Цифровые устройства. 
Основы функционирования систем сервиса. В 2 ч. Часть 2

Цифровые интегральные микросхемы

Интегральная микросхема (ИМС) — это конструктивно законченное микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования информации, содержащее некоторое количество электрически связанных между собой электрорадиокомпонентов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т. д.), изготовленных в едином технологическом процессе. Микросхемы изготавливают групповым методом по материалосберегающей технологии и тиражируют одновременно в одной партии от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч микросхем.

Рис. 7 7.7. Схема логического устройства в базисах «И-НЕ» (а) и «ИЛИ-HE» (б).

По конструктивно-технологическому принципу микросхемы делятся на три группы: полупроводниковые, пленочные и гибридные.

В полупроводниковой ИМС все элементы и межэлементные соединения выполняются в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки.

В пленочной интегральной микросхеме все элементы и соединения между ними выполняются в виде различных пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. В настоящее время методом пленочной технологии изготавливают только пассивные компоненты — резисторы, конденсаторы и индуктивности. В зависимости от толщины пленки и способа создания элементов пленочные микросхемы делят на тонкои толстопленочные. К первому типу относятся микросхемы толщина пленки в которых не превышает 1 мкм, а толщина пленки в толстопленочной микросхеме составляет 10—70 мкм.

В гибридных интегральных схемах в качестве активных элементов используются навесные дискретные полупроводниковые приборы или полупроводниковые ИМС, а в качестве пассивных элементов применяют пленочные резисторы, конденсаторы, индуктивности и соединяющие их пленочные проводники.

По функциональному назначению микросхемы подразделяются на аналоговые и цифровые. Микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретных функций, называется цифровой (логической).

Показатель сложности микросхемы является степень интеграции К, которая характеризует число содержащихся в ней элементов и компонентов N:

где К округляется до ближайшего большего целого числа.

По степени интеграции ИМС делятся:

• • на малые интегральные схемы (МИС) — это схемы 1, 2 степени интеграции, в состав которых входят один или несколько видов функциональных аналоговых или логических элементов (логические элементы «И», «ИЛИ», «НЕ», триггеры, усилители, фильтры и т. д.);
• • средние интегральные схемы (СИС) — схемы 2, 3 степени интеграции, в состав которых входят один или несколько одинаковых функциональных узлов электронных устройств (регистр, дешифратор, счетчик, постоянно запоминающие устройство);
• • большие интегральные схемы (БИС) схемы 3, 4 степени интеграции, в состав которых входят один или несколько функциональных устройств (арифметико-логическое устройство, оперативное запоминающие устройство и т. д.);
• • сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) — это интегральные схемы 5—7 степени интеграции, представляющие собой законченные микроэлектронные изделия, способные выполнять функции аппаратуры (однокристальные ЭВМ, микропроцессоры).

Наибольшей степенью интеграции обладают полупроводниковые ИМС, затем тонкопленочные и, наконец, толстопленочные и гибридные. Классификация полупроводниковых ИМС по уровню интеграции представлена в табл. 11.6.

Таблица 11.6

Классификация полупроводниковых ИМС по уровню интеграции

Логические ИМС на основе биполярных транзисторов по схемотехническому и конструктивно-технологическому исполнению разделяют на типы:

• • резисторно-транзисторная логика (РТЛ) и ее модификация (с непосредственной связью, с емкостной связью и т. д.);
• • диодно-транзисторная логика (ДТЛ);
• • транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) и ее модификация (ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ));
• • эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);
• • интегральная инжекционная логика (И²Л);
• • инжекционно-полевая логика (ИПЛ).

Логические ИМС на МДП транзисторах подразделяются:

• • на р-канальные (р-МДП);
• • гс-канальные (п-МДП);
• • комплементарные на взаимодополняющих р- и п-канальных транзисторах (КМДП).

Параметры микросхем конкретной серии в основном определяются параметрами базовых элементов логики.

К основным параметрам ИМС относятся:

• • быстродействие;
• • потребляемая мощность (Р_пот);
• • помехоустойчивость U_noM;
• • коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность)

к

• •^?'-раз'
• • коэффициент объединения по входу К_об.

Быстродействие оценивается задержкой распространения сигнала от входа к выходу элемента (рис. 11.8).

Быстродействие определяется динамическими параметрами цифровых микросхем, к которым относятся:

• • t¹'⁰ — время перехода сигнала на выходе микросхемы из состояния лог.1 в состояние лог. О;
• • t⁰'¹ — время перехода сигнала на выходе микросхемы из состояния лог. О в состояние лог.1;
• • 1з^°_р — время задержки распространения при включении;
• • ?^° — время задержки включения;
• • ?^_р — время задержки распространения при выключении;
• • Гзд¹ — время задержки выключения;
• • ?₃д.р_Хр — среднее время задержки распространения сигнала;
• • /_р — рабочая частота.

Среднее время задержки распространения ?_{здр ср} = 0,5 (t₃^° + ?₃^_р) является усредненным параметром быстродействия микросхемы, используемым при расчете временных характеристик последовательно включенных цифровых микросхем.

В зависимости от технологии микросхем мощности, потребляемые при состоянии логического нуля и при состоянии логической «1», могут отличаться. Поэтому мощность, потребляемая логическими элементами в динамическом режиме, определяется как.

где Р°_от — мощность, потребляемая микросхемой при состоянии выхода «0»; Р^_от — мощность при выходном состоянии «1».

Некоторые логические элементы кроме статической средней мощности характеризуются мощностью, потребляемой на максимальной частоте переключения, когда токи в цепях питания возрастают во много раз. К таким схемам относятся микросхемы КМОП технологии, которые потребляют микроамперы, если нет переключающих сигналов.

