Skrzynka pytań i odpowiedzi. Schematy wewnętrzne układów scalonych

W tej rubryce przedstawiane są odpowiedzi na wybrane pytania dotyczące elektroniki, zawarte w komentarzach do postów i filmów, nadsyłane przez Patronów i Mecenasów oraz innych Czytelników za pomocą kanałów podanych na stronie: Zapytaj, odpowiedz.

[Gdzie znaleźć] pomoc w zrozumieniu bardziej skomplikowanych układów, np. LM393 lub LM358? Nie widzę, jak poprzez praktykę zrozumieć tego typu układy, w których jest kilkanaście tranzystorów. Chyba że spróbować zbudować podobny układ na płytce stykowej 🙂 Może jest jakaś literatura (…)?

Czytelnik chce znaleźć schematy wewnętrzne oraz opisy działania różnych układów scalonych, by w ten sposób uczyć się elektroniki.

Kwestia jest interesująca. Wskazówki co do szukania schematów wewnętrznych podam w dalszej części artykułu. Ale najpierw omówię kilka poważnych problemów i ograniczeń, o których trzeba wiedzieć.

Otóż jak najbardziej warto znać budowę wewnętrzną niektórych klasycznych układów scalonych, jednak nie jest to główna ani najlepsza droga poznawania elektroniki. Wprost przeciwnie – jest to ślepa uliczka i nie warto nastawiać się na próby szczegółowej analizy innych, nowszych układów scalonych, ani wzmacniaczy operacyjnych, ani innych układów analogowych czy cyfrowych.

Wiele lat temu „bardziej skomplikowane układy” zawierały kilkanaście tranzystorów. Dziś zawierają ich zdecydowanie więcej, ale nie tu jest główny kłopot. Najpierw podam w punktach kluczowe problemy.

1. Tylko w przypadku najstarszych układów scalonych dostępne są w miarę pełne schematy wewnętrzne. Niestety, z reguły producenci nie udostępniają dziś schematów wewnętrznych swoich nowych układów scalonych.

2. Wiele kluczowych właściwości zależy nie od wnętrza układu scalonego, tylko od właściwości obwodów dołączonych do najważniejszych końcówek układu scalonego. Nie trzeba więc znać „szczegółów wewnętrznych”, a jedynie pożądana, i to nie zawsze, może być wiedza o budowie obwodów wejściowych i wyjściowych. W szczególności dotyczy to wzmacniaczy operacyjnych: o właściwościach decyduje głównie budowa stopnia wejściowego.

3. W praktyce elektronikowi wcale nie jest potrzebna wiedza o budowie wewnętrznej, dużo ważniejsze okazują się parametry. I na tym powinien skoncentrować się praktyk. Owszem, parametry układu scalonego zależą od budowy wewnętrznej, ale np. przy wyborze wzmacniacza operacyjnego do bardziej wymagającego zastosowania decydują katalogowe parametry, a nie szczegóły budowy wewnętrznej. Elektronik powinien bardzo dużo uwagi i wysiłku poświęcić zdobywaniu gruntownej wiedzy o parametrach elementów elektronicznych, a nie o budowie wewnętrznej. Bo parametry katalogowe tak naprawdę mówią o niedoskonałości elementów, a to w praktyce jest najważniejsze. Ja te kwestie omawiałem szeroko w serii artykułów dotyczącej parametrów różnych podzespołów. Oto link do skróconej wersji pierwszego artykułu tej serii.

4. Tylko w przypadku najstarszych układów scalonych ich budowę można wiernie przedstawić za pomocą najpopularniejszych klasycznych symboli, używanych do elementów dyskretnych (tranzystorów bipolarnych i rozmaitych tranzystorów polowych). Układy scalone często zawierają specyficzne struktury półprzewodnikowe, które nie mają dobrych odpowiedników w postaci elementów dyskretnych. Wśród popularnych symboli elementów nie ma takich, które wiernie przedstawiałyby budowę scalonych struktur i ich właściwości. Analiza działania bardziej skomplikowanych struktur scalonych nie może opierać się na najpopularniejszych symbolach elementów graficznych, które dotyczą elementów dyskretnych: pojedynczych klasycznych tranzystorów i różnych odmian diod.

5. Wiedza teoretyczna o budowie wewnętrznej jest potrzebna nielicznym naukowcom, którzy projektują układy scalone. Ale to są szerokie, trudne zagadnienia. Natomiast elektronik praktyk powinien po pierwsze, umieć wykorzystać dostępne układy scalone, a po drugie, umieć walczyć z problemami, jakie sprawiają w realnych układach. I tutaj wiedza o budowie wewnętrznej układów scalonych okazuje się… bezwartościowa. Bowiem umiejętność projektowania urządzeń z układami scalonymi to zupełnie inna dziedzina, gdzie przede wszystkim trzeba rozumieć sens parametrów użytych układów scalonych. A budowa wewnętrzna ma niewielkie znaczenie, bo liczą się inne kwestie.

Na przykład w wielu zastosowaniach wzmacniaczy operacyjnych najważniejsze okazują się dokładność, precyzja, stabilność. A wszystko to zależy od parametrów użytych w układzie elementów. Należy skupić się na parametrach.

W wielu zastosowaniach układy scalone, w szczególności wzmacniacze operacyjne, stabilizatory liniowe i impulsowe, sprawiają poważne przykre niespodzianki. Często zamiast pełnić swoje właściwe funkcje zamieniają się w niepożądane generatory lub są na granicy samowzbudzenia, co nazywamy „dzwonieniem”. I dla elektronika najważniejsza jest właśnie wiedza o przyczynach samowzbudzenia i „dzwonienia”. A to praktycznie nie ma nic wspólnego z wiedzą na temat budowy wewnętrznej.

Choćby z wymienionych pięciu powodów nie zachęcam do koncentrowania się na szczegółach budowy wewnętrznej układów scalonych.

Gorąco zachęcam natomiast do działań praktycznych, bo wtedy można się najwięcej nauczyć. Wrócę do tego, a na razie omówię pewne schematy. Omówię niektóre wzmacniacze operacyjne, ale najpierw przedstawię inny znamienny przykład.

Otóż na rysunku 3 mamy schemat wewnętrzny jednego z najbardziej popularnych układów scalonych, a mianowicie kultowej kostki 555, którą opracował Hans R. Camenzind w roku 1971 i która została wypuszczona na rynek przez Signetics. Ze schematu po pierwsze nie wynika, jak działa taki układ, ale co ważniejsze, w ogóle nie ma śladu informacji, dlaczego znakomita jest stabilność czasowa wytwarzanych impulsów lub przebiegów.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w sierpniowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 8/2025). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 8/2025 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać – Postaw kawę za:
– jeśli jeden numer ZE – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – Własna kwota. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dodać dedykację/Wiadomość dla Twórcy” i tu zawsze wpisać, który numer lub numery ZE mam wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 8/2025.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (Smash) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.