Интегральная схема создатель. Принципы построения больших интегральных схем

Содержание статьи

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА (ИС), микроэлектронная схема, сформированная на крошечной пластинке (кристаллике, или «чипе») полупроводникового материала, обычно кремния, которая используется для управления электрическим током и его усиления. Типичная ИС состоит из множества соединенных между собой микроэлектронных компонентов, таких, как транзисторы, резисторы, конденсаторы и диоды, изготовленные в поверхностном слое кристалла. Размеры кремниевых кристаллов лежат в пределах от примерно 1,3ґ1,3 мм до 13ґ13 мм. Прогресс в области интегральных схем привел к разработке технологий больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС). Эти технологии позволяют получать ИС, каждая из которых содержит многие тысячи схем: в одном чипе может насчитываться более 1 млн. компонентов.

Интегральные схемы обладают целым рядом преимуществ перед своими предшественниками – схемами, которые собирались из отдельных компонентов, монтируемых на шасси. ИС имеют меньшие размеры, более высокие быстродействие и надежность; они, кроме того, дешевле и в меньшей степени подвержены отказам, вызываемым воздействиями вибраций, влаги и старения.

Миниатюризация электронных схем оказалась возможной благодаря особым свойствам полупроводников. Полупроводник – это материал, обладающий гораздо большей электропроводностью (проводимостью), чем такой диэлектрик, как стекло, но существенно меньшей, чем проводники, например, медь. В кристаллической решетке такого полупроводникового материала, как кремний, при комнатной температуре имеется слишком мало свободных электронов, чтобы обеспечить значительную проводимость. Поэтому чистые полупроводники обладают низкой проводимостью. Однако введение в кремний соответствующей примеси увеличивает его электрическую проводимость.

Легирующие примеси вводят в кремний двумя методами. Для сильного легирования или в тех случаях, когда точное регулирование количества вводимой примеси необязательно, обычно пользуются методом диффузии. Диффузию фосфора или бора выполняют, как правило, в атмосфере легирующей примеси при температурах между 1000 и 1150° С в течение от получаса до нескольких часов. При ионной имплантации кремний бомбардируют высокоскоростными ионами легирующей примеси. Количество имплантируемой примеси можно регулировать с точностью до нескольких процентов; точность в ряде случаев важна, поскольку коэффициент усиления транзистора зависит от числа примесных атомов, имплантированных на 1 см 2 базы (см. ниже ).

Производство.

Изготовление интегральной схемы может занимать до двух месяцев, поскольку некоторые области полупроводника нужно легировать с высокой точностью. В ходе процесса, называемого выращиванием, или вытягиванием, кристалла, сначала получают цилиндрическую заготовку кремния высокой чистоты. Из этого цилиндра нарезают пластины толщиной, например, 0,5 мм. Пластину в конечном счете режут на сотни маленьких кусочков, называемых чипами, каждый из которых в результате проведения описываемого ниже технологического процесса превращается в интегральную схему.

Процесс обработки чипов начинается с изготовления масок каждого слоя ИС. Выполняется крупномасштабный трафарет, имеющий форму квадрата площадью ок. 0,1 м 2 . На комплекте таких масок содержатся все составляющие части ИС: уровни диффузии, уровни межсоединений и т.п. Вся полученная структура фотографически уменьшается до размера кристаллика и воспроизводится послойно на стеклянной пластине. На поверхности кремниевой пластины выращивается тонкий слой двуокиси кремния. Каждая пластина покрывается светочувствительным материалом (фоторезистом) и экспонируется светом, пропускаемым через маски. Неэкспонированные участки светочувствительного покрытия удаляют растворителем, а с помощью другого химического реагента, растворяющего двуокись кремния, последний вытравливается с тех участков, где он теперь не защищен светочувствительным покрытием. Варианты этого базового технологического процесса используются в изготовлении двух основных типов транзисторных структур: биполярных и полевых (МОП).

Биполярный транзистор.

Такой транзистор имеет структуру типа n-p-n или, намного реже, типа p-n-p . Обычно технологический процесс начинается с пластины (подложки) сильно легированного материала p -типа. На поверхности этой пластины эпитаксиально выращивается тонкий слой слабо легированного кремния n -типа; таким образом, выращенный слой имеет ту же самую кристаллическую структуру, что и подложка. Этот слой должен содержать активную часть транзистора – в нем будут сформированы индивидуальные коллекторы. Пластина сначала помещается в печь с парами бора. Диффузия бора в кремниевую пластину происходит только там, где ее поверхность подверглась обработке травлением. В результате формируются области и окна из материала n -типа. Второй высокотемпературный процесс, в котором используются пары фосфора и другая маска, служит для формирования контакта с коллекторным слоем. Проведением последовательных диффузий бора и фосфора формируются соответственно база и эмиттер. Толщина базы обычно составляет несколько микрон. Эти крошечные островки проводимостей n - и p -типа соединяются в общую схему посредством межсоединений, выполненных из алюминия, осаждаемого из паровой фазы или наносимого напылением в вакууме. Иногда для этих целей используются такие благородные металлы, как платина и золото. Транзисторы и другие схемные элементы, например резисторы, конденсаторы и индуктивности, вместе с соответствующими межсоединениями могут формироваться в пластине методами диффузии в ходе последовательности операций, создавая в итоге законченную электронную схему.

МОП-транзистор.

Наибольшее распространение получила МОП (металл-окисел-полупроводник) – структура, состоящая из двух близко расположенных областей кремния n -типа, реализованных на подложке p -типа. На поверхности кремния наращивается слой его двуокиси, а поверх этого слоя (между областями n -типа и слегка захватывая их) формируется локализованный слой металла, выполняющий роль затвора. Две упомянутые выше области n -типа, называемые истоком и стоком, служат соединительными элементами для входа и выхода соответственно. Через окна, предусмотренные в двуокиси кремния, выполняются металлические соединения с истоком и стоком. Узкий поверхностный канал из материала n -типа соединяет исток и сток; в других случаях канал может быть индуцированным – создаваемым под действием напряжения, приложенного к затвору. Когда на затвор транзистора с индуцированным каналом подается положительное напряжение, расположенный под затвором слой p -типа превращается в слой n -типа, и ток, управляемый и модулируемый сигналом, поступающим на затвор, течет от истока к стоку. МОП-транзистор потребляет очень небольшую мощность; он имеет высокое входное сопротивление, отличается низким током цепи стока и очень низким уровнем шумов. Поскольку затвор, оксид и кремний образуют конденсатор, такое устройство широко используется в системах компьютерной памяти (см. ниже ). В комплементарных, или КМОП-схемах, МОП-структуры применяются в качестве нагрузок и не потребляют мощности, когда основной МОП-транзистор находится в неактивном состоянии.

После завершения обработки пластины разрезают на части. Операция резки выполняется дисковой пилой с алмазными кромками. Каждый кристаллик (чип, или ИС) заключается затем в корпус одного из нескольких типов. Для подсоединения компонентов ИС к рамке выводов корпуса используется золотая проволока толщиной 25 мкм. Более толстые выводы рамки позволяют подсоединить ИС к электронному устройству, в котором она будет работать.

Надежность.

Надежность интегральной схемы примерно такая же, как у отдельного кремниевого транзистора, эквивалентного по форме и размеру. Теоретически транзисторы могут безотказно служить тысячи лет – один из важнейших факторов для таких областей применения, как ракетная и космическая техника, где единственный отказ может означать полный провал осуществляемого проекта.

Микропроцессоры и миникомпьютеры.

Впервые представленные публично в 1971 микропроцессоры выполняли большинство основных функций компьютера на единственной кремниевой ИС, реализованной на кристалле размером 5ґ5 мм. Благодаря интегральным схемам стало возможным создание миникомпьютеров – малых ЭВМ, где все функции выполняются на одной или нескольких больших интегральных схемах. Такая впечатляющая миниатюризация привела к резкому снижению стоимости вычислений. Выпускаемые в настоящее время мини-ЭВМ ценой менее 1000 долл. по своей производительности не уступают первым очень большим вычислительным машинам, стоимость которых в начале 1960-х годов доходила до 20 млн. долл. Микропроцессоры находят применение в оборудовании для связи, карманных калькуляторах, наручных часах, селекторах телевизионных каналов, электронных играх, автоматизированном кухонном и банковском оборудовании, средствах автоматического регулирования подачи топлива и нейтрализации отработавших газов в легковых автомобилях, а также во многих других устройствах. Большая часть мировой электронной индустрии, оборот которой превышает 15 млрд. долл., так или иначе зависит от интегральных схем. В масштабах всего мира интегральные схемы находят применение в оборудовании, суммарная стоимость которого составляет многие десятки миллиардов долларов.

Компьютерные запоминающие устройства.

В электронике термин «память» обычно относится к какому-либо устройству, предназначенному для хранения информации в цифровой форме. Среди множества типов запоминающих устройств (ЗУ) рассмотрим ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ), приборы с зарядовой связью (ПЗС) и постоянные ЗУ (ПЗУ).

