Компьютерная схемотехника Лекция 1 Цифровые микросхемы Классификация

Компьютерная схемотехника Лекция 1. Цифровые микросхемы

Классификация микросхем Интегральной микросхемой называется микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигналов и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов и которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое. Классификацию микросхем производят по многим признакам. Рассмотрим основные из них. В зависимости от технологии изготовления (ГОСТ 17021): - полупроводниковые; - пленочные; - гибридные. В полупроводниковой микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. В пленочной микросхеме все элементы и соединения между ними выполнены в виде пленок проводящих и диэлектрических материалов.

Классификация микросхем В гибридной микросхеме содержатся как элементы пленочной технологии (резисторы и конденсаторы), так простые и сложные компоненты (диоды, транзисторы, кристаллы полупроводниковых микросхем и т. д. ). В зависимости от функционального назначения: - аналоговые; - цифровые. Они предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся соответственно по закону непрерывной и дискретной функций.

Классификация микросхем По степени применения микросхемы подразделяют (ГОСТ 27394): - микросхемы общего назначения; - полузаказные; - заказные. К микросхемам общего назначения относят микросхемы, выполняющие определенные функции и предназначенные для многих видов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). К полузаказным относят микросхемы, разработанные на основе базовых (в том числе матричных) кристаллов и СБИС программируемой логики, которые имеют определенный набор сформированных элементов (электрически соединенных и не соединенных между собой), и предназначенные для определенной РЭА. К заказным относят микросхемы, разработанные на основе стандартных или специально созданных элементов и узлов по функциональной схеме заказчика и предназначенные для конкретной РЭА.

Классификация микросхем По степени интеграции: Степень интеграции вычисляют по формуле к=lg. N, где N - число элементов, образующих данную микросхему. Значение к, полученное расчетным путем, округляется до ближайшего целого числа. В настоящее время промышленность производит микросхемы от 1 -й степени интеграции (до 10 элементов включительно) до 10 -й (до 10. 000 элементов). На практике сложность микросхем часто оценивают качественными критериями: - микросхемами малой степени интеграции (МИС) считают изделия, содержащие до 100 элементов; - средней (СИС) – до 1. 000; - большой (БИС) – до 10. 000; - сверхбольшой (СБИС) – больше 10. 000.

Классификация микросхем - ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле; - гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле. В настоящее время название УБИС и ГБИС практически не используется и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.

Закон Мура Количество элементов на кристаллах электронных микросхем удваивается каждый год

Корпус 1760 -pin FBGA D = 42, 50; E= 42, 50; А = 3, 50; e = 1, 00;

Следствие закона Мура Стоимость одного транзистора на кристаллах массовых микросхем уменьшается по экспоненциальному закону

Классификация микросхем По типу примененных активных элементов: - микросхемы на биполярных транзисторах; - микросхемы на полевых транзисторах: - микросхемы на биполярных и полевых транзисторах. В курсе, в основном, будем изучать цифровые микросхемы, которые, главным образом, классифицируют по способу соединения транзисторов между собой в пределах одного базового логического элемента, определяющему логический базис или логику. Различают следующие разновидности микросхем: ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика; ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика; КМОП-логика – логика на основе комплементарных МОП структур; Би. КМОП логика - логика на основе биполярных транзисторов и комплементарных МОП структур;

Классификация микросхем - ДТЛ – диодно-транзисторная логика; - РТЛ – резистивно-транзисторная логика; - РТСЛ – резистивно-емкостная транзисторная логика; НСТЛ – микросхемы с непосредственной связью транзисторами; - ИИЛ - интегрально-инжекционная логика. между

Условные обозначения отечественных микросхем Микросхемы обычно выпускают в виде серий, к которым относится ряд типов микросхем с различным функциональным назначением, имеющие единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного использования. Тип микросхемы указывает на конкретное назначение и определенные конструктивно-технологические и схемотехнические решения. Каждый тип микросхемы имеет свое условное обозначение. Система условных обозначений (маркировка) микросхем для устройств широкого применения состоит из шести элементов, например: К Р 1 555 ЛА 3 Б 1 2 3 4 5 6

Условные обозначения отечественных микросхем Первый элемент (буква К) означает, что микросхема предназначена для устройств широкого применения. Микросхемы, предназначенные для экспорта (шаг выводов 1, 27 и 2, 54 мм), перед буквой К имеют букву Э. Второй элемент (вторая буква) - это характеристика типа корпуса: А – пластмассовый планарный корпус; М – металлокерамический, керамический или стеклокерамический корпус с параллельным двухрядным расположением выводов; Р – пластмассовый корпус с параллельным двухрядным расположением выводов; С – стеклокерамический корпус с двухрядным расположением выводов.

