Основні види еом.

 СуперЕОМ. До суперЕОМ відносяться потужні багатопроцесорні обчислювальні машини з швидкодією сотнімільйонів - десятки мільярдів операцій в секунду.

Типова модель суперЕОМ 2000 р. по прогнозу буде мати такі характеристики:

• високопараллельная багатопроцесорна обчислювальна система з швидкодією приблизно 100000 MFLOPS;

• ємність: оперативної пам'яті 10 Гбайт, дискової пам'яті 1 - 10 Тбайт (або 1000 Гбайт);

• розрядність 64; 128 біт.

Фірма Cray Research має намір в 2000 р. створити суперЕОМ продуктивністю 1 TFLOPS = 1000000 MFLOPS.

Створити таку високопродуктивну ЕОМ за сучасною технологією на одному мікропроцесорі не представляється можливим на увазі обмеження, обумовленого кінцевим значенням швидкості розповсюдження електромагнітних хвиль (300000 км / с), бо час поширення сигналу на відстань кілька міліметрів (лінійний розмір сторони мікропроцесора) при швидкодії 100 млрд. оп / с стає порівнянним з часом виконання однієї операції. Поять суперЕОМ створюються у вигляді високопараллельних багатопроцесорних обчислювальних систем (МПВС).

Високопараллельние МПВС мають кілька різновидів:

- Магістральні (конвеєрні) МПВС, в яких процесори одночасно виконують різні операції над послідовним потоком оброблюваних даних; за прийнятою класифікацією такі МПВС відносяться до систем з багаторазовим потоком команд і однократним потоком даних (МКОД або MISD)

- Векторні МПВС, в яких всі процесори одночасно виконують одну команду над різними даними - одноразовий потік команд з багаторазовим потоком даних (ОКМД або SIMD).

- Матричні МПВС, в яких мікропроцесори одночасно виконують різні операції над декількома послідовними потоками даних (, МКМД або MIMD).

У суперЕОМ використовуються всі три варіанти архітектури МПВС:

- Структура MIMD в класичному її варіанті (наприклад, в суперкомп'ютері BSP фірми Burroughs

- Паралельно-конвеєрна модифікація, інакше, MMISD, тобто багатопроцесорна MISD - архітектура (наприклад, в суперкомп'ютері «Ельбрус 3»).

- Паралельно-векторна модифікація, інакше, MSIMD, тобто багатопроцесорна SIMD-архітектура (наприклад, в суперкомпьтере Cray 2).

Найбільшу ефективність показала MSIMD-архітектура, тому в сучасних суперЕОМ найчастіше використовуєтьсясаме вона (суперкомп'ютери фірм Cray, Fujistu, NEC, Hitachi і ін)

 Великі ЕОМ за кордоном часто називають мейнфреймами (Mainframe). До мейнфреймам відносяться, як правило, комп'ютери, що мають такі характеристики:

• продуктивність не менш 10 MIPS;

• основну пам'ять ємністю від 64 до 10000 MIPS;

• зовнішню пам'ять не менше 50 Гбайт;

• багатокористувацький режим роботи (обслуговують одночасно від 16 до 1000 користувачів).

Основні напрямки ефективного застосування мейнфреймів - це рішення науково-технічних завдань, робота в обчислювальних системах з пакетною обробкою інформації, робота з великими базами даних, управління обчислювальними мережами та їх ресурсами. Останній напрям - використання мейнфреймів в якості великих серверів обчислювальних мереж часто наголошується фахівцями серед найбільш актуальних.

Родоначальником сучасних великих ЕОМ, за стандартами якої в останні кілька десятиліть розвивалися ЕОМ цього класу в більшості країн світу, є фірма IBM.

Серед кращих сучасних розробок мейнфреймів за кордоном у першу чергу слід відзначити: американський IBM 390, IBM 4300, (4331, 4341, 4361, 4381), які прийшли на зміну IBM 380 в 1979 році, і IBM ES / 9000, створені в 1990 році, а також японські комп'ютери M 1800 фірми Fujitsu.

 Малі ЕОМ - надійні, недорогі і зручні в експлуатації комп'ютери, що володіють кілька більш низькими в порівнянні з мейнфреймам можливостями.

 МікроЕОМ. Міні-ЕОМ (і найбільш потужні з них суперміні-ЕОМ) володіють наступними характеристиками:

• продуктивність до 100 MIPS;

• ємність основної пам'яті - 4-512 Мбайт;

• ємність дискової пам'яті - 2-100 Гбайт;

• число підтримуваних користувачів - 16-512.

Усі моделі міні-ЕОМ розробляються на основі мікропроцесорних наборів інтегральних мікросхем, 16 -, 32 -, 64-розрядних мікропроцесорів. Основні їх особливості: широкий діапазон продуктивності в конкретних умовах застосування, аппаратівная реалізація більшості системних функцій вводу-виводу інформації, проста реалізація мікропроцесорних та багатомашинних систем, висока швидкість обробки переривань, можливість роботи з форматами даних різної довжини.

До достоїнств міні-ЕОМ можна віднести: специфічну архітектуру з великою модульність, краще, ніж у мейнфреймів, співвідношення продуктивність / ціна, підвищена точність обчислень.

Міні-ЕОМ орієнтовані на використання в якості керуючих обчислювальних комплексів. Традиційна для подібних комплексів широка номенклатура периферійних пристроїв доповнюється блоками межпроцессорной зв'язку, завдяки чому забезпечується реалізація обчислювальних систем із змінною структурою.

Поряд з використанням для управління технологічними процесами міні-ЕОМ успішно застосовується для обчислень в багатокористувацьких обчислювальних системах, в системах автоматизованого проектування, в системах моделювання нескладних об'єктів, в системах штучного інтелекту.

Персональний комп'ютер для задоволення потреб загальнодоступності і універсальності повинен мати такі характеристики:

• малу вартість, що знаходиться в межах доступності для індивідуального покупця;

• автономність експлуатації без спеціальних вимог до умов навколишнього середовища;

• гнучкість архітектури, що забезпечує її адаптивність до різноманітних застосувань у сфері управління, науки, освіти, в побуті;

• «Дружність" операційної системи та іншого програмного забезпечення, що обумовлює можливість роботи з нею користувача без спеціальної професійної підготовки.

За кордоном найпоширенішими моделями ПК в даний час є IBM PC з мікропроцесорами Pentium і Pentium Pro.

Персональні комп'ютери можна класифікувати по ряду ознак. За поколінням ПК діляться наступним чином:

• ПК 1-го покоління - використовують 8-бітні мікропроцесори;

• ПК 2-го покоління - використовують 16-бітові мікропроцесори;

• ПК 3-го покоління - використовують 32-бітові мікропроцесори;

• ПК 4-покоління - використовують 64-бітові мікропроцесори.

СРС № 48

Тема. Диференційні каскади на ОП

Операційний підсилювач (ОП) – це ППС, що має високий коефіцієнт підсилення, два входи (так званий диференційний вхід) і один вихід.

Зазвичай ОП будують як ППС з безпосередніми зв'язками між каскадами, з диференційним входом і біполярним відносно амплітуди підсилюваного сигналу виходом. Це забезпечує нульові потенціали на вході і виході ОП за відсутності вхідного сигналу. Тому такі підсилювачі легко з'єднувати послідовно, а також охоплювати зворотними зв'язками.

За своєю структурою ОП бувають три- або двокаскадні.

За трикаскадною схемою створювалися ОП в інтегральному виконанні першого покоління. Перший диференційний каскад у них працює в режимі мікрострумів, забезпечуючи тим самим високий вхідний опір. Другий диференційний каскад забезпечує підсилення напруги. Третій каскад, вихідний, виконується як двотактний з СК і забезпечує підси­лення потужності, а також низький вихідний опір (див. пп. 3.7.2).

ОП другого покоління виконуються за двокаскадною схемою. Це ста­ло можливим завдяки зростанню рівня інтегральної технології. При цьому, перший каскад забезпечує і високий вхідний опір, і великий коефіцієнт підсилення за напругою. Другий каскад є підсилювачем потужності.

Свою назву ці підсилювачі одержали у зв'язку з тим, що спочатку вони використовувались для моделювання математичних операцій (до­давання, віднімання, диференціювання, інтегрування та ін.) в аналогових обчислювальних машинах (АОМ).

Із розвитком інтегральної техніки області використання ОП значно роз­ширились. Нині вони використовуються в основному як високоякісні підсилювачі напруги під час побудови будь-яких елект-ронних пристроїв, а АОМ тим часом були витіснені цифровими обчислювальними машинами.

Поширеному застосуванню ОП сприяють їхні високі параметри. Це великий коефіцієнт підсилення за напругою, що становить К_U – (10⁴÷10⁶); високий вхідний опір по кожному з входів – R_вх > 400кОм; низький вихідний опір R_виx < 100Ом; досить широкий частотний діапазон – від нуля до одиниць мегагерц.

За наведеними параметрами ОП наближаються до ідеального підсилювача, що має:

1) К_U → ∞;

2) два симетричних входи з R_вх → ∞;

3) R_вих →0;

4) безкінечний діапазон частот підсилюваного сигналу.

При цьому зазначимо, що як лінійні підсилювачі з великим коефіцієнтом підсилення (десятки тисяч разів) реальні ОП не застосовують, бо їх коефіцієнт підсилення (як і інші пара­метри) – величина вкрай нестабільна (наприклад, під дією температури).

Умовне позначення ОП наведене на мал. 4.7, а (на мал. 4.7, б, в наведені умовні позначення, прийняті у деяких зарубіжних країнах).

Мал. 48.1 – Умовні позначення ОП

 

Вхід, на який подано U_І називається інвертуючим, а U_Н – неінвертуючим.

Якщо сигнал подати на неінвертуючий вхід, то зміни вихідного сиг­налу співпадають за знаком (фазою) із змінами вхідного. Якщо сигнал подати на інвертуючий вхід, то зміни вихідного сигналу матимуть проти­лежний знак (фазу) щодо до змін вхідного. Інвертуючий вхід викорис­товують для охоплення ОП зовнішніми НЗЗ, а неінвертуючий – ПЗЗ.

Слід зазначити, що номенклатура сучас­них ОП надзвичайно широка. Це необхідно для забезпечення конкретних специфічних потреб розробників елек­тронних пристроїв.

Схеми вмикання ОП і параметри коригуючих кіл наводяться у довідкових матеріалах.

Найважливішими характеристиками ОП є вихідні амплітудні (пере­датні) характеристики – U_вux = f (U_вх) зображені на мал. 4.12. Знімають ці ха­рактеристики, пода­ючи сигнал на один із входів і з'єднуючи інший з нульовою точкою.

Кожна вихідна ха­рактеристика має горизонтальні та скісну ділян-ки. Гори­зонтальні ділянки відповідають режи­мам повністю від­критого чи закритого транзистора вихідно­го каскаду (режимам  насичення).

Мал. 48.2 – Передатні характеристики ОП

 

При зміні напруги вхідного сигналу на цих ділянках ви­хідна нап-руга підсилювача залишається незмінною і визначається напругами   U ⁺_вux.т  або U ^–_вux.т, близькими до напруги джерел живлення Е₁ та Е₂.

Коефіцієнт підсилення визначається за скісними ділянками за формулою:

 .                                        (4.8)

Великі його значення дозволяють за умов охоплення ОП глибо­ким НЗЗ одержати схеми з властивостями, що залежать лише від параметрів кола НЗЗ бо, як виходить із формули (3.34), при К→∞,  К_З→1/χ залежить лише від параметрів кола НЗЗ.

Стан за якого U_вих = 0 при U_вх = 0, називається балансом ОП. Однак для реальних ОП умови балансу не виконуються (існує розбаланс).

Напруга U_{зм 0}, за якої U_вuх = 0, має назву вхідної напруги зміщення нуля. Вона визначає напругу, яку необхідно подати на вхід підсилюва­ча для створення балансу. Передатні характеристики ОП за наявності розбалансу наведені на мал. 4.13.

 .                                   (4.9)

Корекція розбалансу вико­нується коригуючими колами або, за відсутності таких у ОП деяких типів, по­дачею на вхід напруги, що дорівнює U_зм. 0 і протилежна за знаком (див. пп. 4.6.6).

Вхідний опір, вхідний струм зміщення, макси­мальні вхідні диференційна та синфазна напруги є основними вхідними парамет-рами ОП.

За необхідності захисту від перенапруг між входами ОП вмика­ють зустрічно-паралельно два діоди або стабілітрони.

 

 

Мал. 48.3 – Передатні характеристики ОП за наявності розбалансу

 

Вихідними параметрами ОП є вихідний опір, максимальна вихідна напруга та струм.

Частотні характеристики ОП ви­значають з його АЧХ, зображеної на мал. 48.4

 

 

Рис.48.4 – АЧХ ОП

Вона має спадний ха­рактер за високих частот, почи­наючи від частоти зрізу f_зр.

f_в – верхня межа частотного діа­пазону. При цій частоті:

 .                                          (4.10)

Діапазон частот (0 ÷ f_в) має назву смуги частот ОП.

Широке практичне використання ОП в аналогових пристроях зумов­лене, головним чином, застосуванням у їх схемах різного роду зовнішніх НЗЗ, чому сприяє велике значення коефіцієнта підсилення К_UОП,висо­кий вхідний та малий вихідний опори. Висока якість параметрів сучас­них ОП дозволяє, зокрема, без внесення помітної похибки при розрахунку схем на ОП, приймати К_UОП → ∞, К_{вх ОП} → ∞, К_{вих ОП} → 0 вважати ОП за ідеальний!

СРС № 49

Тема. Особливості проміжних та кінцевих каскадів на ОП

Традиційно , в 60 і 70- і роки , та й на початку 80- х приймальня ( радіочастотна ) частину саморобних приймачів і трансиверів містила два перетворення частоти і в більшості радіоаматорських конструкцій підсилювачі проміжної частоти (ППЧ ) містили , як правило , 2 -3 каскаду підсилення. Лампові і, згодом , транзисторні або комбіновані приймачі супергетеродинного типу будувалися практично за єдиною структурною схемою. В якості фільтрів основний селекції використовувалися , що з'явилися до того часу і , що одержали широке поширення , електромеханічні фільтри ( ЕМФ ) на частоту 500 кГц. З появою ж вузькосмугових кварцових фільтрів з високими експлуатаційними характеристиками , зокрема , хорошою прямокутністю , порівнянної з прямокутністю ЕМФ , малим загасанням в смузі прозорості і великим загасанням в смузі затримання , велику популярність придбали приймачі та трансивери з одним перетворенням частоти. Цьому сприяло також поява методик і накопичення досвіду з виготовлення в радіоаматорських умовах диференційно - мостових і , особливо , сходових кварцових фільтрів. І , як наслідок , у 80- ті і на початку 90- х років розробка і виготовлення саморобних конструкцій з одним перетворенням частоти стало переважаючим. Якщо згадати основні моделі аматорських трансиверів , які отримали велику популярність і широке поширення серед вітчизняних радіоаматорів , то , без жодного сумніву , лідером є трансивер конструкції UW3DI 1971 року - ламповий і 1974 року - лампово - напівпровідниковий , а також спільні конструкції UA1FA і UA1AB , а потім і самого UA1FA . Також і інші , мало чим відрізняються один від одного конструкції. Багато , у наслідку, намагалися дотримуватися структурного повторення цих моделей. Комутація прийом - предача в радіотракт зводилася , в основному , до реверсу змішувачів і використанню ППЧ повністю або частково , або ж до повного поділу трактів прийому -передачі.

