Микросхемы стабилизаторы напряжения — параметрические
Сегодня для подключения аппаратуры к питанию редко применяют транзисторные стабилизаторы напряжения. Это обуславливается широкой популярностью использования интегральных приборов стабилизации.
Использование микросхем
Рассмотрим свойства импортных и отечественных микросхем, которые выступают вместо стабилизаторов напряжения. Они имеют параметры по таблице.
Зарубежные стабилизаторы серии 78… служат для выравнивания положительного, а серии 79… — отрицательного потенциала напряжения. Типовые микросхемы с обозначением L – маломощные приборы. Они сделаны в небольших пластиковых корпусах ТО 26. Стабилизаторы мощнее изготавливают в корпусе типа ТОТ, по подобию транзисторов КТ 805, и монтируются на теплоотводящие радиаторы.
Схема соединений микросхемы КР 142 ЕН5
Такая микросхема служит для создания стабильного напряжения 5-6 В, при силе тока 2-3 А. Электрод 2 микросхемы подключен к металлической основе кристалла. Микросхему фиксируют сразу на корпусе без изоляционных прокладок. Величина емкости зависит от наибольшего тока, протекающего через стабилизатор и при наименьших токах нагрузки – величину емкости нужно увеличить – конденсатор на входе должен быть не меньше 1000 мкФ, а на выходе не менее 200 мкФ. Рабочее значение напряжения емкостей должно подходить выпрямителю с резервом в 20%.
Если в схему электрода микросхемы (2) подключить стабилитрон, то напряжение выхода повысится до величины напряжения микросхемы, и к этому значению прибавляется напряжение стабилитрона.
Сопротивление на 200 Ом предназначено для повышения тока, протекающего через стабилитрон. Это оптимизирует стабильность напряжения. В нашем случае напряжение будет 5 + 4,7 = 9,7 В. Слабые стабилитроны подключаются подобным образом. Для повышения силы тока выхода стабилизатора можно применить транзисторы.
Микросхемы 79 типа служат для выравнивания отрицательного значения и в цепь подключаются подобным образом.
В серии микросхем КР 142 есть прибор с изменяемым напряжением выхода – КР 142ЕН12 А:
Нужно учесть, что цоколевка ножек 79 типа микросхем и КР 142 ЕН 12 имеют отличия от типовой. Эта схема при напряжении входа 40 В может выдать напряжение 1,2-37 В при силе тока до 1,5 А.
Замена стабилитронам
Одними из основных компонентов электронной аппаратуры стали стабилизаторы напряжения. До недавнего времени такие компоненты включали в себя:
- Транзисторы различных серий.
- Стабилитроны.
- Трансформаторы.
Суммарное количество деталей стабилизатора было немалое, особенно регулируемого прибора. При возникновении специальных микросхем все изменилось. Новые микросхемы для стабилизаторов изготавливаются для большого интервала напряжений, со встроенными опциями защиты.
В таблице указан список популярных микросхем стабилизаторов с обозначениями.
Если нужно нестандартное напряжение с регулировкой, то применяют 3-выводные микросхемы с напряжением 1,25 вольт выхода и вывода управления.
Типовая схема работы микросхем на определенное напряжение показана на рисунке. Емкость С1 не ниже 2,2 микрофарад.
Регулируемые микросхемы в отличие от фиксированных приборов, без нагрузки работать не могут.
Наименьший ток регулируемых микросхем 2,5-5 миллиампер для слабых моделей, и до 10 миллиампер для мощных. Для уменьшения пульсаций напряжения при повышенных напряжениях целесообразно подключать выравнивающий конденсатор величиной 10 мкФ. Диод VD 1 служит защитой микросхемы, если нет входного напряжения и подачи ее выхода к питанию. Диод VD 2 предназначен для разряжания емкости С2 при замыкании цепи входа или выхода.
Недостатки микросхем
Свойства микросхем остаются на уровне большинства использования в практике радиолюбителей. Из недостатков микросхем можно отметить:
- Повышенное наименьшее напряжение между выходом и входом, составляющее 2-3 вольта.
- Ограничения на наибольшие параметры: напряжение входа, рассеиваемая мощность, ток выхода.
Указанные недостатки не слишком заметны и быстро окупаются простым использованием и малой стоимостью.
|
главная основы элементы примеры расчетов любительская технология общая схемотехника радиоприем связная аппаратура телевидение справочные данные измерения обзор радиолюбительских схем в журналах обратная связь
Реклама
|
резисторы и конденсаторы полупроводниковые приборы акустические приборы микросхемы солнечные фотоэлементы Применение микросхем стабилизаторов напряжения. В
настоящее время очень редко для питания аппаратуры используют
стабилизаторы напряжения, собранные на транзисторах. Обусловлено это
широким внедрением в практику интегральных стабилизаторов. На этой
страничке рассмотрим параметры отечественных и зарубежных микросхем -
стабилизаторов напряжения. Параметры некоторых из них сведены в таблицу: Импортные стабилизаторы типа 78… предназначены для стабилизации положительного, серий 79… — отрицательного напряжения. Микросхемы с индексом L после первых двух цифр являются маломощными. Такие стабилизаторы выпонены в малогабаритных пластмассовых корпусах ТО26 (как у транзисторов типа КТ3102). мощные стабилизаторы выполнены в корпусах ТОТ (как у транзисторов типа КТ805 в пластмассовом корпусе) - эти микросхемы устанавливаются на теплоотводы. Эта микросхема предназначена для получения стабилизированного напряжения от 5 до 6 вольт (зависит от буквы в конце обозначения - смотрите таблицу), при токе 2-3 ампера. Вывод 2 микросхемы соединен с металлическим основанием кристалла, поэтому микросхему можно укреплять непосредственно на корпусе прибора без изолирующих прокладок. Емкости конденсаторов зависят от максимального тока через стабилизатор и при минимальных токах не должны быть менее 50 и 5 микрофарад (входной и выходной) соответственно. При эксплуатации микросхем с номинальным током нагрузки — емкости конденсаторов следует соответственно увеличить — входной конденсатор должен иметь емкость не менее 1000, выходной - 200 микрофарад. Рабочее напряжение конденсаторов должно соответствовать напряжениям выпрямителя и нагрузки с небольшим (15-20 %) запасом. Резистор на 200 ом служит для увеличения тока через стабилитрон, что улучшает стабильность выходного напряжения. В данном примере выходное напряжение стабилизатора будер равно 5+4,7= 9,7 вольта. Маломощные стабилизаторы напряжения включаются аналогично. Для увеличения выходного тока стабилизатора можно использовать транзисторы: В серии КР142 имеется микросхема с регулируемым выходным напряжением — КР142ЕН12А: Необходимо учитывать, что разводка ножек у микросхем серии 79… и КР142 ЕН12 отличается от типовой! Данная схема при входном напряжении 40 вольт способна выдавать выходное напряжение от 1,2 до 37 вольт (для нормальной работы падение напряжения на микросхеме должно быть не менее 3 вольт) при токе нагрузки до 1,5 ампер. |
Стабилизатор напряжения | Описание работы, схема подключения.
Стабилизатор напряжения – важнейший радиоэлемент современных радиоэлектронных устройств. Он обеспечивает постоянное напряжение на выходе цепи, которое почти не зависит от нагрузки.
Стабилизаторы семейства LM
В нашей статье мы рассмотрим стабилизаторы напряжения семейства LM78ХХ. Серия 78ХХ выпускается в металлических корпусах ТО-3 (слева) и в пластмассовых корпусах ТО-220 (справа). Такие стабилизаторы имеют три вывода: вход, земля (общий) и вывод.
Вместо “ХХ” изготовители указывают напряжение стабилизации, которое нам будет выдавать этот стабилизатор. Например, стабилизатор 7805 на выходе будет выдавать 5 Вольт, 7812 соответственно 12 Вольт, а 7815 – 15 Вольт. Все очень просто.
Схема подключения
А вот и схема подключения таких стабилизаторов. Эта схема подходит ко всем стабилизаторам семейства 78ХХ.
На схеме мы видим два конденсатора, которые запаиваются с каждой стороны. Это минимальные значения конденсаторов, можно, и даже желательно поставить большего номинала. Это требуется для уменьшения пульсаций как по входу, так и по выходу. Кто забыл, что такое пульсации, можно заглянуть в статью как получить из переменного напряжения постоянное.
Характеристики стабилизаторов
Какое же напряжение подавать, чтобы стабилизатор работал как надо? Для этого ищем даташит на стабилизаторы и внимательно изучаем. Нас интересуют вот эти характеристики:
Output voltage – выходное напряжение
Input voltage – входное напряжение
Ищем наш 7805. Он выдает нам выходное напряжение 5 Вольт. Желательным входным напряжением производители отметили напряжение в 10 Вольт. Но, бывает так, что выходное стабилизированное напряжение иногда бывает или чуть занижено, или чуть завышено.
Для электронных безделушек доли вольт не ощущаются, но для прецизионной (точной) аппаратуры лучше все таки собирать свои схемы. Здесь мы видим, что стабилизатор 7805 может нам выдать одно из напряжений диапазона 4,75 – 5,25 Вольт, но при этом должны соблюдаться условия (conditions), что ток на выходе в нагрузке не будет превышать 1 Ампера. Нестабилизированное постоянное напряжение может “колыхаться” в диапазоне от 7,5 и до 20 Вольт, при это на выходе будет всегда 5 Вольт.
Рассеиваемая мощность на стабилизаторе может достигать до 15 Ватт – это приличное значение для такой маленькой радиодетали. Поэтому, если нагрузка на выходе такого стабилизатора будет кушать приличный ток, думаю, стоит подумать об охлаждении стабилизатора. Для этого ее надо посадить через пасту КПТ на радиатор. Чем больше ток на выходе стабилизатора, тем больше по габаритам должен быть радиатор. Было бы вообще идеально, если бы радиатор еще обдувался вентилятором.
Работа стабилизатора на практике
Давайте рассмотрим нашего подопечного, а именно, стабилизатор LM7805. Как вы уже поняли, на выходе мы должны получить 5 Вольт стабилизированного напряжения.
Соберем его по схеме
Берем нашу Макетную плату и быстренько собираем выше предложенную схемку подключения. Два желтеньких – это конденсаторы, хотя их ставить необязательно.
Итак, провода 1,2 – сюда мы загоняем нестабилизированное входное постоянное напряжение, снимаем 5 Вольт с проводов 3 и 2.
[quads id=1]
На Блоке питания мы ставим напряжение в диапазоне 7,5 Вольт и до 20 Вольт. В данном случае я поставил напряжение 8,52 Вольта.
И что же у нас получилось на выходе данного стабилизатора? 5,04 Вольта! Вот такое значение мы получим на выходе этого стабилизатора, если будем подавать напряжение в диапазоне от 7,5 и до 20 Вольт. Работает великолепно!
Давайте проверим еще один наш стабилизатор. Думаю, Вы уже догадались, на сколько он вольт.
Собираем его по схеме выше и замеряем входное напряжение. По даташиту можно подавать на него входное напряжение от 14,5 и до 27 Вольт. Задаем 15 Вольт с копейками.
А вот и напряжение на выходе. Блин, каких то 0,3 Вольта не хватает для 12 Вольт. Для радиоаппаратуры, работающей от 12 Вольт это не критично.
Как сделать блок питания на 5, 9,12 Вольт
Как же сделать простой и высокостабильный источник питания на 5, на 9 или даже на 12 Вольт? Да очень просто. Для этого Вам нужно прочитать вот эту статейку и поставить на выход стабилизатор на радиаторе! И все! Схема будет приблизительно вот такая для блока питания 5 Вольт:
Два электролитических конденсатора для для устранения пульсаций и высокостабильный блок питания на 5 вольт к вашим услугам! Чтобы получить блок питания на большее напряжение, нам нужно также на выходе трансформатора тоже получить большее напряжение. Стремитесь, чтобы на конденсаторе С1 напряжение было не меньше, чем в даташите на описываемый стабилизатор.
Для того, чтобы стабилизатор напряжения не перегревался, подавайте на вход минимальное напряжение, указанное в даташите. Например, для стабилизатора 7805 это напряжение равно 7,5 Вольт, а для стабилизатора 7812 желательным входным напряжением можно считать напряжение в 14,5 Вольт. Это связано с тем, разницу напряжения, а следовательно и мощность, стабилизатор будет рассеивать на себе.
Как вы помните, формула мощности P=IU, где U – напряжение, а I – сила тока. Следовательно, чем больше входное напряжение стабилизатора, тем больше мощность, потребляемая им. А излишняя мощность – это и есть нагрев. В результате нагрева такой стабилизатор может перегреться и войти в состояние защиты, при котором дальнейшая работа стабилизатора прекращается или вовсе сгореть.
Заключение
Все большему числу электронных устройств требуется качественное стабильное питание без всяких скачков напряжения. Сбой того или иного модуля электронной аппаратуры может привести к неожиданным и не очень приятным последствиям. Используйте же на здоровье достижения электроники, и не парьтесь по поводу питания своих электронных безделушек.
Где купить стабилизатор напряжения
Купить дешево эти интегральные стабилизаторы можно сразу целым набором на Алиэкспрессе по этой ссылке. Здесь есть абсолютно любые значения даже для отрицательного напряжения.
А в видео можете посмотреть как сделать самый простой стабилизатор на LM 317:
О стабилизаторах напряжения и стабилизаторах тока «Крен» привет
В обсуждениях электрических схем часто встречаются термины «стабилизатор напряжения» и «стабилизатор тока». Но какая между ними разница? Как работают эти стабилизаторы? В какой схеме нужен дорогой стабилизатор напряжения, а где достаточно простого регулятора? Ответы на данные вопросы вы найдёте в этой статье.
Рассмотрим стабилизатор напряжения на примере устройства LM7805.В его характеристиках указано: 5В 1,5А. Это значит стабилизирует он именно напряжение и именно до 5В. 1,5А — это максимальный ток, который может проводить стабилизатор. Пиковая сила тока. То есть от может отдать и 3 миллиампера, и 0,5 ампер, и 1 ампер. Столько, сколько тока требует нагрузка. Но не больше полутора. Это главное отличие стабилизатора напряжения от стабилизатора тока.
Виды стабилизаторов напряжения
Различают всего 2 основных типа стабилизаторов напряжения:
- линейные
- импульсные
Линейные стабилизаторы напряжения
Например, микросхемы КРЕН или LM7805, LM1117, LM350.
Кстати, КРЕН — это не аббревиатура, как многие думают. Это сокращение. Советская микросхема-стабилизатор, аналогичная LM7805 имела обозначение КР142ЕН5А. Ну а ещё есть КР1157ЕН12В, КР1157ЕН502, КР1157ЕН24А и куча других. Для краткости всё семейство микросхем стали называть «КРЕН». КР142ЕН5А тогда превращается в КРЕН142.
Советский стабилизатор КР142ЕН5А. Аналог LM7805.
Стабилизатор LM7805
Наиболее распространенный вид. Недостаток их в том, что они не могут работать на напряжении ниже, чем заявленное выходное напряжение. Если LM7805 стабилизирует напряжение на 5 вольтах, то на вход ему подать нужно как минимум на полтора вольта больше. Если подать меньше 6,5 В, то выходное напряжение «просядет», и мы уже не получим 5 В. Еще один минус линейных стабилизаторов — сильный нагрев при нагрузке. Собственно, в этом и заключается принцип их работы — всё, что выше стабилизируемого напряжения, просто превращается в тепло. Если мы на вход LM7805 подадим 12 В, то 7 потратятся на нагрев корпуса, а 5 пойдут потребителю. Корпус при этом нагреется настолько сильно, что без радиатора микросхема просто сгорит. Из всего этого вытекает ещё один серьёзный недостаток — линейный стабилизатор не стоит применять в устройствах с питанием от батареек. Энергия батареек будет тратиться на нагрев стабилизатора. Всех этих недостатков лишены импульсные стабилизаторы.
Импульсные стабилизаторы напряжения
Импульсные стабилизаторы — лишены недостатков линейных, но и стоят дороже. Это уже не просто микросхема с тремя выводами. Выглядят они, как плата с детальками.
Один из вариантов исполнения импульсного стабилизатора.
Импульсные стабилизаторы бывают трех видов: понижающие, повышающие и всеядные. Наиболее интересные — всеядные. Независимо от напряжения на входе, на выходе будет именно то, которое нам нужно. Всеядному импульснику все равно, что на входе напряжение ниже или выше нужного. Он сам автоматом переключается в режим повышения или понижения напряжения и держит заданное на выходе. Если в характеристиках заявлено, что стабилизатору на вход можно подать от 1 до 15 вольт и на выходе будет стабильно 5, то так оно и будет. Кроме того, нагрев импульсных стабилизаторов настолько незначителен, что в большинстве случаев им можно пренебречь. Если ваша схема будет питаться от батареек или размещаться в закрытом корпусе, где сильный нагрев линейного стабилизатора недопустим — ставьте импульсный.
Купить — LM7805 10 штук на Алиєкспресс
Импульсный стабилизатор (повышайка) MT3608 2A на Алиєкспресс
Импульсный стабилизатор 5А (понижайка) XL4015на Алиэкспресс
Хорошо. А что со стабилизатором тока?
Не открою Америку, если скажу, что стабилизатор тока стабилизирует ток.
Токовые стабилизаторы ещё иногда называют светодиодным драйвером. Внешне они похожи на импульсные стабилизаторы напряжения. Хотя сам стабилизатор — маленькая микросхема, а всё остальное нужно для обеспечения правильного режима работы. Но обычно драйвером называют всю схему сразу.
Примерно так выглядит стабилизатор тока. Красным кружком обведена та самая схема, которая и является стабилизатором. Всё остальное на плате — обвязка.
Итак. Драйвер задаёт ток. Стабильно! Если написано, что на выходе будет ток в 350мА, то будет именно 350мА. А вот напряжение на выходе может меняется в зависимости от требуемого потребителем напряжения. Не будем пускаться в дебри теории о том. как всё это работает. Просто запомним, что вы напряжение не регулируете, драйвер сделает все за вас исходя из потребителя.
Ну так и зачем всё это нужно то?
Теперь вы знаете, чем стабилизатор напряжения отличается от стабилизатора тока и можете ориентироваться в их многообразии. Возможно, вам так и не стало понятно, зачем эти штуки нужны.
Пример: вы хотите запитать 3 светодиода от бортовой сети автомобиля. Главное для светодиода важно контролировать именно силу тока. Используем самый распространенный вариант соединения светодиодов: последовательно соединены 3 светодиода и резистор. Напряжение питания — 12 вольт.
Резистором мы ограничиваем ток на светодиоды, чтобы они не сгорели. Падение напряжения на светодиоде пусть будет у нас 3.4 вольта.
После первого светодиода остается 12-3.4= 8.6 вольт.
Нам пока хватает.
На втором потеряется еще 3.4 вольта, то есть останется 8.6-3.4=5.2 вольта.
И для третьего светодиода тоже хватит.
А после третьего останется 5.2-3.4=1.8 вольта.
При желании добавить четвёртый светодиод — уже не хватит.
Если напряжение питания поднять до 15В, то тогда хватит. Но тогда и резистор тоже надо будет пересчитать. Резистор — простейший стабилизатор (ограничитель) тока. Их часто ставят на те же ленты и модули. У него есть минус — чем ниже напряжение, тем меньше будет и ток на светодиоде (закон Ома, с ним не поспоришь). Значит, если входное напряжение нестабильно (в автомобилях обычно так и есть), то предварительно нужно стабилизировать напряжение, а потом можно ограничить резистором ток до необходимых значений. Если используем резистор, как токовый ограничитель там, где напряжение не стабильно, нужно стабилизировать напряжение.
Стоит помнить, что резисторы имеет смысл ставить только до определенной силы тока. После некоторого порога резисторы начинают сильно греться и приходится ставить более мощные резисторы . Тепловыделение растёт, КПД падает.
