Lektsii_SEUSU_0

Краз.

ИС низкой нагрузочной способностью (Краз 2..10 осн. логические элементы).

Более мощные схемы обладают повышенным по сравнению с маломощными схемами быстродействием. Снижение микросхемами мощности потребления при сохранении высокого быстродействия – одна из задач микроэлектроники.

Рпот – средняя мощность потребления, важнейший параметр ИС.

Лог. ИС может находиться:

1)в стадии включения;

2)в состоянии “ Включено”;

3)в состоянии “ Выключено”;

4)в состоянии выполнения.

Каждое из этих состояний характеризуется различной мощностью потребления. При этом в зависимости от места логич. элемента мощность потребления будет происходить в основном при переключении из одного состояния в другое для одного типа элементов и в состоянии “ Вкл ”.Рвкл для другого типа элементов характеризуются средним значением Рпотр.

Рпотр.ср. = ( Р0 + Р1 ) / 2.

Р0 – в состоянии “ Выкл ” Р1 – в состоянии “ Вкл ”.

По мощности потребления ИС делят на: Мощные 30 мВт < Рпотр. ср. <300мВт; Средние 3мВт < Рпотр. ср.< 30 мВт; Маломощные 0,3 мВт < Рпотр.ср. < 3 мВт; Микроваттные 1 мкВт < Рпотр.ср. < 300мкВт; Нановаттные Рпотр.ср. < 1 мкВт.

Используются некоторые дополнительные временные параметры,

обусловленные принципом действия. Например: время задержки переключения,

максимальная частота переключения и др.

Коэффициент разветвления по выходу (коэффициент нагрузки ).

– характеризует нагрузочную способность микросхемы. Этот параметр определяет max число вых. эл-ов данной серии, кот. можно нагружать вых.

микросхемы без нарушения ее норм. функционирования.

Коэффициент объединенный по выходу (Коб) – определяет max возможное

число входов ИС, по кот. реализуется логич. функция.

Для простейших логич. эл-ов это число равноценных входов по И либо ИЛИ.

Логич. эл-ты массового производства выпускаются с 2,3,4 и 8 вых. Когда возникает надобность в большем числе входов, применяют специальные ИС – расширители,

числа входов кот. не имеют самостоятельного применения, либо используют несколько однотипных эл-ов, кот. соединяют с учетом законов булевской алгебры.

Более сложные устройства имеют и др. выходы: адресные, упаковочные,

разрешающие, входы синхронизации и т.д. По отношению к индивидуальным каскадам каждый такой вход обычно представляет такую же нагрузку как и логич. (информационные ) входы. Увеличение Коб ведет к потере частотных хар-к,

уменьшению помехоустойчивости увеличению мощности потребления.

Помехоустойчивость или, как ее еще наз., шумовой иммунитет определяет допустимое напряж. Помех на входах микросхемы и непосредственно связана с ее передаточной хар-ой.

Статическую помехоустойчивость связывают с помехами, длительность кот.

больше времени переходных процессов, а динамическую – с кратковременными помехами. Для обоих видов помехоустойчивости может учитываться воздействие напряж. низкого и высокого уровней.

Статической помехоустойчивостью по низкому уровню считается разность

U0НОМ =! U0ВЫХ. MAX – U0ВХ. MAX! , (1.2)

где UВЫХ. MAX – max допустимое напряж. низкого уровня на вых. нагрузочной микросхемы.

UВЫХ. MAX - max допустимое напряж. низкого уровня на вх. нагружающей

ИС.

U0НОМ – отпирающая помеха.

Помехоустойчивость по высокому уровню определяется как

U1НОМ =!U1ВЫХ. MIN – U1ВХ.MIN!, (1.3)

здесь U1ВЫХ. MIN – min напряж. высокого уровня на вых. нагруженной ИС.

U1ВЫХ. MIN – min допустимое напряж. высокого уровня на нагружающем выходе.

U1ВЫХ – запирающая помеха.

Так логич. ИС может находится в одном из двух устойчивых состояний, то

различают:

1)помехоустойчивость закрытой схемы по отношению к отпирающим помехам U0НОМ

2)помехоустойчивость открытой схемы по отношению к запирающим помехам U1НОМ.

Часто используют не абсолютные знач. напряжений max допустимых помех по входу, а их отношение к min переходу напряж. UMIN на выходе эл-та при его переключении.

К0,1НОМ.СТ. = (U0.1НОМ) / (ΔUMIN) – коэф. статической помехоустойчивости.

Статическая помехоустойчивость служит основным показателем защищенности микросхем от помех. В справочниках приводят одну величину, U0НОМ или U0.1НОМ , ту , что меньше.

Динамическая помехоустойчивость выше, чем статическая, т.к. при кратковременных помехах сказываются поразительные емкости и инерционные процессы в микросхеме.

