Лабораторная работа № 10 исследование типОвых логических функциональных элементов интегральных микросхем

Цель работы: ознакомиться с основными свойствами логических элементов интегральных микросхем малой степени интеграции, которые реализуют основные операции алгебры логики.

Лабораторные схемы

Работа выполняется с помощью лабораторного устройства П-1 с технологическими картами I.1 – I.6. На этих картах изображена принципиальная схема исследуемого устройства в виде соединения логических элементов, выполняющих какие-то логические функции (рис.10.1). Подавая с помощью переключателей SA1 и SA2 на входы “черного” ящика все возможные комбинации логических уровней (“ноль” или “единица”) нужно составить таблицу истинности исследуемого устройства, определить его логическую функцию и записать ее с помощью логических операций И, НЕ, ИЛИ, после чего определить тип каждого логического элемента устройства (замкнутое состояние ключей SA соответствует лог.0.

В лабораторной работе исследуются следующие логические элементы:

1. Элемент И-НЕ для положительной логики (элемент ИЛИ-НЕ для отрицательной логики).

2. Элемент ИЛИ-НЕ для положительной логики (элемент И-НЕ для отрицательной логики).

3. Элемент И.

4. Элемент ИЛИ.

5. Элемент исключАЮЩЕЕ ИЛИ.

6. Элемент неравнозначность.

Домашнее задание

1. Изучить основы алгебры логики. Выписать основные логические функции двух переменных и основные законы алгебры логики.

2. Ознакомиться с элементной базой ТТЛ микросхем. Объяснить работу элемента.

3. Начертить условно-графические обозначение основных логических элементов.

4. Разработать и начертить схемотехническую реализацию логических функций И, НЕ, ИЛИ, исключающее ИЛИ, ИЛИ-НЕ, используя элементы И-НЕ.

5. Подготовить 6 таблиц истинности для исследуемых устройств (рис.10.2).

Задание к лабораторной работе

1. Используя осциллограф и светодиодный индикатор стенда, определить логические уровни сигналов.

2. Последовательно, используя технологические карты от I.1 до I.6 исследовать работу исследуемых логических устройств. Комбинируя входные сигналы с помощью тумблеров SA1-SA2, просмотреть изменение выходных сигналов.

Если светодиод горит, то на выходе логическая 1, если он не горит, то на выходе логический 0.

3. По результатам исследования составить таблицы истинности каждого устройства (рис.8.2) и привести условное обозначение логического элемента.

Теоретические знания

Согласно ГОСТ 17021-88 “Микросхемы интегральные. Термины и определения” интегральной микросхемой (ИМС) называют микроэлектронное изделие, которое выполняет требуемую функцию преобразования и обработки электрических сигналов. Она имеет плотную упаковку электрически соединенных элементов и кристаллов, поставляется и эксплуатируется как единое целое.

1. Классификация интегральных микросхем

Для классификации ИМС используют следующие критерии.

Степень интеграции. Это показатель сложности ИМС, который характеризуется количеством составляющих ее элементов и компонентов и определяется как:

(10.1)

где N – число элементов и компонентов.

По степени интеграции ИМС делятся на:

1. Простые – степень интеграции К≤1 (до 10 элементов и компонентов).

2. Средние - степень интеграции 1<К≤2 (более 10, но менее 100 элементов и компонентов.

3. Большие - степень интеграции 2<К≤4 (более 100, но менее 10000 элементов и компонентов).

4. Сверхбольшие - степень интеграции К>4 (более 10000 элементов и компонентов).

Конструктивно-технологические признаки. По этим признакам ИМС делятся на полупроводниковые, пленочные и гибридные.

1. Полупроводниковая ИМС – это интегральная микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме или на поверхности полупроводникового кристалла. Для изготовления полупроводниковых ИМС используют высокотемпературные процессы диффузии, эпитаксии, ионного легирования и т.п. В полупроводниковой интегральной микросхеме возможно изготовление любых пассивных и активных элементов – резисторов, конденсаторов, индуктивностей, транзисторов, диодов и т.п.

2. Пленочные ИМС – это интегральная микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в виде пленок на поверхности диэлектрической подложки. Пленочные ИМС могут быть тонкопленочными (толщина слоев менее 1 мкм) и толстопленочными (толщина слоев более 1 мкм). Первые изготавливают напылением пленок в вакууме, а вторые - трафаретным нанесением паст. В пленочных ИМС невозможно изготовление активных радиоэлементов – диодов, транзисторов и т.п.

3. Гибридная ИМС – это микросхема, которая содержит кроме элементов дискретные активные или пассивные компоненты и (или) кристаллы.