У ЗУПВ время доступа к любой ячейке памяти, находящейся на кристалле, одинаково. Такие устройства могут запоминать 65 536 бит (двоичных единиц, обычно 0 и 1), по одному биту на ячейку, и представляют собой широко используемый тип электронной памяти; на каждом чипе у них насчитывается ок. 150 тыс. компонентов. Выпускаются ЗУПВ емкостью 256 Кбит (К = 2 10 = 1024; 256 К = 262 144). В устройствах памяти с последовательной выборкой циркуляция запомненных битов происходит как бы по замкнутому конвейеру (в ПЗС используется именно такой тип выборки). В ПЗС, представляющем собой ИС специальной конфигурации, пакеты электрических зарядов могут размещаться под расположенными на малых расстояниях друг от друга крошечными металлическими пластинками, электрически изолированными от чипа. Заряд (или его отсутствие) может, таким образом, перемещаться по полупроводниковому устройству от одной ячейки к другой. В результате появляется возможность запоминания информации в виде последовательности единиц и нулей (двоичного кода), а также доступа к ней, когда это требуется. Хотя ПЗС не могут конкурировать с ЗУПВ по быстродействию, они способны обрабатывать большие объемы информации при меньших затратах, и их используют там, где память с произвольной выборкой не требуется. ЗУПВ, выполненное на такой ИС, является энергозависимым, и записанная в нем информация теряется при отключении питания. В ПЗУ информация заносится в ходе производственного процесса и хранится постоянно.

Разработки и выпуск ИС новых типов не прекращаются. В стираемых программируемых ПЗУ (СППЗУ) имеются два затвора, расположенные один над другим. При подаче напряжения на верхний затвор нижний может приобрести заряд, что соответствует 1 двоичного кода, а при переключении (реверсе) напряжения затвор может потерять свой заряд, что соответствует 0 двоичного кода.

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА
(ИС), микроэлектронная схема, сформированная на крошечной пластинке (кристаллике, или "чипе") полупроводникового материала, обычно кремния, которая используется для управления электрическим током и его усиления. Типичная ИС состоит из множества соединенных между собой микроэлектронных компонентов, таких, как транзисторы, резисторы, конденсаторы и диоды, изготовленные в поверхностном слое кристалла. Размеры кремниевых кристаллов лежат в пределах от примерно 1,3ґ1,3 мм до 13ґ13 мм. Прогресс в области интегральных схем привел к разработке технологий больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС). Эти технологии позволяют получать ИС, каждая из которых содержит многие тысячи схем: в одном чипе может насчитываться более 1 млн. компонентов.
См. также ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ . Интегральные схемы обладают целым рядом преимуществ перед своими предшественниками - схемами, которые собирались из отдельных компонентов, монтируемых на шасси. ИС имеют меньшие размеры, более высокие быстродействие и надежность; они, кроме того, дешевле и в меньшей степени подвержены отказам, вызываемым воздействиями вибраций, влаги и старения. Миниатюризация электронных схем оказалась возможной благодаря особым свойствам полупроводников. Полупроводник - это материал, обладающий гораздо большей электропроводностью (проводимостью), чем такой диэлектрик, как стекло, но существенно меньшей, чем проводники, например, медь. В кристаллической решетке такого полупроводникового материала, как кремний, при комнатной температуре имеется слишком мало свободных электронов, чтобы обеспечить значительную проводимость. Поэтому чистые полупроводники обладают низкой проводимостью. Однако введение в кремний соответствующей примеси увеличивает его электрическую проводимость.
См. также ТРАНЗИСТОР . Легирующие примеси вводят в кремний двумя методами. Для сильного легирования или в тех случаях, когда точное регулирование количества вводимой примеси необязательно, обычно пользуются методом диффузии. Диффузию фосфора или бора выполняют, как правило, в атмосфере легирующей примеси при температурах между 1000 и 1150° С в течение от получаса до нескольких часов. При ионной имплантации кремний бомбардируют высокоскоростными ионами легирующей примеси. Количество имплантируемой примеси можно регулировать с точностью до нескольких процентов; точность в ряде случаев важна, поскольку коэффициент усиления транзистора зависит от числа примесных атомов, имплантированных на 1 см2 базы (см. ниже).

Производство. Изготовление интегральной схемы может занимать до двух месяцев, поскольку некоторые области полупроводника нужно легировать с высокой точностью. В ходе процесса, называемого выращиванием, или вытягиванием, кристалла, сначала получают цилиндрическую заготовку кремния высокой чистоты. Из этого цилиндра нарезают пластины толщиной, например, 0,5 мм. Пластину в конечном счете режут на сотни маленьких кусочков, называемых чипами, каждый из которых в результате проведения описываемого ниже технологического процесса превращается в интегральную схему. Процесс обработки чипов начинается с изготовления масок каждого слоя ИС. Выполняется крупномасштабный трафарет, имеющий форму квадрата площадью ок. 0,1 м2. На комплекте таких масок содержатся все составляющие части ИС: уровни диффузии, уровни межсоединений и т.п. Вся полученная структура фотографически уменьшается до размера кристаллика и воспроизводится послойно на стеклянной пластине. На поверхности кремниевой пластины выращивается тонкий слой двуокиси кремния. Каждая пластина покрывается светочувствительным материалом (фоторезистом) и экспонируется светом, пропускаемым через маски. Неэкспонированные участки светочувствительного покрытия удаляют растворителем, а с помощью другого химического реагента, растворяющего двуокись кремния, последний вытравливается с тех участков, где он теперь не защищен светочувствительным покрытием. Варианты этого базового технологического процесса используются в изготовлении двух основных типов транзисторных структур: биполярных и полевых (МОП).
Биполярный транзистор. Такой транзистор имеет структуру типа n-p-n или, намного реже, типа p-n-p. Обычно технологический процесс начинается с пластины (подложки) сильно легированного материала p-типа. На поверхности этой пластины эпитаксиально выращивается тонкий слой слабо легированного кремния n-типа; таким образом, выращенный слой имеет ту же самую кристаллическую структуру, что и подложка. Этот слой должен содержать активную часть транзистора - в нем будут сформированы индивидуальные коллекторы. Пластина сначала помещается в печь с парами бора. Диффузия бора в кремниевую пластину происходит только там, где ее поверхность подверглась обработке травлением. В результате формируются области и окна из материала n-типа. Второй высокотемпературный процесс, в котором используются пары фосфора и другая маска, служит для формирования контакта с коллекторным слоем. Проведением последовательных диффузий бора и фосфора формируются соответственно база и эмиттер. Толщина базы обычно составляет несколько микрон. Эти крошечные островки проводимостей n- и p-типа соединяются в общую схему посредством межсоединений, выполненных из алюминия, осаждаемого из паровой фазы или наносимого напылением в вакууме. Иногда для этих целей используются такие благородные металлы, как платина и золото. Транзисторы и другие схемные элементы, например резисторы, конденсаторы и индуктивности, вместе с соответствующими межсоединениями могут формироваться в пластине методами диффузии в ходе последовательности операций, создавая в итоге законченную электронную схему. См. также ТРАНЗИСТОР .
МОП-транзистор. Наибольшее распространение получила МОП (металл-окисел-полупроводник) - структура, состоящая из двух близко расположенных областей кремния n-типа, реализованных на подложке p-типа. На поверхности кремния наращивается слой его двуокиси, а поверх этого слоя (между областями n-типа и слегка захватывая их) формируется локализованный слой металла, выполняющий роль затвора. Две упомянутые выше области n-типа, называемые истоком и стоком, служат соединительными элементами для входа и выхода соответственно. Через окна, предусмотренные в двуокиси кремния, выполняются металлические соединения с истоком и стоком. Узкий поверхностный канал из материала n-типа соединяет исток и сток; в других случаях канал может быть индуцированным - создаваемым под действием напряжения, приложенного к затвору. Когда на затвор транзистора с индуцированным каналом подается положительное напряжение, расположенный под затвором слой p-типа превращается в слой n-типа, и ток, управляемый и модулируемый сигналом, поступающим на затвор, течет от истока к стоку. МОП-транзистор потребляет очень небольшую мощность; он имеет высокое входное сопротивление, отличается низким током цепи стока и очень низким уровнем шумов. Поскольку затвор, оксид и кремний образуют конденсатор, такое устройство широко используется в системах компьютерной памяти (см. ниже). В комплементарных, или КМОП-схемах, МОП-структуры применяются в качестве нагрузок и не потребляют мощности, когда основной МОП-транзистор находится в неактивном состоянии.

