Интегральные схемы с инжекционным питанием

Интегральные схемы с инжекционным питанием  Схемы с инжекционным питанием, называемые также интегральными инжекционными схемами (элементы И2Л — типа) были разработаны почти одновременно специалистами двух фирм “Philips” и “IBM” в 1972 году. Эти схемы являются развитием схем с непосредственными связями. Основные положения, на которых базируется построение схем с непосредственными связями остаются в силе при построении И2Л — схем.

Важные отличительные особенности элементов И2Л:

• 1. Отсутствие резисторов, занимающих на кристалле большую площадь. Вместо традиционной цепи питания транзисторов применен принцип прямой инжекции носителей заряда в пространственную область кристалла, питающую окружающие эту область транзисторные структуры;
• 2. Пространственное совмещение областей, принадлежащих в функциональном отношении различным транзисторам. Одни и те же области играют роль коллектора транзистора типа n-p-n и базы транзистора p-n-p и тому подобное;
• 3. Малое число схемных элементов и межсоединений.

Отличительные особенности элементов И2Л и сложных схем, на их основе придают им технологичность, компактность, невысокую стоимость при сохранении достаточно хорошего быстродействия и получении ряда высоких показателей по другим параметрам.  Области p1-n1-p2– образуют горизонтальный транзистор типа p-n-p, а области n2-p2-n1образуют вертикальный транзистор n-p-n. Слой n1+ низкого сопротивления (высоколегированный) введен для снижения сопротивления области n1. Область n1служит одновременно базой горизонтального и эмиттером вертикального транзисторов, а область р2- коллектором — и базой. Переход р1- n1смещается в прямом направлении подачей в область р1тока I. Носители заряда (дырки), инжектированные из области р1, обеспечивают питание транзисторов в окрестности этой области. Большинство носителей собирается областями р2. Горизонтальные транзисторы имеют несколько коллекторов, их структура напоминает инверсно включенный многоэмиттерный транзистор. Схема замещения рассмотренной структуры содержит источник тока питания Iпит, задаваемый извне, транзистор с общей базой, соответствующей горизонтальному транзистору в коллекторе которого протекает ток Iuи многоколлекторный транзистор (вертикальный транзистор). Базовым элементом ТТЛ стал транзисторный ключ со сложным инвертором – двухполярный ключ. Использование сложного инвертора позволило увеличить быстродействие, помехоустойчивость, нагрузочную способность и снизить требования к параметрам транзисторов по сравнению со схемой ТТЛ с простым инвертором.

Промышленностью выпускается несколько разновидностей микросхем ТТЛ:

• – стандартные серии 133, К155 с высоким быстродействием 130, К131 микромощная серия 134;
• – серии с диодами Шоттки 530, К531 микромощная с диодами Шоттки К555.

Разновидностью схем ТТЛ является схема ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ). Эти схемы имеют высокое быстродействие, благодаря тому, что II переходу Б-К включён диод Шоттки, используемый в количестве ограничивающего диода. Основу элементов И2Л – ключ, представляющий собой транзистор с инжекционным питанием, состоящий из генератора тока инжекции Iии транзистора с открытым коллекторным выходом. Если выход закоротить («0»), ток Iине будет проходить в базу транзистора T1и транзистор будет закрыт, это состояние кодируется логической «1». Если вход разомкнуть (режим холостого хода на входе), то ток Iипоступает в базу T1, откроет его до поступления насыщения и обеспечит тем самым режим короткого замыкания на выходе – это состояние кодируется логической «1». Параллельное соединение нескольких ключей образует логический элемент. Для реализации операции «ИЛИ» необходимо к выходу подключить дополнительный инвертор.

Достоинства:

• И2Л элементов – низкое энергопотребление (0,1 – 1 мкВт) при достаточном быстродействии (единицы Мгц) и высокая степень интеграции.

Недостатки:

• Малый логический переход (<0,5 В). чувствительность к помехам и невозможность непосредственного сопряжения с логическими элементами других типов.

 Для БИС важна микроминиатюризации по мощности, инерционности, площади. Для этого отказываются от токозаданного сопротивления резисторов в цепи базы. Принцип инжекционного питания заключается в том, что с помощью бокового горизонтального транзистора инжектора n-p-n (ТИ) реализуется цепь генератора тока базы многоколлекторного вертикального n-p-n транзистора (Т), выполняющего функцию инвертора логического сигнала. Логический элемент построен по безрезисторной схеме, где базовая область многоколлекторного транзистора совпадает с коллекторной областью горизонтального n-p-n транзистора, а база область последнего с эмиттерной областью многоколлекторного транзистора. Благодаря физической интеграции двух транзисторов весь вентиль занимает площадь многоколлекторного транзистора.

