Министерство общего ипрофессионального образования
РоссийскойФедерации
Санкт-Петербургская государственная академия
холода ипищевых технологий
Кафедра электротехники
для самостоятельного изучения дисциплины
''Электротехника и основы электроники''
для студентов всех специальностей
| Евстигнеев А. Н. | , Кузьмина Т.Г. , Новотельнова А. В. Основы |
цифровой электроники: Метод. указания для сомостоятельного изучения дисциплины ''Электротехника и основы электроники '' для студентов всех спец. - СПб.: СПбГАХПТ , 1999. - 41 с.
Содержит основные сведения о современнойэлементарной базе цифровых электронных схем.
Ил. – 25 , табл . – 7 , библиогр. – 10 назв.
Рецензент
Канд.техн. наук, доцент А. И. Васильев
Одобренык изданию советом факультета техники пищевых производств
академия холода и пищевых технологий, 1999
ВВЕДЕНИЕ
Любая электронная схема от простейшего выпрямителя до сложней-шей ЭВМпредназначена для обработки электрического сигнала: усиление (масштабирование),выпрямление, сглаживание (изменение формы, запоми-нание, суммирование и пр.).По способу представления обрабатываемого сигнала электронные устройства принятоподразделять на аналоговые и цифровые.
В аналоговых устройствах используются переменные, изменяющие свое значение вопределенном диапазоне значений между верхним и ниж-ним пределами. Этоестественно, когда обрабатываемые сигналы являются непрерывными по своейприроде или представляют собой непрерывно изменяющиеся напряжения, поступающиеот измерительных приборов (например, от устройств для измерения температуры,давления, влажности и т.п.). Пример аналогового сигнала U(t) приведен на рис. 1,а.
Однако входной сигнал по своей природе может бытьи дискретным, например, импульсы в детекторе частиц или ''биты'' информации,поступаю- щие от ключа, клавиатуры или ЭВМ. В подобных случаях удобноиспользо-вать цифровую электронику, т.е. схемы, которые имеют дело с информацией,представленной в виде ''единиц'' и ''нулей''. Цифровые переменные имеют толькодва уровня, (рис. 1,б). Эти уровни напряжения называют верхним и нижним, илиобозначают терминами ''истина'' и ''ложь'', которые связаны с булевой логикой,или ''включено'' и ''выключено'', которые отражают состояние релейной системы,а чаще ''нулем'' и ''единицей''.
Благодаря высокой эффективности цифровые методы широко используются дляпередачи, отбора и запоминания информации, даже в тех случаях, когда входные ивыходные данные имеют непрерывную или анало- говую форму. В этом случаеинформацию необходимо преобразовывать при помощи цифро-аналоговых (ЦАП) ианалогово-цифровых преобразователей (АЦП).
а б
верхний предел высокий уровень
нижний предел низкийуровень
а–аналоговый сигнал; б –цифровой сигнал;
1. ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
Интегральная микросхема – этомикроэлектронное изделие выпол-няющее определенную функцию преобразования иобработки сигнала и имеющее не менее пяти элементов (транзисторов, диодов,резисторов, кон- денсаторов), которые нераздельно связаны и электрическисоединены между собой так, что устройство рассматривается как единое целое.
Высокая надежность и качество в сочетании смалыми размерами, массой и низкой стоимостью интегральных микросхем обеспечилиих широ- кое применение во многих отраслях народного хозяйства.
По конструктивно-технологическим признакамразличают пленочные, полупроводниковые и гибридные микросхемы.
Пленочные микросхемы изготавливаютпосредством послойного нанесения на диэлектрическое основание (подложку) пленокразличных материалов с одновременным формированием транзисторов, диодов и т.п.Пленочные микросхемы делятся на тонкопленочные (толщина пленки до 1мкм) итолстопленочные.
Полупроводниковая интегральная микросхема – это интегральная микросхема, все элементы имежэлектродные соединения которой выполне- ны в объеме и на поверхностипроводника (рис. 2 а,б).
