лекции / Лекции по схемотехнике / Лекция_02

ЛЕКЦИЯ №2

Классификация элементов ЭВМ. Система условных обозначений. Основные параметры и характеристики.

План:

1. Основные термины и определения.

2. Классификация элементов ЭВМ.

3. Система условных обозначений.

4. Статические параметры и характеристики, их взаимосвязь.

5. Динамические параметры и характеристики.

Ключевые слова:

Интегральная схема, компоненты ИС, серия элементов, функциональная полнота серии, техническая полнота серии, активные а пассивные основные логические элементы, элементы памяти, вспомогательные элементы, специальные элементы, комбинационные схемы, последовательные схемы, типы логики элементов, полярность логики, коэффициенты степени интеграции, БИС и СБИС, номер серии ИС, типономинал, параметры ИС, характеристики ИС, временные параметры.

Прежде чем приступить к классификации элементов рассмотрим некоторые основные определения и понятия.

В качестве первичных понятий в схемотехники ЭВМ различают электрорадиоэлементы и элементы ЭВМ. Применительно к интегральной схемотехники электрорадиоэлементами считаются резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды, транзисторы и др.

Электрорадиоэлемент – часть ИС, выполненная нераздельно от кристалла ИС (например: пленочный резистор).

Компонент ИС – часть ИС, реализуется функции какого-либо электродиоэлемента, но перед монтажом эта часть ИС была самостоятельным изделием (комплектующие изделие, например: керамический конденсатор в гибридной ИС.).

Подложка ИС – заготовка, предназначенная для нанесения на нее элементов гибридных и пленочных ИС, межэлементных и межкомпонентных соединений, а также контактных площадок.

Плата ИС – часть подложки (или вся подложка), по поверхности которой наносят пленочные элементы ИС, межэлементные и межкомпонентные соединения и контактные площадки.

Полупроводниковая пластина – заготовка из полупроводникового материала, используемая для создания полупроводниковых ИС.

Кристаллы ИС – части пластины, полученные после ее резки, в объеме и на поверхности которой содержатся элементы полупроводниковой ИС.

Контактные площадки – металлизированный участок на плате или кристалле, предназначенный для присоединения выводов контактов и ИС, а также для контроля их электрических параметров и режимов.

Элемент ЭВМ – электронная схема, представляющая собой некоторую совокупность компонентов и выполняющая определенную функцию: логическую, хранения информации, вспомогательную или специальную.

Вместо термина «элемент ЭВМ» применяют и термин ЦИС. Элементы ЭВМ выпускаются сериями. В состав серии кроме элементов ЭВМ входят также узлы. Серия элементов является полной, если она обладает функциональной и технической полнотой.

Функциональная полнота – свойство серии реализовать любую булеву функцию, реализуется логическими элементами ЭВМ.

Техническая полнота – свойство серии реализовывать помимо логических, другие функции, в т.ч. хранение, вспомогательные, специальные, обеспечивать согласование элементов, нагрузочную способность, восстановление сигналов по форме и амплитуде, формирование сигналов, индикацию состояний элемента и др.

Элементы ЭВМ классифицируются по:

1. функциональному назначению.

2. по типу связи.

3. по типу логики.

4. полярности оформления.

5. способу питания.

6. электронным и эксплутационным параметрам.

7. экономическим параметрам.

8. степени интеграции.

Рассмотрим подробнее указанную классификацию:

По функциональному назначению элементы делятся на:

– логические;

– хранение информации;

– вспомогательные;

– специальные.

Логические элементы предназначены для логического преобразования информации, представляемой в двоичном коде. В зависимости от выполняемой функции логические элементы бывают:

– коньюнкторы;

– дизьюнкторы;

– инверторы;

– универсальные элементы (элемент Шеффера, элемент Пирса);

– функциональные элементы, выполняющие несколько функций;

– адаптивные элементы, реализующие желаемые функции (программируемые элементы, микропроцессоры).

По структуре логические элементы различают на:

– комбинационные (примитивные логические схемы);

– последовательностные.

Элементы хранения информации (запоминающие) служат для запоминания и временного хранения информации.

Они делятся на две группы:

– активные элементы – двум значениям переменной соответствует два различных состояния элемента, например: триггеры;

– пассивные элементы – запись и считывание информации связано с изменением их магнитного или другого физического состояния (ФДЯ, ФТЯ).

Время записи и считывания у элементов второй группы больше, чем у первой группы, но для хранения информации не требуются электропитание.

Вспомогательные элементы предназначены для обеспечения электрического и временного согласования работы логических элементов и ЗУ. Сюда входят усилители, преобразователи сигналов, генераторы сигналов, элементы временной задержки и т.п.