 

Термин «инжекционное питание» принятый для данного типа логических элементов, оправдан тем, что питание тока I получается благодаря инжекции дырок (+) через эмиттерный p-n-p транзистор. Эмиттер, выполняющий функцию питания, принято называть инжектором и обозначать буквой И (I). При А=1 транзистор (Т) переходит в режим насыщения, вентиль замкнут и на выходе «0». Если А=0, ток I0 определяется утечкой обратносмещенного эмиттерного p-n перехода ТИ, вентиль (Т) разомкнут, что соответствует выходу логической «1».  Роль эмиттера общего для всех n-p-n транзисторов играет n слой с n+ подложкой. Инжектор осуществляется в виде длинной полоски, выполненной базовой диффузией.

ГОСТ 2.764-86 ЕСКД. Обозначения условные графические в электрических схемах. Интегральные оптоэлектронные элементы индикации

ГОСУДАРСТВЕННЫЕ СТАНДАРТЫ

Единая система конструкторской документации

ОБОЗНАЧЕНИЯ УСЛОВНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМАХ

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИНДИКАЦИИ

ГОСТ 2.764-86
(СТ СЭВ 5048-85)

ИПК ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ

Москва 1998

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

Единая система конструкторской документации ОБОЗНАЧЕНИЯ УСЛОВНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМАХ. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИНДИКАЦИИ Unified system for design documentation. Graphic designations in electric diagrams. Integral optoelectronic elements of indication

ГОСТ 2.764-86 (СТ СЭВ 5048-85)

Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 22 апреля 1986 г. № 1023 срок введения установлен

с 01.01.87

1. Настоящий стандарт распространяется на электрические схемы, выполняемые вручную или автоматизированным способом, и устанавливает правила построения условных графических обозначений (далее — УГО) интегральных оптоэлектронных элементов индикации.

Стандарт полностью соответствует CT СЭВ 5048-85.

2. Общие правила построения УГО элементов — по ГОСТ 2.743-91.

3. В первой строке основного поля УГО указывают обозначение функции индикации: DPY . Во второй строке, при необходимости, приводят обозначение типа устройства по ГОСТ 2.708-81. Начиная с третьей строки, допускается указывать требуемую дополнительно информацию, например, принцип индикации:

LED или  — для световых излучающих диодов;

LCD или  — для жидких кристаллов.

Форма знакоместа — согласно табл. 1. Форма знакоместа может быть выражена графически или буквенно-цифровым обозначением.

При применении буквенно-цифровых обозначений сегментов формы знакоместа должно быть обеспечено соответствие между ними и буквенно-цифровыми обозначениями выводов сегментов данного типа элементов.

4. Информацию в основном и дополнительных полях размещают в соответствии с чертежом.

5. Для условных графических обозначений многозначных оптоэлектронных элементов индикации при наличии одинаковых элементов допускается форму знакоместа представлять только один раз. В этом случае изображение следует обозначить контуром с указанием количества одинаковых элементов.

6. Форма знакоместа должна соответствовать приведенной в табл. 1.

Таблица 1

Наименование знака	Форма знакоместа
	графическая		буквенно-цифровая
1. 2-сегментный			2 S
2. 4-сегментный			4S
3. 5-сегментный			5S
4. 6-сегментный			6S
5. 7-сегментный			7S
6. 9-сегментный			9S
7. 11-сегментный			11S
8. 14-сегментный			14S
9. 16-сегментный			16 S
10. Десятичная точка
11. Двоеточие
12. m/ n — последовательность точек для буквенно-цифровых знаков, представленных в шестнадцатеричной системе (пример 4/7 — распределение точек)			m/n S 4/7 S
13. Матрица m ´ n для буквенно-цифровых знаков (например, матрица 5 ´7) Примечание к пунктам 12 и 13: m — количество столбцов (С) n — количество строк (R)
14. Специфические (температура, сопротивление)	— —		° C W

Примеры обозначений оптоэлектронных элементов индикации приведены в табл. 2.

