Что такое элементная база и где она применяется

Элементная база – это компоненты, из которых состоят абсолютно все электронные приборы и устройства. Чтобы грамотно спланировать прибор, необходимо знать технические характеристики, а также как использовать те или иные электронные компоненты. Если на этом этапе допустить ошибку, весь прибор будет неработоспособен, так как содержит в себе ошибку.

Знание современной крайне обширной базы элементов, а также методов их изготовления, особенности строение и эксплуатации нужны самым различным специалистам в области электрики и электроники. В данной статье будет подробно рассмотрена структура современной элементной базы, которая существует на данный момент, а также что должен знать современный электронщики и специалист по «железу». В качестве дополнения, статья содержит в себе два ролика и одну скачиваемую статью в формате PDF.

Что такое микроэлектроника

Электроника прошла несколько этапов развития, за время которых сменилось несколько поколений элементной базы: дискретная электроника электровакуумных приборов, дискретная электроника полупроводниковых приборов, интегральная электроника микросхем (микроэлектроника), интегральная электроника функциональных микроэлектронных устройств (функциональная микроэлектроника).

Современный этап развития электроники характеризуется широким применением интегральных микросхем (ИМС). Это связано со значительным усложнением требований и задач, решаемых электронной аппаратурой, что привело к росту числа элементов в ней. Число элементов постоянно увеличивается. Разрабатываемые сейчас сложные системы содержат десятки миллионов элементов. В этих условиях исключительно важное значение приобретают проблемы повышения надежности аппаратуры и ее элементов, микроминиатюризация электронных компонентов и комплексной миниатюризации аппаратуры. Все эти проблемы успешно решает микроэлектроника.

Становление микроэлектроники как самостоятельной науки стало возможным благодаря использованию богатого опыта и базы промышленности, выпускающей дискретные полупроводниковые приборы. Однако по мере развития полупроводниковой электроники выяснились серьезные ограничения применения электронных явлений и систем на их основе. Поэтому микроэлектроника продолжает продвигаться быстрыми темпами как в направлении совершенствования полупроводниковой интегральной технологии, так и в направлении использования новых физических явлений.

Разработка любых ИМС представляет собой довольно сложный процесс, требующий решения разнообразных научно-технических проблем. Вопросы выбора конкретного технологического воплощения ИМС решаются с учетом особенностей разрабатываемой схемы, возможностей и ограничений, присущих различным способам изготовления, а также технико-экономического обоснования целесообразности массового производства.

Эти вопросы находят решение путем использования двух основных классов микросхем — полупроводниковых и гибридных. Оба эти класса могут иметь различные варианты структур, каждый из которых с точки зрения проектирования и изготовления обладает определенными преимуществами и недостатками. По своим конструктивным и электрическим характеристикам полупроводниковые и гибридные интегральные схемы дополняют друг друга и могут одновременно применяться в одних и тех же радиоэлектронных комплексах.
При массовом выпуске различных ИМС малой мощности, особенно предназначенных для ЭВМ, используются, в основном, полупроводниковые ИМС. Гибридные микросхемы заняли доминирующее положение в схемах с большими электрическими мощностями, а также в устройствах СВЧ, в которых можно применять как толстопленочную технологию, не требующую жестких допусков и высокой точности нанесения и обработки пленок, так и тонкопленочную технологию для обеспечения нанесения пленочных элементов очень малых размеров.

Элементная база радиолюбителя

Интересный исторический факт: когда еще не было электрических паяльников, то выручала обычная пятикопеечная монета. Ее определенным образом затачивали и приклепывали к железной проволоке с деревянной ручкой. Будучи нагретой в пламени спиртовки монета вполне справлялась с функцией паяльника. Сейчас, конечно, такой совет кажется просто нелепым, но ведь было же!

При современной элементной базе, которая постоянно пополняется новыми микросхемами и транзисторами, таким «паяльником» просто нечего делать, ведь в некоторых случаях при ремонте электронной техники приходится пользоваться микроскопом. Таким образом, элементная база определяет не только конструкцию электронных устройств, а еще и то, какими инструментами эти устройства будут собираться или ремонтироваться.

Достаточно просто и наглядно развитие элементной базы можно проследить на различных поколениях ЭВМ, по современной терминологии компьютеров. Вот уже почти сорок лет развивающийся рынок персональных компьютеров как локомотив тащит за собой кремниевые технологии, что вызывает появление все новых и новых электронных компонентов.

Электромеханические вычислительные машины

Еще до создания ЭВМ использовались электромеханические вычислительные устройства – табуляторы. Первый табулятор был изобретен еще в 1890 году Германом Хопперитом в США, для подсчета результатов переписи населения. Ввод информации осуществлялся с перфокарт, а результаты обработки выдавались в виде распечатки на бумаге. Табуляторы были основным оборудованием машиносчетных станций – МСС. В СССР МСС дожили до семидесятых годов двадцатого столетия, по крайней мере, в составе крупных госпредприятий.

Основной задачей МСС был расчет заработной платы. Именно оттуда появлялись расчетные листки, которые до сих пор называют «корешками». Внешний вид «современного» табулятора показан на рисунке (квадрат с правого бока это рабочая программа, набранная проводами на коммутационной панели). Вес такой вычислительной техники достигал 600 кг. В 1939 году в США по заказу военных фирмой IBM была разработана вычислительная машина Mark 1.

