|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы   Рис. 1.21. Фрагмент микросхемы трехвходового элемента ИЛИ - НЕ на р-канальных МДП-транзисторах: а - схема электрическая принципиальная; б - топология Таблица 1.2. Сводка ориентировочиых значений рабочих параметров элементов цифровых логических микросхем (1980 г.)
кристалле, степень интеграции, стоимость и др. Сведения об этих характеристиках приведены в табл. 1.2. Трудности выбора усугубляются тем, что технология производства многих типов логических схем продолжает развиваться, и разработчики аппаратуры должны уметь предвидеть, какая ситуация может сложиться через несколько лет. Наибольшим быстродействием обладают микросхемы ЭСЛ-типа. Однако им присущи самая высокая потребляемая мощность и стоимость, так как они занимают большую площадь кристалла и имеют более сложную электрическую схему. Этим схемам отдают предпочтение в аппаратуре, в которой требуется наибольшее быстродействие любой ценой. ЭСЛ-микросхемы сохраняют работоспособность в большом интервале температур и при колебаниях напряжения в цепях питания. Большая потребляемая мощность затрудняет получение ЭСЛ-микросхем высокой степени интеграции, так как тепловая мощность, отводимая от кристалла, не может превышать нескольких ватт. (Чтобы ощутить тепловой поток от единицы поверхности кристалла, рассеивающего такую энергию, надо сравнить его с тепловым потоком с единицы поверхности электрической лампы мощностью 500 Вт.) Поэтому ЭСЛ-микросхемы - это обычно МИС или СИС (см. табл. 1.1). При создании аппаратуры на ЭСЛ-микро-схемах требуется значительная площадь коммутационных плат и, соответственно, большая длина соединяющих их проводников, что влечет за собой искажение формы сигналов и требует установки соответствующих нагрузок на концах линий связи. Недостатком схем ЭСЛ является и то, что для их работы необходимы два источника питания. Для сравнения различных типов микросхем используют такой параметр, как произведение задержки переключения на мощность. Чем меньше это произведение, тем предпочтительнее данный тип микросхем, так как то же самое время задержки (быстродействие) получают при меньшей мощности. Однако чем меньше произведение задержки на мощность, тем более чувствительны микросхемы к выходной нагрузке. В связи с этим микросхемы типа ЭСЛ и ТТЛ с большой потребляемой мощностью (см. табл. 1.2) малочувствительны к выходной нагрузке. Схемы ТТЛ менее дорогие, чем ЭСЛ, и обладают несколько меньшим быстродействием, хотя и превосходят по быстродействию остальные биполярные микросхемы. Но здесь при сравнении должна учитываться степень интеграции. Если степень интеграции ЭСЛ-схем мала, то для изготовления одного и того же устройства таких схем потребуется больше, чем схем ТТЛ, обладающих большей степенью интеграции. То быстродействие, которое выигрывается при использовании ЭСЛ-схем, может быть потеряно в соединяющих их проводниках. Особенностями схем интегральной инжекционной логики являются малое значение произведения времени задержки на мощность, малая площадь, занимаемая одним логическим ИЛ-элeмeнтoм на кристалле, и технологическая совместимость ИЛ-элементов с другими типами биполярных логических схем: они могут быть изготовлены в одном кристалле вместе с ЭСЛ- и ТТЛ-схемами. Для микроэлектронных устройств с автономными источниками питания (наручные часы, электронные игрушки и др.) целесообразно использовать ИЛ-схемы или МДП-схемы, потребляющие намного меньшую мощность, чем рассмотренные выше схемы, и имеющие сравнительно низкую стоимость. В связи с тем, что р-, п-МДП-и КМДП-схемы потребляют малую мощность и их элементы занимают малую площадь на кристалле, они более всего подходят для создания БИС и СБИС. Схемы КМДП обладают наименьшим потреблением энергии и наибольшей помехозащищенностью. При разработках микроэлектронной аппаратуры целесообразно применение микросхем полупроводниковой памяти, которые могут быть использованы для хранения программ, а также для замены некоторых логических схем. Микросхемы полупроводниковой памяти - запоминающие устройства (ЗУ) - в настоящее время выполняются в виде СБИС. Они либо входят в состав микропроцессорных комплектов, либо выпускаются в виде автономных СБИС, предназначенных для использования в аппаратуре. Их можно классифицировать по ряду независимых признаков: способу хранения информации; способу обращения к памяти; принадлежности к подсистемам памяти ЭВМ; типу носителя информации; функциональному назначению; схемно-технологическому исполнению и т. д. По способу хранения информации ЗУ делятся на статические, динамические и квазистатические. В статических ЗУ хранение информации обеспечивается с помощью постоянного источника питания, информация в режиме хранения неподвижна относительно массива ячеек (носителя информации), при отключении источника питания информация разрушается. В динамических ЗУ информация хранится в виде зарядов, для чего используются емкости р-п переходов и МДП-структур. Время хранения информации ограничено, вследствие чего необходимо периодически ее восстанавливать. По способу обращения к информации различают адресные, ассоциативные ЗУ и ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ). По функциональному назначению ЗУ делятся на постоянные, логические и оперативные. Постоянные ЗУ (ПЗУ) служат для хранения констант и программ. Основными требованиями к ним являются: неразрушающее считывание, высокая надежность, энергонезависимость хранения информации. Различают ПЗУ, программируемые при изготовлении, в которых информация заносится один раз в конструкцию запоминающего массива ячеек и не подвергается изменению, 1ПЗУ - однократно программируемые ПЗУ и РПЗУ - многократно репрограммируемые ПЗУ, в которых запись информации осуществляется пользователем этих интегральных схем памяти. Особую разновидность элементов памяти представляют программируемые логические устройства (ПЛУ), в которых на одном кристалле сформированы логические элементы одного типа. Созданием