Микросхемы

Содержание

История[править | править код]

В году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был владельцем собственной компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor Corporation. Обоих объединил вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и ученые решили попробовать их объединить в один монолитный кристалл из полупроводникового материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний. В году они отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения — началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов. После того как в году Fairchild Semiconductor Corporation пустила интегральные схемы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность.
Первая российская (советская) полупроводниковая микросхема была создана в 1961 г. в Таганрогском радиотехническом институте, в лаборатории Л. Н. Колесова.

Усилители на логических элементах

Для использования логических элементов в качестве усилителей сигналов необходимо вывести рабочую точку на линейный участок передаточной характеристики. Основные характеристики таких усилителей приведены в таблице ниже.

Серия Схемавывода влинейныйрежим КУС,дБ Fmax,МГц РпотрмВт Uвых Rвх,кОм Rвых,кОм R1,кОм R2,кОм
К155 OOC 18 40 20 1,2 0,6 0,05 0,68 0,68
Ток 21 0,8 1,9
К176 ООС 25 5,5 5 … 20 1,5 0,4 0,05 7,5 5,1
Ток 17 3 … 4 5,0 3,5 6 6,2 4
561 OOC 25 1000 7 1000 1000

Схема простейшего усилителя на элементе ТТЛ приведена ниже. Регулировка усилителя сводится к установке подстроечным резистором R1рабочей точки элемента на середине линейного участка передаточной характеристики.

Простейший усилитель на ТТЛ элементе

Недостатком простых усилителей является невысокое входное сопротивление, что ограничивает область их применения. К тому же коэффициент усиления небольшой. Устраняется данный недостаток использованием совместно с транзисторами. Коэффициент усиления повышается включением последовательно нескольких каскадов. Кроме того, цифровая микросхема содержит несколько идентичных элементов, это позволяет создавать многоканальные усилители. Примером может служить схема показанная ниже. Основные характеристики усилителя: коэффициент усиления – 50; выходное сопротивление 50 Ом, входное сопротивление 5 кОм, верхняя граничная частота 40 МГц.



Схема усилителя с транзистором на входе

Элементы КМОП также можно использовать для усилителей, схема одного из ни приведена ниже. Общий недостаток усилителей на элементах КМОП – высокое выходное сопротивление. Устранить его можно установкой на выходе логического элемента эмиттерного повторителя на транзисторе и включения его в цепь ООС.



Схемы усилителей на элементах КМОП.

Формирователь импульсов

Формирователь импульсов (рис. 8) имеет высокую чувствительность [Рл 7/92-11]. При амплитуде аналогового сигнала на входе, превышающей 30 мВ, на выходе формируется сигнал прямоугольной формы с амплитудой, близкой к напряжению источника питания (9 В).

Рис. 8. Схема формирователя импульсов на цифровой микросхеме К561ЛЕ5.

Первый каскад устройства представляет собой усилитель-ограничитель импульсов. Ограничение импульсов по амплитуде происходит за счет использования включенных встречно-параллельно кремниевых диодов. Последующие каскады формируют выходной сигнал прямоугольной формы.

Литература: Шустов М.А. — Практическая схемотехника (Книга 1), 2003.

Что такое интегральная микросхема

Интегральная микросхема — это миниатюрный электронный блок, содержащий в общем корпусе транзисторы, диоды, резисторы и другие активные и пассивные-элементы, число которых может достигать нескольких десятков тысяч.

Одна микросхема Может заменить целый блок радиоприемника, электронной вычислительной машины (ЭВМ) и электронного автомата. «Механизм» наручных электронных часов, например, — это всего лишь одна большей микросхема.

По своему функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на две основные группы: аналоговые, или линейно-импульсные, и логические, или цифровые, микросхемы.

Аналоговые микросхемы предназначаются для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний разных частот, например, для приемников, усилителей, а логические — для использования в устройствах автоматики, в приборах с цифровым отсчетом времени, в ЭВМ.

Этот практикум посвящается знакомству с устройством, принципом работы и возможным применением самых простых аналоговых и логических интегральных микросхем.

Уровни проектирования

  • топологический — топологические фотошаблоны для производства
  • физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле
  • электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.)
  • схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехнические схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.)
  • логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.)
  • программный — позволяет программисту программировать (для ПЛИС, микроконтроллеров и микропроцессоров) разрабатываемую модель, используя виртуальную схему

В настоящее время (2014 г.) большая часть интегральных схем проектируется при помощи специализированных САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить производственные процессы, например, получение топологических фотошаблонов.

