Что такое аналоговая микросхема. Универсальные аналоговые программируемые ис: выбор элементарных функциональных узлов. Серии микросхем для магнитофонов и электрофонов

Все существующие электронные схемы условно можно разделить на 2 класса: цифровые и аналоговые.

Аналоговый сигнал представляет собой непрерывно изменяющуюся во времени электрическую величину (обычно ток или напряжение), которая лежит в допустимом информативном интервале значений в любой момент времени, т. е. выходная величина и входная связаны друг с другом функциональной зависимостью 1/ вых = Л(/ ох) .

Цифровой сигнал обычно характеризуется двумя устойчивыми значениями (максимальным и минимальным), при этом пере-

ход от одного значения к другому происходит в течение короткого временного интервала .

В основе аналоговых схем лежат простейшие усилительные ступени и каскады, а основу цифровых схем составляют простейшие транзисторные ключи.

На базе усилительных каскадов строятся сложные многокаскадные усилители, стабилизаторы напряжения и тока, модуляторы и детекторы, генераторы непрерывных во времени сигналов и другие схемы.

При работе любой аналоговой схемы наблюдается отклонение (разброс) выходных сигналов С/ вых (О в некотором диапазоне, т. е. С7 ВЫХ (0 = £/(£) ± Д£/(Ц. Источником отклонения Д£/(*) может быть температурный и временной дрейф параметров элементов схемы, шумы, технологический разброс параметров и т. д. Сложность получения высокой точности воспроизведения характеристик элементов при хорошей их стабильности и минимальных шумах явилась причиной отставания развития аналоговых схем по сравнению с цифровыми ИС на первых этапах становления микроэлектроники. Однако в настоящее время это отставание ликвидировано и аналоговые микросхемы используют в качестве основной элементной базы большинства аналоговых устройств. Это позволило существенно уменьшить габаритные размеры и массу этих устройств, а также потребляемую мощность и повысить точность обработки аналоговой информации. Последнее достоинство обусловлено тем, что в ИС на одной подложке сформирована совокупность элементов с взаимосогласованными характеристиками (принцип взаимного согласования цепей) и однотипные элементы имеют одинаковые параметры и взаимную компенсацию нестабильности параметров во всех диапазонах внешних допустимых воздействий.

Аналоговые ИС можно разделить на универсальные и специализированные. К универсальным аналоговым ИС относятся матрицы согласованных резисторов, диоды и транзисторы, а также интегральные операционные усилители (ОУ).

Специализированные аналоговые микросхемы выполняют некоторую определенную функцию, как-то: перемножение аналоговых сигналов, фильтрацию, компрессию и т. д.

Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) и цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) трансформируют аналоговую информацию в цифровую и наоборот. АЦП в основном преобразуют напряжение в цифровой код. Из ЦАП наибольшее распространение получили преобразователи кода в напряжение и кода в ток.

Интегральные СВЧ-микросхемы имеют функциональную, схемотехническую и конструктивно-технологическую специфику. Их развитие стимулируется потребностями радиолокации, телевидения, авиакосмической техники и т. д., требующими массового выпуска малошумящих усилителей для приемных тректов, преобразователей частоты, переключателей СВЧ-сигналов, генераторов, усилителей мощности и т. д.

Интегральным схемам по сравнению с дискретными свойственны отличительные особенности, обусловленные спецификой их технологии. К особенностям аналоговых ИС можно отнести отмеченный ранее принцип взаимного согласования цепей и принцип схемотехнической избыточности, заключающийся в преднамеренном усложнении схемы с целью улучшения ее качества, минимизации площади кристалла и повышения технологичности. В качестве примера можно привести тот факт, что в аналоговых ИС вместо конденсатора, занимающего большую площадь, используют сложные структуры с непосредственными связями.

Поэтому обычно приходится идти на компромисс и питать ОУ пониженным (для него) напряжением. Большинство современных ОУ работоспособно при напряжении питания более 3 В (±1,5 В), и только серия К574 - при напряжении питания более 5 В. Также, специально для применения в низковольтной (5 В) цифровой технике, выпускаются ОУ и серий LM2901…LM2904: их параметры идеальны при напряжении питания 5 В, а работоспособность сохраняется в «стандартном» диапазоне 3…30 В. Необходимую для работы ОУ и компаратора «половину напряжения питания» можно «сделать» с помощью делителя напряжения на .

