Цифровые интегральные микоросхемы и их применение

Содержание

 

Введение

Общая характеристика цифровых интегральных микросхем и их параметры

Основы алгебры логики

Логические элементы транзисторной , диодно-транзисторной и транзисторно-транзисторной логики

Заключение

Литература

 

 

Введение

Cуществование и развитие микроэлектроники обусловлено созданием нового сверхминиатюрного электронного элемента — интегральной микросхемы. Появление этих схем, основано на  логике  развития полупроводниковых приборов. Раньше каждый электронный компонент - транзистор, резистор или диод использовался по отдельности, обладал индивидуальным корпусом  и включался в схему при помощи своих индивидуальных контактов. Но постепенно полупроводниковая электроника создала предпосылки для создания подобных устройств на  общем кристалле, а не из отдельных элементов.

 

 

Интегральной микросхемой (ИМС)называют миниатюрное электронное устройство, выполняющее определенные функции  преобразования и обработки сигналов и содержащее большое число активных и пассивных элементов (от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч) в сравнительно небольшом корпусе. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) — ИС, заключённую в корпус

 

Составной элемент не может быть отделен от ИМС как самостоятельное изделие. Компонент интегральной микросхемы — часть ИМС, выполняющая функцию какого-либо электронного элемента, которая до монтажа в ИМС была самостоятельным комплектующим изделием. Компонент может быть отделен  от изготовленной ИМС (например керамический конденсатор, бескорпусный транзистор). Корпус интегральной микросхемы, предназначен для защиты от внешних воздействий и соединения ее с внешними электрическими цепями посредством выводов. Подложка ИМС  предназначается для нанесения на нее элементов гибридных и пленочных ИМС, межэлементных и межкомпонентные соединений, а также контактных площадок. Плата интегральной микросхемы является частью подложки или  - всей подложкой гибридной или пленочной ИМС, на поверхность которой нанесены пленочные элементы ИМС, межэлементные и межкомпонентные соединения и контактные площадки. Контакты площадки представляют собой металлизированные участки на плате, подложке или кристалле ИМС, предназначенные для присоединения выводных тактов, а также контроля электрических параметров и режимов ИМС.

 

Сегодня интегральные микросхемы являются одним из самых массовых изделий  современной микроэлектроники. Микросхемы способны  облегчать расчет и  проектирование функциональных узлов  и блоков радиоэлектронной аппаратуры, ускорять процесс создания новых аппаратов и внедрения их в серийное производство. Широкое применение микросхем позволяет повысить технические характеристики и надежность аппаратуры.

 

Интегральные микросхемы в зависимости  от функционального предназначения делятся на - аналоговые и цифровые.

 

Аналоговые интегральные микросхемы (АИМС) предназначены для преобразования и обработки сигналов,  непрерывно изменяющихся по уровню и во времени. Они широко применяются  в аппаратуре звуковоспроизведения и звукоусиления, радиоприемниках и телевизорах, видеомагнитофонах, в аналоговых вычислительных машинах, и измерительных приборах, технике связи и т. д. АИМС  позволяет создавать сложный завершенный функциональный узел в совокупности с ограниченным количеством внешних радиоэлементов  (например, УПЧ изображения, видеоусилитель, генератор и т. п.). Функциональный узел - это группа радиоэлементов, объединенных конструктивно и технологически в модуль. Эта группа предназначена для создания какой-либо законченной части радиоэлектронной аппаратуры, например, усилителя, фильтра, источника питания и т. п. (стабилизаторы источников питания, операционные усилители, фильтры, преобразователи сигналов). Цифровые ИМС, служат для преобразования и обработки сигналов, выраженных в двоичном или другом цифровом коде. Широко применяются для разработки логических элементов, триггеров, регистров, счетчиков, дешифраторов, микрокортроллеров.

 

Аналоговые микросхемы характеризуются  тем, что входная и выходная электрические  величины могут иметь любые значения в заданном диапазоне. В цифровых же микросхемах входные и выходные сигналы могут иметь либо высокий, либо низкий уровень напряжения. В первом случае мы имеем дело с высоким логическим уровнем,  а во втором - с низким логическим уровнем. Так, для микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) при напряжении питания +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В — логической единице; а для микросхем ЭСЛ-логики при напряжении питания −5,2 В диапазон −0,8…−1,03 В — логической единице, а −1,6…−1,75 В — логическому нулю.