Назначение[править | править код]

Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемыправить | править код

  • Операционные усилители
  • Генераторы сигналов
  • Фильтры (в том числе на пьезоэффекте)
  • Аналоговые умножители
  • Стабилизаторы источников питания
  • Микросхемы управления импульсных блоков питания
  • Преобразователи сигналов

Цифровые схемыправить | править код

  • Логические элементы
  • Триггеры
  • Счетчики
  • Регистры
  • Буферные преобразователи
  • Модули памяти
  • Шифраторы
  • Дешифраторы
  • Микроконтроллеры
  • (Микро)процессоры (в том числе ЦПУ в компьютере)
  • Однокристальные микрокомпьютеры

Напряжение и ток – понятия

Для работы любого электронного компонента требуется наличие электрического тока. Он создается электрическим потенциалом, то есть «напором» частиц. Самого потенциала недостаточно для течения тока. Нужен также проводник, способный пропустить его через себя. Если проводника нет, то потенциал уходит в воздух, который очень хорошо препятствует распространению тока. Объекты, которые останавливают ток, называются диэлектриками, а позволяющие протекать через них – проводниками.

Помимо проводника, для течения тока нужна разность потенциалов, возникающая в цепи. Аналогию можно провести с водопроводной трубой. Если с обеих ее сторон подается одинаковый напор, то каким бы сильным он ни был, вода не будет течь. Разность потенциалов называется напряжением. Оно обозначается буквой «U» и измеряется в вольтах. Сила тока же обозначается «I» и измеряется в амперах.

Вам это будет интересно Особенности теплого света

Уровни проектирования

  • топологический — топологические фотошаблоны для производства
  • физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле
  • электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.)
  • схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехнические схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.)
  • логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.)
  • программный — позволяет программисту программировать (для ПЛИС, микроконтроллеров и микропроцессоров) разрабатываемую модель, используя виртуальную схему

В настоящее время (2014 г.) большая часть интегральных схем проектируется при помощи специализированных САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить производственные процессы, например, получение топологических фотошаблонов.

Правовая защита

Законодательство России предоставляет правовую охрану топологиям интегральных микросхем. Топологией интегральной микросхемы является зафиксированное на материальном носителе пространственно-геометрическое расположение совокупности элементов интегральной микросхемы и связей между ними (ст. 1448 ГК РФ).

Автору топологии интегральной микросхемы принадлежат следующие интеллектуальные права:

  1. исключительное право;
  2. право авторства.

Автору топологии интегральной микросхемы принадлежат также другие права, в том числе право на вознаграждение за использование служебной топологии.

Исключительное право на топологию действует в течение десяти лет. Правообладатель в течение этого срока может по своему желанию зарегистрировать топологию в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Генераторы на логических элементах

Цифровые микросхемы нашли широкое применение в схемах различных генераторов с частотами от долей герца до десятков мегагерц и самой различной формой импульса. Вообще генераторы представляют собой усилительный каскад или несколько, который охвачен частотно-зависимой обратной связью. В качестве таких цепей используют RC-, LC-, RLC-цепи, а также пьезокерамические и кварцевые резонаторы.

Ниже показана схема генератора с RC частотно-зависимой цепью. Работа данного генератора связана с процессами зарядки-разрядки конденсатора С1 через резистор R1.



Схема RC-генератора

В данной схеме генератора через резистор R1 осуществляется ООС, которая выводит логический элемент в линейный режим, а через конденсатор С1 осуществляется частотно-зависимая ПОС. В таком генераторе используются как ТТЛ-элементы, так и КМОП. Сопротивление резистора R1 выбирается также как и для усилительного каскада с ООС, а емкость конденсатора – в зависимости от требуемой частоты колебаний. Частоту генерации можно определить по приближенной формуле

F \approx \frac{0,7}{RC}

При работе такой генератор вырабатывает прямоугольные импульсы со скважностью примерно равной 2. Максимальная частота генерации ограниченна величиной задержки переключения логических элементов, так для КМОП микросхем максимальная частота составляет 2 … 4 МГц, а для ТТЛ – несколько десятков МГц

С помощью цифровых микросхем можно также получить генератор синусоидального сигнала, для этого в качестве частотно-задающей цепи необходимо использовать LC-контур. Схема такого генератора приведена ниже.



