В начале XX века, то есть примерно 100 лет назад, у престижного звания «инженер-электрик» появились добавления: «сильноточник» и «слаботочник». Понадобились эти добавления потому, что в использовании электричества образовались две большие области. Одна область занималась электрическим освещением, генераторами, двигателями и имела дело со сравнительно сильными токами. Другая область занималась телеграфом, телефоном и только что появившимся радио. Через какое-то время в сферу слаботочной электротехники вошли электронные лампы, аппаратура звукового кино, автоматы, вычислительная техника, телевидение. В итоге родилась гигантская самостоятельная область электротехники — современная электроника.

Т-195. Шедевры доисторической электроники. Упоминание о доисторической электронике многие читатели наверняка приняли за шутку, что-то вроде старого анекдота, очень смешного, если, конечно, не делать его элементом межнационального пикирования. Египтянин рассказывает израильскому соседу: «При раскопках в районе пирамиды Хеопса нашли кусок медного провода. Что это значит? Это значит, что в Древнем Египте был телефон». Израильтянин отвечает: «При раскопках в районе Иерусалима ничего не нашли. Что это значит? А то, что в древнем Израиле было радио».

Упоминание доисторической электроники никак не шутка, не анекдот, речь идёт о появлении миллиарды лет назад электронных систем живого организма. Чтобы не создавать терминологическую путаницу, их не принято причислять к электронике, хотя, по сути дела, по сущности физических процессов, это самая настоящая электроника, только созданная не человеком, а природой. Уже у древних одноклеточных организмов появились простейшие электрохимические устройства для сбора информации об окружающей обстановке. С их помощью какая-нибудь древняя бактерия охотилась за пищей и уходила от опасности. В какое-то время появились специализированные нервные клетки для работы с информацией, потом они стали объединяться, формируя автоматы управления, сначала простейшие, а затем всё более сложные — электроника живого усложнялась и совершенствовалась.

Шли годы, тысячелетия, миллионы и миллиарды лет, естественный отбор лучших биологических конструкций привёл в итоге к нынешнему высочайшему уровню информационных систем живого мира. Самый знакомый нам пример — человек. Его органы чувств, в частности зрение, слух, обоняние, собирают информацию о внешнем мире. Его внутренние датчики собирают сведения о работе сердца, лёгких, печени, мышц, кровеносных сосудов. Всю эту информацию обрабатывают соответствующие отделы мозга и мгновенно выдают необходимые команды управления. Например, при беге увеличивают частоту сердечных сокращений, при появлении красного светофора дают команду нужным мышцам, и нога водителя нажимает на педаль тормоза. Принимая решения, мозг обращается к своим информационным запасам, к памяти.

Особо важную роль играют информационные процессы, поддерживающие интеллект человека, то, чего нет у других представителей животного мира. Объединяющая людей речь, модели-слова, слоговое письмо, логическое мышление, мысленные операции с трёхмерными геометрическими моделями — в основе всего этого сложные электрохимические процессы в нервных сетях и в мозге, в системах, которые вполне можно было бы назвать нашей внутренней электроникой.

Три столетия назад на помощь мускулам пришли первые паровые машины, открыв эпоху новых наших могучих помощников. Инструмент, которым были сделаны эти первые тепловые машины, позднее образно назвали продолжением человеческой руки. С давних времён человек пытается создать продолжение своего интеллекта и сделал на этом пути великие изобретения: он придумал письменность, математику и книгопечатание, простейшие приборы для вычислений, такие как счёты и арифмометр, придумал чертежи и географические карты. Но ни с чем не сравнимую лавину информационной техники породило начавшееся в этой сфере сравнительно недавно использование электричества.

ВК-246. Три простые схемы выполняют операции, похожие на элементы наших логических рассуждений, и поэтому их называют логическими элементами И, ИЛИ и НЕТ. Элемент ИЛИ — это два параллельно соединённых выключателя, цепь замкнута, если замкнут любой из них: или первый, или второй. У элемента И выключатели соединены последовательно, и цепь будет замкнута только в том случае, когда замкнуты оба эти выключателя — и первый, и второй. Третий элемент НЕТ представлен на рисунке BK-247.

Р-97. ВСЁ НАЧАЛОСЬ С ЗАБРОШЕННОГО «ЭФФЕКТА ЭДИСОНА». В первых радиоприёмниках для улавливания и регистрации электромагнитной волны использовали прибор с односторонней проводимостью — когерер. Это была стеклянная трубка с металлическими опилками, её нужно было часто встряхивать, чтобы привести в рабочее состояние. Поиски замены когереру шли в двух направлениях — одностороннюю проводимость пытались получить в газах и в твёрдом теле. И тут в 1894 году Эдисон обнаружил нечто, получившее название «Эффект Эдисона», — в обычной осветительной лампочке был обнаружен электронный поток одного направления. Сам Эдисон не стал этим заниматься — кто-то утверждает «Проворонил!», но, скорее всего, занятый своими делами изобретатель просто не нашёл времени на новые исследования. Используя «Эффект Эдисона», профессор Флеминг через десять лет поисков, ошибок и находок создал первую электронную лампу — диод с односторонней проводимостью (1, 2). А ещё через несколько лет инженер Ли де Форест поместил в диод управляющую сетку и получил первую усилительную лампу — триод (3). Лампы в итоге пришли к особо популярному трёхсеточному усилителю — к пентоду в стеклянном или металлическом корпусе (4,5), мировой выпуск которого измерялся миллиардами ламп. Примерно в 1960 году электронные лампы начали широко заменять транзисторами, а затем и интегральными схемами. Но практически вся радиоэлектроника, включая цветное телевидение, звукозапись, мощные передатчики, автоматику, космические аппараты, вычислительные машины, была создана и долго развивалась в ламповом варианте.

Т-196. Информатика выбирает электричество. Информационные приборы и системы создаются на разной физической основе, они, например, бывают химические, акустические, механические, пневматические, гидравлические. Примеры акустической информатики — звуковые сигналы в мире животных, ультразвуковая локация у летучих мышей и, конечно, наша, человеческая речевая связь. Механические информационные устройства тоже всем известны, это, например, красный флажок на шахматных часах, падая, он сообщает, что время истекло, партия окончена. Да и сами часы — тоже механическое информационное устройство, они так пересчитывают число колебаний маятника, что стрелки показывают часы, минуты и секунды. Простейший гидравлический информационный прибор можно представить себе в виде прозрачной пластмассовой трубки, которая выходит из нижней части большого металлического бака, поднимается вверх до его кромки и показывает уровень жидкости, имеющейся в баке. Пневматических информационных приборов так много, что их объединяет отдельная область техники — пневмоника, она занимается передачей и переработкой информации, записанной в потоках сжатого воздуха. Ну а химические информационные процессы можно встретить не только в живом организме, но и в химической индустрии.

И всё же подавляющее большинство информационных приборов, аппаратов и систем — электрические. В числе их достоинств высокая скорость электрического сигнала, возможность работать с чрезвычайно слабыми сигналами, их исключительная пластичность, многообразие методов формирования электрического сигнала. Электроника очень часто выигрывает соревнование с неэлектрической информационной техникой и, более того, делает то, что можно сделать только с помощью электричества.

В конце позапрошлого века (незадолго до 1900 года) на помощь человеческому интеллекту пришла техника, которая позже стала частью электроники, — техника электрической связи, новый инструмент общения. Довольно быстро электроника создала и другие системы в помощь нашему интеллекту, в том числе электронные автоматы, избавляющие человека от огромных объёмов рутинной работы контроля и управления. Появилась электронная память, умеющая мгновенно извлекать из огромных своих хранилищ нужные тексты, цифровую информацию, звук, картинку, Были придуманы и построены радиолокатор, электронный микроскоп, детекторы ядерных частиц, ультразвуковой дефектоскоп. Наконец, появились компьютеры, нечто большее, чем вычислительная машина, мощнейший помощник мыслящего человека. И у всех этих приборов, аппаратов и систем, несмотря на их различия, одно и то же главное действующее лицо — электричество, электрические сигналы.

ВК-247. Логический элемент НЕТ устроен не так просто и, если можно так сказать, делает всё наоборот. Это один выключатель, и можно сказать, что если он замкнут, то не пропускает ток в цепь, которой управляет, а если разомкнут, то пропускает. Так, например, если на входе элемента НЕТ действуют импульсы тока, то на его выходе этих импульсов нет. А если на вход элемента НЕТ импульсы тока не поступают, то на его выходе они есть и действуют вполне нормально.

Р-98. ДИОД: ИЗ ВАКУУМА В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ КРИСТАЛЛ. Вакуумные диоды начали серийно выпускаться лет 70–80 назад, и примерно в то же время или несколько позже стали создаваться самые разные твердотельные диоды, в том числе и полупроводниковые. Основа полупроводникового диода — кусочек кристаллической пластины, чаще всего кремния. В него вводятся две примеси, донор и акцептор, в переводе дарящий (электроны) и забирающий. Эти примеси создают две зоны свободных зарядов (1) — зону n со свободными электронами и зону р со свободными положительными зарядами, как их называют, «дырками». С электронами должно быть всё понятно — в кремний вводится донорная примесь, которая увеличивает число свободных электронов. А вот свободный положительный заряд «дырка» появляется потому, что акцепторная примесь отбирает у некоторых атомов электрон, и такой атом становится «дыркой». Теперь представьте себе, что рядом находятся два атома — нейтральный (полностью укомплектованный) и с недостающим электроном, то есть «дырка». Когда из нейтрального атома в «дырку» переходит электрон, то это равносильно движению положительного заряда в противоположную сторону. Именно так за счёт быстрого перемещения электронов в полупроводнике движутся «дырки», и этим объясняется односторонняя проводимость диодов, Некоторые типы твердотельных диодов уже очень давно широко выпускали и использовали в выпрямителях. А вот твердотельного аналога трёхэлектродной лампы, то есть твердотельного усилителя, пришлось ждать 40 лет/

Т-197. Два вида электрических сигналов — аналоговый и цифровой. Уже самые первые системы электрической связи — телеграф (1836) и телефон (1874) — знакомят нас с главным действующим лицом всей электроники, с электрическим сигналом. Точнее, с двумя его разновидностями — аналоговым сигналом (телефон) и цифровым (телеграф).

Значение слов записано в их звучании, в быстрых и сложных изменениях воздушного давления в потоке выдыхаемого воздуха. Звук попадает в микрофон и там создаёт свою электрическую копию — электрический ток, в котором в точности повторяются все изменения звукового давления. Это и есть аналоговый электрический сигнал (правильнее было бы сказать аналогичный, то есть похожий), который на другом конце телефонной линии вновь будет превращён в звук.

Телеграф кодирует отдельные буквы, цифры и знаки с помощью комбинации электрических импульсов, иногда разных («точка» и «тире», код Морзе), иногда одинаковых (код Бодо, код КОИ-8 и другие). В линию связи уходят буквы в виде комбинаций электрических импульсов, или иначе, как его называют, цифрового сигнала, который будет автоматически расшифрован в буквопечатающем аппарате.

Т-198. Процессы линейные и нелинейные. Чтобы в предыдущих главах не перегружать и без того непростые разделы электротехники, из них было перенесено поближе к концу следующее чрезвычайно важное сообщение: зависимость одной какой-нибудь величины от другой может быть линейной, а может быть и нелинейной. Возьмём, к примеру, хорошо известную из школьной арифметики прямую пропорциональную зависимость величины В от величины А: если величина А возрастёт в миллион раз, то В нисколько не отстанет и также возрастёт в миллион раз. График такой зависимости имеет вид прямой линии, отсюда и само название линейная зависимость. Если же такой прямой пропорциональной зависимости нет, если при разных значениях А величина В растёт или уменьшается по-разному, то график такой зависимости имеет вид кривой или ломаной линии, и зависимость эта называется нелинейная (Р-103).

Нелинейные зависимости, нелинейные элементы, схемы и приборы играют особо важную роль, в том числе и в электронике, только с их помощью можно так изменить сигнал, что в его спектре появятся новые составляющие. Вскоре из наших рассказов вы узнаете об электронных схемах, в которых только благодаря нелинейным процессам решаются непростые задачи — изменение спектра электрического сигнала с последующим использованием новых составляющих. В то же время нередко нелинейные процессы крайне нежелательны и даже называются нелинейные искажения. Например, появление новых составляющих в спектре воспроизводимого звука делает его хрипловатым, загрязняет звук посторонними шумами, говорит о повреждениях или о низком классе электронной аппаратуры.

ВК-248. Сумматор — группа логических элементов. Она в любых сочетаниях складывает 1 и 0, в том числе выполняет непростую операцию 1 + 1 = 10, где нужно получить 0 и перенести 1 в следующий разряд. Такой перенос осуществляет логический элемент И2 — только в случае 1 + 1 он посылает импульс в следующий разряд. Элемент НЕТ, получив входной импульс, не выдаёт импульс на выходе, и из-за этого не срабатывает И1. В случае 1 + 0 и 0 + 1 элемент НЕТ выдаёт выходные импульсы, с помощью которых срабатывает И1.

Р-99. ТРИ ГЛАВНЫЕ СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЯ. За свою долгую историю диоды приобрели много радио- и электротехнических профессий. Одна из широко известных — выпрямление переменного напряжения, превращение его в постоянное. Такая задача возникала часто, так как в жилые дома и на предприятия с электростанций приходило переменное напряжение, а для многих домашних приборов и аппаратов (например, для телевизоров) требовалось постоянное. Вакуумный диод для выпрямления имел собственное название — кенотрон, что в переводе означало «вакуумный» (от греческого «кено» — «пустой») электронный прибор. Со временем кенотроны были полностью вытеснены твердотельными выпрямительными диодами.

Самая простая схема выпрямителя использует только один полупериод переменного напряжения, она так и называется — однополупериодный выпрямитель (1). Недостатки его легко заметить. Во-первых, мощность постоянного тока получается значительно меньше, чем была бы при использовании двух полупериодов. Во-вторых, сравнительно большой перерыв между соседними импульсами трудно заполнить. В-третьих, фильтру труднее отводить переменные составляющие полученного импульсного тока — нам ведь нужна только его постоянная составляющая. По этим и по другим причинам к однополупериодной схеме прибегают редко и в основном используют двухполупериодный выпрямитель. Например с трансформатором (его обычно называют силовым), у которого фактически две вторичные обмотки, работающие поочередно (2). Двухполупериодное выпрямление можно получить и без трансформатора, используя так называемую мостовую схему, в которой четыре выпрямляющих прибора вместо двух (3). Многие представляют себе выпрямитель как очень небольшую схему, используемую в телевизоре, приёмнике или магнитофоне. Однако в промышленности и на транспорте используют большие и очень мощные выпрямители для питания машин, которым необходимо постоянное напряжение.

Т-199. Вакуумный диод — прибор с односторонней проводимостью. В одном из первых электронных приборов всё происходит в вакууме, в стеклянном баллоне, из которого откачан воздух. Прибор называется диод, поскольку в нём два электрода — катод и анод. Катод, как нить электролампы, сильно нагревают током от отдельного источника, например, от низковольтной обмотки трансформатора (накальная обмотка) или от батареи. При этом из раскалённого катода вылетают электроны, они сразу же двигаются к аноду, если на него подать «плюс», в цепи появляется анодный ток (Р-97.1, не забудьте, что условное направление тока, то есть направление стрелки на рисунках, — от «плюса» к «минусу», в данном случае от анода к катоду).

Если же на анод подать «минус» (Р-97.2), то он будет отталкивать электроны, и ток через диод не пойдёт. А если между анодом и катодом будет действовать переменное напряжение, то электроны будут двигаться к аноду, только когда на нём будет «плюс», то есть только во время положительных полупериодов. А это значит, что в цепи пойдёт пульсирующий ток — хоть и меняющийся по величине, но ток только одного направления. Отсюда вывод: диод — прибор с односторонней проводимостью, он может быть выпрямителем переменного тока.