Еще одна проблема - согласование по уровням. Подавать на вход аналоговых микросхем цифровой сигнал нельзя, особенно сигнал с выхода -микросхем (у них амплитуда выходного напряжения равна напряжению питания). Подробнее об этом говорилось выше, а уменьшить амплитуду сигнала с выхода цифровой можно с помощью делителя напряжения.

Сигнал на выходе аналоговой , работающей в цифровом режиме, практически всегда имеет достаточную амплитуду для нормальной работы цифровой , но попадаются в этом плане и «уроды». У некоторых аналоговых микросхем уровню лог. «0» соответствует напряжение на выходе, равное +2,1…2,5 В относительно общего провода (с которым соединен отрицательный вход питания ), а у ТТЛ-схем и некоторых напряжение переключения равно 1,4…3,0 В. То есть с помощью такой аналоговой установить уровень лог. «0» на входе упомянутой выше цифровой невозможно. А вот с установкой уровня лог. «1» на входе цифровой проблем не возникает практически никогда. Поэтому выходов два: или подать на вход «-U» только аналоговой небольшое отрицательное напряжение (-2…-3 В) относительно общего провода (рис. 2.8, о), которое можно сформировать с помощью любого генератора, к выходу которого подключен – (рис. 2.8, б); R нужен для того, чтобы при напряжении на выходе ОУ, меньшем напряжения на общем проводе, не вывести из строя цифровую микросхему (ТТЛ) или не перегрузить защитный (), его может быть от 1 кОм до 100 кОм. Второй выход - поставить между аналоговой и цифровой микросхемой (рис. 2.8, в): при этом на входе цифровой уменьшится и напряжение уровня лог. «1», что несущественно, и напряжение уровня лог. «0», что нам и надо.

Выходы компараторов обычно выполняются по схеме с открытым коллектором (рис. 2.8, г), поэтому при использовании компараторов для управления цифровыми схемами «подтягивающий» обязателен (он включается между выходом компаратора и шиной «+U»). В ТТЛ-схемах эти установлены внутри на каждом входе, в -схемах их нужно устанавливать «снаружи». «Внутри» компараторов «подтягивающих» резисторов никогда не бывает.

Падение напряжения на переходах выходного транзистора компаратора (рис. 2.8, г) не превышает 0,8…1,0 В, поэтому проблем с управлением цифровыми схемами никогда не возникает. Так как выход компаратора выполнен по схеме с открытым коллектором, то напряжение питания компаратора («+U») может быть больше или меньше напряжения питания цифровой - при этом никаких изменений в схему вносить не нужно. «Подтягивающий» в таком случае нужно включать между выходом компаратора и шиной «+U» цифровой части .

Допустим, что нам нужно создать , которое будет контролировать величину собственного напряжения питания и, как только оно станет больше или меньше нормы, включит .

Для начала попробуем создать такое на основе цифровых микросхем. Как известно, напряжение переключения цифровой весьма слабо от ее напряжения питания, поэтому для контроля напряжения питания вход логического элемента через можно непосредственно соединить с шинами питания (рис. 2.10, а). В этой схеме нижний реагирует на понижение напряжения питания (тогда на его выходе устанавливается «единица»), а верхний - на повышение - ив таком случае на выходе элемента DD1.2 устанавливается уровень лог. «1». Сигналы с выходов обоих каналов суммируются диодной схемой «2ИЛИ», и при «единице» на одном из выходов на выходе DD1.4 устанавливается уровень лог. «0», разрешающий работу генератора.

Эту схему можно упростить, если использовать многовходовые (рис. 2.10, б). В этих схемах DD1.2 (рис. 2.10, а)

Рис. 2.10. Устройства контроля напряжения: а - на инверторах; б - усовершенствованные на логических элементах; в - на аналоговых микросхемах используется одни из «входных» элементов - благодаря этому отпала надобность в сумматоре. Надеюсь, вы сами разберетесь, как работают эти .

Собрав одну из этих схем, вы заметите, что, пока напряжение питания находится в пределах нормы, потребляемый схемой ток не превышает нескольких микроампер, но при приближении к границе нормы он резко увеличивается в тысячи раз. Возникли сквозные токи. При дальнейшем изменении напряжения питания включится (если напряжение питания пульсирующее, то он вначале будет «тарахтеть» в такт с пульсациями) и через некоторое время, при еще большем изменении напряжения питания, потребляемый схемой ток начнет уменьшаться.

