Микросхемы

Микросхема как чёрный ящик

Интегральная микросхема (IC, integrated circuit) — целая схема из транзисторов, резисторов и конденсаторов на одном кристалле кремния, упакованная в корпус с выводами. Внутри LM358 — десятки транзисторов, внутри микроконтроллера — миллионы. Хорошая новость: конструктору платы почти никогда не нужно знать, что внутри. Достаточно знать, что микросхема делает с сигналами на выводах и какие условия ей нужны. Всё это написано в даташите.

У любой микросхемы есть:

• выводы питания — VCC / VDD (плюс) и GND / VSS (земля), у аналоговых иногда ещё V− (отрицательное питание);
• входы и выходы сигналов;
• требования к обвязке — конденсаторы, резисторы, кварц, указанные в даташите.

💡Совет

У каждой микросхемы рядом с выводами питания ставят развязывающий конденсатор, обычно 100 нФ керамики, как можно ближе к выводам. Почему — урок 3.7. Пока просто запомни: микросхема без конденсатора у питания — ошибка проектирования.

Нумерация выводов

Рис. 2.8. Выводы считают от ключа (точка или выемка) против часовой стрелки, если смотреть на микросхему сверху. Пример — типовая цоколёвка сдвоенного ОУ в 8-выводном корпусе (как у LM358). Цоколёвку конкретной микросхемы всегда сверяй с даташитом.

Вывод 1 отмечают ключом: точкой, выемкой, скосом корпуса или полоской. Дальше выводы считают против часовой стрелки, если смотреть на микросхему сверху. У корпусов с выводами со всех четырёх сторон (QFP, QFN) правило то же.

⚠️Внимание

На плате ты смотришь на посадочное место сверху, а при пайке выводного корпуса снизу — зеркально. Классическая ошибка новичка — нарисовать посадочное место «вид снизу». Altium и стандарты IPC всегда рисуют посадочное место вид сверху.

Операционный усилитель

ОУ (операционный усилитель, op-amp) — усилитель с двумя входами (инвертирующим «−» и неинвертирующим «+») и одним выходом с огромным коэффициентом усиления. Сам по себе он почти бесполезен, но с обратной связью из пары резисторов становится усилителем, буфером, фильтром, компаратором.

Условные графические обозначения: ГОСТ ↔ IEC ↔ ANSI

Поиск по таблице

Элемент	ГОСТ	IEC 60617	ANSI / IEEE 315	Поз. обозначение ГОСТ 2.710 / за рубежом
Операционный усилительOperational amplifierГОСТ 2.759По ГОСТ инвертирующий вход отмечают кружком (инверсия) на границе прямоугольника.				DAU, IC

Символы упрощены для сравнения формы; размеры и пропорции для чертежей — по указанным ГОСТ. Стандартные библиотеки Altium рисуют символы ближе к IEC/ANSI, поэтому для схем по ЕСКД обычно делают свою библиотеку (модуль 8).

Хоровиц сводит работу ОУ с обратной связью к двум золотым правилам:

1. Выход делает всё, чтобы разность напряжений между входами стала нулевой.
2. Входы ток не потребляют.

Этих правил хватает, чтобы посчитать большинство схем. Например, неинвертирующий усилитель: сигнал на «+», выход через делитель R2/R1 на «−». По правилу 1 на «−» должно быть столько же, сколько на «+». Отсюда коэффициент усиления K = 1 + R2/R1. При R2 = 0 получится повторитель (K = 1) — буфер, который не нагружает делитель (вспомни урок 1.5).

📖Из учебникагл. 4, §4.02–4.05, с. 182–186

Хоровиц берёт за эталон ОУ LF411 в 8-выводном корпусе и показывает нумерацию выводов (рис. 4.3): ключ на крышке и счёт против часовой стрелки сверху. Золотые правила сформулированы в §4.03 для ОУ, охваченного обратной связью. Автор специально оговаривает: ОУ не меняет напряжение на своих входах — он через внешнюю цепь обратной связи подгоняет выход так, чтобы разность входов стала нулевой, если это возможно. О границах применимости — §4.08.

Стабилизатор напряжения

Линейный стабилизатор превращает «грязное» входное напряжение в стабильное выходное. Классика — серия 78xx: последние две цифры — выходное напряжение (7805 = 5 В). Три вывода: вход, земля, выход.