Импульсный стабилизатор тока
Импульсный стабилизатор тока тоже называют светодиодным драйвером. Часто те, кто не сильно разбирается в этом, стабилизатор напряжения называют просто драйвером светодиодов, а импульсный стабилизатор тока — хорошим светодиодным драйвером. Он выдаёт сразу стабильное напряжение и ток. И почти не нагревается. Вот так он выглядит:
Каталог продукцииОбновлен: 24.08.2021 в 16:30
| Информация обновлена 24.08.2021 в 16:30
Ток выходной, А (Iout) 0,03 0,05 0,08 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,4 0,45 0,5 0,55 0,7 0,8 1 1,5 2
|
Стабилизаторы с малым падением напряжения в SOT89-5
Линейные стабилизаторы напряжения в SOT89 на ток 100 мА
Линейный стабилизатор напряжения в TO-252 на ток 0.5А
Линейный стабилизатор с малым падением напряжения на ток 1А
ПараллельныЙ стабилизатор напряжения в SOT89
Понижающие импульсные DC/DC преобразователи
Типовая схама включения MIC5233BM5Схема регулируемого стабилизатора напряжения с ультранизким током потребления Типовые схемы включения MIC4685BRПреобразователь 1,8 В Преобразователь 5/3,3 В | Корзина Корзина пуста |
Микросхемы стабилизаторов напряжения
Кодовая маркировка микросхем стабилизаторов напряжения
Интегральные стабилизаторы напряжения из серии 142 не всегда имеют полную маркировку типа. В этом случае на корпусе стоит условный код обозначения который и позволяет определить тип микросхемы.
Примеры расшифровки кодовой маркировки на корпусе микросхем:
Микросхемы стабилизаторов с приставкой КР вместо К имеют те же параметры и отличаются только конструкцией корпуса. При маркировке этих микросхем часто используют укороченное обозначение, например вместо КР142ЕН5А наносят КРЕН5А.
| Наименование микросхемы |
Uстаб., В |
Iст.макс., А |
Рмах., Вт |
Iпотр., мА |
Корпус | Код на корпусе |
| (К)142ЕН1А | 3…12±0,3 | 0,15 | 0,8 | 4 | DIP-16 | (К)06 |
| (К)142ЕН1Б | 3…12±0,1 | (К)07 | ||||
| К142ЕН1В | 3…12±0,5 | К27 | ||||
| К142ЕН1Г | 3…12±0,5 | К28 | ||||
| К142ЕН2А | 3…12±0,3 | К08 | ||||
| К142ЕН2Б | 3…12±0,1 | К09 | ||||
| 142ЕНЗ | 3…30±0,05 | 1,0 | 6 | 10 | 10 | |
| К142ЕНЗА | 3…30±0,05 | 1,0 | К10 | |||
| К142ЕНЗБ | 5…30±0,05 | 0,75 | К31 | |||
| 142ЕН4 | 1.2…15±0,1 | 0,3 | 11 | |||
| К142ЕН4А | 1.2…15±0,2 | 0,3 | К11 | |||
| К142ЕН4Б | 3…15±0,4 | 0,3 | К32 | |||
| (К)142ЕН5А | 5±0,1 | 3,0 | 5 | 10 | (К)12 | |
| (К)142ЕН5Б | 6±0,12 | 3,0 | (К)13 | |||
| (К)142ЕН5В | 5±0,18 | 2,0 | (К)14 | |||
| (К)142ЕН5Г | 6±0,21 | 2,0 | (К)15 | |||
| 142ЕН6А | ±15±0,015 | 0,2 | 5 | 7,5 | 16 | |
| К142ЕН6А | ±15±0,3 | К16 | ||||
| 142ЕН6Б | ±15±0,05 | 17 | ||||
| К142ЕН6Б | ±15±0,3 | К17 | ||||
| 142ЕН6В | ±15±0,025 | 42 | ||||
| К142ЕН6В | ±15±0,5 | КЗЗ | ||||
| 142ЕН6Г | ±15±0,075 | 0,15 | 5 | 7,5 | 43 | |
| К142ЕН6Г | ±15±0,5 | К34 | ||||
| К142ЕН6Д | ±15±1,0 | К48 | ||||
| К142ЕН6Е | ±15±1,0 | К49 | ||||
| (К)142ЕН8А | 9±0,15 | 1,5 | 6 | 10 | (К)18 | |
| (К)142ЕН8Б | 12±0,27 | (К)19 | ||||
| (К)142ЕН8В | 15±0,36 | (К)20 | ||||
| К142ЕН8Г | 9±0,36 | 1,0 | 6 | 10 | К35 | |
| К142ЕН8Д | 12±0,48 | К36 | ||||
| К142ЕН8Е | 15±0,6 | К37 | ||||
| 142ЕН9А | 20±0.2 | 1,5 | 6 | 10 | 21 | |
| 142ЕН9Б | 24±0,25 | 22 | ||||
| 142ЕН9В | 27±0,35 | 23 | ||||
| К142ЕН9А | 20±0,4 | 1,5 | 6 | 10 | К21 | |
| К142ЕН9Б | 24±0,48 | 1,5 | К22 | |||
| К142ЕН9В | 27±0,54 | 1,5 | К23 | |||
| К142ЕН9Г | 20±0,6 | 1,0 | К38 | |||
| К142ЕН9Д | 24±0,72 | 1,0 | К39 | |||
| К142ЕН9Е | 27±0,81 | 1,0 | К40 | |||
| (К)142ЕН10 | 3…30 | 1,0 | 2 | 7 | (К)24 | |
| (К)142ЕН11 | 1 2…37 | 1 5 | 4 | 7 | (К)25 | |
| (К)142ЕН12 | 1.2…37 | 1 5 | 1 | 5 | КТ-28 | (К)47 |
| КР142ЕН12А | 1,2…37 | 1,0 | 1 | |||
| КР142ЕН15А | ±15±0,5 | 0,1 | 0,8 | DIP-16 | ||
| КР142ЕН15Б | ±15±0,5 | 0,2 | 0,8 | |||
| КР142ЕН18А | -1,2…26,5 | 1,0 | 1 | 5 | КТ-28 | (LM337) |
| КР142ЕН18Б | -1,2…26,5 | 1,5 | 1 | |||
| КМ1114ЕУ1А | — | — | — | — | — | К59 |
| КР1157ЕН502 | 5 | 0,1 | 0,5 | 5 | КТ-26 | 78L05 |
| КР1157ЕН602 | 6 | 78L06 | ||||
| КР1157ЕН802 | 8 | 78L08 | ||||
| КР1157ЕН902 | 9 | 78L09 | ||||
| КР1157ЕН1202 | 12 | 78L12 | ||||
| КР1157ЕН1502 | 15 | 78L15 | ||||
| КР1157ЕН1802 | 18 | 78L18 | ||||
| КР1157ЕН2402 | 24 | 78L24 | ||||
| КР1157ЕН2702 | 27 | 78L27 | ||||
| КР1170ЕНЗ | 3 | 0,1 | 0,5 | 1,5 | КТ-26 | См. рис |
| КР1170ЕН4 | 4 | |||||
| КР1170ЕН5 | 5 | |||||
| КР1170ЕН6 | 6 | |||||
| КР1170ЕН8 | 8 | |||||
| КР1170ЕН9 | 9 | |||||
| КР1170ЕН12 | 12 | |||||
| КР1170ЕН15 | 15 | |||||
| КР1168ЕН5 | -5 | 0,1 | 0,5 | 5 | КТ-26 | 79L05 |
| КР1168ЕН6 | -6 | 79L06 | ||||
| КР1168ЕН8 | -8 | 79L08 | ||||
| КР1168ЕН9 | -9 | 79L09 | ||||
| КР1168ЕН12 | -12 | 79L12 | ||||
| КР1168ЕН15 | -15 | 79L15 | ||||
| КР1168ЕН18 | -18 | 79L18 | ||||
| КР1168ЕН24 | -24 | 79L24 | ||||
| КР1168ЕН1 | -1,5…37 |
Микросхемы
— мощный интегрированный стабилизатор на 5 ампер. Стабилизаторы мощности микросхемы
МИКРОШИНЫ — СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Одним из важных узлов любого электронного оборудования является стабилизатор напряжения питания. Совсем недавно такие узлы строили на стабилитронах и транзисторах. Общее количество элементов стабилизатора было довольно значительным, особенно если требовалось контролировать выходное напряжение, защиту от перегрузки и короткого замыкания, ограничивая выходной ток на заданном уровне.С появлением специализированных микросхем ситуация изменилась. Существуют современные микросхемы регуляторов напряжения для широкого диапазона выходных напряжений и токов, в них встроена защита от перегрузки по току и перегрева — при нагреве микросхемы выше допустимой температуры она замыкается и ограничивает выходной ток. В табл. 2 — это список самых распространенных микросхем на отечественном рынке. линейные стабилизаторы фиксированного напряжения выходного напряжения и некоторые их параметры на рис. 92 — распиновка.Буквы хх в обозначении конкретной микросхемы заменяются одной или двумя цифрами, соответствующими напряжению стабилизации в вольтах, для микросхем серии КР142ЕН с буквенно-цифровым индексом, указанным в таблице. Микросхемы зарубежных производителей серий 78xx, 79xx, 78Mxx, 79Mxx, 78Lxx, 79Lxx могут иметь разные префиксы (указать производителя) и суффиксы, определяющие конструкцию (может отличаться от показанной на рис.92) и диапазон температур. . Следует учитывать, что информация о рассеиваемой мощности при наличии радиатора обычно не указывается в паспортных данных, поэтому здесь приведены некоторые усредненные значения из графиков, приведенных в документации.Также отметим, что для микросхем одной серии, но для разных напряжений значения рассеиваемой мощности также могут отличаться друг от друга. Более подробную информацию о некоторых сериях отечественных чипов можно найти в литературе. Исчерпывающая информация о микросхемах для линейных источников питания опубликована в.
Типовая схема включения микросхем на фиксированное выходное напряжение приведена на рис. 93. Для всех микросхем емкость конденсатора С1 должна быть не менее 2.2 мкФ для керамических или танталовых конденсаторов и не менее 10 мкФ для конденсаторов из оксида алюминия
. Емкость конденсатора С2 должна быть не менее 1 и 10 мкФ для аналогичных типов конденсаторов соответственно. Для некоторых микросхем емкость может быть меньше, но указанные значения гарантируют стабильную работу любых микросхем. В качестве
в качестве С1 можно использовать конденсатор сглаживающего фильтра, если он расположен на расстоянии не более 70 мм от микросхемы. В нем можно найти множество схем переключения для различного использования микросхем — чтобы обеспечить больший выходной ток, отрегулировать выходное напряжение, ввести другие варианты защиты, использовать микросхему в качестве генератора тока.
При необходимости нестандартной стабилизации напряжения или плавной регулировки выходного напряжения удобно использовать трехконтактные регулируемые схемы, поддерживающие напряжение 1,25 В между выходом и клеммой управления. Их параметры приведены в таблице. 3, а типовая схема включения стабилизаторов положительного напряжения — на рис. 94.
Резисторы R1 и R2 образуют внешний регулируемый делитель, часть схемы, устанавливающей выходное напряжение Uout. который определяется по формуле:
где Ipotr — собственное потребление тока микросхемы, равное 50… 100 мкА. Число 1,25 в этой формуле — это упомянутое выше напряжение между выходом и управляющим выходом, которое удерживает микросхему в режиме стабилизации.
Следует иметь в виду, что, в отличие от стабилизаторов на фиксированное выходное напряжение, регулируемые схемы
без нагрузки не работают. Минимальное значение выходного тока таких микросхем составляет 2,5 … 5 мА для маломощных микросхем и 5 … 10 мА для мощных. В большинстве приложений для обеспечения необходимой нагрузки достаточно делителя тока R1R2.
По схеме рис. 94 могут включать микросхемы с фиксированным выходом на
напряжения, но собственное потребление тока намного больше (2 … 4 мА) и оно менее стабильно при изменении выходного тока и входного напряжения.
Для снижения уровня пульсаций, особенно при высоких выходных напряжениях, рекомендуется включать сглаживающий конденсатор С2 емкостью 10 мкФ и более. Требования к конденсаторам С1 и С3 такие же, как и к соответствующим конденсаторам для микросхем с фиксированным выходным напряжением.
Диод VD1 защищает микросхему при отсутствии входного напряжения и подключении ее выхода к источнику питания, например, при зарядке аккумуляторов или от случайного замыкания входной цепи заряженным конденсатором С3. Диод VD2 служит для разряда конденсатора C2, когда выходная или входная цепь замкнута и при отсутствии C2 не нужен.
Приведенная выше информация служит для предварительного выбора чипов. Перед проектированием регулятора напряжения вы должны ознакомиться с полными справочными данными, по крайней мере, чтобы точно знать максимально допустимое входное напряжение, является ли выходное напряжение достаточно стабильным при изменении входного напряжения, выходного тока или температуры.Можно отметить, что все параметры микросхем находятся на уровне, достаточном для подавляющего числа приложений в любительском радио.
В описываемых микросхемах есть два заметных недостатка — достаточно высокое минимально необходимое напряжение между входом и выходом — 2 … 3 В и ограничения по максимальным параметрам — входному напряжению, рассеиваемой мощности и выходному току. Эти недостатки часто не играют роли, и с лихвой окупаются простотой использования и невысокой ценой микросхем.
Несколько конструкций стабилизаторов напряжения, использующих описанные микросхемы, обсуждаются ниже.
Доброго времени суток!
Сегодня я хотел бы затронуть тему питания электронных устройств.
Итак, прошивка готова, микроконтроллер куплен, схема собрана, осталось только подключить питание, а где взять? Допустим, микроконтроллер AVR и схема запитаны от 5 вольт.
Получить 5в нам помогут следующие схемы:
Линейный регулятор напряжения на микросхеме L 7805
Это самый простой и дешевый способ.Нам понадобится:
- Микросхема L 7805 или ее аналоги.
- Krone 9v или любой другой источник питания (телефон, планшет, ноутбук).
- 2 конденсатора (для 7805 л это 0,1 и 0,33 мкФ).
- Радиатор.
Соберем следующую схему:
Стабилизатор в своей работе основан на микросхеме l 7805, которая имеет следующие характеристики:
Максимальный ток: 1,5 А
Входное напряжение: 7-36 В
Выходное напряжение: 5 В
Конденсаторы используются для сглаживания пульсаций.Однако падение напряжения происходит прямо на микросхеме. То есть если на вход подать 9 вольт, то на микросхему l 7805 выпадет 4 вольта (разница между входным напряжением и напряжением стабилизации). Это приведет к выделению тепла на микросхеме, количество которого легко рассчитать по формуле:
(Входное напряжение — стабилизация напряжения) * ток через нагрузку.
То есть если на стабилизатор подать 12 вольт, которым запитаем цепь, потребляющую 0.1 Ампер, (12-5) * 0,1 = 0,7 Вт тепла будет рассеиваться до 7805 л. Следовательно, микросхему необходимо установить на радиатор:
Достоинств этого стабилизатора:
- Дешевизна (без радиатора).
- Простота.
- Легко монтируется путем монтажа, т.е. не требует изготовления печатной платы.
Минусов:
- Необходимость размещения микросхемы на радиаторе.
- Нет возможности регулировать стабилизированное напряжение.
Этот стабилизатор идеально подходит в качестве источника напряжения для простых энергоемких схем.
Импульсный регулятор напряжения
Для сборки нам понадобится:
- Микросхема LM 2576S -5.0 (Можно взять аналог, но привязка будет другая, проверьте документацию на вашу конкретную микросхему).
- Диод 1N5822.
- 2 конденсатора (Для LM 2576S -5,0, 100 и 1000 мкФ).
- Дроссель (катушки) 100 микро Генри.
Схема подключения следующая:
Микросхема LM 2576S -5.0 имеет следующие характеристики:
- Максимальный ток: 3A
- Входное напряжение: 7-37 В
- Выходное напряжение: 5 В
Стоит отметить, что данный стабилизатор требует большего количества комплектующих (а также наличия печатной платы для более точной и удобной установки). Однако у этого стабилизатора есть огромное преимущество перед линейным аналогом — он не нагревается, а максимальный ток в 2 раза выше.
Достоинств этого стабилизатора:
- Меньше тепла (не нужно покупать радиатор).
- Больший максимальный ток.
Минусов:
- Более дорогой линейный стабилизатор.
- Сложность навесного монтажа.
- Нет возможности изменения стабилизируемого напряжения (При использовании микросхемы LM 2576S -5.0).
Для питания простых любительских схем на микроконтроллерах AVR достаточно стабилизаторов, представленных выше. Однако в следующих статьях мы постараемся собрать лабораторный блок питания, который позволяет быстро и удобно настраивать параметры питания схем.
Спасибо за внимание!
В этой статье мы рассмотрим возможности и способы питания цифровых устройств, собранных вручную, в частности, на. Ни для кого не секрет, что залог успеха любого устройства — его правильное питание. Конечно, источник питания должен обеспечивать необходимую мощность для питания устройства, иметь на выходе электролитический конденсатор большой емкости, чтобы сглаживать пульсации, и желательно, чтобы он был стабилизирован.
Последнее, я особо подчеркну, различные нестабилизированные источники питания, такие как зарядные устройства от сотовых телефонов, роутеров и подобного оборудования, не подходят для питания микроконтроллеров и других цифровых устройств напрямую.Поскольку напряжение на выходе таких блоков питания различается в зависимости от мощности подключенной нагрузки. Исключение составляют стабилизированные зарядные устройства, с выходом USB, выдающие на выходе 5 вольт, например зарядка от смартфонов.
Многие начинающие изучать электронику и просто заинтересовались, думаю, меня шокировал тот факт: на адаптере питания например от пульта Денди , и любой другой аналогичный нестабилизированный 9 вольт постоянного тока может быть написан (или постоянного тока), и при измерении мультиметром щупов, подключенных к контактам штекера БП на экране мультиметра, всего 14 или даже 16.Такой блок питания можно при желании использовать для питания цифровых устройств, но стабилизатор должен быть собран на микросхеме 7805 или КРЕН5. Ниже фото микросхемы L7805CV в корпусе ТО-220.
Такой стабилизатор имеет несложную схему подключения, от чипсета, то есть из тех деталей, которые необходимы для его работы, нам понадобится всего 2 керамических конденсатора по 0,33 мкФ и 0,1 мкФ. Схема подключения многим известна и взята из даташита на микросхему:
Соответственно на вход такого стабилизатора подаем напряжение, либо подключаем к плюсу блока питания.А минус соединяем с минусом микросхемы, и подаем прямо на вывод.
И получаем выход, нам нужны стабильные 5 вольт, к которым при желании, если сделать соответствующий разъем, можно подключить кабель USB и зарядить телефон, мп3 плеер или любое другое устройство с возможностью зарядки от USB-порт.
Стабилизатор понижающий с 12 до 5 вольт
Автомобильное зарядное устройство С выходом USB все давно знают.Внутри он устроен по такому же принципу, то есть стабилизатор, 2 конденсатора и 2 разъема.
В качестве примера для тех, кто хочет собрать аналогичное зарядное устройство своими руками или отремонтировать уже имеющееся, приведу его схему, дополненную светодиодной индикацией:
Распиновка микросхемы 7805 в корпусе ТО-220 представлена на следующих рисунках. При сборке следует помнить, что распиновка микросхем в разных корпусах разная:
При покупке микросхемы в радиомагазине следует спрашивать стабилизатор как L7805CV в упаковке ТО-220.Эта микросхема может работать без радиатора с током до 1 ампера. Если требуются работы на больших токах, микросхему необходимо установить на радиатор.
Конечно, эта микросхема существует и в других корпусах, например, в привычном всем по маломощным транзисторам ТО-92. Этот стабилизатор работает на токах до 100 мА. Минимальное входное напряжение, при котором стабилизатор начинает работать — 6,7 вольт, стандартное от 7 вольт. Фотография микросхемы в корпусе ТО-92 приведена ниже:
Распиновка микросхемы в корпусе ТО-92, как уже было описано выше, отличается от распиновки микросхемы в корпусе ТО-220.Мы можем видеть это на следующем рисунке, так как становится ясно, что ножки зеркально отражены по отношению к TO-220:
.
Конечно, стабилизаторы выдают другое напряжение, например 12 вольт, 3,3 вольта и другие. Главное не забывать, что входное напряжение должно быть минимум на 1,7 — 3 вольта больше выходного.
Микросхема 7833 — схема
На следующем рисунке показана распиновка стабилизатора 7833 в корпусе ТО-92.Такие стабилизаторы используются для питания устройств на микроконтроллерах дисплеев, карт памяти и других периферийных устройств, требующих более низкого напряжения, чем 5 вольт, основного источника питания микроконтроллера.