Если вам такие «фокусы» не нужны, поставьте в схему или ОУ. Если запускается уровнем лог. «О» - удобнее : их выходы можно соединить вместе (с ОУ так поступать нельзя!) и «обойтись» общим «подтягивающим» резистором. А вот если запускается «единицей» - удобнее ОУ: сэкономите 2 резистора, через которые в «ждущем» режиме (пока напряжение в пределах нормы) протекает ток.

В отличие от рассмотренных выше, в такой схеме понадобится источник образцового напряжения. Проще всего собрать его на резисторе и стабилитроне или на генераторе тока и резисторе (или, что лучше, стабилитроне). Вариант на резисторе со стабилитроном самый дешевый, но большинство стабилитронов начинают нормально работать только при протекающем через них токе в несколько миллиампер, а это сказывается на энергопотреблении всей . Впрочем, современные малогабаритные отечественные начинают стабилизировать напряжение при токе от 10 мкА. У на основе генераторов тока () минимальный ток стабилизации может быть любой.

Для того чтобы меньше нагружать , его выход непосредственно соединим со входами компараторов ( современных ОУ и компараторов ничтожно мал и не превышает 0,1 мкА), а подстроечные «регулирующие» включим так же, как и у рассмотренных выше схем. Получилось то, что изображено на рис. 2.10, в; к выходам этих схем можно подключить любой. Если использовать в схеме счетверенные ОУ (), можно собрать на «свободных» элементах.

А теперь, чтобы решить, какая из схем (цифровая или аналого-цифровая) лучше, сравним их характеристики:

Как видно, преимущества и недостатки есть у обеих схем, причем преимущества одной покрывают недостатки другой и наоборот. Поэтому не нужно изо всех сил стремиться собрать свое по «правильной» схеме, в которой с цифровым сигналом работает цифровая , а с аналоговым - аналоговая; иногда нестандартное включение элементов, как на рис. 2.10, а и 2.10,6, позволяет сэкономить и на деталях, и на электричестве. Но с нестандартным включением нужно быть крайне осторожным: большинство элементов в таком режиме неустойчиво, и под влиянием малейших воздействий они могут «забастовать», а то и вообще выйти из строя. Предсказать развитие событий при нестандартном включении элементов очень сложно даже для опытных радиолюбителей-практиков, поэтому определить работоспособность (или неработоспособность) той либо иной «нестандартной» можно только на макете. При этом вы заодно узнаете потребляемый схемой ток и некоторые другие, интересующие вас, характеристики, а также сможете подкорректировать номиналы отдельных элементов.

Особое место в истории электроники занимает так называемый «таймер 555», или попросту «555» (предприятие, разработавшее эту микросхему, назвало его «ΝΕ555», отсюда и пошло название). эта представляет собой простую, как и все гениальное, комбинацию аналоговых и цифровых устройств, и благодаря этому ее универсальность потрясающа. В свое время (начало 90-х годов) во многих радиолюбительских изданиях действовала рубрика типа «придумай новое применение таймера 555» - тогда только стандартных схем включения этой было предложено больше, чем страниц в этой книге.

А он (принцип действия) весьма прост: под воздействием внешнего аналогового (не цифрового!) модулирующего сигнала изменяется частота, скважность, или длительность выходного сигнала.

Бывают двух видов: линейные и импульсные. Линейные (амплитудные, частотные, фазовые и т. д.) используются только в радиовещании, поэтому рассматриваться здесь не будут. бывают широтно-импульсные (ШИМ) и фазо-импульсные (ФИМ). Друг от друга они практически ничем не отличаются, поэтому их нередко путают Делать этого нельзя - ведь если придумали для них два разных названия, значит, это кому-то было нужно. Отличаются они тем, что у ФИМ частота выходного сигнала неизменна (т. е. если длительность импульса в X раз увеличилась, то длительность паузы в X раз уменьшится), а у ШИМ - изменяется (длительность одного из полупериодов - импульса или паузы - всегда одинакова, а у другого - изменяется в такт модулирующему напряжению).

Рассматривать работу модуляторов будем по диаграммам, расположенным рядом с рисунками. Модулирующий сигнал для таймера 555 очень удобно подавать на его вход REF (этот вход у таймера 555 предназначен именно для этого; полагать «модулирующий» сигнал на вход REF других микросхем нельзя!), что обычно и делают.

Начнем с ФИМ. этот практически ничем не отличается от обычного генератора, и частота выходных импульсов ФИМ рассчитывается по формуле для генератора. Но давайте посмотрим, что будет, если на вход REF «генератора» подать внешнее напряжение.