Вхідний аудіосигнал , що подається на підсилювач , спочатку буферіруется і посилюється за допомогою вхідного каскаду підсилювача. Вхідний каскад має високий вхідний і низький вихідний опір , що полегшує узгодження попереднього підсилювача з підсилювачем потужності. Саме опір вхідного каскаду визначає вхідний опір підсилювача. Вимірюється в Омасі , воно являє собою опір електричному струму , що виникає при подачі сигналу з попереднього підсилювача . Хорошим стандартним значенням вхідного опору для несиметричного ЯСА - входу можна вважати опір в 47 кОм.

За вхідним каскадом розташований проміжний каскад (іноді його називають драйверної каскадом ) , тобто схема , де відбувається посилення сигналу перед подачею його на вихідний каскад . Проміжний каскад виробляє сигнал високої напруги , необхідний для вихідних транзисторів . Вхідний і проміжний каскади розташовані на великій платі в центрі підсилювача , показаного на рис. 6- 7а . Вихідні каскади лівого і правого каналів змонтовані на платах , встановлених вертикально уздовж бічних сторін підсилювача. У підсилювачах класу А і В ( описаних у цій главі далі) проміжний каскад може працювати як фазоинвертор , що створює копію сигналу з зворотною полярністю для подачі на двотактний вихідний каскад .

У багатьох підсилювачів між цими каскадами передбачені конденсатори зв'язку . Конденсатор зв'язку , званий також розділовим або перехідним , є бар'єром для постійного струму , але пропускає змінний струм аудіосигналу до наступного каскаду . Через те , що ці конденсатори можуть погіршувати якість звучання підсилювача , деякі розробники не встановлюють їх на шляху проходження аудіосигналу . Підсилювач без конденсаторів зв'язку називається підсилювачем з безпосереднім зв'язком між каскадами . Схеми з безпосереднім зв'язком можуть становити певну небезпеку , так як будь-який постійний струм , що надійшов на їх вхід , буде посилений і поданий на гучномовці. Оскільки навіть малий постійний струм може пошкодити їх , деякі підсилювачі мають автоматичну систему регулювання постійної напруги , перешкоджає появі постійної складової напруги на вихідних клемах . Система регулювання постійної напруги контролює його рівень і налаштовує схему для забезпечення мінімуму постійного струму, що протікає через гучномовець . Ви можете легко виміряти величину постійної напруги на виході підсилювача: досить приєднати вольтметр до клем , службовцям для подачі сигналу на гучномовець . Зазвичай ця величина менше 200 мВ.

Більшість високоякісних підсилювачів потужності використовують дискретні схеми вхідних і проміжних каскадів . Дискретна схема створюється з окремих транзисторів , а не з інтегральних мікросхем ( операційних підсилювачах , або ОУ) . Дискретні схеми зазвичай краще , ніж схеми на ОП . У вхідних каскадах підсилювачів потужності часто застосовуються польові транзистори (ПТ) через притаманного їм високого вхідного опору .

Майже у всіх підсилювачах потужності застосовується негативний зворотний зв'язок. При цьому частина вихідного сигналу повертається на вхід. Це робить схему більш лінійної і знижує частотні спотворення. Однак занадто сильна зворотній зв'язок призводить до погіршення звучання. Багато підсилювачі потужності рекламуються як такі, що "неглибоку зворотний зв'язок". Очевидно, ці підсилювачі мають порівняно більшу величину нелінійних спотворень, але можуть краще звучати завдяки використанню слабкою зворотного зв'язку.

Є два типи зворотного зв'язку: місцева і загальна. Місцева зворотній зв'язок діє в межах одного каскаду підсилювача, загальна зворотній зв'язок - це повернення сигналу від кінцевого вихідного каскаду назад на вхід підсилювача. Нарешті, вхідний і проміжний каскади майже завжди працюють в класі А, тобто один транзистор підсилює обидві напівхвилі сигналу.

. РОЗРАХУНОК КІНЦЕВОГО ПІДСИЛЮВАЧА

Вказані параметри може забезпечити безтрансформаторний двохтактний комплементарний підсилювач. Його схема зображена на мал.49.1

Мал. 49.1 Схема безтрансформаторного двохтактного комплементарного підсилювача

Максимальне значення вихідної потужності, амплітуди вихідної напруги і струму споживання не можуть бути більшими слідуючих величин:

; ;

; ;

; .

Тип вихідних транзисторів підбираємо із умов:

- потужність розсіювання ;

- максимально допустимий струм колектора ;

максимально допустима напруга між колектором і емітером .

Вибираємо комплементарну пару транзисторів VT2 - типу КТ817Б (n-p-n), а VT3 - типу КТ816А (p-n-p) в яких:

;

;

.

На сімействі вихідних характеристик транзистора КТ817 будуємо пряму навантаження (рис. 3).

Мал. 49.2 Характеристика для розрахунку кінцевого підсилювача

Для цього на осі абсцис відкладаємо точку із значенням, рівним

.

На осі ординат відкладаємо значення струму

.

З’єднуємо ці точки прямою. Це і буде прямою навантаження.

Вибираємо на прямій навантаження точку 0 (точка спокою). Струм спокою в цій точці складає , а напруга .

Вибираємо на навантажувальній характеристиці точку 1 - точку максимального струму. Максимальний струм в ній буде складати а напруга . Визначимо амплітуду напруги і струму вихідного сигналу:

;

.

Визначимо максимальну вихідну потужність каскаду:

.

Постійна складова колекторного струму при максимальній вихідній потужності сигналу:

Це значення менше максимально допустимого струму колектора транзисторів КТ817Б і КТ816Б, рівного 3 А.

Потужність розсіювання на колекторі кожного із транзисторів дорівнює:

що значно менша гранично допустимої потужності вказаних транзисторів - 20 Вт.

Ємність розділового конденсатора С1 вибираємо із умови:

,

Де С1 - ємність розділового конденсатора (мкФ);

- нижня частота робочого діапазону (Гц);

- опір навантаження (Ом).

;

Вибираємо електролітичний конденсатор ємністю 1000 мкФ на робочу напругу 20 В.

В зв’язку з тим, що ємнісний опір конденсатора збільшується при пониженні частоти, тоді на нижній частоті зменшується вихідна потужність на опорі навантаження. Тому необхідно розрахувати коефіцієнт частотних спотворень Мн на нижній частоті відтворюваного діапазону:

,

де

; ;

.

Коефіцієнт частотних спотворень на верхній частоті, які вносять транзистори VT2 і VT3 кінцевого підсилювача:

,

де

− гранична частота транзисторів КТ817Б и КТ816Б.

.

Визначимо вхідний сигнал, який поступає на бази транзисторів VT2 і VT3 кінцевого підсилювача. Для цього на прямій навантаження визначимо струми бази в точці 0 ( ) і в точці 1 ( ). , .

Відкладемо ці значення по осі ординат вхідної характеристики транзисторів і визначимо відповідне значення і : , .

Так як в колі емітера транзисторів VT2 і VT3 кінцевого каскаду діє вихідний сигнал з амплітудою , який одночасно є напругою негативного зворотного зв’язку, то на вхід необхідно подати рівень, рівний:

Розрахуємо значення постійних напруг на електродах транзисторів VT2 і VT3. На емітерах постійна напруга в стані спокою повинна задовольняти такі умови:

і .

Приймемо .

Розрахуємо постійні напруги на базах. Напруга на базі VT2 буде дорівнювати:

.

Напруга на базі VT3 буде дорівнювати:

.

Для нормальної роботи транзистора VT3 постійна напруга зміщення на базі повинно бути більшим амплітуди вхідної напруги . Вказана умова виконується ( ).

Вхідний струм кінцевого каскаду буде дорівнювати максимальному струму бази транзисторів VT2 і VT3, тобто . Так як в каскадах попереднього підсилення буде використовуватись операційний підсилювач у якого вихідний струм складає одиниці міліампер, то необхідно застосовувати допоміжний підсилювач - емітерний повторювач, зібраний на транзисторі VT1. підсилювач транзистор колектор повторювач

Робочий струм в робочій точці емітерного повторювача, якай працює в класі А, повинен бути не меншим величини вхідного струму кінцевого каскаду. Приймемо значення постійного струму транзистора VT1 .

Знаючи напругу на базах транзисторів VT2 і VT3, а також значення струму розрахуємо величину резисторів R1 і R2:

;

Приймаємо в якості R2 стандартний номінал 470 Ом.

В якості транзистора VT1 вибираємо транзистор КТ312А. На вихідній характеристиці (рис. 4) будуємо пряму навантаження.

Мал. 49.3 Характеристики для розрахунку емітерного повторювача

Для цього на осі абсцис відкладаємо точку 1 зі значеннями Е_К = 16 В. Потім визначаємо режим транзистора в точці спокою. Напруга на транзисторі в точці спокою буде дорівнювати:

Струм в точці спокою як уже було прийнято . Відкладаємо точку 0 з вказаними вище координатами на вихідній характеристиці. Через точки 0 і 1 проводимо пряму навантаження. Відкладаємо в обидві сторони на осі абсцис від точки значення вхідної напруги . Визначимо робочу зону характеристики (проміжок між точками 2 і 3).

В точках 0, 2, і 3 визначимо значення струму бази транзистора VT1:

;

;

.

Вказані значення відкладаємо на осі ординат вхідної характеристики транзистора КТ312А. По вхідній характеристиці визначаємо значення напруги між базою та емітером:

;

;

.

Визначимо параметри вхідного сигналу, який подається на базу емітерного повторювача VT1:

Вхідний струм дорівнює ;

Вхідна напруга сигналу буде дорівнювати сумі

і напруги входу кінцевого каскаду ; .

Постійна напруга зміщення на базі VT1 дорівнює сумі

Перевіримо, що сума вхідної напруги сигналу і постійної напруги зміщення на базі VT1 не перевищує значення напруги живлення:

Вхідний опір емітерного повторювача дорівнює:

.

Напруга живлення Е_К = 16 В.

СРС № 50

Тема. Маркерування операційних підсилювачів

1) Ці мікросхеми мають дві пари вхідних виводів: високоомний вхід-8 і 11, низькоомним-9 і 10. Параметри для К140УД1Б вказано для низькоомний входу (висновок 8 з'єднаний з 9, 10-з 11).  2) Параметри вказані для двох значень керуючого струму Iупр = 1,5 / 15 мкА.  3) Значення параметра для позитивного перепаду вихідної напруги і негативного неоднакові.

Параметри ОП	Uпіт., В	Uпіт.ном., В	KDx10-3	Iп., МА	Uсм, мВ	TKUсм, мкВ / К	Ii, нА	Дельта Ii, нА
К140УД1А, КР140УД1А		2Х6, 3	0.5	6	7	20	5000	1500
К140УД1Б, КР140УД1Б	-	2х12, 6	1.3	12	7	20	8000	1500
К140УД5А (1)	2Х (6 … 13)	2х12	0,5	12	10	35	5000	1000
К140УД5Б (1)	2Х (6 … 13)	2х12	1	12	7	10	10000	5000
К140УД6, КР140УД608	2Х (5 … 20)	2х15	30	3	8	20	50	15
К140УД7. КР140УД708	2Х (5 … 20)	2х15	30	2,8	9	10	400	200
К140УД8, КР140УД8	-	2х15	50	5	50	50	0.2	0.1
К140УД9	2Х (9 … 18)	2Х12.6	3S	8	5	20	350	100
К140УД10	2Х (5 … 18)	2х15	50	10	5	50	250	70
К140УД11. КР140УД1101	2Х (5 … 18)	2х15	30	8	10	50	500	200
К140УД12. КР140УД1208 (2)	2Х11.5 … 18)	2Х3/15	25/50	0,03/0.17	6	5/6	10/50	6/28
К140УД14, КР140УД1408	2х15 … 18)	2х15	50	1	5	20	5	1
К140УД17	2х0 … 18)	2х15	200	5	0,25	1.3	10	5
КР140УД18	2Х (6 … 18)	2х15	25	-	10	-	0.2	0,2
К140УД20	2X(5…2U)	2х15	50	3	5	2	100	30
К153УД1	2Х (9 … 18)	2х15	15	6	7.5	30	1500	500
К153УД2	2х15 … 18)	2х15	25	3	7.5	30	1500	500
К153УДЗ	2х0 … 18)	2х15	25	4	2	15	200	50
К153УД4	2Х (3 … 9 "	2Х6	5	0.8	5	50	400	150
К153УД5	2х15 … 16)	2х15	500	3,5	2	10	100	20
К153УД6	2х15 … 18)	2х15	50	3	2	15	75	10
К154УД1	2Х14 … 18)	2х15	150	0.15	5	30	40	20
К154УД2	2Х (5 … 18)	2х15	100	6	2	20	100	20
К154УДЗ	2Х (5 … 18)	2х15	8	7	10	30	200	50
К154УД4	2х15 … 17)	2х15	8	7	6	50	1200	300
К157УД1	2Х (3 … 20)	2х15	50	9	5	50	500	150
К157УД2	2Х (3 … 18)	2х15	50	7	10	50	500	150
К544УД1, КР544УД1	2Х (8 … 16.5)	2х15	50	3,5	20	50	0,1	0.05
К544УД2, КР544УД2	2х16 … 17)	2х15	20	7	50	50	0,5	0.1
К551УД1	2Х (5 … 16.5)	2х15	500	5	1,5	5	100	20
КМ551УД1	2Х (5 … 16.5)	2х15	500	0	2	10	120	35
КМ551УД2	2Х (5 … 16.5)	2х15	5	10	5	20	2000	1000
К553УД1	2Х (9 … 18)	2х15	10	6	7.5	30	200	60
К553УД2	2Х (5 … 18)	2х15	20	3	7,5	30	1500	500
К553УДЗ	2Х (9 … 18)	2х15	30	4	2	15	200	50
К574УД1. КР574УД1	-	2х15	50	8	50	50	0,5	0.2
К574УД2. КР574УД2	-	2х15	25	10	50	30	1	0.5
К574УДЗ, КР574УДЗ	2Х (3 … 16.5)	2х15	20	7	5	5	0,5	0.2
К1401УД1	4…15	2х15	2	8	5	30	150	-
К1401УД2	2Х (2 … 15)	2х15	25	3	5	30	150	30
К1407УД1, КР1407УД1	2Х (3 … 12)	2Х5	10	8	10	50	10	2
К1407УД2, КР1407УД2	2Х (1.2 … 13,2)	2х12	50	0.1	0,5	-	150	50
К1407УДЗ. КР1407УДЗ	2х12 … 12)	2х12	10	2	5	20	5	1
КФ1407УД4	2Х (1,5 .., 6)	2Х5	3	2	5	-	0.5	0.06
К1408УД1, КР1408УД1	2Х (7 … 40)	2Х27	70	5	8	-	40	10
К1408УД2	2х15 … 20)	2х15	50	2,8	4	-	200	70
К1409УД1	2Х (5 … 15)	2х15	20	6	15	-	0.05	0.03

СРС № 51

Тема. Класифікація ІМС по методу виготовлення

За способом виготовлення і одержуваної при цьому структурі інтегральні мікросхеми (ІМС ) підрозділяються на два типи:

. напівпровідникові ІМС

. гібридні ІМС .

Напівпровідникові ІМС - це монолітні пристрої , в яких всі елементи виготовлені на єдиній напівпровідникової підкладці і в єдиному технологічному циклі.

