Раздел 7

Современные виды цифровых микросхем.

Глава 1

Микросхемы малой степени интеграции (малая логика)

В настоящее время цифровые устройства выполняются в основном с применением микроконтроллеров, сигнальных процессоров и специализированнных микросхем, таких как кодеки, модемы, аналого-цифровые или цифроаналоговые преобразователи. При этом достаточно часто возникают вопросы согласования сигналов, которыми обмениваются данные микросхемы. Иногда требуется инверсия управляющих или информационных сигналов, иногда не совсем совпадают протоколы обмена (вид сигналов записи и чтения, сигналы стробирования данных). В этом случае применение больших интегральных микросхем, таких как ПЛИС CPLD или FPGA нецелесообразно. Это либо невыгодно экономически, либо требуется большая площадь на печатной плате цифрового устройства. В то же самое время применение старых типов микросхем малой интеграции, таких как 1533 или 1564 неприемлемо либо из-за больших габаритов корпуса этих микросхем, либо несовместимости логических уровней, либо недопустимых времен распространения сигнала.

Если раньше микросхемы в основном размещали в так называемом DIP-корпусе, внешний вид которого приведен на рисунке 1.1, то в настоящее время его габариты стали недопустимо большими. Обычные габариты DIP-корпуса: 20×7,5 мм.

  Рисунок 1.1. Внешний вид цифровой микросхемы малой степени интеграции в DIP-корпусе

В одном DIP-корпусе размещалось 6 инверторов. Но нам то обычно нужен один! И очень часто бывает, что то, что нужна инверсия сигнала выясняется уже в процессе настройки рабочего образца цифрового устройства, когда на печатной плате места практически нет. В современных цифровых микросхемах малой степени интеграции существуют корпуса микросхем, содержащие только один инвертор или только один логический элемент "2И-НЕ". В этом случае достаточно только четырех или пятивыводного корпуса и шаг выводов в современных корпусах тоже значительно уменьшился по сравнению с DIP-корпусом. Типовые габариты корпуса SOT-23 составляют 2,8×2,5 мм, габариты корпуса SС-70 составляют 2×2,1 мм, а корпуса YEP — 0,95×1,45 мм. Внешний вид корпуса SOT-23 приведен на рисунке 1.2.

  Рисунок 1.2. Внешний вид цифровой микросхемы малой степени интеграции в SOT-23 корпусе

Подобную микросхему можно поместить в разрыв дорожки печатной платы! В качестве примера подобных микросхем можно назвать инвертор SN74LVC1G04DRL и логический элемент "2И" SN74LVC1G08DRLR фирмы texas instrument. Примеры цоколевки микросхем малой логики приведены на рисунках 3 ... 5.

  Рисунок 1.3. Цоколевка инвертора 1G04 в корпусе SC-70    Рисунок 1.4. Цоколевка логического элемента ""И-НЕ" 1G00 в корпусе SC-70    Рисунок 1.5. Цоколевка D-триггера 1G79 в корпусе SC-70

Глава 2 Программируемые логические интегральные схемы (плис).

По мере развития цифровых микросхем возникло противоречие между возможной степенью интеграции и номенклатурой выпускаемых микросхем. Экономически оправдано было выпускать микросхемы средней интеграции, таких как регистры, счетчики, сумматоры. Более сложные схемы приходилось создавать из этих узлов. Разместить более сложную схему на полупроводниковом кристалле не было проблем, но это было оправдано либо очень большой серийностью аппаратуры, либо ценой аппаратуры (военная, авиационная или космическая). Заказные микросхемы не могли удовлетворить возникшую потребность в миниатюризации аппаратуры. Решение могло быть только одним — предоставить разработчикам аппаратуры возможность изменять внутреннюю структуру микросхемы (программировать).

История развития программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) начинается с появления программируемых постоянных запоминающих устройств. Первое время программируемые ПЗУ использовались исключительно для хранения данных, однако вскоре их стали применять для реализации цифровых комбинаторных устройств с произвольной таблицей истинности. В качестве недостатка подобного решения следует отметить экспоненциальный рост сложности устройства в зависимости от количества входов. Добавление одного дополнительного входа цифрового устройства приводит к удвоению требуемого количества ячеек памяти ПЗУ. Это не позволяет реализовать многовходовые комбинационные цифровые схемы.

Для реализации цифровых комбинационных устройств с большим числом входов были разработаны программируемые логические матрицы (ПЛМ). В иностранной литературе они получили название — Programmable Logic Arrays (PLA). Именно программируемые логические матрицы можно считать первыми программируемыми логическими интегральными схемами (Programmable Logic Devices — PLDs). ПЛМ получили широкое распространение в качестве первых универсальных микросхем большой интеграции.