 |
Схемотехника цифровых устройств
|
|
|
|
Интегральные микросхемы
Современные цифровые устройства и микропроцессоры реализуются исключительно в виде микроэлектронных интегральных схем.
Интегральная микросхема (ИМС или ИС) – это изделие из активных и пассивных микроэлектронных элементов и соединительных проводников, выполненное на поверхности и в объеме полупроводникового кристалла таким образом, что создаётся определённое электронное устройство.
Интегральные схемы прошли несколько этапов своего развития, после каждого из них технологи полупроводникового производства достигали все большего и большего количества электронных элементов внутри микросхемы. Самые первые образцы таких схем даже трудно было назвать интегральными. Это были платы печатного монтажа с установленными на них дискретными элементами (транзисторами, резисторами, конденсаторами, катушками индуктивности и т.д.), такая плата вставлялась в пластмассовую коробочку и заливалась эпоксидной смолой так, что из коробочки выходили только выводы разъема. Такая серия советских интегральных схем называлась «Логика-Т». Аналогичные изделия производились и в других странах, в Германии эти логические схемы вполне надежно работали и в морских условиях, например в системах судовой автоматики на рыболовецких сейнерах.
Уровни интеграции ИМС
Принята следующая классификация уровней интеграции микросхем:
- МСИ – малая степень интеграции (1...100 элементов в полупроводниковом кристалле);
- ССИ – средняя степень интеграции (100...1000 элементов);
- БИС – большие интегральные схемы (1000...100.000 элементов);
- СБИС – сверхбольшие интегральные микросхемы (100.000... 1.000.000 и более элементов внутри одного корпуса полупроводникового кристалла).
|
|
|
4.1.2. Технологии производства интегральных схем
Основные материалы при производстве полупроводниковых интегральных микросхем – кремний (Si), также известны микросхемы на основе германия (Ge), арсенида галлия (GaAs) и другие виды технологий производства.
Краткие характеристики наиболее широко применяемых известных технологий:
- ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика, выполняется на биполярных транзисторах;
- ДТЛ – диодно-транзисторная логика;
- РТЛ – резисторно-транзисторная логика;
- ТТЛ-Ш – транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки;
- ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика Э2Л, E2L;
- МОП – металл-окисел-полупроводник (микросхемы на полевых транзисторах);
- МДП – металл-диэлектрик-полупроводник (то же что и МОП);
- в зависимости от преобладающего типа носителей: электроны или “дырки” различают n-МОП и p-МОП - технологии.
- КМОП – микросхема с симметричной структурой на полевых транзисторах и p- и n- типа (комплементарные пары).
Существуют и другие технологии полупроводникового производства интегральных микросхем.
4.1.3. Особенности ИМС, выполненных по
различным технологиям
ТТЛ – дешевизна, большое потребление энергии, малое быстродействие;
ТТЛ-Ш – высокое быстродействие;
ДТЛ и РТЛ – не находят широкого потребления, устаревшие типы;
ЭСЛ – высокое быстродействие;
МОП и КМОП – хорошая помехоустойчивость и малое потребление энергии.
Логический элемент – электронное устройство, реализующее логическую функцию, сигнал на входах и выходах которого может принимать только один из двух дискретных уровней [напряжения]: “низкий” или “высокий”.
Элементарные логические элементы иногда называют «вентилями» (gate).
Логические уровни
Информацию о логическом уровне, как правило, несет напряжение на выводах ИМС.
Схемами с «положительной логикой» называют такие ИМС, у которых высокий уровень соответствует наличию сигнала, а низкий - отсутствию сигнала. У схем “отрицательной логики” – наоборот. При этом, высокому уровню или наличию логического сигнала соответствует обозначение “1” (логической единицы), а низкому уровню или отсутствию сигнала соответствует обозначение “0” (логического нуля).
|
|
|
| 
|
Рис.4.1. Временные диаграммы сигналов различных типов логики
а), в) “Положительная логика; б) “Отрицательная логика”
4.1.5. Допустимые диапазоны изменения
логических уровней
У интегральных микросхем, произведенных по различным технологиям, напряжение, определяющее логические уровни, может быть различно как по величине, так и по знаку. Для КМОП ИМС величина логической единицы составляет +9V, а логического нуля –0V. Для ТТЛ микросхем напряжение питания (Uпит) составляет, как правило, +5V. В связи с этим, значения сигнала логического “0” могут находиться в пределах (–0,5...+0,4)V. Значение сигнала логической “1” может находиться в пределах (+2,4...5)V. Но на практике этот диапазон меньше: за сигнал логического нуля принимают напряжение, равное (0...+0,4)V, а за сигнал логической “1” – (+3,5...5) V.
4.1.6. Помехоустойчивость ИМС
Помехоустойчивость определяется максимальной величиной уровня помехи, которая при добавлении к логическому сигналу при самых неблагоприятных условиях ещё не приводит к ошибочной работе схемы.
4.1.7. Базовый элемент ТТЛ
Базовым называют логический элемент с наиболее простой для данной технологии производства ИМС структурой, на основе которого наиболее просто можно реализовать другие логические элементы и электронные схемы.
Рис.4.2. Внутренняя схема базового элемента “3И-НЕ” ТТЛ
Рис.4.3. Графическое изображение в схемах элемента “И-НЕ”:
а) отечественный стандарт; б), в) обозначения, принятые за рубежом
4.1.8. Комбинационные логические схемы
Логические элементы, выполняющие элементарные логические функции, удобно сокращенно называть вентилями от английского эквивалента “gate”.
На основе вентилей выполняются комбинационные логические схемы, т.е. схемы, значение сигналов на выходе которых зависит только от комбинации входных сигналов.
|
|
|
