Коледов Л.А. - Технология ИС, страница 6

Логические микросхемы на основе биполярных транзисторов по схемотехническому и конструктивно-технологическому исполнению разделяют на типы: резисторно-транзисторные логические (РТЛ) и их модификации (с непосредственными связями, с емкостными связями и т. д.); транзисторно-транзисторные логические (ТТЛ) и их модификации (ТТЛ с диодами Шотки и др.) (рис. 1.!7); эмиттерно-связанные логические (ЭСЛ) (рис. 1.!8); интегральные инжекционные логические (И Л) (рис. 1.19); инжекционно-полевые логические (ИПЛ).

Логические микросхемы на МДП-транзисторах подразделяют на: р-канальные (р-МДП) (рис. 1.20); и-канальные (п-МДП); комплементарные на взаимодополняющих и- и р-канальных транзисторах (КМДП) (рис. 1.21). В настоящее время промышленность выпускает множество серий логических интегральных микросхем, и разработчику аппаратуры необходимо уметь проводить сравнительный анализ по их характеристикам, чтобы найти наилучшие соотношения характеристик в соответствии с требованиями к разрабатываемым микроэлектронным изделиям. Этими характеристиками являются; быстродействие (задержка переключения), потребляемая мощность, произведение мощности на время задержки, запас помехоустойчивости, коэффициент разветвления по выходу, требования к напряжению питания, диапазон рабочих температур, плотность размещения элементов на -Е трехвходовото вентиля ИЛИ вЂ” НЕ на р-каналь- ивн бенды у и/ Рис.

1.21, Фрагмент микросхемы трехвходового элемента ИЛИ вЂ” НВ на р.канальных 5(ДП-транзисторах: а — алана алактрачатка» арллаллналаааа; б — топология Т а б л н ц а 1.2. Сводка ориентировочных значений рабочих параметров авементов цибровых логических микросхем (1960 г.) мдп Н опарина и*л Парама р ттл гглш кмдп .мдп р.мдп 0...70 — 40...+85 0...70 0...75 0...70 0...70 0...70 3...15 — !О 1,5 — 5,2 О,ЗУ Зависит от процесса производства 20 25 0,1 0,17 0,5 0,3 1О 10 !О 20 0,5 0,1...1,0 50 мкВт 0,5...2,0 !0 Зависит от частоты 70 25 0,5 !5 100 ! О... 1 2 3...

4 т Диапазон рабочих температур длн общепромышленных серий, аС Напряжение питания для общепромышленных серий, В Запас помехоустойчивости (наихудший), В КоэбтФипиент разветвления по выходу Потребляемая мощность на логический элемент, мВт Задержка переключения на логический элемент, нс Произведение мощность— задержка, пДж Интегральная плотность логических элементов/нм' Число ЭРЭ в логическом элементе на два входа 10 3 100 бО 15 !5 9...12 14 100 1...10 50 0,7...! О 100 !50 3 3 50 нВт, статическая, эа. висит от частоты 10...50 кристалле, степень интеграции, стоимость и др. Сведения об этих характеристиках приведены в табл.

1.2. Трудности выбора усугубляются тем, что технология производства многих типов логических схем продолжает развиваться, и разработчики аппаратуры должны уметь предвидеть, какая ситуация может сложиться через несколько лет. Наибольшим быстродействием обладают микросхемы ЗСЛ-типа.

Однако им присущи самая высокая потребляемая могцность и стоимость, так как они занимают большую площадь кристалла и имеют более сложную электрическую схему. Этим схемам отдают предпочтение в аппаратуре, в которой требуется наибольшее быстродействие любой ценой.

ЭСЛ-микросхемы сохраняют работоспособность в большом интервале температур и при колебаниях напряжения в цепях питания. Большая потребляемая мощность затрудняет получение ЭСЛ-микросхем высокой степени интеграции, так как тепловая мощность, отводимая от кристалла, не может превышать нескольких ватт. (Чтобы ощутить тепловой поток от единицы поверхности кристалла, рассеивающего такую энергию, надо сравнить его с тепловым потоком с единицы поверхности электрической лампы мощностью 500 Вт.) Поэтому ЭСЛ-микросхемы — это обычно МИС или СИС (см табл. 1.1) Прн создании аппаратуры на ЭСЛ-микросхемах требуется значительная плогцадь коммутационных плат н, соответственно, большая длина соединяющих их проводников, что влечет за собой искажение формы сигналов и требует установки соответствующих нагрузок на концах линий связи.

Недостатком схем ЭСЛ является н то, что для их работы необходимы два источника питания. Для сравнения различных типов микросхем используют такой параметр, как произведение задержки переключения на мощность. Чем меньше это произведение, тем предпочтительнее данный тип микросхем, так как то же самое время задержки (быстродействие) получают при меньшей могцности. Однако чем меньше произведение задержки на мощность, тем более чувствительны микросхемы к выходной нагрузке. В связи с этим микросхемы типа ЭСЛ и ТТЛ с большой потребляемой мощностью (см. табл.