Стабилизатор для блока питания МК
Использую для питания устройств, собранных и отлаженных на макетной плате на микроконтроллерах, со стабилизатором в корпусе, как на фото выше. Питание от нестабилизированного адаптера осуществляется через разъем на плате устройства.Его принципиальная схема представлена на рисунке ниже:
При подключении микросхемы необходимо строго соблюдать распиновку. Если путаются ножки, достаточно даже одного включения, чтобы стабилизатор отключился, поэтому при его включении нужно быть осторожным. Автор материала AKV.
Сегодня транзисторные регуляторы напряжения редко используются для подключения оборудования к источнику питания. Это связано с широким использованием устройств встроенной стабилизации.
Использование ИС
Рассмотрим свойства импортных и отечественных схем, которые действуют вместо регуляторов напряжения. У них есть параметры согласно таблице.
Посторонние стабилизаторы серии 78 … служат для выравнивания положительного, а серии 79 … — отрицательного потенциала напряжения. Типовые ИС с обозначением L — маломощные устройства. Они выполнены в небольших пластиковых корпусах ТО 26. Стабилизаторы выполнены более мощными в корпусе типа ТОТ, аналогично транзисторам КТ 805, и установлены на теплоотводящих радиаторах.
Цепи подключения KR 142 EN5
Эта микросхема используется для создания стабильного напряжения 5-6 В при токе 2-3 А. Электрод 2 микросхемы соединен с металлической основой кристалла. Микросхема закреплена непосредственно на корпусе без изолирующих прокладок. Значение емкости зависит от наибольшего тока, протекающего через стабилизатор, и при наименьших токах нагрузки — значение емкости необходимо увеличить — входной конденсатор должен быть не менее 1000 мкФ, а на выходе не менее 200 мкФ.Рабочее значение напряжения емкостей должно быть подходящим для выпрямителя с запасом 20%.
Если к цепи электродов микросхемы (2) подключить стабилитрон, выходное напряжение увеличится до значения напряжения микросхемы, и к этому значению будет добавлено напряжение стабилитрона.
Импеданс 200 Ом предназначен для увеличения тока, протекающего через стабилитрон. Это оптимизирует стабильность напряжения. В нашем случае напряжение будет 5 + 4.7 = 9,7 В. Аналогичным образом подключаются слабые стабилитроны. Для увеличения токового выхода стабилизатора можно использовать транзисторы.
типа 79 используются для выравнивания отрицательного значения и подключаются к схеме аналогичным образом.
В серии микросхем есть устройство с регулируемым выходным напряжением — КР 142ЕН12 А:
Следует отметить, что распиновка ножек 79 типа микросхем и КР 142 ЕН 12 отличается от типовой.При напряжении 40 В эта схема может выдавать напряжение 1,2-37 В при токе до 1,5 А.
Стабилитроны для замены
Одним из основных компонентов электронного оборудования стали стабилизаторы напряжения. До недавнего времени таких комплектующих было:
- Транзисторы различных серий.
- Стабилитроны.
- Трансформаторы.
Общее количество деталей стабилизатора было значительным, особенно регулируемым устройством. С появлением специальных фишек все изменилось.Новые микросхемы стабилизаторов производятся на широкий диапазон напряжений, со встроенными опциями защиты.
В таблице приведен список популярных микросхем стабилизаторов с обозначениями.
Если нужно нестандартное напряжение с регулировкой, то используйте 3-х контактные микросхемы с напряжением 1,25 вольта на выходе и управляющем выходе.
Типовая схема работы микросхем на определенное напряжение представлена на рисунке. Емкость С1 не ниже 2,2 мкФ.
Регулируемые микросхемы, в отличие от стационарных устройств, не могут работать без нагрузки.
Наименьший ток регулируемых микросхем составляет 2,5-5 мА для слабых моделей и до 10 мА для мощных. Для уменьшения пульсаций напряжения при более высоких напряжениях желательно подключить выравнивающий конденсатор на 10 мкФ. Диод VD 1 защищает микросхему, если нет входного напряжения и с его выхода подается питание. Диод VD 2 предназначен для разряда емкости C2, когда входная или выходная цепь замкнута.
Недостатки микросхемы
Свойства микросхем остаются на уровне большинства применяемых в практике радиолюбителей. Из недостатков микросхем можно отметить:
- Наименьшее минимальное напряжение между выходом и входом составляет 2-3 вольта.
- Ограничения по наибольшим параметрам: входное напряжение, рассеиваемая мощность, выходной ток.
Эти недостатки не слишком заметны и быстро окупаются простотой использования и невысокой стоимостью.
Микросхемы стабилизатора напряжения. Интегрированные стабилизаторы для микроконтроллеров
Трудно найти какое-либо электронное устройство, не использующее стабилизированный источник питания. В основном в качестве источника питания для подавляющего большинства различных электронных устройств, рассчитанных на работу от 5 вольт, лучшим вариантом будет использование трехконтактного интегрального 78L05 .
Описание стабилизатора 78L05
Этот стабилизатор не дорогой () и прост в использовании, что упрощает проектирование электронных схем со значительным количеством печатных плат, на которые подается нерегулируемое постоянное напряжение, и каждая плата имеет свой собственный стабилизатор, отдельно установленный.
Микросхема— стабилизатор 78L05 (7805) имеет тепловую защиту, а также встроенную систему защиты стабилизатора от перегрузки по току. Однако для более надежной работы желательно использовать диод для защиты стабилизатора от короткого замыкания во входной цепи.
Технические параметры и распиновка стабилизатора 78L05:
- Входное напряжение: от 7 до 20 вольт.
- Выходное напряжение: от 4,5 до 5,5 вольт.
- Выходной ток (максимальный): 100 мА.
- Ток потребления (стабилизатор): 5,5 мА.
- Допустимая разница входного-выходного напряжения: 1,7 В.
- Рабочая температура: от -40 до +125 ° C.
Аналоги стабилизатора 78L05 (7805)
Данная микросхема бывает двух типов: мощная 7805 (ток нагрузки до 1А) и маломощная 78L05 (ток нагрузки до 0,1А). Зарубежный аналог 7805 — КА7805. Отечественные аналоги — для 78Л05 — КР1157ЕН5, а для 7805 — 142ЕН5
.Схема подключения 78L05
Типовая схема включения стабилизатора 78L05 (согласно даташиту) проста и не требует большого количества дополнительных радиоэлементов.
Конденсатор C1 на входе необходим для устранения радиопомех при подаче входного напряжения. Конденсатор С2 на выходе стабилизатора, как и в любом другом блоке питания, обеспечивает стабильность блока питания при резком изменении тока нагрузки, а также снижает степень пульсаций.
При разработке блока питания необходимо учитывать, что для стабильной работы стабилизатора 78L05 входное напряжение должно быть не менее 7 и не более 20 вольт.
Ниже приведены некоторые примеры использования встроенного стабилизатора 78L05.
78L05 блок питания лабораторный
Данная схема отличается оригинальностью, за счет нестандартного использования микросхемы, опорным напряжением которой является стабилизатор 78L05. Поскольку максимально допустимое входное напряжение для 78L05 составляет 20 вольт, в схему добавлен параметрический стабилизатор на стабилитроне VD1 и резисторе R1, чтобы предотвратить выход 78L05 из строя.
Микросхема TDA2030 подключена как неинвертирующий усилитель.При таком подключении коэффициент усиления составляет 1 + R4 / R3 (в данном случае 6). Таким образом, напряжение на выходе блока питания при изменении сопротивления резистора R2 изменится от 0 до 30 вольт (5 вольт х 6). Если нужно изменить максимальное выходное напряжение, то это можно сделать, подобрав соответствующее сопротивление резистора R3 или R4.
Бестрансформаторный блок питания на 5 В
отличается повышенной стабильностью, отсутствием нагрева элементов и состоит из доступных радиодеталей.
В состав блока питания входят: индикатор включения на светодиодах HL1, вместо обычного трансформатора — схема гашения на элементах С1 и R2, диодный выпрямительный мост VD1, конденсаторы для уменьшения пульсаций, VD2 9 вольт. Стабилитрон и встроенный стабилизатор напряжения 78L05 (DA1). Необходимость в стабилитроне связана с тем, что напряжение на выходном диодном мосту составляет примерно 100 вольт, и это может повредить стабилизатор 78L05. Можно использовать любой стабилитрон с напряжением стабилизации 8… 15 вольт.
Внимание! Поскольку цепь гальванически не изолирована от сети, следует соблюдать осторожность при настройке и использовании источника питания.
Простой регулируемый источник питания для 78L05
Диапазон регулируемого напряжения в этой цепи составляет от 5 до 20 вольт. Выходное напряжение изменяется с помощью переменного резистора R2. Максимальный ток нагрузки — 1,5 ампера. Стабилизатор 78L05 лучше всего заменить на 7805 или его отечественный аналог КР142ЕН5А.Транзистор VT1 можно заменить на. Мощный транзистор VT2 желательно разместить на радиаторе площадью не менее 150 кв. См.
Универсальная схема зарядного устройства
Данная схема зарядного устройства довольно проста и универсальна. Зарядка позволяет заряжать все виды аккумуляторных батарей: литиевые, никелевые, а также небольшие свинцово-кислотные батареи, используемые в источниках бесперебойного питания.
Известно, что при зарядке аккумуляторов важен стабильный зарядный ток, который должен составлять примерно 1/10 емкости аккумулятора.Постоянство зарядного тока обеспечивает стабилизатор 78L05 (7805). Зарядное устройство имеет 4 диапазона зарядного тока: 50, 100, 150 и 200 мА, которые определяются сопротивлениями R4 … R7 соответственно. Исходя из того, что на выходе стабилизатора 5 вольт, то для получения допустимых 50 мА необходим резистор 100 Ом (5В / 0,05 А = 100) и так далее для всех диапазонов.
Схема также оснащена индикатором на двух транзисторах VT1, VT2 и светодиоде HL1.Светодиод гаснет, когда аккумулятор заряжен.
Регулируемый источник тока
Из-за отрицательной обратной связи через сопротивление нагрузки на входе 2 (инвертирующем) микросхемы TDA2030 (DA2) присутствует напряжение Uin. Под действием этого напряжения через нагрузку протекает ток: Ih = Uin / R2. Исходя из этой формулы, ток, протекающий через нагрузку, не зависит от сопротивления этой нагрузки.
Таким образом, изменяя напряжение, подаваемое с переменного резистора R1 на вход 1 DA2 с 0 до 5 В, при постоянном значении резистора R2 (10 Ом) можно изменять ток, протекающий через нагрузку, в диапазоне от От 0 до 0.5 А.
Подобную схему можно успешно использовать в качестве зарядного устройства для зарядки всех видов аккумуляторов. Зарядный ток постоянен в течение всего процесса зарядки и не зависит от уровня разряда аккумулятора или от изменчивости электросети. Предельный ток заряда можно изменить, уменьшив или увеличив сопротивление резистора R2.
(161,0 Kb, скачано: 3935)
Доброго времени суток!
Сегодня я хотел бы затронуть тему питания электронных устройств.
Итак, прошивка готова, микроконтроллер куплен, схема собрана, осталось только подключить питание, а где взять? Предположим, что микроконтроллер AVR и схема запитаны от 5 вольт.
Получить 5в нам помогут следующие схемы:
Линейный регулятор напряжения на микросхеме L 7805
Это самый простой и дешевый способ. Нам понадобится:
- Микросхема L 7805 или ее аналоги.
- Crown 9v или любой другой источник питания (зарядное устройство для телефона, планшета, ноутбука).
- 2 конденсатора (для 7805 л это 0,1 и 0,33 мкФ).
- Радиатор.
Составим следующую схему:
Стабилизатор построен на микросхеме l 7805, которая имеет следующие характеристики:
Максимальный ток: 1,5 А
Входное напряжение: 7-36 В
Выходное напряжение: 5 В
Конденсаторы служат для сглаживания пульсаций.Однако падение напряжения происходит прямо на микросхеме. То есть если на вход подать 9 вольт, то на микросхему l 7805 выпадет 4 вольта (разница между входным напряжением и напряжением стабилизации). Это приведет к выделению на микросхеме тепла, количество которого легко рассчитать по формуле:
(Входное напряжение — стабилизация напряжения) * ток через нагрузку.
То есть если на стабилизатор подать 12 вольт, которым запитываем схему, то он потребляет 0.1 Ампер, (12-5) * 0,1 = 0,7 Вт тепла будет рассеиваться на 7805 л. Следовательно, микросхему необходимо закрепить на радиаторе:
Достоинства данного стабилизатора:
- Дешевизна (без радиатора).
- Простота.
- Легко монтируется для поверхностного монтажа, т.е. не требует изготовления печатной платы.
Минусов:
- Необходимость размещения микросхемы на радиаторе.
- Нет возможности регулирования стабилизированного напряжения.
Этот стабилизатор идеален в качестве источника напряжения для простых, нетребовательных цепей питания.
Импульсный регулятор напряжения
Для сборки нам понадобится:
Микросхема- LM 2576S -5.0 (можно взять аналог, но привязка будет другая, уточняйте в документации на вашу конкретную микросхему).
- Диод 1N5822.
- 2 конденсатора (для LM 2576S -5,0, 100 и 1000 мкФ).
- Дроссель (индукторы) 100 мкГенри.
Схема подключения следующая:
Микросхема
LM 2576S -5.0 имеет следующие характеристики:
- Максимальный ток: 3A
- Входное напряжение: 7-37 В
- Выходное напряжение: 5 В
Стоит отметить, что этот стабилизатор требует большего количества комплектующих (а также наличия печатной платы для более точной и удобной установки). Однако этот стабилизатор имеет огромное преимущество перед линейным собратом — он не нагревается, а максимальный ток в 2 раза выше.
Достоинства данного стабилизатора:
- Меньше отопления (не нужно покупать радиатор).
- Более высокий максимальный ток.
Минусов:
- Дороже линейного стабилизатора.
- Сложность поверхностного монтажа.
- Нет возможности изменения стабилизированного напряжения (При использовании микросхемы LM 2576S -5.0).
Для питания простых любительских схем на микроконтроллерах AVR достаточно стабилизаторов, представленных выше.Однако в следующих статьях мы постараемся собрать блок питания лабораторного блока, который позволит быстро и удобно настроить параметры питания схем.
Спасибо за внимание!
Интегральные стабилизаторы напряжения серии КР142, выпускаемые отечественной промышленностью, позволяют простыми схемными методами получать стабилизированные напряжения в достаточно широком диапазоне — от нескольких вольт до нескольких десятков вольт. Рассмотрим некоторые схемные решения, которые могут заинтересовать радиолюбителей.
Микросхема КР142ЕН5А представляет собой интегральный стабилизатор с фиксированным выходным напряжением +5 В. Типовая схема включения этой микросхемы уже была представлена в книге (см.
рис. 105). Однако, немного изменив схему переключения, можно на основе этой микросхемы построить стабилизатор с регулируемым выходным напряжением в диапазоне от 5,6 В до 13 В. Схема представлена на рис. 148.
На вход интегрального стабилизатора (вывод 17 микросхемы DA1) поступает нестабилизированное напряжение +16 В, а на вывод 8 — сигнал с выхода стабилизатора, регулируемый переменным резистором R2 и усиливаемый током на транзистор VT1.Минимальное напряжение (5,6 В) — это сумма напряжения между коллектором и эмиттером полностью открытого транзистора, которое составляет около 0,6 В, и номинального выходного напряжения интегрального стабилизатора в его типичном подключении (5 В). В этом случае двигатель переменного резистора R2 находится в верхнем положении по схеме. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения; конденсатор С2 исключает возможное высокочастотное возбуждение микросхемы. Ток нагрузки стабилизатора до 3 А (микросхему необходимо разместить на радиаторе).
Микросхемы K142EN6A (B, C, D) представляют собой интегральные биполярные стабилизаторы напряжения с фиксированным выходным напряжением 15 В. В этом случае максимальное входное напряжение каждого плеча составляет 40 В, а максимальный выходной ток — 200 мА. . Однако на основе этого стабилизатора можно построить биполярный регулируемый стабилизированный источник напряжения. Схема представлена на рис. 149.
Изменяя напряжение на выводе 2 интегрального стабилизатора, вы можете изменять выходное напряжение каждого плеча с 5 В до 25 В.Пределы регулировки для обоих плеч устанавливаются резисторами R2 и R4. Следует помнить, что максимальная рассеиваемая мощность
необходимая мощность стабилизатора составляет 5 Вт (конечно, при наличии радиатора).
Микросхемы КР142ЕН18А и КР142ЕН18Б представляют собой регулируемые стабилизаторы напряжения с выходным напряжением 1,2 … 26,5 В и выходным током 1 А и 1,5 А соответственно. Регулирующий элемент стабилизатора включен в минусовой провод блоков питания.Корпус и цоколевка стабилизаторов этого типа аналогичны микросхеме КР142ЕН5А.
Микросхемы снабжены системой защиты от перегрузки по выходному току и перегрева. Входное напряжение должно быть в пределах 5 … 30 В. Мощность, рассеиваемая микросхемой с радиатором, не должна превышать 8 Вт. Типовая схема включения микросхем КР142ЕН18А (Б) представлена на рис. 150.
При всех условиях эксплуатации емкость входного конденсатора C 1 должна быть не менее 2 мкФ.При наличии сглаживающего фильтра выходного напряжения, если длина проводников, соединяющих его со стабилизатором, не превышает 1 м, входной конец
Выходной конденсатор фильтра может служить как стабилизатор более плотный.
Выходное напряжение устанавливается подбором номиналов резисторов R1 и R2. Они связаны соотношением: Uout = Uout min (1 + R2 / R1),
в этом случае ток, протекающий через эти резисторы, должен быть не менее 5 мА.Емкость конденсатора C2 обычно выбирается больше 2 мкФ.
В случаях, когда суммарная емкость на выходе стабилизатора превышает 20 мкФ, случайное замыкание входной цепи стабилизатора может привести к выходу микросхемы из строя, так как на ее элементы будет подаваться напряжение конденсатора обратной полярности. Для защиты микросхемы от таких перегрузок необходимо включить защитный диод VD1 (рис. 151), отключив его в случае аварийного короткого замыкания входной цепи.Аналогичным образом диод VD2 защищает микросхему на выводе 17 в случаях, когда по условиям эксплуатации емкость конденсатора С2 должна быть более 10 мкФ при выходном напряжении более 25 В.
На основании интегральный стабилизатор напряжения, также может быть изготовлен стабилизатор тока (рис. 152). Выходной ток стабилизации примерно равен 1out = 1,5 В / R1, где R1 выбирается в пределах 1 … 120 Ом. Переменный резистор R3 можно использовать для регулировки выходного тока.
Если обратиться к эталонным характеристикам интегральных стабилизаторов напряжения КР142ЕН12А (Б), то можно увидеть, что у них много общего с КР142ЕН18А (Б). Типовая схема включения микросхемы КР142ЕН12А аналогична схеме переключения
КР142ЕН18А, только регулирующий элемент включен в плюсовой провод источника питания. На основе этих микросхем несложно собрать биполярный регулятор напряжения. Его схема представлена на рис.153. Никаких особых комментариев здесь не требуется. Для одновременного изменения напряжения на плечах стабилизатора переменные резисторы R2 и R3 можно заменить одним двойным.