Динамическая помехоустойчивость в справочных данных не указывается, т.к.

зависит не только от типа микросхемы, но и от условий ее разработки.

Энергия (работа) переключения – определяется как А=РПОТ*tЗД.Р.СР. , где РПОМ – средняя потребляемая мощность.

TЗД..Р.СР. – среднее время задержки распространения.

Параметр хар-ет качество разработки и исполнения микросхемы.

Для большинства семейств цифровых микросхем энергия переключения находится в пределах от 0,1 – 500 пДж. Чем меньше этот параметр, тем выше качество разработки. С др. стороны для микросхем с высокой помехоустойчивостью большая энергия является благом, т.к. импульсы помех даже большей амплитуды,

но недостаточной энергии не создают ложных срабатываний.

Надежность хар-ся 3 взаимосвязанными показаниями:

1)интенсивностью отказов λ;

2)Наработкой на отказ Т;

3)Вероятностью безотказной работы Р(t) в течение заданного

времени t.

В ИС отсутствует перегрев, они мало подвержены вибрации и ударам,

технология производства обеспечивает высокое кач-во продукции, и поэтому их

надежность во много раз выше, чем у изделий, собранных из отдельных деталей.

Интенсивность отказов определяется в ходе испытаний большой партии изделий и хар-ся выражением λ=n/Nt, где n – число отказов в ходе испытаний; t –

время испытаний; N – число используемых изделий в партии.

Интенсивность отказов для совр. микросхем λ=10-8..10-9 (1/ч).

По этому параметру можно вычислить и остальные показания надежности

Т = 1/ λ, и Р(t) = е λt;

Принять λ = 10-8 ч-1, а t = 15000 , можно найти, что вероятность безотказной работы составляет Р(t) = 0,998, т.е. –99,8 ,это исключительно высокий показатель.

Стойкость микросхем к механич. и климатич. воздействиям очень высока.

Они способны работать норм. при интенсивных механич. Нагрузках и в неблагоприятных условиях: при повышенной влажности (до 98 при 250С) и в большом температурном диапазоне (от –10 до +700С для ИС широкого применения и от –60 до +1250С - специального).

Кроме того, когда это требуется, учитываются такие микросхемы, число изделий в серии, особые условия эксплуатации, возможность сопряжения с изделиями др. серий и др. показания.

1.5 Сравнение различных типов микросхем.

В настоящее время промышленность выпускает множество серий логич. ИС и разработчику аппаратуры необходимо уметь проводить сравнение анализ по их основным параметрам, чтобы найти наилучшее соотношение в соответствии с требованиям к разрабатываемой МЭА.

Трудности выбора усугубляются тем, что технология производства многих типов схем продолжает развивать, и разработчики аппаратуры должны уметь предвидеть, какая ситуация может сложиться через несколько лет.

Наибольшим быстродействием и сверхбыстродействием обладают микросхемы ЭСЛ-типа. Однако им присущи высокая потребляемая мощность и стоимость, т.к. они занимают большую площадь кристалла и имеют более сложную эл. схему. Этим схемам отдают предпочтение в аппаратуре, в кот. требуется

наибольшее быстродействие любой ценой. ЭЛС-микросхемы сохраняют работоспособность в большом интервале температуры и при колебаниях напряжения в цепях питания. Большая потребляемая мощность затрудняет получение ЭСЛ-микросхем высокой степени интеграции, отводимая от кристалла не может превышать несколько ватт. Поэтому ЭСЛ-микросхемы – это обычно МИС или СИС. При создании аппаратуры на ЭСЛ-микросхемах требуется значительная площадь коммутационных плат и, соответственно, большая длинна соед. их проводников, что влечет за собой искажение формы сигналов и требует установки соответствующих нагрузок на концах линии связи. Недостатком схем ЭСЛ явл. и то,

что для их работы необходимы 2 ист. питания. Для сравнения различных типов микросхем используют параметр энергии переключения. Чем меньше его значение,

тем предпочтительнее данный тип микросхем, т.к. тоже самое быстродействие получают при меньшей мощности. Однако чем меньше его значение, тем более чувствительна микросхема к вых. нагрузке. В связи с этим микросхемы типа ЭСЛ и ТТЛ с большой потребляемой мощностью малочувствительны к вых. нагрузке.

Съемы ТТЛ менее дороги, чем ЭСЛ, и обладают несколько меньшим быстродействием, хотя и превосходят по нему стальные биномерные микросхемы.

Но здесь при сравнении должна учитываться степень интеграции. Если степень интеграции ЭСЛ-схем мала, то для изготовления одного и того же устройства таких схем потребуется больше, чем схем ТТЛ, обладающих большей степенью интеграции. То быстродействие, кот. выигрывается при использовании ЭСЛ-схем,

может быть потеряно в соединяющих их проводниках. ЭСЛ - применяются в ЭВМ сверхвысокого быстродействия и скоростных устройствах дискретной обработки информации.

