Интегрални схеми
Недостатъци на дискретните схеми
- изпълнението им е трудоемко, което прави цената им висока;
- надеждността на схемите е сравнително ниска поради наличието на спойки, осъществяващи връзките между елементите;
- размерите и масата на произвежданите по този начин устройства са относително големи
Интегрална схема (ИС): комбинация от схемни елементи върху Si подложка (кристал), произведена като стандартен конструктивен модул. Tакъв полупроводников кристал, поставен в корпус с изводи за свързване с други схеми, се нарича чип.
Броят на елементите, създадени в един чип, определя степента на интеграция на ИС. Броят на елементите в единица обем на ИС се нарича плътност.
Видове ИС според степента на интеграция
- Интегрални схеми с ниска степен на интеграция (Small Scale Integration, SSI) – до 100 компоненти;
- Интегрални схеми със средна степен на интеграция (Medium Scale Integration, MSI) – между 100 и 1000 компоненти;
- Интегрални схеми с висока степен на интеграция (Large Scale Integration, LSI) – от 1000 до 10000 компоненти;
- Интегрални схеми с много висока степен на интеграция (Very Large Scale Integration, VLSI) – (10000 - 50000 компоненти), което прави възможно построяването, например, на едночиповите микрокомпютри (single chip microprocesors).
- Интегрални схеми със свръхвисока степен на интеграция (SLSI) имат над 50000 транзистора в чип.
Фамилии цифрови интегрални схеми
Фамилията цифрови интегрални схеми представлява множество от ИС, в които е използван еднотипен начин за построяване на NAND или NOR логическите елементи и които са съвместими помежду си.
Транзисторно-транзисторна логика (Transistor-Transistor Logic, TTL). TTL интегралните схеми са едни от най-разпространените цифрови интегрални схеми. Те имат ниска и средна степен на интеграция и с произвежданите елементи могат да се реализират устройства, изпълняващи разнообразни логически функции. Това е една от “най-бързите” технологии:
- време за превключване на стандартните ТТЛ елементи: 10 ns
- фронт – 5 ¸10 ns.
- Недостатъци – сравнително голяма консумация и малка плътност на елементите.
- създадени на базата на биполярна технология.
MOS логика (Metal-Oxide-Semiconductor).
- изградени на MOS транзистори
- един MOS транзистор заема около 50 пъти по-малка площ в чипа от биполярния транзистор.
- транзистори изпълняват ролята на резистори със съпротивление от порядъка на 100 kW, което намалява разсейваната мощност.
- Много високото входно съпротивление на MOS транзисторите осигурява висок коефициент на натоварване.
Принципни недостатъци:
- относително ниско бързодействие поради времето, необходимо за зареждане на гейта
- паразитни капацитети
Предимства:
- прости за произвеждане – включват само транзистори.
- ниска консумирана мощност
- висока плътност
Подходящи са за построяване на схеми с висока степен на интеграция – например, за чипове на калкулатори и микропроцесори.
MOS схемите могат да включват транзистори с p‑канал (pMOS схеми) или с n‑канал (nMOS схеми). Тези с n-канал са с двойно по-високо бързодействие от pMOS схемите, макар че имат приблизително 10 пъти по-малко бързодействие в сравнение с TTL схемите. nMOS схемите са с по-висока плътност от pMOS схемите.
СMOS логика (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor): в един чип както p-канални, така и n‑канални транзистори.
ниска консумирана мощност (10 - 20 nW на логически елемент)
висока шумоустойчивост (от порядъка на половината от захранващото напрежение)
могат да работят при широки граници на промяна на захранващото напрежение
по-бързодействащи от MOS схемите
също като MOS имат голям коефициент на натоварване.
изискват специални мерки за защита от статично електричество.
Други фамилии ИС:
- Интегрирана инжекционна логика (Integrated Injection Logic, I2L);
- Емитерно свързана транзисторна логика (Emitter Coupled Logic, ECL)
- Резисторно-транзисторна логика (Resistor-Transistor Logic, RTL)
- Диодно-транзисторна логика (Diod-Transistor Logic, DTL)
- Някои от логическите фамилии съществуват в повече от един вариант.
Основни характеристики на логическите елементи
Времезакъснение: времето, необходимо на сигнала за преминаване от входа до изхода на елемента (обикновено от порядъка на ns). ECL, най-бързата логика, може да има закъснение от порядъка на 0,5 ns, докато закъснението на CMOS достига до 30 ns.
Коефициент на натоварване или товароспособност на изхода: определя се от броя на входовете на подобни схеми от същата фамилия, които могат да бъдат свързани към изхода на ИС без да причинят отклонения в работата й. За стандартните TTL ИС – 10, за CMOS – 100.
Максимална разсейвана мощност: мощността, разсейванa от елемента без опасност от повреждане. Типична стойност за ECL е 25 mW, за CMOS-логиката – 15 nW.
Обикновено схемите с ниска консумация имат относително по-малко бързодействие.
Шумоустойчивост: характеристика на ИС, която определя допустимите вариации на входните логически сигнали, които не предизвикват нежелани промени в състоянието на съответния елемент. За TTL ИС – 0,4 V, за ECL – 0,2 V, за CMOS – около 40% от захранващото напрежение.
Няма сходни статии.