Как видно из диаграмм, под воздействием модулирующего напряжения изменяется , или, если кто забыл суть этого термина, отношение периода импульса (лог. «1» + лог. «О») к длительности импульса (лог. «1»). А происходит это вот почему.

Когда на вход REF не подается внешнее напряжение, напряжение на нем равно 2/3 напряжения питания и равна 2, т. е. длительность импульса равна длительности паузы. В этом нетрудно убедиться с помощью теоретических расчетов: уровень лог. «О» на выходе генератора установится только после того, как напряжение на его входах R и S станет равным 1/3 U cc относительно шины «U cc », а уровень лог. «1» - после того, как напряжение на входах станет равным 2/4 U cc относительно общего провода. В обоих случаях падение напряжения на частотозадающем резисторе R1 одинаково, поэтому и длительности импульса и паузы одинаковы.

Предположим, что под воздействием внешнего сигнала напряжение на входе REF уменьшилось. Тогда уменьшится и напряжение переключения обоих компараторов таймера - допустим, до 1/4 и 2/4 соответственно. Тогда уровень лог. «1» сменится на лог. «О» на выходе таймера после того, как напряжение на частотозадающем конденсаторе увеличится от 1/4 U cc до 2/4 U cc , а уровень лог. «О» сменится уровнем лог. «1» после того, как оно уменьшится от 2/4 U cc до 1/4 U cc . Нетрудно заметить, что в первом случае падение напряжения на частотозадающем резисторе больше (при U cc = 10 В оно изменяется от 7,5 В до 5,0 В), чем во втором (2,5 В -» 5,0 В), и, если вспомнить закон Ома, протекающий через ток в первом случае будет в 2 раза больше, чем во втором, т. е. при уровне лог. «1» на выходе таймера будет заряжаться в 2 раза быстрее, чем разряжаться - при уровне лог. «0». То есть длительность импульса в 2 раза меньше длительности паузы и при дальнейшем уменьшении напряжения REF уменьшится еще сильнее.

Логично заметить, что при увеличении напряжения на входе REF начнет увеличиваться, и как только оно превысит 2/3 U cc , длительность импульса станет больше длительности паузы.

На основе такого модулятора очень удобно собирать разнообразные импульсные . Простейшая С4 быстро заряжается. Как только напряжение на нем станет приближаться к значению, выставленному резистором R7, VT3 начнет приоткрываться, напряжение на входе REF DA1 начнет уменьшаться и длительность импульсов на выходе генератора будет уменьшаться. С каждым тактом колебаний генератора в С4, через VT1 и VT2, будет «закачиваться» все меньше энергии, пока, наконец, не наступит динамическое равновесие: С4 получает ровно столько же энергии, сколько отдает в нагрузку - при этом напряжение на нем остается неизменным. Если ток нагрузки внезапно увеличится, напряжение на конденсаторе немножко уменьшится («нагрузка «садит» источник питания»), VT3 немножко закроется и длительность импульсов лог. «1» на выходе генератора будет увеличиваться, пока снова не наступит динамическое равновесие. При уменьшении тока нагрузки длительность импульсов, наоборот, будет уменьшаться.

Динамическое равновесие не нужно путать с истинным равновесием. Последнее наступает тогда, когда, например, на две чашки весов кладут гири одинаковой массы; такое равновесие весьма неустойчиво, и его очень легко нарушить, незначительно изменив массу любой гири. Аналогия истинного равновесия из мира электроники - это когда для уменьшения напряжения, для питания какой-нибудь низковольтной от высоковольтного для нее источника питания используют . Пока потребляемый схемой ток неизменен, неизменно и напряжение на ней. Но как только потребляемый ток увеличится, напряжение на схеме уменьшится - равновесие нарушилось.

Поэтому во всех современных схемах источников питания (и не только их) реализуется принцип динамического равновесия: часть (она называется «цепь ООС» - этот термин вам уже знаком) следит за сигналом на выходе устройства, сравнивает его с эталонным сигналом (в схеме на рис. 2.14 «эталонное напряжение» - напряжение отпирания транзистора VT3; оно не очень стабильно, но нам большая точность и не нужна; для увеличения точности поддержания выходного напряжения неизменным можно заменить инвертором (k ycU и 20…50) на ОУ) и, если два сигнала не равны друг другу, изменяет напряжение на выходе устройства в соответствующую сторону до тех пор, пока они не совпадут.