1.2) малочувствительны к выходной нагрузке. Схемы ТТЛ менее дорогие, чем ЭСЛ, и обладают несколько меньшим быстродействием, хотя и превосходят по быстродействию остальные биполярные микросхемы. Но здесь при сравнении должна учитываться степень интеграции, Если степень интеграции ЭСЛ- схем мала, то для изготовления одного и того же устройства таких схем потребуется больше, чем схем ТТЛ, обладающих большей степенью интеграции. То быстродействие, которое выигрывается при использовании ЗСЛ-схем, может быть потеряно в соединяющих их проводниках. Особенностями схем интегральной инжекционной логики являются малое значение произведения времени задержки на мощность, 27 малая площадь, занимаемая одним логическим И'Л-элементом на кристалле, и технологическая совместимость И'Л-элементов с другими типами биполярных логических схем: они могут быть изготовлены в одном кристалле вместе с ЭСЛ- и ТТЛ-схемами.

Для микроэлектронных устройств с автономными источниками питания (наручные часы, электронные игрушки и др.) целесообразно использовать И'Л-схемы или МДП-схемы, потребляющие намного меньшую мощность, чем рассмотренные выше схемы, и имеющие сравнительно низкую стоимость. В связи с тем, что р-, и-МДП- и КМДП-схемы потребляют малую мощность и их элементы занимают малую площадь на кристалле, они более всего подходят для создания БИС и СБИС. Схемы КМДП обладают наименьшим потреблением энергии и наибольшей помехозащищенностью.

При разработках микроэлектронной аппаратуры целесообразно применение микросхем полупроводниковой памяти, которые могут быть использованы для хранения программ, а также для замены некоторых логических схем. Микросхемы полупроводниковой памяти— запоминающие устройства (ЗУ) — в настоящее время выполняются в виде СБИС. Они либо входят в состав микропроцессорных комплектов, либо выпускаются в виде автономных СБИС, предназначенных для использования в аппаратуре. Их можно классифицировать по ряду независимых признаков: способу хранения информации; способу обращения к памяти; принадлежности к подсистемам памяти ЭВМ; типу носителя информации; функциональному назначению; схемка-технологическому исполнению и т.

д. По способу хранения информации ЗУ делятся на статические, динамические и квазистатическне. В статических ЗУ хранение информации обеспечивается с помощью постоянного источника питания, информация в режиме хранения неподвижна относительно массива ячеек (носителя информации), при отключении источника питания информация разрушается. В динамических ЗУ информация хранится в виде зарядов, для чего используются емкости р-п переходов и МДП-структур. Время хранения информации ограничено, вследствие чего необходимо периодически ее восстанавливать.

По способу обращения к информации различают адресные, ассоциативные ЗУ и ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ). По функциональному назначению ЗУ делятся на постоянные, логические и оперативные. Постоянные ЗУ (ПЗУ) служат для хранения констант и программ. Основными требованиями к ним являются: неразрушающее считывание, высокая надежность, энергонезавнсимость хранения информации. Различают ПЗУ, программируемые при изготовлении, в которых информация заносится один раз в конструкцию запоминающего массива ячеек и не подвергается изменению, ППЗУ вЂ” однократно программируемые ПЗУ и РПЗУ вЂ” многократно репрограммируемые ПЗУ, в которых запись информации осуществляется пользователем этих интегральных схем памяти. 28 Особую разновидность элементов памяти представляют программируемые логические устройства (ПЛУ), в которых на одном кристалле сформированы логические элементы одного типа.

Созданием системы соединений этих элементов (программнрования) обеспечивается функционирование ПЛУ. Таким образом, ПЛУ функционально сходны с ПЗУ, запись программ в ПЛУ технологически осуществляется так же, как и программирование ПЗУ, пережиганием перемычек в металлнзации, фотошаблоном для формирования контактных окон и др. Практически все типы микросхем памяти могут быть построены на биполярных и на МДП-структурах, что обеспечивает широкий набор нх характеристик, Аналоговые микросхемы по выполняемым функциям представляют собой очень широкий класс устройств различного назначения: дифференциальные и операционные усилители, широкополосные усилители, усилители мощности, аналоговые умножители и модуляторы, цифра-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, частотно-избирательные устройства.

Номенклатура выпускаемых аналоговых микросхем очень широка. В ряде случаев цифровые БИС н СБИС микропроцессорных наборов содержат в своей структуре и аналоговые блоки. Создание БИС позволило значительно повысить функциональную сложность микросхем, что привело к уменьшению их универсальности, а следовательно, к неизбежному увеличению их номенклатуры. Возникла противоречивая, чуть ли не парадоксальная ситуация: чем выше технологический уровень производства, тем более сложные в конструктивном и функциональном отношении микросхемы можно изготовить, но чем выше их степень интеграции, тем более специализированными они становятся и тем большее количество различных сложных устройств надо изготовить в виде интегральных микросхем для создания различных видов микроэлектронной аппаратуры.