in-line-package — прямоугольный корпус с двумя рядами контактов по бокам) кристалл соединяют с входами и выходами микросхемы. Как только кристалл распаян, то есть на нем появились контактные площадки, к ним приваривается проволочка и соединяется с ножками DIP. Затем микросхему помещают в корпус из эпоксида или пластика. При этом кристалл стоит поместить на медную или золотую подложку для отвода тепла: через микросхему в секунду проходит большой объем энергии, и нужна система охлаждения.

Микросхемы в основном делают на монокристаллах кремния, сырья для которого на планете очень много. Но есть и альтернативные материалы: сапфир, углерод, арсенид галлия, германий. Микросхемы на монокристалле сапфира отличаются тем, что их можно использовать в силовой электронике, когда в ход идут большие токи. Из-за этого их часто применяют в оборонных технологиях. Микросхемы из германия больше устойчивы к низким температурам, а галлиевые устройства подходят для работы с сигналами высоких частот (в диапазоне от гигагерца и выше) — в мобильной связи и Wi-Fi. 

Рекомендуем по этой теме:<app> 35395Краткая история электроники: от лампочки к квантовому компьютеру</app>

В качестве одной из альтернатив кремнию рассматривается углерод. У него есть три фазы: полупроводниковый карбин, проводящий графит и диэлектрик — алмаз, который можно использовать как полупроводник. Микросхемы на основе углерода позволят работать в широком температурном диапазоне. В устройствах на углеродных нанотрубках отсутствует p-n-переход, а его повреждение — частая причина поломки микросхемы.

Отдельный интерес представляют гибридные интегральные схемы — электронный компонент с элементом в виде сверхпроводника. Сверхпроводник позволяет избавиться от омических потерь — перехода энергии тока в тепловую энергию — и увеличить энергоэффективность. Благодаря этому тратится меньше энергии на единицу обработанной информации. На сверхпроводниках основан SQUID (Superconducting Quantum Interference Device — сверхпроводящий квантовый интерферометр) — магнитометр, который может измерять слабые магнитные поля.

Производство микросхем требует особых норм безопасности, соблюдение которых чрезвычайно важно. Для обработки кремния используется плавиковая кислота — она обжигает нервные окончания и растворяет кости. При фотолитографии используются канцерогенные растворители и добавки — они раздражают слизистую оболочку и кожу. 

Когда микросхемы утилизируют, из них необходимо выделить драгоценные металлы — в основном золото, но также серебро или платину и так далее. Этот процесс также требует соблюдения норм экологической безопасности.

Рекомендуем по этой теме:<app> 10185Тезаурус: электроника</app>

Параметры микросхемы

Главная задача микросхемы — быстрая и правильная обработка информации. Это зависит от нескольких параметров. 

Один из них — это тактовая частота работы. Внутри чипа один транзистор может отличаться от другого, поэтому их нужно синхронизировать. Для этого используется кварц в качестве генератора частоты. Относительно него вся информация передается с заданной частотой такта. Чем чаще частота, тем больше передается информации. Быстродействие всей системы определяет и резистивная емкостная нагрузка элемента — это не только число транзисторов, но и проводимость их каналов.

Применение микросхем

Микросхемы выполняют вычислительные функции. Они интерпретируют и обрабатывают информацию, которая сводится к единицам и нулям и выражается булевой алгеброй. Из микросхем создаются разные устройства — от датчиков движения до средств машинного зрения и умных пылесосов. 

Поломки микросхем

Наиболее уязвимая часть микросхемы — это p-n-переход, основная часть транзистора. Между p- и n-областями образуется переходный слой, в котором нет свободных носителей заряда. Если в эту решетку попадает высокоэнергетическая частица — квант от солнца или иной звезды, — то она вносит носителей заряда, и появляется дополнительный ток носителей заряда. В итоге это может нарушить работу логической цепи или разрушить ее.

Из-за этой особенности для военных нужд долгое время использовали вычислительные машины на вакуумных лампах. Транзисторный приемник выйдет из строя при ядерном взрыве от высокоэнергетичных квантов, даже если устройство находилось далеко от эпицентра, а приемник на лампах продолжит работать.

P-n-переход в микросхемах может разрушаться и по естественным причинам. Когда чип работает, выделяется тепло, причем в больших количествах. Ускоряется диффузия (взаимопроникновение атомов веществ) элементов металлических соединений и примеси, с помощью которой по отдельности формировались p- и n-переходы. В итоге p-n-переход исчезает. 