За напівпровідникової технології в основному виготовляються цифрові ІМС малої , середньої та великої ступеня інтеграції; мікропроцесори , мікрокомп'ютери ; а також низькочастотні аналогові , аналого - цифрові пристрої (операційні підсилювачі , компаратори , аналогові , цифроаналогові перетворювачі і т.д.).

Гібридна інтегральна мікросхема є мініатюрну друковану плату з напиленими провідними доріжками , до яких припаюються , приварюються або приклеюються дискретні безкорпусні елементи (транзистори , діоди , чіпи безкорпусних напівпровідникових ІМС) , а також формуються на друкованій платі пасивні елементи (резистори , конденсатори , котушки індуктивності) .

За способом виготовлення пасивних елементів гібридні інтегральні мікросхеми (ГІС ) поділяються на :) товстоплівкові ГІС ;) тонкоплівкові ГІС.

У товстоплівкових ГІС для нанесення плівок використовується механічний спосіб видавлювання паст через трафарет . Для отримання різних пасивних елементів використовуються відповідні пасти.

У тонкоплівкових ГІС для формування пасивних елементів використовуються методи напилення , електрохімічного осадження .

При мікромініатюрізациі високочастотних і СВЧ радіоелектронних пристроїв найбільш часто використовується тонкоплівкова гібридна технологія .

У зв'язку з цим даний методичний посібник присвячено питанням проектування тонкоплівкових ГІС.

Інтегральні мікросхеми (ІМС) або чипи здатні обробляти і берегти інформацію, управляти персональними комп’ютерами, різними домашніми пристосуваннями і навіть роботами на складальних конвейєрах. Цей мікроелектронний пристрій виготовляється на напівпровідниковому кристалі (або плівці) і поміщається в нерозбірний корпус. кристал або плівку з електронною схемою часто позначаються як інтегральна схема (ІС), а під мікросхемою (МС) інтегральну схему, укладену в корпус.

 

Кожна мікросхема – це набір сотень схем, а також таких компонентів як резистори, що створюють опір електричному струму, і конденсатори, здатні накопичувати заряд і транзистори – найважливіші компоненти, що усилюють, включаючі і вимикаючі напругу.

 

Кристал мікросхеми. Численні компоненти мікросхеми формуються в кристалі кремнію – елемент, не провідний струм за звичайних умов, але здатний поширювати електричні імпульси при внесенні домішок. Мікросхеми виготовляють за допомогою методу фотолітографії і труїть, з єдиного кристала.

 

Класифікація мікросхем

Класифікація мікросхем по ступінь інтеграції:

• до 100 елементів в кристалі – Мала інтегральна схема (МІС)

• до 1000 елементів в кристалі – Середня інтегральна схема (СІС)

• до 10000 елементів в кристалі – Велика інтегральна схема (ВІС)

• до 1 мільйона елементів в кристалі – Надвелика інтегральна схема (НВІС)

• до 1 мільярда елементів в кристалі – ультравелика інтегральна схема (УВІС)

• більше 1 мільярда елементів в кристалі – Гігавелика інтегральна схема (ГВІС)

 

Класифікація мікросхем по виду оброблюваного сигналу:

• аналогові мікросхеми

• цифрові мікросхеми

• аналого-цифрові мікросхеми

Аналогові мікросхеми – це схеми, де вхідні і вихідні сигнали змінюються за законом безперервної функції в діапазоні від позитивної до негативної напруги живлення.

 

Класифікація мікросхем по технології виготовлення:

• Напівпровідникова мікросхема – всі елементи і міжелементні з’єднання виконані на одному напівпровідниковому кристалі

• Плівкова мікросхема – всі елементи і міжелементні з’єднання виконані у вигляді плівок (товстоплівкова і тонкоплівкова інтегральна схема

• Гібридна мікросхема – окрім напівпровідникового кристала містить декілька безкорпусних діодів, транзисторів та інших електронних компонентів, поміщених в один корпус.

СРС № 52

Тема. Функціональна класифікація мікропроцесорів

Загальна функціональна класифікація мікропроцесорних засобів показано на мал. 52.1

Мікропроцесори з апаратним принципом управління характеризуються фіксованого розрядність шин адреси і даних і незмінною системою команд. Остання характеристика означає, що набір можливих елементарних дій процесора утворює кінцеве фіксоване безліч, причому кожному дії відповідає конкретний керуючий код - код команди. Вказане властивість визначається тим, що до складу процесора входить блок дешіфраціі команд , функціонуючий з жорсткої апаратної логіці.

мікропроцесорний комплект (МПК) - набір НВІС і ВІС із загальними конструктивно-технологічними принципами і електричними характеристиками (рівні сигналів, швидкодія), призначених для побудови функціонально повнофункціональної мікропроцесорної системи (МПС) < /strong> для задач обчислень або управління. До складу МПК входять власне центральний процесор (ЦП), або мікропроцесор, арифметичний сопроцессор - засіб ефективної реалізації обчислювальних дій під керуванням ЦП, а також контролери периферійних функцій з програмної настройкою режимів: порти паралельної і послідовної зв'язку, < strong> таймери - засоби реалізації часових інтервалів, контролери переривань та прямого доступу до пам'яті. Мікросхеми ПЗУ і ОЗУ не входять до складу МПК і утворюють самостійні функціональні групи.

Мал. 52.1. Функціональна класифікація мікропроцесорних коштів

Універсальні мікропроцесори орієнтовані на використання в різних обчислювальних, інформаційних та керуючих системах, в яких вимагається обробка великих обсягів інформації (наприклад, для цифрової обробки зображень, управління базами даних, візуалізації даних оператора або екіпажу), але немає спеціальних вимог до архітектури обчислювача, великій кількості коштів УСО, габаритним розмірами і енергоспоживання. Універсальність мікропроцесора увазі як широку сферу використання, так і типову структуру обчислювальної системи. Для таких пристроїв зазвичай реалізується архітектура фон Неймана, і рідше Гарвардській архітектура. Типова структура універсального мікропроцесора показана на ріс.1.2 (К1).

Універсальні мікропроцесори не є самодостатніми пристроями, і для побудови обчислювальної системи вимагають підключення ряду додаткових мікросхем (пам'ять, контролери, порти). Тому зазвичай для конкретного універсального МП розроблений т.зв. мікропроцесорний комплект, який містить різні буферні елементи і контролери, функціонально і електрично сумісні з цією моделлю МП (chipset).

Мал. 52.2. Типова структура універсального мікропроцесора.

Однокристальний мікроконтроллер (МК) являє собою мікропроцесорних систем, реалізовану на одному кристалі НВІС. Типова архітектура МК включає в себе власне процесор, генератор тактовим імпульсів (ГТВ), блоки пам'яті (ОЗУ і ПЗУ), порти вводу-виводу, таймери, контролер переривань. Функціональні можливості цих блоків нижче, ніж у відповідних спеціалізованих ВІС з МПК. Основними достоїнствами МК є конструктивне і схемотехнічне єдність всіх блоків, загальний електричний інтерфейс, зручність програмної установки режимів роботи всіх підсистем. Завдяки цьому мікроконтролери є популярним засобом для побудови вбудованих цифрових керуючих систем. Самі Однокристальний мікроконтролери й обчислювально-керуючі системи на їх основі реалізовані відповідно до Гарвардської архітектурою.

МК для задач логічного управління - логічні процесори - мають спеціальні апаратні розширення (пам'ять з бітової адресацією, порти з індивідуальною настройкою кожній лінії) і розширений набір команд логічної обробки даних. У сучасних розробках широке застосування знайшли МК серії К1816 (аналог Intel MCS-51), а також AVR - і PIC-контролери. Існують також численні розширення стандартного MCS-51 - з підвищеним швидкодією, збільшення обсягу пам'яті і набором функцій. Типова структура МК для задач логічного керування показана на ріс.1.3 (К2).

Мал. 52.3. Типова структура мікроконтролера для логічного керування.

Аналогові процесори для обробки сигналів-включають в себе, крім типових блоків МК, включають в себе багатоканальні АЦП і ЦАП, блоки формування керуючих імпульсів (наприклад, шим-імпульсів). Такий процесор представляє собою інтегровану систему обробки аналогової інформації в цифровому вигляді.

Ще один різновид МК - конвеєрні сигнальні процесори, містять конвеєри для реалізації алгоритмів цифрової фільтрації даних і обробки зображень. Такі алгоритми складаються з послідовності операцій множення і додавання. Конвеєр представляє собою набір однотипних блоків для виконання операцій множення-підсумовування, включених послідовно один за одним. Таким чином, результат виконання операції в одному блоці автоматично є вхідними даними для наступного блоку. Застосування конвеєрної обробки дозволяє видавати на кожному такті роботи системи черговий результат обчислень. Прикладом подібних пристроїв є мікроконтролери Intel MCS-196/296. Приклад структури такого мікропроцесорного пристрою показаний на мал. 52.4.

Приклад найпростішої структури сигнального процесора показано на мал. 52.4. Особливість мікропроцесора даного типу полягає в тому, що до його складу входить блок апаратного множення (MUL), який спільно з арифметикою-логічним пристроєм (ALU) і зсувний регістра (SHIFTER) утворює блок для ефективної реалізації обчислень по алгоритмам цифрової фільтрації даних.

МП з мікропрограмного принципом управління конструктивно виконують у вигляді секцій БІС малої розрядність, що мають засоби для нарощування розрядність оброблюваних даних. Для подібних МП в принципі відсутнє поняття системи команд. Дії процесора на той чи інший керуючий код (лічені з пам'яті код команди) визначаються програмістом шляхом установки спеціального блоку або ВІС - блоку мікропрограмного управління. Таким чином, розробники системи можуть сформувати систему команд, орієнтовану на ефективне вирішення певного кола завдань. Істотним недоліком подібних систем є громіздкість апаратних модулів на їх основі, а також необхідність написання програмного забезпечення буквально в машинних кодах, що ускладнює розробку. В даний час такі секціонірованние МП практично витіснені Однокристальний МП і мікроконтролерів.

Сучасна реалізація ідеї мікропрограмного керування представлена програмованими логічними інтегральними схемами (Плис) . Основу Плис становить матриця елементарних логічних блоків. За рахунок зміни зв'язків між блоками можна побудувати обчислювальний пристрій довільної структури, яка ідеально відповідає конкретної задачі. Проектування структури Плис виконується на спеціальному мовою опису апаратури (VHDL) або за допомогою графічних засобів з наступною генерацією програми формування структури. Як правило, на Плис реалізують нетривіальні алгоритми (нечітка логіка, емуляція апаратури, адаптивне управління).

Мал. 52.4. Типова структура процесора обробки сигналів (без АЦП і ЦАП)

СРС № 53

Тема. Активні елементи ІМС

Для реалізації ІМС з різною швидкодією застосовують декілька схемотехнічних принципів, що відрізняються один від одного. ІМС з найвищою швидкодією побудовані на основі елементів емітерно-зв'язаної логіки (ЕЗЛ). Такі ІМС можуть перемикатися з високою частотою, яка в деяких мікросхемах досягає 2000МГц, але при цьому споживають значну потужність та володіють низькою завадостійкістю. Враховуючи ці особливості мікросхем ЕЗЛ, їх практичне застосування обмежується тільки пристроями з дуже великою швидкодією. Для мікроелектронних пристроїв з нижчою швидкодією прийнятливіші ІМС, що побудовані на основі елементів транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ) та ТТЛ з діодами Шотки (ТТЛШ). Ці ІМС за швидкодією перекривають діапазон 150МГц, характеризуються меншим енергоспоживанням та вищою завадостійкістю, що зобумовлює їх дуже широке застосування. Для пристроїв з низькою частотою пермикання застосовують ІМС транзисторної логіки з безпосередніми зв'язками на компліментарних МДН-транзисторах (КМОН). Компліментарною називають пару МДН транзисторів з каналами різного типу провідності і однаковими характеристиками. Такі ІМС можуть перемикатись з частотою до 1МГц і відрізняються найнижчим рівнем енергоспоживання.

Таким чином, за схемотехнічною ознакою серії ІМС розділяють на наступні групи: ЕЗЛ, ТТЛ та ТТЛШ, КМОН. Для повнішої уяви про особливості ІМС вказаних типів логіки коротко розглянемо параметри їх базових елементів та порівняємо їх.

Елемент ЕЗЛ (рис.3) складається з перемикачів струму на транзисторах VT1-VT3 та двох емітерних повторювачів на транзисторах VT4, VT5. Кількість входів логічного елемента визначає кількість паралельно ввімкнених транзисторів в лівому плечі перемикача струму. Елемент має два входи X1, X2. До бази транзистора VT3 постійно прикладена опорна напруга від'ємної полярності, значення якої знаходиться між напругами низького та високого рівнів. Цю напругу формує каскад, який вмонтований в логічний елемент (на рисунку не показано). Емітери всіх транзисторів об'єднані через високоомний резистор R1 (звідси й назва логіки) і під'єднані до джерела напруги живлення від'ємної полярності. Напруга низького рівня (-1.6В) відповідає рівню логічного нуля, а напруга високого рівня -0.98В) відповідає рівню логічної одиниці.

Малюнок 53.1 Базовий логічний елемент ЕЗЛ

Емітерні повторювачі потрібні для узгодження рівнів вхідних та вихідних сигналів, а також для зниження вихідного опору з метою підвищення швидкодії та навантажувальної здатності логічного елемента. Деякі елементи ЕЗЛ не мають резисторів на виходах. Такі виходи називають "з відкритим емітером", їх можна паралельно вмикати на спільне вихідне навантаження або під'єднювати до лінії передачі. У всіх цих випадках передбачається робота вихідних кіл елемента від додаткового джерела живлення -2В.

При надходженні хоча б на один вхід напруги високого рівня відповідний транзистор VT1 або VT2 відкривається і через нього протікає струм, який на резисторі R3 формує напругу від'ємної полярності відносно корпуса. Ця напруга передається емітерним повторювачем на вихід Y1. При цьому транзистор VT3 закритий, тому на виході Y2 буде напруга високого рівня. При наявності на обидвох входах напруг низького рівня відповідні транзистори закриті, а транзистор VT3 - відкритий і стан виходів встановлюється на протилежний, аніж у попередньому випадку.

Елемент ЕЗЛ має парафазний вихід. На виході Y1 виконується логічна операція АБО-НЕ, а на виході Y2 - операція АБО. Такі елементи відрізняються підвищеною швидкодією за рахунок використання в них принципу перемикання струму та через відсутність насичення транзисторів. Недоліками елементів ЕЗЛ є їх значне енергоспоживання, низька завадостійкість та чутливість до короткочасних завад. На базі елементів ЕЗЛ побудовані ІМС серій 100, К193, К500, К570, К1500 та ін. Найрозвиненіший функціональний склад мають серії 100 та К500. Серія К1500 нового покоління характеризується вищою швидкодією та меншим енергоспоживанням.

Елементи ТТЛ та ТТЛШ будуються на основі єдиного схемотехнічного принципу (рис.4). Відмінність елементу ТТЛ від ТТЛШ полягає в тому, що в транзисторах другого присутні діоди Шотки, які ввімкнені в транзистор між базою та колектором, обмежуючи насичення транзистора, що забезпечує вищу швидкодію та менше енергоспоживання.