После завершения обработки пластины разрезают на части. Операция резки выполняется дисковой пилой с алмазными кромками. Каждый кристаллик (чип, или ИС) заключается затем в корпус одного из нескольких типов. Для подсоединения компонентов ИС к рамке выводов корпуса используется золотая проволока толщиной 25 мкм. Более толстые выводы рамки позволяют подсоединить ИС к электронному устройству, в котором она будет работать.
Надежность. Надежность интегральной схемы примерно такая же, как у отдельного кремниевого транзистора, эквивалентного по форме и размеру. Теоретически транзисторы могут безотказно служить тысячи лет - один из важнейших факторов для таких областей применения, как ракетная и космическая техника, где единственный отказ может означать полный провал осуществляемого проекта.
Микропроцессоры и миникомпьютеры. Впервые представленные публично в 1971 микропроцессоры выполняли большинство основных функций компьютера на единственной кремниевой ИС, реализованной на кристалле размером 5ґ5 мм. Благодаря интегральным схемам стало возможным создание миникомпьютеров - малых ЭВМ, где все функции выполняются на одной или нескольких больших интегральных схемах. Такая впечатляющая миниатюризация привела к резкому снижению стоимости вычислений. Выпускаемые в настоящее время мини-ЭВМ ценой менее 1000 долл. по своей производительности не уступают первым очень большим вычислительным машинам, стоимость которых в начале 1960-х годов доходила до 20 млн. долл. Микропроцессоры находят применение в оборудовании для связи, карманных калькуляторах, наручных часах, селекторах телевизионных каналов, электронных играх, автоматизированном кухонном и банковском оборудовании, средствах автоматического регулирования подачи топлива и нейтрализации отработавших газов в легковых автомобилях, а также во многих других устройствах. Большая часть мировой электронной индустрии, оборот которой превышает 15 млрд. долл., так или иначе зависит от интегральных схем. В масштабах всего мира интегральные схемы находят применение в оборудовании, суммарная стоимость которого составляет многие десятки миллиардов долларов.
Компьютерные запоминающие устройства. В электронике термин "память" обычно относится к какому-либо устройству, предназначенному для хранения информации в цифровой форме. Среди множества типов запоминающих устройств (ЗУ) рассмотрим ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ), приборы с зарядовой связью (ПЗС) и постоянные ЗУ (ПЗУ). У ЗУПВ время доступа к любой ячейке памяти, находящейся на кристалле, одинаково. Такие устройства могут запоминать 65 536 бит (двоичных единиц, обычно 0 и 1), по одному биту на ячейку, и представляют собой широко используемый тип электронной памяти; на каждом чипе у них насчитывается ок. 150 тыс. компонентов. Выпускаются ЗУПВ емкостью 256 Кбит (К = 210 = 1024; 256 К = 262 144). В устройствах памяти с последовательной выборкой циркуляция запомненных битов происходит как бы по замкнутому конвейеру (в ПЗС используется именно такой тип выборки). В ПЗС, представляющем собой ИС специальной конфигурации, пакеты электрических зарядов могут размещаться под расположенными на малых расстояниях друг от друга крошечными металлическими пластинками, электрически изолированными от чипа. Заряд (или его отсутствие) может, таким образом, перемещаться по полупроводниковому устройству от одной ячейки к другой. В результате появляется возможность запоминания информации в виде последовательности единиц и нулей (двоичного кода), а также доступа к ней, когда это требуется. Хотя ПЗС не могут конкурировать с ЗУПВ по быстродействию, они способны обрабатывать большие объемы информации при меньших затратах, и их используют там, где память с произвольной выборкой не требуется. ЗУПВ, выполненное на такой ИС, является энергозависимым, и записанная в нем информация теряется при отключении питания. В ПЗУ информация заносится в ходе производственного процесса и хранится постоянно. Разработки и выпуск ИС новых типов не прекращаются. В стираемых программируемых ПЗУ (СППЗУ) имеются два затвора, расположенные один над другим. При подаче напряжения на верхний затвор нижний может приобрести заряд, что соответствует 1 двоичного кода, а при переключении (реверсе) напряжения затвор может потерять свой заряд, что соответствует 0 двоичного кода.
См. также
ОРГТЕХНИКА И КАНЦЕЛЯРСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ;
КОМПЬЮТЕР ;
ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА СВЯЗИ ;
ИНФОРМАЦИИ НАКОПЛЕНИЕ И ПОИСК .
ЛИТЕРАТУРА
Мейзда Ф. Интегральные схемы: технология и применения. М., 1981 Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М., 1984 Технология СБИС. М., 1986 Маллер Р., Кеймин С. Элементы интегральных схем. М., 1989 Шур М.С. Физика полупроводниковых приборов. М., 1992

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

Смотреть что такое "ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА" в других словарях:

Твердотельное устройство, содержащее группу приборов и их соединения (связи), выполненное на единой пластине (подложке). В И. с. интегрируются пассивные элементы (ёмкости, сопротивления) и активные элементы, действие к рых основано на разл. физ.… … Физическая энциклопедия

- (ИС, интегральная микросхема, микросхема), микроминиатюрное устройство с высокой плотностью упаковки элементов (диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов и др.), неразрывно связанных (объединенных) между собой конструктивно, технологически… … Современная энциклопедия

- (ИС интегральная микросхема, микросхема), микроминиатюрное электронное устройство, элементы которого неразрывно связаны (объединены) конструктивно, технологически и электрически. ИС подразделяются: по способу объединения (интеграции) элементов на … Большой Энциклопедический словарь

интегральная схема - (МСЭ Т Q.1741). Тематики электросвязь, основные понятия EN integrated circuitIC … Справочник технического переводчика

Запрос «БИС» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа Интегральная (микро)схема (… Википедия

- (ИС). интегральная микросхема (ИМС), микросхема, микроминиатюрное электронное устройство с высокой плотностью упаковки связанных между собой (как правило, электрически) элементов (диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов и др.),… … Большой энциклопедический политехнический словарь

- (ИС, интегральная микросхема, микросхема), микроминиатюрное электронное устройство, элементы которого изготовлены в едином технологическом цикле и неразрывно связаны (объединены) конструктивно и электрически. Интегральные схемы подразделяются: по … Энциклопедический словарь

Интегральная схема (микросхема) – миниатюрное электронное устройство, состоящее из большого количества радиоэлектронных элементов, конструктивно и электрически связанных между собой. Обычно интегральная схема создается для выполнения конкретной функции. По сути, микросхема объединяет в себе какую-то электронную схему, где все элементы (транзисторы , диоды , резисторы, конденсаторы) и электрические связи между ними конструктивно выполнены на одном кристалле. Поскольку размеры отдельных компонентов очень малы (микро- и нанометры), то на одном кристалле при современном развитии технологий, можно поместить более миллиона электронных компонентов.

У понятия интегральная схема есть несколько синонимов: микросхема, микрочип, чип. Несмотря на некоторую особенность определения этих терминов и разницу между ними, в обиходе все они применяются для обозначения интегральной схемы. В современных электронных устройствах самых различных сфер применения, начиная от бытовых приборов и заканчивая сложными медицинскими и научными электроприборами, сложно найти прибор, в котором бы не применялись интегральные схемы. Иногда одна микросхема выполняет практически все функции в электронном приборе.

Интегральные схемы делятся на группы по нескольким критериям. По степени интеграции – количеству элементов, размещенных на кристалле. По типу обрабатываемого сигнала: цифровые, аналоговые и аналого-цифровые. По технологии их производства и используемых материалов – полупроводниковые, пленочные и т.д.

На сегодняшний день уровень развития технологий при производстве интегральных схем находится на очень высоком уровне. Повышения степени интеграции, улучшение параметров интегральных схем тормозится не технологическими ограничениями, а процессами, происходящими на молекулярном уровне в используемых для производства материалах (обычно полупроводниках). Поэтому исследования производителей и разработчиков микрочипов ведутся в направлении поиска новых материалов, которые смогли бы заменить

Развитие микроэлектроники привело в начале 70-х годов к появлению узкоспециализированных БИС, содержащих сотни и тысячи логических элементов и выполняющих одну или ограниченное число функций. Разнообразие типов цифровой аппаратуры требовало расширения номенклатуры БИС, что сопряжено с неприемлемыми с точки зрения экономики затратами. Выходом из этого положения явилась разработка и крупносерийное производство ограниченной номенклатуры БИС, выполняющих разнообразные функции, зависящие от внешних управляющих сигналов. Совокупности таких БИС образуют микропроцессорные комплекты и позволяют строить разнообразную цифровую аппаратуру любой сложности. Важнейшим суперкомпонентом комплекта БИС является микропроцессор (МП): универсальная стандартная БИС, функции которой определяются заданной программой.

Качественной особенностью МП является возможность их функциональной перестройки с помощью изменения внешней программы. По сути, МП представляют собой центральные процессорные элементы ЭВМ, выполненные в виде одной или нескольких БИС.

Главное отличие МП от других типов интегральных схем- способность к программированию последовательности выполняемых функций, т. е. возможность работы по заданной программе.

