Лекция 1

1.Микросхемотехника, история и этапы развития.

Специалист в области цифровой схемотехники должен обладать обширными знаниями в способах математического описания функционирования цифровых схем на логическом и электрическом уровнях. Знать современную компонентную базу цифровой схемотехники и предпочтительные области ее применения, свободно ориентироваться в промышленных сериях интегральных микросхем и перспективах их дальнейшего совершенствования, овладеть методами построения структур цифровых устройств и систем, включая средства микропроцессорной техники.

В микросхемотехнике (или интегральной схемотехнике), характерно использование схемных решений, обеспечивающих наличие характеристики в интегральном исполнении.

Интегральные микросхемы являются достаточно сложными электронными устройствами, поэтому используются два уровня их схемотехнического представления . Первый – это электрическая схема , представляющая собой соединение компонентов: транзисторов, диодов, резисторов и др. Второй, более общий уровень,- это структурная схема , представляющая собой соединение отдельных логических элементов и триггеров (для цифровых микросхем) или аналоговых каскадов ( для аналоговых микросхем).

По способу хранения информации ОЗУ делят на статические и динамические. ЗЭ статических ЗУ представляют собой бистабильные элементы и обеспечивают считывание информации без ее разрушения. В динамических ЗУ для хранения информации используются информационные свойства реактивных элементов(конденсаторов), что требует периодического восстановления (регенерации) состояния ЗЭ памяти в процессе хранения информации.

По технологическому исполнению полупроводниковые ЗУ имеют следующие структуры: биполярные и МДП, использующие схемотехнику ТТЛ, ЭСЛ, И²Л, КМДП.

Классификация ЗУ показана на рис.1

Рис.1- Классификация внутренних ЗУ

2.Этапы проектирования интегральных микросхем.

Исходное техническое задание на проектирование микросхемы содержит описание функций, которые она должна выполнять в аппаратуре, и требование к ее основным параметрам (мощность, быстродействие и др.).

При схемотехническом проектировании микросхемы производиться выбор элементной базы из числа уже разработанных вариантов схем логических элементов или аналоговых каскадов.

Стадия структурного проектирования микросхем состоит из структурного синтеза, в ходе которого создается структурная схема, которая обеспечивает выполнение функций, определенных техническим заданием, и структурного анализа. В процессе которого, проверяется правильность функционирования синтезированной структуры при различных рабочих условиях и производиться приближенная сравнительная оценка ее основных параметров. Обычно при проектировании микросхем создается несколько структурных вариантов, и производиться выбор одного или несколько наилучших вариантов. Если же полученные варианты не удовлетворяют требованиям технического задания, то выполняется синтез новых структурных вариантов. Для выбранных структурных вариантов производиться схемное проектирование, в результате которого получается эл-я схема ИС. Эта стадия проектирования состоит из этапов схемного синтеза, в ходе которого получается эл-я схема, соответствующая выбранному варианту структуры, и электрического анализа полученной схемы, в результате которого определяются ее основные электрические параметры. При анализе обычно выполняется так же параметрическая оптимизация схемы, т.е. определение значений параметров компонентов, при которых обеспечиваются наилучшие эл-е параметры микросхемы.

Последующая стадия конструкторско-технологического проектирования включает этапы выбора или разработки технологического процесса для изготовления микросхемы. После конструкторско – технологического проектирования микросхемы требуется произвести расчет параметра ее компонентов и с учетом полученных данных повторить эл-й анализ схемы с целью уточнения ее характеристик. Последовательность этапов проектирования микросхем приведем на рис.1.1.

Рис.1.1 Алгоритм проектирования микросхем.

5-7.Классификация и основные параметры цифровых микросхем.

Сложность цифровой микросхемы характеризуется степенью функциональной интеграции

где N_эл – число элементов И-НЕ либо ИЛИ-НЕ, расположенных на кристалле микросхемы. Для современных цифровых микросхем К_ф=1-4. В последние годы появились микросхемы, имеющие К_ф>4 и выполняющие функции целых цифровых систем (СБИС).

Микросхемы со статическим хранением информации, называются статическими, а с динамическим хранением – динамическими.

По способу представления двоичной информации цифровые микросхемы (ЦМ) делятся на потенциальные и импульсные. В потенциальных ЦМ значение 0 и 1 представляется двумя уровнями электрического потенциала: высоким и низким. Низкий потенциал принимают за 0 и обозначают U⁰, а высокий потенциал за 1 и обозначают U¹. Такое представление называется положительной логикой. При использовании отрицательной логики за 0 принимают высокий потенциал, за 1 – низкий. Переход от положительной логики к отрицательной соответствует замене операции И на операцию ИЛИ и наоборот:

В импульсных цифровых схемах одно из значений логического сигнала («0» или «1») определяется наличием на выходе схемы импульсов определенной длительности и амплитуды, а другое значение – отсутствие импульсов, т.е. сохранение какого – либо постоянного потенциала. При потенциальной логике отсутствие импульсов соответствует 0, наличие – 1.

Большинство типов современных цифровых микросхем относятся к класу потенциальных. Для них используется система параметров:

• потенциалы соотве-не 0 и 1 – U⁰, U¹;

• порог переключения - V_п;

• число входов – М ;

• входные токи – I⁰_вх при U_вх =U⁰ и I¹_вх при U_вх=U¹ ;

• коэффициент разветвления по выходу N (нагрузочная способность);

• помехоустойчивость по отношению к помехам положительной полярности U⁺_n и отрицательной полярности U^-_n ;

• мощность Р или ток I_n потребляемые от источника питания в состоянии 0 или 1  Р⁰_пот, Р¹_пот;

• средняя мощность потребления ;

• входное и выходное сопротивление и ,

• времена задержек переключения , из состояния 0 на выходе в состояние 1 и из состояния 1 в состояние 0.