Особенности эксплуатации:

-для повышения устойчивости работы их свободные входы необходимо подключить через регистр = 1ком к ист. питания.

-к консольному регистру допускается подключение 20 свободных входов.

-при монтаже ИС и ПП необходимо предусмотреть вблизи разъема подключение конденсатора из расчета 0,1мкф на одну ИС, исключающих НЧ-помехи. Для исключения ВЧ-помех устанавливают по одному керамическому конденсатору на груину ИС числом не более 10 из расчета 0,002мкф на одну ИС.

Особенностями схем интегральной инжекционной логики (ИЛИ) явл. малое знач. энергии переключения, малая площадь, занимаемая одним И2Л - эл-ом на кристалле, и механич. совместимость И2Л – эл-ов с др. типами биполярных логич.

схем: они могут быть изготовлены в одном кристалле вместе с ЭСЛ и ТТЛ-схемами.

Для микроэлектронных устройств с автономными источниками питания целесообразно использовать И2Л-схемы или МДП-схемы, потребляющие намного меньшую мощность, чем рассмотренные выше схемы, и имеющие сравнительно низкую стоимость.

МОП Логич. МДП-ИС – серий 108,120,144,147,172,178 выполнены на транзисторах

с каналами одного типа проводимости – относятся к схемам низкого быстродействия средней мощности.

В связи с тем, что p-n-МДП и КМДП-схемы потребляют малую мощность и их эл-ты занимают малую площадь на кристалле, они более всего подходят для создания БИС и СБИС. Схемы КМДП обладают наименьшим потреблением энергии и набольшей помехозащищенностью.

КМОП КМДП-ИС – серий 164,176,564,764 обладают высоким быстродействием,

очень малой потребляемой мощностью и большим коэф. разветвления по выходу.

При выборе ИС необходимо избегать применения разных серий. Если это неизбежно, то лучше применять ИС с одинаковым напряж. питания.

Вопросы для самоконтроля:

1.Основные параметры микросхем.

2.Помехоустойчивость.

3.Какой параметр определят качество разработки микросхем?

4.Что служит защищенностью микросхем от помех?

5.Параметры надежности.

6.Классификация цифровых микросхем.

Лекция 3

Тема: Микросхемы полупроводниковой памяти.

Микропроцессоры.

1.6 Микросхемы полупроводниковой памяти.

Одной из больших подгрупп цифровых микросхем явл. запоминающие устройства

(ЗУ).микросхемы полупроводниковой памяти – ЗУ –выполняются в виде СБИС.

Их классифицировать по ряду независимых признаков:

1)способу хранения информации

2)способу обращения к памяти

3)принадлежности подсистемам памяти ЭВМ

4)типу носителя информации

5)схемно-технологич. исполнению и т.д.

По способу хранения информации ЗУ делятся на статические, динамические и квазистатические.

Встатических ЗУ хранение информации обеспечивается с помощью постоянного ист. питания, информация в режиме хранения не должна относительно массива ячеек, при отключении ист. питания информация разрушается.

Вдинамических ЗУ информация хранится в виде зарядов, для чего используются емкости p-n переходов и МДП-структур. Время хранения информации ограничено,

вследствие чего необходимо периодически ее восстанавливать.

По способу обращения к информации различают адресные, ассоциативные ЗУ и ЗУ с произвольной выборочной (ЗУПВ).

По функциональному назначению ЗУ делятся на постоянные, логич. и

оперативные.

Постоянные ЗУ (ПЗУ) служат для хранения команд и программ. Основными требованиями к ним явл.:

-неразрушающее считывание

-высокая надежность

-энергозависимость хранения информации.

Различают ПЗУ программируемые при изготовлении, в кот. информация заносится один раз в конструкцию запоминающего массива ячеек и не подвергается изменению.

ППЗУ – однократно программируемые ПЗУ РПЗУ – многократно программируемые ПЗУ, в кот. запись информации

осуществляется пользователем этих интегральных схем памяти.

Особую разновидность эл-ов памяти представляют программируемые логич.

устройства (ПЛУ), в кот. в одном кристалле сформированы логич. эл-ты одного типа. Созданием систем соединений этих эл-ов обеспечивается функционирование ПЛУ. Таким образом, ПЛК функционально сходны с ПЗУ, запись программ в ПЛУ технологич. осущ-ся также как и программирование ПЗУ, переключение перемычек в металлизации, фоношаблонном для формирования контактных окон и т.д.

Практически все типы микросхем памяти могут быть построены на биполярных и МДП-структурах, что обеспечивает широкий набор их хар-к

1.7 Микропроцессоры.