Условные обозначения отечественных микросхем Третий элемент (одна цифра) - указывает группу микросхем по конструктивно-технологическому исполнению: - 1, 5, 6, 7 – полупроводниковые; - 2, 4, 8 – гибридные; - 3 – прочие (пленочные, керамические, вакуумные). Четвертый элемент (две или три цифры) – определяет порядковый номер разработки. В совокупности третий и четвертый элементы обозначают номер конкретной серии. Пятый элемент (две буквы) – обозначает функциональное назначение микросхемы. Шестой элемент – порядковый номер разработки в конкретной серии (среди микросхем одного вида). Следующие затем буквы от А до Я указывают на разбраковку (допуск на разброс) по электрическим параметрам.

Классификация микросхем по функциональному назначению В зависимости от выполняемых функций микросхемы подразделяют на подгруппы и виды. Элементы цифровых устройств Арифметико-логические ИА Шифраторы ИВ Дешифраторы ИД Счетчики ИЕ Сумматоры ИМ Регистры ИР

Классификация микросхем по функциональному назначению Логические элементы И-НЕ ЛА ИЛИ-НЕ ЛЕ И ЛИ ИЛИ ЛЛ НЕ ЛН И-ИЛИ-НЕ ЛР Прочие ЛП

Классификация микросхем по функциональному назначению Преобразователи Цифро-аналоговые ПА Аналого-цифровые ПВ Напряжения (тока) ПН Код-код ПР Частоты ПС Уровня ПУ

Классификация микросхем по функциональному назначению Триггеры JK-триггер (универсальный) ТВ Комбинированные (RST, DRS, JKRS) ТК Триггер Шмидта ТЛ D-триггер ТМ RS-триггер (с раздельным запуском) ТР Т-триггер (счетный) ТТ

Внутрифирменные условные обозначения цифровых микросхем В качестве примера рассмотрим условные обозначения, применяемые фирмой Texas Instruments (TI), которая является ведущей фирмой США в области полупроводниковых микросхем. Система условных обозначений (маркировка) микросхем состоит из шести элементов, например: SN 74 ALS 520 -15 S; 1 2 3 4 6 5 Первый элемент представляет собой фирменное буквенное обозначение: SBP – биполярные микропроцессоры; SN – стандартные цифровые и аналоговые микросхемы; TIBPAL, TIFPLA – программируемые логические матрицы; TMS–МОП-схемы (запоминающие устройства, микропроцессоры).

Внутрифирменные условные обозначения цифровых микросхем Второй элемент указывает диапазон рабочих температур: – серии 52, 54, 55 - от минус 55 до плюс 125 С; – серии 72, 74, 75 - от 0 до плюс 85 С; – серия 62 - от минус 25 до плюс 85 С. Третий элемент указывает классификацию для ТТЛ- и МОП-схем (серии SN 54 и SN 74): ALS (Advanced Low Power Schottky) – биполярные усовершенствованные (улучшенные) маломощные ТТЛ с диодами Шотки; AS (Advanced Schottky) – усовершенствованные с диодами Шотки; HC (High-speed CMOS) – быстродействующие КМОП-типа; HCT – быстродействующие КМОП-типа, совместимые с ТТЛсхемами; L (Low Power) – маломощные; LS (Low Power Schottky) – маломощные с диодами Шотки.

Внутрифирменные условные обозначения цифровых микросхем Четвертый элемент определяет порядковый номер разработки (обычно определяет функциональное назначение). Пятый элемент указывает тип корпуса. Шестой элемент указывает только для быстродействующих МОП-схем дополнительно быстродействие.