Так как в этой схеме в цепь ООС можно поставить только каскад (только такой , да еще дороговатый ОУ, может усилить сигнал по напряжению; a k ycU в этой схеме, для увеличения стабильности выходного напряжения, должен быть значительный), то при увеличении напряжения на движке резистора R7 напряжение на входе REF будет уменьшаться, причем независимо от структуры ( нормально работать не будет.

Поэтому мне пришлось немножко схитрить: поставить на выходе DA1 промежуточный каскад на транзисторе (VT1) и сигнал для управления силовым транзистором структуры p-n-p (VT2) снимать с этого транзистора. Правда, при этом возникла новая проблема: заряжаются емкости база-эмиттер транзисторов «со свистом», а вот разряжаются очень медленно. Из-за этого открывается резко (что и надо), а закрывается весьма плавно, при этом падение напряжения на его выводах коллектор-эмиттер тоже плавно увеличивается и выделяющаяся на нем в виде тепла мощность резко возрастает. Поэтому для ускорения процесса запирания транзисторов пришлось поставить низкоомные R4 и R6. Из-за них экономичность усилителя при большом выходном токе больше, чем без них (уменьшаются потери энергии на нагрев радиатора транзистора VT2), а при малом (менее 200 мА) - меньше: только через несколько сложней: для этого нужен дополнительный запускающих импульсов. В этом и заключается принципиальное отличие ФИМ от ШИМ.

Как работает , хорошо видно из диаграмм. Длительность запускающих импульсов у такой (как на рис. 2.12) модулятора должна быть как можно меньше, по крайней мере, к тому времени, как С1 зарядится до напряжения переключения по входу R, на входе S уже должен быть установлен уровень лог. «1», который должен продержаться на нем некоторое время (примерно 1/100 от длительности импульса) для того, чтобы С1 успел разрядиться. В противном случае возможно возникновение самовозбуждения на близкой к максимальной рабочей частоте для используемой в схеме .

Интегральная (микро)схема (ИС, ИМС, м/сх, англ. integrated circuit, IC, microcircuit), чип, ммикрочип (англ. microchip, silicon chip, chip - тонкая пластинка - первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) - микроэлектронное устройство - электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.

Полупроводниковая микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия, оксид гафния).

Плёночная интегральная микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

Гибридная микросхема (также микросборка) - кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус.

Смешанная микросхема - кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные(толстоплёночные)пассивные элементы размещённые на поверхности кристалла.

Классификация

Степень интеграции

В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции, разная для цифровых и аналоговых микросхем (указано количество элементов для цифровых схем):

Малая интегральная схема (МИС) - до 100 элементов в кристалле,

Средняя интегральная схема (СИС) - до 1000 элементов в кристалле,

Большая интегральная схема (БИС) - до 10000 элементов в кристалле,

Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) - до 1 миллиона элементов в кристалле,

Ультрабольшая интегральная схема (УБИС) - до 1 миллиарда элементов в кристалле,

Гигабольшая интегральная схема (ГБИС) - более 1 миллиарда элементов в кристалле.

В настоящее время название УБИС и ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Itanium, 9300 Tukwila, содержат два миллиарда транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.

Технология изготовления

Полупроводниковая микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия, оксид гафния).

Плёночная интегральная микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

Толстоплёночная интегральная схема;

Тонкоплёночная интегральная схема.

Гибридная микросхема (также микросборка) - кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус.

Смешанная микросхема - кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные(толстоплёночные)пассивные элементы размещённые на поверхности кристалла.

Вид обрабатываемого сигнала

Классифицируют на:

Аналоговые;

Цифровые;

Аналого-цифровые.

Аналоговые микросхемы - входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы - входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем типа ТТЛ при напряжении питания +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В - логической единице; а для микросхем ЭСЛ-логики при наприяжении питания −5,2 В диапазон −0,8…−1,03 В - логической единице, а −1,6…−1,75 В - логическому нулю.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов.

Типы логики

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы.

В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах - самые экономичные (по потреблению тока):

МОП-логика (металл-окисел-полупроводник логика) - микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа;

КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) - каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП).

Микросхемы на биполярных транзисторах:

РТЛ - резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

ДТЛ - диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика - микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе;

ТТЛШ - транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки - усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шоттки;

ЭСЛ - эмиттерно-связанная логика - на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, - что существенно повышает быстродействие;

ИИЛ - интегрально-инжекционная логика.

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распространёнными логиками микросхем. Где необходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость от статического электричества - достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и её целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 - сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии.

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но и наиболее энергопотребляющими, и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.