Специальные элементы предназначены для физического преобразования электрических сигналов. К ним относится различные индикаторы, специальные схемы согласования и др.

По типу связей элементы делятся на элементы с

– потенциальной связью (по постоянному току), которые соединяются между собой непосредственно через резистор, диод, транзистор;

– импульсной связью, соединяются между собой через конденсаторы или трансформаторы;

– импульсно-потенциальной связью.

Каждый тип связи имеет свои достоинства и недостатки. Так, при потенциальной связи снимается ограничения по низкой частоте, по увеличению потребляемой мощности по сравнению с импульсной.

При импульсной связи с повышением быстродействия усложняется синхронизация сигналов.

В интегральных схемах используется потенциальная связь, т.к. изготовление емкостей и трансформаторов в интегральной технологии сложно.

Сигнал считается импульсным, если его длительность меньше длительности тактового импульса, и потенциальным, если его длительность равна или больше длительности тактового сигнала.

По типу логики элементы ЭВМ делятся на:

– диодную логику (ДЛ);

– резисторно-транзисторную логику (РТЛ);

– резисторно-емкостную транзисторную логику (РЕТЛ);

– диодно-транзисторную логику (ДТЛ);

– транзисторно-транзисторную логику (ТТЛ);

– эмиттерно-связанную логику;

– интегральную инжекционную логику (ИИЛ или И2Л).

Перечисленная классификация относится к элементам, построенным на биполярных транзисторах.

Кроме них широко распространение получили элементы на МДП- структурах, образующие МДП - логику.

В современных РЭА и ЭВМ наибольшее распространение получили элементы ТТЛ, ЭСЛ, И2Л и МДП - логики. Эти серии отличаются лучшими электрическими параметрами, имеют высокий уровень интеграции, обладают большими функциональными возможностями.

По полярности логики различают элементы положительной (позитивной) и отрицательной (негативной) логики.

В зависимости от полярности напряжения питания возможны различные варианты схемотехнической реализации элементов:

По технологии изготовления элементы ЭВМ делятся на полупроводниковые, пленочные и гибридные.

В полупроводниковых ЦИС все компоненты и межкомпонентные соединения выполняются в объеме и на поверхности полупроводника.

В пленочных ЦИС все компоненты выполнены в виде пленок. Различают тонкопленочные (толщина до 1 мкм) и тонкопленочных (свыше 1 мкм).

В гибридных ЦИС имеют место простые и сложные компоненты (бескорпусные транзисторы, кристаллы полупроводниковых ЦИС).

По конструктивному оформлению элементы ЭВМ делятся на корпусные и бескорпусные.

Корпус – часть конструкции ЦИС, предназначенная для ее защиты от внешних воздействий и соединения с внешними электронными цепями посредством выводов.

Бескорпустная ЦИС не имеет собственной защиты от внешних воздействий, ее защита обеспечивается корпусом устройства, в котором данная ЦИС установлена.

По способу питания элементы ЭВМ делятся на элементы с потенциальным и с импульсным питанием.

В элементах с потенциальным питанием она осуществляется от стабильных источников питания, при этом задаются допуски.

В элементах с импульсным питанием в качестве источников питания применяется специальные генераторы импульсов.

По электрическим и эксплуатационным параметрам элементы характеризуются:

1. быстродействием:

– сверхбыстродействующие 15 нс;

– высоко-быстродействующие 510 нс;

– средне быстродействующие 1050 нс;

– низко быстродействующие > 50 нс.

2. мощностью рассеяния (большая, средняя, малая);

3. эксплуатационными параметрами (надежностью, устойчивостью к механическим воздействиям, климатическим условиям).

4. по экономическим параметрам (стоимостью).

Степень интеграции элементов можно определить коэффициентами функциональной интеграции K_Ф и компонентной интеграции K_K.

K_Ф=lgN_Э,

где N_Э – количество И-НЕ или ИЛИ-НЕ, расположенных в кристалле.

По величине K_Ф схемы ЭВМ делятся:

– малые интегральные схемы МИС, если KФ 1 (тригеры);

– средние интегральные схемы СИС, если KФ 2 (счетчики, регистры);

– большие интегральные схемы БИС, если KФ3 (АЛУ, УУ, ОЗУ);

– сверхбольшие интегральные схемы СБИС, если KФ>3 (микро-ЭВМ).

K_K=lgN_К,

где N_К – общее количество компонентов, расположенных на кристалле ЦИС.