При изготовленииполупроводниковых интегральных микросхем обычно используют планарнуютехнологию.
Активные и пассивные элементы полупроводниковой интегральной микросхемыизбирательно формируют в одном монокристалле полупровод- ника. Соединениеэлементов между собой в полупроводниковой интеграль- ной микросхеме может бытьвыполнено как в объеме, так и на поверхности монокристалла полупроводника путемсоздания на окисленной поверхности полупроводника токоведущих дорожек,например, методом вакуумного на-пыления металла. В качестве конденсаторов вмикросхемах используют об-ратно смещенные p-n-переходыили конденсаторные структуры Si-SiO2-металл. Роль резистороввыполняют участки поверхности полупроводни-кового кристалла или p-n-переход,смещенный в прямом или обратном нап-равлении, а также канал МДП-транзисторов.
В интегральной микросхеме не всегда можно указать границу между отдельнымиэлементами. Например, вывод конденсатора может одновре-менно являтьсяэлектродом конденсатора. Из-за малых межэлектродных расстояний и наличия общегодля всех элементов схемы кристалла (подлож-ки) в микросхемах создаютсядостаточно сложные паразитные связи, а так же появляются паразитные элементы, которые,как правило, ухудшают все парараметры микросхемы, как функционального узларадиоэлектронной аппаратуры.
а
б
в
Рис. 2
а – эквивалентная схема; б –структура полупроводниковой интегральной микросхемы;
в – структура гибриднойинтегральной микросхемы;
Гибридная интегральная микросхема – это интегральнаямикросхема пассивные элементы которой выполнены посредством нанесенияразличных пленок на поверхность диэлектрической подложки из стекла, керамикиили ситалла, а активные элементы – навесные полупроводниковые приборы безкорпусов (рис. 2,в).
Гибридные интегральные микросхемы позволяютиспользовать пре- имущества пленочной технологии в сочетании сполупроводниковой тех-нологией.
Полупроводниковая интегральная микросхемаможет быть изготов- лена по совмещенной технологии – активные элементывыполнены в объеме полупроводникового монокристалла, а пассивные элементы – назащищен-ной (например, окислом) поверхности монокристалла в тонкопленочномис-полнении. На этой же поверхности сделаны и токопроводящие дорожки иплощадки. Поскольку транзисторы и диоды полупроводниковой интеграль- ноймикросхемы, изготовленной по совмещенной технологии находятся внутримонокристалла (подложки), размеры такой интегральной микросхе-мы могут бытьзначительно уменьшены по сравнению с размерами гибрид-ной интегральноймикросхемы, в которой используются дискретные актив-ные элементы, занимающиесравнительно много места на подложке.
1.1. Основные параметры интегральных микросхем
Плотность упаковки – это числоэлементов электронной схемы в одном кубическом сантиметре объема интегральноймикросхемы.
Степень интеграции xопределяется количеством элементов n, вхо- дящих всостав интегральной микросхемы.
x = lg n
Микросхема 1 степени интеграции содержит до 10 элементов (мало-масштабная интегральная схема – мис). Микросхема 2 степени интеграции(среднемасштабная – сис) содержит от 10 до 100 элементов. Микросхема 3 степениинтеграции содержит от 10² до 10³ элементов и относится к катего-риибольших интегральных микросхем (БИС). Сверхбольшие (СБИС) имеют
степеньинтеграции более 1000 элементов (табл. 1).
Таблица 1
| Уровень сложности ИС | Количество интегрированных элементов | Параметры функционального назначения ИС |
| МИС | ≤ 10 | Биполярные ячейки, простые логические элементы, дифференциальные усилительные каскады |
| СИС | 10 – 100 | Триггеры, регистры, сумматоры, операцион- ные усилители, коммутаторы |
| БИС | 100 – 1000 | Полупроводниковые запоминающие и ариф- метико-логические устройства |
| СБИС | > 1000 | Микропроцессоры, однокристальные микро- ЭВМ, аналого-цифровые преобразователи |
1.2. Серии и семейства серий интегральных схем