Таблица 4.1

Обозначение	технология	Число ИС	Разрядность,	Быстродействие,
	р -МДП
	n -МДП
	n -МДП
	n -МДП
	n -МДП
	p -МДП
	n -МДП
	р -МДП
	р -МДП
	n -МДП

Внедрение микропроцессоров позволяет изменять принцип проектирования цифровой аппаратуры. Раньше для реализации нового алгоритма требовалась новая разработка аппаратуры. Теперь при использовании МП для реализации нового алгоритма не требуется новой аппаратуры, достаточно изменить соответствующим образом программу его работы. Указанная особенность и объясняет огромный интерес, проявляемый у нас в стране и за рубежом к микропроцессорным устройствам.

Короткий интервал времени (1971-1975 гг.) характеризуется появлением МП самых разнообразных модификаций. В настоящее время число типов МП в мире превышает 1000.

Параметры основных типов отечественных микропроцессорных комплектов (МПК) приведены в табл. 4.1.

4.2. Структуры микропроцессоров

Упрощенная структурная схема МП приведена на рис. 4.1.

Рисунок 4.1

Рисунок 4.2

Микропроцессор содержит арифметически-логическое устройство АЛУ, запоминающие устройства ЗУ для оперативного (ОЗУ) и постоянного (ПЗУ) хранения информации, устройство управления, осуществляющее прием, расшифровку команд и задающее последовательность их выполнения, а также устройства ввода-вывода (УВВ) информации, с помощью которого вводятся исходные и выводятся полученные в результате работы МП данные.

Микропроцессоры обрабатывают 2-, 4-, 8-, 16-, 32-разрядные числа, выполняют 30...500 команд сложения, вычитания, сдвига, логических операций. Четырех- и восьмиразрядные МП представляют собой БИС с размерами кристалла 5 х 5 х 0,2 мм.

Обобщенная структурная схема МП приведена на рис. 4.2. Арифметическо-логическое устройство АЛУ совершает различные арифметические и логические операции над числами и адресами, представленными в двоичном коде. Состав операций, выполняемых АЛУ, определен списком инструкций (набором команд). В набор команд входят, как правило, арифметические и логические сложения и умножения, сдвиги, сравнения и т. п. Арифметические операции выполняются в соответствии с правилами двоичной арифметики. Логические операции выполняются по правилам булевой алгебры.

В состав АЛУ входят сумматор, сдвигатели, регистры и другие элементы.

Устройство управления управляет работой АЛУ и всех других блоков МП. В УУ поступают команды из блока памяти. Здесь они преобразуются в двоичные сигналы управления для выполнения данной команды. Работа УУ синхронизируется таймером, распределяющим процесс выполнения команды во времени. Команда представляет собой двоичное слово из 8, 16, 24 разрядов и более (до 64), часть которых представляет код операции, а остальные распределены между адресами данных (операндов) в памяти. Команда с 16-разрядной адресной частью позволяет обращаться к 2 16 -1=65635 ячейкам памяти. Этого количества, как правило, вполне достаточно для задач, решаемых МП. Такое обращение к памяти называется прямой адресацией.

Однако чаще применяется косвенная адресация, которая необходима, когда разрядность адресной части меньше, чем требуется. В этом случае, адресация проводится в два этапа. На первом этапе по адресу, содержащемуся в команде, выбирается ячейка, содержащая адрес другой ячейки, из которой на втором этапе выбирается операнд. Команда при косвенном методе адресации должна содержать один разряд признака операнда, состояние которого определяет, что выбирается на данном этапе: адрес операнда или сам операнд? Конечно, косвенный способ адресации медленнее прямого. Он позволяет за счет наращивания объема памяти адресов обращаться к числу операндов в 2 n раза (где n-разрядность адресной части команды) большему, чем при прямом способе.

Управляющее устройство любую операцию согласно коду, заданному командным словом, распределяет на последовательность фаз (фазы адресации и фазы выполнения), называемую циклом. Из-за ограниченной разрядности МП действия над операндами большой разрядности могут выполняться за два и более циклов. Очевидно, что это в 2 и более раз снижает быстродействие МП. Отсюда следует интересный и практически важный вывод: быстродействие МП находится в обратной зависимости от точности, однозначно определяемой разрядностью операндов.

Микропроцессор содержит блок регистров (Р). Рабочие регистры МП физически представляют собой одинаковые ячейки памяти, служащие для сверхоперативного хранения текущей информации (СОЗУ). По выполненным функциям Р содержит группы, связанные с определенными элементами структуры МП.

Два регистра операндов (О) в течение выполнения операции в АЛУ хранят два двоичных числа. По окончании операции в первом регистре число заменяется результатом, т. е. как бы накапливается (отсюда и название регистра «аккумулятор»). Содержимое второго регистра операндов заменяется в следующей операции другим операндом, в то время как содержимое аккумулятора может быть сохранено по ряду специальных команд.

Регистр команд (К) хранит в течение выполнения операции несколько разрядов командного слова, представляющих собой код этой операции. Адресная часть командного слова содержится в регистре адреса А.

После реализации какой-либо операции разрядность результата может оказаться больше разрядности каждого из операндов, что регистрируется состоянием специального флагового регистра, иногда называемого триггером переполнения. В процессе отладки составленной программы программист должен следить за состоянием флагового регистра и в случае необходимости устранять возникшее переполнение.

Очень важными в системе команд МП являются команды переходов к выполнению заданного участка программы по определенным признакам и условиям, так называемые команды условных переходов. Наличие таких команд определяет уровень «интеллектуальности» МП, так как характеризует его способность принимать альтернативные решения и выбирать различные пути в зависимости от возникающих в ходе решения условий. Для определения таких условий служит специальный регистр состояний (С), фиксирующий состояние МП в каждый момент выполнения программы и посылающий в УУ сигнал перехода к команде, адрес которой содержится в специальном регистре, называемом счетчиком команд (СК). Команды в памяти записываются в определенной программной последовательности по адресам, образующим натуральный ряд, т. е. адрес следующей команды отличается от адреса предыдущей на единицу. Поэтому при реализации непрерывной последовательности команд адрес следующей команды получается путем прибавления к содержимому СК единицы, т. е. образуется в результате счета. Назначение СК-нахождение необходимых адресов команд, причем при наличии в программе команд перехода очередная команда может не иметь следующего адреса. В таком случае в СК записывается адресная часть команды перехода.

Регистры общего назначения (РОН) используются для хранения промежуточных результатов, адресов и команд, возникающих в ходе выполнения программы, и могут связываться по общим шинам с другими рабочими регистрами, а также со счетчиками команд и блоком ввода-вывода информации. В МП обычно содержите» 10...16 РОН разрядностью 2...8 бит каждый. Количество РОН косвенно характеризует вычислительные возможности МП.

Особый интерес представляет наличие у многих моделей МП группы регистров, имеющих магазинную или стековую организацию - так называемые стеки. Стек позволяет без обмена с памятью организовать правильную последовательность выполнения различных последовательностей арифметических действий. Операнд или другая информация может посылаться в стек без указания адреса, поскольку каждое помещаемое в него слово занимает сначала первый регистр, затем «проталкивается» последующими словами каждый раз на регистр глубже. Вывод информации происходит в обратном порядке, начиная с первого регистра, в котором хранится слово, посланное в стек последним. При этом последние регистры очищаются.

Блоки АЛУ, УУ, Р образуют центральный процессор (ЦП), входящий в состав, любой ЭВМ: выделенный на рис. 4.2 штриховой линией. В состав МП может, входить таймер (Т), использующий навесной времязадающий конденсатор или кварцевый резонатор. Таймер - сердце МП, поскольку его работа определяет динамику всех информационных, адресных и управляющих сигналов и синхронизирует работу УУ, а через него и других элементов структуры. Частота синхронизации, называемая тактовой, выбирается максимальной и ограничивается только задержками прохождения сигналов, определяемыми в основном технологией изготовления БИС. Скорость выполнения микропроцессором программы прямо, пропорциональна тактовой частоте.

В составе МП может быть устройство ввода-вывода (УВВ) для обмена информацией между МП и другими устройствами.

Сигналы трех видов - информационные, адресные и управляющие - могут передаваться по одной, двум или трем шинам. Шина представляет собой группу линий связи, число которых определяет разрядность одновременно передаваемой по ней двоичной информации.

Число линий информационной шины (ИШ) определяет объем информации, получаемой или передаваемой МП за одно обращение к памяти, к устройству ввода или вывода. Большинство МП имеет 8-шиниую информационную магистраль. Это позволяет за один раз принять восемь двоичных единиц информации (1 байт). Один байт информация может содержать один из 256 возможных символов алфавита источника информации или один из 256 возможных кодов операций. Такое количество допустимых символов и типов операций для большинства применений является достаточным.

Существуют МП, содержащие 16 и 32 шины в информационной магистрали.