Создание БИС позволило значительно повысить функциональную сложность микросхем, что привело к уменьшению их универсальности и неизбежному увеличению номенклатуры. Для выхода из ситуации, были созданы БИС, функции кот. могли заданны подачей по определенной программе на их входы внешних эл.

импульсов.

Процессор – это основная часть ЭВМ, непосредственно осуществляющая процесс обработки данных и управляющая им.

Микропроцессором (МП) – наз. программно-управляемое устройство,

осуществляющее обработку цифровой информации и построенное на одной или нескольких СИС, БСИ или СБИС.

Микропроцессорный комплексом микросхем (МПК) – это набор микросхем,

предназначенных для совместного применения, вкл. необходимое и достаточное их кол-во для построения вычислительной техники.

Базовым микропроцессорным комплексом – наз. min набор интегральных микросхем, необходимый и достаточный для построения микропроцессора.

Как вычисл. устройства микропроцессоры хар-ся простотой управления, малым потреблением энергии, небольшими габаритами, возможностью встраивания в объект контроля или управления, возможностью адресации к большим объемам памяти, а как изделие эл. техники – конструктивно-технологич. исполнением,

степенью интеграции, надежностью, способом защиты то внеш. воздействий.

По технологии изготовления, базирующейся на биполярных транзисторах (И2Л,

ТТЛ, ТТЛШ), выпускают специализированные микропроцессоры с наращиваемой разрядностью обрабатываемых чисел: 2n, 4n, 8n и т.д., где n=1,2,3,…

Микропроцессорные БИС и СБИС явл. типичными представителями програмно-…

интегральных микросхем.

Вторым путем сокращения номенклатуры БИС явл. построение БИС на основе

базового кристалла, представляющего собой матрицу не соед. между собой эл-ов,

эл. связи между кот. формируется в соответствии с назначением БИС на этапе формирования разводки грунтовым способом с помощью или нескольких фотошаблонов. Такие БИС наз. матричными. На основе одного базового кристалла можно изготовить сотни функционально различных устройств. Например:

быстродействующие ЭСЛ, машинные БИС серий К1520ХМ1 и К1520ХМ2.

Вопросы для самоконтроля:

1.Микросхемы полупроводниковой памяти.

2.Способы хранения информации в запоминающих устройствах.

3.Классификация микросхем по потребляемой мощности.

4.Параметры, определяющие быстродействие.

5.Энергия переключения.

6.Предпосылки появления микропроцессоров.

7.Отличительная черта ИС микропроцессора.

8.Какой классификационный признак отражен в определении ИС?

Лекция 4

Тема: Взаимозаменяемость и аналоги. Маркировка ИС.

1.8 Взаимозаменяемость и аналоги микросхем.

Взаимозаменяемостью ИС наз. способность равноценно заменить любую микросхему др. из множества однотипных. Взаимозаменяемость микросхем можно разделить на внеш. и внутр.

Внешняя – связана с геометрич. размерами и формами присоединительных поверхностей и выводов микросхем, а также эксплутационными показателями:

диапазоном температур окр. среды, параметрами надежности и т.д.

Внутренняя взаимозаменяемость опр-ся прежде всего функциональным назначением микросхем и эл. параметрами, а также схематическим исполнением.

Степень взаимозаменяемости при составлении микросхем может быть различной.

При совпадении значений по всем параметрам хар-щим внешнюю и внутр.

взаимозаменяемость обеспечивается полная взаимозаменяемость. Если значения параметров несколько отличаются, но не хуже заданных, то сравниваемые микросхемы явл. прямыми аналогами.

Микросхемы, совпадающие только по функциональному назначению, относят

к функциональным аналогам.

Обязательным условием взаимозаменяемости явл. Одинаковые напряжения питания, а при сравнении габаритно-присоединительных размеров корпусов – шаг между выходами (1,25 или 1,27; 2,5 или 2,54), а также угол поворота для крупных корпусов.

1.9 Маркировка.

На каждой микросхеме должны быть отчетливо нанесены:

1)товарный знак (код) предприятия-изготовителя;

2)обозначения типа микросхем;

3)дата изготовления или код;

4)обозначение первого вывода микросхем, если он не указан др.

способом;

5)розничная цена;

6)порядковый номер сопроводительного листа.

Состав сокращенной маркировки и код устанавливают в стандартах или

технических условиях на микросхемы конкретных типов.

Вопросы для самопроверки:

1. Взаимозаменяемость ИС.

2.Что является обязательным условием взаимозаменяемости?

3. Как определить показатель сложности микросхем?

4. Классификация корпусов микросхем по конструктивно-технологическим признакам.

5. Что такое внутренняя взаимозаменяемость?