Лк20 (Лекции в ворде)

10 Классификация интегральных микросхем

Интегральная микросхема – микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию обработки сигналов и имеющее высокую плотность размещения электрически соединенных элементов и компонентов.

Элемент ИС – часть ИС, выполняющая функцию транзистора, резистора или другого электрорадиоэлемента, изготовленного в едином технологическом цикле (при создании ИС) и не представляющая собой самостоятельного изделия.

Компонент ИС – представляет собой самостоятельное комплектующее изделие, которое устанавливается в ИС в процессе ее изготовления.

В зависимости от технологии изготовления интегральные микросхемы могут быть полупроводниковыми, пленочными или гибридными (рис. 10.1).

Рис. 10.1 Классификация ИМ

Полупроводниковая микросхема - микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.

Рис. 10.2 Полупроводниковая ИС: а – разрез схемы; б – электрическая схема

Пленочная микросхема - микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены только в виде пленок проводящих и диэлектрических материалов. Вариантами пленочных являются тонкопленочные и толстопленочные микросхемы.

Различие между тонкопленочными и толстопленочными микросхемами может быть количественным и качественным. К тонкопленочным условно относят микросхемы с толщиной пленок менее 1 мкм, а к толстопленочным - микросхемы с толщиной пленок свыше 1 мкм.

Гибридная микросхема - микросхема, содержащая кроме элементов простые и сложные компоненты (например, кристаллы микросхемы полупроводниковых микросхем) (рис. 10.3).

Рис. 10.3 Гибридная ИС: а – расположение элементов пленочного модуля; б – электрическая схема пленочного модуля: 1, 2, 6 – пленка алюминия; 4, 5 – высокоомная пленка, образующая резисторы; 3 – диэлектрик конденсатора

Одним из видов гибридной микросхемы является многокристальная микросхема.

В зависимости от функционального назначения интегральные микросхемы делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых ИС сигнал на выходе является непрерывной функцией сигнала на входе. Аналоговые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Частным случаем этих микросхем является микросхема с линейной характеристикой, линейная микросхема.

Пример: генераторы, вторичные источники питания, устройства задержки, сравнения, усилители, коммутаторы, модуляторы, преобразователи, фильтры, формирователи и др.

С помощью цифровых микросхем преобразуются, обрабатываются сигналы, изменяющиеся по закону дискретной функции. Частным случаем цифровых микросхем являются логические микросхемы, выполняющие операции с двоичным кодом, которые описываются законами логической алгебры. В цифровых ИС сигналы имеют два дискретных уровня (0 и 1), т.е. служат для преобразования и обработки дискретных сигналов.

Пример: логические элементы, триггеры, цифровые устройства, запоминающие устройства, вычислительные устройства, см. также рис. 10.2.

Минимальный состав комплекта интегральных микросхем, необходимый для решения определенного круга аппаратурных задач, называется базовым.

После появления микропроцессоров были введены дополнительные термины. Микропроцессор определен как программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управления им. Это устройство изготовлено на основе одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).

Микропроцессорной названа микросхема, выполняющая функцию МП или его часть. Совокупность этих и других микросхем, совместимых по архитектуре, конструктивному исполнению и электрическим параметрам, называется микропроцессорным комплектом.

В последние годы в классификацию ИС вводятся новые понятия: микросхемы общего назначения, заказные и полузаказные.

Рис. 10.2

Заказная микросхема - микросхема, разработанная на основе стандартных и (или) специально созданных элементов узлов по функциональной схеме заказчика предназначена для определенной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).

Полузаказная интегральная микросхема - микросхема, разработанная на основе базовых кристаллов ( в том числе матричных).

Система условных обозначений микросхем. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы разрабатываются и выпускаются предприятиями - изготовителями в виде серий. Каждая серия отличается степенью комплектности и содержит несколько микросхем, которые, в свою очередь, подразделяются на типономиналы. К серии микросхем относят совокупность типов микросхем, которые могут выполнять различные функции, но имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения. Как правило, с течением времени состав перспективных серий расширяется.

Тип интегральной микросхемы - интегральная микросхема конкретного функционального назначения и определенного конструктивно-технологического и схемотехнического решения, имеющая свое условное обозначение. Под типономиналом интегральной микросхемы понимается микросхема конкретного типа, отличающаяся от других микросхем того же типа одним или несколькими параметрами.

Группа типов микросхем - совокупность типов микросхем в пределах одной серии, имеющих аналогичное функциональное назначение и принцип действия, свойства которых описываются одинаковым или же близким составом электрических параметров.