Основные параметры цифровых микросхем (ГОСТ 19480) Входное напряжение низкого уровня интегральной микросхемы (Uвх0 , UIL) – напряжение низкого уровня на входе интегральной микросхемы (напряжение низкого уровня – наименее положительное или наиболее отрицательное напряжение). Входное напряжение высокого уровня интегральной микросхемы (Uвх1, UIH) – напряжение высокого уровня на входе интегральной микросхемы (напряжение высокого уровня – наиболее положительное или наименее отрицательное напряжение). Выходное напряжение низкого уровня интегральной микросхемы (Uвых0, UОL) – напряжение низкого уровня на выходе интегральной микросхемы.

Основные параметры цифровых микросхем Выходное напряжение высокого уровня интегральной микросхемы (Uвых1 , UОH) – напряжение высокого уровня на выходе интегральной микросхемы. Входное пороговое напряжение низкого уровня интегральной микросхемы (Uпор. вх0, UITL) – наибольшее значение напряжения низкого уровня на входе интегральной микросхемы, при котором происходит переход интегральной микросхемы из одного устойчивого состояния в другое. Входное пороговое напряжение высокого уровня интегральной микросхемы (Uпор. вх1, UITH) – наименьшее значение напряжения высокого уровня на входе интегральной микросхемы, при котором происходит переход интегральной микросхемы из одного устойчивого состояния в другое.

Основные параметры цифровых микросхем Помехоустойчивость при низком уровне сигнала интегральной микросхемы (Uпом 0, ML) – абсолютное значение разности между максимальным входным напряжением низкого уровня и максимальным выходным напряжением низкого уровня интегральной микросхемы. Помехоустойчивость при высоком уровне сигнала интегральной микросхемы (Uпом 1, MH) – абсолютное значение разности между минимальным входным напряжением высокого уровня и минимальным выходным напряжением высокого уровня интегральной микросхемы.

Основные параметры цифровых микросхем Входной ток низкого уровня интегральной микросхемы (Iвх0, IIL) – входной ток при входном напряжении низкого уровня интегральной микросхемы. Входной ток высокого уровня интегральной микросхемы (Iвх1, IIH) – входной ток при входном напряжении высокого уровня интегральной микросхемы. Выходной ток низкого уровня интегральной микросхемы (Iвых0, IОL) – выходной ток при выходном напряжении низкого уровня интегральной микросхемы. Выходной ток высокого уровня интегральной микросхемы (Iвых0 , IОH) – выходной ток при выходном напряжении высокого уровня интегральной микросхемы.

Основные параметры цифровых микросхем Ток утечки на входе интегральной микросхемы (Iут. вх, IIL ) – ток во входной цепи интегральной микросхемы при закрытом состоянии входа и заданных режимах на остальных входах. Ток утечки на выходе интегральной микросхемы (Iут. вых, IОL) – ток в выходной цепи интегральной микросхемы при закрытом состоянии выхода и заданных режимах на остальных входах. Ток потребления выходного напряжения низкого уровня интегральной микросхемы (Iпот0 , ICCL) – ток, потребляемый интегральной микросхемой от источника питания, при выходном напряжении низкого уровня. Ток потребления выходного напряжения высокого уровня интегральной микросхемы (Iпот1 , ICCH) – ток, потребляемый интегральной микросхемой от источника питания, при выходном напряжении высокого уровня.

Основные параметры цифровых микросхем Средний ток потребления (Iпот. ср, ICCAV) – ток, равный полусумме токов, потребляемых интегральной микросхемой в двух различных устойчивых состояниях. Средняя потребляемая мощность интегральной микросхемы (Рпот. ср, PCCAV) – мощность, равная полусумме мощностей, потребляемых интегральной микросхемой в двух различных устойчивых состояниях. Время нарастания сигнала (rise time) интегральной микросхемы (tнар, tr) – интервал времени нарастания сигнала от уровня 0, 1 до момента, когда выходной сигнал интегральной микросхемы впервые достигнет заданного значения, близкого к его окончательному значению при ступенчатом изменении уровня входного сигнала (уровня 0, 9).

Основные параметры цифровых микросхем Время спада сигнала (fall time) интегральной микросхемы (tсп, tf) – интервал времени спада сигнала от уровня 0, 9 до момента, когда выходной сигнал интегральной микросхемы впервые достигнет заданного значения, близкого к его окончательному значению при ступенчатом изменении уровня входного сигнала (до уровня 0, 1). Время выбора интегральной микросхемы (tв, t. CS) – интервал времени между подачей на вход сигнала выбора интегральной микросхемы и получением на выходе сигналов информации. Время сохранения сигнала (valid time) интегральной микросхемы (tсх, t. V) – интервал времени, в течение которого выходной сигнал является достоверным или в течение которого входной сигнал должен оставаться достоверным.