Рекомендуем по этой теме:<app> 17967Космическая электроника</app>

Будущее микросхем

Главный вопрос будущего микросхем — что будет, когда перестанет работать закон Мура. Основатель Intel Гордон Мур вычислил, что количество транзисторов на монокристалле удваивается каждые 24 месяца. Это происходит благодаря уменьшению самих транзисторов, однако у этого процесса есть предел, который рано или поздно наступит. 

В производстве центральных процессоров есть ограничения. Согласно закону Джина Амдала, общая вычислительная мощность растет, если распределять задачи между ядрами процессора. Практическое применение закона — создание многоядерных процессоров — позволило совершить рывок в микроэлектронике 10 лет назад, когда Intel представила двухъядерный процессор Core Duo. Но этот же закон вводит ограничения на рост производительности от распределения по ядрам.

Дата-центрам, серверам, суперкомпьютерам требуется много энергии на единицу переработанной информации, поэтому сокращение энергозатрат, в том числе и на охлаждение, — задача будущего микросхемотехники.

Рекомендуем по этой теме:<app> 4066Как в «‎Черном зеркале»: тест о людях и технологиях</app>

Всего лет двадцать пять назад радиолюбителям и специалистам старшего поколения пришлось заниматься изучением новых по тому времени приборов — транзисторов. Нелегко было отказываться от электронных ламп, к которым так привыкли, и переключаться на теснящее и все разрастающееся В«семействоВ» полупроводниковых приборов.

А сейчас это В«семействоВ» все больше и больше стало уступать свое место в радиотехнике и электронике полупроводниковым приборам новейшею поколения — интегральным микросхемам, часто называемым сокращенно ИМС.

Что такое интегральная микросхема

Интегральная микросхема — это миниатюрный электронный блок, содержащий в общем корпусе транзисторы, диоды, резисторы и другие активные и пассивные-элементы, число которых может достигать нескольких десятков тысяч.

Одна микросхема Может заменить целый блок радиоприемника, электронной вычислительной машины (ЭВМ) и электронного автомата. В«МеханизмВ» наручных электронных часов, например, — это всего лишь одна большей микросхема.

По своему функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на две основные группы: аналоговые, или линейно-импульсные, и логические, или цифровые, микросхемы.

Аналоговые микросхемы предназначаются для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний разных частот, например, для приемников, усилителей, а логические — для использования в устройствах автоматики, в приборах с цифровым отсчетом времени, в ЭВМ.

Этот практикум посвящается знакомству с устройством, принципом работы и возможным применением самых простых аналоговых и логических интегральных микросхем.

На аналоговой микросхеме

Из огромного В«семействаВ» аналоговых самыми простыми являются микросхемы-близнецыВ» К118УН1А (К1УС181А) и К118УН1Б (К1УС181Б), входящие в серию К118.

Каждая из них представляет собой усилитель, содержащий… Впрочем, об электронной В«начинкеВ» лучше поговорить позже. А пока будем считать их В«черными ящичкамиВ» с выводами для подключения к ним источников питания, дополнительных деталей, входных и выходных цепей.

Разница же между ними заключается только в их коэффициентах усиления колебаний низких частот: коэффициент усиления микросхемы К118УН1А на частоте 12 кГц составляет 250, а микросхемы К118УН1Б — 400.

Рис. 1. Микросхема и схема на основе нее.

На высоких частотах коэффициент усиления этих микросхем одинаков — примерно 50. Так что любая из них может быть использована для усиления колебаний как низких, так и высоких частот, а значит, и для наших опытов. Внешний вид и условное обозначение этих микросхем-усилителей на принципиальных схемах устройств показаны на рис. 1.

Корпус у них пластмассовый прямоугольной формы. Сверху на корпусе — метка, служащая точкой отсчета номеров выводов. МикросхемыВ  рассчитаны на питание от источника постоянного тока напряжением 6,3 В, которое подают через выводы 7 (+Uпит) и 14 ( — Uпит).

Источником питания может быть сетевой блок питания с регулируемым выходным напряжением или батарея, составленная из четырех элементов 334 и 343.

Первый опыт с микросхемой К118УН1А (или К118УН1Б) проводи по схеме, приведенной на рис. 89. В качестве монтажной платы используй картонную пластинку размерами примерно 50X40 мм.

Микросхему выводами 1, 7, 8 и 14 припаяй к проволочным скобкам, пропущенным через проколы в картоне. Все они будут выполнять роль стоек, удерживающих микросхему на плате, а скобки выводов 7. и 14, кроме того, соединительными контактами с батареей GB1 (или сетевым блоком питания).

Между ними с обеих сторон от микросхемы укрепи еще по два-три контакта, которые будут промежуточными для дополнительных деталей. Смонтируй на плате конденсаторы С1 (типа К50-6 или К50-3) и С2 (КЯС, БМ, МБМ), подключи к выходу микросхемы головные телефоны В2.