4. Совмещенные ИМС – это микросхема, которая представляет собой сочетание полупроводниковой ИМС с тонкопленочными элементами на поверхности активной подложки. По совмещенной технологии часто изготавливают цифро-аналоговые и аналогово-цифровые ИМС, при этом по тонкопленочной технологии изготавливаются прецизионные и высокостабильные резисторы и конденсаторы.

Достоинствами полупроводниковых ИМС являются: малые габариты и масса кристалла, большая степень интеграции, возможность одновременного изготовления большого количества активных и пассивных элементов, а значит возможность изготовления идентичных по характеристикам активных элементов.

Недостатками полупроводниковых интегральных микросхем являются: низкая точность номинала резисторов и конденсаторов, существенная температурная зависимость сопротивления резисторов, невозможность изготовления катушек индуктивности, значительные паразитные связи между элементами ИМС.

Достоинствами ГИМС являются: малые затраты на разработку, простота технологии, возможность изготовления пленочных конденсаторов и катушек индуктивности, высокая температурная стабильность резисторов и возможность их подгонки. Кроме того, тонкопленочные ГИМС позволяют изготовлять точные номиналы резисторов за счет качества металлических пленок и возможности лазерной подгонки их номиналов.

Недостатки ГИМС следующие: большие габариты и масса, низкая степень интеграции, необходимость дополнительного монтажа активных и пассивных элементов, невозможность изготовления активных элементов в одном процессе.

Тип обрабатываемого сигнала. По типу сигнала ИМС делятся на: аналоговые, цифровые, аналогово-цифровые и цифроаналоговые.

1. Аналоговые ИМС - это такие ИМС входными и выходными сигналами, которых являются сигналы, непрерывно изменяющиеся по амплитуде. Примером аналоговых ИМС могут служить усилители, генераторы, операционные усилители, трансиверы и т.п.

2. Цифровые ИМС - это такие ИМС входными и выходными сигналами, которых являются сигналы с уровнями лог.0 или лог.1. Примерами цифровых микросхем могут служить различные логические устройства (И, ИЛИ, НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ), счетчики, шифраторы, дешифраторы и т.п.

3. Аналогово-цифровые - ИМС это такие ИМС входными сигналами, которых являются сигналы, непрерывно изменяющиеся по амплитуде, а выходными сигналами являются сигналы с уровнями лог.0 или лог.1. Примерами таких ИМС могут служить аналогово-цифровые преобразователи различного типа, цифровые фильтры и т.п.

4. Цифроаналоговые ИМС - это такие ИМС входными сигналами, которых являются сигналы с уровнями лог.0 или лог.1, а выходными сигналами являются сигналы, непрерывно изменяющиеся по амплитуде. Примерами таких ИМС могут служить цифро-аналоговые преобразователи различного типа, частотные преобразователи и т.п.

Функциональное назначение:

1. Аналоговые ИМС делятся на усилители различного типа (дифференциальные, инструментальные, операционные, мощности и т.п.), генераторы аналоговых сигналов, мультивибраторы, приемопередатчики (трансиверы), стабилизаторы напряжения и тока и т.п.

2. Цифровые интегральные микросхемы делятся на:

1. Комбинационные логические ИМС, которые выполняют логические функции, но не обладают возможностью сохранения предыдущего состояния. Основой комбинационных логических ИМС являются логические элементы НЕ, И, ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. На основе комбинационных логических ИМС изготавливают различные шифраторы, дешифраторы, преобразователи кодов и т.п.

2. Последовательные ИМС, которые обладают возможность сохранения предыдущего состояния. Основой последовательных ИМС являются RS - триггер, D- триггер, JK-триггер. На основе последовательных ИМС изготавливают регистры сдвига, ОЗУ, сложные триггеры, счетчики и т.п.

3. ИМС для вычислительной техники. К ним относятся микропроцессоры, микроконтроллеры, ИМС с программируемыми связями (программируемая логика), интерфейсные ИМС и т. п.

Степень защиты от внешних воздействий. По степени защиты от внешних воздействий ИМС делятся на:

1. БескорпусныеИМС – это кристалл ИМС, не имеющий корпуса. Обычно такие ИМС используют как дискретные компоненты, входящие в состав более сложных ИМС или микросборок, которые в свою очередь имеют защитную оболочку.

2. Герметизированные – это ИМС, кристалл которых располагается в отдельном специально изготовленном корпусе.

3. Защита компаундом – это ИМС, кристалл которых защищен от внешней среды обволакиванием компаундом.