Т-200. Первый электронный усилительный прибор — вакуумный триод. В самом начале прошлого века, а точнее, в 1907 году, было сделано совсем неприметное, казалось бы, изобретение, на основе которого в итоге выросла могучая и многообразная электроника. Вакуумный диод превратили в триод — между катодом и анодом вставили третий электрод, металлическую сетку с впаянным в стекло проволочным выводом (Р-97.3). Сетка находится близко к катоду, напряжение на ней очень сильно влияет на анодный ток, и он послушно меняется вслед за слабым сигналом на сетке, поэтому сетку назвали управляющей. В итоге, пролетев сквозь управляющую сетку, электроны создают ток в анодной цепи, создают мощную копию слабого сигнала. И вот что главное: энергию для этой мощной копии даёт анодная батарея, а задача триода — управлять анодным током, копируя слабый сигнал на управляющей сетке, создать мощную копию усиливаемого сигнала, что как раз и называется усилением. Так электровакуумный триод решил одну из главных и, казалось, неразрешимых проблем электросвязи — позволил усиливать ослабевшие после долгого пути телефонные и радиосигналы.

А вскоре триод стал основой принципиально нового генератора переменных токов высокой частоты, элементом памяти, инструментом вычислительных операций. Появление электронного усилителя привело к появлению новых схем, новых методов работы с сигналами, новых направлений электротехники слабых токов. Постепенно на смену триоду пришли более совершенные электронные лампы, главным образом пятиэлектродная — пентод (Р-97.4, Р-97.5). Но через 40 лет после своего рождения уже почти забытый триод вновь стал главным и даже единственным усилительным прибором. Но это уже был не вакуумный, а полупроводниковый триод.

ВК-249. Основные блоки персонального компьютера ПК, определяющие его возможности, — процессор ПР и оперативное запоминающее устройство ОЗУ. Важная характеристика процессора — его наибольшая рабочая частота, то есть частота импульсов, из которых в итоге формируются все двоичные коды. Часть из них переносят в ОЗУ, где с кодами можно работать и таким образом править слова, цифры, картинки и т. п., а затем запоминать исправления и переносить их в долговременную память.

Р-100. ВРЕМЯ ТРАНЗИСТОРА. Уже на примере диода было видно, что твердотельный прибор намного удобней иметь, чем электронную лампу. Полупроводниковым диодом может быть кусочек кристалла миллиметровых размеров, а электронная лампа — это целый научный прибор, миллиметровым его никак не сделаешь. Из вакуумного диода усилительная лампа получилась довольно просто — достаточно было вставить сетку между катодом и анодом. Но как вставить сетку в микроскопический кристалл? Один раз, правда, мир был обрадован — в 1922 году, как писали газеты, задача была решена. Молодой (19 лет) русский радист Олег Лосев из Нижегородской радиолаборатории создал кристаллический усилитель кристадин и построил с ним очень чувствительные радиоприёмники. Но вскоре оказалось, что из-за своей нестабильности кристадин не может конкурировать с электронными лампами. Задачу решили в 1948 году и создали транзистор американские теоретики высокого класса — Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Вильям Шокли, их работа была отмечена Нобелевской премией. К нынешним временам транзисторы прошли сложный путь (их уже делают размером меньше 0,005 миллиметра), и сегодня выпускаются две их основные разновидности.

Плоскостные транзисторы представляют собой трёхслойную систему из полупроводников германия или кремния с электронной (n) и дырочной (р) проводимостью (1,2). Слабый входной сигнал U_вх в итоге поставляет свои заряды в базу, из неё они попадают в коллекторный рn-переход, участвуют в создании коллекторного тока и усиливаются за счёт коллекторной батареи. Транзисторы второго типа, полевые (3,4), по принципу действия напоминают усилительную вакуумную лампу триод. Основной ток в них создаётся между истоком и стоком, а напряжение входного сигнала U_вх своим электрическим полем с затвора управляет этим током, подобно тому, как в вакуумном триоде сетка управляла анодным током. Полевые транзисторы в основном рассчитаны на работу с импульсными сигналами, и потому их можно сравнить с выключателем, который замкнут или не замкнут, то есть пропускает ток или не пропускает.

Т-201. Транзистор — главный работник электроники. Полупроводниковый диод появился практически одновременно с вакуумным, но полупроводниковому усилителю, как уже говорилось, пришлось ждать своего часа 40 лет. Сегодня диод создают в маленьком кристаллике полупроводников германия или кремния — с помощью примесей формируют в нём две зоны с разными электрическими свойствами (Р-98). В одной из них есть свободные электроны, это зона n, от слова negativus — «отрицательный». В другой зоне есть свободные положительные заряды (для упрощения считайте их положительными ионами, Т-8), это зона р, от слова positivus — «положительный». Пограничная область между зонами р и n называется рn-переход.

Поведение полупроводникового диода, также как и вакуумного, зависит от того, в какой полярности к нему подведено внешнее напряжение — к какой зоне подключён «плюс», а к какой «минус». В одном случае («плюс» подключён к катоду, «минус» к аноду) свободные заряды оттягиваются от рn-перехода и ток через диод не проходит — он напоминает две обкладки конденсатора с изолятором между ними. При другой полярности («плюс подключён к аноду, «минус» к катоду) внешнее напряжение подтягивает свободные заряды к рn-переходу, там они непрерывно нейтрализуют друг друга (Т-8), в цепи идёт ток, поставляющий в рn-переход новые положительные и отрицательные заряды.

Даже новичок, тот, кто впервые знакомится с работой полупроводниковых диодов, довольно быстро сам сообразит, что с движением электронов в сторону рn-перехода никакой проблемы нет — свободные электроны, которых тянет к себе «плюс», всегда найдут лазейку (Т-8), чтобы просочиться в его сторону. Но как быть с положительными ионами? Они же не могут свободно двигаться, они связаны со структурой самого полупроводникового материала, входят в его кристаллическую решётку и практически неподвижны. Чтобы прояснить эту неясность, изготовим (разумеется, мысленно) простейшую учебную модель — два расположенных рядом атома. Один из них полностью укомплектован электронами и собственного электрического заряда не имеет. У другого атома одного электрона не хватает, это фактически положительный ион с единичным положительным зарядом. Представьте себе, что из нейтрального атома один электрон быстро перескочил в этот положительный ион и превратил его в нейтральный атом. А сам нейтральный атом при этом, естественно, стал положительным ионом — теперь у него не хватает одного электрона, то есть имеется лишний положительный заряд. Не вдаваясь во все эти подробности, можно отметить конечный результат: в полупроводниковом кристалле произошло перемещение положительного заряда. Движение электрона произошло так быстро, что его даже нельзя считать свободным электроном, а подвижные положительные ионы могут существовать достаточно долго — до следующего электронного прыжка (Т-8). В литературе о полупроводниках эти ионы с лишним положительным зарядом получили имя дырки (видимо, имеется в виду свободное место отсутствующего электрона), и именно их считают свободными подвижными положительными зарядами.

ВК-250. В конце 1947 года появились транзисторы, и ещё долго основное внимание обращали на их огромные достоинства в сравнении с электронной лампой: малые размеры и один источник питания вместо двух. Но затем главными стали другие достоинства транзистора, особенно возможность создания интегральных схем. В них тысячи, миллионы, а теперь уже и миллиарды транзисторов (их размеры уже измеряются нанометрами!), связанных в одном кристалле, образуют готовый сложный электронный блок.

Р-101. ПЛАНАРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ — ОТ ТРАНЗИСТОРА К МИКРОСХЕМЕ. Планарная технология была придумана и разработана для автоматизированного производства транзисторов, а спустя некоторое время без принципиальных изменений переведена на производство интегральных микросхем. Слово «планарная» происходит от латинского «планус» — «плоский» и напоминает, что исходная кремниевая пластина (на рисунке 1 показан очень маленький её участок) и детали изготовленных в ней транзисторов — тоже плоскости. На круглой пластине толщиной несколько миллиметров и диаметром 40–60 сантиметров в едином технологическом процессе формировали несколько десятков, а то и несколько сотен одинаковых транзисторов. Мы сейчас посмотрим, как методами планарной технологии в пластине создаётся какая-нибудь одна новая деталь, — все остальные делаются примерно так же.

Для начала кристалл (1) покрывают тонким светочувствительным слоем — фоторезистом (2). Затем фоторезист засвечивают через очень точно изготовленную маску (3) — через особый тёмный рисунок с маленькими прозрачными пятнышками. Через них происходит засветка тех мест, где должны появиться новые детали. После этого фоторезист обрабатывают проявителем и засвеченные участки удаляют — образуются окна, оставляющие доступ к кристаллу (4). Затем пластину помещают в вакуумную камеру, заполненную газом, который содержит нужную (например, донорную) примесь (5), и в итоге в кристалле получают две детали — с р- и n-проводимостью (6). Повторяя подобную процедуру с разными масками, можно получить не только транзисторы (7), но и расположенные в одном кристалле интегральные схемы, в которых 5–6 слоёв деталей, нередко связанных внешним токопроводящим покрытием.

Итак, полупроводниковый диод, как и вакуумный, проводит ток только в одну сторону и может использоваться как выпрямитель переменного тока. В электронике, как правило, нужны маломощные диоды, рассчитанные на миллиамперы и микроамперы. Но существуют очень мощные диоды, пропускающие ток в сотни и тысячи ампер, и их широко используют в энергетике.

С помощью примесей можно сформировать в германиевом или кремниевом кристаллике трёхэлектродный полупроводниковый прибор транзистор, он имеет трёхслойную структуру р-n-р или n-р-n (Р-100). Одна крайняя зона называется «эмиттер» (выбрасывающий заряды), другая — «коллектор» (собирающий заряды), а средняя зона называется «база», что отражает конструктивные особенности первых транзисторов.

Как и вакуумный триод, транзистор даёт возможность усиливать слабые сигналы. Управляющее напряжение действует между эмиттером и базой, оно управляет коллекторным током своими методами (Т-8), но, как говорится, важен результат — в коллекторной цепи появляется мощная копия слабого сигнала, действующего в базовой цепи. По принципу действия особенно сильно похожи на вакуумный триод очень распространённые полевые транзисторы, три их основные «детали» исток, сток и затвор совсем уже напоминают катод, анод и управляющую сетку усилительной электронной лампы. В частности, усиливаемый сигнал подаётся на затвор, а он, подобно управляющей сетке, своим электрическим полем управляет током, который протекает между истоком и стоком.

ВК-251. На этих трёх рисунках и семи последующих показаны важные этапы производства интегральных схем. Началом можно считать разработку, проверку и создание окончательного варианта электронной схемы, которую нужно получить (1). Затем разрабатывается топология — создание в кристалле участков с разной проводимостью, их размещение и соединение (2). Затем в большом размере создаются маски (3) — размещение отверстий, через которые в кристалл будут вводиться примеси.

Р-102. ОТ УСИЛЕНИЯ К УСИЛИТЕЛЮ. Так же как электронная лампа, транзистор обрастает резисторами, конденсаторами и другими деталями, превращаясь в усилительный каскад или иной схемный узел, работающий с электрическими сигналами. На рисунке некоторые схемы транзисторных усилителей. Первая из них (1) — типичный усилитель низкой частоты (НЧ), на вход которого поступает усиливаемый сигнал U_вх, а усиленный сигнал U_вых снимается с коллекторной нагрузки и через конденсатор передаётся дальше, скорее всего для дальнейшего усиления. С делителя напряжения R₁R₂ небольшая часть коллекторного напряжения U_к подаётся на базу в качестве начального смещения. Это нужно для того, чтобы диод эмиттер-база был открыт и входной сигнал U_вх мог бы легко поставлять заряды в базу. Следующий усилитель (2) — высокочастотный (ВЧ), это видно по нагрузке в виде катушки L_н без сердечника. Роль нагрузки может выполнять и колебательный контур L_кC_к (3), который конденсатором переменной ёмкости можно настраивать на частоту принимаемой станции. В усилителях промежуточной частоты супергетеродинных приёмников (Р-111) может быть многозвенный фильтр из нескольких контуров (4), частота настройки которых никогда не меняется. На следующей схеме (5) двухтактный усилитель НЧ, транзисторы которого Т₁ и Т₃ работают поочередно (это несколько напоминает двухполупериодный выпрямитель, Р-99) и снабжают мощным выходным сигналом громкоговоритель. Два сдвинутых по фазе на 180° входных напряжения для транзисторов Т₁ и Т₃ поступают от предыдущего каскада на транзисторе Т₁, а конкретно с двух половинок вторичной обмотки трансформатора Тр₁. Этот каскад усилителя называют «фазоинвертор», то есть фазовращатель. Можно использовать и более простой фазоинвертор, без трансформатора (6), — два противофазных напряжения U_вых1 и U_вых2 получают в нём на двух сопротивлениях нагрузки, одно из которых R_н1 включено в цепь коллектора, а другое R_н2 в цепь эмиттера.

Т-202. Схемные блоки аналоговой аппаратуры. Электронных схем, разумеется, существует бессчётное множество, но, как правило, каждая — это сочетание некоторых основных схемных блоков, которых, правда, тоже немало вариантов. Но даже не вникая в эти подробности, поняв назначение и принцип действия основных схемных блоков, поняв суть дела, легче приподнять завесу таинственности, которая так часто присутствует в сообщениях о шедеврах электроники.

Т-203. Усилитель. Транзистор — основа усилителя, но ещё не усилитель. К транзистору нужно подвести питание, в частности, создать коллекторный ток, подав небольшое постоянное напряжение на коллектор и совсем небольшое напряжение (смещение) на базу. Нужно включить в коллекторную цепь нагрузку, которой усиленный сигнал отдаст свою мощность (Р-102). Нагрузкой может быть резистор, громкоговоритель, колебательный контур, настроенный на определённую частоту, наконец, входная цепь следующего транзистора — усилитель, как правило, многокаскадный, нужную мощность получают после нескольких последовательных усилений. Мощность эта может быть достаточно большой, десятки и даже сотни ватт, в то время как у входного сигнала — миллионные и миллиардные доли ватта. Мощные выходные транзисторы снабжают радиаторами, так как полупроводниковые структуры не терпят перегрева, для германия предельная температура 70 °C (градусов Цельсия), для кремния 150 °C.

Т-204. Генератор. Слабый сигнал на входе усилителя управляет коллекторным током и создаёт, таким образом, усиленный сигнал. Это нормальная, прямая связь входа и выхода, её направление — от входа к выходу. Вернув часть усиленного сигнала из коллекторной цепи обратно на базу, создают обратную связь — от выхода к входу. Здесь, так сказать, возможны варианты. Обратная связь может поддерживать входной сигнал, действовать согласованно с ним — это положительная обратная связь. Обратная связь может действовать против входного сигнала, ослаблять его — это отрицательная обратная связь. Она хоть несколько снижает усиление, но в целом, оказывается, вещь полезная — стабилизирует режим усилителя, уменьшает искажение сигнала в нём.

А вот достаточно сильная положительная обратная связь вообще ликвидирует усилитель, превращает его в совсем другое устройство — в генератор.

Представим себе, что на вход транзистора сигнал подаётся с колебательного контура. Контур получил порцию энергии, в нём начались свободные колебания, которые постепенно затухают из-за неизбежных потерь. Но если создать достаточную положительную обратную связь, то она добавит энергию входному сигналу, скомпенсирует потери, и колебания в контуре станут незатухающими (Р-105). Такой генератор незатухающих колебаний, частоту которых к тому же легко менять (изменяя индуктивность L или ёмкость С контура), — это жизненно важный электронный блок, например для радиопередатчиков.

Ламповый генератор в своё время в буквальном смысле слова совершил революцию в радиотехнике. До него переменный ток высокой частоты добывали с помощью электрической дуги или искры и даже строили машинные генераторы, выжимая из них частоту до сотни килогерц за счёт сверхбыстрого вращения ротора. Вращать ротор быстрее уже нельзя было, он мог просто разлететься под действием центробежных сил.

Для нынешних транзисторных генераторов, прямых наследников лампового, частота в тысячи, миллионы и даже миллиарды герц — не предел. Когда нужна особо высокая стабильность частоты, LC-контур заменяют кварцевой пластиной. Частота её собственных механических колебаний исключительно стабильна, а эти колебания за счёт физических процессов в кристалле создают на его гранях электрический сигнал, который, как и сигнал с LC-контура, подаётся на вход транзистора.