Число линий в шине управления (VIII) зависит от порядка взаимодействия между МП, ЗУ, внешними УВВ информации. Обычно шины управления содержат 8... 16 линий.

4.3. МикроЭВМ

Важным итогом развития программируемых БИС явилась разработка микроЭВМ. Если микроЭВМ создается на одной интегральной микросхеме, то она называется однокристальной. Упрощенная структурная схема микроЭВМ приведена на рис. 4.3.

Рисунок 4.3

Как видно, она содержит центральный процессор ЦП (имеющий устройство аналогично рассмотренному выше МП), ПЗУ, ОЗУ и устройства ввода и вывода информации. Устройство ввода содержит селектор адреса и так называемые порты ввода для считывания информации с гибкого диска, АЦП, телетайпа, перфоленты. Устройство вывода также содержит селектор адреса и порты вывода информации (дисплею, печатающему устройству, устройству выхода на перфоленту, ЦАП).

Данные, поступающие обустройства ввода, передаются на адресную магистраль обычно в виде 8-разрядных параллельных или последовательных кодовых сигналов через порт ввода. Селектор адреса определяет порт ввода, который передает данные на информационную магистраль в некоторый момент времени. Основная память состоит из ПЗУ и ОЗУ. Постоянное ЗУ используется как память программы, которую разработчик микроЭВМ заранее запрограммировал в соответствии с требованием пользователя. Для различных программ используют различные части ПЗУ.

Памятью данных в микроЭВМ является ОЗУ. Информация, хранящаяся в ОЗУ, стирается, когда отключается напряжение питания. Данные, поступающие в ОЗУ, обрабатываются в ЦП в соответствии с программой, хранящейся в ПЗУ. Результаты операций в ЦП хранятся в специальном накопителе информации, называемом аккумулятором или ОЗУ. Они могут быть выведены по команде через один из портов вывода на устройства вывода, подсоединенные к этому порту. Требуемый порт вывода выбирается с помощью схемы селекции адреса.

4.4. Запоминающие устройства

Важнейшими блоками цифровой аппаратуры являются запоминающие устройства (блоки памяти), которые подразделяются на внешние и внутренние. Внешние ЗУ до сих пор реализуются на магнитных лентах и магнитных дисках. Они обеспечивают неопределенно длительное сохранение информации при отсутствии! питания, а также практически любую необходимую емкость памяти. Внутренние ЗУ являются неотъемлемой частью цифровой аппаратуры. Раньше они выполнялись на основе ферритовых сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса. Теперь в связи с разработкой ИС имеются широкие возможности создания полупроводниковыхЗУ.

К устройствам памяти относятся следующие виды запоминающих устройств:

Оперативные запоминающие устройства, выполняющие запись и хранение произвольной двоичной информации. В цифровых системах ОЗУ хранят массивы обрабатываемых данных и программы, определяющие процесс текущей обработки информации. В зависимости от назначения и структуры ОЗУ имеют емкость 10 2 …10 7 бит.

Постоянные запоминающие устройства, служащие для хранения информации, содержание которой не изменяется в ходе работы системы, например используемые в процессе работы стандартные подпрограммы и микропрограммы, табличные значения различных функций, константы и др. Запись информации в ПЗУ производится заводом-изготовителем БИС.

Программируемые постоянные запоминающие устройства являются разновидностьюПЗУ, отличающиеся возможностью однократной записи информации по заданию заказчика.

Репрограммируемые ПЗУ, отличающиеся от обычных возможностью многократной электрической сменой информации, осуществляемой заказчиком. Объем РПЗУ обычно составляет 10 2 …10 5 бит.

К устройствам постоянной памяти (ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ) предъявляется требование сохранности информации при отключении питания.

Основными параметрамиЗУ являются: информационная емкость в битах; минимальный период обращения; минимально допустимый интервал между началом одного цикла и началом второго; максимальная частота обращения - величина, обратная минимальному периоду обращения; удельная мощность - общая мощность, потребляемая в режиме хранения, отнесенная к 1 биту; удельная стоимость одного бита информации - общая стоимость кристалла, поделенная на информационную емкость.

4.5. Оперативные запоминающиеся устройства

Типовая структура БИС ОЗУ приведена на рис. 4.4.

Рисунок 4.4

Рисунок 4.5

Основным узлом является матрица ячеек памяти (МЯП), состоящая из n строк с т запоминающими ячейками (образующими разрядное слово) в каждой строке. Информационная емкость БИС памяти определяется по формуле N = nm бит.

Входы и выходы ячеек памяти подключаются к адресным АШ и разрядным РШ шинам. При записи и считывании осуществляется обращение (выборка) к одной или одновременно к нескольким ячейкам памяти. В первом случае используются двухкоординатные матрицы (рис. 4.5, а), во втором случае матрицы с пословной выборкой (рис. 4.5,6).

Дешифратор адресных сигналов (ДАС) при подаче соответствующих адресных сигналов осуществляет выбор требуемых ячеек памяти. С помощью РШ осуществляется связь МЯП с буферными усилителями записи (БУЗ) и считывания (БМС) информации. Схема управления записью (СУЗ) определяет режим работы БИС (запись, считывание, хранение информации). Схема выбора кристалла (СВК) разрешает выполнение операций записи-считывания данной микросхемы. Сигнал выборки кристалла обеспечивает выбор требуемой БИС памяти в ЗУ, состоящем из нескольких БИС.

Подача управляющего сигнала на вход СУЗ при наличии сигнала выборки кристалла на входе СВК осуществляет операцию записи. Сигнал на информационном входе БУЗ (1 или 0) определяет записываемую в ячейку памяти информацию. Выходной информационный сигнал снимается с БУС и имеет уровни, согласующиеся с серийными ЦИС.

Большие интегральные схемы ОЗУ стремятся на основе простейших элементов ТТЛ, ТТЛШ, МДП, КМДП, И 2 Л, ЭСЛ, модифицированных с учетом специфики конкретных изделий. В динамических ячейках памяти чаще всего используются накопительные емкости, а в качестве ключевых элементов - МДП транзисторы.

Выбор элементной базы определяется требованиями к информационной емкости и быстродействию БИС памяти. Наибольшей емкости достигают при использовании логических элементов, занимающих малую площадь на кристалле: и 2 л, МДП, динамических ЗЯ. Высоким быстродействием обладают БИС с логическими элементами, имеющими малые перепады логических уровней (ЭСЛ, И 2 Л), а также логические элементы ТТЛШ.

Частотные области применения БИС, использующих различные базовые технические решения, иллюстрирует рис. 4.6.

Рисунок 4.6

Благодаря развитию технологии и схемотехники быстродействие элементов непрерывно возрастает, поэтому границы раздела указанных областей с течением времени сдвигаются в область больших рабочих частот.

4.6. Постоянные запоминающие устройства

Схема ПЗУ аналогична схеме ОЗУ (см. рис. 4.4). Отличия состоят лишь в следующем:

ПЗУ используются для считывания информации;

в ПЗУ осуществляется выборка нескольких разрядов одного адреса одновременно (4, 8, 16 разрядов);

информация, записанная в ПЗУ, не может меняться, и в режиме выборки происходит только ее считывание.

Большие интегральные схемы ПЗУ подразделяются на программируемые изготовителем (с помощью специальных фотошаблонов) и программируемые заказчиком (электрически).

Рисунок 4.7

В ПЗУ используется матричная структура: строки образуются адресными шинами ДШ, а столбцы - разрядами РШ. Каждая АШ хранит определенный код: заданную совокупность логических 1 и 0. В МЯП, изображенной на рис. 4.7, а, однократная запись кода осуществляется с помощью диодов, которые присоединены между АЩ и теми РШ, на которых при считывании должна быть логическая 1. Обычно заказчику поставляют ПЗУ с матрицей, во всех узлах которой имеются диоды.

Суть однократного электрического программирования ППЗУ заключается в том, что пользователь (с помощью специального устройства-программатора) пережигает выводы - перемычки тех диодов, которые находятся в местах расположения логических 0. Пережигание выводов осуществляется путем пропускания через соответствующий диод тока, превышающего допустимое значение.

Диодные ПЗУ отличаются простотой, но имеют существенный недостаток, потребляют значительную мощность. Чтобы облегчить работу дешифратора, вместо диодов используют биполярные (рис. 4.7,6) и (рис. 4.7, в) транзисторы.

При использовании биполярных транзисторов АШ обеспечивает протекание базового тока, который в β б.т. +1 раз меньше эмиттерного, питающего РШ. Следовательно, существенно уменьшается необходимая мощность дешифратора.

Еще больший выигрыш обеспечивает применение МДП транзисторов, так как цепь затвора практически не потребляет мощности. Здесь используется не пережигание выводов, а отсутствие металлизации затвора у транзисторов, обеспечивающих считывание логических 0 в разрядной шине.

