4. Цифровые интегральные схемы

4.1. Особенности схемотехники цифровых ис

С переходом к интегральной технологии радикально изменилась схемотехника электронных устройств (всё то, что относится к выбору элементного состава и разработке схем их соединений). Технология дискретных элементов позволяла использовать практические любой набор типов элементов при ограниченном их количестве. Технология изготовления ИС, напротив, практически не ограничивает разработчика в количестве элементов, но ограничивает количество их типов до 2 – 3, иногда даже одного типа. Это особенно характерно для цифровых ИС (ЦИС).

Ещё одна особенность ЦИС – использование ключей практически одного типа во всех её частях. Сегодня, почти всегда, это ключ на комплементарных МДП транзисторах. Остальные типы ключей используются сравнительно редко в ИС с невысокой степенью интеграции.

Для ЦИС характерен также специфический набор главных параметров. Очевидно, что очень важна скорость изменения состояния ключей, которое определяет быстродействие (тактовую частоту f_C) ЦИС. Чаще всего быстродействие оценивается средним временем переключения t:

t = (t₀₁ + t₁₀) / 2, (6),

где t₀₁ и t₁₀ – время перехода ключа из состояния 0 в состояние 1 и наоборот, соответственно. Иногда t называют также средним временем распространения сигнала.

Однако не менее важным является энергопотребление ключей, от которого зависит количество выделяющегося в ЦИС тепла и поэтому, предельное количество транзисторов и степень интеграции. Энергопотребление ключей оценивается средней потребляемой мощностью Р:

Р = (Р₀ + Р₁) / 2, (7),

где Р₀ и Р₁ – мощности, потребляемые ключом в состояниях 0 и 1.

Ни один из этих параметров сам по себе не характеризует качество применяемых ключей. Быстродействие можно увеличить за счёт увеличения расхода энергии (потребляемого тока), расход энергии можно снизить ценой уменьшения быстродействия. Поэтому главным критерием качества ключей ЦИС является средняя энергия переключения Pt – энергия, затрачиваемая на одно изменение состояния ключа. В настоящее время эта величина приближается к 10^-12 Дж.

Зная Pt можно оценить среднюю потребляемую мощность ЦИС в целом. Так как вся потребляемая ИС электрическая энергия переходит в тепловую, т.е. рассеивается в виде тепла, эту мощность называют рассеиваемой мощностью Р_расс. Очевидно, что Р_расс пропорциональна Pt, количеству ключей m и количеству их переключений в секунду, т.е. тактовой частоте f_C:

Р_расс = Pt · m · f_C (8).

Выражение (8) даёт оценку максимального значения Р_расс, поскольку предполагает, что на каждом тактовом периоде 1 / f_C изменяются состояния всех ключей ЦИС. В действительности, выделение тепла может быть значительно меньшим, например, при небольшой загрузке процессора.

В настоящее время Р_расс наиболее высокоинтегрированных ЦИС – процессоров достигает нескольких десятков Вт. Это позволяет относительно просто отводить от них тепло охлаждением вентиляцией воздуха.

Интересно, что по оценкам биологов, человеческий «процессор» – мозг, в процессе размышлений потребляет примерно такую же энергию. В ЦИС потребляется электрическая энергия потока электронов, в мозге потребляется химическая энергия потока крови.

Особенностью ЦИС является также высокая помехоустойчивость. На рис. 16 показан процесс наложения сильной помехи на цифровой сигнал (чередование 0 и 1). Очевидно, что если напряжение, которое отличает

Рис. 16

нулевое состояние от единичного выбрано правильно, а именно U₁/2, то помеха ошибок не вызывает.