Цифровые интегральные микросхемы

Цифровой интегральной микросхемой (ЦИМС) называют конструктивно завершенное изделие, представляющее собой кремниевый кристалл на котором сформированы логические элементы.

Обычно ЦИМС заключена в герметичный корпус, защищающий кристалл от действия окружающей среды и рассеивающий выделяемое кристаллом тепло, на корпус закреплены выводы микросхемы. Иногда выпускаются бескорпусные ЦИМС, например, монтируемые сразу в плату.

Т ипы корпусов:

Рис. 11

Чаще других используют плоские (планарные) корпуса и корпуса с двухрядным расположением выводов (DIP). DIP – изображён вышк первым.

Корпус может быть металлостеклянным, металлокерамическим, стеклокерамическим, но дешевле и ненадёжней всех – пластмассовый корпус.

Количество выводов корпуса от 6 до нескольких сотен, схему соединения выводов с элементами ЦИМС называют цоколёвкой.

Микросхема может иметь разный уровень интеграции. Малый уровень интеграции имеют микросхемы, в которых реализован набор несвязанных логических элементов. В микросхемах среднего уровня интеграции логические элементы соединены друг-с-другом образуя какую-то типовую схему цифровой электроники (счетчик, дешифратор, сумматор). В больших интегральных схемах (БИС) реализована масса соединенных друг-с-другом типовых схем. К классу БИС относятся: микропроцессоры, однокристальные микро ЭВМ, микросхемы памяти.

• малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле,

• средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле,

• большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле,

• сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тысяч элементов в кристалле.

По технологии изготовления отличают:

• полупроводниковая ИС – выполнена на одном полупроводниковом кристалле.

• плёночная ИС – выполнена на тонких либо толстых плёнках.

• гибридная ИС – содержит, кроме полупроводникового кристалла, бескорпусные элементы в одном корпусе с кристаллом.

• смешанная ИС – содержит, кроме полупроводникового кристалла, плёночные элементы, размещённые на поверхности кристалла.

А также:

Микросхемы на полевых транзисторах — самые экономичные (по потреблению тока):

• МОП-логика (металл-оксид-полупроводник логика) — микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа.

• КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) — каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП). Очень распространённая и экономичная с точки зрения потребляемого тока технология, уязвимо к статическому электричеству.

Микросхемы на биполярных транзисторах:

• РТЛ — резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ).

• ДТЛ — диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ).

• ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика — микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе. Распространённая, быстрая, энергоёмкая.

• ТТЛШ — транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки — усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шоттки.

• ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика — на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, — что существенно повышает быстродействие. Самая быстрая, самая энергоёмкая, редкая.

• ИИЛ — интегрально-инжекционная логика.

Подробнее об характеристиках и устройстве различных видов логики см. ниже.

Также ЦИМС различают по назначению (какая именно схема реализована).

Микросхемы выпускаются сериями, т. е. группами микросхем, сходных по техническому исполнению. В пределах одной серии обычно МС имеют одинаковые: напряжения питания, входные и выходные сопротивления, уровни сигналов.

Условные обозначения ИС, выпускаемых отечественной промышленностью, устанавливаются ОСТ 11073.915-80, в соответствии с которым обозначения ИС состоят из четырех основных элементов.

1. Первый элемент - цифра, обозначающая группу по технологическому признаку, к первой группе относятся полупроводниковые ИС (цифры 1,5,6,7), ко второй - гибридные ИС (цифры 2,4,8), к третьей - прочие (цифра 3).

2. Второй элемент обозначает порядковый номер серии.

3. Третий элемент состоит из двух букв и определяет функциональное назначение ИС. Первая из букв определяет подгруппу, а вторая - вид ИС. Соответствующие данные по функциональному назначению ИС приведены в таблице 1.

4. Четвертый элемент - порядковый номер разработки ИС данного функционального типа.

Уровни проектирования ЦИМС:

1. Логический

2. Схемотехнический

3. Электрический – принципиальная схема на транзисторах, конденсаторах и тп.