Одним из важных компонентов электронного оборудования является стабилизатор напряжения в блоке питания. Совсем недавно такие блоки были построены на стабилитронах и транзисторах. Общее количество элементов стабилизатора было довольно большим, особенно если это требовалось для регулирования выходного напряжения, защиты от перегрузки и короткого замыкания на выходе, а также ограничения выходного тока на заданном уровне.С появлением специализированных микросхем ситуация изменилась. Стабилизаторы напряжения микросхемы способны работать в широком диапазоне выходных напряжений и токов, часто имеют встроенную систему защиты от перегрузки по току и перегрева — как только температура кристалла микросхемы превышает допустимое значение, выходной ток ограничивается. В настоящее время ассортимент отечественных и зарубежных стабилизаторов напряжения настолько широк, что ориентироваться в нем стало довольно сложно.Размещен под таблицей. предназначены для облегчения предварительного выбора микросхемы стабилизатора под конкретное электронное устройство. В таблице 13.4 представлен перечень наиболее распространенных на отечественном рынке трехполюсных микросхем линейных стабилизаторов напряжения на фиксированное выходное напряжение и их основные параметры. На рис. 13.4 упрощен внешний вид устройств, а также указана их распиновка. В таблицу включены только стабилизаторы с выходным напряжением от 5 до 27 В — этот интервал подходит для подавляющего большинства случаев из радиолюбительской практики.Конструкция посторонних устройств может отличаться от представленной. Следует учитывать, что информация о рассеиваемой мощности при работе микросхемы с радиатором обычно не указывается в паспортах устройства, поэтому в таблицах приведены некоторые ее усредненные значения, полученные из графиков, имеющихся в документации. Отметим также, что микросхемы одной серии, но для разных значений напряжения могут отличаться по рассеиваемой мощности. Есть и другая маркировка, например, перед обозначением стабилизаторов групп 78, 79, 78L, 79L, 78M, 79M, перечисленных в таблице, на самом деле может быть одно-двухбуквенная кодировка, как правило, производитель.За обозначениями, указанными в таблице, также могут стоять буквы и цифры, обозначающие определенные конструктивные или эксплуатационные особенности микросхемы. Типовая схема включения стабилизаторов микросхемы при фиксированном выходном напряжении представлена на рис. 13.5 (а и б).
Для всех микросхем из керамических или оксидных танталовых конденсаторов емкость входного конденсатора С1 должна быть не менее 2,2 мкФ, для конденсаторов из оксида алюминия — не менее 10 мкФ, а выходного конденсатора С2 — не менее 1 и 10 мкФ соответственно. .Некоторые микросхемы допускают меньшую емкость, но указанные значения гарантируют стабильную работу любых стабилизаторов. Конденсатор сглаживающего фильтра может играть роль входа, если он расположен не дальше 70 мм от корпуса микросхемы.
Если требуется нестандартное значение стабилизированного выходного напряжения или его плавное регулирование, удобно использовать специализированные регулируемые стабилизаторы микросхем, поддерживающие напряжение 1,25 В между выходом и управляющим контактом.Их список представлен в таблице. 13.5.
На рис. 13.6 изображена типовая схема включения стабилизаторов с регулирующим элементом в плюсовом выводе. Резисторы R1 и R2 образуют внешний регулируемый делитель напряжения, который включен в схему установки уровня выходного напряжения. Обратите внимание, что, в отличие от стабилизаторов постоянного напряжения, регулируемые конденсаторы не работают без нагрузки. Минимальное значение выходного тока маломощных регулируемых стабилизаторов — 2.5-5 мА, мощные — 5-10 мА. В большинстве случаев использования стабилизаторов нагрузка представляет собой резистивный делитель напряжения Rl, R2 на рис. 13.6. По этой схеме также могут быть включены стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением. Однако, во-первых, потребляемый ими ток намного выше В-4 мА), а, во-вторых, он менее стабилен при изменении выходного тока и входного напряжения. По этим причинам невозможно достичь максимально возможного коэффициента стабилизации устройства. Для снижения уровня пульсаций на выходе, особенно при более высоком выходном напряжении, рекомендуется включать сглаживающий конденсатор C3 емкостью 10 мкФ и более.Требования к конденсаторам С1 и С2 такие же, как и к соответствующим конденсаторам фиксированных стабилизаторов. Если стабилизатор работает на максимальном выходном напряжении, то при случайном замыкании входной цепи или отключении источника питания микросхема находится под большим обратным напряжением со стороны нагрузки и может выйти из строя. Для защиты микросхемы на выходе в таких ситуациях параллельно ей подключают защитный диод VD1. Другой защитный диод VD2 защищает микросхему со стороны заряженного конденсатора С3.Диод быстро разряжает этот конденсатор в случае аварийного короткого замыкания выходной или входной цепи стабилизатора.
Встроенные стабилизаторы напряжения серии 142 не всегда имеют полную маркировку типа. В этом случае на корпусе есть условное обозначение кода, позволяющего определить тип микросхемы.
Примеры расшифровки маркировки кода на корпусе микросхем:
Микросхемы стабилизатора с приставкой КР вместо ТО имеют одинаковые параметры и отличаются только конструкцией корпуса.При маркировке этих микросхем часто используется сокращенное обозначение, например, вместо КР142ЕН5А наносят КРЕН5А.
| Наименование микросхемы | U стаб., В | I ст макс., A | R макс., Вт | Потребление I, мА | Рама | Код на корпус |
| (К) 142EN1A | 3… 12 ± 0,3 | 0,15 | 0,8 | 4 | ДИП-16 | (К) 06 |
| (К) 142EN1B | 3 … 12 ± 0,1 | (К) 07 | ||||
| K142EN1V | 3 … 12 ± 0,5 | K27 | ||||
| K142EN1G | 3 … 12 ± 0,5 | К28 | ||||
| K142EN2A | 3 … 12 ± 0,3 | K08 | ||||
| K142EN2B | 3 … 12 ± 0.1 | K09 | ||||
| 142ENZ | 3 … 30 ± 0,05 | 1,0 | 6 | 10 | 10 | |
| K142ENZA | 3 … 30 ± 0,05 | 1,0 | K10 | |||
| K142ENZB | 5 … 30 ± 0,05 | 0,75 | К31 | |||
| 142EN4 | 1,2 … 15 ± 0,1 | 0,3 | 11 | |||
| K142EN4A | 1.2 … 15 ± 0,2 | 0,3 | K11 | |||
| K142EN4B | 3 … 15 ± 0,4 | 0,3 | K32 | |||
| (К) 142EN5A | 5 ± 0,1 | 3,0 | 5 | 10 | (К) 12 | |
| (К) 142EN5B | 6 ± 0,12 | 3,0 | (К) 13 | |||
| (К) 142EN5V | 5 ± 0,18 | 2,0 | (К) 14 | |||
| (К) 142EN5G | 6 ± 0.21 | 2,0 | (К) 15 | |||
| 142EN6A | ± 15 ± 0,015 | 0,2 | 5 | 7,5 | 16 | |
| K142EN6A | ± 15 ± 0,3 | K16 | ||||
| 142EN6B | ± 15 ± 0,05 | 17 | ||||
| K142EN6B | ± 15 ± 0,3 | K17 | ||||
| 142EN6V | ± 15 ± 0,025 | 42 | ||||
| К142ЕН6В | ± 15 ± 0.5 | КЗЗ | ||||
| 142EN6G | ± 15 ± 0,075 | 0,15 | 5 | 7,5 | 43 | |
| K142EN6G | ± 15 ± 0,5 | K34 | ||||
| K142EN6D | ± 15 ± 1.0 | K48 | ||||
| K142EN6E | ± 15 ± 1.0 | К49 | ||||
| (К) 142EN8A | 9 ± 0,15 | 1,5 | 6 | 10 | (К) 18 | |
| (К) 142EN8B | 12 ± 0.27 | (К) 19 | ||||
| (К) 142EN8V | 15 ± 0,36 | (К) 20 | ||||
| K142EN8G | 9 ± 0,36 | 1,0 | 6 | 10 | K35 | |
| K142EN8D | 12 ± 0,48 | K36 | ||||
| K142EN8E | 15 ± 0,6 | K37 | ||||
| 142EN9A | 20 ± 0,2 | 1,5 | 6 | 10 | 21 | |
| 142EN9B | 24 ± 0.25 | 22 | ||||
| 142EN9V | 27 ± 0,35 | 23 | ||||
| K142EN9A | 20 ± 0,4 | 1,5 | 6 | 10 | K21 | |
| K142EN9B | 24 ± 0,48 | 1,5 | K22 | |||
| K142EN9V | 27 ± 0,54 | 1,5 | К23 | |||
| K142EN9G | 20 ± 0,6 | 1,0 | K38 | |||
| K142EN9D | 24 ± 0.72 | 1,0 | К39 | |||
| K142EN9E | 27 ± 0,81 | 1,0 | K40 | |||
| (К) 142EN10 | 3 … 30 | 1,0 | 2 | 7 | (К) 24 | |
| (К) 142EN11 | 1 2 … 37 | 1 5 | 4 | 7 | (К) 25 | |
| (К) 142EN12 | 1,2 … 37 | 1 5 | 1 | 5 | CT-28 | (К) 47 |
| KR142EN12A | 1,2…37 | 1,0 | 1 | |||
| КР142ЕН15А | ± 15 ± 0,5 | 0,1 | 0,8 | ДИП-16 | ||
| KR142EN15B | ± 15 ± 0,5 | 0,2 | 0,8 | |||
| КР142ЕН18А | -1,2 … 26,5 | 1,0 | 1 | 5 | CT-28 | (LM337) |
| КР142ЕН18Б | -1,2 …26,5 | 1,5 | 1 | |||
| KM1114EU1A | — | — | — | — | — | К59 |
| KR1157EN502 | 5 | 0,1 | 0,5 | 5 | CT-26 | 78L05 |
| KR1157EN602 | 6 | 78L06 | ||||
| KR1157EN802 | 8 | 78L08 | ||||
| KR1157EN902 | 9 | 78L09 | ||||
| KR1157EN1202 | 12 | 78L12 | ||||
| KR1157EN1502 | 15 | 78L15 | ||||
| KR1157EN1802 | 18 | 78L18 | ||||
| KR1157EN2402 | 24 | 78L24 | ||||
| KR1157EN2702 | 27 | 78L27 | ||||
| KR1170ENZ | 3 | 0,1 | 0,5 | 1,5 | CT-26 | См. Рис. |
| KR1170EN4 | 4 | |||||
| KR1170EN5 | 5 | |||||
| KR1170EN6 | 6 | |||||
| KR1170EN8 | 8 | |||||
| KR1170EN9 | 9 | |||||
| KR1170EN12 | 12 | |||||
| KR1170EN15 | 15 | |||||
| КР1168ЕН5 | -5 | 0,1 | 0,5 | 5 | CT-26 | 79L05 |
| КР1168ЕН6 | -6 | 79L06 | ||||
| КР1168ЕН8 | -8 | 79L08 | ||||
| КР1168ЕН9 | -9 | 79L09 | ||||
| KR1168EN12 | -12 | 79L12 | ||||
| KR1168EN15 | -15 | 79L15 | ||||
| KR1168EN18 | -18 | 79L18 | ||||
| KR1168EN24 | -24 | 79L24 | ||||
| КР1168ЕН1 | -1,5…37 |
Стохастические вычисления в моделях кортикальных микросхем
Состояния сети и распределения состояний сети
Маркова констатирует.
Марковское состояние (или, точнее,) сети во времени определяется здесь как недавняя история времен всплесков всех нейронов в сети за период. Термин «марковский» относится к тому факту, что в мягких условиях и для достаточно длинного окна сетевая динамика нейронной цепи со временем становится независимой от сетевой активности временами, учитывая марковское состояние и внешний вход.Следовательно, динамика сети обладает марковским свойством по отношению к этому определению состояния.
Для каждого нейрона в нейронной цепи история длины импульсов определяется как список времен всплесков, испускаемых нейроном в пределах окна. Время всплесков отсчитывается относительно начала окна в. Если — количество импульсов внутри нейрона, то список принимает вид, (3) где.
Мы обозначаем пространство всех возможных сетевых состояний длины через или, если однозначно, просто через.Обратите внимание, что это определение эквивалентно определению состояния в [18], к которому заинтересованный читатель может обратиться за дальнейшими формальными деталями (например, ассоциированная -алгебра пространства состояний).
Объем теоретических результатов: Требуемые свойства сетевых и нейронных моделей шума.
Мы изучаем общие теоретические свойства моделей стохастических схем пиков, управляемых некоторым внешним, возможно векторным, входным сигналом, который может представлять, например, входные скорости в наборе входных нейронов или вводимые входные токи.Формально входная последовательность может принимать значения из любого пространства состояний; конкретным примером является векторнозначный ввод с, где — количество входных измерений.
В этой статье мы рассматриваем две разные модели шума для нейрона: В модели шума I генерация спайков непосредственно моделируется как стохастический процесс. Вся динамика сети, включая задержки аксонов, синаптическую передачу, краткосрочную синаптическую динамику, дендритные взаимодействия, интеграцию входных данных в соме и т. Д., Может быть смоделирована функцией, которая отображает состояние Маркова (которое включает недавнюю историю спайков нейрона). сам) на мгновенную вероятность всплеска.Эта модель очень гибкая и может учитывать различные типы нейронного шума. В более конкретной модели шума II механизм возбуждения нейрона считается детерминированным, и шум входит в его динамику через стохастическое высвобождение пузырьков на афферентных синаптических входах. Также для наших теоретических результатов можно предположить комбинации моделей шума I и II в одном нейроне и цепи, например нейроны с общим механизмом стохастических всплесков, которые дополнительно обладают стохастическими синапсами, или смеси нейронов из моделей I и II в одной и той же среде. схема.
В модели шума I мгновенная вероятность выброса нейрона в определенный момент времени определяется выражением, (4) Предполагается, что эта мгновенная частота импульсов во времени ограничена и полностью определяется текущим марковским состоянием сети для некоторых достаточно больших. Точнее, для модели шума I сделаны следующие четыре допущения:
A 1 Пики — это отдельные события: Мы предполагаем, что, (5), например, выполняется, если каждый нейрон имеет некоторый независимый источник стохастичности.
A 2 Ограниченные скорости: Мгновенные скорости стрельбы ограничены сверху:
для некоторых. Последующая верхняя граница общей скорости активации сети обозначается как, т.е. Предполагается, что мгновенные ставки ограничены в любое время и при любом вводе.
A 3 Ограниченная память: Частота активации во времени зависит от прошлой активности сети только на основе истории недавних всплесков в окне конечной длины.Следовательно, прямой эффект всплеска во времени на будущую частоту активации всех нейронов ограничен ограниченным «периодом памяти»,. Этот ограниченный период памяти можно понимать как нижнюю границу для последующих доказательств сходимости (поскольку меньший период нарушил бы марковское свойство). В дополнение к этой зависимости ограниченной памяти от сетевых всплесков, может зависеть от текущего входа любым способом, совместимым с.
A 4 Однородность по времени: Функциональное сопоставление недавних всплесков и / или входных сигналов с мгновенными скоростями срабатывания не меняется со временем.В частности, в этой работе мы не рассматриваем долговременную пластичность синаптических весов и / или возбудимости.
Допущения можно резюмировать следующим образом: Пусть и будут траекториями входных и сетевых состояний, как определено выше. Тогда существует постоянная памяти и границы скорости, такие, что для каждого нейрона существует функция, где для всех. Функция не зависит от времени, но в остальном не ограничена и может улавливать сложные динамические эффекты, такие как нелинейные дендритные взаимодействия между синаптическими входами или кратковременная пластичность синапсов.
Входной сигнал может формально представлять любую переменную, которая оказывает произвольное влияние на мгновенную динамику сети (функции возбуждения нейронов). В простейшем случае это может быть вектор скоростей возбуждения, контролирующий пиковое поведение набора входных нейронов, например, в этих нейронах. В этом случае (на котором мы сосредоточились в основном тексте) входные нейроны формально считаются частью схемы. Обратите внимание, что в принципе он также может представлять силу токов, которые вводятся в подмножество нейронов в сети, или недавнюю историю всплесков набора внешних входных нейронов («входные марковские состояния»).Если входные данные содержат скорости или токи, они могут быть либо фиксированными (например, фиксированными входными скоростями воспламенения) или динамически изменяющимися (в частности, скоростями, которые либо подвержены стохастической эргодической динамике, либо периодически меняются скоростями). Ниже будут представлены доказательства сходимости как для фиксированных, так и для динамических входных условий. Если вход определяется в терминах входных марковских состояний, динамический входной анализ применим при условиях, описанных ниже.
В модели шума II основным случайным событием является высвобождение синаптических пузырьков (в модели шума I это спайк).Соответственно, марковское состояние сети в модели шума II определяется как список времен высвобождения везикул для каждого синаптического участка высвобождения в сети (вместо времени спайков для каждого нейрона). Мы предполагаем, что каждый синаптический сайт высвобождения в конкретный момент высвобождает не более одного пузырька, заполненного нейротрансмиттерами. Но синаптическая связь между двумя нейронами может состоять из множества сайтов синаптического высвобождения (см. Обзоры [102], [103] и [3]). Вместо выражения сетевой динамики через функцию вероятности мгновенного срабатывания для каждого нейрона (модель шума I), для модели шума II динамика сети выражается в терминах вероятностей мгновенного срабатывания для каждого синапса:.Подобно модели шума I, предполагается, что существует длина окна, так что динамика высвобождения везикул во времени полностью определяется временем предыдущих высвобождений везикул внутри, и, следовательно, может быть выражена в терминах соответствующего изменения определение марковского состояния. Применяется та же структура предположений, что и в модели шума I: выбросы пузырьков являются отдельными событиями, и предполагается, что функции ограничены сверху константами скорости.
Также возможны комбинации моделей шума I и II.В этом случае состояние Маркова может содержать как время всплеска, так и время высвобождения везикул. Допущения модели шума I / II, описанные выше, применимы к соответствующим стохастическим нейронам и высвобождениям везикул соответственно. В целом отметим, что все три типа сетей (основанные на модели I, II и их смесях) основаны на общей структуре определений и предположений: во всех случаях динамика описывается в терминах стохастических компонентов (нейронов, синапсов). которые генерируют точечные события (всплески / выбросы пузырьков) в соответствии с мгновенными вероятностями, которые зависят от истории недавних событий в сети.
Сходимость распределений состояний.
Ниже приведены доказательства существования и единственности стационарных распределений состояний сети для рассматриваемых сетевых моделей. Кроме того, приведены границы скорости сходимости к этому стационарному распределению. Чтобы получить полную картину, сходимость изучается при трех различных входных условиях: постоянный, стохастический и периодический вход. Все доказательства подробно описаны для модели шума I. Результаты напрямую переносятся на модель шума II и смеси этих двух моделей, поскольку одни и те же рамки допущений применимы ко всем случаям.
Сетевая динамика как марковский процесс.
Мы рассматриваем моделирование модели кортикальной микросхемы при заданном входном условии и начиная с заданного начального состояния сети как случайный эксперимент. Формально мы обозначаем набор всех возможных исходов в этом случайном эксперименте с помощью, набор всех рассмотренных событий с помощью (т.е. -алгебру), а показатель вероятности, который присваивает вероятность каждому событию в значении. Результат — это результат одного запуска сети.Результат связан с присвоением определенных значений всем определенным случайным величинам. Событие — это набор результатов, например набор всех результатов, в которых нейрон вспыхивает в течение первых миллисекунд эксперимента. Предположим, что это случайная величина с некоторым пространством состояний, т.е. принимает значения в, и представляет собой набор событий в пространстве. Формально такая случайная величина определяется как карта, которая присваивает значение каждому возможному результату. Чтобы обозначить вероятность того, что случайная величина принимает какое-либо значение в наборе, мы определяем сокращение.Кроме того, если это еще одна случайная величина, мы используем обозначение условных вероятностей и пишем еще короче, если это однозначно,. Предполагается, что базовое вероятностное пространство достаточно богато, чтобы существовали все случайные величины, которые необходимы в дальнейшем.
Мы определяем набор индексов времени и случайный процесс как описание стохастической эволюции марковских состояний сети для. Для каждого раза мы определяем случайную величину (также записанную), представляющую марковское состояние сети в данный момент.принимает значения в пространстве состояний всех возможных марковских состояний некоторой фиксированной длительности. Обозначим через -алгебру, ассоциированную с. Предположения о сети, описанные в предыдущем разделе, подразумевают, что процесс обладает марковским свойством для марковских состояний любой длины, поскольку будущее развитие процесса в этом случае полностью не зависит от прошлого, учитывая текущее марковское состояние. Поэтому для последующих доказательств мы предполагаем некоторые из них. Мы также определяем случайную величину из полных выборочных путей на измеряемом пространстве, т.е.е. карта . Реализации являются выборочными путями (или траекториями), то есть функциями, принимающими значения в. Поскольку реализации являются функциями, их можно рассматривать как случайную функцию.
Для последующих доказательств важно следующее определение ядра вероятности перехода : Ядро вероятности перехода на измеримом пространстве состояний — это функция, которая присваивает вероятность переходу от любой точки к любому множеству. Точнее, если фиксируется конкретное «начальное состояние», то в его целевом аргументе является вероятностная мера, соответствующая результату применения ядра перехода к (кроме того, для каждого события в целевом пространстве можно измерить исходный аргумент).Матрицы стохастических переходов цепей Маркова являются, например, ядрами вероятностей перехода.