Как подключать — всегда по даташиту конкретной микросхемы: там указаны входной и выходной конденсаторы, без которых стабилизатор может возбудиться. Минимальная разница между входом и выходом (dropout) у 7805 около 2 В, у LDO-стабилизаторов (low dropout) — доли вольта. Вся разница напряжений умножается на ток и уходит в тепло: P = (Uвх − Uвых) · I. Подробно — урок 3.6.

Что ещё бывает

• Логика (серии 74HC, 74LVC) — вентили, триггеры, сдвиговые регистры.
• Микроконтроллеры — целый компьютер в корпусе (проект 11.2).
• Интерфейсные — преобразователи USB–UART (CH340, FT232), драйверы RS-485, CAN.
• Силовые — импульсные преобразователи, драйверы моторов, зарядные контроллеры.
• Датчики — температура, давление, ускорение, с цифровым выходом I²C или SPI.

Маркировка и суффиксы

Полное название микросхемы для заказа (part number) обычно длиннее, чем то, что написано на корпусе. Суффиксы кодируют корпус, температурный диапазон и упаковку (лента, туба). Например, у одной и той же микросхемы бывают варианты в DIP, SOIC и TSSOP — это разные детали для заказа и разные посадочные места. Расшифровка — в разделе Ordering Information или Package Option Addendum даташита.

🛠Особенность Altium

В Altium у многовыводных микросхем символ на схеме часто рисуют не по физическому расположению выводов, а по функциям: питание сверху, земля снизу, входы слева, выходы справа. Соответствие задают номера выводов. Сдвоенный ОУ вроде LM358 обычно рисуют как многосекционный компонент: две секции-усилителя и отдельная секция питания (урок 8.2).

Практика

1. У микросхемы в корпусе SOIC-14 ключ в левом верхнем углу (вид сверху). Где вывод 8? (Правая сторона, нижний: 1–7 идут вниз слева, 8–14 вверх справа.)
2. Неинвертирующий усилитель: R1 = 10 кОм, R2 = 47 кОм. Коэффициент усиления? Какое будет напряжение на выходе при 0,2 В на входе? (5,7; 1,14 В.)
3. 7805 питается от 12 В, нагрузка 300 мА. Мощность на стабилизаторе? (7 В · 0,3 А = 2,1 Вт — без радиатора уже горячо.)

🧯 Типичные ошибки

Микросхема впаяна повёрнутой на 180°

Почему Ключ вывода 1 не совпал с меткой на шелкографии.

Как исправить На шелкографии посадочного места обязательно отмечай вывод 1; при монтаже сверяй ключ.

ОУ «залип» на питании и не усиливает

Почему Нет отрицательной обратной связи или вход/выход выходят за допустимый диапазон по питанию.

Как исправить Проверь обратную связь и диапазоны входа и выхода в даташите (rail-to-rail или нет).

Стабилизатор возбуждается, на выходе пульсации

Почему Нет конденсаторов, рекомендованных в даташите, или они не того типа.

Как исправить Ставь входной и выходной конденсаторы ровно по даташиту и близко к выводам.

Проверь себя

1. 1. В каком направлении нумеруют выводы микросхемы, если смотреть сверху?

   По часовой стрелке от ключаПротив часовой стрелки от ключаСначала все чётные, потом нечётные
2. 2. Что гласит первое золотое правило ОУ с обратной связью?

   Выход равен сумме входовВыход стремится сделать напряжения на входах равнымиВходной ток равен выходному
3. 3. Неинвертирующий усилитель с R1 = 1 кОм и R2 = 9 кОм. Коэффициент усиления?

   9100,91
4. 4. Что означает «05» в названии 7805?

   Ток 0,5 АВыходное напряжение 5 ВВерсия корпуса

🎯Практическое задание~25 мин

Скачай даташит LM358 от любого производителя. Найди: цоколёвку для корпусов DIP-8 и SOIC-8, диапазон напряжения питания, входит ли диапазон входных напряжений в «землю» и доходит ли выход до питания. Затем нарисуй схему повторителя на одной половине LM358 с правильными номерами выводов и развязывающим конденсатором 100 нФ.