- •1. Основы микросхемотехники ИС
- •1.1. Основные термины и определения
- •1.2. Этапы и направления развития ИС
- •1.3. Классификация ИС
- •1.3.4. Классификация по степени интеграции
- •1.4. Последовательность разработки ИС
- •2. Основы цифровой техники
- •2.3. Основные логические операции
- •2.4. Формы представления логической функции
- •2.5. Структурное проектирование цифровых схем комбинационного типа
- •3. Основные параметры и характеристики ЦИС
- •3.1. Основные параметры ЦИС
- •3.2. Характеристики ЦИС
- •3.3. Определение измеряемых параметров по характеристикам
- •4.1. Формирование биполярных транзисторов
- •4.3. Эквивалентная модель интегрального n–p–n биполярного транзистора
- •4.4. Режимы работы биполярного транзистора
- •4.6. Статические ВАХ транзистора
- •5. Диоды в интегральных схемах
- •5.1. Модель идеального диода
- •5.2. Эквивалентная схема интегрального диода
- •5.3. Аппроксимации ВАХ диода
- •5.4. Варианты реализации интегральных диодов
- •6. Пассивные элементы ИС
- •6.1. Основные параметры резисторов
- •6.2. Реализация интегральных резисторов
- •6.4. Реализация интегральных конденсаторов
- •7. Элементная база статических ЦИС на биполярных транзисторах
- •7.1. Резисторно-транзисторная логика (РТЛ)
- •7.1.1. Характеристики РТЛ
- •7.2. Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)
- •7.2.1. Принцип работы
- •7.2.2. Входная характеристика
- •7.2.3. Передаточная характеристика
- •7.2.4. Выходная характеристика
- •7.2.6. Многоярусные ЭСЛ (МяЭСЛ)
- •7.3. Диодно-транзисторная логика
- •7.3.1. Расчет передаточной и входной характеристик
- •7.3.2. Выходная характеристика
- •7.3.3. Влияние нагрузки на логические уровни
- •7.4. Транзисторно-транзисторная логика
- •7.4.1. ТТЛ-элемент с простым инвертором
- •7.4.2. Передаточная характеристика
- •7.4.3. Входная характеристика
- •7.4.4. Выходная характеристика
- •7.4.6. Основные параметры
- •7.4.7. Многоэмиттерный транзистор
- •7.4.8. ТТЛ-элемент со сложным выходным каскадом
- •7.4.9. Модификация логического элемента
- •7.5. Интегральная инжекционная логика
- •7.5.2. Реализация логических функций
- •8. Полевые транзисторы
- •8.1. Типы полевых транзисторов
- •8.2. Определение физических параметров
- •8.3. модель полевого транзистора
- •8.4. Режимы работы и уравнения ВАХ полевого транзистора
- •9. Элементная база на полевых транзисторах
- •9.2. Передаточная характеристика и параметры инвертора с линейной нагрузкой
- •9.3. Передаточная характеристика и параметры инвертора с нелинейной нагрузкой
- •9.4. Передаточная характеристика и параметры инвертора с квазилинейной нагрузкой
- •9.5. Передаточная характеристика и параметры инвертора с токостабилизирующей нагрузкой
- •9.6. Передаточная характеристика и параметры комплементарного инвертора
- •9.8. Логические элементы на МОП-транзисторах
- •9.9. Определение эквивалентной крутизны группы переключающих транзисторов
- •9.11. Влияние параметров транзисторов на характеристики логического элемента
- •9.12. Сопряжение ТТЛ- и КМОП-схем
·себестоимость;
·степень интеграции K, характеризующая сложность ЦИС;
·процент выхода годных, определяющий надежность ЦИС:
% = NГОДН ×100% ,
NОБЩ
где NГОДН - количество годных кристаллов на пластине;
NОБЩ - общее количество кристаллов на пластине;
·контролепригодность.
3.2. Характеристики ЦИС
Статические характеристики измеряются в режиме работы схемы по постоянному току.
1.Передаточная характеристика UВЫХ ~ f(UВХ) - основная статическая характеристика, представляющая зависимость выходного напряжения UВЫХ от напряжения на одном из входов при постоянных напряжениях на остальных входах,
равных U 0 или U1 в зависимости от типа ЦИС.
На рис.3.3 приведена схема измерения передаточной характеристики.
