Тема 4. Компоненти електронних кіл

6. Основні відомості про інтегральні мікросхеми

Класифікація інтегральних мікросхем 

Використання електронних пристроїв для розв'язання найскладніших задач призводить до постійного ускладнення їхніх електронних схем. Аналіз розвитку електронної техніки показує, що упродовж десяти  років складність електронних пристроїв збільшується приблизно вдесятеро. Якщо десять років тому використовували електронні пристрої з кількістю активних елементів до 10⁷, то сьогодні є електронні пристрої з кількістю елементів близько 10⁸. За той самий час істотно зросла швидкодія електронних пристроїв, зменшились їхні габарити, зокрема, і напівпровідникових приладів. Розміри одного активного елемента зменшились до 0,2 мкм, що дає змогу розміщувати в одній  мікросхемі 10⁶–10⁷ елементів. Створення но­вих електронних пристроїв з великою кількістю елементів стало можливим на базі мікроелектроніки та наноелектроніки. Це новий напрям електроніки, який охоплює проблеми створення мікромініатюрних електронних пристроїв, що відрізняються надійністю, низькою вартістю, високою швидкодією і малою споживаною потужністю. Основним конструктивно-технічним принципом мікроелектроніки є елементна інтеграція – об’єднання в одному складному мініатюрному компоненті багатьох найпростіших елементів (діодів,  транзисторів, резисторів тощо). Отриманий в результаті такого об’єднання складний мікрокомпонент називають інтегральною мікросхемою (ІМС).

Інтегральна мікросхема – мікроелектронний виріб, до складу якого входить не менше ніж п’ять активних елементів (транзисторів, діодів) і пасивних елементів (резисторів, конденсаторів), які виготовляють в одному технологічному процесі. Ці елементи  електрично з’єднані між собою, вміщені в загальний корпус і є нероздільним цілим.

З погляду інтеграції основними параметрами ІМС є щільність упакування і ступінь інтеграції. Щільність упаку­вання характеризується кількістю елементів в одиниці об’єму ІМС, ступінь інтеграції – кількістю елементів, які входять до складу ІМС.  За ступенем інтеграції всі ІМС поділяють на: ІМС першого ступеня інтеграції – до 10 елементів, другого ступеня – від 10 до 100 елементів, третього ступеня – від 100 до 1000 елементів і т.д.

За технологією виготовлення розрізняють напівпровідникові і гібридні ІМС.

Напівпровідникова ІМС – інтегральна мікросхема, всі елементи і міжелектродні з’єднання якої виконані в об’ємі і на поверхні напівпровідника.

Щільність упакування сучасних напівпровідникових ІМС сягає 10⁵ елементів на 1 см³ для шостого ступеня інтеграції. Лінійні розміри окремих елементів і відстані між ними можуть бути зменшені до 1 мкм.

Аналіз тенденції розвитку мікроелектроніки показав, що складність найбільших напівпровідникових ІМС збільшується приблизно вдвічі за рік.

Гібридна ІМС  – інтегральна мікросхема, пасивні елементи якої виконані нанесенням різних плівок на поверхню діелектричної підкладки зі скла, кераміки, сіталу або сапфіру, активними ж елементами є безкорпусні напівпровідникові прилади.

Щільність упакування гібридних ІМС  дещо менша – до 150 елементів на 1 см³, ступінь інтеграції – перший і другий. Гібридні ІМС перспективні для пристроїв з невеликою кількістю елементів, в яких може бути забезпечена висока точність параметрів.

Висока точність виконання плівкових елементів може бути використана під час виготовлення мікросхем за суміщеною технологією, в якій активні і частину пасивних елементів виконують в об’ємі напівпровідника, а іншу частину пасивних елементів – на його поверхні в тонкоплівковому виконанні.  Застосування двох технологій підвищує вартість таких ІМС, проте дає змогу істотно збільшити точність їхніх параметрів.

Останнім часом застосовують суміщену технологію, за якою в гібридних мікросхемах як навісні компоненти використовують безкорпусні напівпровідникові ІМС. За такою технологією виготовляють мікросхеми до шостого ступеня інтеграції для швидкодіючих ЕОМ.

Застосування мікросхем істотно збільшує надійність електронних пристроїв, тому що надійність мікросхем загалом, до складу яких входить велика кількість елементів, не поступається надійності окремих транзисторів, діодів, резисторів.

На відміну від напівпровідникових діодів і транзисторів, ІМС є не окремими елементами, а цілими функціональними вузлами, призначеними для перетворення електричних сигна­лів. Залежно від типу сигналів, які формують та перетворюють ІМС, розрізняють два класи ІМС: аналогові та цифрові.