Р-103. ЛИНЕЙНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ И НЕЛИНЕЙНАЯ. Каждый элемент электрической цепи, с которым мы встречались или будем встречаться, имеет характеристики, рассказывающие о его поведении в той или иной электрической обстановке. Очень простая и часто используемая характеристика — изменение тока, протекающего через данный элемент при изменении подведённого к нему напряжения. На рисунке показаны две такие характеристики — для резистора и для диода. Сразу можно заметить, что характеристика резистора — это прямая линия, в ней нет ни изгиба, ни излома, — чем больше напряжение, тем больше ток, как и предсказывает закон Ома. Показанная характеристика резистора так и называется «линейная», а вот вторая характеристика (для диода) явно нелинейная, у неё просто излом в районе напряжения равного нулю — меняется полярность напряжения и диод не пропускает тока. Кстати, и у транзистора коллекторный ток растёт с ростом коллекторного напряжения, но в какой-то момент он начинает расти медленней, график тока загибается — в коллекторный ток уже включились почти все свободные заряды, попавшие в базу.

Особенность нелинейной системы в том, что она искажает форму проходящего через неё сигнала так, что в его спектре появляются новые составляющие. Поэтому такие процессы, как выпрямление, модуляция, детектирование, преобразование частоты и другие вообще невозможны без нелинейного элемента. Для выпрямления переменного тока, к примеру, нелинейный элемент должен изменить его спектр, причём так, чтобы в этом спектре появилась постоянная составляющая. В то же время при усилении ничем не скомпенсированная нелинейность недопустима, она приводит к искажениям, которые так и называют нелинейными. Они очень неприятны при воспроизведении звука, особенно музыки, так как слышны в виде новых и совершенно неуместных шумов и хрипов.

Т-205. Модулятор. Для радиосвязи, радиовещания, телевизионных передач используют токи высокой частоты (ВЧ). Только они эффективно создают радиоволны, которые переносят сообщения от передатчика к приёмнику. Вместе с тем сами эти сообщения записаны в токах низкой частоты (НЧ). Например, меняющийся ток, который переносит наш голос по телефонной линии, представляет собой электрическую копию звука и, следовательно, имеет тот же частотный спектр — от 200 Гц до 3 кГц. Отсюда задача: нужно сделать высокочастотный сигнал переносчиком низкочастотного. Для этого на передатчике в токе высокой частоты записывают все изменения низкочастотного тока, а в приёмнике извлекают эту запись. Такой процесс записи (в передатчике) — это модуляция, а извлечение записанного (в приёмнике) — детектирование, оба они процессы нелинейные.

Самая давняя и то же время самая простая — амплитудная модуляция (AM), когда меняется амплитуда высокочастотного тока, повторяя все изменения низкочастотного сигнала (Р-109). Существует много схем для амплитудной модуляции, одна из самых простых — усилитель высокой частоты, в котором низкочастотный ток меняет режим транзистора, меняет усиление сигнала. Возможна также и частотная модуляция (ЧМ), её широко используют для высококачественной передачи музыки. Как говорит само название, при ЧМ низкочастотный сигнал записывают в изменениях частоты передатчика. Модулируется для этого сам ВЧ-генератор — при изменении его режима меняются собственные ёмкости транзистора (каждый рп-переход — это своего рода конденсатор), какие-то из них входят в колебательный контур и влияют на частоту его собственных колебаний.

Т-206. Детектор. В модулированном по амплитуде высокочастотном токе, который радиоволны наводят в антенне приёмника, нет нужного нам низкочастотного сигнала. Но его можно воссоздать, если принятый модулированный по амплитуде ВЧ-сигнал пропустить через диод (через нелинейную систему, Р-103) и получить таким образом пульсирующий ВЧ-ток. Его среднее значение будет меняться, повторяя изменения амплитуды и формируя низкочастотную составляющую тока — копию того низкочастотного тока, который осуществлял амплитудную модуляцию на передатчике.

Т-207. Выпрямитель. Нередко из переменного напряжения нужно получить постоянное, например, для питания электродвигателей постоянного тока, зарядных устройств или электронных схем. Выпрямитель, который во многих предыдущих разделах мы вынуждены были рисовать в виде загадочной коробочки, уже можно представить в виде реальной и весьма простой схемы. Она очень похожа на детектор, но переменное напряжение к выпрямителю подводится не из антенны, а из сети, амплитуда его не меняется, и из получившегося пульсирующего тока фильтры выделяют постоянную составляющую тоже неизменной величины.

Электроника, как и электротехника, богата схемными хитростями, и трудно удержаться, чтобы не назвать здесь одну из них — двухполупериодное выпрямление. Трансформатор со средней точкой или хитрое включение четырёх диодов в мостовой схеме (Р-99) позволяют использовать в выпрямителе оба полупериода переменного тока, что практически вдвое увеличивает мощность выпрямленного тока и облегчает его очистку (Т-8) от переменных составляющих. Мостовые выпрямители используются и в трёхфазных системах.

Р-104. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ С ПОМОЩЬЮ АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ. Пришло время, и люди научились разговаривать, перекрывая огромные расстояния. Микрофон довольно точно делал своего рода электрическую копию звука (1), то есть делал очень похожий на звук (аналогичный ему) электрический сигнал (почему-то принято говорить аналоговый), который пробегал сотни и тысячи километров. А затем электромагнитный громкоговоритель из принятого аналогового электрического сигнала делал точно такой же звук, какой воздействовал на микрофон. Система передачи речи и музыки с помощью аналогичного звуку (аналогового) сигнала применялась и применяется в телефонии, радиовещании, телевидении, звукозаписи, но в 1838 году у неё появился серьёзный конкурент. Он, как и в книгах или юридических документах, отображал слова буквами с помощью несложного кода (азбука Морзе) превращали их в электрические сигналы — в известные всем заинтересованным лицам комбинации коротких («точки») и продолжительных («тире») импульсов тока (2). В наше время мир заполнен сложными электрическими и электронными системами и аппаратами, работающими с информацией в кодовом её представлении. Чаще всего информация кодируется двоичными числами, то есть состоящими из единиц и нулей, например, из импульсов тока (1) и пауз (0). Кодовое представление информации имеет много достоинств. В частности, закодированный цифрами сигнал можно математически обрабатывать, в телевидении, например, такая обработка позволяет в несколько раз уменьшить участок спектра, необходимый для передачи картинки.

Т-208. Преобразователь частоты и идея супергетеродинного приёмника. Промелькнувшие электронные блоки: генератор, модулятор, детектор, выпрямитель — всё это нелинейные системы (Р-103), и за счёт нелинейных рабочих характеристик диодов или транзисторов в них идут нелинейные процессы. Только такому блоку, как усилитель, нелинейность не нужна, она искажает усиливаемый сигнал. А все остальные блоки работают только за счёт своей нелинейности — создают в спектре сигнала новые составляющие, которые и выполняют какое-либо специальное задание: превращение переменного тока в постоянный, модуляцию высокочастотного сигнала, детектирование, а также преобразование частоты в супергетеродинном приёмнике (Р-111). Исследуя в этой нелинейной системе спектр двух переменных токов, например с частотами 50 и 60 кГц, мы кроме их гармоник обнаружим две очень странные составляющие спектра — одну с частотой 110 кГц, а другую с частотой 10 кГц. Откуда они появились? Ни в один ряд гармоник эти частоты не попадают. Кем же тогда рождены эти странные частоты? Оказывается, что это составляющие с суммарной частотой 50 кГц + 60 кГц = 110 кГц и разностной 60 кГц — 50 кГц = 10 кГц. Почему появились в спектре составляющие с этими странными частотами? Их предсказала математика, и их можно живьём обнаружить в спектре, настроив на них резонансный контур. Более того, получение разностной частоты используется во всех радиоприёмниках супергетеродинного типа, а это приёмники видеосигналов в телевизорах, домашние и походные приёмники, радиолы, приёмники сотовых телефонов, радиотелескопов, локаторов и множества других устройств.

С помощью такого преобразования очень высокие частоты, которые усиливать сложно, преобразуют в более низкую промежуточную частоту и уже на ней ведут усиление принятых сигналов. После преобразования сигнал промежуточной частоты f_пр оказывается точно так же промодулированным, как и сам сигнал принимаемой станции с частотой fc. Поэтому продетектировав промежуточную частоту, вы услышите то же самое, что было бы при детектировании самого принимаемого сигнала с частотой fc.

Т-209. Строительные блоки для цифровых схем. Электрические импульсы цифровых сигналов усиливают в ламповых или транзисторных усилителях, в принципе похожих на аналоговые, модулятор, если нужно, нагружает импульсами высокочастотный ток, а детектор извлекает импульсы из модулированного сигнала. Вместе с тем у цифровых сигналов есть несколько своих особых схемных решений, есть несколько схем и блоков, которые можно встретить в цифровых аппаратах самого разного назначения.

Т-210. Ограничитель. Если на аналоговый сигнал в пути «налипнет» какая-нибудь помеха, какой-нибудь посторонний ток, то от него уже не избавишься, и вместо слова «красота» ваш телефонный собеседник вполне может услышать «кароста». С цифрового сигнала помеху можно просто срезать с помощью ограничителя, в простейшем случае он собран из диодов с запирающими постоянными напряжениями.

Ограничители применяют и в аналоговых устройствах с частотной модуляцией, поскольку в этом случае, в отличие от модуляции амплитудной, несколько срезать амплитуду сигнала не опасно. В значительной мере благодаря имеющимся в приёмнике ограничителям помех, радиопередачи с частотной модуляцией отличаются высоким качеством.

ВК-252. Все последующие этапы есть последовательное изготовление интегральной схемы в кристалле. Для начала его покрывают тонким светочувствительным слоем — фоторезистом (1). Затем через шаблон маски при сильном уменьшении на фоторезист направляют свет (2), и на нём появляются микроскопические освещённые точки. Именно в этих точках свет меняет вещество фоторезиста, и после проявки (3) в маске образуются отверстия, открывающие доступ к кристаллу.

Р-105. УСИЛИТЕЛЬ ПРЕВРАЩАЕТСЯ В ГЕНЕРАТОР. Для начала возьмём типичный усилительный каскад, у которого во входную цепь включён колебательный контур L_кC_к (1). А в коллекторную цепь включена катушка L_ос — обозначение «ос» означает «обратная связь». Катушки L_к и L_oc находятся на одном каркасе и связаны общим магнитным полем, благодаря которому часть энергии из коллекторной цепи возвращается в базовую. Такая передача энергии как раз и есть обратная связь, прямая связь — это влияние базовой цепи на коллекторную через коллекторный ток в транзисторе. Если в контур L_кC_к попадёт какая-нибудь порция энергии, если, например, от батарейки зарядить конденсатор С_к, то в контуре возникнут свободные колебания. Они, правда, быстро прекратятся — энергия, полученная от батарейки, будет израсходована на преодоление потерь. Но если контур включён в нашу схему и связан с катушкой L_oc, то за счёт полученной от неё энергии потери в контуре могут быть скомпенсированы и колебания будут продолжаться вечно — усилитель превратится в генератор. При этом, разумеется, обратная связь должна быть положительной — она должна поддерживать контурный ток. Если же обратная связь окажется отрицательной (то есть будет ослаблять сигнал в контуре), то её нужно просто сдвинуть по фазе на 180°, для этого проще всего поменять местами (перепаять) выводы катушки или катушки L_к. Ну а если обратная связь слишком слабая, то нужно сблизить эти катушки. Две следующие схемы отличаются от первой прежде всего тем, что в них нет отдельной катушки L_оc и напряжение обратной связи снимается с части контурной катушки (2) либо с части контурной ёмкости (3), которая в данном случае образована двумя последовательно соединёнными конденсаторами С₁ и С₂. Их общая ёмкость «меньше наименьшей», она вычисляется по такой же примерно формуле, как общее сопротивление двух параллельно соединённых резисторов («произведение на сумму»).

Ламповые генераторы появились в 1913 году и, по сути дела, не изменяясь, пришли в наше время. Они открыли новую эпоху получения высокочастотных токов, которые до этого извлекали из электрической искры или дуги, а также пытались получить от специальных быстроходных машинных электрогенераторов.

Т-211. Генератор импульсов — мультивибратор. Взяв за основу переменное напряжение с кварцевого генератора, сделав из него с помощью диода пульсирующий ток, обработав этот ток ограничителями и фильтрами, можно получить бесконечную последовательность высокостабильных прямоугольных импульсов тока и из них с помощью шифратора формировать нужные цифровые сигналы. Но есть генераторы, которые сразу выдают импульсный ток. Один из самых простых таких импульсных генераторов — мультивибратор (Р-117), радиолюбители часто используют его в самодельных музыкальных инструментах и переключателях ёлочных гирлянд. В мультивибраторе два транзистора, коллектор каждого связан с базой соседа, причём так, что транзисторы поочередно друг друга открывают и в коллекторной цепи каждого поочередно появляются импульсы тока. Подбором резисторов и конденсаторов частоту импульсов можно менять в широких пределах — от долей герца до многих килогерц.

Т-212. Триггер: делитель на два и элемент, запоминающий один бит — минимальную порцию информации. Триггер — один из самых популярных схемных элементов вычислительной техники, в нём тоже два транзистора (как минимум), и коллектор каждого, так же как в мультивибраторе, связан с базой другого. Но схема связи иная, и режим триггера совсем иной — транзисторы тоже открываются поочерёдно, но не самовольно, как в мультивибраторе (Т-8), а только по указанию внешнего пускового импульса, поступающего на общий вход. Иными словами, под действием входных импульсов транзисторы открываются через такт или, иначе говоря, делят на два частоту входных импульсов. Так, например, если входные импульсы следуют с частотой 1000 герц, то есть на входе появляется 1000 импульсов в секунду, то каждый из транзисторов триггера, открываясь через такт, будет выдавать в секунду 500 импульсов коллекторного тока. Соединив последовательно несколько триггеров, можно делить частоту входных импульсов на 2, 4, 8, 16 и так далее (Р-118), а это уже некая математическая квалификация.

Из нескольких триггеров можно собрать ячейку памяти для запоминания цифрового сигнала в виде любой комбинации импульсов и пауз. Сразу заметим, что один импульс («единица») или одна пауза, то есть отсутствие импульса на своём месте («ноль»), есть минимальная порция передаваемой информации. Называется эта порция бит, от объединения английских слов «байнэри диджит» (binary digit) — «двоичный знак». Более крупную единицу 1 Байт = 8 бит можно записать в ячейку памяти из восьми триггеров.

Т-213. Элементы логики — схемы И, ИЛИ, НЕТ. Эти три очень простые схемы называют электронными логическими элементами, поскольку они в электрическом варианте выполняют три известные операции математической логики: И, ИЛИ, НЕТ, последнюю операцию иногда называют НЕ (Р-120). Так схема И сработает, то есть выдаст выходной импульс тока, только в том случае, если импульсные сигналы одновременно придут и на первый её вход, и на второй. Схема ИЛИ сработает от одного импульса, поступившего на любой из её входов: или на первый, или на второй. Наконец, схема НЕТ (НЕ), пропуская через себя входные импульсы, делает всё наоборот: при появлении входного импульса она не выдаёт импульс на своём выходе, а не получая на вход импульсы, не обращает на это никакого внимания (Т-8) и выдаёт импульсы на выходе. Иными словами, если подать 1 на вход схемы НЕТ, то на её выходе будет 0, а если подать на вход 0, то на выходе будет 1.

Схемы И, ИЛИ, НЕТ, особенно в сочетании с другими электронными цифровыми блоками, выполняют весьма сложные логические и математические операции. Простой и наглядный пример — одноразрядный сумматор.