Малюнок 53.2 Базовий логічний елемент ТТЛШ (ТТЛ)

В схемі логічного елемента на вході знаходиться багатоемітерний транзистор (до 12-ти емітерів) VT1, який виконує логічну операцію І, а на виході - складний інвертор на транзисторах VT2-VT5. Таким чином елемент виконує логічну операцію І-НЕ. Всі мікросхеми ТТЛ та ТТЛШ мають напругу живлення 5В. Напруга низького рівня (логічний нуль) для всіх мікросхем ТТЛ складає 0.4В, напруга високого рівня (логічна одиниця) - 2.4В (див.табл.1). У мікросхем ТТЛШ вказані напруги мають близькі значення.

При надходженні на входи X1 та X2 сигналів високого рівня емітерні переходи транзистора VT1 закриваються. Струм через резистор R1 та відкритий колекторний перехід VT1 поступає на базу VT2 і закриває його. Падінням напруги на резисторі R3 відкривається транзистор VT3. Транзистори VT4, VT5 закриваються. В результаті - на виході елемента встановлюється напруга низького рівня. При подачі на один із входів сигналу низького рівня відкривається відповідний емітерний перехід транзистора VT1 і через цей перехід потече струм  . Транзистори VT2, VT3 закриються, а транзистори VT4, VT5 - відкриються. На виході елемента встановлюється напруга високого рівня. Діоди VD1, VD2 введені в структуру елемента для захисту його входів від скачків напруги від'ємної полярності.

Серії мікросхем ТТЛ та ТТЛШ перекривають широкий діапазон за швидкодією та енергоспоживанням. Це забезпечується комплексним випуском серій, які розраховані на різну швидкодію, але сумісних за всіма характеристиками, часто навіть і розведенням виводів у корпусі. Так, комплекс серій мікросхем ТТЛ включає серії 130, К131 (частота переключення ІМС до 30МГц), серії 133, К155 (до 10МГц), серії К134, К158 (до 3МГц). На зміну мікросхемам ТТЛ прийшли мікросхеми ТТЛШ серій 530, К531 (до 80МГц), 533, К555 (до 10МГц), К1531 (до 150МГц), К1533 (до 30МГц). Останні дві серії відрізняються значно меншим енергоспоживанням.

Елементи на КМОН-транзисторах. Ці мікросхеми виділяються серед інших найнижчим споживанням потужності від джерела живлення. Основу таких мікросхем складає ключовий каскад (рис.5). Якщо на обидва входи логічного елемента подати сигнал низького рівня (лог.0), то транзистори VT1, VT2 (з каналом p-типу) будуть в закритому стані, а транзистори VT3, VT4 (з каналом n-типу) - у відкритому. На виході елементу встановиться напруга високого рівня (лог.1). Якщо хоча б на одному з входів елемента, наприклад X1, буде присутня напруга високого рівня, то транзистор VT1 буде у відкритому стані, а VT3 - у закритому. Тому на виході встановиться напруга низького рівня.

Малюнок 53.3 Базовий логічний елемент КМОН.

Елементи на КМОН-ключах характеризуються підвищеною завадостійкістю: допустима напруга статичної завади рівна половині напруги живлення. Однак такі ІМС вирізняються підвищеною чутливістю до статичної напруги, через високий вхідний опір. Для захисту від впливу статичної напруги в структуру ІМС вводяться діодно-резистивні кола. Основна область застосування мікросхем КМОН типу - це цифрові пристрої невисокої швидкодії з обмеженим енергоресурсом. Швидкодія КМОН мікросхем характеризується частотою перемикання до 3МГц.

Найповніший функціональний склад мають серії К561, 564, К176. Перші дві серії близькі за складом та параметрами (див. табл.1). Мікросхеми вказаних серій працездатні при напругах живлення від 3 до 15В. Ця особливість вказаних ІМС дозволяє суттєво знизити вимоги до джерел живлення по відношенню до їх потужності та якості фільтрації і за рахунок цього отримати значний виграш в масі та розмірах цифрових пристроїв. Деякі серії, наприклад, 164, К176, вимагають напруги живлення 9В, але вони також спроможні праювати при зміні напруги живлення в значних межах.

Порівняльні характеристики деяких параметрів вказаних типів та серій ІМС наведено в таблиці 1.

Таблиця 1 Порівняльні характеристики ІМС різних серій

Тип логіки	Серія ІМС	, В	, В	, В	, В	, нс	, мВт
ЕЗЛ	К1500	-4.5	-1.03	-1.61	0.1	1.4	16
	К500	-5.2	-0.98	-1.63	0.1	2.9	34
ТТЛШ	К1531	5	2.7	0.5	0.5	3.8	2.1
	К531					5	16
	К1533					12	2.4
	К555					20	7.5
КМОН	К176	9	7.7	0.5	0.9	200	10-3
	К561	5*	4.99	0.01	2.5	160	10-5**
	К564	5*	4.99	0.01	2.5	160	10-5**
ТТЛ	К131	5	2.4	0.4	0.4	11	40
	К155					19	25
	К134					100	2
* Зберігають працездатність при зміні напруги живлення від 3 до 15В. ** Не більше 0.1мВт на частоті 1МГц.

Одним з перспективних напрямків розвитку цифрових пристроїв є використання нових схемотехнічних та технологічних принципів формування функціональних структур на базі інтегрально-інжекційної логіки (ІІЛ, або І²Л). Мікросхеми ІІЛ характеризуються низьким енергоспоживанням (менше 1мкВт на логічний елемент), вимагають низьковольтного джерела живлення, мають малий логічний перепад та низьку завадостійкість. Завдяки невеликій потужності споживання та відсутності додаткових резисторів і інших компонентів, в цих схемах вдається реалізувати високу густину розміщення приладів у кристалі, тобто високий рівень інтеграції. Разом з цим, присутні в елементів ІІЛ особливості не дозволяють їх використовувати у звичайному варіанті конструктивного виконання логічних ІМС, оскільки необхідні спеціальні міри щодо їх узгодження з ІМС інших класів та щодо захисту їх від завад. Тому основною областю застосування технології ІІЛ є ІМС мікропроцесорів, ІМС пам'яті та інших складних функціональних вузлів. Такі ІМС, в основному, складаються з схем ІІЛ, але по периферії кристалу містять елементи ТТЛ, або ТТЛШ. Тому такі ІМС, за зовнішніми електричними характеристиками не відрізняютья від ІМС ТТЛ або ТТЛШ і можуть знаходити сумісне використання.

В деякі серії входять ІМС на МДН-транзисторах з каналами одного типу провідності: або електронної, або диркової. Ряд серій містить в основі елементи діодно-транзисторної логіки (ДТЛ): К511, К514, К523. Мікросхеми цих серій мають підвищену завадостійкість та відповідну область застосування, наприклад, в електронному обладнанні станків з числовим програмним управлінням та ін.

Крім вказаних, ще можливе застосування мікросхем резистивно-транзисторної логіки (РТЛ). Ці мікросхеми є найпершими розробками. Вони володіють високою завадостійкістю та прийнятною розсіюваною потужністю. Характеризуються відносно низькою швидкодією і на сучасному етапі розвитку мікросхемотехніки практично не знаходять застосування через наявність великої кількості резисторів і конденсаторів, які займають великі площі в кристалі. Ці ІМС, в основному, виготовлялись за гібридною технологією. Серії РТЛ: К217, К218 та інші.

В таблиці 2 наведено результати розподілу за рангами основних параметрів різноманітних логічних елементів; при цьому ранг 1 відповідає найкращому значенню параметру, а ранг 10 - найгіршому.

Таблиця 2 Розподіл за рангами логічних елементів

Тип логічного елемента	Швидкодія	Розсіювана потужність	Розгалуження за входом	Завадостійкість	Степінь генерації завад
РТЛ	5	6	5	10	2
ДТЛ	7	6	5	9	2
ТТЛ	3	6	5	5	9
p-МДН	10	2	2	3	2
n-МДН	8	2	2	4	2
КМОН	9	1	1	1	2
ТТЛШ	2	8	5	5	9
ІІЛ	5	4	5	5	2
ЕЗЛ	1	10	2	4	1

СРС № 54

Тема. Методи ізолювання елементів ІМС

При виготовленні інтегральних схем дуже важливим є контроль технологічних процесів . Добре організований контроль забезпечує високий пріцент виходу придатної продукції . Успішний контроль виготовлення інтегральних мікросхем в основному залежить від знання процесу виробництва і полягає у вимірі та візуальної перевірки основних операцій технологічного процесу , а також у використанні полученой інформації для коригування технологічних режимів . Методи технологічного контролю , використовувані у виробництві ІМС , можна об'єднати в три групи: поопераційний контроль , візуальний контроль , тестові ІМС .

Методи поопераційного контролю після технологічних процесів епітаксії , дифузії та інших ті ж , що і у виробництві дискретних пріборов.Сюда входять вимірювання товщин плівок , глибин pn - переходів , поверхневої концентрації та ін , вироблені на спеціальних контрольних зразках , які розміщені разом з робочою пластинами на дану операцію .

Метод візуального контролю відіграє важливу роль у виробництві ІМС , незважаючи на гадану тривіальність . Він включає огляд схем під оптичним мікроскопом і використання різних засобів візуалізації - спостереження термографії та ін

Нарешті , один з основних методів контролю параметрів ІМС на різних технологічних етапах - це застосування тестових структур. Розглянемо більш докладно два останні методу .

Візуальний контроль . Істотні дані про стан пластини можна отримати візуальної перевіркою за допомогою мікроскопа з великим збільшенням - від 80х до 400х . При цьому виявляються такі показники , як стан поверхні , надлишкове або недостатнє травлення , зміна товщини окисного шару , правильність переходу та ін

Одним з найбільш небезпечних дефектів є пористість окисного шару , легко обнаруживаемая при візуальної перевірки схеми під мікроскопом. Це - невеликі отвори в окісна шарі , викликані або пилом при нанесенні фоторезиста , або пошкодженням фотошаблона . Якщо цей дефект виявиться в критичній точці , то подальша дифузія домішки може викликати коротке замикання переходу і вихід з ладу всієї мікросхеми.

Одним з ефективних методів візуалізації є використання скануючого електронного мікроскопа, що дозволяє спостерігати топографічний і електричний рельєф інтегральної мікросхеми. Це спостереження забезпечує неруйнівний характер контролю . Для спостереження необхідно , щоб поверхня мікросхеми була відкритою. Різка зміна потенціалу на поверхні викликає зміну контрасту зображення, формованого вторинними електронами , і свідчить про розімкнутої електричного кола або про перегрітих ділянках . Цим методом можна легко виявити забруднення переходу , частинки пилу , проколи в окісна шарі і подряпини на тонкому шарі металізації . Нормальний градієнт потенціалу в резистори можна спостерігати у вигляді рівномірного зміни кольору від темного на одному кінці резистора до світлого на іншому його кінці , при цьому підкладка має більш високу напругу зміщення , як це зазвичай буває і інтегральних мікросхемах. Зображення резистора тому буде рельєфним . Встановивши ряд таких зображень інтегральних компонентів , відповідних нормі , можна судити на підставі порівняння з цими еталонами про відхилення і викликали їх причинах . Збільшення енергії електронів у промені дозволяє проникати в поверхневий шар для виявлення таких дефектів , як тріщини .

Для вимірювання термічних профілів з ​​виявленням перегрітих ділянок розроблений інфрачервоний скануючий мікроскоп. Мікроскоп включає ІК -детектор з високою роздільною здатністю , об'єднаний з точною деталлю сканирующим і записуючим пристроями. Чутливим елементом є пластина антимонида індію , підтримувана при температурі рідкого азоту. Таку апаратуру використовують для оцінки якості конструкції даної мікросхеми щодо розсіювання тепла і потужності. Термосканірующій прилад має такі переваги: ​​висока роздільна здатність - порядку 1 * 10-3 мм2 , висока чутливість до зміни температури - близько 2 ° С , широкий температурний діапазон - від 30 до декількох сотень градусів , висока швидкість спрацьовування - одиниці мкс , неруйнуюче і безконтактне вимір.

У планарних структурах на поверхні схеми добре видно гарячі ділянки , що виникають в результаті наявності проколів в оксиді і дифузійних каналів у напівпровіднику . Відхилення від норми виявляють шляхом порівняння з нормально функціонуючими стандартами ІМС . В останні роки широке застосування отримали термографічні системи, засновані на використанні термочутливих фарб. Плівки з термочутливих фарб , у тому числі рідких кристалів , нанесені на поверхню інтегральної мікросхеми , поставленої під навантаження , фарбуються в різні кольори , що дозволяє , спостерігаючи ІМС під мікроскопом , фіксувати зміна температури з точністю до 0.5 ° С.

Тестові інтегральні мікросхеми. Наявність в інтегральних мікросхемах великої кількості конструктивних елементів - по кілька сотень і тисяч перетинів провідників , переходів із шару на шар , областей і висновків активних і пасивних компонентів , контактних майданчиків та ін Практично виключає 100 %-ний контроль всіх елементів по електричним параметрам з - за високої трудомісткості цієї операції. В цей же час необхідність такого контролю , особливо на етапі відпрацювання та вдосконалення технології , очевидна.

Для контролю електричних характеристик структур та якості проведення технологічних операцій використовують спеціально виготовлені або розміщуються на робочій підкладці структури , звані тестовими мікросхемами . Основний принцип їх побудови полягає в тому , що тестова мікросхема по відношенню до реальної повинна бути виготовлена ​​по тому ж технологічним маршрутом , містити всі конструктивні елементи в різних поєднаннях і забезпечувати зручність їх контролю під час випробувань і оцінку якості технологічного процесу. Зручність контролю досягається або послідовним , або паралельним включенням в електричний ланцюг елементів мікросхеми. Тестові мікросхеми складаються з набору декількох сотень однотипних елементів - діодів , транзисторів резисторів , переходів із шару на шар , перетинань провідників та ін з контактними майданчиками і такий комутацією , яка дозволяє при потребі змінити кожен елемент схеми окремо або проконтролювати відразу групу елементів . Наприклад , тестова резисторного схема є послідовною схемою , яка містить 200 елементів , між якими є контактні площадки . Якщо в реальному ІМС зустрічаються високоомні і низькоомні резистори , то роблять дві різні тестові мікросхеми , що відображають специфіку кожного типу резисторів . Аналогічний підхід використовується для тестових мікросхем транзисторів і діодів.

Поряд з тестовими мікросхемами контроль окремих компонентів , в першу чергу діодів і транзисторів , проводиться за допомогою тестових кристалів. Тестовий кристал містить набір ізольованих елементів, що зустрічаються в інтегральній мікросхемі (мал. 54.1). Його розміри близькі до розміру чіпа і на пластині розташоване тестових кристалів стільки ж , скільки розміщується інтегральних мікросхем .

Застосування тестових мікросхем і кристалів дозволяє організувати ефективний технологічний контроль виробництва ІМС і скоротити трудомісткість при проведенні при проведенні випробувань на надійність БІС , особливо на етапі відпрацювання технології .

З підвищенням функціональної складності інтегральних мікросхем різко зростає трудомісткість і складність операцій контролю їх параметрів . Практично неможливо перевірити інтегральну мікросхему без автоматизованих контрольно вимірювальних систем .

До основних видів контрольних випробувань інтегральних мікросхем відносяться:

параметричний контроль

функціональний контроль

діагностичний контроль

Доцільність і ефективність застосування різних видів контролю залежить головним чином від складності і ступеня інтеграції мікросхем , типу логічних елементів і цілей контрольних випробувань .