4.7. Репрограммируемые постоянные запоминающие устройства

Репрограммируемые ПЗУ являются наиболее универсальными устройствами памяти. Структурная схема РПЗУ аналогична схеме ОЗУ (см. рис. 4.4). Важной отличительной особенностью РПЗУ является использование в МЯП транзистора специальной конструкции со структурой «металл-нитрид-окисел-полупроводник» (МНОП). Принцип действия такой ячейки памяти основан на обратимом изменении порогового напряжения МНОП транзистора. Например, если сделать U ЗИпор >U АШ, то транзистор не будет отпираться адресными импульсами (т. е. не участвует в работе). В то же время другие МНОП транзисторы, у которых U ЗИпор

Структура МНОП транзистора с индуцированным каналом р -типа показана на рис. 4.8, а.

Рисунок 4.8

Здесь диэлектрик состоит из двух слоев: нитрида кремния (Si 3 N 4) и окисла кремния (SiO 2). Пороговое напряжение можно менять, подавая на затвор короткие (порядка 100 мкс) импульсы напряжения разной полярности, с большой амплитудой 30...50 В. При подаче импульса +30 В устанавливается пороговое напряжение U ЗИпор = -5 В. Это напряжение сохраняется, если использовать транзистор или напряжения на затворе U ЗИ =±10В. В таком режиме МНОП транзистор работает как обычный МДП транзистор с индуцированным каналом р -типа.

При подаче импульса -30 В пороговое напряжение принимает значение U ЗИпор ~20 В, как показано на рис. 4.8, 6 и в. При этом сигналы на входе транзистора U ЗИ ± 10 В не могут вывести транзистор из закрытого состояния. Это явление используется в РПЗУ.

В основе работы МНОП транзисторов лежит накопление, заряда на границе нитридного и оксидного слоев. Это накопление есть результат неодинаковых токов проводимости в слоях. Процесс накопления описывается выражением dq / dt = I sio 2 - I si 3 n 4 . При большом отрицательном напряжении U ЗИ на границе накапливается положительный заряд. Это равносильно введению доноров в диэлектрик и сопровождается увеличением отрицательного порогового напряжения. При большом положительном напряжении U ЗИ на границе накапливается отрицательный заряд. Это приводит к уменьшению отрицательного порогового напряжения. При малых напряжениях U ЗИ токи в диэлектрических слоях уменьшаются на 10...15 порядков, поэтому накопленный заряд сохраняется в течение тысяч часов, а, следовательно, сохраняется и пороговое напряжение.

Известна и другая возможность построения ячейки памяти для РПЗУ на основе МДП транзисторов с однослойным диэлектриком. Если прикладывать к затвору достаточно большое напряжение, то будет наблюдаться лавинный пробой диэлектрика, в результате чего в нем будут накапливаться электроны. При этом у транзистора изменится пороговое напряжение. Заряд электронов сохраняется в течение тысяч часов. Для того чтобы осуществить перезапись информации, нужно удалить электроны из диэлектрика. Это достигается путем освещения кристалла ультрафиолетовым светом, вызывающим фотоэффект: выбивание электронов из диэлектрика.

При использовании ультрафиолетового стирания удается существенно упростить схему РПЗУ. Обобщенная структурная схема РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (рис. 4.9) содержит кроме МЯП дешифратор адресных сигналов (ДАС), устройство выбора кристалла (УВК) и буферный усилитель (БУ) для считывания информации.

Рисунок 4.9

По приведенной структурной схеме выполнена, в частности, БИС РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием типа К573РФ1 емкостью 8192 бита.

4.8. Цифроаналоговые преобразователи

Назначение ЦАП - преобразование двоичного цифрового сигнала в эквивалентное аналоговое напряжение. Такое преобразование можно произвести с помощью резистивных цепей, показанных на рис. 4.10.

Рисунок 4.10

В ЦАП с двоично-весовыми резисторами (рис. 4.10, а) требуется меньшее число резисторов, однако при этом необходим целый ряд номиналов прецизионных сопротивлений. Аналоговое выходное напряжение U ан ЦАП определяется как функция двухуровневых входных напряжений:

U ан =(U A +2U B +4U C +…)/(1+2+4+...).

На цифровых входах U A , U B , U C , ... напряжение может принимать лишь два фиксированных значения, например, либо 0, либо 1. Для ЦАП, в котором используются резисторы R и R /2, требуется больше резисторов (рис. 4.10,6), но только с двумя номиналами. Аналоговое напряжение на выходе такого ЦАП определяется по формуле

U ан =(U A +2U B +4U C +…+mU n)/2 n

где n - число разрядов ЦАП; т - коэффициент, зависящий от числа разрядов ЦАП.

Для обеспечения высокой точности работы резистивные цепи ЦАП должны работать на высокоомную нагрузку. Чтобы согласовать резистивные цепи с низкоомной нагрузкой, используют буферные усилители на основе операционных усилителей, показанные на рис. 4.10, а, б.

4.9. Аналого-цифровые преобразователи

Назначение АЦП - преобразование аналогового напряжения в его цифровой эквивалент. Как правило, АЦП имеют более сложную схему, чем ЦАП, причем ЦАП часто является узлом АЦП. Обобщенная структурная схема АЦП с ЦАП в цепи обратной связи показана на рис. 4.11.

Рисунок 4.11

Выполненные по такой схеме АЦП находят широкое применение благодаря хорошим показателям по точности, быстродействию при сравнительной простоте и низкой стоимости.

В состав АЦП входят n -разрядный триггерный регистр результатов преобразования DD 1 - DD n , управляющий разрядами ЦАП; компаратор, связанный с устройством управления УУ и содержащий генератор тактовой частоты. Реализуя вУУ различные алгоритмы работы АЦП, получают различные характеристики преобразователя.

Используя рис. 4.11, рассмотрим принцип действия АЦП, предполагая, что в качестве триггерного регистра используется реверсивный счетчик. Реверсивный счетчик имеет цифровой выход, напряжение на котором возрастает от каждого тактового импульса, когда на входе счетчика «Прямой счет» высокий уровень напряжения, а на входе «Обратный счет» - низкий. И наоборот, напряжение на цифровом выходе при каждом тактовом импульсе уменьшается, когда на входе «Прямой счет» низкий, а на входе «Обратный счет» - высокий уровень напряжения.

Важнейшим узлом АЦП является компаратор (К), имеющий два аналоговых входа U ЦАП и U ан и цифровой выход, подключенный через УУ к реверсивному счетчику. Если напряжение на выходе компаратора имеет высокий уровень, уровень на входе счетчика «Прямой счет» также будет высоким. И наоборот, когда выходное напряжение компаратора имеет низкий уровень, низким будет также и уровень на входе «Прямой счет».

Таким образом, в зависимости от того, высокий или низкий уровень на выходе компаратора, реверсивный счетчик считает соответственно в прямом или обратном направлении. В первом случае на входе U ЦАП компаратора наблюдается ступенчато-нарастающее напряжение, а во втором - ступенчато-спадающее.

Поскольку компаратор работает без обратной связи, уровень его выходного напряжения делается высоким, когда напряжение на его входе U ан станет немного отрицательнее, чем на входе U ЦАП. И наоборот, уровень его выходного напряжения становится низким, как только напряжение на входе U ан станет немного положительнее напряжения на входе U ЦАП.

На вход U ЦАП компаратора поступает выходное напряжение ЦАП, которое сравнивается с аналоговым входным напряжением,поступающим на вход U ан .

Если аналоговое напряжение U ан превышает напряжение, снимаемое с выхода ЦАП, реверсивный счетчик считает в прямом направлении, ступенями наращивая напряжение на входе U ЦАП до значения напряжения на входе U ан. Если же U ан <U ЦАП или становится таковым в процессе счета, напряжение на выходе компаратора имеет низкий уровень и счетчик считает в обратном направлении, вновь приводя U ЦАП к U ан . Таким образом, система имеет обратную связь, которая поддерживает выходное напряжение ЦАП приблизительно равным напряжению U ан . Следовательно, выход реверсивного счетчика всегда представляет собой цифровой эквивалент аналогового входного напряжения. С выхода реверсивного счетчика считывается цифровой эквивалент аналогового входного сигнала АЦП.

4.10. Цифровые и аналоговые мультиплексоры

В микропроцессорных системах, АЦП, ЦАП, а также в системах электронной коммутации широкое применение находят мультиплексоры: многоканальные коммутаторы (имеющие 4, 8, 16, 32, 64 входа и 1-2 выхода) с цифровым устройством управления. Простейшие мультиплексоры цифровых и аналоговых сигналов показаны на рис. 4.12, а и б соответственно.

Рисунок 4.12

Цифровой мультиплексор (рис. 4.12, а) позволяет осуществлять последовательный или произвольный опрос логических состояний источников сигналов Х 0 , Х 1 , Х 2 , Х 3 и передачу результата опроса на выход

По указанному принципу строятся мультиплексоры на любое требуемое число информационных входов. Некоторые типы цифровых мультиплексоров допускают коммутацию и аналоговых информационных сигналов.