Ее элементной базой были электромеханические реле. Сложение двух чисел она выполняла за 0,3 сек, а умножение за 3. Mark 1 предназначалась для расчета баллистических таблиц. Компьютер Mark 1 содержал около 750 тысяч деталей, для соединения которых потребовалось 800 км проводов. Его размеры: высота 2,5м, длина 17 м.

Поколения ЭВМ и элементная база

Первое поколение ЭВМ было построено на электронных лампах. Так в Великобритании в 1943 году была создана ЭВМ Colossus. Правда, она была узкоспециализированная, ее назначение состояло в расшифровке немецких кодов путем перебора разных вариантов. Устройство содержало 2000 ламп, при этом скорость работы составляла 500 знаков в секунду.

В Советском Союзе в период с 1948…1952 год также проводились разработки ламповых ЭВМ, как и в США, использовавшихся в основном военными. Одной из лучших ламповых ЭВМ советского производства следует признать машины серии БЭСМ (большая электронная счетная машина). Всего было выпущено шесть моделей БЭСМ-1 … БЭСМ-2 (ламповые) БЭСМ-3 … БЭСМ-6 уже на транзисторах. На момент создания каждая модель этой серии была лучшей в мире в классе универсальных ЭВМ.

Второе поколение ЭВМ 1955 – 1970 гг

Элементной базой второго поколения были транзисторы и полупроводниковые диоды. По сравнению с ламповыми, транзисторные ЭВМ были менее габаритны, потребляемая мощность также была намного ниже. Быстродействие ЭВМ второго поколения достигало до полумиллиона операций в секунду, появились внешние запоминающие устройства на магнитных носителях – магнитные ленты и магнитные барабаны, были созданы алгоритмические языки и операционные системы.

Третье поколение ЭВМ 1965 – 1980 гг

Для третьего поколения в качестве элементной базы использовались микросхемы малой и средней степени интеграции – в одном корпусе содержалось до нескольких десятков полупроводниковых элементов. Прежде всего это были микросхемы серий К155, К133. Быстродействие таких ЭВМ достигало 1 млн. операций в секунду, появились монохромные алфавитно – цифровые видеотерминалы (у машин второго поколения использовались телетайпы и специальные пишущие машинки).

Дальнейшее развитие элементной базы привело к созданию микросхем большой (БИС) и сверхбольшой (СБИС) степени интеграции. В одном корпусе таких микросхем содержится несколько сотен элементов. Эти микросхемы в СССР были представлены серией К580.

Четвертое поколение ЭВМ 1980 – настоящее время

Это поколение появилось на свет благодаря созданию фирмой Intel в 1971 году микропроцессора, что было явлением просто революционным. Чип Intel 4004 при размерах кристалла 3,2*4,2 мм, содержал 2300 транзисторов и имел тактовую частоту 108 КГц. Его вычислительная мощность была эквивалентна ЭВМ ENIAC. На базе этого устройства был создан новый тип компьютера микро – ЭВМ. Первые персональные компьютеры (ПК) были выпущены в 1976 году фирмой Apple, но в 1980 году фирма IBM перехватила инициативу, создав свой ПК IBM PC, архитектура которого стала международным стандартом профессиональных ПК. Современные процессоры второго поколения Core i7 фирмы Intel содержат свыше миллиарда транзисторных структур.

Элементная база бытовой электроники

Как уже было сказано выше, локомотивом развития элементной базы электроники стал быстро растущий, развивающийся рынок ПК. Благодаря этому современная бытовая техника напоминает специализированный компьютер. Телевизоры, домашние кинотеатры, проигрыватели DVD дисков имеют такие эксплуатационные параметры, которые лет двадцать назад просто невозможно было представить.

Даже стиральные машины, холодильники, простые новогодние гирлянды управляются микроконтроллерами. Современные поющие и говорящие детские игрушки, сделанные в Китае, также с микроконтроллерным управлением. Кстати, поразительный факт: еще в шестидесятые годы двадцатого столетия китайцы не могли наладить даже выпуск детекторных приемников, а теперь почти вся электроника делается в Китае.

В промышленности также любое современное устройство управления техпроцессом, даже не очень сложное построено на основе микроконтроллеров и, как правило, имеет интерфейс для подключения к ПК. Такой интерфейс имеют, например, электронные счетчики электроэнергии, что позволяет использовать их в системах автоматического учета.

Надежность современных электронных компонентов достаточно высока. Тем не менее, нередки случаи, когда любая электронная техника приходит в негодность, нуждается в ремонте. В случае поломки бытовой электронной техники не всегда возможно отнести неисправное устройство в специализированную мастерскую, просто не везде они есть. Тогда на помощь приходят радиолюбители, ремонтирующие технику в своих домашних мастерских.

Квалификация таких домашних мастеров, как правило, очень высокая, ведь ремонтируется весьма широкий спектр электронной техники: от простых дверных звонков до спутниковых систем телевидения. Об устройстве и организации таких мастерских на дому будет рассказано в следующей статье.

Источник Источник Источник https://electroinfo.net/shemy/jelementnaja-baza.html