Параметричний контроль . Використовується для мікросхем з малою інтеграцією і включає в себе вимірювання основних параметрів на постійному струмі. Крім того , даний вид передбачає проведення перевірки правильності виконання нескладних логічних функцій , яка проводиться одночасно з послідовним вимірюванням вихідних електричних сигналів після подачі певної комбінації каліброваних сигналів струму або напруги на входи інтегральної схеми.

Слід зазначити , що ефективність параметричного виду контролю з точки зору оцінки працездатності мікросхеми в цілому з підвищенням ступеня інтеграції зменшується , а вимір деяких процесів , таких , як час наростання і спаду сигналу , стає недоцільним.

Функціональний контроль . Використовується для перевірки інтегральних схем з високим ступенем інтеграції і включає в себе проведення статистичних і динамічних вимірювань на базі контрольної тестової таблиці , складеної , наприклад , за допомогою ЕОМ з урахуванням мінімізації кількості вхідних кодових комбінацій. Функціональний контроль дозволяє проводити перевірку великих інтегральних мікросхем в умовах , близьких до експлуатаційних .

Діагностичний контроль . Найбільш ефективний при проведенні випробувань гібридних інтегральних мікросхем , в яких в принципі можлива заміна несправних елементів , розташованих на загальній підкладці.

Складність і різноманіття програми функціонального та діагностичного контролю інтегральних мікросхем вимагають обов'язкового використання ЦВМ і спеціальних автоматизованих систем. Автоматизовані системи, що використовуються для контролю інтегральних мікросхем , характеризуються такими основними параметрами : продуктивністю , максимальним числом висновків , максимальним числом розрядів кодової комбінації , котра видається однією командою за один цикл управління , числом контрольних постів в системі , з якими можлива одночасна робота , складом і універсальністю програмного забезпечення , можливістю виконання параметричного контролю .

Принцип роботи автоматизованої системи функціонального контролю інтегральних мікросхем із застосуванням ЦОМ полягає в наступному.

За командою від ЦВМ в лічильник адреси пам'яті записується початкова адреса вхідних тестових комбінацій , а в регістр адреси контрольованої тестової комбінації - відповідну адресу. На компаратор подається від ЦВМ очікувана комбінація вхідних сигналів. Кілька розрядів запам'ятовує вхідних тестових комбінацій виділено для зберігання певного числа циклів тактового генератора Протягом періоду зберігання на вхідні висновки інтегральної схеми повинна подаватися одна і та ж тестова комбінація . Число циклів у зворотному коді переписується в лічильник повторень тестових комбінацій , на рахунковий вхід якого надходять тактові імпульси . При його заповненні збільшується вміст лічильника адреси пам'яті і опитується запам'ятовуючий пристрій вхідних тестів за новою адресою. При рівності адреси лічильника пам'яті і регістра контрольованої комбінації припиняється подача тактових імпульсів , компаратор стробіруется за часом , фіксуючи вхідні імпульси останньої тестової комбінації.

Шляхом запису в регістр адреси контрольованої комбінації різних адрес перевіряється інтегральна мікросхема з динамічною логікою на всіх тестових комбінаціях. Крім зазначених елементів система включає в себе схему порівняння , схему видачі вхідних впливів і вентиль .

Найбільш ефективними методами контролю якості сполук є випробування на механічну міцність і металографічний аналіз .

Для перевірки механічної міцності з'єднань існує багато пристосувань і установок , а також способів випробувань . Наприклад , при випробуванні на зріз структуру з приєднаними висновками піддають розтягуванню силою, що діє паралельно поверхні підкладки . Якщо міцність з'єднання становить менше 70 % міцності застосованої зволікання , з'єднання вважається якісним. Випробування з'єднань на відрив виконується шляхом багаторазових вигинів виведення під кутом 30 , 45 і 90 ° щодо поверхні підкладки (установка УКПМ -1). Міцність клейових з'єднань визначають випробуваннями на розрив. Міцність клейового з'єднання на розрив повинна бути не менше ( 125 ... 150 ) * 105 Н/м2.

Металографічний аналіз полягає в обстеженні поперечних або косих шлифов і дозволяє виявити їх внутрішню структуру і виявляти не змочені при пайку ділянки , проплавлення , мікротріщини , раковини , пори , интерметаллические включення , сліди дифузії припою по межах зерен.

Рентгенівська дефектоскопія за допомогою розбіжного пучка дозволяє виявляти внутрішні дефекти і дає достатню інформацію про надійність з'єднань . На відміну від металографічного аналізу цей метод неруйнівний .

Контроль деталей після холодного штампування виконується візуальним оглядом . Основні види браку після холодного штампування та їх причини наведено в табл. 1 . Розмір деталей . Вимірюють універ - сальними вимірювальними інструментами: штангенциркулем , мікрометром , індикатором і оптичним приладом - інструментальним мікроскопом.

Площина поверхонь деталей перевіряють методом світлової щілини за допомогою лекальної лінійки. Око людини здатний вловлювати просвіт в 0.003 ... 0.004 мм.

Контроль на герметичність проводиться двічі: після виготовлення основи корпусу з ізольованими висновками і після герметизації мікросхем . Герметичність спаю висновків з матеріалом підстави або герметичність мікросхеми в корпусі характеризується швидкістю натекания гелію. Для готових мікросхем за критерій герметичності прийнята швидкість натекания гелію (см3 / с) при різниці тисків зовні і всередині корпусу 105 Па . Корпуси високої якості мають швидкість натекания , що не перевищує 10-8 см3 / с.

Перевірка підстав корпусів на герметичність виконується за допомогою спеціальних пристосувань, що дозволяють за допомогою вакуумних ущільнень створювати обсяг , замкнутий на контрольовану деталь .

Існує багато методів контролю на герметичність. Найбільш часто застосовуються мас- спектрометричний , вакуум- рідинний і вологісний методи .

Мас- спектрометричний метод заснований на індикації атомів гелію , що випливають через наявні в окремих вузлах або загерметизованих корпусах течі. Застосування гелію для виявлення течі пояснюється тим , що він є рухомим газом і має високу проникаючу здатність . Гелій вводиться в корпус мікросхеми або при герметизації , або шляхом тривалої витримки вже загерметизованих мікросхем в спеціальних герметичних камерах - бомбах , заповнених після попередньої відкачки гелієм до тиску (3 ... 5 ) * 105 Па . За час витримки (3 ... 48г ) в бомбі в корпуси мікросхем , що мають течі , проникає гелій. Мікросхеми витягують з бомби і поміщають у склянку установки , наприклад напівавтомата УКГМ -2 з трьохпозиційної каруселлю . Поворотом каруселі склянку переходить в нову позицію , ущільнюється і відкачується . Після відкачки обсяг склянки автоматично перемикається на течешукач , який перетворює витікання гелію в електричний сигнал. Якщо сигнал перевищує встановлене значення , ІМ бракується .

Мас- спектрометричний метод відрізняється високою чутливістю. До недоліків відносяться: низька продуктивність ( 100 ... 200шт / ч) , складність обслуговування установок.

Вакуум - рідинний метод заснований на реєстрації бульбашок повітря , що виходять через течі корпусу в рідину , над якою створюють розрядження близько 10 ... 15 Па . Рідина - гас або уайт - спірит попередньо вакуумируют , тобто витримують протягом години при тиску 700 Па і при температурі 70 ... 120 ° С. Мікросхеми занурюють у рідину. Якщо в корпусі є текти , то за рахунок різниці тисків всередині і поза корпусом газ будев виходити назовні у вигляді цівки дрібних бульбашок. Таким чином , при візуальному спостереженні виявляється місце течі. Метод простий , оперативний, більш продуктивний - до 700шт / год, але менш чутливий і тому дозволяє виявляти тільки грубі течі. Метод застосовується як попередній для обробки корпусів з великими течами перед остаточним контролем мас -спектрометричним методом .

Компресійно - термічний метод - різновид попереднього методу . Корпуси опускаються в нагріте обезводнений силіконове масло. Нагрівання до 200 ° С підвищує чутливість методу .

Вологісний метод контролю найбільш простий, надійний і дозволяє одночасно контролювати , крім герметичності , стійкість покриттів корпусів на вплив підвищеної вологості. Мікросхеми витримують у камерах тепла і вологи протягом декількох діб в умовах підвищеної вологості ( 95 ... 98 %) при температурі ( 40 ± 5 ) ° С. Критерієм забракування є погіршення електричних параметрів внаслідок проникнення вологи в корпуси .

СРС № 55

Тема. Особливості, призначення біполярного транзистора з діодом Шоттки

Біполярний транзистор є поширеним активним елементом у сучасних інтегральних мікросхемах. Структура біполярного транзистора в інтегральних мікросхемах відрізняється від структури дискретного транзистора ізоляцією від підкладки.

Біполярні транзистори мікросхем формуються на напівпровідниковій підкладці p-типу в ізольованих від неї областях n-типу, званих кишенями. Ізоляція кишень від підкладки може бути виконана кількома способами. Самий ідеальний спосіб ізоляції за допомогою діоксиду кремнію, проте, він є технологічно складним (мал.55.1, а). Найбільш простий спосіб ізоляції за допомогою обратносмещенного pn-переходу, але він недосконалий через наявність зворотного струму (мал.55.1, б). Основним методом ізоляції при виробництві інтегральних мікросхем є створення комбінованої ізоляції, що поєднує два попередні (мал.55.1, в).

Мал.55.1 Способи ізоляції кишень від підкладки

Найбільшого поширення набули транзистори, які мають вертикальну структуру, в якій всі висновки від областей транзистора розташовані в одній площині на поверхні підкладки (мал. 55.2). Така структура називається планарної. Структура складається з емітерний 1, базової 2 і колекторної 3 областей. Під колекторної областю розташований прихований n +-шар 4. Від зовнішніх впливів структура захищена діоксидом кремнію 5, в якому є вікна 6 для приєднання металевих висновків 7 до відповідних областей структури.

Мал . 55.2 . Структура біполярного транзистора з прихованим n + - шаром

Особливістю даної структури є те , що виведення від колекторної області інтегрального транзистора здійснюється на верхній поверхні кристала. Тому для зменшення об'ємного опору області колектора створюється прихований n + - шар. Однак навіть за наявності прихованого n + - шару опір колекторної області інтегрального транзистора виявляється більше аналогічного опору дискретного транзистора , так як прихований n + - шар відокремлений від колекторного електрода високоомним шаром колекторної області . Це призводить до деякого погіршення частотних властивостей інтегрального транзистора у зв'язку із збільшенням постійної часу ланцюга колектора ( часу перезарядження бар'єрної ємності колектора ) . Тому граничні частоти біполярних транзисторів в інтегральних мікросхемах зазвичай не перевищують . При цьому необхідно також врахувати , що вихідна ємність інтегрального транзистора складається не тільки з бар'єрної ємності колекторного переходу , а й з бар'єрної ємності ізолюючого переходу між областю колектора інтегрального транзистора та іншою частиною кристала.

Основу біполярних інтегральних мікросхем складають транзистори npn - типу , це викликано зручностями формування саме npn -структур і кілька кращими параметрами інтегральних npn - транзисторів у порівнянні з параметрами інтегральних транзисторів pnp - типу.

Справа в тому , що для формування сильнолегованих емітерний областей транзисторів npn - типу зазвичай використовують дифузію фосфору , який має велику розчинність в кремнії і відносно малий коефіцієнт дифузії . Таким чином , для формування pnp - транзистора в інтегральній мікросхемі , яка містить npn - транзистори , необхідно ще провести додаткову дифузію якогось акцептора з граничною розчинністю , що перевищує граничну розчинність фосфору. А такі акцептори практично відсутні.

Тому основним прийнятним варіантом інтегрального транзистора pnp - типу є так званий горизонтальний або бічній транзистор ( мал. 55.3) . Для його формування не треба вводити додаткових технологічних операцій , так як p - області його емітера і колектора виходять одночасно при створенні p - області бази транзистора npn - типу. Однак горизонтальний pnp - транзистор виявляється бездрейфовим через однорідного легування його базової області - епітаксійного шару . Товщина активної частини бази горизонтального транзистора виходить відносно великий . Все це призводить до посередніх частотним властивостям горизонтального транзистора : його гранична частота не перевищує зазвичай декількох десятків мегагерць.

Мал. 55.3. Структура горизонтального транзистора

У горизонтального транзистора повинні бути однаковими пробивні напруги емітерного і колекторного переходів. Близькими повинні бути і коефіцієнти передачі струму емітера при нормальному та інверсному включенні такого транзистора, оскільки області емітера і колектора однакові за властивостями.

Горизонтальна структура дозволяє легко здійснити многоколлекторних транзистор. Для цього достатньо кільцеву область колектора розділити на кілька частин і передбачити окремі висновки від кожної частини - від кожного колектора. Коефіцієнт передачі струму для кожного колектора буде, звичайно, у відповідне число разів менше, ніж для єдиного колектора, але все колектори будуть діяти «синхронно», а навантаження в усіх колекторних ланцюгах будуть електрично розділені. Многоколлекторних транзистор виявляється зручним для деяких цифрових інтегральних мікросхем.

Біполярний транзистор в цифрових інтегральних мікросхемах зазвичай виконує функцію ключа, і весь час працює або в режимі насичення, або в режимі відсічення. У режимі насичення відбувається накопичення неосновних носіїв заряду в базі транзистора, а також у колекторної області. Процеси накопичення неосновних носіїв і їх подальшого розсмоктування при перекладі транзистора в режим відсічення пов'язані з відносно повільним процесом дифузії неосновних носіїв заряду. Інерційність цих процесів визначає швидкість перемикання транзистора з включеного стану у вимкнений і назад, тобто швидкість спрацьовування схеми.

Для прискорення процесу накопичення і розсмоктування неосновних носіїв заряду доцільно обмежити їх накопичення. Досягти цього можна шляхом шунтування колекторного переходу транзистора діодом Шотткі, тобто діодом з випрямляючим електричним переходом між металом і напівпровідником. Структура такого інтегрального транзистора показана на мал. 55.4.

Мал. 55.4. Структура транзистора с діодом Шоттки

Алюмінієвий електрод утворює з p - областю бази омічний перехід , а перехід між алюмінієвим електродом і щодо високоомній n - областю колектора виходить випрямляючим . Через нерівності робіт виходу електронів з алюмінію і з кремнію з електропровідністю n - типу і в результаті хімічної обробки поверхні кремнієвого кристала на контакті для електронів виникає потенційний бар'єр , дещо менший висоти потенційного бар'єру на колекторному переході. Тому при прямому зміщенні колекторного переходу і відповідно при прямому зміщенні діода Шотткі основна частина прямого струму колектора буде проходити через діод Шотткі . Цей струм пов'язаний з рухом електронів з n - області колектора в металевий електрод і не супроводжується інжекцією дірок в n - область колектора. Таким чином , в високоомній області колектора практично не відбувається накопичення неосновних носіїв заряду.

Виготовлення інтегрального транзистора з діодом Шотткі не вимагає введення додаткових технологічних операцій . Необхідно лише змінити відповідним чином фотошаблон , застосовуваний при проведенні фотолітографії для зняття діоксиду кремнію під контакти , і розширити шар напилюваного алюмінію за металургійну кордон колекторного переходу . Однак при знятті діоксиду кремнію в місці виходу колекторного переходу на поверхню монокристала кремнію і при обробці цієї поверхні перед нанесенням алюмінієвої металізації слід запобігти можливість забруднення pn - переходу колектора неконтрольованими домішками.