Аналогові ІМС призначені для оброблення та перетворення аналогових сигналів і реалізують такі основні аналогові функції: підсилення, порівняння, перемноження, обмеження, частотну фільтрацію. Кожна із названих функцій є відповідною математичною операцією, яку здійснюють ІМС над аналоговими сигналами:

– функція підсилення – це збільшення миттєвих значень сигналу в К разів без  нелінійних спотворень у необмеженій смузі частот;

– функція порівняння – це  зіставлення двох аналогових сигналів з деякою заданою точністю;

– функція перемноження дає змогу отримати результат перемноження двох аналогових сигналів;

– функція обмеження встановлює межі допустимих змін миттєвих значень сигналу, які він не може перейти. Розрізняють обмеження зверху, знизу та двостороннє обмеження;

– функція частотної фільтрації – це виділення потрібного діапазону частот із повного спектра сигналу, в якому здійснюється передавання його гармонік.

Перелічені основні аналогові функції утворюють у сукупності повний набір операцій, необхідних для перетворення та оброблення аналогових сигналів. Аналогові ІМС виготовляють переважно у вигляді напівпровідникових ІМС та великих інтегральних мікросхем (ВІС).

Цифрові ІМС призначені для оброблення та перетворення цифрових сигналів і реалізують логічні та арифметичні  операції та операції запам’ятовування цифрової інформації. При цьому звичайно використовують двійкову систему числення. Двійкова система порівняно з іншими системами дає змогу найпростіше реалізувати арифметичні дії.

Основою будови цифрових ІМС є так звані логічні елементи, тобто електронні схеми, які виконують найпростіші логічні операції, до яких належать:

– операція логічного заперечення (інверсія) – функція “НЕ”;

– операція логічного додавання (диз’юнкція) – функція “АБО”;

– операція логічного множення (кон’юнкція) – функція “І”.

Ці елементарні логічні функції утворюють так званий основний логічний базис. З їхньою допомогою можна реалізувати будь-яку складну логічну функцію. Інтегральні логічні елементи становлять основу  складніших мікросхем та цифрових пристроїв і систем. Найпоширенішими є цифрові ІМС на біполярних та МДН-транзисторах.

 

6.2. Номенклатура інтегральних мікросхем

 

Під номенклатурою ІМС розуміють перелік різновидів мікросхем, які відрізняються за функціональним призначенням, параметрами, конструктивно-технологічними характеристиками.

 

6.2.1. Номенклатура аналогових ІМС

Основу номенклатури аналогових мікросхем утворюють ІМС, які реалізують основні та спеціальні аналогові функції. Залежно від реалізованої ана­логової функції розрізняють такі основні типи аналогових ІМС: багатоцільові підсилювачі, операційні підсилювачі, компаратори напруги, обмежувачі, перемножувачі, активні та пасивні фільтри, аналого-цифрові та цифроаналогові перетворювачі, стабілізатори напруги, комутатори і ключі, формувачі, генератори, детектори, модулятори, змішувачі тощо.

Багатоцільові підсилювачі призначені для підсилення  сигналів у широкому діапазоні частот. До них належать підсилювачі низьких, проміжних та високих частот, а також ши­рокосмугові підсилювачі і підсилювачі постійного струму.

Окрему підгрупу становлять операційні підсилювачі – найпоширеніший тип підсилювача широкого застосування, який реалізує функцію підсилення і виконує роль базового універсального елемента для побудови аналогових функціональних вузлів різноманітного призначення. Типовий операційний підсилювач характеризується високим коефіцієнтом підсилення (десятки – сотні тисяч), високим вхідним опором (сотні кОм – десятки мОм), низьким вихідним опором (сотні Ом – одиниці кОм).

Компаратори напруги реалізують функцію порівняння двох сигналів і в момент їхньої рівності стрибком змінюють вихідну напругу.

Обмежувачі реалізують функцію обмеження і призначені для зміни форми сигналів.

Перемножувачі  реалізують функцію перемноження двох аналогових сигналів. Їх застосовують під час здійснення таких перетворень сигналів, як модуляція, помноження, ділення та перетворення частоти коливань, детектування, генерування коливань.

Фільтри реалізують функції частотної вибірності (селекції). Їх випускають серійно у вигляді активних RC-фільтрів на основі операційних підсилювачів, а також у вигляді пристроїв на основі поверхневих акустичних хвиль та приладів із зарядовим зв’язком.

Аналого-цифрові та цифроаналогові перетворювачі (АЦП і ЦАП) призначені для перетворення відповідно аналогових сигналів у цифровий код і цифрової інформації на аналогові сигнали. Їхнє застосування забезпечує цифрове оброблення аналогових сигналів і подальше перетворення результатів оброблення в аналогову форму.

Стабілізатори напруги призначені для підтримання сталої напруги жив­лення електронних вузлів, блоків, пристроїв.