Р-106. ГЕНЕРАТОРЫ: ОТ КОНТУРА С БОЛЬШОЙ КАТУШКОЙ ДО АТОМА. В каждом радио-, телевизионном или ином передатчике обязательно есть транзисторный или ламповый генератор, с которого всё начинается, его поэтому часто называют задающий генератор. Именно он определяет (задаёт) частоту, на которой передатчик работает, то есть излучает радиоволны. Для самых низких частот длинноволнового диапазона (1) в задающем генераторе нужен контур L_кC_к с очень большой индуктивностью катушки (ёмкость конденсатора увеличивать не стоит, при этом снижается добротность, Р-112) — возможно, в ней будет несколько сотен или даже несколько тысяч витков. По мере повышения рабочей частоты (переход на более короткие волны) индуктивность катушки будет уменьшаться и на коротких волнах в ней может остаться всего 3–5 витков (2). Когда уменьшение индуктивности становится сложным или нецелесообразным, в качестве резонансной системы часто используют короткозамкнутую двухпроводную линию длиной примерно ¹/₄ А длины волны (3). А для ещё более коротких волн вместо колебательного LC-контура применяют объёмный резонатор (4). В нём возникает резонанс на частоте, которая зависит от размеров и формы резонатора. Уже в диапазоне инфракрасных и более коротковолновых (более высокочастотных) излучений пользуются излучателями и резонаторами, которые сконструировала и изготовила сама природа, — молекулами и атомами. При изменении их запаса энергии они излучают порцию электромагнитных волн строго определённой частоты (5) — длина волны в этом случае измеряется миллиметрами, микронами и нанометрами.

Т-214. Сумматор — представитель рассуждающей электроники. Одна из профессий цифрового сигнала — с его помощью выполняются математические операции, производятся вычисления. При этом используется двоичная система представления чисел вместо привычной десятичной. В десятичной системе есть десять разных цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. При этом дальнейший счёт после девяти, например 9 + 1, сопровождается переходом в следующий разряд 9 + 1 = 10. В двоичной системе всего две цифры 0 и 1, поэтому во второй разряд переходят уже при операции 1 + 1 = 10. То есть двоичное 10 — это наше десятичное 2, десятичное 3 — это двоичное 10 + 1 = 11, десятичное 4 — это двоичное 11 + 1 = 101 и так далее. Запись получается более громоздкой, но зато всего два знака 1 и 0, которые можно отобразить любым электрическим импульсом и паузой, легко выполняя с комбинациями сигналов 1 и 0 множество логических и арифметических операций. Чтобы вместо двоичной системы перейти на десятичную, пришлось бы ввести десять разных по величине импульсов, а это невероятно усложнило бы электронные схемы. Между тем тот факт, что электронная математика работает в двоичной системе, нисколько не мешает нам пользоваться десятичной — сами же электронные схемы мгновенно переводят десятичное число в двоичное или, наоборот, двоичное в десятичное.

Посмотрим, как работает электронная арифметика, на примере простейшего сумматора, выполняющего четыре варианта сложения 1 и 0, а именно: 0 + 0 = 0; 0 + 1 = 1;1 + 0 = 1 и 1 + 1 = 10 (Р-121). В сумматоре четыре логических элемента, первые три операции они выполняют сравнительно легко, с четвёртой сложнее, нужно записать 1 в следующий (второй) разряд, а в первом поставить 0, поскольку при двоичном счёте 1 + 1 = 10. В дело вступает элемент НЕТ (НЕ), который в первых трёх операциях получал на свой вход 0 и, делая всё наоборот, посылал 1 на вход И1, помогая ему во второй и в третьей операциях выдать 1. В операции 1 + 1 у элемента НЕТ (НЕ) на входе наконец появляется 1, и, естественно, он выдаёт 0. Поэтому И1 сработать не может, и в первом разряде появляется нужный 0. Одновременно, получив 1 на оба входа, срабатывает И2 и посылает 1 во второй разряд.

Из подобных рассуждающих (Т-8) блоков собираются очень сложные электронные системы для работы с цифровой информацией, в том числе самая квалифицированная система — микропроцессор. О его способностях косвенно говорит то, что в современном микропроцессоре сотни миллионов и даже миллиарды таких блоков, как сумматор.

Т-215. Шифратор и дешифратор. Построив собственную линию цифровой телеграфной связи, её создатели могут договориться и ввести у себя любую систему кодирования. Например, букву А кодировать двумя импульсами (11), букву Б — тремя (111), букву В — двумя импульсами с паузой между ними (101) и так далее. Но в мире существует несколько стандартов кодировки, ими пользуются в технике связи и в персональных компьютерах. Основа практически всех стандартов восьмибитовый сигнал, то есть байт — различные комбинации из восьми импульсов или пауз. Таких комбинаций может быть 28 = 256, то есть байт может закодировать (снабдить условными обозначениями, кодами) 256 букв, цифр, знаков препинания, вспомогательных команд, например, «перейти на большие буквы» или «стереть». Вы нажимаете нужную клавишу на клавиатуре, особая схема по имени шифратор мгновенно формирует соответствующую восьмибитовую шифровку, и по восьмипроводной линии посылает её дальше. Сырьё для этих шифровок даёт тактовый генератор, из него импульсы тоже по восьмипроводной линии входят в шифратор. Но только в шифратор импульсы входят по всем восьми проводам, а из него выходят лишь по некоторым — в зависимости от того, какая нажата клавиша, какой ей соответствует код.

В месте приёма обратную задачу решает дешифратор. В него один за другим приходят восьмибитовые «залпы», дешифратор распознаёт записанную в них комбинацию импульсов и пауз и тут же определяет, что именно зашифровано в данной комбинации. В каких-то случаях дешифратор может, распознав шифры, сразу изобразить на экране соответствующие им буквы, цифры или знаки. А ещё результат расшифровки дешифратор может направить принтеру, и тот отпечатает расшифрованный текст. Системы «шифратор-дешифратор» автоматически, безошибочно и очень быстро распознают в полученных байтах адреса и направляют информацию в нужные отделы памяти или извлекают её из нужных отделов, направляют в нужные отделы микропроцессора посланные ему определённые команды, одним словом, используются очень широко (Р-119). В данном случае, думается, очень важно подчеркнуть слова «автоматически, безошибочно и очень быстро».

Р-107. ЭЛЕКТРОНЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ТОКЕ ДВИЖУТСЯ ОЧЕНЬ МЕДЛЕННО, НО САМ ТОК ПРОДВИГАЕТСЯ ОЧЕНЬ БЫСТРО. Приближаясь к окончанию книги, хотелось бы напомнить, что в ней очень многое рассказано упрощенно и далеко не полно. У читателя есть возможность дополнить это упрощённое изложение с помощью других популярных книг или журнальных статей. В качестве примера приводим короткий рассказ о некоторых ещё не освещённых в книге особенностях электрического тока.

Если проводник никуда не подключён, то свободные электроны в нём беспорядочно движутся в разные стороны и в среднем проходят очень небольшие расстояния при каждом таком движении. Об их активности говорит температура проводника — чем она выше, тем активнее хаотическое движение свободных частиц, оно прекращается только при температуре абсолютного нуля, то есть примерно при температуре минус 273 градусов Цельсия. Если подключить проводник к какому-либо источнику постоянного напряжения, например к гальваническому элементу или батарейке, то к этому хаотическому движению электронов добавится некоторое их смещение под действием электрического напряжения источника — реально от «минуса» к «плюсу» и условно в противоположном направлении. Это смещение и есть электрический ток, который движется с очень низкой скоростью — сантиметры и даже миллиметры в секунду. Однако представление о том, что электрический ток движется по проводам очень быстро, совершенно справедливо. Оно связано с тем, что при подключении к источнику напряжения его электрическое поле распространяется вдоль проводной линии со скоростью света (300 000 километров в секунду). При этом движение зарядов, которое мы называем «электрический ток», начинается практически сразу во всём проводнике. Реальное представление об этой высокой скорости распространения тока можно получить, отмечая время отправки и прибытия электрического сигнала, пробегающего тысячи километров за какие-то доли секунды, например, в сети Интернета или по линии междугородного телефона.

Т-216. Преобразование аналогового сигнала в цифровой и цифрового в аналоговый. Желание воспользоваться достоинствами цифровых систем, в частности, их помехозащищённостью, привело к тому, что аналоговый сигнал преобразуют в цифровой, производят с ним необходимые операции (например, пересылают на огромные расстояния) и вновь превращают в аналоговый. Один из хорошо всем известных примеров — компакт-диски CD и DVD. На них в цифровом виде записана музыка, которая по своей природе изначально была представлена аналоговым сигналом — непрерывно меняющимся звуковым давлением. А поскольку слушаем мы тоже не «цифру», а старый добрый аналоговый звук, то прочитанную с диска цифровую запись в музыкальном центре или в приёмнике превращают в аналоговый электрический сигнал, который в итоге отдают громкоговорителям.

Главную работу выполняют два непростых, но теперь уже недорогих электронных блока — аналогово-цифровой преобразователь, сокращённо АЦП, и цифро-аналоговый преобразователь, ЦАП. Первый из них — это фактически шифратор, он много тысяч раз в секунду измеряет уровень аналогового сигнала и каждый раз формирует кодированный цифровой сигнал, принятый для измеренного уровня. Второй преобразователь, ЦАП, — дешифратор. Получив цифровой сигнал, он создаёт соответствующее этому коду мгновенное значение аналогового сигнала. Примерно то же самое происходит и в других аналогово-цифровых системах, в том числе в цифровых сотовых телефонах. В звукозаписи на CD цифровые сигналы 23-битные, это позволяет закодировать несколько миллионов разных уровней звука, то есть очень точно записать его в цифровом виде.

ВК-253. Кристалл помещают в вакуумную камеру (изолированную от внешней среды), в неё также вводится газообразная примесь, которая должна попасть в кристалл сквозь отверстия данной маски (1). Весь цикл операций, как правило, повторяют несколько раз (2) с разными масками и разными примесями и в поверхностном слое кристалла создают сложную схему. В итоге на поверхности кристалла формируют тончайшую проводниковую цепь (3).

Р-108. РАДИОСИГНАЛ, ОТРАЖЁННЫЙ ОТ КОСМИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛА. Известно, что очень длинные радиоволны (ДВ) хорошо перекатываются через все земные неровности и даже огибают саму нашу шарообразную планету (1). Именно поэтому много лет назад первые голландские и английские радиостанции, работая в диапазоне длинных волн, поддерживали телеграфную связь с колониями, расположенными в районе Индонезии и Австралии. Станции средних волн (СВ) земную поверхность уже не огибают, и их можно услышать на расстоянии 100, в лучшем случае 200 километров. Можно ли из этого сделать вывод, что с увеличением частоты дальность передачи уменьшается? Оказывается, нельзя. Известно, что некоторые СВ-передатчики в ночное время слышны на расстояниях, измеряемых тысячами километров. Дело в том, что ночью высоко в атмосфере образуется слой с большим количеством ионов, и от этого слоя, как от зеркала, отражаются средние радиоволны, попадая на территории, удалённые от передатчика. Аналогично короткие волны (КВ), отражаясь от сильно ионизированных слоёв атмосферы (ионосферы), круглые сутки могут быть слышны на любом отдалении от места передачи (3). Много лет назад короткие волны, как диапазон ближнего действия, за ненадобностью были отданы радиолюбителям. Они-то и обнаружили дальнее распространение КВ, приняв в Европе американские передатчики. Все остальные диапазоны после КВ, которым отданы более короткие радиоволны, — это диапазоны ближнего действия. От ионосферы они не отражаются, а легко проходят сквозь неё и отправляются куда-нибудь на Марс или подальше. Реальный способ расширить зону действия этих передатчиков — установка передающих антенн на крыше очень высокого здания или на высокой металлической мачте. Диапазон ближнего действия это, с одной стороны, конечно, плохо, но, с другой стороны, хорошо. Если зона действия передатчика ограничена сотней километров, то на расстоянии 200 километров можно строить такой же передатчик и отдать ему те же рабочие частоты — передатчики мешать друг другу не будут. Ну а в каком-нибудь особом случае, когда, например, местная передача имеет мировое значение, её можно перебросить куда угодно по радиорелейной линии или через спутник-ретранслятор.

Т-217. Миллион профессий электроники. Перед нами промелькнуло десятка полтора схемных блоков, которых наверняка существуют тысячи и которые, собираясь огромными компаниями (Т-8), создают совсем уже бессчётное множество электронных схем, приборов, аппаратов, методов и систем. Иногда полезно коротко вспомнить хотя бы о некоторых из них.

Т-218. Радио: из частотной хижины в дворцы. Когда диктор объявляет: «Наша радиостанция работает на частоте 400 килогерц», — он не говорит вам всей правды. Модуляция — процесс нелинейный и сопровождается появлением в спектре новых составляющих. Это боковые частоты, они выше и ниже, чем основная, несущая частот передатчика (Р-109), который реально излучает в эфир не одну частоту, а полосу частот и её обязательно нужно доставить в приёмник. При этом ширина полосы зависит от модулирующего сигнала: при AM для музыки нужна полоса 20 кГц, при ЧМ — 150–200 кГц, для телевидения — более 6 МГц. Передатчики, чтобы не налезать друг на друга, должны соблюдать частотный интервал, и в любом диапазоне, не мешая друг другу, может работать ограниченное число радиостанций.

Первые несколько десятилетий для радио использовались лишь диапазоны средних и длинных волн (ДВ и СВ), в которых имеется «частотная жилплощадь» примерно для сотни радиовещательных станций. В начале в мире работало всего несколько радиопередатчиков, но вскоре жизнь радистов уже во многом определял термин теснота в эфире. Заметно улучшили дело короткие волны (КВ), и совершенно новые возможности появились, когда инженеры создали приборы и схемы, работающие на метровых (MB или УКВ), дециметровых (ДМВ) и сантиметровых волнах, или, иначе, на сверхвысоких частотах (СВЧ). Это огромные частотные дворцы (Т-8), только в одном СВЧ-диапазоне, не мешая друг другу, могли бы работать 30 миллионов радиовещательных станций или 5 тысяч телецентров, в то время как во всём объединённом ДВ-, СВ-диапазоне не хватит места даже для одной ТВ-программы. Если бы не новая сверхвысокочастотная радиоэлектроника, не видать бы нам ни телевидения, ни современной радиолокации, ни сотовых телефонов.

Р-109. ЧАСТОТНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ. Честно признавшись в невозможности в этой книге об электричестве достойно поговорить об электронике (Т-9), автор всё же пытается в самых общих чертах сказать о ней несколько слов. Сейчас речь о том, что радиовещательные станции в основном работают в двух диапазонах — на средних и ультракоротких волнах. В первом из этих диапазонов (1) частотная территория мала (от 530 до 1700 кГц, то есть всего 1170 кГц). Поэтому станции работают здесь с экономной амплитудной модуляцией (сокращенно AM, обычно средневолновый радиовещательный диапазон тоже так называют), и каждая занимает полосу частот 20 кГц. Вообще-то в АМ-диапазоне узаконенное расстояние между несущими частотами f_н соседних станций примерно 10 кГц, но стараются, чтобы близкие по частоте станции находились подальше одна от другой и не очень мешали друг другу. Благодаря этому станции излучают несколько более широкую полосу и обеспечивают не очень высокое, но всё же приемлемое качество звучания. В диапазоне ультракоротких волн (2) частотная территория значительно больше (от 76 000 до 90 000 кГц, то есть всего 14 000 кГц, в 12 раз больше, чем в АМ-диапазоне). Поэтому станции могут работать здесь с менее экономной, но более совершенной частотной модуляцией (сокращённо ЧМ, обычно ультракоротковолновый радиовещательный диапазон тоже так называют) и занимать значительно более широкую полосу частот. Это позволяет использовать особые средства и схемы для подавления помех и значительно более высокого качества звучания. Приёмники для AM- и ЧМ-диапазонов (1,2) во многом похожи, но детекторы у них, конечно, разные. Один из них выделяет низкочастотный сигнал, работая с изменениями амплитуды (1). Другой детектор выделяет низкочастотный сигнал, работая с изменениями частоты (2). В приёмниках с диапазонами AM и ЧМ есть два переключаемых детектора.

В заключение хочется заметить, что распределение рабочих радиочастот и контроль их использования в наше время дело особо сложное и ответственное. Достаточно вспомнить о таких потребителях рабочих частот, как гражданская авиация и вооруженные силы.