4. Физический – методы реализации элементов предыдущего уровня на кристалле.

5. Топологический – создание фотошаблона для производства.

6. Программный – программирование для ПЛИС, микроконтроллеров и микропроцессоров.

Существуют САПР (системы автоматического проектирования), облегчающие жизнь разработчикам микросхем (напр. САПРы фирм Xilinx, Altera и тп.).

По функциональному назначению ЦИМС дел. на подгруппы: логические элементы, триггеры (D, T, JK, RS), регистры, генераторы цифровых импульсных сигналов, элементы дискретных и арифм. ус-в. Каждая группа делится на ЛЭ: И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ.

Статические параметры определяются с помощью статических характеристик, которые снимаются при медленных изменениях токов и напряжений. Это обстоятельство позволяет пренебрегать переходными процессами в элементах схемы. К статическим характеристикам относятся: передаточная Uвых= f(Uвх) при Iвых=0, обратной связи Uвх= f(Uвых) при Iвх=0, входная Iвх= f(Uвх) при Iвых=0 и выходная Iвых= f(Uвх) при Iвх=0 .

К динамическим параметрам ЦИМС относятся: время задержки сигнала при включении и время задержки сигнала при выключении, среднее время задержки, длительность фронтов нарастания и спада импульса.

Параметры ИМС	ТТЛ	ТТЛШ	КМОП	ЭСЛ
Напряжение питания, В	5	5	3-15	- 5,2
Уровень логического 0, В	0,4	0,5	0,01	-1,6
Уровень логической 1, В	2,4	2,7	2,99-14,99	-0,9
Время задержки Тз, нс	25	10	200	3
Коэффициент разветвления по выходу Кр	5-7	10-12	1000	2-5
Статическая помехоустойчивость, В	0,4-1,1	0,4-1,1	2-3	0,1-0,3
Статическая потребляемая мощность Рп, мВт	2-40	2-40	0,1-0,001	20-80
Серии ИМС	К155, К555, КР1533	К531, КР1531	К561, КР1561, К1564 КР1554	К500, К1500,К193

Рис. 12

1. Быстродействие определяется средней задержкой сигнала Тз, равной среднему арифметическому задержек включения и выключения одного инвертора. При определении Тз в качестве границ временных интервалов обычно берут точки на фронтах, соответствующие уровням 0,1 и 0,9 этого перепада. По средней задержке логические ИМС делятся на следующие группы:

• сверхбыстродействующие (Тз < 5 нс),

• быстродействующие (5 < Tз < 10 нс),

• среднего быстродействия (10 < Tз < 100 нс),

• малого быстродействия (Tз > 100 нс).

2. Потребляемая мощность зависит от того, какие сигналы поданы на входы этой ИМС. Поэтому данное свойство принято оценивать средней мощностью (Рп), потребляемой типовым логическим элементом во включенном и выключенном состояниях. Как правило, чем выше быстродействие ЦИМС, тем больше средняя потребляемая ими мощность. В процессе переключения логического элемента средняя мощность выше статической мощности, вследствие всплесков тока в переходных режимах. Поэтому в динамическом режиме потребляемая мощность зависит от частоты F переключения:

Pд = (U1 - U0)2C₀F, где (U1 — U0) — перепад логических уровней; C₀ — выходная емкость, включая емкость монтажа (C₀ = 30—50 пФ). Эффект увеличения потребляемой мощности в динамическом режиме особенно заметен для КМОПТЛ, которые в статическом режиме потребляют очень мало. В связи с этим для КМОПТЛ указывают не статическую, а динамическую потребляемую мощность на определенной частоте переключения.

3. Помехоустойчивость.

Статическая помехоустойчивость — это наименьшее постоянное напряжение, которое, будучи добавлено к полезному входному сигналу, вызовет ошибку по всей последующей цепи логических схем. Статическая помеха наблюдается в тех случаях, когда относительно велико сопротивление проводников, подводящих к ЦИМС напряжение питания. Падения напряжения на "земляной" шине, разные для разных ЦИМС, будут суммироваться со входными сигналами и могут приводить к сбоям. Для исключения подобных ситуаций необходимо по возможности увеличивать сечение проводников, подводящих питание к ЦИМС.

