1. Основные определения и характеристики схем цифровых устройств

1.1. Основные определения в области микросхемотехники

При решении вопросов автоматизации производственных процессов, управления технологическими объектами, выполнения вычислений поставленная задача представляется в виде последовательности некоторых операторов, таких как хранение чисел, их сравнение или сложение, счет, дешифрация кода, коммутация каналов сбора информации и т. п. Число этих операторов по возможности ограничивают наиболее часто встречающимися и общепринятыми.

Схемы, реализующие общепринятые операторы, называют функциональными узлами. Такие узлы могли быть реализованы на базе релейной техники, электронных ламп, полупроводниковых элементов.

В 70-е гг. наша промышленность освоила массовое производство микросхем, реализующих все широко используемые функциональные узлы.

Основной элементной базой современной дискретной техники является интегральная микроэлектроника. Огромные успехи, достигнутые микроэлектронной технологией, позволили создать приборы, по всем параметрам превосходящие изделия сходного назначения, собранные на отдельных компонентах. Переход к интегральным схемам (ИС) существенно изменил способы построения электронной аппаратуры.

Интегральная микросхема (ИМС) – микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов и (или) кристаллов, которое рассматривается как единое целое (ГОСТ 17021–88).

Показателем сложности микросхемы (МС) с точки зрения числа входящих в нее элементов служит степень интеграции:

K = lgN,

где N – число элементов. В настоящее время промышленность производит МС от 1-й до 5-й степени (до 100000 компонентов в 1-й микросхеме).

На практике сложность микросхемы оценивают качественно: до 10 элементов – малые интегральные схемы (МИС); до 100 – средние интегральные схемы (СИС); от 100 до 1000 – большие интегральные схемы (БИС); свыше 1000 – сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).

В качестве активных элементов цифровых МС сейчас применяют 2 типа транзисторов: биполярные и полевые (униполярные). Полевые транзисторы имеют структуру МОП (металл – окисел – полупроводник), или, как ее еще называют, МДП (металл – диэлектрик – полупроводник). Цифровые интегральные схемы (ЦИС) на биполярных и полевых транзисторах существенно различаются по многим показателям, и развитие их идет самостоятельными путями.

Способ соединения транзисторов между собой в пределах одного элемента определяет их логический базис или, проще, логику.

Из логических интегральных схем на биполярных транзисторах в настоящее время наибольшее распространение имеют ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) в нескольких модификациях (например, ТТЛШ), ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика), ДТЛ (диодно-транзисторная логика). Логические элементы на биполярных транзисторах, применявшиеся ранее: с непосредственной связью – НСТЛ, резисторно-транзисторная логика – РТЛ, резисторно-емкостная логика – РЕЛ, – сейчас не используются. Из новых направлений – ИИЛ, или И²Л, т.е. инжекционно-интегральная логика, на основе которой создаются БИС высокого быстродействия и с малым потреблением энергии.

Микросхемы на основе полевых транзисторов также широко используются. Наиболее распространены и перспективны схемы, основанные на совместном включении пары транзисторов с каналами разных видов проводимости, так называемые комплементарные структуры – КМОП-структуры.

Для удобства разработчиков аппаратуры и по технологическим признакам ЦИС выпускают сериями.

Серией называют совокупность МС различного функционального назначения, которые имеют согласованные электрические и временные параметры для совместного использования. МС одной серии изготавливаются по одной технологии и имеют сходное конструктивное исполнение. Примеры ТТЛ-серий – 130, 133, 136, 155, 158, 555, 1530, 1531, 1533; КМОП – 164, 176, 561, 564, 1561, 1564 и др.