Параметры цифровых микросхем определяются по их статическим и переходным характеристикам. Основной статической характеристикой схем является передаточная характеристика - зависимость потенциала на выходе от потенциала на одном из входов при постоянных значениях потенциала (U⁰ или U¹) по остальных входах. По типу передаточной характеристики цифровые схемы делятся на инвертирующие, на выходе которых образуется инверсия входных логических сигналов (элементы НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др.) и не инвертирующие, на выходе которых образуется логический сигнал(элементы И, ИЛИ и др.). Передаточные характеристики инвертирующего и не инвертирующего логического элемента (ЛЭ) показаны на рис. 1,2 а, б:

а) б)

Рисунок 1.2- Передаточная характеристики инвертирующей а) и не инвертирующей б) логических схем.

Передаточная характеристика имеет три явно выраженных участка: I – состояние II – состояние III- промежуточному состоянию. Значения потенциала , соответствующие границам участков, называется порогами переключения и , область между порогами – зоной неопределенности. При поступлении положительной потенциальной помехи величиной и отрицательной помехи происходит переключение, не предусмотренное нормальным логическим функционированием. В схеме происходит сбой, т.е. ложное изменение информации на выходе 0 вместо 1 или наоборот.

Максимально допустимая величина потенциальной помехи, не вызывающая сбой в цифровой схеме, называется помехоустойчивостью и определяется выражениями:

где - логический период;

- ширина зоны неопределенности.

Для повышения помехоустойчивости надо увеличить и уменьшить . Поэтому в цифровых схемах обеспечивают .

Максимальная величина логического периода ограничивается направлением питания , в следствии чего .

Для получения высокого значения необходимо чтобы .

Эффективным средством повышения помехоустойчивости схем является получение гистерезиса на их передаточной характеристике.

Входные характеристики ЛЭ . служат для определения значений входных токов: при , при .

Выходные характеристики ЛС (рис.1.3) и . Выходные токи зависят от числа нагрузок n:

(1.2)

Наклон выходных характеристик определяет выходные сопротивления схемы , , которые обычно не линейны.

Рисунок 1.3 – Выходные характеристики логической схемы.

Если нагрузкой служат идентичные логические схемы, имеющие входные токи , , то отношение , определяют максимальное число схем нагрузок.

Для большинства цифровых схем достаточно иметь элементы с числом входов М=3-4. Увеличение числа входов обычно ухудшает другие параметры элементов, например снижает быстродействие. Для случаев, когда требуется схемы с повышенным числом входов, в некоторые серии микросхем вводятся специальные элементы-расширители числа входов.

Мощность Р и ток I_H потребляемые схемой от источника питания, зависят от ее логического состояния . Схема потребляет ток при и ток при .

Средняя мощность потребляемая в статическом режиме, определяется выражением:

При переключении цифровых схем (динамический режим) они потребляют дополнительную динамическую мощность , величина которой пропорциональна частоте переключения . В результате средняя мощность, потребляемая схемой в режиме переключения, оказывается больше, чем мощность Р в статическом режиме. Для таких схем приводят значение при рабочей частоте, близкой к максимальной .

Задержки , характеризирующие быстродействие цифровых схем, определяется с помощью переходных характеристик (рис. 1.4).

Рисунок 1.4 – Переходные характеристики цифровых схем.

Задержка происходит из-за наличия паразитных емкостей (Сн) меж соединений на выходе схемы.

Задержка определяется как промежутки времени между моментами достижения входным и выходным потенциалами порога переключения . Значения существенно зависят от числа нагрузок n и емкости Сн.

Важным параметром является средняя задержка (1.4).

Которая , определяет среднее время выполнения логической операции.

Технические реализации цифровых схем, в которых сигналы представлены дискретно квантованными уровнями напряжения (тока), основаны на использовании электронных коммутаторов напряжения (тока), называемых электронными ключами. В качестве электронных ключей используют полупроводниковые диоды, транзисторы, фоторезисторы, тиристоры, оптроны, электронные лампы.

8.Диодные электронные ключи. В диодных ключах используется зависимость сопротивления диода от величины и знака приложенного напряжения (рис. 1.5).

Рис. 1.5

Недостатком такого ключа является прямая зависимость уровня «1» от входного сигнала .

Второй вариант диодного ключа (рис.1.6).

Рис.1.6

При низком уровне входного сигнала диод VD открыт, через диод протекает ток источника питания , ограничиваемый сопротивлением R. Если то практически все напряжение питания падает на сопротивление R, поэтому на сопротивлении нагрузки ключа устанавливается низкий потенциал .

.

Если то

При высоком уровне входного сигнала, если выполняется условие , диод VD заперт, входная цепь отключена от нагрузки и на выходе устанавливается высокий уровень напряжения ; при поэтому и практически не зависит от входного сигнала.

9.Пример диодных ключей и таблица истинности (дизьюнктор). (рис.1.7).

X1	X2	Y
0	0	0
1	0	1
0	1	1
1	1	1

X1	X2	Y
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

(ИЛИ)- изьюнктор

Только в случае, когда на обоих входах низкие уровни диоды заперты, на входе устанавливается низкий уровень. При высоком уровне на входе на выходе высокий.

(И)-коньюнктор.

Если ходя бы один из диодов открыт низким уровнем входы сигнала, выход схемы подключается к входу с наиболее низким потенциалом. И только тогда когда все диоды заперты высокими уровнями на входах, на выходах устанавливается высокий потенциал.

Рисунок 1.9 – Двух ступенчатые комбинационные логические элементы (реализуют функцию ).