Таблица 2

Наименование	Обозначение
1. 7-сегментный люминесцентный индикатор с общим катодным (КА) или анодным (AN) выводом с изображением десятичной точки для индикации цифры
2. 4-сегментный люминесцентный индикатор с общим катодным (КА) или анодным (AN) выводом для индикации плюса, минуса или цифры 1
3. 5-сегментный люминесцентный индикатор с раздельным катодным (КА) или анодным (AN) выводами с изображением десятичной точки для индикации плюса, минуса и (или) цифры 1
4. Индикатор люминесцентный для индикации плюса, минуса и (или) цифры 1 на первом месте и для индикации цифры на втором месте с изображением десятичной точки и общим катодным (КА) или анодным (AN) выводом в каждом случае
5. Люминесцентный индикатор для индикации двух цифр с десятичными точками и общим катодным (КА) или анодным (AN) выводом в каждом случае
6. Люминесцентный индикатор для индикации девяти цифр с изображением десятичной точки в каждом случае с раздельными катодными (КА) и анодными (AN) выводами с управлением в режиме временного уплотнения
7. Люминесцентный индикатор с матрицей 5 ´7 для индикации четырех буквенно-цифровых знаков при помощи четырех интегральных схем, работающих в режиме временного уплотнения (обозначение строк — R, столбцов — С, входов управляющих импульсов — D)
8. Люминесцентный индикатор с 16 сегментами для индикации буквенно-цифровых знаков с общим катодным (КА) или анодным (AN) выводом. Примечание к пп. 2-6, 8. В примерах приведены только случаи раздельных катодных выводов (КА)
9. 7-сегментный индикатор на основе жидких кристаллов с изображением десятичной точки для индикации цифры и специальных знаков с общим выводом или с выводом противоположного электрода (ВР)
10. 7-сегментный индикатор на основе жидких кристаллов с изображением двух цифр с десятичными точками, а также специальных знаков с раздельными выводами противоположных электродов
11. 16-сегментный индикатор на основе жидких кристаллов для индикации буквенно-цифрового знака с общим выводом противоположного электрода

Фотоника — научно-технический журнал — Фотоника

ВВЕДЕНИЕ
В устройствах современной фотоники носителем сигнала служит волна оптического или ИК-диапазона электромагнитного спектра. Процедуру ее модуляции можно производить с гораздо большей скоростью, чем в радиодиапазоне. Как и в традиционной радиоэлектронике, элементная база фотоники имеет такие же компоненты, как генератор (наиболее часто им является волоконный или полупроводниковый лазер), усилитель, соединительные линии, которыми могут служить волноводы, а также фотоприемники для преобразования оптического сигнала в электрический. Для построения оптической вычислительной техники необходимы логические элементы, обладающие возможностью реализовать такт (менять состояние по необходимости, например: записать 1, считать 1, стереть 1, записать 0, считать 0, стереть 0).

ПРЕИМУЩЕСТВА ФОТОНИКИ
Технология создания кремниевых интегральных вычислительных элементов и схем с очень малыми размерами и большими скоростями обработки информации приблизилась к определенному пределу. Отсюда понятен интерес к фотонным интегральным схемам, на основе которых возможно создать терагерцевую вычислительную технику [1, 2].