СРС № 56

Тема. Уніполярні транзистори у ІМС

На малюнку 1. схематично зображена будова одного з типів польового транзистора: метал-оксидного (MOSFET), або МОН (метал-оксид-напівпровідник). Струм в транзисторі протікає через канал, що утворено легованою областю напівпровідника, розташованою між підкладкою і затвором. До каналу під'єднані два електроди — витік, що є джерелом носіїв заряду й стік, до якого носії заряду стікаються. Контакти між витоком та стоком і каналом робляться омічними. Для цього приконтактні області сильно легують. Ці області позначені на малюнку

Мал. 56.1 Схема будови метал – оксидного польового транзистора

За принципом дії польовий транзистор дуже схожий на водопровідний кран. Носії заряду протікають через канал, обмежений з одного боку підкладкою, в якій не може протікати струм, бо в ній немає носіїв заряду, та областю збіднення, яка утворюється під затвором завдяки контактній різниці потенціалів. Шириною області збіднення можна керувати, прикладаючи до затвора напругу. При прикладенні зворотної напруги область збіднення розширюється і перекриває більшу частину каналу. В канал наче висувається заслінка. При певному значенні зворотної напруги область збіднення повністю перекриває канал. Струм через канал зменшується. В цьому випадку говорять, що транзистор закритий. Відповідне значення напруги називається напругою запирання. При прикладенні до затвора прямої напруги, канал розширюється, пропускаючи більший струм.

Серед різновидів польових транзисторів можна виділити два основні класи: польові транзистори із затвором у виді p-n переходу та польові транзистори із затвором, який ізольований від робочого напівпровідникового об'єму діелектриком. Прилади цього класу часто також називають МДН транзисторами (від словосполучення метал - діелектрик - напівпровідник) та МОН транзисторами (від словосполучення метал - оксид - напівпровідник), оскільки в якості діелектрика найчастіше використовується діоксид кремнію. В свою чергу транзистори з ізольованим каналом поділяються на транзистори з вбудованим каналом та індукованим каналом.

Також польові транзистори підрозділяються на транзистори з каналом провідності n-типу або p-типу.

Польовий транзистор з керівним p-n переходом - це польовий транзистор, затвор якого ізольований (тобто відокремлений в електричному відношенні) від каналу p-n переходом, зміщеним у зворотньому напрямку.

Такий транзистор має два невипрямлювані контакти до області, по якій проходить керований струм основних носіїв заряду, і один або два керівних електронно-діркових переходи, зміщених у зворотному напрямку. При зміні зворотної напруги на p-n переході змінюється його товщина і, отже, товщина області, по якій проходить керований струм основних носіїв заряду. Область, товщина і поперечний переріз якої управляється зовнішньою напругою на керівному p-n переході і по якій проходить керований струм основних носіїв, називають каналом. Електрод, з якого в канал входять основні носії заряду, називають витоком або джерелом (англ. Source). Електрод, через який з каналу йдуть основні носії заряду, називають стоком (Drain). Електрод, який слугує для регулювання поперечного перетину каналу, називають затвором (Gate).

Електропровідність каналу може бути як n-, так і p-типу. Тому по електропровідності каналу розрізняють польові транзистори з n-каналом і р-каналом. Всі полярності напруг зсуву, що подаються на електроди транзисторів з n-і з p-каналом, протилежні.

Управління струмом стоку, тобто струмом від зовнішнього щодо потужного джерела живлення в колі навантаження, відбувається при зміні зворотної напруги на p-n переході затвора (або на двох p-n переходах одночасно). У зв'язку з малістю зворотних струмів потужність, необхідна для управління струмом стоку і споживана від джерела сигналу в колі затвора, виявляється мізерно малою. Тому польовий транзистор може забезпечити посилення електромагнітних коливань як по потужності, так і по струму і напрузі.

Таким чином, польовий транзистор за принципом дії аналогічний вакуумного тріода. Витік у польовому транзисторі подібний катоду вакуумного тріода, затвор - сітці, стік - аноду. Але при цьому польовий транзистор істотно відрізняється від вакуумного тріода. По-перше, для роботи польового транзистора не потрібно підігріву катода. По-друге, будь-яку з функцій витоку і стоку може виконувати кожен з цих електродів. По-третє, польові транзистори можуть бути зроблені як з n-каналом, так і з p-каналом, що дозволяє вдало поєднувати ці два типи польових транзисторів в схемах.

Від біполярного транзистора польовий транзистор відрізняється, по-перше, принципом дії: в біполярному транзисторі управління вихідним сигналом проводиться вхідним струмом, а в польовому транзисторі - вхідною напругою або електричним полем. По-друге, польові транзистори мають значно більший вхідний опір, що пов'язано із зворотним зсувом p-n-переходу затвора в розглянутому типі польових транзисторів. По-третє, польові транзистори можуть мати низький рівень шуму (особливо на низьких частотах), так як в польових транзисторах не використовується явище інжекції неосновних носіїв заряду і канал польового транзистора може бути відділений від поверхні напівпровідникового кристала. Процеси рекомбінації носіїв в p-n переході і в базі біполярного транзистора, а також генераційно-рекомбінаційні процеси на поверхні кристала напівпровідника супроводжуються виникненням низькочастотних шумів.

Із розробкою технології інтегральних схем польові транзистори майже витіснили біполярні транзистори з більшості галузей електроніки. Понад 100 млн транзисторів у процесорікомп'ютера, за допомогою якого можна прочитати цю сторінку Вікіпедії, є польовими транзисторами. Вони використовуються також у мікросхемах, які входять до складу більшості радіоелектронних приладів: мобільних телефонів, телевізорів, пральних машин, холодильників тощо

Вперше ідея використання ефекту поля (електричного) для модуляції провідності на поверхні напівпровідника була запропонована Лілієнфельдом в середині 20-х років. В другій половині 30-х років Вільям Шоклі спробував її реалізувати на поверхні германію, керівний електрод розділявся за допомогою слюдяної пластинки. Хоч ефект поля і підтвердився експериментально, проте до практичної реалізації справа так і не дійшла. І тільки в 1960 році, коли була розроблена технологія пасивації кремнію (Девон Канг та Мартін Аталла), з'явились перші МДН-транзистори. 

СРС № 57

Тема. Дифузійні елементи ІМС

У напівпровідникових інтегральних мікросхемах біполярний транзистор є елементом з найскладнішою структурою. Для його формування необхідно провести послідовно кілька етапів дифузії домішок. Щоб не ускладнювати технологію виготовлення інтегральної мікросхеми, доцільно для створення резисторів використовувати одну з областей транзисторної структури: емітер, базу або колектор (мал. 57.1).

Мал . 57.1 . Транзисторні структури , використовувані як резисторів

Емітерна область містить найбільшу концентрацію домішок і має найменшим питомим опором шару . Тому емітерна область придатна для формування дифузійних резисторів тільки з малим опором (близько ) . Через велику концентрацію домішок температурні коефіцієнти опору таких резисторів будуть малі.

Колекторна область транзисторної структури містить найменшу концентрацію домішок. Тому колекторна область взагалі придатна для формування дифузійних резисторів з великим опором , але через малу концентрації домішок температурні коефіцієнти опору таких резисторів великі.

Таким чином , для формування дифузійних резисторів зазвичай використовують базову область транзисторної структури . Без істотного збільшення площі , займаної дифузійним резистором , в базовій області можуть бути створені резистори з опором до . У той же час такі дифузійні резистори мають прийнятні температурні залежності опору ; в усякому разі , ці залежності слабші , ніж для дифузійних резисторів , сформованих у колекторної області .

Дифузійні резистори , як і інші резистивні елементи , характеризують такі параметри : діапазон номінальних значень опору , допуски по опору , температурний коефіцієнт опору , допустима потужність розсіювання і максимальна напруга . У масовому виробництві інтегральних мікросхем дифузійні резистори не можуть бути виготовлені з досить малими межами допусків з ряду причин. Наприклад , важко витримувати необхідну поверхневу концентрацію домішок і глибину дифузії з високою точністю.

Для дифузійних резисторів діапазон номінальних значень опору , як зазначалося , обмежений зверху .

Крім цього при формуванні інтегральних мікросхем взагалі і мікросхем з дифузійними резисторами зокрема в структурі інтегральної мікросхеми утворюються паразитні елементи , які можуть порушити нормальну роботу інтегральної мікросхеми.

Незважаючи на зазначені недоліки , дифузійні резистори широко застосовують в інтегральних мікросхемах , так як їх формування не вимагає додаткових технологічних операцій і не здорожує схему.

В якості конденсаторів інтегральних мікросхем часто використовують бар'єрну ємність pn-переходу, зміщеного в зворотному напрямку. Такий пасивний елемент інтегральної мікросхеми зручно формувати одночасно з формуванням транзисторних структур або використовувати безпосередньо pn-переходи транзисторних структур (мал. 57.2). Бар'єрна ємність pn-переходу може бути використана як для створення конденсатора постійної ємності, так і для конденсатора змінної ємності, якою можна керувати шляхом зміни постійного зміщення на переході.

Мал . 57.2 . Структури дифузійних конденсаторів

Діапазон номінальних значень ємності дифузійних конденсаторів , які можуть бути сформовані на відведених для них площах монокристала напівпровідника , визначається концентрацією домішок у прилеглих до переходу областях. Дифузійні конденсатори , що використовують еміттерную ємність транзисторної структури , мають велику питому ємність у порівнянні з конденсаторами на колекторному переході.

Однак при великій концентрації домішок у прилеглих до переходу областях і, отже , при малій товщині переходу буде мало пробивну напругу такого переходу , а значить , і дифузійного конденсатора. Таким чином , питому ємність і пробивна напруга дифузійних конденсаторів треба розглядати спільно . Взаємозв'язок між цими параметрами виявляється несприятливою для дифузійних конденсаторів .

У зв'язку із залежністю бар'єрної ємності від напруги зміщення на pn - переході дифузійні конденсатори можуть бути використані для посилення електромагнітних коливань , тобто можуть бути активними елементами інтегральних мікросхем .

В якості діелектрика такого конденсатора використовують шар діоксиду кремнію, яким покритий кристал напівпровідника (мал. 57.3). Однією обкладкою конденсатора є шар металу (зазвичай алюмінію), нанесений на поверхню шару діоксиду кремнію одночасно із створенням межелементних з'єднань і контактних майданчиків; інший обкладкою - сильнолегованого область напівпровідника, яка формується одночасно з формуванням емітерний областей транзисторних структур інтегральних мікросхем. Таким чином, процес виготовлення МДП-конденсаторів також не вимагає проведення додаткових операцій їх формування.

Мал. 57.3. Структура МДП-конденсатора

У острівці, призначеному для МДП-конденсатора, не формують базову область транзисторної структури, тобто не проводять дифузію домішок для створення базової області. Тому під МДП-конденсатором є тільки один pn-перехід між колекторної областю транзисторної структури і підкладкою, який необхідний для ізоляції МДП-конденсатора від інших елементів, розташованих на одній з ним напівпровідникової пластині.

СРС № 58

Тема. Аналогові ІМС

Аналогові ІС застосовуються для посилення , перетворення та обробки сигналів , що змінюються в часі у вигляді безперервної функції . Інтегральних схем взагалі , і аналоговим зокрема , властиві ряд відмінних особливостей , які обумовлені специфікою їх технології .

1 . При розробці і проектуванні аналогових ІС насамперед прагнуть забезпечити широку універсальність і багатофункціональність , щоб знизити вартість виробу і підвищити ефективність виробництва.

2 . Наслідком багатофункціональності є функціональна надлишковість . Функціональна надмірність може бути використана для поліпшення характеристик ІС , підвищення їх надійності і т. п.

3 . Прагнення зменшити кількість технологічних операцій і пов'язане з цим широке використання транзисторних структур не тільки для посилення , але і для виконання функцій пасивних елементів . Число ж пасивних елементів прагнуть по можливості зменшити , замінюючи їх транзисторними структурами , оскільки технологія у них спільна .

4 . Для збільшення відсотка виходу придатних ІС , які відповідають заданим вимогам , проектована ІС повинна володіти низькою чутливістю до розкиду параметрів елементів .

5 . Широке застосування зворотних зв'язків для ряду цілей: корекції характеристик , виконання різних математичних

      операцій і т. п.

6 . В аналогових ІС , як правило , застосовуються каскади з безпосереднім зв'язком , так як використання конденсаторів для розділення каскадів по постійному напрузі , по - перше , істотно погіршує характеристики каскадів в області низьких частот через порівняно малих значень ємностей і , по-друге , ускладнює технологію виробництва. Відмова від застосування конденсаторів вимагає прийняття заходів щодо стабілізації режиму по постійному струму і узгодження за рівнем постійного потенціалу окремих каскадів між собою і окремих ІС один з одним.

В даний час мікроелектронної промисловістю випускаються імпульсні і широкосмугові підсилювачі , підсилювачі низької , проміжної і високої частоти , виборчі підсилювачі , операційні підсилювачі і погоджують елементи , в якості яких найбільш часто застосовуються еміттерние і істоковие повторювачі .

Аналогові ІС будуються на елементарних каскадах або багатокаскадних секціях . До числа елементарних каскадів на біполярних транзисторах відносяться каскади із загальним емітером , загальним колектором і загальною базою . При використанні польових транзисторів їм аналогічні каскади із загальним витоком , загальним стоком і загальним затвором. Елементарні каскади є підсилювачами потужності. Поряд з посиленням потужності в них відбувається також або посилення напруги , або посилення струму , або і те й інше одночасно .

Основу номенклатури ІМС становлять ІМС , що реалізують основні та аналогові функції . Залежно від виконуваної функції аналогові ІМС поділяються на такі основні види : багатоцільові підсилювачі , операційні підсилювачі , компаратори напруги , обмежувачі , перемножителя , активні і пасивні фільтри , аналогово - цифрові і цифро - аналогові перетворювачі , стабілізатори напруги і струму , е , комутатори і ключі , формувачі , генератори , детектори , модулятори , змішувачі та ін При їх побудові використовують різні базові елементи , найчастіше ОП з додатковими ланцюгами.

Є також такі багатоцільові аналогові БІС , як програмовані ОУ і таймери . Програмовані ОУ складаються з одного або декількох ОУ , перебудовуються на два і більше режимів роботи. Таймери , настроюються зовнішньої комутацією зворотного зв'язку , реалізують спеціальні аналогові функції . Багатоцільові підсилювачі призначені для посилення сигналів в широкому діапазоні частот. До них відносяться підсилювачі низьких , проміжних і високих частот , видеоусилители і широкосмугові підсилювачі .

    Найбільш поширеним видом аналогових ІМС широкого застосування є операційні підсилювачі (ОУ) , які здійснюють функцію посилення і виконують роль базового універсального елемента для побудови багатьох аналогових вузлів.

Компаратори напруги реалізують функцію порівняння і призначені для перетворення порогових сигналів в цифрову форму ; основу їх побудови складають ОУ .

Огранічіетелі , реалізують функцію обмеження і призначені для зміни форми сигналів , розробляють на основі базових елементів аналогових ІМС (ОУ , компараторів тощо) при спільному включенні таких нелінійних елементів , як діоди , стабілітрони , транзистори . Слід зазначити , що обмеження сигналів присутній у всіх аналогових ІМС.

Перемножителя реалізують функцію перемноження і призначені для перемноження двох аналогових сигналів. Їх застосування дозволило уніфікувати різноманітні функції радіотехнічних перетворень-модуляцію, множення, ділення, гетеродірованіе і демодуляцию частот. У вимірювальній техніці аналогові ІМС перемножителя здійснюють калібрування і масштабування сигналів.