Ко входу микросхемы подключи (через конденсатор С1) электродинамический микрофон В1 любого типа или телефонный капсюль ДЭМ-4м, включи питание и, прижав поплотнее телефоны к ушам, постучи легонько карандашом по микрофону. Если ошибок в монтаже нет, в телефонах должны быть слышны звуки, напоминающие щелчки по барабану.

Попроси товарища сказать что-то перед микрофоном — в телефонах услышишь его голос. Вместо микрофона ко входу микросхемы можешь подключить радиотрансляционный (абонентский) громкоговоритель с его согласующим трансформатором. Эффект будет примерно таким же.

Продолжая опыт с телефонным устройством одностороннего действия, включи между общим (минусовым) проводником цепи питания и выводом 12 микросхемы электролитический конденсатор C3, обозначенный на схеме штриховыми линиями. При этом громкость звука в телефонах должна возрасти.

Телефоны станут звучать еще громче, если такой же конденсатор включить в цепь вывода 5 (на рис, 1 — конденсатор С4). Но если при этом усилитель возбудится, то между общим проводом и выводом 11 придется включить электролитический конденсатор емкостью 5 — 10 мкФ на. номинальное напряжение 10 В.

Еще один опыт: включи между выводами 10 и 3 микросхемы керамический или бумажный конденсатор емкостью 5 — 10 тыс. пикофарад. Что получилось? В телефонах появился непрекращающийся -звук средней тональности. С увеличением емкости этого конденсатора тон звука в телефонах должен понижаться, а с уменьшением повышаться. Проверь это.

Рис. 2. Внутренняя схема микросхемы.

А теперь раскроем этот В«черный ящичекВ» и рассмотрим его В«начинкуВ» (рис. 2). Да, это двухкаскадный усилитель с непосредственной связью между его транзисторами. Транзисторы кремниевые, структуры n-р-n. Низкочастотный сигнал, создаваемый микрофоном, поступает (через конденсатор С1) на вход микросхемы (вывод 3).

Падение напряжения, создающееся на резисторе R6 в эмиттерной цепи транзистора V2, через резисторы R4 и R5 подается на базу транзистора VI и открывает его. Резистор R1 — нагрузка этого транзистора. Снимаемый с него усиленный сигнал поступает на базу транзистора V2 для дополнительного усиления.

В опытном усилителе нагрузкой транзистора V2 были головные телефоны, включенные в его коллекторную цепь, которые преобразовывали низкочастотный сигнал в звук.

Но его нагрузкой мог бы быть резистор R5 микросхемы, если соединить вместе выводы 10 и 9. В таком случае телефоны надо включать между общим проводом и точкой соединения этих выводов через электролитический конденсатор емкостью в несколько микрофарад (положительной обкладкой к микросхеме).

При включении конденсатора между общим проводом и выводом 12 микросхемы громкость звука увеличилась, Почему? Потому что он, шунтируя резистор R6 микросхемы, ослабил действующую в ней отрицательную обратную связь по переменному току.

Отрицательная обратная связь стала еще слабее, когда ты второй конденсатор включил в базовую цепь транзистора V1. А третий конденсатор, включенный между общим проводом и выводом 11, образовал с резистором R7 микросхемы развязывающий фильтр, предотвращающий возбуждение усилителя.

Что получилось при включении конденсатора между выводами 10 и 5? Он создал между выходом и входом усилителя положительную обратную связь, которая превратила его в генератор колебаний звуковой частоты.

Итак, как видишь, микросхема К118УН1Б (или К118УН1А) — это усилитель, который может быть низ-кочастотным или высокочастотным, например, в приемнике. Но он может стать и генератором электрических колебаний как низких, так и высоких частот.

Микросхема в радиоприемнике

Предлагаем испытать эту микросхему в высокочастотном тракте приемника, собранного, например, по схеме, приведенной на рис. 3. Входной контур магнитной антенны такого приемника образуют катушка L1 и конденсатор переменной емкости С1. Высокочастотный сигнал радиостанции, на волну которой контур настроен, через катушку связи L2 и разделительный конденсатор С2 поступает на вход (вывод 3) микросхемы Л1.

С выхода микросхемы (вывод 10, соединенный с выводом 9) усиленный сигнал подается через конденсатор С4 на детектор, диоды VI и V2 которого включены по схеме умножения напряжения, а выделенный им низкочастотный сигнал телефоны В1 преобразуют в звук. Приемник питается от батареи GB1, составленной из четырех элементов 332, 316 или пяти аккумуляторов Д-01.

Рис. 3. Схема приемника на микросхеме.