Основные параметры цифровых микросхем Время установления входных сигналов (set-up time) интегральной микросхемы (tуст, t. SU) – интервал времени между началом сигнала на заданном выводе входа и активным последующим переходом на другом заданном выводе входа. Время удержания сигнала (hold time) интегральной микросхемы (tу, t. H) – интервал времени, в течение которого сигнал удерживается на заданном выводе входа после активного перехода на другом заданном выводе входа.

Основные параметры цифровых микросхем n

Основные параметры цифровых микросхем Время выборки (access time) интегральной микросхемы (tв, t. A) – интервал времени между подачей на вход интегральной микросхемы заданного сигнала и получением на выходе сигнала информации при условии, что все необходимые сигналы поданы. Время задержки распространения при включении интегральной микросхемы (tздр1, 0, t. PHL) – интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе напряжения на выходе микросхемы от напряжения высокого уровня к напряжению низкого уровня, измеренный на уровне 0, 5 или на заданных значениях напряжения. Время задержки распространения при выключении интегральной микросхемы (tздр0, 1, t. PLH) – интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе напряжения на выходе микросхемы от напряжения низкого уровня к напряжению высокого уровня, измеренный на уровне 0, 5 или на заданных значениях напряжения.

Основные параметры цифровых микросхем

Основные параметры цифровых микросхем Среднее время задержки распространения интегральной микросхемы (tзд. р. ср, t. PAV) – интервал времени, равный полусумме времен задержки распространения сигнала при включении и выключении интегральной микросхемы. Длительность сигнала интегральной микросхемы ( , t. W) –интервал времени между заданными контрольными точками по фронтам импульса интегральной микросхемы. Частота следования импульсов тактовых сигналов интегральной микросхемы (f. T, f. C). Коэффициент разветвления по выходу интегральной микросхемы (Краз , N) – число единичных нагрузок, которое можно подключать к выходу интегральной микросхемы. Примечание: единичной нагрузкой является один вход основного логического элемента данной серии интегральных микросхем.

Основные термины и понятия в литературе 1 Работа переключения определяется как А= tзд. р. ср * Рпот. ср , где tзд. р. ср – среднее время задержки распространения интегральной микросхемы; Рпот. ср – cредняя потребляемая мощность интегральной микросхемы. Надежность характеризуется тремя взаимосвязанными показателями: - интенсивностью отказов ; - наработкой на отказ Т; - вероятностью безотказной работы P(t) в течение заданного времени. Устойчивость и прочность микросхем к воздействию механических, климатических и специальных факторов характеризуют работоспособность микросхем во время и после воздействия дестабилизирующих факторов соответственно.

Характеристики цифровых микросхем Характеристики представляют собой одно- или многомерные зависимости величин, определяющих состояния или режим работы микросхемы от других величин, рассматриваемых как независимые. Их можно представлять в аналитической, графической или табличной формах. Различают статические и динамические характеристики. Основными статическими характеристиками являются: - входная – Iвх = f(Uвх); - выходная – Iвых = f(Uвых); Uвых = f(Iвых); - передаточная – Uвых = f(Uвх). Наиболее часто из динамических характеристик применяют переходную характеристику, которая представляет собой зависимость Uвых = f(t) при скачкообразном изменении входного сигнала.

Характеристики цифровых микросхем Динамические характеристики бывают двух типов: - динамические характеристики первого типа представляют собой зависимость динамических параметров микросхем от электрических режимов и внешних факторов. К ним относят зависимость длительности задержки распространения сигнала от параметров нагрузки, от температуры и других внешних факторов, зависимость rise и fall time на выходе от параметров входного сигнала и т. д. - динамические характеристики второго типа представляют собой зависимость некоторых статических параметров от рабочей частоты или временных интервалов. К ним относят зависимость мощности потребления от частоты переключения микросхемы, зависимость допустимой амплитуды импульсной помехи от ее длительности (динамическая помехоустойчивость), т. д.