U 0 |
Входы |
|
Выход |
Xi |
|
||
U 1 |
|
ЦИС |
UВЫХ |
|
UВХ |
|
|
|
|
|
Рис.3.3. Схема измерения передаточной характеристики
По виду различают передаточные характеристики:
40
а) инвертирующие (рис.3.4,а) для элементов (НЕ, И-НЕ, ИЛИ- |
|
|
||||||||||||||
НЕ), когда на выходе инверсия по отношению к входному сигна- |
|
|
||||||||||||||
лу. Рабочие точки определяют логические уровни напряжений |
|
|
||||||||||||||
как |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р1 → (UВХ0 ,UВЫХ1 |
); |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Р0 → (UВХ1 ,UВЫХ0 |
); |
|
|
|
|
|
|
||
б) неинвертирующие (рис.3.4,б) для элементов (И, ИЛИ), когда |
|
|
||||||||||||||
выходной сигнал повторяет входной. Рабочие точки определяют |
|
|
||||||||||||||
логические уровни как |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
Р0 → (UВХ0 ,UВЫХ0 |
); |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Р1 → (UВХ1 ,UВЫХ1 |
). |
|
|
|
|
|
|
||
UВЫХ, В |
2 |
|
3 |
1 |
|
UВЫХ, В |
1 |
3 |
|
|
2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
||||||
U1 |
Р1 |
|
D1 |
|
|
U1 |
|
|
|
D |
p1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
РП |
|
UВЫХ = UВХ |
|
|
|
РП |
|
UВЫХ = UВХ |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
0 |
|
|
|
|
D0 |
Р0 |
U , В U |
0 |
Р0 |
|
D0 |
|
|
|
|
|
|
U1 U U0 |
U1 |
U 0 |
|
U 0 U U1 |
U1 |
|
|
||||||||
U U0 |
|
|
U |
, |
||||||||||||
|
ВХ |
|
ВХD |
П |
ВХD |
ВХ |
ВХ |
|
ВХ |
|
ВХD |
П |
ВХD |
ВХ |
||
|
|
|
|
|
|
|
ВХ |
|
||||||||
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
Рис.3.4. Инвертирующая (а) и неинвертирующая (б) |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
передаточные характеристики |
|
|
|
|
|
На передаточной характеристике (см. рис.3.4) имеются три ярко выраженных участка, границы которых определяются точками единичного усиления D0, D1:
1)UВЫХ = U 0 ;
2)UВЫХ = U1 ;
41
3) промежуточный участок переключения.
Для ЦИС рабочими областями являются участки 1 и 2.
2.Входная характеристика IВХ = f (UВХ ) - это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянных напряжениях на остальных входах (рис.3.5). На ВАХ положительным считается втекающий ток, а отрицательным - вытекающий.
|
|
|
|
|
IВХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
1 РТЛ |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
I 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
ВХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
IВХ > 0 Вход |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
UВХ |
|
|
|
|
ЦИC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IВХ < 0 |
|
P0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UВХ |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
IВХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
UВХ0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UВХ1 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.3.5. Схема измерения и пример входной характеристики
3. Выходная характеристика IВЫХ = f (UВЫХ ) - это зависимость выходного тока от выходного напряжения при заданных посто-
янных напряжениях на входах UВХ0 ,U1ВХ (рис.3.6).
|
|
|
|
IВЫХ |
UВХ1 |
|
U1 |
|
|
|
|
|
|
ВХ |
|
|
|
0 |
|
UВЫХ |
0 |
|
IВЫХ > 0 |
|
0 |
||
|
|
IВЫХ |
P |
|
||
UВХ |
ЦИC |
|
Выход |
|
UВЫХ0 |
|
|
Вход |
IВЫХ < 0 |
UВЫХ |
IВЫХ |
UВЫХ1 |
UВЫХ |
|
|
|
|
IВЫХ1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
UВХ0 |
|
Рис.3.6. Схема измерения и пример выходной характеристики
42
Переходная характеристика UВХ = f (t) , UВЫХ = f (t) - это вре- менная зависимость входных и выходных напряжений. По переходной характеристике определяются динамические измеряемые параметры (рис.3.7):
UВХ0
UВХ1
U 0 + 0,5 UЛ
UВХ0
01 |
|
10 |
|
|
|
t |
|
|
|||||
|
|
|||||
tЗД |
|
tЗД |
|
|
|
|
Т
UВЫХ
UВЫХ1
U 0 + 0,9 UЛ
U 0 + 0,5 UЛ
U 0 + 0,1 UЛ
UВЫХ0
|
|
|
|
|
tФ (t01) |
|
|
tC (t10) |
t |
||
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.3.7. Определение динамических измеряемых параметров по переходной характеристике
tФ (t01) - длительность фронта или переключения из 0 в 1, это раз-
ность времен, при которых UВЫХ изменяется от UВЫХ0 + 0,1×DUЛ
до UВЫХ0 + 0,9 × DUЛ ;
43