Информационная деятельность человека. Цифровая схемотехника (Пособие). Введение Данное учебное пособие предназначено для студентов высших,и средних учебных заведений
 Скачать 4.11 Mb.
|
1. Основы микроэлектронной техники1.1. Основные понятия и определения Микроэлектроника основное направление электроники, которое изучает проблемы конструирования, исследования, создания и применения электронных устройств с высокой степенью функциональной и конструктивной интеграции. Микроэлектронное изделие, реализованное средствами интегральной технологии и выполняющее определённую функцию по преобразованию и обработке сигналов, называется интегральной микросхемой (ИМС) или просто интегральной схемой (ИС). Микроэлектронное устройство совокупность взаимосвязанных ИС, выполняющая законченную достаточно сложную функцию (либо несколько функций) по обработке и преобразованию сигналов. Микроэлектронное устройство может быть конструктивно оформлено в виде одной микросхемы либо на нескольких ИМС. Под функциональной интеграцией понимают увеличение числа реализуемых (выполняемых) некоторым устройством функций. При этом устройство рассматривается как единое целое, неделимое. А конструктивная интеграция это увеличение количества компонентов в устройстве, рассматриваемом как единое целое. Примером микроэлектронного устройства с высокой степенью конструктивной и функциональной интеграции, является микропроцессор (см. выше), который, как правило, выполняется в виде одной «большой» ИМС. Схемотехника является частью микроэлектроники, предметом которой являются методы построения устройств различного назначения на микросхемах широкого применения. Предметом же цифровой схемотехники являются методы построения (проектирования) устройств только на цифровых ИМС. Особенностью цифровой схемотехники является широкое применение для описания процессов функционирования устройств формальных либо формально-естественных языков и основанных на них формализованных методов проектирования. Формальными языками являются булева алгебра (алгебра логики, алгебра Буля) и язык «автоматных» логических функций алгебра состояний и событий. Благодаря использованию формализованных методов, достигается многовариантность в решении прикладных задач, появляется возможность оптимального выбора схемотехнических решений по тем или иным критериям. Формальные методы характеризуются высоким уровнем абстракции отвлечения, пренебрежения частными свойствами описываемого объекта. Акцентируется внимание только на общих закономерностях во взаимных связях между компонентами объекта его составными частями. К таким “закономерностям”, например, относятся правила арифметических действий в алгебре чисел (правила сложения, вычитания, умножения, деления). При этом отвлекаются от смысла чисел (количество ли это яблок, либо столов и т.д.). Эти правила строго формализованы, формализованы и правила получения сложных арифметических выражений, а также процедуры вычислений по таким выражениям. В таких случаях говорят, формальными являются и синтаксис и грамматика языка описания. У формально-естественных языков синтаксис формализован, а грамматика (правила построения сложных выражений) подчиняется грамматике естественного языка, например русского либо английского. Примерами таких языков являются различные табличные языки описания. В частности, теоретической базой описания цифровых устройств является «Теория конечных автоматов» [1] или «Теория релейных устройств и конечных автоматов» [2]. 1.2. Классификация микроэлектронных устройствВсё многообразие микроэлектронных устройств (МЭУ) можно классифицировать по различным признакам: по принципу и характеру действия; по функциональному назначению и выполняемым функциям; по технологии изготовления; по области применения; по конструктивному исполнению и техническим характеристикам и так далее. Рассмотрим теперь более детально разделение МЭУ по классификационным признакам. По принципу (характеру) действия все МЭУ подразделяются на аналоговые и цифровые. Выше уже были даны понятия аналоговых и дискретных устройств и, в том числе цифровых. Здесь же отметим, если в дискретных устройствах все сигналы принимают только два условных значения логического нуля (лог.0) и логической единицы (лог.1), то устройства называют логическими. Как правило, все цифровые устройства относятся к логическим устройствам. В зависимости от выполняемых функций (функционального назначения) различают следующие микроэлектронные устройства: Аналоговые Усилительные устройства (усилители). Функциональные преобразователи, выполняющие математические операции с аналоговыми сигналами (например, интегрирование, дифференцирование и т.д.). Измерительные преобразователи и датчики физических величин. Модуляторы и демодуляторы, фильтры, смесители и генераторы гармонических колебаний. Запоминающие устройства. Стабилизаторы напряжений и токов. Интегральные микросхемы специального назначения (например, для обработки радио- и видеосигналов, компараторы, коммутаторы и т.