Здесь мы записываем ядро вероятности перехода, соответствующее прогрессированию состояния сети от времени к, т. Е. (6) Далее мы определяем сокращение для прогрессии продолжительности, начиная с начального времени. Ядра переходов также могут применяться к вероятностным мерам начальных состояний (в отличие от единичных начальных состояний). Мы будем писать для обозначения результата применения ядра к исходной вероятностной мере.Результатом снова является вероятностная мера, присваивающая вероятность любому событию в пространстве состояний в соответствии с: (7) Поскольку это снова вероятностная мера в пространстве состояний, ядра переходов могут применяться последовательно. Обратите внимание, что в силу марковского свойства для.
Стохастическая сетевая динамика сокращается.
Перед изучением конкретных входных условий разрабатываются несколько основных ключевых свойств сетевой динамики. Позвольте быть ядром вероятности перехода, соответствующим прогрессированию сети от времени до.Для приведенных ниже доказательств переходы в состояние покоя ,, будут иметь особое значение. Состояние покоя определяется как «пустое» марковское состояние, в котором всплески не происходили в течение последних единиц времени. Первым ключевым наблюдением является следующее предложение:
Утверждение 1 Рассмотрим вероятность того, что процесс будет в состоянии покоя в момент времени , начиная с некоторого начального состояния в момент времени .Эта «вероятность возврата» в состояние покоя ограничена снизу: (8) , где . Это сохраняется независимо от входной траектории , , управляющей сетью.
Утверждение следует непосредственно из того факта, что ограничивает сумму всех мгновенных скоростей стрельбы в сети. Следовательно, по крайней мере с вероятностью ни один нейрон не сработает в единицу времени (см. [18]). С технической точки зрения это означает, что стохастическое ядро, соответствующее длительности длины, удовлетворяет условию Дёблина [104] — свойство, которое очень полезно для доказательства сходимости и эргодичности результатов.
Утверждение 1 влечет за собой центральное свойство сжатия стохастических сетей нейронов с импульсами, которое сохраняется при любой входной траектории и формирует основу для нескольких последующих доказательств. Следующие определения важны: Ниже мы будем измерять разницу между любыми двумя распределениями вероятностей и с точки зрения общей вариации подписанной меры. Любая такая мера со знаком может быть выражена в терминах ее неотрицательных и неположительных компонентов, где и являются неотрицательными мерами (но, как правило, не являются вероятностными мерами).Полная вариация подписанной меры на измеряемом пространстве определяется как общая масса ее положительного и отрицательного компонентов. Согласно этому определению,.
Лемма 1 (лемма о сжатии) Следующее свойство строгого сжатия выполняется для марковского процесса , для любого и для любых начальных вероятностных мер и в любое время : (9) На словах: применение динамики сети для единиц времени гарантирует сокращение расстояния между любыми двумя начальными распределениями и состояний сети в раз.
Проба: Определите вспомогательную меру как ноль везде снаружи, и. Перепишем в терминах неотрицательных мер и, таких, что (10), и отметим, что это означает, что. Тогда (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) Равенство в (11) следует из линейности ядер переходной вероятности. Переход к (13) является применением неравенства треугольника. При переходе к (14) используется тот факт, что оба и неотрицательны: это следует из предложения 1, которое гарантирует, что мера имеет по крайней мере массу в состоянии покоя и, следовательно, для любой (неотрицательной) меры ( 18) Наконец, отметим, что (15) использует общее свойство ядер переходной вероятности, которое обеспечивает это для любой неотрицательной меры.
Обратите внимание, что приведенная выше лемма о сжатии, которая выполняется для нейронных сетей с пиками, имеет некоторое сходство с леммой 1 из [105], в которой анализировались искусственные аналоговые нейронные сети в дискретном времени.
Доказательство теоремы 1 для фиксированной скорости ввода.
Мы разделили точную формулировку теоремы 1 на две леммы: Лемма 2 является точной формулировкой для случая, когда входы фиксированы (например, фиксированные входные ставки). Лемма 3 в следующем разделе соответствует случаю, когда скорость ввода контролируется марковским процессом.Точные предположения о сетевой модели, необходимые для обеих лемм, описаны выше (см. «Объем теоретических результатов»).
Здесь мы предполагаем, что вектор входных данных, поступающих в сеть, остается фиксированным во время испытания. Конкретно, это, например, случай, когда есть набор входных нейронов с фиксированной скоростью. В данном случае — это вектор входных скоростей, который остается постоянным во времени. В этом случае входные нейроны формально считаются частью сети. В качестве альтернативы, константа может соответствовать постоянным токам, которые вводятся в подмножество нейронов.
При постоянных входных условиях, динамика процесса однородна по времени: ядра вероятности перехода инвариантны к временным сдвигам, т.е. (19)
Лемма 2 Пусть . Тогда марковский процесс имеет уникальное стационарное распределение , к которому он сходится экспоненциально быстро, (20) от любого начального марковского состояния .
Доказательство: явно невзрывоопасное, апериодическое и стохастически непрерывное (см.[18]). Таким образом, для доказательства экспоненциальной эргодичности достаточно показать, что некоторая скелетная цепь геометрически эргодична (см., Например, теорему 18.1 в [106]). Каркасная цепочка с ядром вероятности перехода апериодична и неприводима и, следовательно, имеет уникальное стационарное распределение. Затем, рекурсивно применяя лемму 1 с, (21) (22) доказывая геометрическую эргодичность скелетной цепи и, следовательно, экспоненциальную эргодичность. Количественная граница сходимости следует из (22), выбирая одноэлемент в качестве начального распределения и используя тот общий факт, что для любого ядра вероятности перехода и распределений и, (23), таким образом, гарантируют, что полное расстояние вариации не будет (временно) расти между и .
Лемма 2 дает общий результат об эргодичности для рассматриваемого класса стохастических пиковых сетей при наличии фиксированных входных скоростей. Доказательство опирается на два ключевых свойства стохастических сетей с пиками: апериодичность и неприводимость. Эти свойства можно интуитивно понять в контексте рисунка 1H. Если, например, внутренняя динамика сети не была апериодической, то можно было бы наблюдать колебания частот паттернов с течением времени (как на рисунке 4C). Лемма 2 доказывает, что этого не может произойти в сетях со стохастическими пиками, если скорость ввода фиксирована.Частоты колебательного паттерна действительно могут возникать только тогда, когда входные скорости сами периодически меняются (см. Теорему 2 и рисунок 4). С другой стороны, если динамика сети не была неснижаемой, то есть если были состояния сети, которые недостижимы из некоторых других состояний сети, то можно было бы потенциально наблюдать, как частоты паттернов сходятся к разным фиксированным точкам для разных начальных состояний (например, две линии в Рисунок 1H, устанавливающийся при различных значениях). Этого не может произойти в сетях стохастических пиков из-за предложения 1, которое гарантирует, что пространство состояний связано через состояние покоя.
Отметим, что, хотя апериодичность и неприводимость являются хорошо известными необходимыми и достаточными условиями эргодичности марковских цепей с дискретным временем на конечных пространствах состояний, их недостаточно для экспоненциальной эргодичности марковских процессов с непрерывным временем на общих пространствах состояний (точные сведения см. В [107]). определения -неприводимости и апериодичности таких процессов). Дополнительные условия в этом более сложном случае, обеспечивающие экспоненциальную эргодичность, такие как невзрывоопасность, стохастическая непрерывность и геометрическая эргодичность скелетной цепи, также были учтены при доказательстве леммы 2 (т.е. сети стохастических пиков также соответствуют этим дополнительным критериям).
Лемма 2 представляет собой доказательство теоремы 1 для фиксированной скорости ввода. В основном тексте мы называем стационарное распределение схемы при фиксированном входе как. Приведенное выше доказательство гарантирует стационарное распределение как для марковских, так и для простых состояний. В основном тексте относится к простому состоянию сети, если не указано иное.
Доказательство теоремы 1 для скорости ввода, управляемой марковским процессом.
Фиксированные входные допущения часто могут выполняться для внешнего входа, управляя стохастическими вычислениями в нейронной системе, только приблизительно.Во входных данных могут присутствовать стохастические флуктуации в различных пространственных и временных масштабах. Кроме того, входные данные могут иметь свою собственную краткосрочную стохастическую динамику: представьте, например, визуальную сцену из беспорядочно движущихся точек. Несмотря на наличие таких краткосрочных динамических характеристик на входе, во многих случаях все еще можно подозревать, что распределения состояний сети сходятся. В самом деле, ниже мы обобщаем результаты сходимости для случая констант на довольно большой класс стохастических (и стохастически изменяющихся) входных данных, которые порождаются равномерно эргодическим марковским процессом.Равномерная эргодичность определяется как экспоненциальная эргодичность (экспоненциально быстрая сходимость к единственному стационарному распределению) с константами сходимости, которые применяются равномерно ко всем начальным состояниям [107] (это верно, например, для констант сходимости в лемме 2).
Пусть будет однородным по времени входным марковским процессом в том смысле, что входная траектория, предоставленная сети, сама генерируется случайным образом из марковского процесса. Позвольте быть (измеримым) пространством состояний.Затем определите совместный вход / сетевой марковский процесс в пространстве состояний, где обозначает -алгебру, порожденную. Дальнейшие определения для аналогичны введенным для.
Лемма 3 Если входной процесс равномерно эргодичен, то совместный марковский процесс имеет уникальное стационарное распределение в совместном пространстве состояний входа / сети, сходимость к которому происходит экспоненциально быстро, т. Е. Существуют константы , так что (24) для любого начального состояния совместного марковского процесса .
Доказательство: Если бы и были полностью независимыми процессами (если не влияли), то совместный процесс автоматически был бы экспоненциально эргодичным, если бы оба и были. Хотя в данном случае не является независимым, применяется более слабая версия независимости: вероятность возврата в состояние покоя во время составляет не менее независимо от входной траектории в течение этого времени. Это свойство можно использовать, чтобы показать, что распределение времени попадания в совместное состояние покоя имеет экспоненциальную границу.Отсюда следует, что совместный процесс экспоненциально эргодичен. Подробное доказательство приведено в следующем разделе.
Вторая часть теоремы 1 (экспоненциально быстрая сходимость для случая внешнего входа, порожденного эргодическим марковским процессом) следует из леммы 3. Отметим, что в основном тексте мы слегка злоупотребляем обозначениями для динамического случая, чтобы указать стационарное распределение по состояния сети, где обозначает конкретный марковский процесс, управляющий входами.
Подробное доказательство леммы 3.
Мы разбили доказательство леммы 3 на доказательства четырех вспомогательных утверждений (предложения 2–5). Рассмотрим следующие варианты предложения 1, которые справедливы для марковского процесса, описывающего совместную динамику состояний входа и сети. Обозначим через конкретную входную последовательность, определенную для (реализации входного процесса), и начальное состояние Маркова сети (с) в момент времени. Тогда (25) (26)
Легко показать, что эти свойства вместе с тем фактом, что он равномерно эргодичен, обеспечивают его неприводимость и апериодичность.Следовательно, для доказательства ее экспоненциальной эргодичности достаточно показать, что некоторая скелетная цепь геометрически эргодична [107]. С этой целью мы рассмотрим скелетную цепочку и докажем геометрическую эргодичность, показав, что распределение времени попадания в небольшой набор на совместном пространстве состояний входных и сетевых состояний допускает экспоненциальную границу.
Время совпадения с некоторым набором во входном пространстве состояний определяется как (27) Для удобства обозначений мы сокращаем ниже.Из-за равномерной эргодичности (что подразумевает рекуррентность Харриса [107]) существует некоторое множество, для которого время попадания конечно () из любого начального состояния с вероятностью единица [108]. Кроме того, согласно [107] существует небольшой набор и константы и, такие, что (28) Это означает, что существует небольшой набор во входном пространстве состояний, который может быть достигнут не только за конечное время из любого начального входного состояния. , но для которого распределение времени попадания также имеет конечное среднее значение и дисперсию (и конечные моменты высшего порядка).По крайней мере одна пара констант и, которая удовлетворяет (28), гарантированно существует, но на самом деле следующее предложение показывает, что можно указать конкретную желаемую границу в правой части (по причинам, которые станут ясны позже), и найти соответствие слева.
Предложение 2 Существует , такое что (29)
Проба: Определить. Позвольте и быть любой допустимой парой констант, которая удовлетворяет (28). Тривиальный случай.В оставшейся части доказательства предполагается, что он «слишком велик», так что. По определению экспоненты для любого, (30) (31) По теореме Тонелли, поскольку все слагаемые неотрицательны, порядок двойной суммы можно поменять местами: (32) (33) Обратите внимание, что это моменты распространение . По равномерной эргодичности все моменты должны существовать, а кроме того существует такой, что. Несложно увидеть, что тогда ряд сходится для всех, что является непрерывным на. Наконец, поскольку и, по теореме о промежуточном значении существует такое, что.
Обозначьте временем, когда скелетная цепь посещает малый набор в -й раз: (34) Кроме того, обозначьте временем между -м и -м посещением: (35) (36)
Согласно этому определению, можно выразить время достижения степени как. Следующее предложение расширяет экспоненциальную границу времени первого попадания до времени попадания более высоких степеней.
Предложение 3 Существует , такое, что (37)
Проба: (38) (39) (40)
Позвольте быть время попадания в малый набор на совместном пространстве состояний входных и сетевых состояний, (41)
Кроме того, пусть будет количество посещений небольшой группы до времени включительно, (42)
Предложение 4 Для любой входной траектории и любого начального состояния сети , (43)
Это следует из (25) и (26), которые гарантируют, что всякий раз, когда входной процесс посещает небольшой набор, также существует небольшая вероятность того, что сеть находится в состоянии покоя.
Утверждение 5 Существует и константа такие, что (44)
Доказательство: Пусть. Выберите те, которые удовлетворяют предложению 3. (45) (46) (47) (48) (49) (50) (51)
По предложению 5 экспоненциально эргодично [107]. Это завершает доказательство леммы 3.
Доказательство теоремы 2
Если входная последовательность периодична с периодом, то есть для всех, то марковский процесс будет периодическим по времени в том смысле, что ядра перехода инвариантны к сдвигам, кратным периоду: (52)
Отсюда следует следующий результат, который является более точной версией теоремы 2:
Лемма 4 При периодическом вводе, т.е.е. для всех с некоторым , периодический по времени марковский процесс с периодом имеет периодически стационарное распределение , сходимость к которому происходит экспоненциально быстро из любого начального состояния. В частности, для каждого существует уникальное стационарное распределение , такое что (53) из любого начального марковского состояния .
Доказательство: Для каждого существует скелетная цепочка с ядром вероятности перехода, которое является однородным по времени, неприводимым и апериодическим и, таким образом, имеет уникальное стационарное распределение.Применение, которое соответствует полному периоду, уменьшает общее расстояние вариации как минимум на: (54) (55) (56) Первое неравенство следует из того факта, что применение оставшегося может только дополнительно уменьшить общее расстояние вариации между два распределения согласно (23). Второе неравенство связано с леммой 1.
Лемма 4 следует тогда из рекурсивного применения (54) — (56) для нескольких периодов и выбора синглтона в качестве начального распределения.
В основном тексте мы используем обозначение для фазового стационарного распределения, где обозначает конкретную периодическую входную последовательность.
Оценка необходимого времени вычислений
Одномерный и многомерный анализ Гельмана-Рубина.
Различные методы были разработаны для измерения скорости сходимости к стационарному распределению в контексте выборки методом Монте-Карло цепи Маркова [56], [119], [120]. Диагностика Гельмана-Рубина, которую мы использовали в этой статье, является одним из наиболее широко используемых методов [55], [57], [58], [119], помимо других популярных методов, таких как диагностика Рафтери и Льюиса [121 ] и Гевеке [122].Заметим, что в литературе существует единое мнение о том, что ни один метод в целом не идеален. Некоторые привлекательные свойства метода Гельмана-Рубина — это общая применимость к любой системе MCMC (некоторые другие методы работают только, например, в контексте выборки Гиббса), простота использования, простота реализации, вычислительная эффективность и тот факт, что результаты количественная (в отличие от графической диагностики) [56], [119].
Диагностика сходимости Гельмана-Рубина [55] принимает в качестве входных выборок из разных прогонов (испытаний / цепочек / последовательностей), произведенных одной и той же системой, запущенных из разных начальных состояний.Первоначально метод был разработан для систем с дискретным временем в контексте дискретизации цепи Маркова Монте-Карло. В наших симуляциях используется временной шаг, поэтому мы просто рассматриваем каждый шаг симуляции как один дискретный временной шаг в цепи Маркова. Метод Гельмана-Рубина дает на выходе потенциальный коэффициент уменьшения масштаба как функцию времени. Коэффициент уменьшения масштаба является индикатором того, сходимся ли система во времени или нет. Высокие значения указывают на то, что до сходимости требуется больше времени, в то время как близкие значения предполагают, что схождение (почти) произошло.
Для вычисления коэффициента масштабного уменьшения во времени учитываются выборки из периода из каждого прогона сети. В одномерном случае фокусируется на конкретной единственной переменной (такой как крайнее простое состояние одиночного нейрона или простое состояние нейрона со «случайным считыванием», как показано сплошными линиями на Рисунке 2G). Позвольте быть количеством выборок, полученных за период от каждого из симуляций. Затем определяется (62), где и находятся между и внутри последовательности дисперсий, соответственно, которые могут быть вычислены, как описано в [55], на основе выборок, взятых за период времени.В редком случае, например, если нейрон никогда не срабатывает и, следовательно, его состояние постоянно во всех прогонах, мы устанавливаем 1.
К сожалению, источником путаницы является тот факт, что Гельман и Рубин [55] первоначально ввели в его «дисперсионную» форму, эквивалентную уравнению (62), но позже в [57], [60] изменили это определение и определили как квадратный корень из (62). Этот вопрос особенно важен при рассмотрении пороговых значений для: пороговое значение было предложено в контексте исходного определения [59].Позже был предложен типичный порог, но этот нижний порог применялся к модифицированному определению [57], [60]. Возведение этого явно более низкого порога в квадрат снова дает типичный порог приблизительно.
В многомерном случае (например, при анализе сходимости векторнозначного простого состояния небольшого подмножества нейронов, как показано пунктирными линиями на рисунке 2G) берется векторнозначная (-мерная) выборка и вычисляется многомерное уменьшение потенциального масштаба. коэффициент согласно: (63) где — наибольшее собственное значение, и и обозначают внутри и между оценками матрицы ковариации последовательностей (подробности см. в [123]).
Анализ сходимости моделей кортикальных микросхем.
Значения Гельмана-Рубина были рассчитаны на основе прогонов, где продолжительность каждого прогона была биологическим временем. Мы также пробовали более длительные симуляции, но не заметили никаких признаков неконвергентного поведения. Случайное начальное состояние устанавливалось в каждом прогоне путем отображения случайных входных данных перед началом фактического моделирования. Этот первоначальный случайный ввод подавался в сеть через два обычных входных потока (по 40 нейронов в каждом), путем присвоения каждому входному нейрону случайной скорости, равномерно взятой из диапазона.Анализ сходимости маргиналов был выполнен путем применения одномерного анализа к отдельным компонентам простого состояния с. Из индивидуальных значений предельной сходимости были получены среднее и худшее предельное сходимость (как на рис. 2E, F) путем взятия во времени среднего / максимального значения по всем индивидуальным значениям в данный момент. Для парных совпадений спайков (см. Рис. 2D) мы проанализировали образцы продукта простых состояний двух нейронов (произведение равно только в том случае, если оба нейрона имели спайк в пределах последнего).
Случайное считывание для рисунка 2G было реализовано путем добавления в сеть дополнительного возбуждающего нейрона-наблюдателя, который получает синаптические входы от случайного подмножества из 500 сетевых нейронов (мы сохранили это число 500 фиксированным для моделирования с разными размерами сети, чтобы обеспечить справедливое сравнение).Количество случайно выбранных нейронов из каждого пула приведено в таблице 1.
