Электротехника и основы электроники

верхний предел высокий уровень

нижний предел низкий уровень

а –аналоговый сигнал; б –цифровой сигнал;

ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Интегральная микросхема – это микроэлектронное изделие выпол-няющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее не менее пяти элементов (транзисторов, диодов, резисторов, кон- денсаторов), которые нераздельно связаны и электрически соединены между собой так, что устройство рассматривается как единое целое.

Высокая надежность и качество в сочетании с малыми размерами, массой и низкой стоимостью интегральных микросхем обеспечили их широ- кое применение во многих отраслях народного хозяйства.

По конструктивно-технологическим признакам различают пленочные, полупроводниковые и гибридные микросхемы.

Пленочные микросхемы изготавливают посредством послойного нанесения на диэлектрическое основание (подложку) пленок различных материалов с одновременным формированием транзисторов, диодов и т.п. Пленочные микросхемы делятся на тонкопленочные (толщина пленки до 1мкм) и толстопленочные.

Полупроводниковая интегральная микросхема – это интегральная микросхема, все элементы и межэлектродные соединения которой выполне- ны в объеме и на поверхности проводника (рис. 2 а,б).

При изготовлении полупроводниковых интегральных микросхем обычно используют планарную технологию.

Активные и пассивные элементы полупроводниковой интегральной микросхемы избирательно формируют в одном монокристалле полупровод- ника. Соединение элементов между собой в полупроводниковой интеграль- ной микросхеме может быть выполнено как в объеме, так и на поверхности монокристалла полупроводника путем создания на окисленной поверхности полупроводника токоведущих дорожек, например, методом вакуумного на-пыления металла. В качестве конденсаторов в микросхемах используют об-ратно смещенные p-n-переходы или конденсаторные структуры Si-SiO2-металл. Роль резисторов выполняют участки поверхности полупроводни-кового кристалла или p-n-переход, смещенный в прямом или обратном нап-равлении, а также канал МДП-транзисторов.

В интегральной микросхеме не всегда можно указать границу между отдельными элементами. Например, вывод конденсатора может одновре-менно являться электродом конденсатора. Из-за малых межэлектродных расстояний и наличия общего для всех элементов схемы кристалла (подлож-ки) в микросхемах создаются достаточно сложные паразитные связи, а так же появляются паразитные элементы, которые, как правило, ухудшают все парараметры микросхемы, как функционального узла радиоэлектронной аппаратуры.

Рис. 2

а – эквивалентная схема; б – структура полупроводниковой интегральной микросхемы;

в – структура гибридной интегральной микросхемы;

Гибридная интегральная микросхема – это интегральная микросхема пассивные элементы которой выполнены посредством нанесения различных пленок на поверхность диэлектрической подложки из стекла, керамики или ситалла, а активные элементы – навесные полупроводниковые приборы без корпусов (рис. 2,в).

Гибридные интегральные микросхемы позволяют использовать пре- имущества пленочной технологии в сочетании с полупроводниковой тех-нологией.

Полупроводниковая интегральная микросхема может быть изготов- лена по совмещенной технологии – активные элементы выполнены в объеме полупроводникового монокристалла, а пассивные элементы – на защищен-ной (например, окислом) поверхности монокристалла в тонкопленочном ис-полнении. На этой же поверхности сделаны и токопроводящие дорожки и площадки. Поскольку транзисторы и диоды полупроводниковой интеграль- ной микросхемы, изготовленной по совмещенной технологии находятся внутри монокристалла (подложки), размеры такой интегральной микросхе-мы могут быть значительно уменьшены по сравнению с размерами гибрид-ной интегральной микросхемы, в которой используются дискретные актив-ные элементы, занимающие сравнительно много места на подложке.

1.1. Основные параметры интегральных микросхем

Плотность упаковки – это число элементов электронной схемы в одном кубическом сантиметре объема интегральной микросхемы.

Степень интеграции x определяется количеством элементов n, вхо- дящих в состав интегральной микросхемы.

x = lg n

Микросхема 1 степени интеграции содержит до 10 элементов (мало- масштабная интегральная схема – мис). Микросхема 2 степени интеграции (среднемасштабная – сис) содержит от 10 до 100 элементов. Микросхема 3 степени интеграции содержит от 10І до 10і элементов и относится к катего-рии больших интегральных микросхем (БИС). Сверхбольшие (СБИС) имеют

степень интеграции более 1000 элементов (табл. 1).