Технологический процесс

При изготовлении микросхем используется метод фотолитографии (проекционной, контактной и др.), при этом схему формируют на подложке (обычно из кремния), полученной путём резки алмазными дисками монокристаллов кремния на тонкие пластины. Ввиду малости линейных размеров элементов микросхем, от использования видимого света, и даже ближнего ультрафиолета, при засветке давно отказались.

В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают минимальные контролируемые размеры топологии фотоповторителя (контактные окна в оксиде кремния, ширина затворов в транзисторах и т. д.) и, как следствие, размеры транзисторов (и других элементов) на кристалле. Этот параметр, однако, находится во взаимозависимости с рядом других производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами фотолитографии, методами вытравливания и напыления.

В 1970-х годах минимальный контролируемый размер составлял 2-8 мкм, в 1980-х был уменьшен до 0,5-2 мкм. Некоторые экспериментальные образцы фотолитографического оборудования рентгеновского диапазона обеспечивали минимальный размер 0,18 мкм.

В 1990-х годах, из-за нового витка «войны платформ», экспериментальные методы стали внедряться в производство и быстро совершенствоваться. В начале 1990-х процессоры (например, ранние Pentium и Pentium Pro) изготавливали по технологии 0,5-0,6 мкм (500-600 нм). Потом их уровень поднялся до 250-350 нм. Следующие процессоры (Pentium 2, K6-2+, Athlon) уже делали по технологии 180 нм.

В конце 1990-х фирма Texas Instruments создала новую ультрафиолетовую технологию с минимальным контролируемым размером около 80 нм. Но достичь её в массовом производстве не удавалось вплоть до недавнего времени. По состоянию на 2009 год технологии удалось обеспечить уровень производства вплоть до 90 нм.

Новые процессоры (сперва это был Core 2 Duo) делают по новой УФ-технологии 45 нм. Есть и другие микросхемы, давно достигшие и превысившие данный уровень (в частности, видеопроцессоры и флеш-память фирмы Samsung - 40 нм). Тем не менее дальнейшее развитие технологии вызывает всё больше трудностей. Обещания фирмы Intel по переходу на уровень 30 нм уже к 2006 году так и не сбылись.

По состоянию на 2009 год альянс ведущих разработчиков и производителей микросхем работает над тех. процессом 32 нм.

В 2010-м в розничной продаже уже появились процессоры, разработанные по 32-х нм тех. процессу.

Ожидается, что, следующим, наверное, будет тех. процесс 22 нм.

Здесь действителен Закон Мура (Мур высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца).

Контроль качества

Для контроля качества интегральных микросхем широко применяют так называемые тестовые структуры.

Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом - вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

Операционные усилители.

Компараторы.

Генераторы сигналов.

Фильтры (в том числе на пьезоэффекте).

Аналоговые умножители.

Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители.

Стабилизаторы источников питания: стабилизаторы напряжения и тока.

Микросхемы управления импульсных блоков питания.

Преобразователи сигналов.

Схемы синхронизации.

Различные датчики (например, температуры).

Цифровые схемы

Логические элементы

Триггеры

Счётчики

Регистры

Буферные преобразователи

Шифраторы

Дешифраторы

Цифровой компаратор

Мультиплексоры

Демультиплексоры

Сумматоры

Полусумматоры

Микроконтроллеры

(Микро)процессоры (в том числе ЦП для компьютеров)

Однокристальные микрокомпьютеры

Микросхемы и модули памяти

ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

Цифровые интегральные микросхемы

Они имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» - что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» - (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором - через него не идёт ток. В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (резистивном) состоянии.

Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот, что маловероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.

Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.

Аналогово-цифровые схемы

цифро-аналоговые (ЦАП) и аналогово-цифровые преобразователи (АЦП).

Цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС).

Трансиверы (например, преобразователь интерфейса Ethernet).

Модуляторы и демодуляторы.

Радиомодемы

Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста

Трансиверы Fast Ethernet и оптических линий

Dial-Up модемы

Приёмники цифрового ТВ

Сенсор оптической мыши

Преобразователи напряжения питания и другие устройства на переключаемых конденсаторах

Цифровые аттенюаторы.

Схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с последовательным интерфейсом.

Коммутаторы.

Генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации

Базовые матричные кристаллы (БМК): содержит как аналоговые, так и цифровые первичные элементы.

Серии микросхем

Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия - это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.

Корпуса микросхем

Микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах - корпусном и бескорпусном .