Схема LC-генератора

В качестве частотно-зависимой связи применяются как последовательный так и параллельный колебательный контур, но в любом случае частота колебаний будет соответствовать формуле Томпсона

F=\frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}

Сопротивление резистора R1 выбирается также как и для усилительного каскада.

Недостатком вышеописанных генераторов является невысокая стабильность генерируемой частоты. Для её повышения применяются пьезокерамические и кварцевые резонаторы, включая их в цепи обратной связи вместо конденсатора или колебательного контура.



Схема генератора с кварцевой стабилизацией частоты

В данной схеме кварцевый резонатор ZQ1 применён в цепи обратной связи, конденсатор С2 служит для подавления паразитной генерации на частотах отличных от частоты кварцевого резонатора. Конденсатором С1 можно в небольших пределах подстроить частоту генерации. Величину конденсатора С2 выбирают ориентировочно: 1 нФ для частоты 10 МГц, 10 нФ для частоты 1 МГц. Конденсатор С1 может иметь значение от единиц пФ до нескольких нФ в зависимости от частоты кварцевого резонатора. Для повышения стабильности частоты на выходе генератора полезно будет установить буферный каскад на логическом элементе.

Аналоговый дизайн пользуется большим спросом

Несмотря на огромный прогресс в полупроводниковой технологии, аналоговый дизайн по-прежнему сталкивается с новыми проблемами, что требует инноваций. Чтобы измерить спрос на аналоговые схемы, мы можем рассмотреть статьи, опубликованные промышленными и академическими кругами на конференциях по схемам, и увидеть, какой процент приходится на аналоговую область.

Рис. 1.4: Количество статей по аналоговому дизайну, опубликованных в
ISSCC за последние годы

На рис. 1.4 показано количество статей по аналоговым технологиям, опубликованных на Международной конференции по твердотельнымсхемам (ISSCC) за последние годы, где «аналог» определяется как статья, требующая знаний в области проектирования аналоговых микросхем. Заметьте, что большинство статей связано с аналоговым дизайном. Это верно даже при том, что аналоговые схемы обычно намного менее сложные, чем цифровые; АЦП содержит несколько тысяч транзисторов, тогда как микропроцессор использует миллиарды.

Серии микросхем

Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия — это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.

Корпуса

Корпуса интегральных микросхем, предназначенные для поверхностного монтажа

Микросборка с бескорпусной микросхемой, разваренной на печатной плате

Корпус микросхемы — это конструкция, предназначенная для защиты кристалла микросхемы от внешних воздействий, а также для удобства монтажа микросхемы в электронную схему. Содержит собственно корпус из диэлектрического материала (пластмасса, реже керамика), набор проводников для электрического соединения кристалла с внешними цепями посредством выводов, маркировку.

Существует множество вариантов корпусов микросхем, различающихся по количеству выводов микросхемы, методу монтажа, условиям эксплуатации. Для упрощения технологии монтажа производители микросхем стараются унифицировать корпуса, разрабатывая международные стандарты.

Иногда микросхемы выпускают в бескорпусном исполнении — то есть кристалл без защиты. Бескорпусные микросхемы обычно предназначены для монтажа в гибридную микросборку. Для массовых дешевых изделий возможен непосредственный монтаж на печатную плату.

Специфические названия

Фирма Intel первой изготовила микросхему, которая выполняла функции микропроцессора (англ. microproccessor) — Intel 4004. На базе усовершенствованных микропроцессоров и фирма IBM выпустила свои известные персональные компьютеры.

Микропроцессор формирует ядро вычислительной машины, дополнительные функции, типа связи с периферией выполнялись с помощью специально разработанных наборов микросхем (чипсет). Для первых ЭВМ число микросхем в наборах исчислялось десятками и сотнями, в современных системах это набор из одной-двух-трёх микросхем. В последнее время наблюдаются тенденции постепенного переноса функций чипсета (контроллер памяти, контроллер шины PCI Express) в процессор.

Микропроцессоры со встроенными ОЗУ и ПЗУ, контроллерами памяти и ввода-вывода, а также другими дополнительными функциями называют микроконтроллерами.