Во многих транзисторных приемниках усилитель высокочастотного тракта образуют транзисторы, а в этом — микросхема. Только в этом и заключается разница между ними.

Имея опыт предыдущих практикумов, ты, надеюсь, сможешь самостоятельно смонтировать иг наладить такой приемник и даже, если пожелаешь, дополнить его усилителем НЧгдля громкоговорящего радиоприема.

На логической микросхеме

Составной частью многих цифровых интегральных микросхем является логический элемент И-НЕ, условное обозначение которого ты видишь на рис. 4, а. Его символом служит знак В«&В», помещаемый внутри прямоугольника, обычно в верхнем левом углу, заменяющий союз В«ИВ» в английском языке. Слева два или больше входов, справа — один выход.

Небольшой кружок, которым начинается линия связи выходного сигнала, символизирует логическое Отрицание В«НЕВ» на выходе микросхемы. На языке цифровой техники В«НЕВ» означает, что элемент И-НЕ является инвертором, то есть устройством, выходные параметры которого противоположны входным.

Электрическое состояние и работу логического элемента характеризуют уровнями сигналов на его входах и выходе. Сигнал небольшого (или нулевого) напряжения, уровень которого не превышает 0,3 — 0,4 В, принято (в соответствии с двоичной системой счисления) называть логическим нулем (0), а сигнал более высокого напряжения (по сравнению с логическим 0), уровень которого может быть 2,5 — 3,5 В, — логической единицей (1).

Например, говорят: В«на выходе элемента логическая 1В». Это значит, что в данный момент на выходе элемента появился сигнал, напряжение которого соответствует уровню логической 1.

Чтобы не углубляться в технологию и устройство элемента И-НЕ, будем рассматривать его как В«черный ящичекВ», у которого для электрического сигнала есть два входа и один выход.

Логика же элемента заключается в том, что при подаче на один из его входов логического О, а на второй вход логической 1, на выходе появляется сигнал логической 1, который исчезает при подаче на оба входа сигналов, соответствующих логической 1.

Для опытов, закрепляющих в памяти это свойство элемента, потребуются наиболее распространенная микросхема К155ЛАЗ, вольтметр постоянного тока, свежая батарея 3336Л и два резистора сопротивлением 1…1,2 кОм.

Рис. 4. Логические элементы микросхемы К155ЛАЗ.

Микросхема К155ЛАЗ состоит из четырех элементов 2И-НЕ (рис. 4, б), питающихся от одного общего источника постоянного тока напряжением 5 В, но каждый из них работает как самостоятельное логическое устройство. Цифра 2 в названии микросхемы указывает на то, что ее элементы имеют по два входа.

Внешним видом и конструктивно она, как и все микросхемы серии К155, не отличается от уже знакомой тебе аналоговой микросхемы К118УН1, только полярность подключения источника питания иная. Поэтому сделанная ранее тобой картонная плата подойдет и для опытов с этой микросхемой. Источник питания подключают: +5  — к выводу 7В» — 5  — к выводу 14.

Но эти выводы не принято обозначать на схематическом изображении микросхемы. Объясняется это тем, что на принципиальных электрических схемах элементы, составляющие микросхему, изображают раздельно, например, как на рис. 4, в. Для опытов можно использовать любой из ее четырех элементов.

Микросхему выводами 1, 7, 8 и 14 припаяй к проволочным стойкам на картонной плате (как на рис. 1). Один из входных выводов любого из ее элементов, например, элемента с выводами 1 — 3, соедини через ре-.зистор сопротивлением 1…1.2 кОм с выводом 14, вывод второго входа — непосредственно с общим (В«заземленнымВ») проводником цепи питания, а к выходу элемента подключи вольтметр постоянного тока (рис. 5, а).

Включии питание. Что показывает вольтметр? Напряжение, равное примерно 3 В. Это напряжение соответствует сигналу логической 1 на выходе элемента. Тем же вольтметром измерь напряжение на выводе первого входа, И здесь, как видишь, тоже логическая 1. Следовательно, когда на одном из входов элемента логическая 1, а на втором логический 0, на выходе будет логическая 1.

Рис. 5. Измерения напряжений на логическом элементе.

Теперь вывод и второго входа соедини через резистор сопротивлением 1…1.2 кОм с выводом 14 и одновременно проволочной перемычкой — с общим проводником, как показано на рис. 5, б.

При этом на выходе, как и в первом опыте, будет логическая 1. Далее, следя за стрелкой вольтметра, удали проволочную перемычку, чтобы и на второй вход подать сигнал, соответствующий логической 1.