Целесообразно напомнить о причинах ограничения быстродействия современных электронных схем, где логическим элементом служит полупроводниковый транзистор. Максимальная тактовая частота определяется минимальным временем, необходимым для того, чтобы транзистор перешел из одного состояния в другое. То есть максимальная тактовая частота определяется как , где v – скорость электрона, L – толщина подзатворного диэлектрика. При v = 10 000 м/c и L = 100 нм на транзисторе можно получать значения не более 100 ГГЦ.
При использовании металлического волновода с учетом теплового и дробового шумов, величина которых пропорциональна частоте, для надежной передачи сигнала отношение сигнал/шум мощностей должно быть не меньше 20. Но тогда максимальная частота передачи составит ~10 ГГц. Даже если распараллелить вычисления по логическим цепочкам (рис.1) и параллельные каналы мультиплексировать в обратную связь, ее пропускная способность должна все равно превосходить сумму пропускных способностей параллельных каналов, чтобы эта связь успела отработать. Так например, в настоящее время модернизируют Интернет-соединения, мультиплексируя их в оптоволокно, которое позволяет передавать сигнал на длине волны ~1 мкм, что соответствует частотам ~1 ТГц и увеличивает количество передаваемой информации в секунду более чем в 1 000 раз.
Замена металлических волноводов в вычислительной технике оптоволокном и использование в качестве логического элемента оптического транзистора, способного работать на терагерцевых частотах, несет в себе несколько преимуществ. Во-первых, позволяет достичь как минимум на три порядка большую скорость обработки и передачи данных. Во-вторых, обеспечивает помехозащищенность по отношению от внешних радиопомех. В-третьих, позволяет осуществить передачу по одному волокну одновременно нескольких мод. В-четвертых, дает преимущество в КПД и в количествах операций/джоуль.
В качестве волноводов многие предлагают использовать плазмонные волноводы из-за того, что поверхностные плазмоны могут передавать сигнал по волноводу с размером, меньшим длины волны. Однако такой сигнал имеет сильное затухание, и при передаче его на значительное расстояние необходимо применить усиление по всему каналу [3], что делает такую замену невыгодной. Поэтому рентабельными могут стать плазмонные межсоединения и разветвители. Также на плазмонах можно делать хорошие нанолазеры, совмещенные с КМОП-технологией.
ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ТРАНЗИСТОРА
Специалисты разработали несколько вариантов реализации оптического транзистора для терагерцевой вычислительной техники:

• полупроводниковые транзисторы на квантовых точках, например на базе InP;
• одноатомные транзисторы;
• микрооптические интерференционные элементы, основанные на эффектах нелинейной оптики, например на эффекте Керра;
• основанные на магнитооптических эффектах;
• основанные на фотонных кристаллах с нанодобавками Ag и Au.
Недавно немецкие исследователи из института Макса Планка [4] поместили атом рубидия в конструкцию между двумя тонкими зеркалами, находящимися на расстоянии полмиллиметра друг от друга. Затем они направили лазер на данную конструкцию, настроив его так, чтобы атом начал отражать свет. Затем направили на атом второй управляющий луч лазера с иной частотой излучения под прямым углом к первому и настроили его так, чтобы создать условия прозрачности для прохождения излучения первого лазера через конструкцию (рис.2). Таким образом, система получила два состояния – прозрачное и непрозрачное, по аналогии с открытым и закрытым состоянием классического транзистора. Подобный квантово-механический транзистор (туннелированный транзистор с двойным электронным слоем, Double Electron Layer Tunneling Transistor, DELTT) был разработан командой Sandia в лаборатории Департамента энергии (DOE). По данным Sandia устройство в состоянии исполнять триллион операций в секунду, т. е. в 10 раз быстрее самых совершенных транзисторных схем, используемых в настоящее время.
Можно построить переключатель на волоконном или плазмонном усилителе, однако из-за инертности активной среды скорости переключения будут порядка МГц.
Другой вариант – это транзисторы на GaInPAs [5], (рис.3–5), которые производятся такими зарубежными компаниями, как Oclaro и aXenic, например модулятор типа Маха-Цендера, который делается также на ниобате лития или на Si : SiO2 (рис.6–8) с кольцевым резонатором [6].
Перспективный вариант оптического транзистора может использовать переключение намагниченности в ферромагнетиках при взаимодействии различных структур с фемтосекундными импульсами лазерного излучения [7, 8] (рис.9). Ферромагнетиками могут быть MnFe, TmFeO3, FeBO3 или на GdFeCo (рис.10). Системы на этих материалах требуют большой мощности, поэтому в настоящее время ведутся разработки по маломощному переключению на феррите граната [9].
Этот эффект аналогичен эффекту переключения намагниченности в спин-вентильных структурах током (рис.11), который описывается уравнением Ландау-Лившица-Гильберта с префактором спиновой эффективности передачи вращательного момента Слончевского-Берже [6]:
,

где М – намагниченность; ток ; магнит-ное поле ; γ, α и G – константы.

При переключении намагниченности светом (рис.12) поле лазерного излучения δHа поворачивает намагниченность М [9]:
.

Например, существует вариант, когда для реализации оптического переключателя используют эффект переключения намагниченности ферромагнетиков с помощью лазерных импульсов фемтосекундной длительности. Это может быть электрооптический модулятор типа Маха-Цендера, он работает, меняя оптический путь поля в волноводе, меняя показатель преломления в одной из ветвей волновода, из-за чего на выходе лучи с различными фазами интерферируют друг с другом. Вместо электродов можно нанести магнитные пленки и, переключая намагниченность в них излучением из другого волновода, моделировать показатель преломления внешним магнитным полем.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРИБОРЫ
Компоненты элементной базы фотоники необходимы для реализации оптической вычислительной техники, для фотонных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) (рис.13) и для создания процессоров, способных умножать вектор на матрицу.