Примечания

  1.  (недоступная ссылка). Дата обращения: 11 октября 2010.
  2. . Chip News №8, 2000 г..
  3. .
  4. История отечественной электроники, 2012 г., том 1, под ред. директора Департамента радиоэлектронной промышленности Минпромторга России Якунина А. С., стр. 632
  5. Охраняется гл. 74 «Право на топологии интегральных микросхем» ГК РФ как интеллектуальная собственность ().
  6. Нефедов А.В., Савченко A.M., Феоктистов Ю.Ф. Зарубежные интегральные микросхемы для промышленной электронной аппаратуры: Справочник. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — С. 4. — 300 000 экз. — ISBN 5-283-01540-8.
  7. Якубовский С.В., Барканов Н.А., Ниссельсон Л.И. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справочное пособие. — 2-е изд. — М.: «Радио и связь», 1985. — С. 4—5.

Источники напряжения и тока

Под источниками часто понимают элементы, которые питают цепь электромагнитной энергией. Эту энергию потребляют пассивные элементы, запасают накопительные и расходуют в активном сопротивлении. Пример источника такой энергии – генератор постоянных, синусоидальных или импульсных сигналов различных форм. Для анализа электронных цепей удобно вводить идеализированные источники тока и напряжения, учитывающие основные свойства реальных источников.

Под источником напряжения понимается элемент цепи, обладающий двумя полюсами. Между этими полюсами образуется напряжение, которое задается некоторыми функциями от времени и не зависит тока в цепи. Этот источник в идеальном состоянии способен отдавать неограниченную мощность. Реальные же источники имеют внутреннее сопротивление, поэтому к ним сопротивление подключается последовательно.

Идеальный источник тока – это элемент цепи, через полюса которого протекает ток с заданной закономерностью изменения во времени. Он не зависит от напряжения между его выводами. Эта независимость означает, что внутренняя проводимость источника равно нулю, а внутреннее сопротивление бесконечно.


Реальный источник тока

Классификация[править | править код]

Степень интеграцииправить | править код

В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (в скобках количество элементов для цифровых схем):

  • МИС — малая интегральная схема (до 100 элементов в кристалле);
  • СИС — средняя интегральная схема (до 1 000);
  • БИС — большая интегральная схема (до 10 000);
  • СБИС — сверхбольшая интегральная схема (до 1 миллиона);
  • УБИС — ультрабольшая интегральная схема (до 1 миллиарда);
  • ГБИС — гигабольшие (более 1 миллиарда).

В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.

Технология изготовленияправить | править код

  • Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия).
  • Пленочная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде пленок:
    • толстоплёночная интегральная схема;
    • тонкоплёночная интегральная схема.
  • Гибридная микросхема — кроме полупроводникового кристала содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещенных в один корпус.

Вид обрабатываемого сигналаправить | править код

  • Аналоговые
  • Цифровые
  • Аналого-цифровые

Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определенный диапазон напряжения. Например, для микросхем ТТЛ-логики при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,8 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ-логики при питании −5,2 В: логическая единица — это −0,8…−1,03 В, а логический ноль — это −1,6…−1,75 В.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий получают все большее распространение.

Радиоприемник прямого усиления

На базе логических элементов КМОП могут быть созданы и другие радиоэлектронные устройства, например, радиоприемник прямого усиления (рис. 7) [Р 6/82-51].

Радиоприемник способен работать в диапазоне длинных волн, и, с ухудшением чувствительности — в диапазоне средних волн. Чувствительность этого приемника, как и других приемников прямого усиления невысока.

Рис. 7. Схема радиоприемника прямого усиления на цифровой микросхеме К561ЛЕ5.

Входной каскад приемника выполнен на первом инверторе микросхемы. В качестве входного колебательного контура, определяющего частоту приема, могут быть использованы элементы входной цепи любого старого (транзисторного или лампового) радиоприемника, катушки индуктивности или магнитные антенны совместно с конденсатором переменной емкости, см. также главу 14.

Для повышения громкости приема к колебательному контуру приемника рекомендуется подключить наружную антенну, а также заземление. Выделенный входным колебательным контуром и усиленный первым каскадом сигнал поступает на амплитудный детектор, выполненный на диодах VD1 и VD2 по схеме удвоения напряжения.

Далее сигнал низкой частоты выделяется на сопротивлении R2, а высокочастотная составляющая шунтируется «на землю» конденсатором С4.