Однако лучшими показателями обладают аналоговые мультиплексоры, содержащие матрицу высококачественных аналоговых ключей (AK 1 ...AK 4), работающих на выходной буферный усилитель, цифровое УУ. Соединение узлов между собой иллюстрирует рис. 4.12,6.

Примером БИС аналогового мультиплексора является микросхема типа К591КН1, выполненная на основе МДП транзисторов. Она обеспечивает коммутацию 16 аналоговых источников информации на один выход, позволяя производить как адресацию, так и последовательную выборку каналов. При разработке БИС аналоговых мультиплексоров учитывают необходимость их совместимости с системой команд микропроцессоров.

Аналоговые мультиплексоры являются весьма перспективными изделиями для электронных коммутационных полей и многоканальных электронных коммутаторов связи, радиовещания и телевидения.

Коняев Иван Сергеевич,студент 3 курса Армавирского механикотехнологического института(филиала) ФГБОУ ВПО КубГТУ, г. Армавир[email protected]

Моногаров Сергей Иванович,кандидат технических наук, доцент кафедры внутризаводского электрооборудования и автоматики Армавирского механикотехнологического института(филиала) ФГБОУ ВПО КубГТУ, г. Армавир[email protected]

Принципыпостроения больших интегральных схем

Аннотация. Данная статья посвящена вопросампринципов построения больших интегральных схем(БИС). Ключевые слова: БИС,большая интегральная микросхема, базовые матричные кристаллы, программируемые логические устройства.

В настоящее время в микроэлектронной аппаратуре используются как специализированные, так и универсальные микросхемы различной степени интеграции. В то же время наблюдается определённая тенденция широкого применения интегральных микросхем высокой степени интеграции –больших интегральных микросхем (БИС), о которых и пойдёт речь в данной статье.Универсальные микросхемы выпускаются большими тиражами и применяются в широком диапазоне электронных устройств, в то время как специализированные микросхемы выпускаются ограниченными тиражами и имеют строго определённую область применения.Специализированные БИС, выполненные на базовых матричных кристаллах(БМК)и программируемых логических устройствах(ПЛУ)имеют особенно широкое применение. Столь широкое применение обусловлено тем, что автоматизированное проектирование таких БИС занимает относительно короткий промежуток времени: порядка нескольких недель для БИС на основе БМК, нескольких дней –для БИС на основе ПЛУ.Рассмотрим принципы построения и параметры базовых матричных кристаллов. В состав БМК входят заранее сформированная матрица базовых ячеек (располагается в центральной части), а так же группу буферных ячеек, которые располагаются по периферии кристалла (рис. 1).В свою очередь в состав ячеек входят группы нескоммутированных элементов (транзисторов, конденсаторов, резисторов) и отрезков полупроводниковых шин, предназначенных для реализации пересекающихся электрических связей.Из элементов ячеек с помощью электрических связей в виде металлических (проводниковых) и полупроводниковых шин формируются различные функциональные элементы (триггеры, счетчики, регистры и др.), буферные элементы, а так жесоединения между ними.

А) б) в)Рисунок 1 –Типовые структуры БМК: а) со сплошным массивом однородных ячеек; б) с массивом однородных ячеек или макроячеек, разделённых вертикальными и горизонтальными каналами для проводников; в) с массивом неоднородных ячеек, разделённых горизонтальными каналами; 1 –матрица базовых ячеек; 2 –матрица буферных ячеек; 3,5,8 –ячейки матриц, 4,7,10 –буферные ячейки, 6,9 –макроячейки; 11,12 –горизонтальные каналы; 13 –вертикальные каналы

В данном типе БИС, как правило, основные функциональные элементы потребляют малое количество энергии, достаточное для обеспечения необходимого быстродействия. В свою очередь, буферные элементы, которые осуществляют внешние связи матричное БИС, потребляют более высокую мощность, что обусловлено необходимостью для согласования по уровням логического напряжения определённой величины, нагрузочной способности и помехоустойчивости. В состав ячеек входит множестворазнообразных активных и пассивных элементов. При этом к параметрам пассивных элементов предъявляются требования достаточно высокой точности и стабильности. В состав БМК, предназначенных для изготовления аналогоцифровых БИС, входят обычно две матрицы ячеек, для формирования соответственно аналоговых и цифровых устройств. Базовые матричные кристаллы для цифровых и аналоговых БИС формируютсяна основе биполярных транзисторов и полевых транзисторов с изолированным затвором. В аналоговых БИС широкое применение получили биполярные транзисторы с высокой крутизной проходной вольтамперной характеристики.В свою очередь матрицы могут состоять из однородных или неоднородных ячеек. В БМК, предназначенныхдля реализации цифровых БИС с невысокой степенью интеграции (около 1000 логических элементов)используются однородные ячейки, в то время как для цифровых БИС с высокой степенью интеграции (около 10000 логических элементов) и цифроаналоговых БИС –матрицы с неоднородными ячейками. Применяются два способа организации ячеек матрицы БМК:1.На основе элементов ячейки может быть сформирован один базовый логический элемент, выполняющий элементарную функцию (НЕ, ИНЕ, ИЛИНЕ с разветвлениями по входам и выходам). Для реализации более сложных функций используют несколько ячеек. Число, разновидности и параметры элементов определяются электрической схемой базового логического элемента.2.На основе элементов ячейки может быть сформирован любой функциональный элемент библиотеки. Типы элементови их число определяются электрической схемой самого сложного функционального элемента.При первом способе построения ячеек можно получить достаточно высокие коэффициент их использования в составе матрицы, коэффициент использования площади БМК и, соответственно,повышенную степень интеграции БИС. При втором способе построения ячеек БМК упрощается система автоматизированного проектирования БИС, так как посадочные места одинаковых по форме и размерам ячеек заранее определены. Однако, если в проектируемой БИС используется достаточно много простых функциональных элементов библиотеки с низким коэффициентом использования элементов ячейки, снижается коэффициент использования площади кристалла, а значит истепень интеграции БИС.В матричных БИС электрические соединения выполняются с помощью металлических (проводниковых) и полупроводниковых (монои поликристаллических) шин. Шины цепей питания и заземления, как правило, выполняются из алюминия, который характеризуется низким удельным сопротивлением. Легированные полупроводниковые шины, имеющие повышенноеудельное сопротивление, в основном применяются для реализации коротких слаботочных сигнальных цепей.Для создания электрических связей между элементами используется однои многоуровневая металлизация. По окончании проектирования, набор параметров и характеристик БМК должен быть достаточно полным для потребителя. К типовым параметрам и характеристикам БМК относятся:1.технология изготовления;2.число ячеек в кристалле;3.структура (набор элементов) ячейки;4.наименование, типовые электрические параметры, схемы и фрагменты типовых функциональных элементов, формируемых на основе элементов ячеек;5.параметры элементов вводавывода;6.число периферийных контактных площадок;7.требования к источнику питания;8.указания по расположению и использованию контактных площадок для цепей питания и заземления и др.;БМК могут послужить основой для цифровых, аналоговых, цифроаналоговых и аналогоцифровых больших интегральных схем. В то же время, совокупность элементов БМК, предназначенных для применения в аналоговых БИС, позволяетформировать усилители, компараторы, аналоговые цифровые ключи и другие устройства.Не так давно основнымприменением БМК являлисьсредства вычислительной техники исистемы управления технологическими процессами. Некоторые БМК, например Т34ВГ1(КА1515ХМ1216), применялись в советских клонах компьютера ZX Spectrumв качестве контроллера внешних устройств. Аналог БМК -микросхема ULA в компьютерах Синклера. В настоящее время БМК в большинстве применений вытеснены ПЛИС(программируемая логическая интегральная схема–примечание автора), не требующими заводского производственного процесса для программирования и допускающими перепрограммирование. Далее рассмотрим программируемые логические матрицы.Программируемые логические устройства имеют матричную структуру и шинную организацию элементов (каждый элемент соединяется вертикальными и горизонтальными шинами). В ПЛУ используются программируемые матрицы И, ИЛИ и их комбинации:непрограммируемое И –программируемое ИЛИ;программируемое И –непрограммируемое ИЛИ;программируемое И –программируемое ИЛИ.Существует две разновидности программируемых логических устройств:

программируемые в условиях производства специализированных БИС на основе кристалловполуфабрикатов с помощью одного заказного фотошаблона по технологии, подобной технологии изготовления матричных БИС;