В конце 90-х годов прошлого века велись работы по созданию интегрального модуля оптического компьютера с логической матрично-тензорной основой, названного HPOC (High Performance Optoelectronic Communication) [4], (рис.14). В устройстве планировалось использовать входную матрицу VCSEL-лазеров (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser), соединенную планарными волноводами и обычной оптикой с матрицами переключения на основе дифракционных оптических элементов. Выходная система должна состоять из матрицы лавинных фотодиодов, совмещенной с матрицей вертикально-излучающих диодов.
Опытные образцы показали производительность 4.096 Тб · с–1, а предварительные оценки показывали, что данная система способна развить скорость 1015 операций в секунду с энергией менее 1 фДж на одно переключение. По ряду причин эти работы были прекращены. В настоящее время фирма Opticomp Corporation разработала новый интегральный оптический элемент, состоящий из матрицы VCSEL-лазеров и фотодетекторов, соединенных волноводом. В компании планируют использовать данные устройства как для обработки информации, так и для создания сверхбыстрых переключателей в сверхплотных волоконных линиях связи.
Оптический процессор Enlight256 (рис.16, 17) является гибридным: в нем меняется только ядро, а все остальные элементы остаются электрическими. По принципу действия Enlight256 является аналоговым оптическим вычислительным устройством. Аппаратно он представляет собой развитую гибридную цифро-аналоговую систему, содержащую как оптические узлы, так и необходимые в инженерной практике компьютерные узлы (например популярную в цифровой технике для встраиваемых применений реализацию внутрисистемной отладки).
Ядро процессора Enlight256 оптическое, а входная и выходная информация представляется в электронном виде. Ядро состоит из 256-ти VCSEL-лазеров, пространственного модулятора света, набора линз и приемников излучения, образующих оптическую матрицу VMM (Vector-Matrix Multiplication). Матрица конвертирует электрическую информацию в свет, затем производит необходимые преобразования этой информации, направляя свет через программируемую внутреннюю оптику. Выходное излучение регистрируется приемниками и преобразуется снова в электрический сигнал. На рис.15 приведена схема работы ядра этого процессора.
Внутри его «вычислительного ядра» находится параллельная счетная машина со специализированной архитектурой, оптимальной для выполнения задачи умножения матрицы на вектор. За один такт длительностью 8 нс процессор Enlight256 способен перемножить вектор из 256 элементов на матрицу размерностью 256 Ч 256. Разработчики Lenslet ограничили диапазон значений элементов вектора и матрицы числом 256, соответствующим традиционным 8-битным целым числам. Таким образом, производительность процессора Enlight256 составляет 8 · 1012 операций в секунду: за один такт (8 нс) процессор умножает 256-байтный вектор на 256 Ч 256-байтную матрицу. Каждый элемент входного вектора проектируется на столбец матрицы. Каждый ряд матрицы проектируется на один детектор в векторе результата (вывода). Программирование оптического цифрового сигнального процессора заключается в изменении значений пропускания ячеек пространственного модулятора. Загрузка приложения (или данных внутри отдельного приложения) осуществляется путем замены значений матрицы в пространственном модуляторе (рис.18).
Оптическая матрица VMM состоит из трех основных элементов:
1. Линейки из 256 полупроводниковых VCSEL-лазеров, которые представляются как вектор, состоящий из 256 элементов, и являются одним из «регистров» оптического арифметического логического устройства, каждый элемент которого – это число разрядностью 8 бит.
2. Управляющее световым потоком интегрально-оптическое устройство на основе GaAs/GaAlAs полупроводниковых структур с квантовыми ямами (Multiple Quantum Well). Устройство состоит из матрицы 256 Ч 256 пространственных модуляторов, работающих на отражение.
3. Линейки из 256 фотоприемников излучения, которые интегрированы в массив аналогово-светового преобразования (Analog to Digital Converters).
EnLight256 уже сейчас используется для решения задач, требующих высокой производительности, в частности, один процессор такого типа способен в реальном времени обрабатывать до 15 видеоканалов стандарта HDTV. Он может использоваться для распознавания голоса, человеческих лиц, обработки изображений и т. д. Прибор идеально подходит для применения в военных радарах высокого разрешения, так как способен обрабатывать данные от массивов антенн. Кроме того, размеры EnLight256 (15 Ч 15 Ч 7 см3) позволяют размещать его на транспортных средствах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Помимо оптического транзистора, который сейчас находится на стадии разработки, для реализации оптической вычислительной техники можно использовать уже выпускаемые системы и элементы – полупроводниковые и волоконные лазеры, усилители – волоконные или металлические шарики-резонаторы, а также сконструировать волоконный конденсатор, который будет работать так, как и электронный для переменного сигнала. Эти приборы необходимы для создания новых систем – фотонных АЦП, процессоров, способных умножать вектор на матрицу, и перспективной цифровой вычислительной техники, следующим поколением которой должны стать фотонные интегральные схемы.