Что касается динамической или импульсной помехоустойчивости, то для того чтобы возник сбой, импульсная помеха, как правило, должна быть больше, чем статическая. Поэтому при одинаковой статической помехоустойчивости схемы с большим быстродействием сильнее подвержены действию импульсных помех.

4. Нагрузочная способность характеризуется параметром Кр( коэффициент разветвления по выходу), Кр определяется числом входов схем той же самой серии, которые могут быть присоединены к выходу данной схемы без нарушения ее работоспособности. Так как входное сопротивление КМОПТЛ в статическом режиме велико, то последующие элементы практически не нагружают предыдущие. Это дает возможность иметь очень большой коэффициент разветвления по выходу. Однако в динамическом режиме входное сопротивление КМОПТЛ падает из-за наличия входных емкостей. Ток, потребляемый от данной микросхемы, увеличивается.

Пример условного графического обозначения ЦИМС.

На рис. 13 изображён демультиплексор 1 к 4.

DMS – условное обозначение демультиплексора.

Правый столбец – выходы, левый – входы и управляющие воздействия.

Рис. 13

Такой вид обозначения характерен для ЦИМС, меняется наименование схемы, число и вид входов и выходов. Обозначения других ИС см. ниже в разделах, посвящённых соответствующим устройствам.

Технологии изготовления логических элементов.

РТЛ – резисторно-транзисторная логика.

Рис. 14

Принцип работы (по рис. 14).

Коллектор транзистора через резистор соединён с питанием, эмиттер – с землёй, на базу через резисторы подаются входные сигналы. Если на входах 0 В – транзистор закрыт, на выход идёт напряжении питания, если хотя бы на одном входе уровень напряжения соответствует логической единице – транзистор открывается и питание «сливается» на землю. Таким образом, на рис. 14 изображён базисный элемент ИЛИ-НЕ в позитивной логике, он же – И-Не в негативной (уровни 0 и 1 инвертированны).

РЕТЛ – резисторно-ёмкостно-транзисторная логика.

Попытка усовершенствования РТЛ путём добавления ёмкостей на входы (фильтруют постоянный ток, пропускает только импульсы).

Достоинства РТЛ и РЕТЛ:

• Конструктивная простота;

• Низкая стоимость.

Недостатки:

• Высокая рассеиваемая мощность (на включенном транзисторе, резисторах);

• Нечёткий уровень сигналов (уровень единицы от ~0,9В до напряжения питания);

• Крайне низкое быстродействие;

• Низкая помехоустойчивость;

• Cложность разработки;

• Низкая нагрузочная способность выходов (обычно не более трёх входов других элементов).

ДТЛ – диодно-транзисторная логика.

Рис. 15

При наличии 0 хотя бы на одном входе, ток течёт от питания через R1 во входную цепь – транзистор закрыт, на выходе 1. Если оба входа по единице, ток через R1 идёт на базу транзистора, он открывается, «сливает» на землю питание, на выходе – 0. Таким образом, рис. 15 – это схема двухвходового И-НЕ.

Преимущества перед РТЛ – можно создать больше входов (т. к. на входах диоды, а не резисторы). Недостатки – по прежнему малое быстродействие, т. к. открытый транзистор находится в режиме насыщения.

ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика.

Логика работы как в ДТЛ, только вместо диодов – многоэмиттерный транзистор. На рис. 16 элемент 2И-НЕ.

Рис. 16

ТТЛШ – ТТЛ с диодами Шотки, отличается от ТТЛ наличием диодов Шоттки в цепях база — коллектор, для исключения насыщение транзистора, а также наличием диодов Шоттки на входах для подавления импульсных помех.

ЭСЛ – эмиттерно-связная логика

Основная идея ИСЛ – ключ на двух транзисторах (рис. 17).