Т-219. СВЧ — совсем другая радиотехника. Для сверхвысокочастотных диапазонов пришлось создавать принципиально новую технику. Вместо вакуумного триода применили мощный электромагнитный генератор магнетрон. Настроенный на определённую частоту колебательный LC-контур превратился в медный цилиндр строго определённых размеров. Кабель стал металлической трубой по имени волновод. Высоко поднятый провод антенны заменил маленький излучатель с рефлектором в виде тарелки, которую мы сегодня видим довольно часто.

Т-220. Наследники первой электрической профессии. Имея в виду единую природу электричества и магнетизма, можно сказать, что первым практическим применением электромагнетизма был компас. Его нынешние наследники — системы радионавигации, они позволяют экипажу самолёта, корабля или даже одинокому путешественнику с высокой точностью оценить своё направление и, более того, свои координаты. Сегодня без локаторов и радионавигационных приборов самолёты не летают и моряки не выходят в море, а для военных это вообще техника жизни — была бы в своё время у американцев радиолокация, не случился бы у них Пёрл-Харбор. В принципе локатор работает очень просто: он посылает в пространство короткие импульсы радиоволн и тут же переключается на приём. Если через какое-то небольшое время посланный сигнал возвращается, значит, он отразился от какого-то объекта, расстояние до него можно определить по запаздыванию отражённого сигнала.

И радионавигация в принципе тоже дело несложное. Антенна в виде вертикального провода одинаково хорошо принимает радиоволны со всех направлений, а есть антенны направленные, они как бы усиливают сигналы, которые приходят с главного для них направления. Вращая такую антенну в горизонтальной плоскости, можно по максимуму сигнала найти направление на радиомаяк — специальный радиопередатчик с точно известным местонахождением. А принимая поочерёдно два разных маяка, можно в точке пересечения двух направлений получить свои собственные координаты. Примерно так же по сигналам, принятым со спутника, электронный блок может точно вычислить ваши координаты и привязать их к одной из карт местности, которая хранится в памяти вашего небольшого навигационного аппарата.

В принципе, в общих чертах всё это действительно очень просто, но понадобилась сложная аппаратура и, конечно, годы напряженного труда учёных и инженеров, чтобы получить то, что сегодня умеют радионавигация и радиолокация.

Т-221. Сотовый телефон — важный шаг к всеобщей связи. Отметив, что в СВЧ-диапазоне могло бы работать 30 миллионов радиовещательных станций, мы очень сильно приуменьшили реальную цифру. Дело в том, что радиоволны короче нескольких десятков метров, в отличие от длинных волн, не огибают земной поверхности, не проходят за линию горизонта. Поэтому радиостанции, отдалённые на 100 километров, спокойно могут работать в сантиметровом диапазоне на одной и той же частоте, не мешая друг другу.

Это бесспорное достоинство на протяжении многих лет больше огорчало, чем радовало: сверхкороткие радиоволны были диапазоном только близкого действия, их можно было принять лишь на расстоянии, как принято говорить, прямой видимости. Но и этот непоправимый, казалось бы, недостаток сумела преодолеть инженерная настойчивость. На сотни и тысячи километров протянулись радиорелейные линии связи, где СВЧ-радиосигнал, как эстафету, передают от одного ретранслятора к другому. Этот сигнал может переносить тысячи телефонных разговоров, каждый на своей поднесущей частоте. Такой же многоканальный сверхвысокочастотный сигнал научились передавать по специальному кабелю со встроенными усилителями. Появились спутники-ретрансляторы, вращаясь синхронно с Землей, они на высоте около 36 тысяч километров постоянно висят над каким-нибудь большим регионом и снабжают его телевизионными программами, которыми регионы делятся друг с другом без всяких проблем.

Наконец, ещё одно новшество, без которого непонятно, как мы обходились раньше. Несколько лет назад стал доступным и очень распространённым сотовый радиотелефон (Р-115). Размещённые в его корпусе миниатюрные радиоприёмник и радиопередатчик тоже работают на СВЧ и поддерживают связь с мощными приёмопередатчиками, которые благодаря высоко поднятым антеннам обслуживают довольно большой район. Через этот мало кому знакомый центр связи ваш сотовый аппарат попадает на главную телефонную станцию города, к другим владельцам сотовых телефонов, а если нужно, то и в какую-либо далёкую страну.

Ещё не так давно как об очень далёком будущем специалисты говорили о всеобщей связи, о возможности каждого человека немедленно связаться с любым другим человеком на Земле. Достижения радиоэлектроники последнего времени, в частности, сотовый телефон, быстро продвигают эту мечту к реальности, и цель уже не за горами.

Р-110. ВРЕМЕННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ. Рисунок поясняет совершенно иную систему разделения каналов — временную (ударение на «у»), то есть по времени появления передаваемого и принимаемого сигналов. Предполагается, что каждая из пяти программ передаётся быстро следующими друг за другом малыми порциями 1, 2, 3, 4, 5. Слушатель переключателем П1 выбирает нужную ему программу (в нашем примере это программа 2), подключившись к одному из пяти неподвижных контактов. В месте приёма автомат тут же запоминает нужное положение выключателя П2 (в нашем примере, напоминаем, это положение 2), и после этого электронные переключатели ЭП1 и ЭП2 будут включать всю линию связи только в те моменты (лучше бы сказать «мгновения»), когда по ней передаются импульсы второго канала. Таких линий в нашем примере можно сделать пять, они будут работать практически одновременно, дав слушателю возможность выбрать переключателем П1 любую из передающихся пяти программ. В реальных кабельных линиях цифровой связи с временным (ударение на «ы») разделением каналов и быстродействующими транзисторными переключателями практически одновременно работают многие тысячи линий связи, по которым передаются тексты, телефонные разговоры и телевизионные программы. Такие системы уже несколько лет как работают, вы пользуетесь ими, часто даже не зная, что с традиционного частотного разделения каналов перешли на временное (ударение на «о»).

Т-222. На очереди свет. А нельзя ли в помощь сантиметровым волнам использовать радиоволны ещё более короткие и тем самым открыть новые частотные территории для систем связи? Миллиметровые волны ещё в каких-то случаях для этого используют, но и они заметно теряют свою мощность в каплях дождя и в тумане, а более короткие волны для радиосвязи совсем непригодны. Зато всё больше в системах цифровой связи используется свет — электромагнитные волны длиной меньше микрона. Но путешествуют световые сигналы не в открытом пространстве, а по тонкой прозрачной кварцевой нити — по световоду. Источник света — специальные лазеры, обычно их сигнал проходит по световоду сотни километров, из света легко формируются нужные комбинации импульсов цифрового сигнала, а если в линии они заметно затухают, то их несложно восстановить, и дальше сигнал пойдёт как новенький. В месте приёма световой сигнал преобразуется в обычный электрический. В соревновании электрических и световых систем связи (надо бы сказать аккуратнее, свет тоже электромагнитный процесс) решающее слово за надёжностью и простотой техники, а в итоге за стоимостью системы. Сегодня свет уже заметно потеснил своего конкурента, но некоторые специалисты считают, что главные победы у него ещё впереди.

Т-223. Электроника — мир бессчётных превращений. Световоды широко используются для передачи не только разных видов цифровой информации, но и телевизионной картинки. При этом она проходит множество преобразований. Сначала с картинки снимают электрическую копию, её превращают в аналоговый сигнал, затем в электрический цифровой сигнал, он копируется в световой и проходит по световоду к месту приёма, где проводятся те же операции, но в обратном порядке. В итоге на большом экране воспроизводят картинку, с которой всё начиналось. Для электроники подобная цепочка превращений — дело обычное, преобразование сигналов, пожалуй, главная её технология.

ВК-254. Главное на рисунке — примыкающие один к другому шкафы на заднем плане. Это автоматическая линия, которая без прикосновения человеческой руки производит интегральные схемы. Две условные фигуры операторов лишь иллюстрируют последние процессы. Первый — проверка десятков одинаковых схем, одновременно созданных на большой пластине кремния, и отбраковка схем с низкими параметрами. Второй процесс — установка вырезанной схемы в корпус и её соединение с контактными ножками.

Р-111. СУПЕРГЕТЕРОДИН — ПРИЁМНИК, ЛУЧШЕ КОТОРОГО ПОКА НЕТ. Мы уже знаем, что если через нелинейный элемент пропустить синусоидальный ток, то он перестанет быть синусоидальным. Он будет искажён, появится его спектр — набор синусоидальных составляющих разных частот. А что будет, если через нелинейный элемент одновременно пропустить два тока с разными частотами? Ответ прост — искажен будет каждый из них, и в итоге мы получим два спектра в общем выходном проводе. Но это ещё, оказывается, не всё — в спектре появятся составляющие, рождённые именно совместным появлением двух токов в нелинейном элементе. Если, например, пропустить через него токи с частотами 300 и 400 кГц, то кроме гармоник каждого из них (в нашем примере 600, 900 кГц и далее, а также 800, 1200 кГц и далее) в спектре появятся составляющие с частотами 700 и 100 кГц. Первая из этих частот называется суммарной и численно равна f_cyм = 300 + 400 = 700 кГц. Вторая частота разностная, она равна f_р = 400–300 = 100 кГц.

Все рассказанное можно считать коротким предисловием к ещё более короткому рассказу о радиоприёмнике по имени супергетеродин. Он широко используется в радиолах, телевизорах, сотовых телефонах, военных системах радиосвязи, переносных приёмниках. В наиболее простом варианте (1) всё начинается с нелинейного элемента (транзистор Т₁), который называется преобразователь частоты. На его вход подаются два переменных тока — сигнал принимаемой станции с частотой f_с и сигнал вспомогательного генератора по имени гетеродин с частотой f_г Контур, выполняющий роль коллекторной нагрузки, настроен на разностную, или иначе промежуточную, частоту f_пр = f_г — f_c. Далее следуют еще два усилительных каскада (Т₃, Т₄) и четыре контура L_прC_пр, настроенных на f_пр. Четыре контура (контуров может быть и больше, так как их не перестраивают) совместно создают острую резонансную кривую (2), то есть сильное подавление соседних станций. Чтобы перестроиться на другую станцию, достаточно изменить частоту гетеродина и создать f_пр с сигналом этой другой станции. Одновременно, правда, нужно перестроить и входной контур L_кC_к, который должен подавить далекую, к счастью, по частоте, как её называют, зеркальную помеху (f_зр). Её сигнал мог бы создать с гетеродином ещё один сигнал промежуточной частоты (f_пч (ЗП)), от которого после преобразователя уже не избавишься.

Т-224. Две непременные операции — принять и применить. Если строго, по энциклопедии, то электроникой называется область науки и техники, которая занимается электрическими зарядами, их взаимодействием с электромагнитными полями и созданием электронных приборов, таких как лампы, транзисторы, кинескопы. Но принято считать, что электроника занимается сбором информации, отображением её в электрических сигналах, их обработкой и, наконец, использованием полученных результатов. Первую часть этой работы очень часто выполняют датчики, последнюю — исполнительные устройства. Одна такая пара хорошо всем известна — это микрофон, который превращает звук в ток, и громкоговоритель, который превращает ток в звук. Основа датчиков света (фотоэлементов, фотодиодов, фоторезисторов) — вещество, из которого свет выбивает электроны и порождает таким образом электрический сигнал. Фотоэлемент входит в датчик задымлённости, реагируя на изменение оптических свойств воздуха. Фотоэлемент становится, так сказать, датчиком текста, последовательно, линию за линией, считывая информацию с листа бумаги в сканере или факс-аппарате. Пьезокристалл — датчик механической деформации, при сжатии или изгибе на нём появляется э.д.с. Самые простые датчики — разного типа выключатели, они сообщают, какая нажата кнопка или клавиша, закрыта ли дверь лифта и лежит ли на месте телефонная трубка.

Исполнительных устройств тоже огромное многообразие. Это лампочки и светодиоды, с помощью которых электрический сигнал сообщает о том, что где-то что-то включилось или выключилось. Это также жидкокристаллический экран электронных часов или калькулятора, на котором комбинации токов рисуют буквы и цифры. Это, наконец, миллионы светоизлучающих крупинок на экране кинескопа, при попадании в них электронного луча они светятся, создавая яркую цветную картинку. Исполнительным механизмом часто бывает электродвигатель, например, в плече робота или в приводе солнечной батареи на спутнике. Но бывает, что в электронном устройстве исполнителя нет, и обработанную информацию он передаёт дальше, в другие системы.

ВК-255. Появившиеся более ста лет назад два основных направления в использовании электричества сегодня выросли в две огромные области науки и индустрии: электроэнергетику и радиоэлектронику. Каждая из этих областей имеет свои большие достижения и непростые проблемы. Проблемы энергетики, правда, широкой публике не очень известны, а её достижения миллионам людей часто представляются чуть ли не природными достоинствами мира, в котором мы проживаем.

Р-112. ДУМАЯ О РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЕ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО КОНТУРА, НЕ НУЖНО ЗАБЫВАТЬ О ЕГО ДОБРОТНОСТИ. Завершая наши последние встречи с колебательным контуром, обратим внимание на то, о чём стоит подумать, выбирая его детали: катушку индуктивности L_к и конденсатор С_к. Для начала попробуем записать, как резонансная частота контура зависит от ёмкости конденсатора и индуктивности катушки. Начнём с того, что нам уже давно известно, — резонанс в контуре происходит при равенстве его ёмкостного и индуктивного сопротивлений, то есть при условии х_L = х_с (Р-66). Подставим сюда уже известные нам значения этих реактивных сопротивлений х_L и х на резонансной частоте f_рез и согласно известному правилу (Р-24) попробуем получить f_рез в одиночестве, то есть посмотрим, как эта величина зависит от всех остальных. В итоге мы получим значение f_рез, показанное на рисунке. Из него видно, что резонансная частота в одинаковой мере зависит от индуктивности L_к контура и его ёмкости С_к. Казалось бы, нужную резонансную частоту можно получить при любом соотношении этих величин — намотать, например, катушку в 3–5 витков, а ёмкость взять побольше, несколько микрофарад.

Размышляя об этом, полезно подумать о другой характеристике контура, о его добротности Q. Эта величина говорит о том, насколько энергия, запасаемая в конденсаторе или катушке, больше того, что теряется в разного рода сопротивлениях, кроме того, чем больше Q, тем острее резонансная кривая (2). И вывод — с целью повышения Q желательно, чтобы отношение L/C было побольше, то есть индуктивность контура должна быть достаточно большой, чтобы получился контур с высокой добротностью. А высокая добротность — это хорошее ослабление соседних станций, высокая стабильность частоты генератора и много других очень важных достоинств.

Кстати, у контура реально есть два вида потерь, одни отображаются сопротивлением R_к2, включённым в цепь катушки, а другие сопротивлением R_к1, подключённым параллельно контуру. Во многих случаях можно сделать упрощённый пересчёт и считать, что сопротивления R_к1 нет вообще, a R_к2 несколько увеличилось.

Т-225. Передаётся картинка. Телевидение — один из самых известных широкой публике представителей электроники. Придумано оно было тогда же примерно, когда и радио, но доступным и распространённым стало лет через пятьдесят — для передачи картинки пришлось решить значительно более сложные задачи, чем для передачи звука.

В двух словах напомним, как это делается (Р-113). Объектив видеокамеры проектирует картинку на экран вакуумной передающей трубки, а этот экран изнутри покрыт миллионами микроскопических крупинок-фотоэлементов. Под действием света на них собираются заряды, и чем больше света достаётся какой-нибудь точке экрана, тем больше заряд на ней — световая картинка превращается в невидимую электрическую. Электронный луч быстро строку за строкой обегает экран, собирает заряды и создаёт аналоговый электрический видеосигнал — электрическое описание картинки, отчёт о том, как менялась яркость от точки к точке.