д.). Цифровые МЭУ Логические элементы. Шифраторы, дешифраторы кодов и кодопреобразователи. Запоминающие элементы (триггеры). Запоминающие устройства (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, ПЛМ и др.). Арифметико-логические устройства. Селекторы, формирователи и генераторы импульсов. Счётные устройства (счётчики импульсов). Цифровые компараторы, коммутаторы дискретных сигналов. Регистры. Микросхемы специального назначения (например, таймерные, микропроцессорные комплекты ИС и т.д.). Приведённая классификация далеко не исчерпывающая, но позволяет сделать вывод, что номенклатура цифровых устройств значительно шире номенклатуры аналоговых МЭУ. Кроме перечисленных, существуют микросхемы преобразователей уровней сигналов, например триггеры Шмита, у которых входные сигналы являются аналоговыми, а выходные дискретными, двоичными. Такие микросхемы занимают промежуточное положение. Аналогично, микросхемы аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП), коммутаторы аналоговых сигналов, управляющиеся дискретными сигналами, следует отнести к «промежуточным» МЭУ. В зависимости от количества реализуемых функций различают однофункциональные (простые) и многофункциональные (сложные) МЭУ. В многофункциональных устройствах функции могут выполняться одновременно либо последовательно во времени. В зависимости от этого, в первом случае, устройства называют устройствами «параллельного» действия, а во втором случае устройствами последовательного действия или «последовательностными». Если настройка многофункционального устройства на выполнение той или иной функции осуществляется путём коммутации входов (физической перекоммутацией электрических цепей), то такое устройство называют устройством с «жёсткой логикой» работы. А если изменение выполняемых функций производится с помощью дополнительных внешних сигналов (на так называемых управляющих входах), то такие МЭУ следует отнести к «программно-управляемым». Например, ИМС арифметико-логических устройств (АЛУ) могут реализовать арифметические либо логические операции с двумя многоразрядными двоичными числами. А настройка на выполнение арифметических (либо логических) операций осуществляется одним дополнительным внешним сигналом, в зависимости от значения которого будут выполняться желаемые действия. Поэтому АЛУ следует отнести к программно-управляемым МЭУ. По технологии изготовления все ИМС делятся на: Полупроводниковые; Плёночные; Гибридные. В полупроводниковых ИС все компоненты и соединения выполнены в объёме и на поверхности кристалла полупроводника. Эти ИС делятся на биполярные микросхемы (с фиксированной полярностью питающих напряжений) и на униполярные с возможностью смены полярности питающего напряжения. В зависимости от схемотехнического исполнения «внутреннего содержания» биполярные микросхемы делятся на следующие виды: ТТЛ транзисторно-транзисторной логики; ТТЛш транзисторно-транзисторной логики с транзисторами и диодами Шотки; ЭСЛ эмиттерно-связанной логики; И2Л инжекционной логики и другие. Микросхемы униполярной технологии выполняются на МДП-транзисторах («металл–диэлектрик–полупроводник»), либо на МОП-транзисторах («металл–окисел–полупроводник»), либо на КМОП-транзисторах (комплиментарные «металл – окисел – полупроводник»). В плёночных ИС все компоненты и связи выполняются только на поверхности кристалла полупроводника. Различают тонкоплёночные (с толщиной слоя менее 1 микрона) и толстоплёночные с толщиной плёнки более микрона. Тонкоплёночные ИС изготавливаются методом термовакуумного осаждения и катодного распыления, а толстоплёночные методом шелкографии с последующим вжиганием присадок. Гибридные ИС состоят из «простых» и «сложных» компонентов, расположенных на одной подложке. В качестве сложных компонентов обычно используются кристаллы полупроводниковых либо плёночных ИС. К простым относятся дискретные компоненты электронной техники (транзисторы, диоды, конденсаторы, индуктивности и т.д.). Все эти компоненты конструктивно располагаются на одной подложке и на ней также выполняются электрические соединения между ними. Причём одна подложка с расположенными на ней компонентами образуют один «слой» гибридной ИС. Различают однослойные и многослойные гибридные ИС. Многослойная гибридная ИС способна выполнять достаточно сложные функции по обработке сигналов. Такая микросхема равносильна по действию «микроблоку» устройств, либо, если она предназначена для самостоятельного применения, действию «целого» блока. Кроме того, любые микросхемы оцениваются количественным показателем их сложности. В качестве такого показателя используется «степень интеграции» k, равная десятичному логарифму от общего количества N компонентов, размещённых на одном кристалле полупроводника, то есть k= lq N. (1) В соответствии с формулой (1) все микросхемы делятся на микросхемы 1-й, 2-й, третьей и так далее степеней интеграции. Степень интеграции лишь косвенно характеризует сложность микросхем, поскольку принимается во внимание только конструктивная интеграция. Фактически же сложность микросхемы зависит и от количества взаимных связей между компонентами. В инженерной практике используется качественная характеристика сложности микросхем в понятиях «малая», «средняя», «большая» и «сверхбольшая» ИС. В табл.1.1 приведены сведения о взаимном соответствии качественных и количественных мер сложности ИС по их видам. Таблица 1.1