Что фиксирует вольтметр? Сигнал на выходе элемента преобразовался в логический 0. Так оно и должно быть! А если любой из входов периодически замыкать на общий провод и тем самым имитировать подачу на него логического 0, то с такой же частотой на выходе элемента станут появляться импульсы тока, о чем будут свидетельствовать колебания стрелки вольтметра. Проверь это опытным путем.

Свойство элемента И-НЕ изменять свое состояние под воздействием входных управляющих сигналов широко используется в различных устройствах цифровой вычислительной техники. Радиолюбители же, особенно начинающие, очень часто используют логический элемент как инвертор — устройство, сигнал на выходе которого противоположен входному сигналу.

Подтвердить такое свойство элемента может следующий опыт. Соедини вместе выводы обоих входов элемента и через резистор сопротивлением 1…1,2 кОм подключи их к выводу 14 (рис. 5, в).

Так ты подашь на общий вход элемента сигнал, соответствующий логической 1, напряжение которого можно измерить вольтметром. Что при этом получается на выходе?

Стрелка вольтметра, подключенного к нему, чуть отклонилась от нулевой отметки шкалы. Здесь, следовательно, как и предполагалось, сигнал соответствует логическому 0.

Затем, не отключая резистор от вывода 14 микросхемы, несколько раз подряд замкни проволочной перемычкой вход элемента на общий проводник (на рис. 5, в показано штриховой линией со стрелками) и одновременно следи за стрелкой вольтметра.

Так ты убедишься в том, что когда на входе инвертора логический 0, на выходе в это время логическая 1 и, наоборот, когда на входе логическая 1 — на выходе логический 0.

Так работает инвертор, особенно часто используемый радиолюбителями в конструируемых ими импульсных устройствах.

Рис. 6. Схема генератора сигналов ЗЧ на микросхеме.

Примером такого устройства может служить генератор импульсов, собранный по схеме, приведенной на рис. 6. В его работоспособности ты можешь убедиться сейчас же, затратив на это всего несколько минут.

Выход элемента D1.1 соедини с входами элемента D1.2 той же микросхемы, его выход — с входами элемента DJ.3, а выход этого элемента (вывод 8) — с входом элемента D1.1 через переменный резистор R1. К выходу элемента D1.3 (между выводом 8 и общим проводником) подключи головные телефоны B1, a параллельно элементам D1.1 и D1.2 электролитический конденсатор С1.

Движок переменного резистора установи в правое (по схеме) положение и включи питание — в телефонах услышишь звук, тональность которого можно изменять переменным резистором.

В этом эксперименте элементы D1.1, D1.2 и D1.3, соединенные между собой последовательно, подобно транзисторам трехкаскадного усилителя, образовали мультивибратор — генератор электрических импульсов прямоугольной формы.

Микросхема стала генератором благодаря конденсатору и резистору, создавшим между выходом и входом элементов частотозависимые цепи обратной связи. Переменным резистором частоту импульсов, генерируемых мультивибратором, можно плавно изменять примерно от 300 Гц до 10 кГц.

Какое практическое применение может найти такое импульсное устройство? Оно может стать, например, квартирным звонком, пробником для проверки работоспособности каскадов приемника и усилителя НЧ, генератором для тренировок по приему на слух телеграфной азбуки.

Самодельный игровой автомат на микросхеме

Подобное устройство можно превратить в игровой автомат В«Красный или зеленый?В». Схема такого имлульсного устройства приведена на рис. 7. Здесь элементы D1.1, D1.2, D1.3 той же (или такой же) микросхемы К155ЛАЗ и конденсатор С1 образуют аналогичный мультивибратор, импульсы которого управляют транзисторами VI и V2, включенными по схеме с общим эмиттером.

Элемент D1.4 работает как инвертор. Благодаря ему импульсы мультивибратора поступают на базы транзисторов в противофазе и открывают их поочередно. Так, например, когда на входе инвертора уровень логической 1, а на выходе уровень логического 0, то в Эти моменты, времени транзистор В1 открыт и лампочка HI в его коллекторной цепи горит, а транзистор V2 закрыт и его лампочка Н2 не горит.

При следующем импульсе инвертор изменит свое состояние на обратное. Теперь откроется транзистор V2 и загорится лампочка Н2, а транзистор VI закроется и лампочка H1 погаснет.

Но частота импульсов, генерируемых мультивибратором, сравнительно высокая (не меньше 15 кГц) и лампочки, естественно, не могут реагировать на каждый импульс.

Поэтому они светятся тускло. Но стоит нажать на кнопку S1, чтобы ее контактами замкнуть накоротко конденсатор С1 и тем самым сорвать генерацию мультивибратора, как тут же ярко загорится лампочка того из транзисторов, на базе которого в этот момент окажется напряжение, соответствующее логической 1, а другая лампочка совсем погаснет.