 

Радиолюбители наряду с микросхемами ТТЛ широко применяют также  микросхемы на полевых транзисторах, из которых  наиболее распространены  серии  микросхем КМОП (комплементарные  полевые транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник). Для микросхем напряжения серий К164, К176, К561, К564, соответствующие высокому и низкому логическим уровням, составляют соответственно 8,6...8,8 и 0,02...0,05 В (при напряжении питания 9 В).

 

Таким образом, в микросхемах ТТЛ и КМОП высокий и низкий уровни напряжений сильно отличаются друг от друга, что упрощает совместную работу микросхем с транзисторами, тиристорами и другими приборами.

 

Как мы видим, уровни напряжений принято называть логическими. Это обусловлено тем, что цифровые микросхемы предназначены для выполнения определенных логических действий над входными сигналами. Например, на выходе цифровой микросхемы должно появиться напряжение высокого уровня в случае, если напряжение высокого уровня присутствует хотя бы на одном из входов. Таким образом, данная микросхема выполняет логическую операцию или (логическое сложение). Если же логический сигнал на выходе микросхемы должен быть равен произведению логических сигналов на входах микросхемы, то это операция  называется логическим умножением. Можно назвать множество других правил обработки сигналов в цифровых микросхемах. Поэтому  цифровые микросхемы называют еще и логическими.

 

Основу  работы цифровых микросхем составляет двоичная система счисления. В этой системе используются две цифры: 0 и 1. Цифра 0 обозначает отсутствие напряжения на выходе логического устройства, 1 - наличию напряжения. С помощью нулей и единиц двоичной системы можно закодировать любое десятичное число. Так, для записи одноразрядного десятичного числа требуются четыре двоичных разряда.

 

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

 

В зависимости, от технологии изготовления ИМС делятся  на полупроводниковые, пленочные и  гибридные.

 

В пленочной ИМС все элементы и межэлементные соединения выполнены только в виде пленок. К вариантами пленочных ИМС относятся тонко- и толстопленочные ИМС . К тонкопленочным условно относятся ИМС с толщиной пленок до 1 мкм, а к толстопленочным — ИМС с толщиной пленок свыше 1 мкм.

 

Полупроводниковая интегральная  микросхема характеризуется  тем, что все элементы и межэлементные  соединения выполнены в объеме на поверхности полупроводника.

Цифровые интегральные микросхемы ЦИМС предназначены для преобразования и обработки дискретных сигналов. Основой для их построения являются электронные ключи, обладающие тем свойством, что они могут находиться в одном из двух состояний и их действие заключается в переходе из одного состояния в другое под воздействием входных сигналов. Одному из двух состояний ключа соответствует одно из двух фиксированных значений выходной электрической величины, например, высокий или низкий потенциал, наличие или отсутствие импульса. Так как эти величины могут принимать 2 дискретных значения, то они являются двоичными переменными.

Большинство ЦИМС относится к потенциальным, сигналы на входах или выходах  которых представляют собой высокий  или низкий уровень напряжения. Этим двум уровням напряжения ставятся в  соответствие логические 1 и 0. В зависимости от кодирования сигналов различают положительную и отрицательную логики (Таблица 1. )

 

Таблица 1.

 

При положительной  логике высокому уровню напряжения ставится в соответствие логическая 1, а низкому- логический 0, При отрицательной  логике наоборот.

 

Общая характеристика цифровых интегральных микросхем и их параметры

 

По функциональному назначения ЦИМС подразделяются на подгруппы : логические элементы ЛЭ, триггеры, элементы арифметических и дискретных устройств и другие. Внутри каждой подгруппы микросхемы подразделяются на виды, например виды логических элементов: И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и т.д.