Бескорпусная микросхема - это полупроводниковый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку (возможен непосредственный монтаж на печатную плату). Корпус микросхемы - это часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов. Корпуса стандартизованы для упрощения технологического процесса изготовления изделий из разных микросхем. Число стандартных корпусов исчисляется сотнями.

В российских корпусах расстояние между выводами (шаг) измеряется в миллиметрах и наиболее часто это 2,5 мм и 1,25 мм. У импортных микросхем шаг измеряют в дюймах, используя величину 1/10 или 1/20 дюйма, что соответствует 2,54 и 1,28 мм. В корпусах до 16 выводов эта разница не значительна, а при больших размерах (20 и более выводов) соответствующие корпуса уже достаточно конструктивно несовместимы: для штыревых выводов - обламывание выводов при монтаже, для планарных - спайка соседних.

В современных импортных корпусах для поверхностного монтажа применяют и метрические размеры: 0,8 мм; 0,65 мм и другие.

Пример корпусной микросхемы:

Назначение выводов микросхемы К174УН7:
1 - питание (+ Un);
4 - вольтодобавка, питание (+Un);
5-коррекция;
6-обратная связь;
7-фильтр;
8-вход;
9- общий (- Un);
10-эмиттер выходного каскада;
12-выход.

Специфические названия микросхем

Фирма Intel первой изготовила микросхему, которая выполняла функции микропроцессора (англ. microproccessor) - Intel 4004. На базе усовершенствованных микропроцессоров 8088 и 8086 фирма IBM выпустила свои известные персональные компьютеры).

Микропроцессор формирует ядро вычислительной машины, дополнительные функции, типа связи с периферией выполнялись с помощью специально разработанных наборов микросхем (чипсет). Для первых ЭВМ число микросхем в наборах исчислялось десятками и сотнями, в современных системах это набор из двух-трёх микросхем. В последнее время наблюдаются тенденции постепенного переноса функций чипсета (контроллер памяти, контроллер шины PCI Express) в процессор.

Микропроцессоры со встроенными ОЗУ и ПЗУ, контроллерами памяти и ввода-вывода, а также другими дополнительными функциями называют микроконтроллерами. Примерами могут служить современные процессоры Intel со встроенными контроллерами ОП, видео и т.д.

Современные цифровые вычислительные машины позволяют с высокой точностью выполнять широкий круг математических операций с числами. Однако, в измерительных и управляющих системах величины, подлежащие обработке, как правило, представляют собой непрерывные сигналы, например, изменяющиеся значения электрического напряжения. В этих случаях приходится применять аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Такой подход оправдывает себя только тогда, когда требования к точности вычислений настолько высоки, что не могут быть обеспечены с помощью аналоговых вычислителей. Существующие аналоговые вычислители позволяют получить точность не свыше 0,1%. Ниже рассмотрены наиболее важные аналоговые вычислительные схемы на ОУ. Обычно мы будем полагать операционные усилители идеальными. При высоких требованиях к точности выполнения математических операций необходимо учитывать также свойства реальных усилителей.

Схема суммирования

Для суммирования нескольких напряжений можно применить операционный усилитель в инвертирующем включении. Входные напряжения через добавочные резисторы подаются на инвертирующий вход усилителя (рис. 1). Поскольку эта точка является виртуальным нулем, то на основании 1-го закона Кирхгофа при нулевых входных токах идеального ОУ получим следующее соотношение для выходного напряжения схемы:

U вых / R  = - (U 1 /R 1 + U 2 /R 2 + ... + U n /R n ).

Рис. 1. Схема инвертирующего сумматора

Схема интегрирования

Наиболее важное значение для аналоговой вычислительной техники имеет применение операционных усилителей для реализации операций интегрирования. Как правило, для этого используют инвертирующее включение ОУ (рис.2).

Рис. 2. Схема инвертирующего интегратора

По первому закону Кирхгофа с учетом свойств идеального ОУ следует для мгновенных значений: i 1 = - i c . Поскольку i 1 = u 1 /R 1 , а выходное напряжение схемы равно напряжению на конденсаторе:

то выходное напряжение определяется выражением:

Постоянный член u вых (0) определяет начальное условие интегрирования. С помощью схемы включения, показаной на рис.3, можно реализовать необходимые начальные условия. Когда ключ S 1 замкнут, а S 2 разомкнут, эта схема работает так же, как цепь, изображенная на рис.2. Если же ключ S 1 разомкнуть, то зарядный ток при идеальном ОУ будет равен нулю, а выходное напряжение сохранит значение, соответствующее моменту выключения. Для задания начальных условий следует при разомкнутом ключе S 1 замкнуть ключ S 2. В этом режиме схема моделирует инерционное звено и после окончания переходного процесса, длительность которого определяется постоянной времени R 3 C , на выходе интегратора установится напряжение