Заранее невозможно сказать, какая из лампочек после нажатия на кнопку будет продолжать гореть — можно только гадать. В этом смысл игры.

Игровой автомат вместе с батареей питания (3336Л или три элемента 343, соединенные последовательно) можно разместить в коробке небольших размеров, например в корпусе В«карманногоВ» приемника.

Лампочки накаливания HI и Н2 (МН2,5-0,068 или МН2,5-0,15) размести под отверстиями в лицевой стенке корпуса и закрой их колпачками или пластинками органического стекла красного и зеленого цветов. Здесь же укрепи выключатель питания (тумблер ТВ-1) и кнопочный выключатель В§1 (типа П2К или КМ-Н) остановки мультивибратора.

Налаживание игрового автомата заключается в тщательном подборе резистора R1. Его сопротивление должно быть таким, чтобы при остановке мультивибратора кнопкой S1 по крайней мере 80 — 100 раз число загораний каждой из лампочек было примерно одинаково.

Рис. 7. Самодельный игровой автомат на микросхеме — схема.

Сначала проверь, работает ли мультивибратор. Для этого параллельно конденсатору С1, е,мкость которого может быть 0,1…0,5 мкФ, подключи электролитический конденсатор емкостью 20…30 мкФ, а к выходу мультивибратора головные телефоны — в телефонах должен появиться звук низкой тональности.

Этот звук — признак работы мультивибратора. Затем удали электролитический конденсатор, резистор R1 замени подстроечным резистором сопротивлением 1,2…1,3 кОм, а между выводами 8 и 11 элементов DI.3 и D1.4 включи вольтметр постоянного тока. Изменением сопротивления подстро-ечного резистора добейся такого положения, чтобы вольтметр показывал нулевое напряжение между выходами этих элементов микросхемы.

Число играющих может быть любое. Каждый по очереди нажимает на кнопку остановки мультивибратора. Выигрывает тот, кто при равном числе ходов, например двадцати нажатий на кнопку, большее число раз угадает цвета загорающихся лампочек после остановки мультивибратора.

К сожалению, частота мультивибратора описанного здесь простейшего игрового автомата из-за разрядки батареи несколько изменяется, что, конечно, сказывается на равновероятности зажигания разных лампочек, поэтому лучше питать его от источника стабилизированного напряжения 5 В.

Литература:В  Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. 1984.

Микросхемы разного назначения применяются в составе электроники современной техники. Огромное многообразие такого рода компонентов дополняют микросхемы памяти. Этот вид радиодеталей (среди электронщиков и в народе) зачастую называют просто – чипы. Основное назначение чипов памяти – хранение определённой информации с возможностью внесения (записи), изменения (перезаписи) или полного удаления (стирания) программными средствами. Всеобщий интерес к чипам памяти понятен. Мастерам, знающим как программировать микросхемы памяти, открываются широкие просторы в области ремонта и настройки современных электронных устройств.

О чипах – микросхемах хранения информации

Микросхема памяти — это электронный компонент, внутренняя структура которого способна сохранять (запоминать) внесённые программы, какие-либо данные или одновременно то и другое.

По сути, загруженные в чип сведения представляют собой серию команд, состоящих из набора вычислительных единиц микропроцессора.

Следует отметить: чипы памяти всегда являются неотъемлемым дополнением микропроцессоров – управляющих микросхем. В свою очередь микропроцессор является основой электроники любой современной техники.

Таким образом, микропроцессор управляет работой электронной техники, а чип памяти хранит сведения, необходимые микропроцессору.

Программы или данные хранятся в чипе памяти как ряд чисел — нулей и единиц (биты). Один бит может быть представлен логическими нулем (0) либо единицей (1).

В единичном виде обработка битов видится сложной. Поэтому биты объединяются в группы. Шестнадцать бит составляют группу «слов», восемь бит составляют байт  — «часть слова», четыре бита — «кусочек слова».

Программным термином для чипов, что используется чаще других,  является байт. Это набор из восьми бит, который может принимать от 2 до 8 числовых вариаций, что в общей сложности даёт 256 различных значений.

Для представления байта используется шестнадцатеричная система счисления, где предусматривается использование 16 значений из двух групп:

1.  Цифровых (от 0 до 9).
2.  Символьных (от А до F).

Поэтому в комбинациях двух знаков шестнадцатеричной системы также укладываются 256 значений (от 00h до FFh). Конечный символ «h» указывает на принадлежность к шестнадцатеричным числам.

Организация микросхем (чипов) памяти

Для 8-битных чипов памяти (наиболее распространенный тип) биты объединяются в байты (8 бит) и сохраняются под определённым «адресом».