Синапсы на считывающий нейрон создавались аналогично соединениям в модели кортикального столбца: параметры краткосрочной пластичности устанавливались в зависимости от типа соединения (EE или IE) согласно [30]. Веса для соединений EE и IE были случайно выбраны из гамма-распределения со средним и масштабным параметром, а также средним и масштабным параметром, соответственно. Затем вычислялась сходимость отсчетов по Гельману-Рубину, как для предельного случая.
Анализ сходимости векторных простых состояний подмножеств нейронов (см. Рисунок 2G) был выполнен путем применения многомерного анализа к случайно выбранным подсетям коркового столбца. В частности, мы случайным образом отобрали 5 нейронов из каждого из 6 пулов, получив подсеть из 30 нейронов, и рассчитали.
Решение проблем удовлетворения ограничений в сетях импульсных нейронов
Формулировка судоку как проблемы удовлетворения ограничений.
Задача удовлетворения ограничений состоит из набора переменных, определенных в некоторой области, и набора ограничений, которые ограничивают пространство допустимых присвоений переменных.Решение проблемы состоит из присвоения каждой переменной таким образом, чтобы были соблюдены все ограничения. Чтобы сформулировать судоку как задачу удовлетворения ограничений, мы определяем для каждого из 81 поля (из стандартной сетки 9 × 9), которое должно быть заполнено цифрой от 1 до 9, набор из 9 двоичных переменных (принимающих значения в ) [124]. Каждая из этих двоичных переменных голосует ровно за одну цифру в поле. Правила игры Судоку накладывают ограничения на группы этих переменных, которые можно разделить на следующие три типа.
Заданные ограничения числа: Заданные числа головоломки фиксированы. Следовательно, двоичные переменные для данных полей ограничены фиксированными значениями, например, данное значение соответствует фиксированным двоичным значениям.
Уникальные ограничения поля: В правильном решении должна быть активна только одна цифра в каждом поле. Следовательно, в каждом поле должна быть ровно одна из 9 связанных двоичных переменных, а все остальные должны быть (эквивалентно заявлению, что сумма по этим двоичным переменным должна быть равна 1).
Уникальные ограничения группы: Есть три типа групп: строки, столбцы и подсетки 3×3. Есть 9 групп строк, 9 групп столбцов и 9 групп подсеток. В любой из этих групп каждая цифра должна появляться только один раз. Следовательно, в каждой группе все двоичные переменные, голосующие за одну и ту же цифру, должны суммироваться до.
Сетевая архитектура для решения судоку.
Судоку можно реализовать в нейронной сети с пиковыми сигналами, создав для каждой из 9 двоичных переменных в каждом поле судоку локальную группу пирамидных ячеек.Каждый раз, когда срабатывает одна из этих пирамидальных ячеек, соответствующая двоичная переменная устанавливается на короткий период времени. Бинарная переменная определяется только в том случае, если ни один нейрон в связанной с ней группе не сработал в последней. Это отображение позволяет считывать текущее (предварительное) решение, представленное сетью, в любое время. Предварительное решение является правильным только при соблюдении всех ограничений. Для всех моделей, которые мы использовали, в результате получилась общая пирамидальная ячейка. Ограничения среди переменных судоку могут быть реализованы посредством дисинаптического ингибирования между группами пирамидных клеток, как подробно описано ниже.
Заданные числовые ограничения реализуются путем предоставления сильных положительных входных токов выборочно тем нейронам, которые кодируют данные числа, и отрицательных токов к нейронам, кодирующим неправильные цифры в данном поле. Ограничения уникального поля реализуются путем формирования схемы «победитель получает все» (WTA) среди всех нейронов, связанных с одним и тем же полем судоку. Цепь WTA моделируется одним тормозящим нейроном, который взаимно связан со всеми пирамидными клетками.Чтобы уменьшить вероятность того, что никакая пирамидальная ячейка не сработает (что нарушит уникальное ограничение поля), пороговые значения пирамидальных ячеек устанавливаются на низкие значения (подробности см. В следующем разделе). Ограничения уникальной группы реализуются схемой WTA, в которой участвуют все нейроны в группе, код которой соответствует одной и той же цифре. Таким образом, существует 81 уникальное ограничение поля и уникальное групповое ограничение (в каждой группе есть ограничение для каждой цифры), что дает общее количество цепей WTA.Эти схемы WTA частично перекрываются в том смысле, что каждая пирамидальная ячейка участвует в 4 из этих схем WTA (одна для ограничения уникального значения в своем поле и три для ограничений уникальной группы в своей строке / столбце / подсетке).
Генерация стохастических всплесков как в возбуждающих, так и в тормозных нейронах реализована в соответствии с теоретической моделью шума I (подробности см. В следующем разделе). Таким образом, сеть удовлетворяет всем теоретическим условиям теоремы 1 и гарантирует уникальное стационарное распределение состояний сети, к которому она сходится экспоненциально быстро.Этот ландшафт будет автоматически иметь пики в тех состояниях сети, которые удовлетворяют большинству ограничений игры, поскольку каждая из цепей WTA гарантирует, что недопустимые конфигурации относительно этого ограничения маловероятны. Любая конкретная задача судоку может быть решена путем предоставления входных данных в сеть в виде сильных токов к тем нейронам, которые соответствуют заданным значениям. Это автоматически изменяет ландшафт стационарного распределения, так что генерируются только (или преимущественно) решения, согласующиеся с данными.Наконец, из-за нейронного шума сеть может быстро исследовать различные пики в ландшафте (разные многообещающие кандидаты в решения) и одинаково быстро преодолевать их. Важно отметить, что этот процесс может происходить одновременно в разных местах головоломки судоку. Следовательно, можно интерпретировать динамику сети также как высокопараллельный алгоритм стохастического поиска.
Подробная информация о реализации и моделирование для рисунка 5.
Моделирование для рисунка 5 было выполнено в NEVESIM, симуляторе на основе событий для сетей импульсных нейронов, разработанном на C ++ с интерфейсом Python [125].Головоломка на рис. 5A была создана и оценена «сложно» в компании «Sudoku Solutions» [126]. Генерация спайков моделируется согласно уравнению (60) с параметрами,. Стохастический порог был установлен для возбуждающих и тормозных нейронов, соответственно. Для пирамидных клеток выбран абсолютный рефрактерный период. Чтобы максимально ускорить моделирование на основе событий, PSP моделировались упрощенным способом как прямоугольные импульсы длины на основе тока (в отличие от более сложной интеграции синаптических входов на основе проводимости, используемой для моделей кортикальных микросхем).
контуров WTA были сформированы путем реципрокного соединения одного ингибирующего нейрона со всеми участвующими пирамидными клетками. Одиночный тормозящий нейрон моделировался таким образом, чтобы имитировать реакцию популяции тормозящих нейронов (то есть сильное торможение в течение длительного периода времени), с использованием абсолютного рефрактерного периода и сильных двунаправленных связей от и к возбуждающим нейронам (синаптические веса и, соответственно, ).
Чтобы задать конкретную головоломку, данные числа были зафиксированы путем подачи сильных входных токов в соответствующие пирамидальные ячейки.В частности, нейроны, кодирующие данные числа в поле судоку, получали постоянный положительный входной ток (постоянный вход на мембранный потенциал). Нейроны, кодирующие конфликтующие цифры в заданных полях судоку, получали постоянный отрицательный входной ток силы.
Последнее практическое замечание касается количества нейронов, кодирующих каждую двоичную переменную,. Мы обнаружили, что сети с имеют ряд привлекательных свойств по сравнению с сетями с кодированием одного нейрона. В частности, частота возбуждения отдельных нейронов может быть ниже (пирамидная клетка должна постоянно взрываться, чтобы указывать на устойчивое активное состояние).Кроме того, синаптическая эффективность нейронов может быть ослаблена, и общие паттерны спайк-ответа кажутся более биологически правдоподобными. Принимая во внимание потенциальную реализацию в аналоговом нейроморфном оборудовании, присвоения переменных с популяционным кодированием также менее подвержены сбоям отдельных единиц или несоответствию устройств.
Прогресс и проблемы в понимании функции кортикальных микросхем при обработке слуха
Кепекс, А. и Фишелл, Г. Типы интернейронных клеток пригодны для функционирования. Природа 505 , 318–326 (2014).
ADS CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Roux, L., Stark, E., Sjulson, L. & Buzsaki, G. Оптогенетическая идентификация in vivo и манипулирование подтипами ГАМКергических интернейронов. Curr. Opin. Neurobiol. 26 , 88–95 (2014).
CAS Статья PubMed Google ученый
Брегман А.С. Анализ слуховой сцены: перцепционная организация звука (MIT Press, 1990).
Фен, А. С. и Ратнам, Р. Нейронные основы слуха в реальных ситуациях. Annu. Rev. Psychol. 51 , 699–725 (2000).
CAS Статья PubMed Google ученый
Айзенберг М. и Геффен М. Н. Двунаправленные эффекты слухового аверсивного обучения на остроту восприятия опосредуются слуховой корой. Nat. Neurosci. 16 , 994–996 (2013).
CAS Статья PubMed Google ученый
Abeles, M. & Goldstein, M. H. Jr. Функциональная архитектура первичной слуховой коры кошек: столбчатая организация и организация в зависимости от глубины. J. Neurophysiol . 33 , 172–187 (1970).
CAS PubMed Google ученый
Шамма, С. А., Флешман, Дж. У., Уайзер, П. Р. и Верснель, Х. Организация зон реакции в первичной слуховой коре хорьков. J. Neurophysiol. 69 , 367–383 (1993).
CAS PubMed Google ученый
Вер М. и Задор А. М. Сбалансированное торможение лежит в основе настройки и обостряет время спайков в слуховой коре. Природа 426 , 442–446 (2003).
ADS CAS Статья PubMed Google ученый
Талвар С. К. и Герштейн Г. Л. Реорганизация слуховой коры бодрствующих крыс путем локальной микростимуляции и ее влияние на поведение с частотной дискриминацией. J. Neurophysiol. 86 , 1555–1572 (2001).
CAS PubMed Google ученый
Трамо, М. Дж., Шах, Г. Д. и Брейда, Л. Д. Функциональная роль слуховой коры в частотной обработке и восприятии высоты тона. J. Neurophysiol. 87 , 122–139 (2002).
Артикул PubMed Google ученый
Дикстра, А. Р., Кох, К. К., Брейда, Л. Д. и Трамо, М. Дж. Диссоциация обнаружения и различения чистых тонов после двусторонних поражений слуховой коры. PLoS ONE 7 , e44602 (2012).
ADS CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Ohl, F. W., Wetzel, W., Wagner, T., Rech, A. & Scheich, H. Двусторонняя абляция слуховой коры у монгольских песчанок влияет на распознавание частотно-модулированных тонов, но не чистых тонов. ЖЖ. Mem. 6 , 347–362 (1999).
CAS PubMed PubMed Central Google ученый
Gimenez, T. L., Lorenc, M. & Jaramillo, S. Адаптивная категоризация звуковой частоты не требует слуховой коры у крыс. J. Neurophysiol. 114 , 1137–1145 (2015).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Ву, Г. К., Арбакл, Р., Лю, Б. Х., Тао, Х. У. и Чжан, Л. И. Боковое усиление корковой частотной настройки за счет примерно сбалансированного торможения. Нейрон. 58 , 132–143 (2008).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Шинкель-Билефельд, Н., Дэвид, С. В., Шамма, С. А. и Баттс, Д. А. Вывод о роли торможения в слуховой обработке сложных естественных стимулов. J. Neurophysiol. 107 , 3296–3307 (2012).
Артикул PubMed PubMed Central Google ученый
Лю, Б. Х., Ву, Г. К., Арбакл, Р., Тао, Х. В. и Чжан, Л. И. Определение настройки корковой частоты с помощью повторяющихся возбуждающих схем. Nat. Neurosci. 10 , 1594–1600 (2007).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Освальд, А. М., Шифф, М. Л. и Рейес, А. Д. Синаптические механизмы, лежащие в основе обработки слуха. Curr. Opin. Neurobiol. 16 , 371–376 (2006).
CAS Статья PubMed Google ученый
Ван Дж., Каспари Д. и Салви Р. Дж. Антагонист ГАМК-А вызывает резкое расширение настройки в первичной слуховой коре. Нейроотчет 11 , 1137–1140 (2000).
CAS Статья PubMed Google ученый
Чен, К. и Джен, П. Х. Применение бикукуллина влияет на паттерны разряда, функции скорости-интенсивности и характеристики настройки частоты слуховых корковых нейронов летучих мышей. Слушай. Res. 150 , 161–174 (2000).
CAS Статья PubMed Google ученый
Тан, А. Ю. и Вер, М. Сбалансированное вызванное тонами синаптическое возбуждение и торможение в слуховой коре мышей. Неврология 163 , 1302–1315 (2009).
CAS Статья PubMed Google ученый
Lee, S.H. et al. Активация определенных интернейронов улучшает избирательность функции V1 и визуальное восприятие. Природа 488 , 379–383 (2012).
ADS CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Hamilton, L. S. et al. Оптогенетическая активация тормозной сети увеличивает прямую функциональную связь в слуховой коре. Нейрон 80 , 1066–1076 (2013).
CAS Статья PubMed Google ученый
Айзенберг, М., Мвиламбве-Тшилобо, Л., Бригуглио, Дж. Дж., Натан, Р. Г. и Геффен, М. Н. Двунаправленная регуляция врожденного и усвоенного поведения, основанного на частотной дискриминации тормозных нейронов коры. PLoS Biol. 13 , e1002308 (2015).
Артикул PubMed PubMed Central Google ученый
Markram, H. et al. Интернейроны тормозной системы неокортекса. Nat. Rev. Neurosci. 5 , 793–807 (2004).
CAS Статья PubMed Google ученый
Руди, Б., Фишелл, Г., Ли, С. и Хьерлинг-Леффлер, Дж. Три группы интернейронов составляют почти 100% неокортикальных ГАМКергических нейронов. Dev. Neurobiol. 71 , 45–61 (2011).
Артикул PubMed PubMed Central Google ученый
Спитцер, Н. С. Переключение нейротрансмиттеров в развивающемся и взрослом мозге. Annu. Rev. Neurosci. 40 , 1–19 (2017).
CAS Статья PubMed Google ученый
Сейболд Б. А., Филлипс Э. А., Шрейнер К. Э. и Хазенстауб А. Р. Тормозящие действия, объединенные сетевой интеграцией. Нейрон. 87 , 1181–1192 (2015).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Филипс, Э. А. и Хазенстауб, А. Р. Асимметричные эффекты активации и инактивации корковых интернейронов. Элиф 5 , e18383 (2016).
PubMed PubMed Central Google ученый
Мур, А. К. и Вер, М.Тормозящие интернейроны, экспрессирующие парвальбумин, в слуховой коре хорошо настроены на частоту. J. Neurosci. 33 , 13713–13723 (2013).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Li, L. Y. et al. Дифференциальные свойства рецептивного поля парвальбумина и нейронов, ингибирующих соматостатин, в слуховой коре мышей. Cereb. Cortex. 25 , 1782–1791 (2015).
Артикул PubMed Google ученый
Yavorska, I. & Wehr, M. Соматостатин-экспрессирующие ингибирующие интернейроны в корковых цепях. Передние нейронные цепи 10 , 76 (2016).
Артикул PubMed PubMed Central Google ученый
Денев, С. и Маченс, К. К. Эффективные коды и сбалансированные сети. Nat. Neurosci. 19 , 375–382 (2016).
CAS Статья PubMed Google ученый
Улановский Н., Лас Л. и Нелкен И. Обработка маловероятных звуков корковыми нейронами. Nat. Neurosci. 6 , 391–398 (2003).
CAS Статья PubMed Google ученый
Natan, R.G. et al. Дополнительный контроль сенсорной адаптации двумя типами корковых интернейронов. eLife 4 , e09868 (2015).
Артикул PubMed PubMed Central Google ученый
Нелкен И. Стимул-специфическая адаптация и обнаружение отклонений в слуховой системе: эксперименты и модели. Biol. Киберн. 108 , 655–663 (2014).
Артикул PubMed Google ученый
Chen, I. W., Helmchen, F. & Lutcke, H. Специфические ранние и поздние странные реакции в возбуждающих и тормозных нейронах слуховой коры мышей. J. Neurosci. 35 , 12560–12573 (2015).
CAS Статья PubMed Google ученый
Като, Х.К., Жилле, С. Н. и Исааксон, Дж. С. Гибкие сенсорные представления в слуховой коре, обусловленные поведенческой релевантностью. Нейрон 88 , 1027–1039 (2015).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Уильямсон, Р. С., Аренс, М. Б., Линден, Дж. Ф. и Сахани, М. Модуляция усиления, зависящая от входа, с помощью местного сенсорного контекста формирует корковые и таламические реакции на сложные звуки. Нейрон 91 , 467–481 (2016).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Натан, Р. Г., Рао, В. и Геффен, М. Н. Корковые интернейроны по-разному формируют настройку частоты после адаптации. Cell Rep. 21 , 878–890 (2017).
CAS Статья PubMed Google ученый
Филлипс, Э. А. К., Шрейнер, К. Э. и Хазенстауб, А. Р. Корковые интернейроны по-разному регулируют эффекты акустического контекста. Cell Rep. 20 , 771–778 (2017).
CAS Статья PubMed Google ученый
Nelson, A. et al. Схема моторной корковой модуляции слуховой корковой активности. J. Neurosci. 33 , 14342–14353 (2013).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Шнайдер Д. М., Нельсон А. и Муни Р. Синаптическая и цепная основа для следственного разряда в слуховой коре. Природа 513 , 189–194 (2014).
ADS CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Rock, C. & Apicella, A.J. Каллозальные проекции управляют нейронально-специфическими ответами в слуховой коре мышей. J. Neurosci. 35 , 6703–6713 (2015).
CAS Статья PubMed Google ученый
Марлин, Б. Дж., Митр, М., Д’Амур, Дж. А., Чао, М. В. и Фремке, Р. К. Окситоцин способствует поведению матери, уравновешивая корковое торможение. Природа 520 , 499–504 (2015).
ADS CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Letzkus, J. J. et al. Растормаживающая микросхема для обучения ассоциативному страху в слуховой коре. Природа 480 , 331–335 (2011).
ADS CAS Статья PubMed Google ученый
Zhang, S. et al.Избирательное внимание. Дальнодействующие и локальные схемы для модуляции обработки зрительной коры сверху вниз. Наука 345 , 660–665 (2014).
ADS CAS Статья PubMed Google ученый
Ли, С., Кругликов, И., Хуанг, З. Дж., Фишелл, Г. и Руди, Б. Растормаживающий контур опосредует моторную интеграцию в соматосенсорной коре. Nat. Neurosci. 16 , 1662–1670 (2013).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Поортуис, Р. Б., Энке, Л. и Летцкус, Дж. Дж. Модуляция холинергической цепи посредством дифференциального рекрутирования типов неокортикальных интернейронов во время поведения. J. Physiol. 592 , 4155–4164 (2014).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Fu, Y. et al. Корковый контур для управления усилением поведенческим состоянием. Ячейка 156 , 1139–1152 (2014).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Koukouli, F., Rooy, M., Changeux, J. P. & Maskos, U. Никотиновые рецепторы в префронтальной коре головного мозга мышей модулируют сверхмедленные колебания, связанные с сознательной обработкой. Proc. Natl Acad.Sci. США 113 , 14823–14828 (2016).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Kuchibhotla, K. V. et al. Параллельная обработка посредством коркового торможения обеспечивает контекстно-зависимое поведение. Nat. Neurosci. 20 , 62–71 (2017).
CAS Статья PubMed Google ученый
Pi, H. J. et al. Корковые интернейроны, специализирующиеся на растормаживающем контроле. Природа 503 , 521–524 (2013).
ADS CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Mesik, L. et al. Свойства функционального ответа VIP-экспрессирующих тормозных нейронов в зрительной и слуховой коре головного мозга мышей. Передние нейронные цепи 9 , 22 (2015).
Артикул PubMed PubMed Central Google ученый
Ibrahim, L.A. et al. Усиление кросс-модальности зрительной корковой обработки посредством ингибирования и растормаживания, опосредованных слоем 1. Нейрон 89 , 1031–1045 (2016).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
McGarry, L.M. et al. Количественная классификация соматостатин-положительных неокортикальных интернейронов выявляет три подтипа интернейронов. Передние нейронные цепи 4 , 12 (2010).
