ГОС информатика / ТЕОРИЯ наша!!! / Основы Микроэлектроники

ОМ(1). Основные особенности интегральных схем (ИС) как самостоятельного типа электронных приборов.

Главной особенностью микросхемы является то, что она самостоятельно выполняет определенную законченную функцию (например, усилителя), в то время как элементарные электронные приборы (например, транзистор) могут выполнять ту же функцию только в совокупности с другими компонентами (резисторами, конденсаторами и т.д.). Таким образом, по сравнению с другими электронными приборами ИС обладают повышенной функциональной сложностью.

Вторая особенность – резкое (на 2-3 порядка) снижение габаритов и массы электронных узлов и блоков, собранных на ИС, по сравнению с блоками аналогичного назначения из дискретных компонентов.

Третья особенность – повышенная надежность устройств на ИС в первую очередь за счет резкого уменьшения числа паяных соединений. При повышении степени интеграции этот показатель растет.

Четвертое – уменьшение удельной стоимости производства. Поскольку элементы интегральных схем изготавливаются в едином технологическом цикле, а количество технологических операций при их изготовлении сравнимо с таковым при изготовлении дискретного транзистора, то в условиях массового производства стоимость микросхем даже повышенной степени интеграции вполне сопоставима со стоимостью изготовления отдельного транзистора.

Пятая особенность заключается в том, что в интегральной схемотехнике в противоположность дискретной использование активных элементов (транзисторов) предпочтительнее. Это связано с тем, что интегральные транзисторы имеют на кристалле значительно меньшую площадь, чем резисторы и, особенно, конденсаторы. В стоимости производства ИС определяющим является стоимость не элемента, а кристалла, в силу чего выгоднее разместить на нем максимальное число элементов с минимальной площадью.

Шестая особенность – уменьшенный разброс свойств и повышенная коррелированность параметров элементов, заключенных в корпусе микросхемы. Это позволяет сравнительно легко реализовывать на ИС устройства, которые трудно или вообще невозможно построить на основе дискретных элементов.

Таким образом, переход на качественно новую элементную базу (микросхемы) позволил повысить функциональную сложность электронных приборов и узлов без ухудшения их основных показателей (габариты, надежность, стоимость и т.д.), что и определило потрясающие темпы развития микроэлектроники в целом.

Транзи́стор – ­­­электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.).

Транзисторы применяются в качестве активных (усилительных) элементов в усилительных и переключательных каскадах.

Реле и тиристоры имеют больший коэффициент усиления мощности, чем транзисторы, но работают только в ключевом (переключательном) режиме.

ОМ(2). Оперативные запоминающие устройства. Способы наращивания объема ОЗУ на микросхемах SRAM.

Запоминающее устройство ‑ (ЗУ) определяется как функциональный блок, предназначенный для записи, хранения и выдачи информации, представленной в виде цифрового кода. Основными параметрами ЗУ являются его объём (или ёмкость), время доступа (как характеристика быстродействия) и энергопотребление.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено для хранения переменной информации и в ходе выполнения программы может работать в режимах записи, хранения или считывания.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) содержит информацию, которая должна сохраняться даже при выключении питания.ПЗУ может работать только в режимах хранения и считывания.

Основной составной частью микросхемы ОЗУ является накопитель – массив элементов памяти, объединенных в матрицу. Каждый элемент памяти (ЭП) имеет свой уникальный адрес и может хранить один бит информации.

ОЗУ адресного типа носит название запоминающего устройства с произвольной выборкой (RAM).

В зависимости от устройства ЭП микросхемы ОЗУ разделяют на статические (SRAM) и динамические (DRAM). В статических ОЗУ в качестве элементов памяти применены триггеры .В микросхемах динамических ОЗУ элементы памяти выполнены на основе конденсаторов, сформированных внутри полупроводникового кристалла.

Расширение объёма памяти микросхем статических ОЗУ

При необходимости увеличения объёма памяти микросхемы ОЗУ допускают наращивание. При этом возможно расширение памяти в двух направлениях: увеличение числа слов или увеличение их разрядности. Рассмотрим на примере микросхемы.

Рассмотрим пример организации памяти со структурой 16 слов на 8 разрядов. Для этого поступают следующим образом:

• Адресные входы А0÷А3 разных микросхем объединяют

• Информационные входы используют раздельно (8-проводная шина данных)

• Входы ВМ и З/С разных микросхем соединяют параллельно

Таким образом, схема ОЗУ принимает вид, показанный на рис. 4.56. Рассмотрим режим считывания информации. При поступлении 4-разрядного адресного кода из каждой микросхемы выбирается ряд с соответствующим номером, и содержимое ячеек в виде двоичного кода может быть считано с выходов Q1÷Q8.

Рис. 4.56РИСУНОК распечатан

Роль дешифратора при увеличении разрядности.

Рассмотрим устройство и принцип работы статического ОЗУ. Каждый триггер, предназначенный для работы в составе ОЗУ имеет три входа и один выход:

Вход D ‑ информационный, Y ‑ управляющий, а C ‑ тактовый. При Y = «0» выход находится в Z-состоянии, а при Y = «1» ‑ в активном. Для простоты будем считать, что управление по входу C ‑ статическое: при C = «0» производится считывание, а при C = «1» ‑ запись.

SRAM состоит из трех основных блоков: матрицы элементов памяти, блока выбора адреса и блока управления. Рассмотрим работу этих блоков на примере ОЗУ с ёмкостью 64 бит и организацией 16×4 (16 слов на 4 разряда). Функциональная схема такого ОЗУ, соответствующая реальной микросхеме К155РУ2:

Блок выбора адреса представляет собой дешифратор, который позволяет обратиться к любому из 16 рядов, образованных четверками триггеров. Выбор конкретного ряда (строки) определяется адресным кодом при наличии разрешающего сигнала на входе «ВМ» (выбор микросхемы). Информационные входы каждого разряда объединены и выведены на 4-разрядную шину данных. Выбор режима работы осуществляется простейшим устройством управления в виде логического элемента, управляемого по входу «З/C».

Статическая память при отсутствии обращений (но при наличии питающего напряжения) способна хранить информацию сколь угодно долго. Считывание информации из ОЗУ не разрушает её (просто на выходах появляется соответствующий код).