По величине K_K схемы различают:

– I степени интеграции, если N_К10;

– II степени интеграции, если N_К=11100;

– III степени интеграции, если N_К=1011000;

– VI степени интеграции, если N_К=100110000;

– V степени интеграции, если N_К=10001100000.

Для оценки сложности ЦИС ЭВМ вводится параметр «плотность упаковки»:

= N_К/v, где v – объем кристалла без выводов:

– I этап разработки ЦИС – МИС, =1050;

– II этап разработки ЦИС – СИС, =50100;

– III этап разработки ЦИС – БИС, =50010000;

Система условных обозначений ИС.

Согласно ГОСТ 18682-73 обозначения ИС состоят из 4-х типов:

Первый знак – цифра, соответствующая конструктивно технологической группе, применительно к которым различают:

1. полупроводниковые ИС – обозначаются цифрами 1,5,6,7 (7-бескорпустный);

2. гибридные ИС – 2,4,8;

3. прочие ИС – обозначаются цифрой 3 (пленочные, вакуумные, керамические).

Второй знак – 2  3 цифры, соответствуют порядковому номеру разработки данной серии ИС.

Первые два знака, соответствующие 3  4 цифры, определяют номер серии ИС.

Третий знак – две буквы, соответствующие подгруппе (I буква) и виду (II буква). Подгруппа и вид образуют понятие «типономинал».

Пример:

Подгруппа	Вид	Условное обозначение
Генераторы Г	гармонические колебания	С	ГС
	прямоугольные колебания	Г	ГГ
Логические элементы Л	И-НЕ	А	ЛА
	ИЛИ-НЕ	Е	ЛЕ
	И	И	ЛИ
	ИЛИ	Л	ЛЛ
	НЕ	Н	ЛН
Усилители У	Низкой частоты	Н	УН
	Импульсной	И	УИ
	Дифференциальной	Д	УД
	Постоянного тока	Т	УТ
Тригеры Т и т.д.	JK	В	ТВ
	RS	Р	ТР
	D	Н	ТН
	T	Т	ТТ

Четвертый знак – одна или несколько цифр, соответствуют порядковому номеру разработки ИС в данной серии, в которой может быть несколько одинаковых по функциональному признаку ИС.

Иногда в конце условно обозначения добавляется буква, определяющая технологический разброс электронных параметров данного типонаминала 133ЛА1А отличается от 133ЛА1Б.

Для микросхем широкого применения в начале условного обозначения указывается буква К.

Если после буквы К перед номером серии указывается еще буква М, это означает, что данная серия вся выпускается в керамическом корпусе.

Серии, выпускаемые на экспорт, обозначаются буквой Э, например ЭК561С2.

Серии в бескорпустном варианте исполнения отличается буквой Б перед номером серии КБ524РП1Л. Для бескорпустных ИС в условных обозначениях через дефис вводится цифра, характеризующая соответствующую модификацию конструктивного исполнения:

1 – гибкие выводы;

2 – ленточные выводы;

3 – жесткие выводы;

4 – на общей пластине;

5 – разделенные без потери ориентировки;

6 – с контактными площадками.

Например:

Б106ЛА1А–1

бескорпусная, полупроводниковая ИМС, серия Б106, элемент И-НЕ с гибкими выводами.

Наиболее перспективные серии:

ЦИС ТТЛ, ТТЛШ
К155	Построение узлов ЭВМ и устройств дискретных автоматических средств обработки.
133
130	Построение быстродействующих узлов и устройств.
131
599
134	Построение устройств и узлов с маленьким потреблением мощности.
158
533
555
734
530	Высокое быстродействие и малое потребление мощности.
К531
1531
1533
ЦИС ЭСЛ
100 К500	Построение высокоскоростных ЭВМ и вычислительных комплексов.
700 1500
ЦИС на МДП – транзисторах.
164 764	Построение узлов и устройств со сверхмалым потреблением мощности и высокой помехоустойчивостью.
564 765
К176 561

Вопросы для контроля:

1. По каким критериям можно классифицировать ЦИС?

2. Какие типы логических схем Вы знаете?

3. Как классифицируются ИС по технологии изготовления?

4. Какие коэффициенты интеграции Вы знаете?

5. Как различают ИС по величине коэффициентов интеграции?

6. Из скольких частей состоит условное обозначение ИС?

7. Что показывает каждая часть?

8. Какие статические и динамические параметры и характеристики ИС Вы знаете?

9. Какие параметры можно определить по передней характеристике?

Литература:

1. Схемотехника ЭВМ. Учебник для ВУЗов под редакцией Соловьева Г.Н. – М.; Высш.шк., 1985, с.9-19.

2. Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ – М.; Высш.шк., 1987, с.7-23.