Рис. 3. Интегратор с цепью задания начальных условий

После замыкания ключа S 1 и размыкания ключа S 2 интегратор начинает интегрировать напряжение U 1 , начиная со значения (2). Фирма Burr-Brown выпускает двухканальный интегратор ACF2101 со встроенными интегрирующими конденсаторами емкостью 100 пФ ключами сброса и хранения. Входные токи усилителей не превышают 0,1 пА.

Используя формулу для определения коэффициента передачи инвертирующего усилителя и учитывая, что в схеме на рис. 2 R 1 =R , a вместо R 2 включен конденсатор с операторным сопротивлением Z 2 (s )=1/(sC ), можно найти передаточную функцию интегратора

Подставив в (2) s=j  , получим частотную характеристику интегратора:

Устойчивость интегратора можно оценить по частотным характеристикам петли обратной связи, причем в этом случае коэффициент передачи звена обратной связи будет комплексным:

Для высоких частот  стремится к 1 и его аргумент будет нулевым. В этой частотной области к схеме предъявляются те же требования, что и к усилителю с единичной обратной связью. Поэтому здесь также следует ввести коррекцию частотной характеристики. Чаще для построения интегратора используют усилитель с внутренней коррекцией. Типичная ЛАЧХ схемы интегрирования на ОУ приведена на рис. 4. Постоянная интегрирования  = RC принята равной 100 мкс. Из рис. 4 видно, что при этом минимальное усиление цепи обратной связи составит |K п |=| K U |  600, т.е. будет обеспечена погрешность интегрирования не более 0,2%, причем не только для высоких, но и для низких частот.

Рис. 4. Частотная характеристика интегратора

В заключение отметим, что к операционным усилителям, работающим в схемах интеграторов, предъявляются особенно высокие требования в отношении входных токов, напряжения смещения нуля и дифференциального коэффициента усиления по напряжению K U . Большие токи и смещение нуля могут вызвать существенный дрейф выходного напряжения при отсутствии сигнала на входе, а при недостаточном коэффициенте усиления интегратор представляет собой фильтр низких частот первого порядка с коэффициентом усиления K U и постоянной времени(1+K U)RC.

Схема дифференцирования

Поменяв местами резистор и конденсатор в схеме интегратора на рис. 2, получим дифференциатор (рис. 5). Применение первого закона Кирхгофа для инвертирующего входа ОУ в этом случае дает следующее соотношение:

C (dU вх /dt ) + U вых /R = 0,

U вых = –RC (dU вх /dt ).

Рис. 5. Схема дифференциатора

Используя формулу

и учитывая, что в схеме на рис. 5 вместо R 1 используется 1/sC , a R 2 =R , найдем передаточную функцию дифференциатора

пропорционален частоте.

Практическая реализация дифференцирующей схемы, показанной на рис. 5, сопряжена со значительными трудностями по следующим причинам:

во-первых, схема имеет чисто ёмкостное входное сопротивление, которое в случае, если источником входного сигнала является другой операционный усилитель, может вызвать его неустойчивость;

во-вторых, дифференцирование в области высоких частот, в соответствии с выражением (4), приводит к значительному усилению составляющих высоких частот, что ухудшает соотношение сигнал/шум;

в-третьих, в этой схеме в петле обратной связи ОУ оказывается включенным инерционное звено первого порядка, создающее в области высоких частот запаздывание по фазе до 90:

Оно суммируется с фазовым запаздыванием операционного усилителя, которое может составлять или даже превышать 90, в результате чего схема становится неустойчивой.

Устранить эти недостатки позволяет включение последовательно с конденсатором дополнительного резистора R 1 (на рис. 5 показан пунктиром). Следует отметить, что введение такой коррекции практически не уменьшает диапазона рабочих частот схемы дифференцирования, т.к. на высоких частотах из-за снижения усиления в цепи обратной связи она все равно работает неудовлетворительно. Величину R 1 С (и, следовательно, ноль передаточной функции RС – цепи) целесообразно выбирать так, чтобы на частоте f 1 усиление петли обратной связи составляло 1 (см. рис. 6).

Рис. 6. ЛАЧХ схемы дифференцирования на ОУ