По назначенному адресу открывается доступ к байтам. Вывод восьми битов адреса доступа осуществляется через восемь портов данных.

Например, 8-мегабитный чип серии 27c801 имеет в общей сложности 1048576 байт (8388608 бит). Каждый байт имеет свой собственный адрес, пронумерованный от 00000h до FFFFFh (десятичное значение 0 — 1048575).

Помимо 8-битных чипов памяти, существуют также 16-битные чипы памяти. Есть микросхемы последовательного доступа, характеризуемые как 1-битные и 4-битные чипы памяти. Правда, последние из отмеченных микросхем теперь уже практически не встречаются.

Микросхемы памяти EPROM (серия 27… 27C …)

Термином «EPROM» зашифрована аббревиатурой техническая характеристика микросхем — стираемая программируемая память только читаемая (Erasable Programmable Read Only Memory). Что это значит в деталях?

Несмотря на расшифровку куска аббревиатуры – «только для чтения» (Read Only Memory), информация доступна для стирания и перезаписи, но только с помощью программатора. Часть аббревиатуры — «Erasable», сообщает о возможности стирания данных.

Структура чипов серии 27… 27C… поддерживает стирание информации методом воздействия на ячейки хранения интенсивным ультрафиолетовым излучением  (длина волны 254 нм).

Обозначение аббревиатуры «программируемый» (Programmable) указывает на возможность программирования, когда любая цифровая информация может быть заложена в чип.

Для программирования чипов требуется программатор. К примеру, 27 серия успешно прошивается устройствами «Batronix Eprommer» или «Galep-4».

Тип памяти серии 27… 27C… сохраняет записанные программатором данные до следующего программирования с функцией стирания или без таковой.

Допускается многократное программирование без стирания, при условии изменения битов только от состояния единицы до состояния нуля или имеющих состояние нуль.

Если же требуется запрограммировать чип памяти с изменением бита от состояния нуля до состояния единицы, прежде необходимо применить функцию стирания.

Конфигурация исполнения серии 27…, 27C..

Микросхемы 27 серии выпускаются с окном из кварцевого стекла для засветки ультрафиолетом или без окна. Конфигурация чипа без окна не поддерживает функцию ультрафиолетового стирания.

Такой тип микросхем (без окна) относят к чипам EPROM, которые программируются за один раз. Маркируются чипы как OTP (One Time Programmable) — одноразовое программирование.

На устройствах с окном после стирания ультрафиолетом и последующего программирования, кварцевое окно закрывают наклейкой. Так защищают данные от возможного повреждения светом.

Солнечные лучи содержат ультрафиолет, а это значит – свет солнца способен стирать информацию, записанную в микросхеме. Правда, чтобы полностью стереть данные солнечным светом, потребуется несколько сотен часов прямого воздействия солнечных лучей.

Также следует отметить особенности EPROM серии 27C… Символ «С» в данном случае указывает на принадлежность чипа к семейству CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor) — комплементарный метал-оксидный полупроводник.

Этот вид микросхем памяти отличается сниженной производительностью по отношению к семейству NMOS (N-channel Metal Oxide Semiconductor) — N-канальный метал-оксидный полупроводник.

Кроме того, серия 27C требует меньшего напряжения питания (12,5В). Между тем обе конфигурации исполнения совместимы. Поэтому, к примеру, микросхема 2764 вполне заменима на чип 27C64.

Микросхемы памяти EEPROM серии 28C…

Здесь первое отличие заметно в аббревиатуре типа памяти – EEPROM, что означает электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory).

Построение этой серии практически идентично 27 чипам. Однако 28 серия позволяет стирать отдельные байты или всё пространство памяти электрическим способом, без применения ультрафиолета.

Поскольку отдельные байты можно стереть, не удаляя всю хранимую информацию, эти отдельные байты могут быть перезаписаны. Однако процесс записи EEPROM занимает больше времени, чем программирование EPROM. Разница до нескольких миллисекунд на байт.

Чтобы компенсировать этот недостаток, чипы подобные AT28C256, оснащаются функцией блочного программирования. При таком подходе к программированию, одновременно (блоком) загружаются 64, 128 или 256 байт.  Блочный способ сокращает время программирования.

Чипы памяти FLASH EEPROM серии 28F …, 29C …, 29F …

Эти чипы можно стирать электрически — полностью или блоками, а некоторые (подобные AT28C …) могут программироваться блоками.

Между тем Flash-память не всегда применимо использовать в качестве замены обычного чипа. Причины, как правило, заключаются в разной конфигурации корпусного исполнения.