Цифровые интегральные микросхемы выпускаются сериями. В состав каждой серии входят микросхемы, имеющие  единое конструктивно-технологическое  исполнение, но относящиеся к различным подгруппам и видам. В зависимости от схемотехнической реализации ИЛЭ делятся на следующие типы: транзисторной логики (ТЛ), диодно-транзисторной логики (ДТЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), транзисторной логики на МОП-транзисторах(МОП ТЛ). Параметры ЦИМС подразделяются на статические и динамические. К статическим параметрам относятся: входное U0вх и выходное U0вых напряжение логического нуля, входное U1вх и выходное U1вых напряжение логической единицы, аналогично токи логической единицы и нуля, коэффициент разветвления по выходу Краз, определяющий число единичных нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу микросхемы (единичной нагрузкой является один вход основного логического элемента данной серии интегральных микросхем); коэффициент объединения по входу Коб, определяющий число входов микросхемы, по которым реализуется логическая функция; допустимое напряжение статической помехи, характеризующее статическую помехоустойчивость микросхемы, то есть её способность противостоять воздействию мешающего сигнала, длительность которого превосходит время переключения микросхемы; средняя потребляемая мощность.

Статические параметры определяются с помощью статических характеристик, которые снимаются при медленных  изменениях токов и напряжений. Это обстоятельство позволяет пренебрегать переходными процессами в ИЛЭ. К статическим характеристикам относятся: передаточная Uвых= f(Uвх) при Iвых=0, обратной связи Uвх= f(Uвых) при Iвх=0, входная Iвх= f(Uвх) при Iвых=0 и выходная Iвых= f(Uвх) при Iвх=0 . Вторая из названных характеристик практически не используется т.к. сигнал, поступающий с выхода ИЛЭ на его вход очень мал.

На рисунке 2а показана передаточная характеристика инвертирующих ИЛЭ (например И-НЕ, ИЛИ-НЕ) в предположении, что их характеристики идентичны. Действительно наблюдается разброс указанных характеристик как за счёт разброса параметров компонентов, входящих в состав ИЛЭ, так и за счёт различия режимов отдельных элементов. Поэтому передаточная характеристика для некоторой совокупности однотипных элементов представляет собой не одну кривую, а некоторую область, ограниченную сверху и снизу двумя граничными кривыми (рисунок2б).

 

Рисунок 2.

 

При этом U´вх max и U´вых max- максимальный и минимальный уровни выходного сигнала, который имеется хотя бы у одного из элементов данного типа. Аналогично рассматривается U0вых max и U0вых min. На этом же графике точками отмечены уровни входных сигналов: U0вх max – это такой уровень, при котором ни один из элементов данного типа не переключается из 1 в 0, U1вх min- уровень входного сигнала при котором на выходе любого элемента данного типа сохраняется сигнал 0. По этой характеристике можно определить запасы помехоустойчивости ИЛЭ достаточно провести прямые под углом 45 градусов от точек пересечения уровней U1вых min и U0вых max с осью ординат до пересечения с осью абсцисс.

Сравнивая полученные точки на оси  абсцисс со значениями U0вх max и U1вх min определяют запасы помехоустойчивости по нулевому U0пом и по единичному U1пом сигналу на входе.

К динамическим параметрам, характеризующим свойства микросхемы в режиме переключения, относятся: время задержки сигнала при включении - интервал времени между входными и выходными импульсами при переходе Uвых ИЛЭ от U1вых до U0вых, измеренный либо на уровне 0,5 амплитуды импульса, либо на уровне порога чувствительности; время задержки сигнала при выключении- интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе Uвых ИЛЭ от U0вых до U1вых, измеренный либо на уровне 0,5 амплитуды импульса, либо на уровне порога чувствительности; среднее время задержки.

Иногда в качестве параметров ИЛЭ  приводят длительности фронтов нарастания и спада выходного напряжения.

Временные диаграммы напряжения на входе и на выходе ИЛЭ показаны на рисунке3.

 

Рисунок 3.

 

3. Основы алгебры логики

 

Для анализа и синтеза ЦИМС широко применяется аппарат алгебры  логики, который является одним из разделов математической логики. Любое  высказывание можно обозначить символом х и считать, что х=1, если высказывание истинно, и х=0, если высказывание ложно. Логическая переменная- такая величина х, которая может принимать значение 0 или1. Переключательная(логическая) функция у=f(х1,х2,…хn) так же как и её аргументы может принимать значения 0 или 1.При технической реализации переменные х1,х2… отождествляются с входными сигналами логических элементов, а значения функции у=f(х1,х2,…хn) – с выходными сигналами. Любую логическую функцию можно задать с помощью таблицы истинности. Задать логическую функцию- это означает указать значения функции (0 или 1) при всех возможных комбинациях значений аргументов. Логические функции одной переменной приведены в таблице2.