Физические параметры цифровых микросхем
PAGE 3
Дисциплина «Микроконтроллеры в системах управления», 3-й курс, семестр 6. Модуль 1 – Тема 3
Модуль 1 – Тема 3 Физические параметры цифровых микросхем
3.1 Технологические серии цифровых микросхем
Технические характеристики ИМС в основном определяются технологией изготовления кристалла. В современной микросхемотехнике используют такие основные технологические группы:
- ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика – элементы обладают хорошим быстродействием, являются стандартом современной микросхемотехники по уровням электрических сигналов;
- ТТЛШ – ТТЛ с диодами Шоттки – обладают лучшим быстродействием, чем стандартные элементы ТТЛ;
- КМОП – элементы на основе комплементарных транзисторных пар «металл-оксид-полупроводник» – имеют малое энергопотребление.
Обычно на одном кристалле (в одной микросхеме) размещено несколько однотипных ЛЭ или триггеров. Более сложные схемы (мультиплексоры, дешифраторы) обычно реализованы как одно функциональное устройство на кристалле. Для примера на рис. 3.1 показаны логические элементы с комбинированной функцией.
Элемент на рис. 3.1-а реализует функцию 3И-НЕ (3 – количество входов элемента; И-НЕ – логика обработки). Интегральная микросхема содержит три таких элемента. На рис. 3.1-б показан элемент с функцией 3И-2ИЛИ-НЕ (“3” – количество входов у элементов первого каскада, “2” – количество входов второго каскада, И-ИЛИ-НЕ - логика обработки). В состав интегральной микросхемы может входить два таких элемента.
Рисунок 3.1 – Примеры логических элементов с комбинированной функцией
Состав современных серий ИМС чрезвычайно разнообразен. Как правило, в составе каждой серии присутствуют базовые и производные логические элементы с количеством входов от 2 до 8, комбинационные устройства, триггеры, регистры и счетчики. Таким образом, каждая серия ИМС представляет собой функционально полный набор элементов цифровой схемотехники.
3.2 Обозначение отечественных серий интегральных микросхем (ИМС)
Серия ИМС – это набор микросхем различного функционального назначения, единых по конструктивному и технологическому исполнению и предназначенных для совместного применения. Принцип обозначения микросхем, принятый для серий отечественного производства, показан на рис. 3.2
Рисунок 3.2 – Принцип обозначения микросхем отечественного производства
В таблицах 3.1 и 3.2 в качестве примеров даны обозначения основных функциональных групп микросхем (не только цифровых), и функциональные подгруппы для логических элементов.
Таблица 3.1 – Обозначение функциональной группы интегральных микросхем
|
А – формирователи
|
Т – триггерные устройства
|
|
Б – схемы задержки
|
Р – микросхемы памяти (ОЗУ, ПЗУ)
|
|
В – вычислительные БИС
|
Х – многофункциональные схемы
|
|
Г – генераторы
|
П – преобразователи сигналов
|
|
И – регистры, счетчики, дешифраторы
|
С – схемы сравнения
|
|
К – коммутаторы, ключи
|
У – усилители
|
|
Л – логические элементы
|
|
Таблица 3.2 – Подгруппы логических элементов по функциональному назначению (Л_)
|
Обозначение подгруппы
|
Логическая функция
|
|
ЛА
|
И-НЕ
|
|
ЛН
|
НЕ
|
|
ЛЕ
|
ИЛИ-НЕ
|
|
ЛИ
|
И
|
|
ЛЛ
|
ИЛИ
|
|
ЛР
|
И-ИЛИ-НЕ
|
Нужно понимать, что не существует серии микросхем, которая содержала бы все функциональные группы из табл.3.1 (например, серия 1533 – это разнообразные цифровые устройства комбинационного и последовательностного типа, но без микросхем памяти, серия 1401 – только операционные усилители, серия 537 – только микросхемы памяти).
3.3 Основные параметры цифровых микросхем по ГОСТ 17021–88
Быстродействие – определяется средней задержкой передачи сигнала задается в .
Потребляемая мощность – обычно зависит от набора значений входных сигналов, поэтому характеризуется средним показателем . Чем выше быстродействие, тем больше значение.
Помехоустойчивость – это наименьшее статическое постоянное напряжение которое, будучи приложено ко входному сигналу, вызовет ложное срабатывание ИМС:
Коэффициент разветвления по выходу – нагрузочная способность выхода ИС – число входов микросхем той же серии, которые могут быть подсоединены к выходу ИС без нарушения ее работоспособности. Обычно для ТТЛ - . Для микросхем с повышенным он достигает значения .
Следующие параметры регламентируются ГОСТ 18725-88.
Устойчивость к внешним воздействиям: диапазон рабочих температур, допустимая вибрация, ускорение, ударная перегрузка, влажность и т.п.
Степень интеграции – достигнутый технологический уровень. Число простейших элементов (инверторов) на одном кристалле:
ИС малой степени интеграции – до 100 простейших элементов (инверторов) на одном кристалле;
ИС средней степени интеграции (СИС) – от 100 до 5000 элементов;
ИС большой степени интеграции (БИС) – от 5000 до 100000 элементов;
ИС сверхбольшой степени интеграции (СБИС)– более 100000 элементов.