PubMed PubMed Central Google ученый
DeFelipe, J. et al. Новые взгляды на классификацию и номенклатуру кортикальных ГАМКергических интернейронов. Nat. Rev. Neurosci. 14 , 202–216 (2013).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Фино, Э., Пакер, А. М. и Юсте, Р. Логика ингибирующей связи в неокортексе. Невролог 19 , 228–237 (2013).
Артикул PubMed Google ученый
Нака, А. и Адесник, Х. Тормозные цепи в корковом слое 5. Передние нейронные цепи 10 , 35 (2016).
Артикул PubMed PubMed Central Google ученый
Сонг, С., Шостром, П. Дж., Рейгл, М., Нельсон, С. и Чкловский, Д. Б. В высшей степени неслучайные особенности синаптической связи в локальных корковых цепях. PLoS Biol. 3 , e68 (2005).
Артикул PubMed PubMed Central Google ученый
Цодыкс, М. В., Скаггс, В. Э., Сейновски, Т. Дж., Макнотон, Б. Л. Парадоксальные эффекты внешней модуляции тормозных интернейронов. J. Neurosci. 17 , 4382–4388 (1997).
CAS PubMed Google ученый
Latham, P.Э. и Ниренберг, С. Вычисления и стабильность в корковых сетях. Neural. Comput. 16 , 1385–1412 (2004).
Артикул PubMed МАТЕМАТИКА Google ученый
Озеки, Х., Финн, И. М., Шаффер, Э. С., Миллер, К. Д. и Ферстер, Д. Тормозная стабилизация корковой сети лежит в основе подавления визуального окружения. Нейрон 62 , 578–592 (2009).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Сусилло Д. Нейронные схемы как вычислительные динамические системы. Curr. Opin. Neurobiol. 25 , 156–163 (2014).
CAS Статья PubMed Google ученый
ван Фрисвейк, К. и Сомполински, Х. Хаотическое сбалансированное состояние в модели корковых цепей. Neural. Comput. 10 , 1321–1371 (1998).
Артикул PubMed Google ученый
Рубин Д. Б., Ван Хузер С. Д. и Миллер К. Д. Стабилизированная супралинейная сеть: мотив объединяющей схемы, лежащий в основе интеграции множества входов в сенсорной коре. Нейрон 85 , 402–417 (2015).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Литвин-Кумар, А., Розенбаум, Р., Дойрон, Б. Тормозная стабилизация и визуальное кодирование в корковых цепях с множественными подтипами интернейронов. J. Neurophysiol. 115 , 1399–1409 (2016).
Артикул PubMed PubMed Central Google ученый
Avermann, M., Tomm, C., Mateo, C., Gerstner, W. & Petersen, C.C. Микросхемы возбуждающих и тормозных нейронов в слое 2/3 бочкообразной коры мышей. J. Neurophysiol. 107 , 3116–3134 (2012).
CAS Статья PubMed Google ученый
Tomm, C., Avermann, M., Petersen, C., Gerstner, W. & Vogels, T. P. Предубеждения, зависящие от типа соединения, делают однородные случайные сетевые модели совместимыми с кортикальными записями. J. Neurophysiol. 112 , 1801–1814 (2014).
Артикул PubMed PubMed Central Google ученый
Вирлинг-Клаассен, Д., Кардин, Дж. А., Мур, К. И. и Джонс, С. Р. Вычислительное моделирование отдельных неокортикальных колебаний, вызванных селективным оптогенетическим приводом клеточного типа: отдельные резонансные контуры, управляемые низкопороговыми импульсами и интернейронами с быстрым выбросом. Фронт. Гм. Neurosci. 4 , 198 (2010).
Артикул PubMed PubMed Central Google ученый
Merolla, P.A. et al. Искусственный мозг. Интегральная схема с миллионным импульсным нейроном с масштабируемой коммуникационной сетью и интерфейсом. Наука 345 , 668–673 (2014).
ADS CAS Статья PubMed Google ученый
Markram, H. et al. Реконструкция и моделирование микросхем неокортекса. Ячейка 163 , 456–492 (2015).
CAS Статья PubMed Google ученый
Wang, Y. et al. Анатомо-физиологические и молекулярные свойства клеток Мартинотти соматосенсорной коры ювенильной крысы. J. Physiol. 561 , 65–90 (2004).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Hopfield, J.J. Нейронные сети и физические системы с возникающими коллективными вычислительными возможностями. Proc. Natl Acad. Sci. США 79 , 2554–2558 (1982).
ADS MathSciNet CAS Статья PubMed PubMed Central МАТЕМАТИКА Google ученый
Guo, W. et al. Слышание света: нейронное и перцептивное кодирование оптогенетической стимуляции в центральном слуховом пути. Sci. Репутация 5 , 10319 (2015).
ADS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Лёвенштейн Ю., Яновер У. и Румпель С. Прогнозирование динамики сетевых подключений в неокортексе. J. Neurosci. 35 , 12535–12544 (2015).
CAS Статья PubMed Google ученый
Bandyopadhyay, S., Shamma, S.A. & Kanold, P.O. Дихотомия функциональной организации в слуховой коре мышей. Nat. Neurosci. 13 , 361–368 (2010).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Ротшильд, Г., Нелкен, И. и Мизрахи, А. Функциональная организация и динамика популяции в первичной слуховой коре мышей. Nat.Neurosci. 13 , 353–360 (2010).
CAS Статья PubMed Google ученый
Чемберс, Б. и Маклин, Дж. Н. Паттерны мультинейронной активности идентифицируют селективные синаптические связи при реалистичных экспериментальных ограничениях. J. Neurophysiol. 114 , 1837–1849 (2015).
Артикул PubMed PubMed Central Google ученый
Раджан К., Харви К. Д. и Танк Д. В. Рекуррентные сетевые модели генерации последовательностей и памяти. Нейрон 90 , 128–142 (2016).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Ландау, И. Д., Эггер, Р., Дерксен, В. Дж., Оберлендер, М., Сомполинский, Х. Влияние структурной неоднородности на баланс возбуждения-торможения в корковых сетях. Нейрон 92 , 1106–1121 (2016).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Альджадефф, Дж., Стерн, М. и Шарпи, Т. Переход к хаосу в случайных сетях со связностью, зависящей от типа соты. Phys. Rev. Lett. 114 , 088101 (2015).
ADS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Яценко Д. и др. Улучшенная оценка и интерпретация корреляций в нейронных цепях. PLoS Comput. Биол. 11 , e1004083 (2015).
Артикул PubMed PubMed Central Google ученый
Ko, H. et al. Возникновение функциональных микросхем в зрительной коре. Природа 496 , 96–100 (2013).
ADS CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Timme, N. M. et al. Нейроны высокой степени обрабатывают корковые вычисления. PLoS Comput. Биол . 12 , e1004858 (2016).
Артикул PubMed PubMed Central Google ученый
Окер, Г. К., Литвин-Кумар, А. и Дойрон, Б. Самоорганизация микросхем в сетях импульсных нейронов с пластиковыми синапсами. PLoS Comput. Биол. 11 , e1004458 (2015).
ADS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Bassett, D. S. et al. Динамическая реконфигурация сетей человеческого мозга во время обучения. Proc. Natl Acad. Sci. США 108 , 7641–7646 (2011).
ADS CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Bassett, D.S. et al. Иерархическая организация корковых сетей человека в состоянии здоровья и шизофрении. J. Neurosci. 28 , 9239–9248 (2008).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Harris, K. D. et al. Как нейроны работают вместе? Уроки слуховой коры. Слушай. Res. 271 , 37–53 (2011).
ADS Статья PubMed Google ученый
Luczak, A., Bartho, P. & Harris, K. D. Спонтанные события очерчивают область возможных сенсорных реакций в популяциях неокортекса. Нейрон 62 , 413–425 (2009).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Пачитариу, М., Лямзин, Д. Р., Сахани, М. и Лесика, Н. А. Зависимое от состояния популяционное кодирование в первичной слуховой коре. J. Neurosci. 35 , 2058–2073 (2015).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Лин, И. К., Окун, М., Карандини, М. и Харрис, К. Д. Природа общей корковой изменчивости. Нейрон 87 , 644–656 (2015).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Okun, M. et al. Различная связь нейронов с популяциями сенсорной коры. Природа 521 , 511–515 (2015).
ADS CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Садовский А. Дж. И Маклин Дж.N. Масштабирование топологически подобных функциональных модулей определяет первичную слуховую и соматосенсорную микросхемы мыши. J. Neurosci. 33 , 14048–14060, 14060a (2013).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Гуруранган, С. С., Садовский, А. Дж. И Маклин, Дж. Н. Анализ инвариантов графов в функциональных неокортикальных схемах выявляет общие черты, общие для трех областей сенсорной коры. PLoS Comput. Биол. 10 , e1003710 (2014).
ADS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Deneux, T., Kempf, A., Daret, A., Ponsot, E. & Bathellier, B. Временные асимметрии в слуховом кодировании и восприятии отражают многослойные нелинейности. Nat. Commun. 7 , 12682 (2016).
ADS CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Бателлиер Б., Ушакова Л. и Румпель С. Дискретная неокортикальная динамика предсказывает поведенческую категоризацию звуков. Нейрон 76 , 435–449 (2012).
CAS Статья PubMed Google ученый
Kuczala, A. & Sharpee, T. O. Спектры собственных значений больших коррелированных случайных матриц. Phys. Ред. E 94 , 050101 (2016).
ADS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Геффен, М. Н., Жервен, Дж., Веркер, Дж. Ф. и Магнаско, М. О. Слуховое восприятие самоподобия в звуках воды. Фронт. Интегр. Neurosci . 5 , 15 (2011).
Артикул PubMed PubMed Central Google ученый
Gervain, J., Werker, J.Ф. и Геффен, М. Н. Категориальная обработка звуков, инвариантных к звуку в младенчестве. PLoS ONE 9 , e96278 (2014).
ADS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Макдермотт, Дж. Х. и Симончелли, Э. П. Восприятие текстуры звука через статистику слуховой периферии: свидетельство синтеза звука. Нейрон 71 , 926–940 (2011).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Бассет, Д. С. и Спорнс, О. Сетевая нейробиология. Nat. Neurosci. 20 , 353–364 (2017).
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Вычислительные свойства визуальной микросхемы
% PDF-1.4 % 1 0 объект >>> эндобдж 284 0 объект > поток application / pdf
Оптическая микролитография и метрология для изготовления микросхем | (1989) | Публикации
Новые разработки в технологии шаговых полупроводниковых пластин для субмикронных устройствАвторы): С. Виттекук; Дж. Гринейх; М. ван ден Бринк; Б. Кац
Показать аннотацию
Усовершенствованные шаговые двигатели должны соответствовать производственным требованиям для устройств с 0.Правила проектирования 5 мкм. Такие устройства требуют очень хороших оптических характеристик, соответствующих передовым технологиям обработки резиста. Производительность наложения при этом разрешении также имеет решающее значение, поскольку требуется возможность в области 100 нм. В этой статье дается обзор разработок в технологии шаговых полупроводниковых пластин, которые были предприняты для удовлетворения этих требований. Рассмотрены достижения проекционных линз для шаговых двигателей с 5-кратным уменьшением. Характеристики недавно разработанных линз g-line и i-line с числовой апертурой больше 0.4 и поля размером более 21 мм. Показано, что половинное разрешение может быть достигнуто с помощью шаговых двигателей i-line. Кроме того, обсуждается возможное расширение до длин волн глубокого УФ-излучения. Обсуждаются улучшения точности наложения, недавно реализованные на серийных шаговых двигателях (PAS 2500). Сделан вывод, что в ближайшем будущем можно ожидать наложения на одну машину лучше 0,1 мкм. В сочетании с коротковолновыми линзами это означает, что технология бесшумного шагового двигателя может быть расширена как минимум до нуля.3 мкм.
Настраиваемая ширина полосы экспонирования для систем I-Line ResistАвторы): Джон Шаллер; Дорин Са Виейра
Показать аннотацию
Чтобы удовлетворить требования к разрешающей способности будущих устройств при сохранении экономической эффективности и высокой производительности, была произведена недорогая модификация машины.Был разработан новый полосовой фильтр, который оптимизирует проекционный выравниватель Micralign 500/600 на основе широкополосного освещения для использования с системами резисторов i-line. Длина волны пропускания этого нового фильтра была выбрана для получения характеристик высокого разрешения спектрального диапазона UV-3, обеспечивая при этом высокую пропускную способность, связанную со спектральным диапазоном UV-4. Приведены данные о производительности, полученные в производственных условиях с рядом фоторезистов. Он показывает, что практические аспекты разрешения и глубины резкости по всему полю подложки были улучшены за счет использования этого полосового фильтра.По своей сути высокая производительность проекционных систем в дополнение к разрешающей способности в один микрон в производственном процессе делает проекционный выравниватель Micralign 600 очень рентабельной альтернативой шаговым системам при выборе оптического литографического оборудования.
Оптимизированный процесс резиста для линз с высоким содержанием Na G-LineАвторы): Марк Дж. Бигелоу; Харри ван дер Путтен
Показать аннотацию
Статистически разработанные скрининговые эксперименты были проведены с несколькими коммерчески доступными резистами g-line для определения наиболее значимых технологических факторов для максимизации глубины резкости для новых линз g-line с числовой апертурой 0.43 и диаметром поля 21,2 мм. Эксперименты определили значимость технологических факторов, таких как температура мягкого обжига, толщина покрытия резиста, температура обжига после выдержки, температура проявления, время проявления, концентрация проявления и перемешивание проявки. Этот экспериментальный подход приводит к гораздо более короткому циклу оценки процесса. Сообщаются сравнительные результаты глубины резкости для каждого из протестированных материалов вместе с расширенными результатами смещения критических размеров оптимизированного процесса и линейности.Впервые представлены расширенные результаты с объективом Zeiss 107861 для оптимизированного процесса, который был разработан для одного из резистов, для достижения полезной глубины резкости 2,0 мкм при разрешении 0,7 мкм.
Новый процесс изготовления компакт-дискаАвторы): П. Брио; Р. Э. Ревей; Л. Ле Дро
Показать аннотацию
Рифленые стеклянные подложки для использования в носителях, непосредственно считываемых проигрывателем оптических дисков (CD-аудио, CD-ROM, WORM или стираемые диски), изготавливаются с помощью обычных методов УФ-фотолитографии и травления.Подготовка маски производится на мастеринговом оборудовании для компакт-дисков. После экспонирования и проявления фоторезиста производится травление стеклянного диска. О качестве репликации и процесса травления можно судить только по фундаментальным критериям качества (коэффициенту ошибок блоков) компакт-диска. Если какой-либо регион реплики неприемлем, диск должен быть отклонен.
Решетчатые муаровые эффекты с частично когерентным освещением и детектированиемАвторы): Джозеф Браат
Показать аннотацию
Мы представляем анализ изображения линейной решетки с протяженным источником освещения и эффекта муара со второй решеткой в плоскости изображения.Свет, пропускаемый муаровой решеткой, улавливается детектором с конечной угловой протяженностью. Амплитуда и фазовый сдвиг муарового сигнала вычисляются при наличии как симметричных, так и асимметричных аберраций объектива формирования изображения; учитывается влияние как источника, так и размера детектора. Сравнение проводится между осевым и поперечным положением отображаемых элементов (например, положением отображаемого края) и положением решетки, предсказываемым фазой и максимальной глубиной модуляции муарового сигнала.Смещение между положением аэрофотоснимка и обнаруженным положением решетки должно быть известно при использовании муарового сигнала для тестирования линзы в системе литографической проекции. Численно рассчитанные значения этого смещения приведены для ряда практических ситуаций.
Параметры, влияющие на дисперсию центровки на шаговом оптическом пластинеАвторы): Ален Шарль
Показать аннотацию
Дисперсия выравнивания может потреблять только небольшую часть бюджета наложения.Таким образом, важно изучить причины разброса выравнивания. Были изучены два параметра, которые нарушают дисперсию центровки. Первый возникает из-за центробежных сил, действующих на фоторезист в непосредственной близости от знака совмещения, которые создают асимметричную модуляцию, приводящую к компоненту несовпадения. Изучается влияние разметки сетки, оформления знаков выравнивания. Вместо того, чтобы изменять процесс сопротивления вращению или удалять сопротивление на мишени выравнивания, предлагается новый вид метки совмещения, который гораздо менее чувствителен к этому эффекту.Во-вторых, шероховатость алюминиевой подложки. Чтобы измерить влияние шероховатости поверхности на характеристики центровки, были подготовлены и испытаны алюминиевые зерна разных размеров. Исследование проводилось для двух отметок совмещения и двух систем резиста.
Проверенная производственная технология согласования наложения между станкамиАвторы): Майкл Дж.Каммингс; Норман Хейли; Кен Нго; Джон Шаллер
Показать аннотацию
Естественное развитие современной полупроводниковой промышленности — это устройства с меньшими характеристиками и более жесткие требования к регистрации. Как правило, такой прогресс приводит к большим капиталовложениям в оборудование, а также к значительному сокращению мощности на каждый доллар инвестиций для большинства процессов литографического экспонирования.Одной из основных причин потери емкости является готовность отрасли перейти от полноэкранных проекционных принтеров к системе поэтапной и повторяющейся экспозиции с покадровой синхронизацией с меньшей пропускной способностью. Standard Microsystems Corporation (SMC) стремилась добиться более высокой производительности своих сканеров без снижения пропускной способности. Первоначальная цель SMC заключалась в том, чтобы улучшить характеристики совмещения Micralign 641 HT от машины к машине, указанные Perkin-Elmer, с ± 0,30 мкм до менее ± 0,25 мкм.Имея это в виду, мы решили исследовать истинные ограничения выравнивания и регистрации проекционного выравнивателя Micralign серии 600 HT. Хотя SMC, очевидно, удалось сопоставить две системы Micralign 641 HT с точностью ± 0,25 микрон путем ручного считывания нониуса, этот метод оказался трудоемким и подвержен человеческим ошибкам. Было рассмотрено электрическое зондирование пластин, но специальные маски и этапы обработки, а также их разрушительный характер были сочтены нежелательными. Для этого исследования использовалась автоматическая система измерения оптического оверлея для оптимизации оверлея в системах SMC Micralign.Результаты были поучительными. Указанное наложение ± 0,30 мкм для 98% данных улучшилось до уровня лучше, чем ± 0,25 мкм, 3 сигма. Эти результаты были достигнуты без использования автоматической компенсации увеличения (AVM / AMC). Мы также обнаружили, что многие в остальном прозрачные механические / оптические аномалии, такие как загрязнение и помехи при сканировании, могут быть легко идентифицированы. Представлены экспериментальные данные и обсуждается полезное применение этого метода в производственном процессе.
Сравнение результатов наложения двух подходов при использовании оптических шаговых двигателей со сканеромАвторы): Дж. М. Дюман; Г. Ваше; А. Чарльз; Дж. М. Темерсон
Показать аннотацию
Для промышленного производства схем правил проектирования на КМОП-матрице одного микрона может быть выгодным с точки зрения стоимости и производительности совмещение проекционных сканеров с оптическими шаговыми двигателями.Затем необходимо выполнить три совместимости: — предварительное выравнивание, межполевое, внутриполевое. Один из классических способов обеспечения совместимости с предварительным выравниванием — это печать двух глобальных меток с помощью шагового двигателя. Чтобы добиться совместимости с сеткой, обычно используют матрицу путем выравнивания матрицы. Возможности внутри поля затем достигаются путем регулировки увеличения и искажения шагового двигателя в соответствии с характеристиками сканера. Тем не менее, определенная трудность возникает, когда нужно распечатать первый уровень с помощью степпера.В этом случае можно рассмотреть два разных подхода: — Сначала распечатайте дополнительный уровень с помощью сканирующей проекционной машины для создания меток совмещения, а затем распечатайте реальный первый уровень с шаговым двигателем в режиме выравнивания матрицы. — Используйте слепой переход под сценический интерферометрический метрологический контроль для прямой печати первого уровня. Оба метода были протестированы и охарактеризованы. Представлены преимущества и трудности, а также результаты наложения. Был проведен подробный анализ и количественная оценка различных причин ошибок.Это позволяет обобщить анализ на другие машины с другими характеристиками.