Видеосигнал с помощью радиоволн или по кабелю попадает в ваш телевизор и в итоге управляет электронным лучом, который также строку за строкой быстро обегает экран кинескопа. Это тоже вакуумная трубка (скорее, колба), экран которой изнутри покрыт мельчайшими крупинками уже не светочувствительного, а светоизлучающего вещества — крупинками люминофора. Они светятся, когда в них ударяет электронный луч, и тем ярче, чем сильней удары электронов. Видеосигнал, управляя электронным лучом, заставляет его менять яркость светящихся точек, по мере того как луч с огромной скоростью 25 раз в секунду строку за строкой прочерчивает весь экран. В итоге электронный луч рисует на экране картинку, в точности такую же, какую считывала передающая трубка видеокамеры.

За этим азбучным описанием следует много интересных подробностей, много великолепно решённых сложнейших задач. Например, такая задача: во всех телевизорах электронный луч в любой момент времени должен находиться в той точке экрана, в какой в этот момент находится считывающий луч передающей трубки. То есть считывающий электронный луч в передающей трубке и рисующий луч в приёмной трубке должны двигаться синхронно и синфазно — только при этом условии на экране кинескопа вы увидите то, что видит видеокамера. А вот решение проблемы — в видеосигнал при передаче вставляют особые синхронизирующие импульсы, которые в телевизоре выделяются из видеосигнала и управляют движением электронного луча в кинескопе.

ВК-256. Электрическое могущество России — это 600 крупных электростанций, их суммарная мощность составляет 210 гигаватт, то есть 210 миллионов киловатт. Из тепловых электростанций 55 % одновременно снабжают своих потребителей горячей водой, а в зимнее время и отоплением. Тепловые станции, естественно, потребляют углеводородное топливо. На первом месте здесь природный газ, затем следует уголь (вдвое меньше газа), и на последнем месте нефтепродукты — примерно 8 % общего количества.

Р-113. КАРТИНКА ПЕРЕДАЁТСЯ МАЛЫМИ ПОРЦИЯМИ, НО ОЧЕНЬ БЫСТРО. Сейчас эти телевизоры все чаще называют старыми, но мы все же с них начнем наше знакомство с телевидением. Это идея, принцип, который прожил много десятилетий и проживёт ещё много лет, переходя из привычной модели в новую, в том числе в совсем другую. В системе передачи картинки есть два главных героя. Один из них — фотодиод, сокращённо ФД, под действием света в нём появляются электрические заряды. Второй наш герой — светодиод, сокращённо СД, под действием электричества он светится, чем больше зарядов к нему подведёшь, тем ярче. С помощью этой пары ФД и СД мы можем передать светящуюся точку хоть из Австралии в Канаду. Из попавшего на него света ФД создаст электрический сигнал, он пройдёт тысячи километров по интернетовскому кабелю или по радиолучу через спутник, и в месте приёма СД превратит этот ток в порцию света. Как говорится, полдела сделано, мы научились передавать и воспроизводить одну порцию света — одну светящуюся точку. Теперь, используя эту идею, нужно передать и принять состоящую из таких точек большую цветную картинку, что-то вроде фотографии. Для этого сначала создадим два экрана — передающий из ФД (фотодиодов) и приёмный из СД (светодиодов). В каждом экране примерно полмиллиона микроскопических (меньше миллиметра) диодов — 625 строк по 832 диода в каждой. Можно бы, конечно, объективом направить картинку на передающий экран и каждый его ФД соединить проводом с таким же по расположению СД приёмного экрана, но полмиллиона соединительных проводов или иных каналов связи — это многовато. Передающий картинку экран с ФД и воспроизводящий экран с СД поместили в стеклянные вакуумные баллоны (их почему-то называют трубками) и самое ответственное дело — переключение диодов (в передающей трубке ФД, в приёмной СД) поручим электронному лучу. Луч находится внутри баллона, система магнитных или электрических полей очень быстро перемещает его, и луч за 4 сотые доли секунды оббегает все диоды и повторяет эту операцию 25 раз в секунду. Повсеместно употребляемое ныне слово «цветной» заставляет признаться, что приведённое выше количество диодов нужно умножить на три. Потому что каждый ФД и СД (в приёмных трубках вместо них используют точки светящегося вещества — люминофора) это фактически система красного, синего и зелёного цвета, которые, сложившись, создают нормальное многоцветное изображение.

Ещё одна нелегко решавшаяся проблема — передача многоцветной картинки. Как учит опыт цветной фотографии, можно воспроизвести всё богатство красок, если, так сказать, утроить ТВ-систему — с помощью трёх светофильтров выделить три части цветной картинки: красную зелёную и синюю. Затем с помощью трёх сигналов нужно передать эти три картинки в телевизор и там с помощью трёх разных люминофоров (красного, зелёного и синего) воспроизвести их и точно сложить на общем экране. Были придуманы разные системы цветного телевидения, некоторые даже добрались до массового производства.

Например, были созданы телецентры и выпускались телевизоры, работавшие по системе, где поочерёдно передавались три картинки основных цветов: красного, синего и зелёного. Они попадали на три кинескопа, создававших три разноцветные картинки (красную, синюю и зелёную), которые в итоге складывались на одном экране с помощью системы зеркал, формируя многоцветное изображение. Помимо прочих недостатков такое цветное телевидение занимало в эфире место трёх чёрно-белых телецентров.

Нынешние системы цветного телевидения — совместимые. Это значит, что на цветном телевизоре можно смотреть чёрно-белые передачи, а на чёрно-белом — цветные (в чёрно-белом виде). С телепередатчика уходит в эфир чёрно-белая картинка, в спектр которой вставлены два особых служебных (невидимых зрителю) сигнала цветности. С их помощью в телевизоре воссоздаются три исходные картинки: красная, синяя и зелёная. При этом сигнал цветного ТВ в эфире занимает такую же полосу частот, как и сигнал чёрно-белого, — около 6 мегагерц. Жалко лишь, что в своё время не удалось договориться об едином для всего мира стандарте сигналов цветности, и сегодня из-за этого существуют три системы цветного телевидения: система NTSC (произносится: энтэ-эсси) в США, Канаде, Великобритании, Японии, Индии и других странах; система PAL в Германии, Италии, Бельгии и система SEKAM во Франции, России и некоторых странах Восточной Европы.

Складывание трёх одноцветных картинок уже давно производится в самом кинескопе. Его экран изнутри покрыт тройками люминофорных точек с разным цветом свечения: красным, синим, зелёным. В кинескопе три электронных луча, каждый из них управляется своим видеосигналом (красным, синим или зелёным) и попадает только на свой люминофор (красный, синий, зелёный) благодаря использованию маски с мельчайшими дырочками или особой направляющей решётки.

ВК-257. Трудно представить себе, что лет триста назад во всём мире электричеством интересовались и пробовали что-то о нём узнать человек десять, ну, может быть, двадцать. Сегодня таких людей тысячи, а может быть, и миллионы. Кто-то из них работает в больших компаниях и в дорогих проектах (реактор ИТЭР обойдётся в 25 миллиардов долларов). Кто-то в заводском КБ пытается снизить стоимость серийного топливного элемента. А кто-то думает о не очень ещё понятном, увидев в нём начало нового дела.

Р-114. ПЛОСКИЙ ЭКРАН: ВСЁ ТО ЖЕ САМОЕ, НО СОВЕРШЕННО ИНАЧЕ. Главная заметная пользователю особенность современных телевизоров — большой плоский экран. Для телевизионного кинескопа нужно было довольно большое пространство, в телевизоре с размером экрана 50–60 сантиметров и ящик имел примерно такую же глубину. Современные экраны вешают на стену, как картину, и тонким проводом соединяют с небольшим ящичком самого телевизора. Профессионалы радиоинженеры хорошо понимают, что именно позволило отказаться от оббегающего экран электронного луча. Для этого нужно было ввести в схему телевизора быстродействующий переключатель (1), то есть в прежние времена ввести новый блок, имеющий сотни электронных ламп. Малогабаритный транзисторный переключатель для плоского экрана можно было создать лет тридцать назад, но некоторая задержка с появлением плоских экранов вполне объяснима — были разработаны совершенно новые оптические системы. В плоских экранах встречаются, например, системы с использованием жидких кристаллов (система LCD), вместе с которыми работают поляризаторы светового луча и оптические фильтры. Используется зависимость прозрачности жидких кристаллов от приложенного к ним напряжения, а сами они находятся между двумя тонкими листами стекла, образующими стеклянную пластину. Большой популярностью пользуются экраны с плазменными источниками света. В некоторых случаях (система SED) плоский экран состоит из двух пластин стекла, расположенных на небольшом расстоянии, и напоминает кинескоп. Одна из стеклянных пластин — источник электронов, на второй этими электронами создаются светящиеся пиксели (от английского «пикчер сел» — «клетка изображения»). Практически все системы плоского ТВ-экрана энергично развиваются, а активность их рекламных служб ставит перед телезрителями непростую задачу выбора. В то же время вряд ли стоит считать разумным бесконечное ожидание чего-то нового. Миллионы телезрителей уже много лет смотрят передачи на большом экране и, скорее всего, ещё много лет будут их смотреть, хотя уже пришли новые и в чём-то более совершенные модели.

Всё это напоминание не должно создавать иллюзию этакой лёгкости и простоты. Цветной телевизор — сложнейшая система с большим числом сложных электрических цепей, выполняющих множество виртуозных операций с электрическими сигналами. Этот представитель современной фантастической электроники стал массовым, доступным и надёжным аппаратом благодаря многолетнему настойчивому поиску наилучших технических решений и успехам технологии, сумевшей, в частности, свести в несколько микросхем бессчётное множество элементов электрических цепей цветного телевизора.

А инженеры вместе с тем продвигаются дальше, превращая невозможное не просто в реальность, а в реальность общедоступную. Используя высокочастотный световодный кабель, радиорелейные линии, спутники-ретрансляторы, они создали гигантскую мировую телевизионную сеть, и любой маленький городок, куда ещё не так давно телевидение вообще не доходило, сейчас принимает десятки ТВ-программ. Несложной и недорогой стала аппаратура для приёма ТВ прямо со спутников-ретрансляторов, покупай и смотри. А ещё недавно сигналы со спутников принимали лишь специальные приёмные центры с многометровыми тарелками антенн, и через местные телецентры они ретранслировали принятые программы для рядового зрителя.

Ещё одна новинка — в телевизорах появился плоский экран (Р-114). В нём нет электронного луча, который в кинескопе 25 раз в секунду обегает все полмиллиона люминофорных точек, в нужный момент зажигая каждую из них с нужной яркостью (в цветном телевизоре, напомним, три луча, а всех люминофорных точек 1,5 миллиона). В плоском экране каждая люминофорная точка фактически включается отдельно в нужный момент быстродействующими переключателями. Итоговый объём их работы — около 40 миллионов безошибочных и строго синхронизированных включений в секунду. Только в последнее время у технологии светящихся экранов и цифровой техники появилась возможность заплатить столь высокую цену за эту приятную деталь интерьера — плоский ТВ-экран огромных размеров.

Другая представленная телезрителям новинка — уже не 1,5 миллиона, а почти 6 миллионов точек, формирующих цветную картинку, то есть значительно более высокая её чёткость. Новая система так и называется: телевидение высокой чёткости, ТВВЧ, или, по-английски, HD, «хай дифинишн» — «высокая чёткость». Эта система открывает путь к большому широкому экрану при очень высоком качестве изображения, как в хорошем кино. Уже ведутся передачи в этом стандарте, и серьёзно говорят о его повсеместном введении, что, конечно, потребует совершенно новой передающей и приёмной техники. Но это, судя по всему, уже никого не остановит.

ВК-258. Кратковременное отключение потребителей от городской электросети случается редко, но случается. У него могут быть трагические последствия, например в госпиталях, где в это время идут операции и перестаёт работать аппаратура, поддерживающая жизнь пациента. В некоторых особо важных объектах на случай такого аварийного отключения сети мгновенно и автоматически включаются обычно небольшие электрогенераторы с собственными бензиновыми двигателями или дизелями.

Р-115. КАРМАННАЯ ПРИЁМО-ПЕРЕДАЮЩАЯ РАДИОСТАНЦИЯ ПО ИМЕНИ «СОТОВЫЙ ТЕЛЕФОН». У широкой публики сотовые телефоны появились сравнительно недавно. Достаточно вспомнить, что в 1983 году вышел первый серийный аппарат фирмы «Моторола» длиной 33 сантиметра и стоимостью около 4 тысяч долларов. При этом большая очередь покупателей месяцами дожидалась возможности купить его. Через 20 лет годовой выпуск сотовых аппаратов превысил полмиллиарда, а начиная с 2010 года их выпускают более 1,5 миллиарда в год. Успехи схемотехники и электроники интегральных микросхем позволили в миниатюрном корпусе создать шедевр, умеющий делать десятки разных полезных дел, включая фотографирование с записью картинки в компактную электрическую память. Но, конечно, главное дело телефона — это связь. Внутри аппарата имеется очень небольшой радиопередатчик, который по вашему указанию (нажатие определённых кнопок) вызывает нужного вам абонента и для этого излучает сигнал в диапазоне очень коротких волн — длиной 15 или 30 сантиметров. Сигнал этот попадает в приёмник, установленный на высокой стальной мачте (Р-108) и далее, например, по кабелю, приходит в главный коммутатор местной телефонной станции. Там автоматы произведут необходимые соединения, и ваш вызов по проводам придёт на городской телефон или на другую высокую мачту, где другой передатчик пошлёт радиосигнал вызова вашему абоненту. Он примет этот радиосигнал чувствительным приёмником, который имеется в каждом сотовом аппарате. По такой мгновенно созданной линии связи вы можете разговаривать, пользуясь микрофонами и громкоговорителями своих сотовых аппаратов и непременно используя конечные участки радиосвязи, дающие вам свободу перемещений.

Недавно на свой страх и риск автор провёл несколько десятков неформальных бесед с владельцами сотового телефона. Оказалось, что больше половины из них вообще не знают, что разговаривают по радиоканалу, — придумали телефонисты какой-то телефон без проводов, а какой именно, это не наше дело. Остальные знают, что в сотовой связи как-то используется радио, но как это делается, почти никто не мог пояснить даже в общих чертах. Эти беседы возвращают к давно не дающей покоя теме — к школьному образованию. Зачем конкретно мы ходим в школу? Для чего дети проводят в ней 11 или 12 лет? Что, обучаясь в школе, обязательно нужно узнать, а что не обязательно? Хватает ли сил на все сложности, о которых там говорится? Почему так мало времени достаётся проблемам жизни общества, проблемам человечества? И почему большинство выпускников выносят из школы меньше, намного меньше и даже ничтожную часть того, о чём рассказывали учителя? Эти вопросы прежде всего появились для себя, для своих ближайших планов. А также для тех, кто торжественно произносит слова «Школьная реформа», не понимая их истинного значения.

Т-226. Новая жизнь железной проволоки. Ещё в далёкой древности человек научился помогать своей памяти, придумал, как мы теперь говорим, внешние запоминающие устройства — наскальные рисунки, иероглифическое, а затем слоговое письмо, а в дальнейшем книги, чертежи, географические карты, фотографии, граммофонные пластинки, кино. Новую эпоху открыли устройства электронной памяти, они могут хранить практически любую информацию, записывают её очень компактно, а многие к тому же позволяют быстро и без особых усилий находить нужную запись.

В персональном компьютере на небольшом внутреннем магнитном диске (винчестер, или, иначе, хард драйв, жёсткий диск) в цифровом виде сейчас уже хранится около 100 гигабайт, а это 40 тысяч толстых книг, для них понадобится полка длиной больше километра. И всё это на тонком диске диаметром порядка 10 сантиметров. И далее, указав название, можно в считанные секунды извлечь из этого массива любой нужный его раздел. Записывая и считывая информацию, магнитная головка движется относительно вращающегося диска с такой высокой скоростью, что их соприкосновение недопустимо — головка мгновенно нагреется и испортит диск. Поэтому у головки есть своего рода крылышки, и она, подобно самолёту, при вращении диска летит над ним на микронной высоте.