Фільтри відносяться до ІМС, що виконує функції частотної селекції (фільтрації). Реалізація функції частотної фільтрації спільно з функцією посилення утворює радіотехнічні ланцюга, спеціалізовані для того чи іншого діапазону хвиль, значення реактивних параметрів, смуги частот, стабільності, потужності. Фільтрація в діапазоні низьких частот реалізується активними фільтрами на основі ОП. У діапазоні радіохвиль для фільтрації застосовуються коливальні LC-контури, в діапазоні НВЧ - мікрополоскові лінії. Поряд з традиційними фільтрами у вигляді LC-контурів, пьезокварцеових або електромеханічних резонаторів мікроелектроніка забезпечила розробку і серійний випуск ІМС частотної фільтрації у вигляді активних RC-ланцюгів і пристроїв на основі поверхневих хвиль і приладів із зарядним зв'язком.

Велике поширення в номенклатурі аналогових ІМС отримали також ІМС стабілізаторів напруги та взаємного перетворення аналогових і цифрових сигналів. Стабілізатори напруги призначені для стабілізації передавальних функцій; вони застосовуються практично у всіх електронних блоках. Аналого-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі (АЦП і ЦАП) є основними ІМС для перетворення відповідно аналогових сигналів в цифровий код і цифрової інформації в аналогові сигнали. Їх застосування забезпечує цифрову обробку аналогових сигналів і подальше перетворення результатів обробки.

Аналогові комутатори і ключі призначені для розподілу в часі інформації, що надходить на обробку від декількох датчиків.

До аналоговим ІМС відносяться також деякі схеми формування, перетворення і сполучення сигналів: формувачі, генератори, детектори, змішувачі, модулятори, підсилювачі-формувачі, підсилювачі зчитування для ЗУ та ін Оскільки число таких схем велике, а стандартизація їх утруднена, для збереження переваг групових методів виробництва при їх побудові використовують різні базові елементи, найчастіше ОП з додатковими ланцюгами.

Для виготовлення аналогових ІМС використовують різні типові процеси біполярної і МДП-технології, а також гібридної технології. Освоєно масовий випуск цілого ряду серій аналогових напівпровідникових інтегральних мікросхем (К140, К142, К153, К154, К174, К190, К521, К551, К553, К554, К472, К590, К594, К1107, К1108 та ін.) Номенклатура аналогових БІС постійно розширюється. Склад серій аналогових ІМС розробляється не на базі основного функціонального елемента, а включає в себе широкий клас мікросхем різного схемотехнічного виконання, які в сукупності дозволяють реалізувати окремі групи пристроїв аналогового типу в мікроелектронному виконанні.

На відміну від цифрових аналогові ІМС нехарактеризуються сукупністю параметрів, єдиних для всіх типів схем. Кожна група аналогових ІМС характеризується певними параметрами, властивими тільки для однотипних ІМС.

СРС № 59

Тема. Цифрові ІМС та їх загальні параметри

Цифрові інтегральні мікросхеми ЦІМС призначені для перетворення та обробки дискретних сигналів. Основою для їх побудови є електронні ключі, які мають тим властивістю, що вони можуть знаходитися в одному з двох станів і їх дія полягає в переході з одного стану в інше під впливом вхідних сигналів. Одному з двох станів ключа відповідає одне з двох фіксованих значень вихідної електричної величини, наприклад, високий чи низький потенціал, наявність або відсутність імпульсу. Так як ці величини можуть приймати 2 дискретних значення, то вони є двійковими змінними.

Більшість ЦІМС відноситься до потенційних, сигнали на входах або виходах яких представляють собою високий чи низький рівень напруги. Цим двом рівням напруги ставляться у відповідність логічні 1 і 0. Залежно від кодування сигналів розрізняють позитивну і негативну логіки (Таблиця 1.)

Таблиця 1.

При позитивній логіці високому рівню напруги ставиться у відповідність логічна 1, а низькому-логічний 0, При негативній логіці навпаки.

За функціональним призначення ЦІМС поділяються на підгрупи : логічні елементи ЛЕ , тригери , елементи арифметичних і дискретних пристроїв та інші. Усередині кожної підгрупи мікросхеми поділяються на види , наприклад види логічних елементів: І , АБО , І -НЕ , АБО -НЕ і т.д.

Цифрові інтегральні мікросхеми випускаються серіями. До складу кожної серії входять мікросхеми , що мають єдине конструктивно- технологічне виконання , але які відносяться до різних підгруп і видам . Залежно від схемотехнической реалізації ІЛЕ діляться на такі типи: транзисторної логіки ( ТЛ ) , діод- транзисторної логіки ( ДТЛ ) , транзисторних- транзисторної логіки ( ТТЛ ) , транзисторної логіки на МОП - транзисторах ( МОП ТЛ ) . Параметри ЦІМС поділяються на статичні і динамічні . До статичних параметрів належать : вхідний U0вх і вихідний U0вих напруга логічного нуля , вхідний U1вх і вихідний U1вих напруга логічної одиниці , аналогічно струми логічного одиниці і нуля , коефіцієнт розгалуження по виходу Краз , що визначає число одиничних навантажень , які можна одночасно підключити до виходу мікросхеми ( одиничної навантаженням є один вхід основного логічного елемента даної серії інтегральних мікросхем ) ; коефіцієнт об'єднання по входу Коб , що визначає число входів мікросхеми , за якими реалізується логічна функція ; допустима напруга статичної перешкоди , характеризує статичну завадостійкість мікросхеми , тобто її здатність протистояти впливу сигналу, що заважає , тривалість якого перевершує час перемикання мікросхеми ; середня споживана потужність .

Статичні параметри визначаються за допомогою статичних характеристик , які знімаються при повільних змінах струмів і напруг. Ця обставина дозволяє нехтувати перехідними процесами в ІЛЕ . До статичних характеристик відносяться : передавальна U вих = f (Uвх ) при Iвих = 0 , зворотного зв'язку Uвх = f ( U вих ) при Iвх = 0 , вхідна Iвх = f (Uвх ) при Iвих = 0 і вихідна Iвих = f (Uвх ) при iвх = 0. Друга з названих характеристик практично не використовується так як сигнал, що надходить з виходу ІЛЕ на його вхід дуже малий.

На малюнку 59.1а показана передавальна характеристика инвертирующих ІЛЕ (наприклад І -НЕ , АБО -НЕ ) у припущенні , що їх характеристики ідентичні . Дійсно спостерігається розкид вказаних характеристик як за рахунок розкиду параметрів компонентів, що входять до складу ІЛЕ , так і за рахунок відмінності режимів окремих елементів. Тому передавальна характеристика для деякої сукупності однотипних елементів являє собою не одну криву , а деяку область , обмежену зверху і знизу двома граничними кривими.

Малюнок 59.2 .

При цьому U'вх max і U'вих max - максимальний і мінімальний рівні вихідного сигналу , який є хоча б у одного з елементів даного типу. Аналогічно розглядається U0вих max і U0вих min . На цьому ж графіку точками відзначені рівні вхідних сигналів: U0вх max - це такий рівень , при якому жоден з елементів даного типу не перемикається з 1 в 0 , U1вх min - рівень вхідного сигналу при якому на виході будь-якого елементу даного типу зберігається сигнал 0 . По цій характеристиці можна визначити запаси завадостійкості ІЛЕ досить провести прямі під кутом 45 градусів від точок перетину рівнів U1вих min і U0вих max з віссю ординат до перетину з віссю абсцис .

Порівнюючи отримані точки на осі абсцис зі значеннями U0вх max і U1вх min визначають запаси завадостійкості по нульовому U0пом і за одиничного U1пом сигналом на вході.

До динамічних параметрами, які характеризують властивості мікросхеми в режимі перемикання , відносяться: час затримки сигналу при включенні - інтервал часу між вхідними та вихідними імпульсами при переході U вих ІЛЕ від U1вих до U0вих , виміряний або на рівні 0,5 амплітуди імпульсу , або на рівні порогу чутливості ; час затримки сигналу при виключенні - інтервал часу між вхідним і вихідним імпульсами при переході U вих ІЛЕ від U0вих до U1вих , виміряний або на рівні 0,5 амплітуди імпульсу , або на рівні порогу чутливості ; середній час затримки.

Іноді в якості параметрів ІЛЕ призводять тривалості фронтів наростання і спаду вихідної напруги .

Тимчасові діаграми напруги на вході і на виході ІЛЕ показані на малюнку 3.

Малюнок 59.3.

СРС № 60

Тема. Характеристики та призначення ВІС

Операційний процесор служить для обробки даних, керуючий процесор виконує функції вибірки, декодування й обчислення адрес операндів і також генерує послідовності мікрокоманд. Автономність роботи і велика швидкодія БІС УП дозволяє вибирати команди з пам'яті з більшою швидкістю, ніж швидкість їх виконання БІС ОП. При цьому в УП утвориться черга ще не виконаних команд, а також заздалегідь підготовляються ті дані, які будуть потрібні ОП у наступних циклах роботи. Така випереджальна вибірка команд заощаджує час ОП на чекання операндів, необхідних для виконання команд програм. Інтерфейсний процесор дозволяє підключити пам'ять і периферійні засоби до мікропроцесора; він, по суті, є складним контролером для пристроїв введення / виведення інформації. БІС ИП виконує також функції каналу прямого доступу до пам'яті. Можливі з пам'яті команди розпізнаються і виконуються кожною частиною мікропроцесора автономно і тому може бути забезпечений режим одночасної роботи всіх БІС МП, тобто конвеєрний потоковий режим виконання послідовності команд програми (виконання послідовності з невеликим тимчасовим зрушенням). Такий режим роботи значно підвищує продуктивність мікропроцесора. Багатокристальні секційні мікропроцесори виходять у тому випадку, коли у виді БІС реалізуються частини (секції) логічної структури процесора при функціональній розбивці її вертикальними площинами (мал. 60.1). Для побудови багаторозрядних мікропроцесорів при паралельному включенні секцій БІС у них додаються кошти "стикування". Для створення високопродуктивних багаторозрядних мікропроцесорів потрібно настільки багато апаратних засобів, не реалізованих у доступних БІС, що може виникнути необхідність ще й у функціональній розбивці структури мікропроцесора горизонтальними площинами. У результаті розглянутого функціонального поділу структури мікропроцесора на функціонально і конструктивно закінчені частини створюються умови реалізації кожної з них у вигляді БІС. Всі вони утворюють комплект секційних БІС МП. Таким чином, мікропроцесорна секція це БІС, призначена для обробки декількох розрядів даних або виконання визначених керуючих операцій. Секційних БІС МП визначає можливість "нарощування" розрядності оброблюваних даних або ускладнення пристроїв керування мікропроцесора при "паралельному" включенні більшого числа БІС. Однокристальний і трехкрістальние БІС МП, як правило, виготовляють на основі мікроелектронних технологій уніполярних напівпровідникових приладів, а багатокристальні секційні БІС МП на основі технології біполярних напівпровідникових приладів. Використання многокристального мікропроцесорних високошвидкісних біполярних БІС, мають функціональну закінченість при малій фізичній розрядності оброблюваних даних і монтуються в корпус з великим числом висновків, дозволяє організувати розгалуження зв'язку в процесорі, а також здійснити конвеєрні принципи обробки інформації для підвищення його продуктивності. За призначенням розрізняють універсальні і спеціалізовані мікропроцесори. Універсальні мікропроцесори можуть бути застосовані для вирішення широкого круга різноманітних завдань. При цьому їхня ефективна продуктивність слабко залежить від проблемної специфіки розв'язуваних задач. Спеціалізація МП, тобто його проблемна орієнтація на прискорене виконання визначених функцій дозволяє різко збільшити ефективну продуктивність при рішенні тільки визначених задач. Серед спеціалізованих мікропроцесорів можна виділити різні мікроконтролери, орієнтовані на виконання складних послідовностей логічних операцій, математичні МП, призначені для підвищення продуктивності при виконанні арифметичних операцій за рахунок, наприклад, матричних методів їхнього виконання, МП для обробки даних у різних областях застосувань і т. д. За допомогою спеціалізованих МП можна ефективно вирішувати нові складні завдання паралельної обробки даних. Наприклад, конволюция дозволяє здійснити більш складну математичну обробку сигналів, чим широко використовувані методи кореляції. Останні в основному зводяться до порівняння всього двох серій даних: вхідних, переданих формою сигналу, і фіксованих опорних і до визначення їх подібності. Конволюция дає можливість в реальному масштабі часу знаходити відповідність для сигналів змінюється форми шляхом порівняння їх з різними еталонними сигналами, що, наприклад, може дозволити ефективно виділити корисний сигнал на тлі шуму. Розроблені однокристальні конвольвери використовуються в пристроях впізнання образів у тих випадках, коли можливості збору даних перевершують здатності системи обробляти ці дані. По виду оброблюваних вхідних сигналів розрізняють цифрові й аналогові мікропроцесори. Самі мікропроцесори цифрові пристрої, однак можуть мати вбудовані аналого-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі. Тому вхідні аналогові сигнали передаються в МП через перетворювач у цифровій формі, обробляються і після зворотного перетворення в аналогову форму надходять на вихід. З архітектурної точки зору такі мікропроцесори є аналогові функціональні перетворювачі сигналів і називаються аналоговими мікропроцесорами. Вони виконують функції будь аналогової схеми (наприклад, виробляють генерацію коливань, модуляцію, зсув, фільтрацію, кодування і декодування сигналів у реальному масштабі часу і т.д., замінюючи складні схеми, що складаються з операційних підсилювачів, котушок індуктивності, конденсаторів і т.д .). При цьому застосування аналогового мікропроцесора значно підвищує точність обробки аналогових сигналів і їх відтворюваність, а також розширює функціональні можливості за рахунок програмної "настроювання" цифрової частини мікропроцесора на різні алгоритми обробки сигналів. Зазвичай у складі однокристальних аналогових МП мається кілька каналів аналого-цифрового і цифро-аналогового перетворення. В аналоговому мікропроцесорі розрядність оброблюваних даних досягає 24 біт і більше, велике значення приділяється збільшенню швидкості виконання арифметичних операцій. Відмітна риса аналогових мікропроцесорів здатність до переробки великого обсягу числових даних, тобто до виконання операцій додавання і множення з великою швидкістю при необхідності навіть за рахунок відмови від операцій переривань і переходів. Аналоговий сигнал, перетворений у цифрову форму, обробляється в реальному масштабі часу і передається на вихід звичайно в аналоговій формі через цифро-аналоговий перетворювач. При цьому відповідно до теореми Котельникова частота квантування аналогового сигналу повинна вдвічі перевищувати верхню частоту сигналу. Порівняння цифрових мікропроцесорів виробляється зіставленням часу виконання ними списків операцій. Порівняння ж аналогових мікропроцесорів виробляється по кількості еквівалентних ланок аналого-цифрових фільтрів рекурсивних фільтрів другого порядку. Продуктивність аналогового мікропроцесора визначається його здатністю швидко виконувати операції множення: чим швидше здійснюється множення, тим більше еквівалентну кількість ланок фільтра в аналоговому перетворювачі і тим більше складний алгоритм перетворення цифрових сигналів можна задавати в мікропроцесорі. Одним з напрямів подальшого вдосконалення аналогових мікропроцесорів є підвищення їхньої універсальності і гнучкості. Тому разом з підвищенням швидкості обробки великого обсягу цифрових даних будуть розвиватися засоби забезпечення розвинених обчислювальних процесів обробки цифрової інформації за рахунок реалізації апаратних блоків переривання програм і програмних переходів. За характером часової організації роботи мікропроцесори поділяють на синхронні та асинхронні. Синхронні мікропроцесори - мікропроцесори, у яких початок і кінець виконання операцій задаються пристроєм керування (час виконання операцій у цьому випадку не залежить від виду виконуваних команд і величин операндів). Асинхронні мікропроцесори дозволяють початок виконання кожної наступної операції визначити за сигналом фактичного закінчення виконання попередньої операції. Для більш ефективного використання кожного пристрою мікропроцесорної системи до складу асинхронно працюючих пристроїв вводять електронні ланцюги, що забезпечують автономне функціонування пристроїв. Закінчивши роботу над якою-небудь операцією, пристрій виробляє сигнал запиту, що означає його готовність до виконання наступної операції. При цьому роль природного розподільника робіт приймає на себе пам'ять, яка відповідно до заздалегідь встановленим пріоритетом виконує запити інших пристроїв по забезпеченню їх командного інформацією та даними. По організації структури мікропроцесорних систем розрізняють мікроЕОМ одне - і многомагістральние. У одномагістральних мікроЕОМ всі пристрої мають однаковий інтерфейс і підключені до єдиної інформаційної магістралі, по якій передаються коди даних, адрес і керуючих сигналів. У многомагістральних мікроЕОМ устрою групами підключаються до своєї інформаційної магістралі. Це дозволяє здійснити одночасну передачу інформаційних сигналів по декількох (або усім) магістралей. Така організація систем ускладнює їх конструкцію, проте збільшує продуктивність. За кількістю виконуваних програм розрізняють одно-і багатопрограмні мікропроцесори. У однопрограмних мікропроцесорах виконується тільки одна програма. Перехід до виконання іншої програми відбувається після завершення поточної програми. У багато-або мультипрограмних мікропроцесорах одночасно виконується трохи (звичайно кілька десятків) програм. Організація мультипрограмній роботи мікропроцесорних керуючих систем дозволяє здійснити контроль за станом і управлінням великим числом джерел або приймачів інформації.