ЛИТЕРАТУРА
1. Тамир Т. Волноводная оптоэлектроника. – М.: Мир, 1991.
2. Хансперджер Р. Интегральная оптика. – М.: Мир, 1985.
3. Федянин Д. Ю. Усиление поверхностных плазмон-поляритонов в наноразмерных волноводах. – М: Изд-во МФТИ, 2012.
4. Белов П.А., Беспалов В. Г., Васильев В. Н., Козлов С. А., Павлов А. В., Симовский К. Р., Шполянский Ю. А. Оптические процессоры: достижения и новые идеи, в кн.: Проблемы когерентной и нелинейной оптики/Под ред. И. П. Гурова и С. А. Козлова. – С-Пб.: НИУ ИТМО, 2006.
5. InP-Based Photonic Integrated Circuits, Goldren, 2008.
6. Bergman K., Rumley S., Ophir N., Nikolova D. et al. Silicon Photonics for Exascale Systems. – OFC2014.
7. A Kimel A., Kirilyuk A., Rasing T.  Femtosecond photomagnetic switching of spins in ferromagnetic garnet films – Nature, 2005, № 45, 047402, p.1–4.
8. Попков А. Ф., Журавлев М. Н.  Физические основы магнетизма и спинового транспорта в устройствах магнитной электроники – М.: ИПК МИЭТ, 2014, с. 189–212.
9. Kimel A., Kirilyuk A., Rasing T.  Laser-induced magnetization dynamics and reversal in ferromagnetic alloys – IOP science, 2013, № 76 026501, p.1–35.

Монолитные интегральные схемы СВЧ: взгляд изнутри — Компоненты и технологии

В последнее время монолитные интегральные схемы (далее по тексту МИС СВЧ, в англоязычной литературе MMIC — Monolithic Microwave Integrated Circuit) получили широкое распространение не только в военной, но и в гражданской технике, особенно в сотовой телефонии. Основными причинами являются бурное развитие высокоскоростных широкополосных систем передачи данных при постоянной потребности снижения массо-габаритных параметров изделий.

Созданию МИС СВЧ способствовало множество достижений в интегральной технологии XX века, однако с определенной долей достоверности можно сказать, что прототипом современной МИС СВЧ была идея, озвученная и запатентованная (патент США № 2981877) в 1961 году Робертом Нойсом, работавшим в то время в компании Fairchild. Он создал микросхему с планарной структурой, в качестве подложки используя кремний. Планарные диффузионные биполярные кремниевые транзисторы и резисторы Нойс соединял между собой тонкими алюминиевыми полосками, лежащими на пассивирующем оксиде кремния. Для изготовления этих полосок был использован традиционный процесс, включающий напыление металлического слоя и фотолитографию с последующим химическим травлением металла. Позже сверхвысокочастотные МИС стали изготавливать на основе полупроводниковых кристаллов из арсенида галлия, который и по сей день занимает лидирующие позиции как материал для производства МИС СВЧ (более 80% монолитных микросхем выполняются на подложках из арсенида галлия и тройных полупроводников на его основе: AlGaAs и InGaAs). Достоинствами арсенида галлия являются высокая подвижность электронов, широкая запрещенная зона, весьма широкий диапазон рабочих температур, достаточно удобная возможность получения полуизолирующего GaAs¹, хорошие оптические характеристики, низкая потребляемая мощность. Благодаря высокой подвижности электронов МИС СВЧ на арсениде галлия могут быть использованы в диапазоне от 1 ГГц до 100 ГГц. Исторически первыми применениями таких МИС были военные и гражданские РЛС, спутниковые системы связи и навигации, средства связи и т. п. Пожалуй, с некоторой долей уверенности можно утверждать, что если на этапе становления монолитных интегральных схем двигателем их дальнейшего развития была необходимость повышения надежности устройств (военная техника), то сейчас, в основном, этой движущей силой являются постоянно растущие требования рынка по снижению габаритов изделий (в частности, сотовых телефонов, средств навигации и т. п.), однако и надежность тоже не на последнем месте.