Таблица 3.3 – Наилучшие показатели по группам логических элементов
|
Быстродействие
|
ЭСЛ, ТТЛШ (1-10нс)
|
|
Потребляемая мощность
|
КМОП 1-100мкВт
|
|
Помехоустойчивость
|
КМОП
|
|
Нагрузочная способность
|
в статическом режиме КМОП
|
|
Устойчивость к внешней среде
|
КМОП, ТТЛ
|
|
Степень интеграции
|
КМОП, n-МОП
|
3.4 Типы и обозначения выводов микросхем (по ГОСТ 2.743-82)
Входы цифровых микросхем в соответствии с принципом восприятия сигнала подразделяются на статические и динамические. Для статических входов имеет значение уровень сигнала, а для динамических – момент изменения уровня сигнала (перепад «низкий-высокий» – передний фронт, или «высокий-низкий» – задний фронт или срез импульса). Как правило, динамические входы используют для подачи сигналов синхронизации работы цифровых устройств.
Кроме того, входы и выходы могут различаться логикой работы – прямые и инверсные входы и выходы. Для прямых входов активным уровнем сигнала является высокий уровень (логическая «1»). Для инверсных входов и выходов активным уровнем является низкий (логический «0»).
Набор схем на рис. 3.3 иллюстрирует принятые варианты обозначений для выводов различных типов.
Рисунок 3.3 – Варианты обозначения выводов цифровых схем:
а) прямые входы и прямые выходы; б) инверсные входы и инверсные выходы;
в) восприятие сигнала по фронту; г) восприятие сигнала по срезу;
д) выход с открытым коллектором (стоком);
е) выходы с Z-состоянием (OE – сигнал разрешения);
ж) двунаправленный вывод – комбинация входа и тристабильного выхода
Выводы с открытым коллектором (рис. 3.3-д) обладают повышенной нагрузочной способностью и могут использоваться для управления маломощными исполнительными устройствами. Выходы с Z-состоянием и двунаправленные выводы (рис. 3.3-е,ж) применяют для построения многопользовательский двунаправленных линий (так называемых шин или магистралей передачи данных).
3.5. Схемотехнические особенности элементов ТТЛ
Все элементы в технологической группе транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) выполнены на основе биполярных транзисторов (n-p-n)–типа.
Стандартные значения сигналов для ТТЛ составляют:
напряжение логического «0» – (предельно до 0,8 В);
напряжение логической «1» – (предельно до 4,0 В);
входной ток для логического «0» – (встречный ток);
входной ток для логической «1» – ;
коэффициент нагрузочной способности для обычных ИС;
соответственно выходные токи составляют .
Напряжение питания для микросхем ТТЛ составляет .
Недостаток обычных схем ТТЛ – ограничение по быстродействию за счет глубокого насыщения транзисторов. Это было преодолено на основе эффекта Шоттки (Sсhottky) путем внедрения тонкого металлического слоя в (p-n)-переход. При этом пороговое напряжение открывания перехода составило 0,2…0,3В (а не 0,7В). Быстродействие элементов ТТЛШ в 3…4 раза выше, чем обычных ТТЛ.
Таблица 4.4 Сравнительные параметры различных серий ТТЛ
|
Серия ТТЛ
|
Pпот, мВт,
на один бит
|
tзд.р., нс,
на один инвертор
|
|
Отечественная
|
Зарубежная (Texas Instruments)
|
|
|
|
К155
|
74 (стандартная)
|
10
|
10
|
|
К131
|
74H – High Power
|
22
|
6
|
|
К134
|
74L – Low Power
|
1
|
33
|
|
К555
|
74LS – Low Power with Schottky effect
|
2
|
9
|
|
К531
|
74S – with Schottky effect
|
19
|
3
|
|
К1533
|
74ALS – Advanced Low Power with Schottky effect
|
1,2
|
4
|
|
К1531
|
74F – Fast
|
4
|
3
|
3.6. Схемотехнические особенности элементов КМОП
Элементы КМОП (англ. CMOS) выполнены на комплементарных полевых транзисторах (со структурой Металл - Оксид - Полупроводник).
ИС КМОП очень чувствительны к статическому электричеству при хранении и монтаже. Эти элементы характеризуются следующими параметрами:
- напряжение питания до 15В (min 3В);
- напряжения, соответствующие логическим уровням «0» и «1»: ; за счет этого – высокая помехоустойчивость.
- потребляемая мощность на один логический элемент;
- задержка распространения сигнала ; в новых сериях, так называемых HCMOS .
Отечественные серии этой технологической группы – К176, К561, К564; зарубежный аналог – CD4000. По нагрузочной способности один элемент КМОП приблизительно соответствует одному элементу ТТЛ. Серия ТТЛ ALS может непосредственно сопрягаться с КМОП; для других серий ТТЛ нужно использовать преобразователи ТТЛ®КМОП и КМОП®ТТЛ (примеры таких преобразователей – микросхемы К176ПУ1, К561ПУ4). Серия 1534 построена на элементах КПОМ, но имеет ТТЛ-уровни входных и выходных сигналов.
На рис.3.4 показан пример условного обозначения микросхемы КР1533ЛА3, содержащей четыре логических элемента типа 2И-НЕ. Обозначение выполнено так, как это нужно делать на принципиальных электрических схемах.
Пример условного размещения логических элементов в физической микросхеме показан на рис. 3.5.
Рисунок 3.4 – Пример обозначения логических элементов на принципиальных электрических схемах
Рисунок 3.5 – Пример размещения логических элементов внутри микросхемы
Распределение отдельных элементов по принципиальной схеме можно выполнять произвольно, однако следует учитывать принцип минимизации длины электрических связей, которые будут реализованы при конструкторском проектировании печатной платы устройства.
Автор конспекта доцент каф. 301 Джулгаков В. Г.
Физические параметры цифровых микросхем