Таблица 1

Уровень сложности ИС	Количество интегрированных элементов	Параметры функционального назначения ИС
МИС	≤ 10	Биполярные ячейки, простые логические элементы, дифференциальные усилительные каскады
СИС	10 – 100	Триггеры, регистры, сумматоры, операцион- ные усилители, коммутаторы
БИС	100 – 1000	Полупроводниковые запоминающие и ариф- метико-логические устройства
СБИС	> 1000	Микропроцессоры, однокристальные микро- ЭВМ, аналого-цифровые преобразователи

1.2. Серии и семейства серий интегральных схем

Серия – это комплект из нескольких типов интегральных схем, имею- щих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначен- ных для совместного применения в аппаратуре. Интегральные схемы, входя- щие в серию, имеют единые эксплутационные показатели и используются как совместимые наборы деталей, пригодные для создания электронной ап- паратуры любой степени сложности.

Серии интегральных схем, совместимые друг с другом по логическим

уровням, условиям эксплуатации и конструктивным показателям, могут образовывать семейства серий интегральных схем.

2. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Логические и запоминающие элементы составляют основу устройств цифровой обработки информации – вычислительных машин, цифровых измерительных приборов и устройств автоматики. Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией: преобразуют по определенным правилам входную информацию в выход-ную. Операции, используемые при обработке цифровой информации, осно-ваны на двоичной системе счисления, представляющей информацию в виде слов – комбинаций символов 1 и 0.

Обработка цифровой информации логическими элементами произво-дится по законам и правилам алгебры логики, разработанной в XIX веке английским ученым Дж. Булем.

Логические преобразования двоичных сигналов включают три элементарные операции:

логическое сложение (дизъюнкцию) или операцию ИЛИ

F=x1+x2+…+xn

2. логическое умножение (конъюкцию) или операцию И

F= x1 · x2·…·xn

логическое отрицание (инверсию) или операцию НЕ

F= x

Определение этих операций дается с помощью таблиц истинности, содержащих перечисление всех возможных сочетаний (наборов) входных переменных (входных слов).

Каждая простая логическая функция может быть технически реализо- вана простыми элементами, к которым относятся элементы И, ИЛИ, НЕ и их комбинации.

На рис. 3 приведены условные обозначения логических элементов и таблицы истинности.

Из простых элементов можно составить сколь угодно сложные логи-ческие устройства, например, счетчики импульсов, регистры, сумматоры, блоки памяти и т.п.

На практике применяют комбинированные элементы, реализующие две логические операции, например, элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Они назы-ваются функционально полными, т.к. позволяют реализовать любую логи-ческую функцию. Например, имея набор элементов И-НЕ можно построить схему ИЛИ.

Наименование функции	Условное графи- ческое обозначение	Выражение функции	Таблицы истинности
x1	0	0	1	1
x2	0	1	0	1
ИЛИ		y= x1+x2	y	0	1	1	1
И		y= x1 ·x2	y	0	0	0	1
НЕ		_ y= x1	y	1	1	1	0
ИЛИ-НЕ		___ y= x1+x2	y	1	0	0	0
И-НЕ		____ y= x1 ·x2	y	1	1	1	0

Рис. 3

Элемент И-НЕ (штрих Щеффера) выполняет операцию

___________

F= x1 · x2 · x3 ·…· xn

Элемент ИЛИ-НЕ (стрелка Пирса) выполняет операцию

_____________

F=x1+x2+ x3+…+xn

Примеры использования функционально полных элементов сведены в таблице 2, где показано, как набором элементов И/-НЕ можно реализовы- вать функции И, ИЛИ, НЕ.

Таблица 2

Элемент

Логические операции

НЕ

ИЛИ

И-НЕ

y1=x=x ·x

т. к. x ·x ·x ·…=x

y2=x1 ·x2= x1 ·x2

т. к. x= x

y3= x1 +x2= x1 · x2

т. к. x1 ·x2= x1 +x2 -

теорема де Моргана

Реализация логических устройств на базе комбинированных элементов упрощает компановку и ремонт устройств.