Магнитная запись была придумана давно и первоначально велась на тонкую стальную проволоку. Она двигалась мимо щели в кольцевом сердечнике магнитной головки, на котором, как у электромагнита, размещалась катушка (Р-47). К катушке подводили записываемый сигнал, по ней шёл меняющийся ток, и меняющееся магнитное поле, замыкаясь в районе щели через проволоку, создавало в ней остаточную намагниченность (Р-48) — записанную на проволоке (в виде меняющейся её намагниченности) магнитную копию электрического сигнала. При воспроизведении проволока, двигаясь мимо щели, своим меняющимся магнитным полем меняла общее магнитное поле, охватывающее витки катушки, и тем самым наводила в катушке э.д.с. — электрическую копию магнитной записи.

Сегодня в магнитофонах, видеомагнитофонах, в устройствах магнитной памяти компьютера происходит в принципе то же самое. Но, конечно, проволоку сменил нанесённый на прочную плёнку или на диск тонкий слой лака с мельчайшим ферромагнитным порошком. Кроме того, с прочитанным сигналом серьёзно работает электроника.

Наглядный пример — пластиковые карточки с ферромагнитной полоской. Они применяются чрезвычайно широко для самых разных целей — от квартирного ключа или служебного пропуска до финансового документа. Быстро продвинув карточку мимо считывающей головки в приёмном блоке, мы обычно не задумываемся о том, что вслед за этим делает электроника. В банковском автомате, например, она моментально обращается в центральный компьютер, проверяет достоверность карточки, наличие денег на вашем счёте, правильность введённого вами личного кода, выясняет заказанную сумму наличных, уточняет возможность её выдачи, выполняет ряд защитных операций, исключающих ошибку или мошенничество, и только после этого включает исполнительные механизмы. Они послушно отсчитывают и выталкивают вам нужные купюры, а также печатают чек с отчётом о проведённой операции и указанием оставшейся суммы. Этот маленький пример всего лишь напоминает о гигантской невидимой миру работе, которую сегодня выполняет электричество в безотказных электронных автоматах.

ВК-259. Жизнь существует на Земле миллиарды лет, мир живого ко многому привык, приспособился и тяжело переносит изменение природных условий. Об этом размышляли давно, но серьёзные исследования начались лет 200 назад и привели к глубокому пониманию изменений окружающей среды, в частности, почв, вод, атмосферы. Наряду с призывами энтузиастов появились государственные законы и системы контроля, цель которых не допустить изменений, которые могут травмировать земную жизнь.

Р-116. ЧАСЫ ОЧЕНЬ ТОЧНЫЕ И НЕСЛЫХАННО ДЕШЁВЫЕ. Наручные часы, как их называют в торговле, стали чуть ли не первым изделием широкого спроса, в котором применили только что появившиеся интегральные микросхемы. Микросхемы для часов были не очень сложными — несколько сотен транзисторов и диодов в основном в простых схемах триггеров и дешифраторов (на рисунках символически показаны лишь несколько цепочек триггеров). Главной действующей деталью в этих электронных часах (2), как позже в большинстве других, стал небольшой кристаллик кварца, в котором поддерживали его собственные колебания с очень стабильной частотой (1). Эта стабильность частоты обеспечивала первым электронным часам высокую точность отсчёта времени, недостижимую для всё еще выпускавшихся недорогих механических часов, где время отсчитывалось по колебаниям металлических «маятников». Для электронных часов важнейшим достоинством кварца является то, что это пьезокристалл. То есть при механических колебаниях кристалла на его гранях появляется столь же стабильное переменное электрическое напряжение той же частоты. Это напряжение подают на цепочки триггеров (Р-118), которые делят частоту и выдают сигналы, отображающие интервалы времени в одну секунду, минуту, час, сутки, а в большинстве моделей также месяц и год. По этой информации через дешифраторы подаются сигналы на жидкокристаллический экран — на нём из семи коротких линий для каждой цифры отображается текущее время (2).

В другой модели часов (1) кварцевый генератор с триггерной цепочкой деления частоты выдаёт электрические сигналы лишь с секундной продолжительностью. Эти сигналы поступают на миниатюрный шаговый электродвигатель, который, вращаясь рывками, двигает секундную стрелку. Всё остальное замедление и создание необходимой скорости движения минутной и часовой стрелок получают с помощью обычного комплекта шестерёнок. Следует заметить, что вращение передаётся всем стрелкам с помощью единого трёхосного механизма. В нём тонкая ось вращает секундную стрелку, более широкий цилиндр вращает минутную стрелку и внешний цилиндр — часовую.

Т-227. Инструменты для первооткрывателей. Восхищаясь достижениями науки, иногда полезно вспомнить о технике, помогавшей первооткрывателям. Невозможно представить себе, как без электронных средств контроля и управления могли бы работать ядерные реакторы. И как без радиоэлектроники, без радионавигации, связи, телеуправления, громоздких вычислений в реальном масштабе времени свершились бы космические полёты, особенно такие, как высадка человека на Луну или посадка автоматов на Венеру и Марс. Не говоря уже о том, что с этих планет мы получали от космических автоматов прекрасные телевизионные репортажи.

Сегодня электронной техникой вооружены практически все области науки — от биологии до археологии. Электроника умножает силы исследователей, а нередко позволяет узнать то, что без неё узнать не удалось бы.

ВК-260. Еще в начале прошлого века паровые турбины стали основным двигателем для вращения ротора электрогенераторов на тепловых электростанциях. Несколько десятилетий назад им на помощь стали приходить газовые турбины, основное достоинство которых — быстрый запуск при увеличении потребляемой электрической мощности. Сейчас остатки газа, отработавшего в своей турбине, направляют в топку парового котла и в итоге получают более высокий к.п.д., чем у каждой турбины в отдельности

Р-117. МУЛЬТИВИБРАТОР — ГЕНЕРАТОР ИЗ ЧИСЛА САМЫХ ПРОСТЫХ. В былые времена, решив заняться радиолюбительским конструированием, будущий инженер начинал с простого или очень простого радиоприёмника. В ламповую эпоху приходилось немало поработать, чтобы, собирая приёмник, получить какой-то результат, но зато вознаграждение было огромным. В комнате звучала музыка, что-то быстро рассказывали непонятные заграничные голоса, о великих делах сообщали свои последние известия. Даже появившиеся вначале шумы и потрескивания далёких грозовых разрядов вызывали радость — дело сделано, приёмник работает, и нужно лишь сместить настройку контура, чтобы попасть в радиовещательный диапазон. Думается, что приёмник всегда будет наилучшим способом приобщения к практическому радио, но в наше время есть и более простые схемы, помогающие приобщиться к великому делу. В их числе мультивибратор (1) — генератор, который можно довольно легко и быстро собрать, и он, скорее всего, сразу же запоёт тонким голосом, сообщая, что готов на что-то пригодиться. Мульт, как его коротко называют, это первый шаг к простейшему музыкальному инструменту. Как видите, в схеме простейшего мультивибратора всего 2 транзистора, коллектор каждого (выходная цепь) связан с базой (входная цепь) соседа. Благодаря такой связи транзисторы поочерёдно открывают и закрывают друг друга, при этом в коллекторной цепи каждого идёт меняющийся ток. В зависимости от деталей схемы, изменения тока могут находиться в частотном диапазоне от самых низких звуковых частот до очень высоких, а потому и неслышимых частот радиодиапазона. На рисунке (текст в самой верхней голубой рамке) указаны сопротивления резисторов и ёмкость конденсаторов, при которых частота будет в районе 200 герц, изменить её можно, подбирая детали схемы. Вместо указанных в списке транзисторов можно применить любые другие примерно такой же мощности.

Один из примеров — ускорители ядерных частиц, гигантские электронные или протонные приборы. Крупный гамбургский ускоритель ДЕЗИ (недавно он был мировым чемпионом, но сегодня это уже рядовой инструмент, один из нескольких) расположен в подземных аппаратных залах и кольцевом туннеле. Кольцо очень большое, его диаметр 2 километра, то есть длина кольца более 6 километров. В нём проходят две кольцевые вакуумные камеры — две металлические трубы диаметром несколько сантиметров, в одной ускоряется пучок электронов, в другой в противоположную сторону разгоняют пучок протонов. Сверхпроводниковые электромагниты, расположенные вдоль кольца, сжимают пучки частиц до десятых долей миллиметра, удерживают их в центре камеры и заодно слегка отклоняют от прямой, формируют кольцевую траекторию. Разгоняет частицы внешнее электромагнитное поле, и частоту его постепенно увеличивают — в протонной камере до 500 мегагерц и в электронной до 50. В итоге за 20-минутный цикл ускорения частицы набирают околосветовую скорость и очень большой запас энергии. В нужный момент и в нужном месте встречные пучки частиц отклоняют магнитным полем, направив их друг на друга. Частицы сталкиваются, создавая главный продукт всей операции — огромное количество осколков — частиц, родившихся уже после столкновения, на лету.

Теперь вступает в дело другой важнейший агрегат ускорительного комплекса — детектор, он должен обнаружить родившиеся новые частицы, получить первые сведения о них. Связав в своё время слово «детектор» с миниатюрным полупроводниковым диодом, трудно представить себе, что детектор ускорителя ДЕЗИ — сооружение с трёхэтажный дом. Это тоже своего рода электронный прибор, его размеры 12 х Ю х 15 метров, и весит он 28 тысяч тонн, больше, чем 30 больших самолётов. Частицы, родившиеся при столкновении пучков, поочерёдно попадают в две большие цилиндрические камеры детектора, одна заполнена газом, другая жидкостью. Вдоль камер натянуты десятки тысяч тонких проволочек, на каждую пару подано напряжение. Главная задача детектора — ничего не упустить, главный метод — регистрация импульсов тока, они возникают, когда частица проскакивает между проволочками, ионизируя газ или жидкость. Сильное поле большого сверхпроводникового электромагнита (в его охлаждающей системе 15 тонн жидкого гелия) отклоняет частицы, их траекторию можно вычислить, зная, между какими проволочками пролетела частица. Собрав и обработав всю эту огромную информацию, пытаются представить себе подробности столкновения частиц и последующих событий, получить новые сведения о глубинном строении материи. Так, на ускорителе ДЕЗИ было подтверждено предположение теоретиков о единой природе электромагнитного и слабого взаимодействий (Т-20).

Последнее столетие принесло человечеству великие научные открытия: атомная энергия, выход в космос, целый мир новых материалов, расшифровка генетического кода, антибиотики. Во всем этом, конечно, прежде всего талант и настойчивость армии исследователей. Но ещё и совершенство их вооружения — исследовательских установок и инструментов, в значительной мере электронных.

ВК-261. Даже если создание водородного реактора завершится успешно, уйдёт, видимо, ещё полвека, чтобы сменить всю мировую энергетическую систему. Так что с нынешним топливом предстоит ещё долго иметь дело, и стоит подумать о том, чтобы сделать эти взаимодействия более полезными. Например, ещё не всё сделано для получения из угля жидкого топлива и газа. Для сжигания угля в кипящем слое — в потоках воздуха. И для получения из угля ценных химических продуктов и строительных блоков.

Р-118. ТРИГГЕР — ОСОБО ПОПУЛЯРНЫЙ РАБОТНИК АВТОМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ. По внешнему виду схемы триггера и мультивибратора (Р-117) очень похожи — те же два транзистора, та же связь выходной (коллекторной) цепи с входной (базовой) цепью соседнего транзистора (1). Однако сразу видно, что схемы эти, особенно межтранзисторная связь в них, заметно отличаются, и поэтому триггер работает совсем иначе, чем мультивибратор. Он не изменяет самостоятельно и непрерывно свой режим, создавая в коллекторной цепи непрерывно меняющийся ток. Триггер может годы находиться в одном из устойчивых состояний, например, в котором транзистор Т₁ открыт и пропускает ток, а транзистор Т₂, закрыт и тока не пропускает. Триггер сменит это своё состояние на второе возможное, когда Т₂ открыт и Т₁ закрыт, только под действием пришедшего к нему внешнего сигнала, под действием входного импульса U_вх. Поэтому одна из востребованных профессий триггера — он делит число входных импульсов U_вх на 2. А несколько последовательно соединённых триггеров могут разделить частоту входного сигнала на 2, 4, 8, 16, 32 и так далее (2).

Другая исключительно распространённая профессия триггера — он служит элементом памяти (3). При этом одно положение триггера означает 1 двоичного кода, а второе означает 0. Если на 8 поставленных на 0 триггеров (так всегда бывает после команды «сброс») по 8 проводам направить восьмизначное двоичное число, то провод, несущий 1, переведёт триггер в другое состояние, а провод, несущий 0, оставит всё без изменений — блок триггеров запомнит полученное восьмизначное число. Отработана процедура считывания записанной информации, в том числе с восстановлением, если нужно, существовавшей записи. Миллионы триггеров можно обнаружить в компьютере, они миллионами экземпляров используются в электронных автоматах.

Т-228. Особая профессия — помощник врача. Размышляя о практическом значении электроники, нельзя не вспомнить медицину, это тема особая: как известно, мера всего человек. Подумайте, как много бед предупредил несложный регистратор аналогового электрического сигнала, который появляется при сокращении сердечной мышцы и записанный график которого именуется кардиограммой. И как много непоправимых трагедий остановила аппаратура, помогающая проводить радикальные операции на сердце и сосудах.

Немногим более ста лет назад, в один год с изобретением радио, был создан электровакуумный прибор — рентгеновская трубка. В ней ускоренные высоким напряжением электроны при резком торможении испускают рентгеновские лучи, по своей природе, как выяснилось, очень короткие электромагнитные волны, они в сотни, тысячи и миллионы раз короче световых волн. Рентгеновские лучи, проникая через ткани, совершили настоящую революцию в медицине — позволили заглянуть внутрь организма.

Много десятилетий рентген был вне конкуренции, и лишь сравнительно недавно благодаря достижениям электроники стали появляться и другие методы такого внутреннего видения. В их числе приборы для ультразвуковых исследований (УЗИ), например ультразвуковые локаторы. Ещё одна система внутреннего видения — эндоскоп, вариант кабельного телевидения, где через небольшой разрез или иным способом в организм вводят тонкий кабель с видеокамерой на конце. Иногда эндоскоп объединяют с хирургическим инструментом и под прямым визуальным контролем выполняют хирургические операции, в последнее время довольно сложные.

Прямой, так сказать, наследник рентгена — рентгеновский томограф, с помощью вычислительной техники он намного обошёл прародителей. В компьютер в цифровом виде вводится несколько рентгеновских снимков, сделанных с разных сторон, машина вычисляет и демонстрирует на дисплее детальный «разрез» наблюдаемой области. Компьютерный томограф — это не прибор, это метод и, если хотите, стратегия. Уже сейчас, заменив в томографе рентген ядерным магнитным резонансом (ЯМР — тонкий квантовый процесс, позволяющий оценить состав вещества), получают «разрез» с указанием неуловимых ранее отклонений в структуре тканей.

ВК-262. Эту красивую идею высказал еще Фарадей: для получения электромагнитной индукции можно двигать не проволоку, а ионизированный газ. Когда он проходит магнитное поле, в нём, как в проводнике, наводится э.д.с., и мы получим электрическую энергию. Такой МГД (магнитогидродинамический) генератор долго изучался, а в 1971 году на одной из московских электростанций был построен с мощностью 25 МВт. Исследования на нём приближают использование идеи в технике будущего.