Классификация по степени интеграции:

Наименование ИС	Вид ИС	Технология изготовления	Число элементов и компонентов в корпусе N
Малая ИС (МИС)	Цифровая Аналоговая	Биполярная, МДП Биполярная	1…100 1…30
Средняя ИС (СИС)	Цифровая Аналоговая	МДП Биполярная Биполярная, МДП	101…1000 101…500 31…100
БИС	Цифровая Аналоговая	МДП Биполярная Биполярная, МДП	1001…10000 501…2000 101…300
СБИС	Цифровая Аналоговая	МДП Биполярная Биполярная, МДП	>10000 >2000 >300

Степень интеграции К = |lgN|:

К=1 N<=10

K=2 N<=100

K=3 N<=1000

K=4 N<=10000

K=5 N<=100000

K=6 N<=1000000

Ожидается К=7

Особенности ИС (на примере полупроводниковой):

1. ИС самостоятельно выполняет законченную, часто весьма сложную функцию. ИС может рассматриваться не только как элемент с определенными параметрами, но и как устройство с определенной электрической схемой.

2. Снимаются принципиальные ограничения по усложнению функций аппаратуры, которые были свойственны традиционному построению радиоэлектронных устройств на дискретных элементах.

3. На одном и том же кристалле можно реализовать узел различной сложности.

4. Элементы ИС отличаются от аналогичных дискретных элементов:

• Большой разброс параметров относительно расчетных (из-за малых размеров, невозможностью подгонки и подстройки).

• Ограничение номинальных значений – сопротивлений и емкостей (из-за малой площади). Индуктивность вовсе не реализуется.

• Однотипные элементы одной ИС характеризуется высокой идентичностью параметров и характеристик.

• Наличие ряда паразитных параметров (токи утечки в подложку, появление емкостных и индуктивных связей между близкорасположенными элементами, соединениями и подложкой).

1. В ИС при создании функционального узла предпочтение отдается активным элементам перед пассивными. При построении аналогичных узлов на дискретных элементах, наоборот, стремятся уменьшить количество дорогих активных элементов (транзисторов и т.п.).

2. В ИС реализуются некоторые типы элементов, которые не имеют дискретных аналогов (многоэмиттерные транзисторы, элементы с инжекционным питанием, структуры с распределенными параметрами и др.).

Основные достоинства ИС:

1. Высокая надежность.

2. Малые размеры и масса.

3. Экономичность.

4. Быстродействие.

Недостатки:

1. Небольшая выходная мощность.

2. Сложность проектирования.

10.2 Условные обозначения микросхем

Все многообразие выпускаемых серий микросхем согласно принятой системе условных обозначений по конструктивно-технологическому исполнению делится на три группы: полупроводниковые, гибридные, прочие. К последней группе относят пленочные микросхемы, которые в настоящее время выпускаются в ограниченном количестве, а также вакуумные и керамические. Указанным группам микросхем в системе условных обозначений присвоены следующие цифры: 1, 5, 7 - полупроводниковые (обозначение 7 присвоено бескорпусным микросхемам); 2, 4, 8 - гибридные; 3 - прочие микросхемы.

По характеру выполняемых функций микросхемы подразделяются на подгруппы (генераторы, модуляторы, триггеры, усилители, логические схемы и др.) и виды (преобразователи частоты, фазы, длительности, напряжения и др.). Классификация наиболее популярных микросхем по функциональному назначению приведена в таблице 10.1.

По принятой системе, обозначение микросхемы должно состоять из четырех элементов. Первый элемент - цифра, соответствующая конструктивно-технологической группе. Второй элемент - две-три цифры, присвоенные данной серии как порядковый номер разработки. Таким образом, первые два элемента составляют три-четыре цифры, определяющие полный номер серии микросхемы. Третий элемент - две буквы, соответствующие подгруппе и виду (табл. 10.1). Четвертый элемент - порядковый номер разработки микросхемы в данной серии, в которой может быть несколько одинаковых по функциональному признаку микросхем. Он может состоять как из одной цифры, так и из нескольких.

Таблица 10.1

В качестве примера рассмотрим условное обозначение полупроводниковой микросхемы серии 1554ИР22 (рис. 10.3). Из условного обозначения следует, что эта микросхема - регистр с порядковым номером 554 и номером разработки микросхемы в данной серии по функциональному признаку 22 выполнена по полупроводниковой технологии.

Рис. 10.3 Пример условного обозначения полупроводниковой микросхемы: обозначение - ИЕ (счетчик) с порядковым номером серии 554 и номером разработки микросхемы в данной серии по функциональному признаку 7. Полное обозначение микросхемы 1554ИЕ7.

В последнее время при четырехзначном номере серии первую цифру порядкового номера серии устанавливают в зависимости от функционального назначения микросхем, входящих в серию. Например, цифра 0 определяет, что данная серия микросхем предназначена для работы в составе бытовой радиоэлектронной аппаратуры. Цифра 1 ставится на аналоговых микросхемах, цифра 4 - микросхемам ОУ, цифра 5 - цифровым микросхемам, цифра 6 - серии микросхем памяти, цифра 8 - сериям МП.

Если в конце условного обозначения стоит буква, то она определяет технологический разброс электрических параметров данного типономинала.