СХЕМНЫЕ РЕАЛИЗАЦИИ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Основой для построения узлов импульсной и цифровой техники служат полупроводниковые ключевые схемы. Ключевая схема (ключ) позволяет подключать нагрузку к источнику или отключать ее и таким образом коммутировать ток в нагрузке. В качестве электронных ключей применяют диоды, транзисторы, тиристоры и некоторые другие электронные приборы.

3.1. Ключевой режим работы биполярного транзистора

Простейший транзисторный ключ – каскад на биполярном транзисто-ре, включенный по схеме с общим эмиттером, представлен на рис. 4. Выход-

ное сопротивление транзистора по постоянному току со стороны электродов коллектор-эмиттер может изменяться в широких пределах в зависимости от положения рабочей точки на вольт-амперной характеристике (рис. 5).

Рис. 4

Рис. 5

Точка 1 на рис. 5 соответствует режиму отсечки (состояние ''выключе-но''), в котором падение напряжения на транзисторе V'КЭ близко к напряже-нию источника питания EК. Точки IК и IБ при этом минимальны и равны обратному току коллекторного перехода IКО.

Точка 2 (состояние ''включено'') соответствует режиму насыщения. При этом через транзистор протекает максимально возможный при данных EК и RК ток, практически равный ЕК/RК, т.е. определяемый величиной нагрузочного сопротивления. Падение напряжения на транзисторе VКЭ'' в этом случае минимально.

Для переключения транзистора из режима отсечки в режим насыще-ния необходимо обеспечить определенный ток базы IБ'', для чего на эмит-терный переход требуется подать соответствующее этому току напряжение VБЭ.

Важнейшим показателем работы электронных ключей является их быстродействие, которое определяется скоростью протекания переходных процессов при переключении. Мгновенное переключение транзисторного ключа невозможно из-за инерционности свойств транзисторов, а также наличия паразитных реактивных элементов схемы и проводников.

Рис. 6

Переход транзистора из одного стационарного состояния в другое происходит с задержками времени tВКЛ и tВЫКЛ (рис. 6). Длительность фронта включения tВКЛ зависит от времени распространения носителей от эмиттера через базу к коллектору и значения коллекторной емкости. Это время уменьшается при увеличении тока базы.

Задержка выключения tВЫКЛ связана с тем, что под действием выклю-чающего сигнала происходит рассасывание заряда, накопившегося в базе

при насыщении транзистора.

Таким образом, быстродействие транзисторного ключа зависит от частотных свойств используемого транзистора и параметров импульса базового тока. Порядок величин задержек составляет от долей единицы до микросекунд.

Ключевые схемы широко используются в устройствах, оперирующих с информацией, представленной в цифровой форме. В частности, их применяют в элементах, выполняющих простейшие логические операции. Переключение основной схемы из одного состояния в другое производится с помощью управляющих сигналов, подаваемых на ее вход. Эти сигналы могут быть представлены в виде ступенчатого или импульсного напряже-ния.

В логических устройствах сигнал может принимать только два значения: логического нуля и логической единицы. Если логической единице соответствует высокий потенциальный уровень, а логическому нулю – низкий, такую логику называют положительной (позитивной). В противном случае логика называется отрицательной (негативной). Интегральные логические элементы изготавливаются в основном для работы в позитивной логике.

Рассмотренный нами простейший транзисторный ключ выполняет логическую операцию отрицания (операцию НЕ). Высокому уровню напряжения на входе ключа (''1'') соответствует низкий уровень напряжения на его выходе (''0''), и наоборот.

В совокупности с другими элементами транзисторные ключи могут реализовать более сложные функции.

3.2. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

Простейшая ключевая схема имеет один управляющий вход и один выход. В общем случае число входов и выходов может быть больше. На рис.7 приведена схема логического элемента И-НЕ, построенная на основе

транзисторного ключа. В состав элемента входит ключевая схема на транзисторе VT2. Управление схемой производится с помощью многоэмит-терного транзистора VT1. Многоэмиттерный транзистор разработан специ- ально для микроминиатюрных логических устройств. На его входах (эмиттеры) могут подаваться сигналы высокого (''1'') либо низкого (''0'') уровня.