Рис. 17

На базу одного подаётся опорное постоянное напряжение (Uоп), если при этом напряжение на второй базе (Хо) будет выше или ниже Uоп, то это приведёт к перераспределению тока Iэ между транзисторами (у кого напряжение на базе больше, через того больше тока течёт). Режим насыщения исключён, что сказывается положительно на быстродействии, т. к. R_k1и R_k2 малы, то перепад напряжений между уровнями 0 и 1 тоже небольшой, значит время перезарядки выходной ёмкости транзисторов тоже уменьшается. Выходное напряжения снимается с выходов Y₀ и Y_1, оно, очевидно, больше Uоп, так что, между Y₀ и Y₁ и выходом элемента нажно поставить эмиттерный повторитель для согласования. На рис. 18 изображён элемент 4ИЛИ/ИЛИ-НЕ.

Особенности ЭСЛ: высокое быстродействие, высокое энергопотребление, низкая помехоустойчивость, низкая степень интеграции (из-за высокой потребляемой мощности элементов), высокая цена.

Рис. 18

И ИЛ – интегрально-инжекционная логика (она же И2Л).

Рис. 19

Основа ИИЛ – инвертор, представленный на рис. 19, VT1 – npn транзистор, VT2 – pnp транзистор. База VT1 является эмиттером VT2, коллектор VT1 является базой VT2 (см. рис. 19, левую часть). VT1 – называется инжектором (добавляет ток в базу VT2). По сути VT1 – выполняет роль нагрузочного сопротивления, а VT2 – ключа. Если на вход подать 1, VT2 откроется, ток с VT1 стечёт на корпус, если 0 – VT2 закрыт, ток с VT1 насыщает VT2, на его коллекторах будет ток. На рис. 20 показана реализация базиса 2ИЛИ-НЕ на И2Л.

Рис. 20

Схема работы аналогична ключу на рис. 17, только вместа одного входного транзистора VT1 поставлено 4.

Особенности И2Л: высокая экономичность, высокое быстродействие, высокая степень интегрированности, помехоустойчивость, частота работы до 50 МГц (мало).

n-МОП, p-МОП – технология, основанная на применении соотвтствующего типа МОП транзисторов.

Рис. 21

На рис. 21 представлены соответственно элементы НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ на основе n-МОП.

В данных схемах нагрузочный транзистор на питании имеет встроенный канал, т. о. всегда проводит ток, думаю, что вам теперь не составит труда понять как работают элементы, изображённые на риунке.

n-МОП и p-МОП технологии не различаются по принципу работы, однако, первая быстрее (электроны подвижней дырок + ряд особенностей технологического процесса) и сложнее в изготовлении.

Особенности МОП: для современных МОП элементов характерны низкая цена, малое энергопотребление и большая степень интеграции.

КМОП (CMOS) - комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник.

Рис. 22

КМОП основана на применении МОП транзисторов с разнам типом канала в одной схеме.

На рис. 22 представлен элемент 2И-НЕ. Если входы А и В имеют высокий уровень – Т3 и Т4 открыты, Т1 и Т2 закрыты, выход Y соединён с землёй. Если на А подать низкий уровень Т1 - откроется, Т3 – закроется, Y соединяется с питанием, схема симметрична, поэтому при подаче на В высокого уровня Y также соединяется с питанием.

Особенности КМОП – нет резисторов, значит, нет рассеиваемой мощности на резисторах, и в статическом состоянии по схеме текут только токи утечки транзисторов (очень малы). Так что энергия тратится только на процесс переключения (заряд затворов транзисторов), и энергопотребление тем ниже, чем ниже частота переключений схемы (характерно и для МОП). Наличие транзисторов обоих типов канала приводит к ещё большему, чум у МОП быстродействию и меньшему энергопотреблению. Снижена степень интеграции, более сложных процесс изготовления.

И так, мы познакомились с основными элементами цифровой схемотехники, объединяя несколько таких элементов можно получить функциональные ухлы и блоки (напр. сумматор).