Из анализа табл.1.1 следует, что в сравнении с цифровыми ИС аналоговые микросхемы при одинаковых степенях интеграции имеют в своём составе (на кристалле полупроводника) более чем в три раза, меньшее число компонентов. Это объясняется тем, что активные компоненты (транзисторы) аналоговой микросхемы работают в линейном режиме и рассеивают большее количество энергии. Необходимость отвода тепла, выделяющегося при рассеянии энергии, ограничивает количество компонентов, размещаемых на одном кристалле. У цифровых микросхем активные компоненты работают в ключевом режиме (транзисторы либо заперты, либо открыты и находятся в режиме насыщения). В этом случае рассеиваемая мощность незначительна, и количество выделяемого тепла также незначительно и следовательно число компонентов на кристалле может быть размещено больше. (Размеры кристаллов стандартизованы и ограничены.) При униполярной технологии объём кристалла, занимаемый под полевой транзистор приблизительно в три раза меньше объёма, занимаемого биполярным транзистором (n-p-n или p-n-p типа). Этим объясняется тот факт, что активных компонентов на кристалле стандартных размеров в униполярной микросхеме можно разместить больше. По конструктивному исполнению в зависимости от функциональной сложности микроэлектронные устройства подразделяются: на простые микросхемы (ИМС); на микросборки; на микроблоки. ИМС микроэлектронное изделие, изготавливаемое в едином технологическом цикле, пригодное для самостоятельного применения или в составе более сложных изделий (в том числе, микросборок и микроблоков). Микросхемы могут быть бескорпусными и иметь индивидуальный корпус, защищающий кристалл от внешних воздействий. Микросборка микроэлектронное изделие, выполняющее достаточно сложную функцию (функции) и состоящее из электрорадиокомпонентов и микросхем, изготавливаемое с целью миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры. По существу гибридные микросхемы являются микросборками. Самой простой микросборкой может быть, например, набор микрорезисторов, выполненных на кристалле полупроводника и оформленных в едином корпусе (как микросхема). Микроблок также является микроэлектронным изделием, состоит из электрорадиокомпонентов и интегральных схем и выполняет сложную функцию (функции). Как правило, микросборки и микроблоки изготавливаются в различных технологических циклах, и, может быть, на разных заводах-изготовителях. В качестве классификационных технических характеристик обычно используются потребляемая мощность (одной микросхемой) и быстродействие. По потребляемой мощности все ИМС можно разделить на: а) микромощные (менее 10 мВт); б) маломощные (не более 100 мВт); в) средней мощности (до 500 мВт) и г) мощные (более или = 0,5 Вт). По быстродействию (максимальным задержкам времени распространения сигналов через ИС) микросхемы делятся условно на: а) сверхбыстродействующие с граничной частотой fгр переключений свыше 100 МГц; б) быстродействующие (fгр от 50 МГц до 100 МГц); в) нормального быстродействия (fгр от 10 МГц до 50 МГц). При этом задержки распространения составляют порядка от единиц наносекунд (10-9с.) до 0,1 микросекунды (1s =10-6с.). Цифровые микроэлектронные устройства, в том числе микросхемы и другие устройства дискретного действия, удобно классифицировать по характеру зависимостивыходных сигналов от входных. Как это принято в теории конечных автоматов. В соответствии с этим признаком все устройства принято разделять на комбинационные и последовательностные. В комбинационных устройствах значения выходных сигналов в какой-либо момент времени однозначно определяются значениями входных сигналов в этот же момент времени. Поэтому можно считать, что работа таких устройств не зависит от времени. Их ещё называют устройствами «без памяти», однотактными устройствами или устройствами однотактного действия. В теории конечных автоматов комбинационные устройства называют «примитивными конечными автоматами». В последовательностных устройствах значения выходных сигналов (выходные сигналы) зависят от значений входных сигналов не только в рассматриваемый момент времени, но и от значений входных сигналов в предыдущие моменты времени. Поэтому такие устройства называют устройствами с «памятью», многотактными устройствами, а в теории конечных автоматов, просто − конечным автоматом (не тривиальным). При рассмотрении учебного материала, в дальнейшем, за основную примем именно эту классификацию, так как методы построения (синтеза) и процессы функционирования названных устройств существенно различаются. Заканчивая изложение вопросов классификации, отметим, что приведённый перечень классификационных признаков и перечень наименований микроэлектронных изделий (микросхем) далеко не исчерпывающий. В дальнейшем, по мере необходимости, этот перечень мы дополним. |