Аналогові комутатори і ключі застосовують для перемикання і перерозподілу у часі інформації.

Формувачі сигналів, генератори, детектори, модулятори, змішувачі належать також до аналогових ІМС. Оскільки кількість таких схем велика, а їхня стандартизація ускладнена, то під час їхнього виготовлення використовують різні типи операційних підсилювачів з додатковими зовнішніми підсхемами.

На закінчення зауважимо, що різноманітність функцій, які реалізують аналогові ІМС, не дає змогу характеризувати їх сукупністю параметрів, єдиних для усіх типів мікросхем. Кожну групу аналогових ІМС характеризують певними параметрами, притаманними лише однотипним мікросхемам. Ці питання є предметом вивчення спеціальних дисциплін.

 

6.2.2. Номенклатура та основні параметри цифрових ІМС

 

Найзагальніша класифікація цифрових ІМС ґрунтується на поданні цифрових схем як цифрових автоматів.

На підставі такого підходу цифрові ІМС поділяють на дві групи:

а) комбінаційні схеми (цифрові автомати без пам’яті), особливість яких полягає у тому, що їхні вихідні сигнали у будь-який момент часу залежать лише від комбінації вхідних сигналів у той самий момент. До комбінаційних схем належать суматори, комутатори (мультиплексори і демультиплексори), перетворювачі кодів (шифратори і дешифратори), компаратори, програмовані логічні матриці, арифметико-логічні блоки тощо.

б) послідовнісні схеми (цифрові автомати з пам'яттю), до складу яких входять елементи пам’яті – запам’ятовувальні комірки. Внаслідок цього вихідні сигнали послідовнісних схем залежать не тільки від комбінації вхідних сигналів, але і від стану елементів пам’яті. До послідовнісних схем належать регістри, лічильники, генератори чисел тощо, також мікропроцесори – програмно керовані великі інтегральні схеми (ВІС), які реалізують арифметичні та логічні операції над цифровими сигналами. Програмування мікропроцесорів здійснюють подан­ням зовнішніх сигналів, комбінація яких утворює певну команду для мікропроцесора, забезпечуючи виконання тієї чи іншої операції.

Окрему групу цифрових ІМС утворюють запам’ятовувальні пристрої, які призначені для зберігання інформації і реалізують операції запису, запам’ятовування та зчитування цифрових сигналів.

На відміну від аналогових, цифрові ІМС характеризують набором основних параметрів, однакових для усіх мікросхем, що дає змогу порівнювати між собою мікросхеми різних типів.

До основних параметрів належать: логічна функція, яку реалізує мікросхема; навантажувальна здатність (коефіцієнт розгалуження на виході n та коефіцієнт об’єднання на вході m); середній час затримки передавання сигналу t_з.ср; статична завадостійкість U_з; споживана потужність Р_ср; гранична робоча частота f_гр.

Перелічені параметри взаємопов’язані функціональними залежностями, специфічними для схем різних типів. Для усіх типів мікросхем характерно те, що покращання одного з пара­метрів призводить до погіршення інших параметрів.

Навантажувальна здатність характеризує максимальну кількість однотипних мікросхем, які можна з’єднувати між со­бою. Коефіцієнтом розгалуження на виході називають кількість n однотипних мікросхем, які можна під’єднати до виходу такої самої мікросхеми без спотворення інформації, яку передають. Коефіцієнтом об’єднання на вході називають кількість m виходів однотипних мікросхем, які можна під’єднати до входу мікросхеми без спотворення інформації.

Середній час затримки сигналу t_з.ср характеризує швид­кодію цифрових ІМС і визначає середній час проходження сиг­налу через одну мікросхему.

Статична завадостійкість U_з характеризує максимальне значення напруги зовнішньої статичної завади, яка діє на мікросхему і не призводить до порушення нормального її функ­ціонування.

Потужність, яку споживає мікросхема від джерел жив­лення, не є сталою у будь-який момент часу, а залежить від логічного стану і типу логічних елементів й змінюється у разі перемикання схеми. Тому як основний параметр використо­вують не миттєве, а середнє значення потужності, яку спо­живає мікросхема упродовж достатньо великого часу: Р_ср = (Р₀+Р₁)/2, де Р₀ і Р₁ – потужності, споживані схемою відповідно у стані логічного  нуля та логічної одиниці. Якщо потужність, споживана під час перемикань мікросхеми, більша від потужності, споживаної у статичних станах, мікросхеми додатково характеризують потужністю, споживаною за максимальної частоти перемикання. Зауважимо, що чим більшу потужність споживає мікросхема, тим більша її швидкодія.

Конкретні значення основних параметрів цифрових ІМС залежать від їхніх конструктивно-технологічних та схемотехнічних рішень, які є предметом вивчення окремих дисциплін.