зз.

Рис. 11.8. Оценка задержки сигналов логического элемента «НЕ»:

а — входной импульс; б — выходной импульс Допустимый уровень напряжения помехи логического элемента определяется уровнем входного напряжения, при котором еще не происходит ложное срабатывание микросхемы.

В статическом режиме помехоустойчивость определяется по низкому U®_OM и высокому Щ_ом уровням. Значения U®_OM и Щ_ом определяют с помощью передаточных характеристик.

Помехоустойчивость в динамическом режиме зависит от длительности, амплитуды и формы импульса помехи, а также от запаса статической помехоустойчивости и скорости переключения логического элемента.

Коэффициент разветвления по выходу К_раз определяет число входов аналогичных элементов, которое может быть подключено к выходу предыдущего элемента без нарушения его работоспособности. С увеличением нагрузочной способности расширяются возможности применения цифровых ИМС и уменьшается число корпусов в разрабатываемом устройстве. Однако при этом ухудшаются помехоустойчивость и быстродействие ИМС и возрастает потребляемая мощность.

Коэффициент объединения по входу К_об определяет максимальное число входов ЛЭ цифровых микросхем.

Сведения о рабочих параметрах элементов цифровых ИМС приведены в табл. 11.7.

Значения рабочих параметров элементов цифровых ИМС

Таблица 11.7

На рис. 11.9, а приведено условное обозначение цифровых ИМС.

Прямые выводы ИМС не имеют обозначений на месте вывода. Для прямых выводов активным логическим уровнем считается лог.1.

Инверсные выводы обозначается кружочком на месте вывода. Существуют инверсные входы и инверсные выходы. Для инверсных выводов активным логическим уровнем считается лог.О.

Рис. 11.9. Условные обозначения цифровых ИМС (а) и ИМС К531ИД7 (б) Динамические входы ИМС обозначаются косой чертой (под углом 45°) или стрелкой. Наклон черты вправо или влево определяется тем, какой фронт — положительный или отрицательный (срез) — используется. При обозначении входов стрелкой, на положительный фронт указывает стрелка > направо, а на отрицательный — стрелка < налево (рис. 11.9).

Тип выхода ИМС помечается специальным значком: выход, имеющий третье состояние «Z» высокого сопротивления — перечеркнутым ромбом $, выход, имеющий открытый коллектор ОК — подчеркнутым ромбом Ф, а выход, имеющий открытый эмиттер ОЭ — ромбом с чертой сверху ф (рис. 10.2). Стандартный выход никак не помечается.

Наконец, если у микросхемы необходимо показать неинформационные выводы, то есть выводы, не являющиеся ни логическими входами, ни логическими выходами, то такой вывод помечается косым крестом (две перпендикулярные линии под углом 45°). Это могут быть, например, выводы для подключения внешних элементов (резисторов, конденсаторов) или выводы питания.

Условное графическое обозначение ИМС иногда делят на три вертикальных поля. Вверху основного (среднего) поля указывается обозначение функционального назначения ИМС и символы ее особенностей. В дополнительных полях (слева и справа) указываются обозначения функционального назначения выводов ИМС. В качестве примера на рис. 11.9, б приведено условное графическое обозначение дешифратора К531ИД7.

Интегральная микросхема в целом обозначается на схемах буквами DD (от английского Digital — цифровой) с соответствующим номером, например DD 1, DD2.1 (после точки указывается номер элемента или узла внутри микросхемы).

Система обозначений отечественных ИМС приведена на рис. 11.10.

Основные элементы обозначения ИМС следующие.

Первый элемент. Буква К обозначает ИМС широкого применения, для ИМС военного назначения буква отсутствует.

Второй элемент. Тип корпуса ИМС (один символ) — может отсутствовать. Например, Р — пластмассовый корпус, М — керамический корпус, Б — бескорпусная ИМС.

Рис. 11.10. Система обозначений отечественных ИМС.

Третий элемент. Номер серии ИМС (от трех до четырех цифр).

Четвертый элемент. Функция ИМС (две буквы).

Пятый элемент. Номер ИМС (от одной до трех цифр).

Примеры обозначений цифровых ИМС: К531ЛА1, КР1533ИЕ17, КМ1816ВЕ48.

Серия К155 — это наиболее старая серия, которая постепенно снимется с производства. Она отличается не слишком хорошими параметрами по сравнению с другими сериями.

Серия К555 отличается от серии К155 малыми входными токами и меньшей потребляемой мощностью (ток потребления почти втрое меньше, чем у К155). По быстродействию (по временам задержек) она близка к серии К155.

Серия КР531 отличается высоким быстродействием (задержки примерно в 3—4 раза меньше, чем у серии К155), но большими входными токами (на 25% больше, чем у К155) и большой потребляемой мощностью (ток потребления больше в 1,5 раза по сравнению с серией К155).

Серия КР1533 отличается повышенным примерно вдвое по сравнению с К155 быстродействием и малой потребляемой мощностью (в 4 раза меньше, чем у К155). Входные токи еще меньше, чем у серии К555.

Серия КР1531 отличается высоким быстродействием (на уровне КР531), но малой потребляемой мощностью. Входные токи и ток потребления примерно вдвое меньше, чем у серии К155.

Серия КР1554 отличается от всех предыдущих тем, что она выполнена по КМОП-технологии. Поэтому она характеризуется сверхмалыми входными токами и сверхмалым потреблением мощности при малых рабочих частотах. Задержки примерно вдвое меньше, чем у серии К155.