Простой пример, когда Flash-память доступна только в корпусах на 32 контакта или более. Поэтому, допустим, чип 28F256 на 32 вывода не совместим с чипом 27C256, имеющим 28 контактных выводов. При этом микросхемы имеют одинаковый объём памяти и другие параметры, подходящие для замены.

Чипы EEPROM с последовательным доступом (24C …, 25C …, 93C …)

Микросхемы памяти с последовательным интерфейсом отличаются тем, что вывод данных и наименование имен в них происходят частями (последовательно).

Последовательный процесс позволяет получить доступ только к одному биту за раз, и доступный адрес также передаётся по битам. Но последовательное программирование имеет явное преимущество в плане конфигурации корпусов.

Это преимущество успешно используется. Практически все EEPROM последовательного доступа изготавливаются в виде 8-контактных малогабаритных микросхем. Такое исполнение корпуса видится более практичным, удобным.

Запоминающие устройства ОЗУ  серии 52 …, 62 …, 48Z …, DS12 …, XS22 …

Аббревиатура ОЗУ (RAM) расшифровывается как «память произвольного доступа» (Random Access Memory). Также микросхемы серии 52 …, 62 … и подобные часто характеризуются «оперативными запоминающими устройствами».

Их отличительные черты – скоростная запись без необходимости предварительного стирания. Здесь видится некоторое преимущество относительно других изделий.

Но есть и недостаток – чипы ОЗУ отмеченной и других серий утрачивают все записанные и сохранённые данные при отключении питания.

Однако имеется альтернатива – память NVRAM (Non Volatile Random Access Memory) – энергонезависимая память серий 48, DS, XS и подобная, с произвольным доступом.

Этот вид чипов выделяется среди основных преимуществ микросхем RAM высокой скоростью перезаписи и простым программированием. Потеря питания не оказывает влияние на сохранённую информацию.

Как же способом достигается энергетическая независимость NVRAM? Оказывается, производителями используются две методики:

1. Встраиваемый в корпус мини аккумулятор.
2. Совмещение в одном корпусе NVRAM и EEPROM.

Для первого варианта: при отключении питания происходит автоматический переход на внутренний источник энергии. По словам производителей чипов с АКБ, энергии встроенного уникального аккумулятора вполне достаточно на 10 лет работы.

Для второго варианта: технология предусматривает копирование данных пространства памяти NVRAM на встроенное пространство EEPROM. Если утрачивается питание, копия информации остаётся нетронутой и после восстановления энергии, автоматически копируется на NVRAM.

Маркировка и взаимозаменяемость компонентов

Выведенная на корпусе маркировка чипа памяти традиционно содержит:

• аббревиатуру производителя,
• технологию производства,
• размер (объём) памяти,
• максимально разрешенную скорость доступа,
• диапазон температур,
• тип формы корпуса.

Также на корпусах нередко отмечаются сведения о производителе. Независимо от производителя, многие микросхемы памяти совместимы.

Для быстрой, точной интерпретации памяти, конечно же, необходима практика. Но при желании изучить все тонкости не так сложно, как это видится изначально.

Если дело касается взаимной замены, в первую очередь должна поддерживаться технология (EPROM, EEPROM , FLASH и т.д.),

Также микросхемы памяти должны иметь одинаковый размер (объём) и равноценное или меньшее время доступа. Желательно выбирать корпус, подходящий по температурному диапазону.

Следует отметить: размер памяти задается в битах, не в байтах. За цифрой объёма обычно следует обозначение версии (например, «F»).

Далее, через дефис, отмечается максимально разрешенная скорость доступа в наносекундах — время задержки между циклами ввода адреса и вывода данных на порты чипа памяти.

Время задержки обозначается двумя цифрами (например, «70» соответствует 70 нс, а вот «10» соответствует 100 нс). Наконец, завершают маркировку изделия тип корпуса и допустимый диапазон температур.

Пример расшифровки маркировки микросхемы памяти M27C1001-10F1:

• память типа EPROM,
• объём хранения данных 1 Мбит (1001),
• максимальное время доступа 100 нс (10),
• тип корпуса DIP (F),
• температурный диапазон 0 — 70ºС (1).

Из практики программирования запоминающих устройств

Написано по материалам:Batronix

Используемые источники:

• https://postnauka.ru/faq/154730
• http://radiostorage.net/538-chto-takoe-integralnaya-mikroskhema-ims.html
• https://zetsila.ru/%d1%87%d1%82%d0%be-%d1%82%d0%b0%d0%ba%d0%be%d0%b5-%d1%87%d0%b8%d0%bf-%d0%bf%d0%b0%d0%bc%d1%8f%d1%82%d0%b8/