Одним з найважливіших шляхів вдосконалення обчислювальної техніки є широке застосування в ній досягнень сучасної мікроелектроніки. Успіхи напівпровідникової інтегральної електроніки привели до створення нового класу складних функціональних електронних виробів - великих інтегральних схем, які стали основною елементною базою ЕОМ четвертого покоління (кінець 70-х років).  В одній такій схемі об'ємом всього лише в частки кубічного сантиметра розміщується блок, що займав в ЕОМ першого покоління цілу шафу. У результаті досягнуто суттєве підвищення продуктивності ЕОМ.  Якщо в ЕОМ третього покоління швидкодія сягає 20-30 млн операцій за секунду, то в машинах четвертого покоління продуктивність досягає сотень мільйонів операцій у секунду. Відповідно зростає й обсяг пам'яті. Поряд з удосконаленням традиційних пристроїв пам'яті на магнітних дисках і стрічках створюється пам'ять без рухомих частин. Загальний обсяг зовнішньої пам'яті у великих машинах четвертого покоління перевершує 10 ¹⁴ символів, що еквівалентно бібліотеці, що складається з декількох мільйонів об'ємистих томів.  БІС створені в результаті природного розвитку інтегральних схем. Передумовою їх появи є освоєння електронною промисловістю планарної технології виготовлення кремнієвих напівпровідникових приладів. Принципова новизна цієї технології полягає в тому, що вона дозволила замінити звичайні дискретні компоненти дифузійними або тонкоплівковими компонентами.  Висока надійність ЕОМ закладається в процесі її виробництва. Перехід на нову елементну базу - надвеликі інтегральні схеми (НВІС) - різко скорочує число використовуваних інтегральних схем, а значить, і число їх з'єднань один з одним. Добре продумані компонування комп'ютера і забезпечення необхідних режимів роботи (охолоджування, захист від пилу).  Всі сучасні обчислювальні машини будуються на комплексах (системах) інтегральних мікросхем (ІС). Електронна мікросхема називається інтегральною, якщо її компоненти і з'єднання між ними виконані в єдиному технологічному циклі, на єдиній підставі і мають загальну герметизацію та захист від механічних впливів. Кожна мікросхема є мініатюрну електронну схему, сформовану пошарово в кристалі напівпровідника: кремнію, германію і т.д. До складу мікропроцесорних наборів включаються різні типи мікросхем, але всі вони повинні мати єдиний тип міжмодульних зв'язків, заснований на стандартизації параметрів сигналів взаємодії (амплітуда, полярність, тривалість імпульсів і т.п.). Основу набору зазвичай складають великі інтегральні схеми (ВІС) і надвеликі інтегральні схеми (НВІС). У найближчому майбутньому слід очікувати появи ультрабольшой ІС (УБИС). Крім них зазвичай використовуються мікросхеми з малої і середньої ступенем інтеграції (СІС). Функціонально мікросхеми можуть відповідати пристрою, вузла чи блоку, але кожна з них складається з комбінації найпростіших логічних елементів, що реалізують функції формування, перетворення, запам'ятовування сигналів і т.д.  Всі сучасні ЕОМ будуються на мікропроцесорних наборах, основу яких складають великі (ВІС) і надвеликі інтегральні схеми (НВІС). Технологічний принцип розробки та виробництва інтегральних схем діє вже понад чверть століття. Він полягає в пошаровому виготовленні частин електронних схем по циклу "програма - малюнок - схема". За програмами на запилений фоторезісторний шар наноситься малюнок майбутнього шару мікросхеми. Потім малюнок протравлюється, фіксується, закріплюється і ізолюється від нових шарів.  На основі цього створюється просторова твердотільна структура. Наприклад, НВІС типу Pentium включає близько трьох з половиною мільйонів транзисторів, що розміщуються в пятислойной структурі. Ступінь мікромініатюризації, розмір кристала ІС, продуктивність і вартість технології безпосередньо визначаються типом літографії. До теперішнього часу домінуючою залишалася оптична літографія, тобто пошарові малюнки на фоторезистора мікросхем наносилися світловим променем. В даний час провідні компанії, що виробляють мікросхеми, реалізують кристали з розмірами приблизно 400-600 мм2 для процесорів(наприклад, Pentium) і 200-400 мм 2 - для схем пам'яті. Мінімальний топологічний розмір (товщина ліній) при цьому становить 0,25-0,135 мкм. Для порівняння можна навести такий приклад. Товщина людської волосини становить приблизно 100 мкм. Значить, при такому дозволі на товщині 100 мкм потрібно викреслювати більше двохсот ліній.  Подальші успіхи мікроелектроніки зв'язуються з електронною (лазерної), іонної та рентгенівської літографією. Це дозволяє вийти на розміри 0,13; 0,10 і навіть 0,08 мкм. Замість раніше використовуваних алюмінієвих провідників у мікросхемах повсюдно починають застосовувати мідні з'єднання, що дозволяє підвищити частоту роботи.  Такі високі технології породжують цілий ряд проблем. Мікроскопічна товщина ліній, порівнянна з діаметром молекул, вимагає високої чистоти використовуваних і напилюваних матеріалів, застосування вакуумних установок і зниження робочих температур. Дійсно, досить потрапляння найменшої пилинки при виготовленні мікросхеми - і вона потрапляє в шлюб. Тому нові заводи з виробництва мікросхем представляють собою унікальне обладнання, розташоване в "чистих приміщеннях класу 1", мікросхеми в яких транспортуються від устаткування до обладнання в замкнутих надчистих міні-атмосферах класу 1000. Міні-атмосфеpa створюється, наприклад, надчистих азотом або іншим інертним газом при тиску КГ4 Торр.  В даний час основою побудови всіх мікросхем була і залишається КМОП-технології (комплементарні схеми, тобто спільно використовують п-і р-переходи втранзисторах зі структурою "метал - окисел - напівпровідник").  Однак поява БІС породило дуже серйозну проблему-"що покласти на підкладку" або, іншими словами, яким чином реалізувати пристрій на схемах з таким колосальним кількістю елементів.  Першим і досить природним рішенням цієї проблеми стало виготовлення так званих замовних схем, що розробляються кожен раз спеціально для використання в конкретній апаратурі. У той же час проектування замовних ВІС - вельми тривалий і трудомісткий процес, що використовує складні людино-машинні системи автоматизованого проектування. Тому розробка і виготовлення замовних ВІС можуть бути економічно виправдані тільки при масовому виробництві апаратури, в якій ці схеми застосовуються.  Хорошою альтернативою рекомендованим БІС з'явилися мікропроцесорні набори - сукупність великих інтегральних схем, що реалізують складні функції цифрової апаратури. З цих "цеглин" досить просто будуються мікрокомп'ютери (мікро-ЕОМ), що отримали виключне розвиток і знайшли широке застосування в різноманітних системах управління.  Мікропроцесор є універсальним пристроєм, здатним реалізувати будь-яку логічну функцію. Однак програмна реалізація логіки управління здійснюється порівняно повільно, мікропроцесор часто не здатний забезпечити необхідну швидкодію. У зв'язку з цим в даний час широкого поширення набули програмовані БІС з матричною структурою, серед яких особливе місце займають програмовані логічні матриці (ПЛМ) - великі інтегральні схеми, що поєднують регулярність структури напівпровідникового пристрою, що запам'ятовує (ЗП) з універсальністю мікропроцесора. ПЛМ володіє істотними перевагами перед мікропроцесором при реалізації складних алгоритмів керування.  Як функціональних вузлів БІС, орієнтованих на реалізацію бульових функцій, широко використовуються так звані матричні схеми.  Матрична схема являє собою сітку ортогональних провідників, в місцях перетину яких можуть бути встановлені напівпровідникові елементи з односторонньою провідністю (ЕОП) - діоди або транзистори.  Розглянемо матриці М1і М2 на малюнку № 1. Спосіб включення ЕОП в місцях перетину шин матриці М1 дозволяє реалізувати на будь-якому з її виходів будь-яку кон'юнкцію її вхідних змінних, взятих зі знаком або без знаку інверсії.  Р4  SHAPE \ * MERGEFORMAT

Р1

Р2

Р3

Р4

М2

М1

Х1

Х2

Х3

У1

У2

Р1

Р2

Р3

Р4

Малюнок 60.1 1  Матриця М2 має 4 вертикальних і 2 горизонтальних шини. Спосіб включення ЕОП в місцях перетину шин М2 дозволяє реалізувати на будь-якому з її виходів будь-яку диз'юнкцію її вхідних змінних.  Якщо з'єднати ці матриці як показано на малюнку 60.2, то можна помітити, що будь-яка система булевих функцій у1. yn водних змінних x1. xn може бути реалізована дворівневої матричної схеми, на першому рівні якої утворюються різні елементарні кон'юнкції, а на другому - диз'юнкції відповідних кон'юнкція (y1 ... yn).  У результаті побудова схем з матричною структурою зводиться до визначення точок перетину шин, де повинні бути включені ЕОП.  SHAPE \ * MERGEFORMAT

М1

М2

У1  У2

Х1  Х2  Х3

Малюнок 60.3 За способом програмування розрізняють матриці, що настроюються (програмовані) на заводі-виробнику, користувачем і репрограмміруемие (багаторазово настроюються).  У матрицях першого типу з'єднання ЕОП з шинами здійснюється 1 раз за допомогою спеціальних масок, які використовуються для металізації певних ділянок кристала БІС. Після виготовлення БІС отримані сполуки змінені бути не можуть.  Матриці другого типу поставляються споживачеві не налаштованими і містять ЕОП в кожній точці перетину їх шин. Налаштування зводиться до видалення (відключення) деяких непотрібних ЕОП. Фізично процес налаштування здійснюється різними способами, наприклад, шляхом пропускання серії імпульсів струму досить великої амплітуди через відповідний ЕОП і руйнування плавкої перемички, включеної послідовно з цим ЕОП і з'єднує його з однією з шин у точці їх перетину.  Матриці третього типу дозволяють здійснювати програмування неодноразово. Повторне програмування виконується електричним способом після стирання вмісту матриць під дією ультрафіолетового (іноді рентгенівського) опромінення або електричним способом окремо для кожного ЕОП.  Так само необхідно сказати кілька слів про так званих програмованих матрицях.  Програмована логічна матриця (ПЛМ) являє собою функціональний блок, створений на базі напівпровідникової технології і призначений для реалізації логічних схем цифрових систем. У залежності від внутрішньої організації програмовані логічні матриці можна розділити на ПЛМ комбінаційної логіки і ПЛМ з пам'яттю.  Слід зазначити, що на кристалі БІС ПЛМ передбачена спеціальна система шин, яка дозволяє поєднати виходи донної матриці з входами інший. Виконання розрізів шин і організація необхідних зв'язків між входами і виходами різних матриць здійснюються на етапі налаштування ПЛМ на заводі виробнику.

СРС № 61

Тема. Маркерування ІМС та їх застосування

Інтегральна мікросхема (ІС) являє собою функціональний мініатюрний мікроелектронний блочок, в якому містяться транзистори, діоди, резистори, конденсатори та інші радіоелементи, які виконані методом молекулярної електроніки. Знаходяться в невеликому обсязі радіоелементи утворюють мікросхему певного призначення. За конструктивно-технологічним виконанню мікросхеми діляться на кілька основних груп: гібридні, напівпровідникові (монолітні) і плівкові. Гібридні мікросхеми виконуються на діелектричній підкладці з використанням монтажу дискретних радіокомпонентів пайкою або зварюванням на контактних майданчиках. У напівпровідникових ІС всі елементи схеми формуються в кристалі напівпровідника. У плівкових ІС радіоелементи виконані у вигляді плівок, нанесених на поверхню діелектрика. Всі ці мікросхеми діляться на схеми з малою (до 10 елементів), середньої (10 … 100 елементів) і великий (понад 100 елементів) ступенем інтеграції. Промисловість випускає велику кількість найрізноманітніших ІС, які в залежності від функціонального призначення ділять на аналогові і цифрові (логічні). Аналогові мікросхеми застосовують для генерації, посилення і перетворення сигналів. Цифрові ІС служать для обробки дискретного сигналу, вираженого в двійковому або цифровому коді, тому їх частіше називають логічними мікросхемами. Ці мікросхеми застосовують в обчислювальній техніці, автоматиці і в інших областях промисловості.

Інтегральні мікросхеми характеризуються наступними основними параметрами:

• Напругою живлення Un.

• Потужністю споживання енергії елементом від джерела живлення Рп (в заданому режимі).

• Завадостійкістю іп0м, найбільша напруга завади на вході ІС, яке не викликає. Порушення правильності роботи елемента.

Мікросхеми зберігають свої параметри тільки в тому випадку, якщо виконані технічні умови норм їх експлуатації. Норми експлуатації ІС зазвичай містяться в довідниках або доданому до них паспорті.

По конструктивному виконанню ІС підрозділяють на мають корпус та безкорпусні. Існує 5 основних типів корпусів:

перший тип прямокутний з висновками, перпендикулярними площині підстави;

другий тип прямокутний з висновками, перпендикулярними площині підстави, що виходять за межі проекції корпусу;

третій тип круглий;

четвертий тип прямокутний з висновками, розташованими паралельно площині підстави і виходять за межі його тіла в цій площині;

п’ятий тип. прямокутний «безвиводной корпус».