Эффекты фокусировки в субмикронной оптической литографии, оптические эффекты и эффекты фоторезистаАвторы): Крис А. Мак; Патрисия М. Кауфман
Показать аннотацию
В этой статье дается обзор предыдущей работы [1-3], в которой описывается новый метод характеристики эффектов расфокусировки на процесс оптической литографии.Взаимодействие аэрофотоснимка с фоторезистом описывается математически, чтобы определить особенности изображения, которые важны для определения литографических характеристик. Наклон логарифмического изображения определяется как соответствующий показатель качества аэрофотоснимка. Путем вычисления этого логарифмического наклона как функции расфокусировки даются строгие определения как глубины резкости (DOF), так и разрешения. Глубина резкости для данного размера элемента может быть определена как величина расфокусировки, при которой логарифмический наклон аэрофотоснимка остается выше некоторого минимального значения.Минимальное значение логарифмического уклона, которое дает приемлемую широту процесса, определяется свойствами процесса фоторезиста. Модель литографии с первичными параметрами PROLITH [4] используется для исследования того, как различные параметры процесса изменяют реакцию литографической системы на фокусировку. Результаты сравниваются с кривой дефокусировки логарифмического наклона, чтобы определить минимально допустимый логарифмический наклон для смоделированной системы. Наконец, были собраны экспериментальные данные о ширине линии в зависимости от фокуса и экспозиции с использованием электрических методов измерения ширины линии.Эти данные сравниваются как с смоделированными данными, так и с логарифмическим анализом наклона.
Отрицательное проявление электронно-лучевого сопротивления в воде при глубоком УФ-облученииАвторы): Жиль Амблар; Ж. Марк Франсу; Андре Вайль; Ж. Пьер Панабьер
Показать аннотацию
В ближайшие годы он-лайн полумикронная литография будет достигаться с помощью электронного луча или глубокого УФ-облучения.Каждый из этих методов имеет преимущества (гибкость прямого письма и быстрота воздействия соответственно). Лучшим выбором для технологических процессов было бы дополнительное использование обоих методов. Нам представляется интересным выбрать резист, чувствительный к обоим этим воздействиям. Хорошие результаты (с точки зрения разрешения и чувствительности), полученные с резистом Shipley SAL 601 под воздействием a-луча, и анализ его спектра поглощения привели нас к выбору именно этого резиста.В данной статье представлены результаты, полученные нами при экспонировании слоя Shipley SAL 601 толщиной 500 нм, нанесенного поверх слоя SiO2 в режиме вакуумной контактной печати. Были испытаны три типа балок; два из них от системы Fusion Illuminator 100 (с центром на 220 и 260 нм соответственно), один от эксимерного лазера KrF (248,4 нм) и четвертый от Karl Suss MA6 (310 нм). Сканирующие электронные микрофотографии рисунков, полученных с помощью процесса глубокого УФ-излучения, объясняются с точки зрения физических и химических свойств резиста и характеристик источника глубокого УФ-излучения.
Промышленная эксимерная лазерная система мощностью 5 ВтАвторы): П. Эстерлин; П. Локаи; Х. Розенкранц; Х.-Ж. Калерт; D. Намётка
Показать аннотацию
Коммерческий эксимерный лазер Lambda Physik, модель 248 L, был специально разработан для проекционной литографии в глубоком УФ-диапазоне.Его выходная мощность составляла 2 Вт при частоте следования импульсов 200 Гц. Усовершенствованная версия этого лазера была разработана и тщательно протестирована. За счет модификации оптической системы и электрического разряда средняя мощность могла быть увеличена до 5 Вт без ущерба для других характеристик. Ширина полосы лучше 0,003 нм (0,5 см-1), а длина волны активно стабилизируется до ± 0,001 нм. Частота импульсов была увеличена до 400 Гц, чтобы соответствовать требованиям сегодняшних глубинных степперов УФ-излучения.Недавно разработанный модуль позволяет производить калибровку абсолютной длины волны в диапазоне настройки от 248,18 до 248,58 нм. Абсолютная точность этой калибровки составляет ± 0,001 нм. Используя эту опцию, лазер можно точно настроить на длину волны, обеспечивающую наилучшие характеристики шаговой оптики.
Эксимерные лазеры для литографииАвторы): Эльмар Куллманн
Показать аннотацию
Обсуждаются преимущества эксимерных лазеров перед обычными ультрафиолетовыми лампами для микролитографии и рассматриваются возникающие трудности.Первое применение эксимерных лазеров было в контактной печати, где короткая длина волны 193 нм ArF используется для получения суб-полмикронного разрешения, как правило, на чипах из GaAs. Первое использование эксимерных лазеров в области проекционной печати было в области изготовления сетки нитей. Лазеры XeC1 с длиной волны 308 нм используются в генераторах рисунков для создания пикселей рисунка сетки. Очень многообещающая область применения находится в области шаговых преобразователей пластины, которые создают уменьшенное изображение сетки на кремниевой пластине.Несмотря на многочисленные проблемы при разработке шагового двигателя DUV, полупроводниковый шаговый двигатель с источником эксимерного лазера кажется логичным выбором для следующего поколения производства высокоинтегрированных схем. Наконец, многообещающим, но все же далеким возможным применением может быть печать 1: 1 с использованием фазового сопряжения, чтобы обойти необходимость в очень сложной оптике между сеткой и пластиной.
Концепция похороненной маски и ее реализацияАвторы): Дж.П. Панабьер; Ж. М. Франсу; А. Вайль; Л. Герин; П. Москини; М. Понс; А. Инард; Г. Амблард
Показать аннотацию
Предлагается новый метод изготовления фотошаблонов. Маска изготавливается путем погружения впитывающих рисунков внутрь прозрачной фотопластинки вместо нанесения их на поверхность фотопластинки. После визуализации и протравливания канавок в стеклянной подложке в них помещается абсорбирующий материал.Рассмотрены два различных способа заполнения этих отверстий: выравнивание и отрыв. Ожидаются различные преимущества этого метода, а именно высокое разрешение. В данной статье представлены результаты, полученные при вакуумной контактной печати позитивных и негативных фоторезистов на основе новолака, экспонированных через скрытые маски.
Принципы проектирования системы освещения с использованием эксимерного лазера в качестве источника светаАвторы): Йоханнес Ванглер; Дж.Лигель
Показать аннотацию
Принципы разработки системы освещения шагового двигателя DUV-пластины основаны на исследовании когерентных свойств эксимерного KrF-лазера и влияния DUV-излучения с высокой плотностью энергии на плавленый кварц, материал, используемый для оптических компонентов. Представлены и обсуждаются альтернативные конструкции.
Система освещения шагового эксимерного лазераАвторы): Ютака Итихара; Синтаро Кавата; Икуо Хикима; Масато Хаматани; Юдзи Кудо; Акикадзу Танимото
Показать аннотацию
Исследована система освещения, подходящая для шагового эксимерного лазера.Излишняя интерференционная картина (пятнистость) эффективно уменьшается за счет сканирования лазерного луча. Мы сообщаем о пространственной когерентности лазеров с разной шириной спектральной линии, системе освещения шагового двигателя, появлении интерференционной картины, ее расстоянии и контрасте, а также их связи с системой освещения и когерентностью лазера. Затем мы сообщаем об уменьшении этого рисунка вместе с простым методом измерения его контраста.
Оптическое моделирование линейного объекта в микроэлектронике с использованием радиометрического подходаАвторы): Даниэль Куржон; Даниэль Шарро; Эрик Ланц
Показать аннотацию
Предложена простая модель, описывающая поле, отраженное от сильно отражающего объекта трапециевидной формы.Эта модель основана на предположении о невмешательстве между нижней и верхней частью тестируемой линии. Представлены и обсуждены некоторые результаты моделирования.
Сверхточная метрология масок — разработка и практические результаты новой измерительной машиныАвторы): Х. Фейндт; Д. Софрониевич
Показать аннотацию
Поскольку схемы с субмикронной структурой продолжают усложняться, предыдущие методы проверки допуска наложения и CD оказались неадекватными.Поэтому при финансовой поддержке Министерства исследований и технологий Западной Германии компания Wild Leitz разработала систему измерения маски, которая с точки зрения достижимой точности представляет собой предел того, что технически возможно сегодня. В рамках этого проекта компания «Сименс» как один из ключевых заказчиков выполнила часть испытаний на точность прототипа машины и теперь использует окончательную систему на своей линии по производству масок с хорошими результатами.
Метрология одноуровневой регистрации и измерения наложения на производственных пластинахАвторы): О.Hignette; Ф. Мартин; М. Лакомбат
Показать аннотацию
В 1987 году мы предложили новую концепцию оптической обработки изображений, хорошо приспособленную к измерениям двухуровневого наложения, а также регистрации паттернов. В сочетании с инструментом и лазерным интерферометрическим столиком XY, этот метод позволяет выполнять одноуровневые абсолютные метрологические и относительные измерения между различными уровнями процесса.Представлен метод оценки диапазона абсолютной точности прибора по сеткам с умеренными искажениями, созданным на шаговых пластинах, путем измерения одной и той же пластины в четырех плоскостях. Обсуждаются различные ошибки, генерируемые машиной, ее пределы и возможности в отношении искажения линз и определения характеристик сценических ошибок. Благодаря точной метрологии оси Z, связанной с автофокусом и патроном с плоским штифтом, становится возможным определение деформаций, вызванных поверхностным процессом, на печатных пластинах.Приведены результаты повторяемости Z-картирования.
Объективы микроскопов для полупроводниковой техникиАвторы): Вольфганг Фольрат
Показать аннотацию
В течение последних десяти лет самые высокие требования к общим оптическим характеристикам объективов микроскопов предъявляла полупроводниковая промышленность.Приложения в оптическом контроле и метрологии масок и пластин требовали специальных линз с большим рабочим расстоянием и линз с большим увеличением и большой числовой апертурой. Важна не только коррекция аберраций изображения, но, помимо прочего, уменьшение внутренних отражений и возможность автофокусировки. Характеристики объективов микроскопов последнего поколения демонстрируются по сравнению с более ранними конструкциями. Хотя монохроматические аберрации изображения современных линз незначительны в отношении дифракции, полихроматическая коррекция по-прежнему является сложной задачей и определяет ограничения в качестве изображения.Но даже в этом отношении недавно разработанный объектив Wild Leitz PL APO 100x / 0.95 демонстрирует, что физические ограничения были достигнуты как при проектировании, так и при производстве.
Автоматизированная система обнаружения субмикронных дефектов на узорчатых пластинахАвторы): Мишель Дарбу; Энн Фалют; Жан-Люк Жако; Клод Доче
Показать аннотацию
В настоящее время управление технологическим процессом стало важным элементом управления выходом в производстве СБИС, поэтому растет потребность в автоматизированных системах контроля полупроводниковых пластин.В этой статье мы описываем быструю автоматизированную систему для обнаружения субмикронных дефектов на пластинах с рисунком, основанную на улучшенном алгоритме сравнения изображений. После краткого обсуждения различных режимов проверки и их применения мы представляем наш алгоритм обработки изображений, в том числе: пространственное выравнивание субпикселей, адаптацию динамического диапазона промежуточных изображений, многопороговую эффективную бинаризацию, идентификацию дефектов на основе определенного морфологического метода. Этот алгоритм обеспечивает как значительное улучшение обнаружения истинных дефектов, так и снижение количества ложных дефектов.Затем мы описываем основные компоненты инспекционной машины: оптические части, механические части и блок быстрой обработки изображений (FIPU), основанный на конвейерной архитектуре, включая оборудование специального назначения. FIPU позволяет контролировать поле размером 125 мкм x 125 мкм за 200 мс с чувствительностью к дефектам 0,3 мкм. Наконец, мы сообщаем о некоторых экспериментальных результатах, полученных при применении нашего алгоритма к некоторым реальным задачам проверки, и сравниваем эти результаты с результатами, полученными с помощью стандартного алгоритма проверки.
Лазерный гетеродинный интерферометр для измерения шероховатости поверхностиАвторы): Ван Цзя; Гу Лижун; Чжан Эняо; Цао Ман; Ли Дачэн
Показать аннотацию
В статье описывается лазерный гетеродинный интерферометр для измерения микрорельефа поверхности.Разность частот между опорным плечом и измерительным плечом достигается за счет использования двух акустооптических модуляторов в интерферометре. Метод фазовой демодуляции используется для повышения разрешения до 0,36 градуса, что соответствует одной тысячной длине волны. Можно разрешить вариации высоты в 10 нм, в то время как теоретическое разрешение по высоте составляет 10 ангстрем. В интерферометре используется простейшая компоновка и меньшее количество оптики, без каких-либо поляризаций и линз, разработанных специально, как другие интерферометры.
Принципы и концепция реакторов LCVD для фотолитических и пиролитических применений в микроэлектроникеАвторы): Дж. Рапп; О. Никодем
Показать аннотацию
Лазерная химия представляется важной и относительно новой областью исследований с потенциальными приложениями, например, в микроэлектронике.В этой области наиболее развитыми методами лазерной обработки являются лазерная литография и лазерно-индуцированное пиролитическое осаждение элементов микронного масштаба. В этой статье основное внимание будет уделено технике прямого лазерного письма, в которой лазер используется для индукции химического осаждения из паровой фазы.
Лазерная микрохимия: мощный инструмент для СБИСАвторы): Дидье Тонно; Ив Герн; Жерар Пелус
Показать аннотацию
Прямая запись межсоединений на ИС возможна с помощью локального химического осаждения из паровой фазы с помощью лазера.Недавно мы разработали и выпустили на рынок новый инструмент для лазерной микрохимии, специально разработанный для перемонтажа прототипов СБИС. Путем диссоциации молекул Ni (CO) 4 линии Ni могут быть записаны со скоростью более 5 г / с при температуре, индуцированной лазером до 400 ° C. При этой же температуре полосы вольфрама могут образовываться при разложении смесей WF6-h3. Однако скорость осаждения вольфрама примерно на два порядка ниже скорости роста никеля при тех же температурных условиях. Удельное сопротивление отложений в обоих случаях составляет около 10 мкОм.см. Слоям диоксида кремния может способствовать диссоциация смеси Si2H6-N20 при температуре поверхности около 500 ° C. Эти основные этапы осаждения металла и изолятора были интегрированы в законченный процесс металлической перемычки, подходящий для последнего уровня межсоединения схемы СБИС. Этот процесс был сначала оценен с функциональной точки зрения, путем определения электрических характеристик, реализованных на тестовых образцах, полностью нарисованных с помощью лазерной химии. По крайней мере, путем измерения времени, необходимого для изготовления металлического моста, процесс был оценен с экономической точки зрения.
Программируемые лазером переходные отверстия для реконфигурации интегральных схемАвторы): Мартин Руийон-Мартен; Магелон Шамбон; Ален Буду
Показать аннотацию
Постпроцесс реконфигурации интегральных схем СБИС с двумя металлическими слоями, достигнутая путем формирования в оксиде интерметалла, была исследована с помощью YAG-лазера с удвоенной частотой (532 нм).Создание переходных отверстий экспериментируется с тестовыми шаблонами, размещенными в трех схемах различной технологии. Образованные таким образом переходные отверстия создаются тепловым эффектом с механизмом плавления и механическим взрывом в изоляционных слоях. Никаких повреждений не было подтверждено электрическими измерениями и исследованиями поперечного сечения SEM. Для металлизации, содержащей тугоплавкие металлы, выход сквозных отверстий достигал 100% для образцов размером 2,6 мкм x 4,7 мкм. Возможность этого процесса была установлена для восстановления области 3 мкм х 3 мкм.Было измерено, что промежуточное сопротивление составило несколько Ом, не прибегая к постпроцессному отжигу, и было обнаружено, что минимальный ток пробоя составил 150 мА. Переходное отверстие может быть выполнено в металлической линии, не повреждая другие линии на расстоянии до 1,5 мкм. Проверка надежности переходных отверстий при 125 ° C и 5 мА не показала отказа через 1000 часов. Следовательно, создание переходных отверстий с помощью лазера оказалось возможным в среде металлических межсоединений, соответствующей минимальным правилам проектирования СБИС в 1,2 мкм.
Импульсный U.Лазерная очистка поверхности монокристалла GaSb в сверхвысоком вакууме.Авторы): Э. Ж. Пети; В. М. Хамблет; А. Брезини; Р. Каудано; А. Гусков; Ж. Бугно
Показать аннотацию
Модификации поверхности, индуцированные в монокристаллах GaSb импульсным ультрафиолетовым излучением. лазерный отжиг (ИЛА) в сверхвысоком вакууме.Поверхности (111) монокристаллов GaSb были подготовлены механическим и химическим травлением перед введением в вакуум. Затем образцы подвергались воздействию УФ-излучения в вакууме. излучение (193 нм) мощного эксимерного лазера. Анализ методом электронной оже-спектроскопии, проведенный на месте, показывает, что атомарно чистая поверхность (свободная от естественных оксидов и углеродных загрязнений) может быть достигнута с помощью PLA. Рассмотрены эффекты плотности энергии (ED) и повторения PLA. Также описаны поверхностные изменения топологии, наблюдаемые in situ с помощью сканирующей электронной микроскопии с низким разрешением, а затем с помощью оптической микроскопии.Из наших наблюдений можно сделать вывод, что оксиды сурьмы She начинают заметно разлагаться при облучении поверхности лазерными импульсами 50 мДж / см2. Их испарение объясняет начало резкого химического восстановления, наблюдаемого при более высоких плотностях плотности энергии. Мы предполагаем, что поверхностное плавление монокристалла GaSb начинается, как только ЭД лазерного луча достигает 100 мДж / см. За пределами этого флюенса поверхностное химическое восстановление завершается не только испарением, но также: — во-первых: разрушением слоя оксида галлия под действием термического напряжения и его выбросом из-за сильного испарения с подложки, — во-вторых: галлием. растворение оксида в расплаве.Количество сегрегированной сурьмы на поверхности становится важным, когда поверхность тает глубоко (т.е. при ED выше 150 мДж / см2).
Вычислительная модель нервной микросхемы полосатого тела: как высвобождение дофамина становится важным для функций полосатого тела | BMC Neuroscience
Стриатум является основной входной структурой цепей базальных ганглиев, и функции этой подкорковой области модифицируются с помощью дофаминергической иннервации, высвобождаемой из Substantia Nigra pars Compacta [1].Мы сосредоточились на формировании этой подкорковой области и ее связи с нейромедиатором дофамина, поскольку полосатое тело играет ключевую роль в функциях базальных ганглиев, таких как выбор действия и обучение, основанное на вознаграждении. Цель этого исследования — найти правдоподобный способ объяснить влияние высвобождения дофамина на функции и формирование микросхем полосатого тела. Эта работа также фокусируется на патологической синхронности в сети D2 MSN, которая вызывает повторяющиеся проекции сети Globus Pallidus External и Subthalamic Nucleus [2].Эта патологическая синхронность может быть связана с паркинсоническим поведением, поскольку эта сеть в первую очередь отвечает за моторное поведение [3]. В настоящее время утверждается, что структура стриатума модифицируется за счет долговременной депрессии (LTD) и долговременной потенциации (LTP), а дофамин регулирует эту структуру [4]. Итак, помимо исследования сети D2, мы также сосредоточились на сети D1, чтобы иметь возможность объяснить, как повышенный уровень выброса дофамина вызывает новое образование в этой области. В этой работе мы следуем динамическому системному подходу Fast-Slow, чтобы иметь возможность моделировать нейроны Medium Spiny.Сеть полосатого тела состоит из 400 D1 MSN, 400 D2 MSN, смоделированных как основанная на проводимости модель компартментарного нейрона с 20 адаптивными и экспоненциальными моделями нейронов с ингибирующим быстрым выбросом (FSIN) (% 2), что соответствует экспериментальным наблюдениям [2].
Здесь мы показываем, что дофамин обладает способностью изменять MSN как D1, так и D2, как показано на рисунке 1. При смещенном высвобождении дофамина обе сети стабилизируют режим возбуждения, в то время как повышенный дофамин вызывает чрезмерную реакцию возбуждения в сети D1. , он подавляет скорость срабатывания сети D2, см. рисунок 1.В предлагаемой сети FSIN имеют комплексные связи с MSN D1 и D2, чтобы понять, как это прямое ингибирование контролирует патологические нейронные колебания. Мы изучили вклад различных уровней дофамина в контроль патологических нейрональных колебаний и объяснили, коррелируют ли распределенные по Пуассону последовательности спайков с уровнем дофамина в значительной степени.