Сигнал звуковой частоты через конденсатор С5 поступает на трехкаскадный УНЧ. Выход УНЧ через разделительный конденсатор С8 нагружен на телефонный капсюль BF1.

Звуковой сигнал может быть дополнительно усилен, если к выходу радиоприемника подключить внешний УНЧ. На основе логических элементов могут быть созданы и устройства, позволяющие осуществить переход от аналоговых сигналов к цифровым.

Подобные устройства именуются формирователями импульсов и применяются для создания различного рода технических устройств, например, устройств голосового управления, для управления релейными схемами от источника звукового сигнала (радиоприемника, магнитофона, проигрывателя, телефонной линии и пр.).

Как технология CMOS стала доминировать на аналоговом рынке?

Основной движущей силой было масштабирование устройства, поскольку оно продолжало улучшать скорость полевых МОП-транзисторов. Собственная скорость МОП-транзисторов увеличилась на порядки за последние 70 лет, превзойдя скорость биполярных устройств, даже несмотря на то, что последние также масштабировались (однако не так быстро).

Еще одно важное преимущество МОП-устройств перед биполярными транзисторами состоит в том, что первые могут работать при более низких напряжениях питания. В современной технологии КМОП-схемы работают от источников питания около 1 В, а биполярные схемы — около 2 В

Более низкие источники питания позволили снизить энергопотребление для сложных интегральных схем.

Литература

  • Жан М. Рабаи, Ананта Чандракасан, Боривож Николич. Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования = Digital Integrated Circuits. — 2-е изд. — М.: Вильямс, 2007. — 912 с. — ISBN 0-13-090996-3.
  • Черняев В. Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров / Черняев В. Н.. — М.: Радио и связь, 1987. — 464 с. — ISBN нет, УДК 621.38 Ч-498.
  • Парфенов О. Д. Технология микросхем / Парфенов О. Д.. — М.: Высш. шк., 1986. — 318 с. — ISBN нет, УДК 621.3.049.77.
  • Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. — М.: Высшая школа, 1987. — 416 с.
  • Броудай И.,Мерей Дж. Физические основы микротехнологии. — М.: Мир, 1985. — 496 с. — ISBN 200002876210.
  • Пирс К., Адамс А., Кац Л. Технология СБИС. В 2-х кн. — М.: Мир, 1986. — 404 с. — 9500 экз.

Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учебное пособие. — 8-е испр.. — СПб.: Лань, 2006. — С. 335—336. — 480 с. — 3000 экз.

  • Атаев Д. И., Болотников В. А. Аналоговые интегральные микросхемы для бытовой радиоаппаратуры: Справочник. — М.: МЭИ, 1991. — 240 с. — ISBN 5-7046-0028-X.
  • Атаев Д. И., Болотников В. А. Аналоговые интегральные микросхемы для телевизионной радиоаппаратуры: Справочник. — М.: МЭИ, 1993. — 184 с. — ISBN 5-7046-0091-3.
  • Ермолаев Ю. П., Пономарев М. Ф., Крюков Ю. Г. Конструкции и технология микросхем / (ГИС и БГИС). — М.: Советское радио, 1980. — 256 с. — 25 000 экз.
  • Коледов Л. А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок. — М.: Советское радио, 1989. — 394 с.
  • Коледов Л. А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок. — СПб.: Лань, 2008. — 394 с. — 2000 экз. — ISBN 978-5-8114-0766-8.

Что такое интегральная микросхема

Интегральная микросхема — это миниатюрный электронный блок, содержащий в общем корпусе транзисторы, диоды, резисторы и другие активные и пассивные-элементы, число которых может достигать нескольких десятков тысяч.

Одна микросхема Может заменить целый блок радиоприемника, электронной вычислительной машины (ЭВМ) и электронного автомата. «Механизм» наручных электронных часов, например, — это всего лишь одна большей микросхема.

По своему функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на две основные группы: аналоговые, или линейно-импульсные, и логические, или цифровые, микросхемы.

Аналоговые микросхемы предназначаются для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний разных частот, например, для приемников, усилителей, а логические — для использования в устройствах автоматики, в приборах с цифровым отсчетом времени, в ЭВМ.

Этот практикум посвящается знакомству с устройством, принципом работы и возможным применением самых простых аналоговых и логических интегральных микросхем.