Р-119. АБСОЛЮТНО НЕОБХОДИМЫЙ И НЕ ОЧЕНЬ ИЗВЕСТНЫЙ ДЕШИФРАТОР. Это устройство, также работающее с двоичными числами и иными двоичными кодами, совсем уже мало знакомо широкой публике. Нужно ли вообще такое знакомство? Это важный вопрос, о котором удалось лишь мельком сказать в конце подписи к рисунку Р-115 о сотовом телефоне, и ответ на который пока не отражён в законах. В ожидании решений глобальной важности скажем пока несколько слов о самом дешифраторе (декодере). Даже только знание этого слова и простейших операций, доверенных дешифратору, реально облегчит знакомство с устройством нашего мира. Сегодня дешифраторы — это большая наука и серьёзные теории, посвящённые операциям с различными кодами. В то же время в электронных автоматах и компьютерах дешифраторы выполняют много таких операций, которые можно пояснить простыми примерами. Представьте себе, что на космическом корабле в результате вычислений на входе дешифратора (1) в виде электрических импульсов и пауз входного напряжения U_вх, появился один из четырёх управляющих сигналов — 11, 10, 01 или 00. Каждый из этих сигналов должен привести к какому-либо важному действию, например, к включению небольшого реактивного двигателя, к повороту влево или вправо приёмной антенны и к повороту солнечной батареи. Дешифратор по входному напряжению U_вх определяет, какой из четырёх сигналов пришёл, его схема легко и надёжно различает комбинации 11,10,01 и 00. В зависимости от полученного сигнала, дешифратор замыкает один из четырёх выходных проводов и подаёт напряжение U_вых на нужный агрегат. Дешифратор ежеминутно решает тысячи подобных задач в компьютере, распознав, например, по адресу нужную ячейку памяти и записав в неё заданную информацию (2). Или опять же по адресу определив ячейку памяти и считав из неё информацию. С помощью дешифраторов рассылаются в нужные места команды управления и элементы новых программ. О широком круге задач, для решения которых применяется дешифратор, говорят, в частности, многочисленные статьи о нём в популярной литературе. Такие, например, как «Дешифратор пространственного звука», «Преобразование двоичного кода в семисегментный», «Взломщики паролей», «Преобразование к-ичного кода в кп-ичный», «Декодер текста» и многие другие.

Т-229. Бесшумные шаги минут. Наручные электронные часы — один из самых дешёвых электронных приборов, говорят, оптовики уже продают их на вес чуть ли не по доллару за килограмм. А вместе с тем это устройство не такое уж простое, в нём сотни транзисторов и диодов, тактовую частоту отбивает высокостабильный кварцевый генератор, и погрешность обычно не более малых долей секунды в сутки. Генератор выдаёт сравнительно высокую частоту, за ним следует делитель частоты в виде длинной цепочки триггеров, на одном из её выходов появляются секундные импульсы тока, дальше более редкие минутные и часовые импульсы, а затем переключающие сигналы для календаря. Наконец, в часах имеется блок для установки нужного времени и даты и, конечно, жидкокристаллический экран с транзисторным переключателем цифровых сегментов. Есть электронные часы со стрелками и миниатюрным шаговым электродвигателем, на него поступают секундные импульсы, и дальнейшее замедление минутной и часовой стрелок осуществляют шестерёнки.

Сегодня электронные часы самый, наверное, рядовой представитель электроники, напоминающий при этом, что она умеет делать очень важное дело — отсчитывать время.

Т-230. Главное дело электроники и её главный инструмент. Вопрос «Кого ты больше любишь: папу или маму?» — вообще-то, запрещённый вопрос, лучше сказать, неуместный. Зачем это «больше», за которым обязательно следует «меньше»? Зачем это соревнование? Точно так же неуместно, думается, спрашивать, какая область электроники самая главная, — все они много делают для людей.

И всё-таки…

И всё-таки на широком фронте электронной техники одно направление надо бы выделить — это компьютеры. Сегодня компьютер можно, видимо, назвать главной электронной машиной, по крайней мере, по динамизму, по массовому к нему интересу, по тому, как он меняет нашу жизнь, как резко повышает эффективность любого дела, в которое включается. Вспомните: за несколько лет он изменил банковское и складское дело, учёт, многие области конструирования, научных исследований, управления производством, транспортом, снабжением, торговлей — список большой.

ВК-263. За миллиарды лет до человека природа создала свои солнечные электростанции. Миллионы лет эволюции закрепили цепочки фотосинтеза: используя энергию солнечного света, они создавали молекулы, которые затем отдавали запасенную энергию растениям. В наше время растущих цен на нефть оказалось выгодным и безвредным из некоторых растений получать сохраняющие энергию спирты и понемногу (до 10–12 %) добавлять их в бензин. Это полезная временная мера до освоения новых источников энергии.

Р-120. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ — ДЕТАЛИ ДУМАЮЩИХ МАШИН. Очень давно, размышляя об устройстве мира, древние философы стали задумываться о способности человека логически мыслить. За прошедшие тысячелетия, особенно в последние годы, размышления о мыслящем человеке дали начало стройным теориям, которые, в частности, пытаются найти чёткое математическое описание того, что мы называем логикой. Кроме того, совсем уже недавно появились электрические управляющие машины, которые могут выполнить то, что до этого считалось монополией думающего человека. В таких машинах часто есть, как их называют, логические элементы, хотя, кажется, никто ещё не показал, что такие же точно элементы есть в живой материи, участвующей в логическом мышлении.

На рисунке показаны три основных типа логических элементов, применяемых в электронных схемах. Свое название «логические элементы» все они, видимо, получили потому, что их действия очень напоминают операции, который производит логически мыслящий человек.

Первый логический элемент (1) называют схема ИЛИ — она срабатывает и выдаёт на выходе импульс, если входной сигнал (импульс тока) подаётся на любой из входов — на первый вход, или на второй, или на оба сразу. Второй логический элемент (2) называется схема И — он срабатывает только в том случае, если входные сигналы подаются одновременно на оба входа, и на первый, и на второй. Наконец, третий логический элемент (3) называется схема НЕ (иногда пишут схема НЕТ) — она, как говорится, делает всё наоборот, и когда на её входе есть сигнал, на выходе сигнала нет, а когда на входе схемы сигнал исчезает, на выходе он появляется.

Размышления и разговоры о персональных компьютерах в основном касаются программ, и это объяснимо. Во многом программа, или, как говорят, софт (в переводе «мягкая», то есть легко меняемая составляющая), определяет то, что вы можете получить от своей машины. Про «железо», то есть про компьютерную электронику, вспоминают нечасто. А жаль, каждый пользователь в каком-то объёме должен знать о ней, должен понимать, что и как она делает. Это не только справедливо, но чрезвычайно полезно — понимание сути дела всегда создаёт особое чувство спокойствия, уверенности. Эта короткая заметка не может, разумеется, заменить учебную книгу, но несколько фактов и цифр помогут если не понять, то почувствовать масштабы и уровень электронной схемотехники персонального компьютера.

И заметьте — компьютер поражает своей чёткостью и исполнительностью, несмотря на всю сложность и многообразие выполняемых операций, на огромное их количество, необходимое даже для простого перемещения курсора или стирания буквы. И несмотря на то что делается всё в бешеном темпе — миллионы действий в секунду. Только нажал клавишу — и твоя вычислительная машина тут же, что бы ты ни приказал, мгновенно и беспрекословно выполняет задание, сделав для этого, может быть, много тысяч невидимых чётко запланированных операций и пересылок сигнала.

К сказанному нужно сделать два очень важных примечания.

Первое. Микропроцессор уже давно можно встретить не только в компьютерах. Несложные, в частности, четырёхразрядные варианты микропроцессора работают в лифте, автомобильном двигателе или в фотоаппарате и, самостоятельно выполняя десятки операций управления, освобождают человека от рутинных действий и размышлений. Какой-нибудь недорогой аппарат, приборчик и даже детская игрушка с микропроцессором — сегодня дело обычное.

Второе. Несмотря на лавинообразный прогресс электронной схемотехники, не видать бы нам ни персональных компьютеров, ни доступных по цене цветных телевизоров, сотовых телефонов или видеокамер, если бы не малоизвестные широкой публике просто фантастические достижения технологов.

Т-231. Сумма технологий сделала электронику Электроникой. Особенно хорошо чувствует прогресс технологии тот, кто своими глазами видел производство телевизоров или приёмников лет 40–50 назад. По ленте очень длинного конвейера медленно двигалась основная схемная плата, и сидящие рядом вдоль всей ленты симпатичные девушки в белых халатах постепенно «набивали» её деталями. Одну за другой они ставили на эту плату контактные ламповые панели, разноцветные резисторы и конденсаторы, укладывали кусочки монтажного провода и небольшим паяльником делали нужные соединения, каждый раз оставляя на плате серебристую слезинку припоя. Попробуйте представить себе, как выглядело бы и, главное, сколько стоило бы такое производство персональных компьютеров, в каждом из которых фактически сотни миллионов и даже миллиарды деталей.

ВК-264. Электричество без шума и копоти освещает наши жилища и городские улицы, превращает ночь в день. Кроме обычных лампочек накаливания выпускаются и другие более совершенные преобразователи сетевого электричества в свет. Это трубки (лампы) дневного света, в них создаётся невидимое излучение, которое заставляет ярко светиться специальную краску, покрывающую трубку изнутри. Это и светодиоды, которые, пропуская ток в прямом направлении, создают яркое свечение в pn-переходе.

Р-121. СУММАТОР — ПРИМЕР РАССУЖДАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОНИКИ. В сложных электронных управляющих автоматах или в компьютерах бывает очень много различных логических элементов, которые небольшими и большими группами, или объединившись с другими элементами, например с триггерами, выполняют довольно сложные операции. Так, например, показанная на рисунке схема из четырёх логических элементов, которую обычно называют сумматор, складывает двоичные числа 0 + 0, 1 + 0, 0 + 1 и 1 + 1. Первые три операции выполняются довольно просто (0 + 0 = 0, 1 + 0 = 1 и 0 + 1 = 1), для всех трёх достаточно было бы одного логического элемента — одной схемы ИЛИ. А вот четвёртая операция (1 + 1 = 10) дело непростое. Потому что в двоичной системе счёта 1 + 1 = 10, то есть нужно в основном разряде получить 0 и единицу перенести в следующий разряд. Сейчас мы посмотрим, как решаются эти четыре задачи.

Во-первых, отметим, как при первых трёх операциях логический элемент ИЛИ, получив на свои два входа нули и единицы, выполнит все необходимые операции и мы получим на его выходе три правильных результата. Обратите внимание на то, что в нашей схеме результат получают не с этого элемента ИЛИ, а с дополнительного элемента И₁, которому ИЛИ передаёт свои результаты — в первой операции 0, во второй, третьей и четвёртой 1. Но элементу И₁ полученных от ИЛИ единиц недостаточно, элементу И₁, чтобы выдать необходимую во втором и третьем случае 1, нужно для этого получить 1 на оба своих входа. Вторую необходимую 1 элемент И₁ получит от элемента НЕ, который с элемента И₂ получает 0 и выдаёт 1, поступающую на второй вход И₁. Только в четвёртом случае, то есть при сложении 1 + 1, элемент НЕ с элемента И₂ получает 1 и выдаёт 0 на вход И₁, из-за чего он не может сработать и выдаёт 0, необходимый в этом случае для основного разряда. В то же время 1, направленная на вход элемента НЕ, по отдельному проводу ответвится и попадёт в соседний разряд — на выходе блока из четырёх логических элементов появится результат 1 + 1 = 10.

Первый удар по трудоёмкой ручной сборке электронных схем нанесли печатные платы — на них все соединительные цепи, все сотни отдельных проводков формировались в виде полосок тонкой медной фольги, причём формировались сразу, в едином технологическом процессе по имени фотолитография. В этом названии греческое слово «лито» (в переводе «камень») напоминает, что идея пришла от полиграфистов, они ещё лет двести назад использовали печатные формы на камне для тиражирования картинок.

В 1958 году, то есть примерно через 10 лет после рождения транзистора, был сделан следующий, едва ли не самый главный технологический рывок. Методами фотолитографии и введения примесей из газовой среды в одном полупроводниковом кристаллике сформировали сразу четыре транзистора, нанесли нужные соединительные линии и, как говорится, одним ударом получили электронный блок — первую полностью готовую четырёхтранзисторную интегральную схему, первый чип. В кристалле формировались также резисторы и конденсаторы, роль последних взял на себя рп-переход, на который подано обратное напряжение.

Технология интегральных схем быстро продвигалась вперёд и вскоре практически вытеснила из аппаратуры основные дискретные элементы — отдельные транзисторы, резисторы, конденсаторы. Через пару лет после создания первого чипа уже серийно выпускались интегральные схемы с десятками и сотнями элементов, сегодня рядовым и, кстати, довольно дешёвым стал кристалл, в котором миллионы схемных деталей. Причём выпускаются эти шедевры автоматами, без прикосновения человеческой руки — на большой кремниевой пластине формируется сразу несколько десятков интегральных схем, затем их тщательно проверяют, тоже, разумеется, автоматически, и, наконец, разрезают на отдельные кристаллы. Здесь уместно вспомнить ещё одно великое достижение технологов и совсем уже невидимых миру машиностроителей. Сложный электронный блок уже и собирают автоматы — они сами с очень высокой точностью ставят на печатную плату детали, сразу производят все пайки, тщательно проверяют готовое изделие.

Увеличить число элементов в кристалле позволили новые технологии, а также давшийся недёшево прогресс фотолитографии. Она начинала с деталей миллиметровых размеров, затем технология преодолела микронный рубеж, и в 1998 году ведущие фирмы уже выпускали процессоры, где детали транзистора имели размер 0,25 микрона, то есть 250 нанометров. Чтобы подобная деталь стала размером с булавочную головку, её надо увеличить в 5000 раз, при таком увеличении сама булавочная головка превратится в двухэтажный дом. Через три года технологи уменьшили размер транзистора в микросхеме до 130 нанометров, ещё через три года — до 70 нанометров, а сейчас широко выпускаются микросхемы с размером деталей 45 нанометров и строятся новые заводы, которые будут делать микросхемы с транзисторами размером 22 нанометра. Если увеличить такой транзистор до размеров булавочной головки и саму её увеличить во столько же раз, то булавочная головка превратится уже в 20-этажный дом.

ВК-265. Размышляя об электричестве и электронике, нельзя не вспомнить о чувствительных приборах и больших управляющих электронных устройствах в системе обороны страны. Их задача — вовремя обнаружить возникшую опасность и включить при необходимости средства защиты, детально отобразив события для операторов и военного руководства. Можно считать, что приборы оповещения и управления объектами обороны — важное слагаемое предохранения мира от большой войны.

Уменьшение размеров деталей в чипе имеет ещё одну цель, в каких-то случаях весьма важную, — уменьшается время срабатывания полупроводниковых приборов, то есть компьютер работает быстрее. Это, кстати, отражено в одной из главных характеристик процессора — его тактовой частоте. Ещё лет десять назад лучшие процессоры работали с тактовой частотой до 160 МГц (мегагерц), сегодня она превышает 2 гигагерца, а иногда и 4. Это, видимо, ещё не предел.

Технологии изменили качественный уровень других устройств, нередко при этом сделав их более дешёвыми, более доступными. Появился, например, принтер, где цветная картинка создаётся микроскопическими капельками чернил, их в нужный момент и в нужное место (точность попадания — микроны) выстреливает цепочка тепловых или пьезоэлектрических насосов, опять-таки микроскопических. Технологии сделали массовым изделием столь сложный физический прибор, как лазерный диод с гетероструктурой, где меняется не только тип проводимости микрокристалла (зона р, зона п), но и сама его физическая природа.

Почти везде одна из основных технологических задач — миниатюризация и в перспективе даже переход на молекулярный уровень. Так что очень может быть, что круг замкнётся, и электронная техника придёт к молекулярным шедеврам информационных систем живой природы.

ВК-266. Водород мог бы быть отличным поставщиком энергии для электрических машин, на этом и на следующем рисунке несколько подтверждающих это напоминаний. Простая химическая формула напоминает, что молекулярный водород Н₂ при сжигании (соединении с кислородом О₂) отдает почти в 3 раза больше энергии, чем бензин. Атомарный водород Н еще в 2,7 раза эффективнее. Водорода у нас очень много. Сжигание водорода не загрязняет атмосферу, остаток процесса — чистая вода.

ВК-267. В мае 1937 года, после двух дней полёта из Европы в Америку, при посадке взорвался заполненный водородом огромный (длина 245 метров) дирижабль Z-129. Эта трагедия стала началом недоверия общества к водороду, страха перед взрывами и пожарами, к запретам на его применение. Но всё же сегодня мы имеем отработанные технологии и немало надёжных водородных систем — от заправочной колонки до ракет, самолётов и авто. Проблема в другом — водород пока в несколько раз дороже бензина.