программируемые потребителемизготовителем аппаратуры ©загрузкойª (введением информации) внутренних регистров или физическим воздействием на отдельные элементы матриц (пережигание перемычек, пробой диодов, изменение режимов работы полупроводниковых приборов).Логические устройства, программируемые потребителем, являются универсальными микроэлектронными устройствами, которые ©настраиваютсяª на заданную функцию с помощью автоматических программаторов.В практике широко используются такие разновидности ПЛУ, как программируемые логические матрицы (ПЛМ) и программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ).Применение ПЛМ позволяет уменьшить количество логических элементов и связей в логических устройствах, что особенно важно для регулярных структур, реализуемых на кристаллах БИС.Разработаны и применяются однократно программируемые ПЛМ и многократно программируемые –репрограммируемые ПЛМ (РПЛМ). Развиваются методы проектирования и производства матричных БИС с реконструируемыми соединениями (МаБИСРС) и с программируемой архитектурой (МаБИСПА) –субсистемына пластинах.Программирование с использованием масок (фотошаблонов) металлизации или контактных окон в оксиде широко применяется в ПЛМ на основе биполярных транзисторов и диодов. На рис.2 показана схема соединений элементов в диодной ПЛМ. Входные сигналы положительной полярности подаются на входы а –е, произведения М0 –М2 снимаются с нагрузочных резисторов R. Преимуществами диодных матриц являются простота и малая занимаемая на кристалле площадь, а недостатком –значительные токи, потребляемые по входам матрицы.Использование многоэмиттерных транзисторов вместо диодов позволяет существенно уменьшить входные токи (в BN раз, BN –нормальный коэффициент передачи тока транзистора) и повысить быстродействие ПЛМ. На рис.3 представлена схема фрагмента ПЛМ на биполярных многоэмиттерных транзисторах.Матрицы на основе МОПтранзисторов обеспечивают наиболее высокую плотность компоновки элементов, имеют минимальную потребляемую мощность, однако уступают по быстродействию матрицам на биполярных транзисторах.Достоинством ПЛМ с масочным программированием являются малая площадь и высокая надежность, что обусловило их широкое применение в составе специализированных и микропроцессорных БИС. Такие ПЛМ однократно программируются изготовителем в процессе производствамикросхемы, что сужает область их применения.Большей гибкостью, особенно при использовании в периферийных устройствах, обладают электрически программируемые ПЛМ, “настройка” которых на реализацию заданных функций выполняется пользователем.

Рисунок 2 –Фрагмент диодной ПЛМ

Рисунок 3 –Фрагмент ПЛМ на БТ

На рис.4 показанынаиболее распространенные элементы матрицс электрическим программированием. Программирование осуществляется расплавлением перемычек (обычно нихромовых или поликремниевых) или пробоем диодов (pn переходов или барьеров Шотки).

Рисунок 4 –Элементы ПЛМ с электрическим программированием

Перемычки имеют сопротивление около 10 Ом и расплавляются (размыкаются) при пропускании через них импульса тока, амплитуда которого значительно больше амплитуды тока считывания. Для разрушения нихромовых или поликремниевых перемычек достаточно тока 20…50 мА; время расплавления составляет 10…200 мс.Диоды пробиваются (закорачиваются) при подаче импульса обратного напряжения от источника с небольшим внутренним сопротивлением, дающим достаточный ток (200…300 мА). Это вызывает лавинный и термический пробой pn переходов (барьера Шотки) и миграцию частиц металла внутрь полупроводника с образованием надежного низкоомного контакта (штриховые линии на рис.4). Время образования цепи 0,02…0,05 мс.Для электрического программирования и контроля ПЛМ используются специальные установки, управляемые ЭВМ. Исходной информацией для программирования и контроля являются:таблица истинности;признак пережигания (пробоя) лог. единиц или нулей (в зависимости от начальной информации незапрограммированной ПЛМ);параметры программирующих импульсов.Управляющая программа делает перебор адресов на входах от 00…0 до 11…1. На ПЛМ подаются питающие напряжения, а при наличии в исходной информации признаков программирования –импульс пережигания (пробоя). После программирования выполняется контроль и результат проверки с указанием совпадения (несовпадения) с таблицей истинности выводится на печать.ПЛМ применяются в современных периферийных и основных компьютерных устройствах платы расширения в системе Plug and Play, которые и имеют специальную микросхему -ПЛИС. Она позволяет плате сообщать свой идентификатор и список требуемых и поддерживаемых ресурсов.Для создания СБИС(сверх больших интегральных схем)и субсистем на пластинах применяют регулярные структуры (рис.5) с матрицей ячеек достаточно большой степени интеграции. Программирование элементов соединений выполняется их созданием или нарушением.

Рисунок 5 –Фрагмент БИС с реконструируемымисоединениями

Матричные БИС с реконструируемыми соединениями обычно создают на основе КМОПтранзисторов, характеризующихся минимальной потребляемой мощностью. Для таких транзисторов применимы все типы перемычек.Перспективным является использование матричных БИС с реконструируемыми соединениями для построения многопроцессорных субсистем. Контакты между соединительными проводниками различных уровней программируются лучом лазера (расплавляется диэлектрик), некоторые связи разрезаются.Лазерное реконструирование при управлении от ЭВМ длится около 1 ч. Такие микросистемы могут содержать до 100 миллионов транзисторов.Плотность компоновки для СБИС при минимальном размере элементов 0,5…2 мкм достигает 20 тысяч транзисторов на квадратный миллиметр.Внастоящее время существуютэлементыпамяти, сохраняющие информацию при отключении напряжения питания, что позволяет создавать ПЛМ со стиранием и перезаписью реализуемых функций –репрограммируемые логические матрицы (РПЛМ).Значительное распространение в РПЛМ получили МОПтранзисторы с плавающим затвором и лавинной инжекцией (рис.6). Структура такого транзистора аналогична обычному МОПтранзистору с поликремниевым затвором, который гальванически не связан с остальной схемой. В исходном состоянии транзистор не проводит ток (см. рис.6,а). Для перехода в проводящее состояние (запись) между истоком и стоком транзистора прикладывается достаточно большое напряжение (около 50 В) в течение примерно 5 мс. Это вызывает лавинный пробой истокового (стокового) pn перехода и инжекцию электронов в поликремниевый затвор. Заряд, примерно равный 107 Кл/см2,захваченный затвором (см. рис.6,б), индуцирует канал, соединяющий исток и сток, и может сохраняться длительное время (10…100 лет) после снятия напряжения, так как затвор окружен оксидным слоем, имеющим очень малую проводимость.Стирание информации осуществляется при облучении ультрафиолетовыми лучами сэнергией, достаточной для выбивания электронов из затвораи переноса их в подложку (рис.6). Стирание можно также осуществить, используя ионизирующее, например рентгеновское излучение.Считывание информации из матрицы выполняется при подаче напряжения питания 5…15 В и контроле тока, протекающего через транзистор.Для организации выборки определенных ячеек вматрицу (см. рис.6,в) последовательно с транзисторами с плавающими затворами включают обычные МОПтранзисторы.

Рис.6. ПЛМ на МОПтранзисторах с плавающим затвором:а) выключенный (стертый) запоминающий транзистор;б)включенный запоминающий транзистор;в) фрагмент матрицы (транзистор выборки Тв, запоминающий транзистор Тз);1 –исток; 2 –плавающий затвор из поликристаллического кремния; 3 –сток; 4 –инжектированный заряд; 5 –область обеднения

Наряду с БИСс реконструируемыми соединениями развивается направление, связанное с созданием БИС и СБИС с программируемой архитектурой и выполняемых в виде субсистем на пластинах. Перестройка архитектуры субсистемы осуществляется с помощью встроенных элементов коммутации с памятью. Причем элементы памяти могут выполняться как на типовых МОПили КМОПтранзисторах, так и на транзисторах с лавинной инжекцией.На рис.7представлена структурная схема матричной БИС с программируемой архитектурой. Шина управления (ШУ) служит для записи в блоки распределенной памяти (П) кодов настройки (программирования) архитектуры субсистемы на определенную задачу. Решающие блоки матрицы (М) соединяются между собой распределенными коммутаторами (К) через коммутационную шину (ШК).

Рисунок 7 –Структурная схема матричной БИС с программируемой архитектурой

Применение СБИС с программируемой архитектурой позволяет получить очень высокую плотность компоновки, автоматизировать процесс сборки.

Ссылки на источники1.Образовательный сайт www.studfiles.ruURL: http://www.studfiles.ru/dir/cat39/subj1381/file15398/view155035/page2.html2.Свободная энциклопедия Википедия URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%9C%D0%9A3.Свободная энциклопедия ВикипедияURL: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%9B%D0%98%D0%A1

Konyaev Ivan Sergeyevich,3rd year student of Armavir Institute of Mechanics and Technology (branch) Kuban State University of Technology, ArmavirMonogarov Sergey Ivanovich,Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of inplant electrical equipment and automation, Armavir Institute of Mechanics and Technology (branch) Kuban State University of Technology, ArmavirPrinciples of building largescale integrated schemesAbstract:This article focuses on research of the principles of construction of largescale integrated circuits (LSIs).Keywords:BIS, a large integrated circuit, the base matrix crystals, programmable logic devices.