системы соединений этих элементов (программирования) обеспечивается функционирование ПЛУ. Таким образом, ПЛУ функционально сходны с ПЗУ, запись программ в ПЛУ технологически осуществляется так же, как и программирование ПЗУ, пережиганием перемычек в металлизации, фотошаблоном для формирования контактных окон и др. Практически все типы микросхем памяти могут быть построены на биполярных и на МДП-структурах, что обеспечивает широкий набор их характеристик. Аналоговые микросхемы по выполняемым функциям представляют собой очень широкий класс устройств различного назначения: дифференциальные и операционные усилители, широкополосные усилители, усилители мощности, аналоговые умножители и модуляторы, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, частотно-избирательные устройства. Номенклатура выпускаемых аналоговых микросхем очень широка. В ряде случаев цифровые БИС и СБИС микропроцессорных наборов содержат в своей структуре и аналоговые блоки. Создание БИС позволило значительно повысить функциональную сложность микросхем, что привело к уменьшению их универсальности, а следовательно, к неизбежному увеличению их номенклатуры. Возникла противоречивая, чуть ли не парадоксальная ситуация: чем выше технологический уровень производства, тем более сложные в конструктивном и функциональном отношении микросхемы можно изготовить, но чем выше их степень интеграции, тем более специализированными они становятся и тем большее количество различных сложных устройств надо изготовить в виде интегральных микросхем для создания различных видов микроэлектронной аппаратуры. При этом, естественно, объемы производства каждого устройства будут сравнительно небольшими. Но уже одна только разработка БИС и СБИС занимает несколько месяцев, а ее освоение в производстве - до нескольких лет. Качественным скачком, определившим выход из противоречивой ситуации, явилось создание БИС, функции которых могли быть заданы подачей по определенной программе на их входы внешних электрических импульсов. Возможность функциональной перестройки с помощью программирования является отличительной чертой интегральных схем микропроцессоров. Появление микропроцессорных БИС и СБИС является результатом поступательного развития и взаимного обогащения технологии микроэлектроники и микросхемотехники (высокая степень интеграции, создание схемотехнически сложных устройств в одном кристалле) и вычислительной техники (развитие архитектуры .ЭВМ, алгоритмических языков и программного обеспечения). Как известно, процессор-это основная часть ЭВМ, непосредственно осуществляющая процесс обработки данных и управляющая им. Микропроцессором (МП) называется программно-управляемое устройство, осуществляющее обработку цифровой информации и построенное на одной или нескольких СИС, БИС или СБИС. Микропроцессорный комплект микросхем (МПК) - это набор микросхем, предназначенных для совместного применения, включающий необходимое и достаточное их количество для построения вычислительной техники. Базовым микропроцессорным комплектом называется минимальный набор интегральных микросхем, необходимый и достаточный для построения микропроцессора. Микросхема, предназначенная для построения различных узлов и устройств ЭВМ или микро-ЭВМ и входящая в состав микропроцессорного комплекта, называется микропроцессорной интегральной микросхемой. Как вычислительные устройства микропроцессоры характеризуются простотой управления, малым потреблением энергии, неболь-щими габаритными размерами, возможностью встраивания в объект контроля или управления, возможностью адресации к большим объемам памяти, а как изделия электронной техники - конструктивно-технологическим исполнением, степенью интеграции, надежностью, стоимостью, способом защиты от внешних воздействий. В табл. 1.3 приведен перечень выпускаемых промышленностью и широко используемых микропроцессорных комплектов, из которой видно, что большинство из них выпускаются с использованием Таблицу 1.3. Микропроцессорные комплекты БИС и СИС
"Совместная разработка ГДР и СССР [Н]. различных вариантов МДП-технологии. По технологии изготовления, базирующейся на биполярных транзисторах (ИЛ, ТТЛ, ТТЛШ), выпускают секционированные микропроцессоры, с наращиваемой разрядностью обрабатываемых чисел: 2п, 4п, 8п и т. д., где /г= 1 2 3, ... Микропроцессорные БИС и СБИС являются типичными представителями программно-перестраиваемых интегральных микросхем. Вторым путем сокращения номенклатуры БИС является построение БИС на основе базового кристалла, представляющего собой матрицу не соединенных между собою элементов, электрические связи между которыми формируются в соответствии с назначением БИС на этапе формирования разводки групповым способом с помощью одного или нескольких заказных фотошаблонов. Такие БИС называются матричными или (иногда) полузаказными. На основе одного базового кристалла можно изготовить сотни функционально различных устройств. Весь процесс разработки матричной БИС от составления технического задания до получения опытных образцов занимает несколько Недель. Применение системы автоматического проектирования (САПР) позволяет еще больше сократить цикл разработки и подготовки производства матричных БИС. Функциональные элементы матричных БИС выбирают исходя из технологии изготовления базового кристалла и схемотехнического базиса. Наиболее часто при использовании биполярных транзисторов используют ЭСЛ, ТТЛ, ТТЛШ и ИЛ базисы, а при использовании МДП-транзисторов - п-канальные и КМДП-устройства. Набор элементов, входящих в библиотеку матричной БИС, содержит как отдельные элементы или простые логические ячейки типа И-НЕ; ИЛИ-НЕ, так и достаточно сложные узлы, широко используемые в аппаратуре, например различные триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы, мультиплексоры, усилители и т. п. 1r5 Шв - X R3 о 1 1  J Общий а) Рис. 1,22. Электрическая Схема и топология ячейки ТТЛ матричной БИС 0 1 2 3 [ 4 ] 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||