¹ Конечно, не настолько удобная, как получение изолирующего оксида кремния простым окислением.

Монолитные ИС чаще всего используются в СВЧ-диапазоне в приложениях, где необходимы небольшие размеры и высокая надежность. Примерами систем на базе МИС могут служить приемники и передатчики систем связи, фазированные антенные решетки (ФАР), датчики, работающие на сверхвысоких частотах и т. п. В последнее время МИС широко используются в сотовой и спутниковой телефонии, устройствах глобального позиционирования GPS. Успехи в технологии МИС стали широко использоваться и в производстве дискретных компонентов, что более всего относится к биполярным гетеротранзисторам, выполняемым по технологии МИС. Эти транзисторы уже давно пользуются большим спросом у производителей профессиональных средств связи.

Характерным признаком монолитных ИС является их низкая степень интеграции в сравнении с цифровыми микросхемами. Монолитная ИС обычно представляет собой функционально законченное устройство, не требующее использования каких-либо внешних задающих и подстроечных элементов. Примеры конструкций монолитных микросхем СВЧ приведены на рис. 1.

Рис. 1. Примеры МИС СВЧ

Наиболее типичными МИС являются малошумящие усилители, смесители, усилители мощности, модуляторы и т. д. Из вышесказанного отчетливо видно, что на основе перечисленных МИС легко построить устройство более высокого уровня, например, приемник. При этом, поскольку приемник будет содержать порядка единиц составных элементов (МИС не требуют внешних компонентов), и в связи с тем, что МИС имеет довольно высокую наработку на отказ, надежность такого приемника будет весьма высокой, недостижимой при его реализации с аналогичными техническими характеристиками, но на дискретных компонентах. Существуют также и устройства, целиком реализованные в виде одной МИС. Ярким примером может служить МИС-приемник, выполненный на едином кристалле. Очевидно, что область применения микросхем такого типа сильно ограничена, особенно если принять во внимание то, что МИС представляет собой законченное устройство, не требующее каких-либо внешних подстроечных компонентов, и что такой приемник невозможно будет адаптировать к использованию, например, в другом частотном диапазоне. С другой стороны, если предусмотреть внешние элементы подстройки, то теряются преимущества от использования МИС. Конечно, о массовости таких микросхем не может идти и речи, и единственными областями применения таких МИС являются космическая и военная техника, где на первом плане стоит надежность прибора, а не его цена. В связи с единичным типом производства микросхем такого типа здесь не представляется возможным воспользоваться хорошо отработанной методикой статистического прогнозирования средней наработки на отказ и встает другая проблема, связанная с прогнозированием индивидуальной надежности микросхемы.

В период с 1999 по 2004 год объем продаж монолитных ИС увеличился практически вдвое. Кроме того, заметна тенденция увеличения доли продаж МИС в коммерческой, а не военной области. Пожалуй, основной причиной этого служит интенсивно развивающийся рынок беспроводных систем связи и передачи данных. В связи с этим большинство производителей полупроводниковых пластин (Vitesse, Kopin, TriQuent, Conexant, M/A-COM, RF Micro Devices, ATMI, Motorola) существенно расширили объемы производства пластин из арсенида галлия диаметром 150 мм.

Материалы МИС СВЧ

В процессе эволюции технологии производства МИС прогрессировала и их конструкция. Примерно в то время, когда появился биполярный транзистор с гетеропереходом, выполненный по технологии МИС, возник интерес к использованию и других материалов для производства монолитных микросхем. Этот интерес в первую очередь был вызван необходимостью реализации микросхем, работающих на более высоких частотах. В качестве таких материалов было предложено использовать полупроводниковые соединения вида А3В5. Для базы и коллектора было использовано тройное соединение InGaAs, а эмиттер и коллектор выполняли на фосфиде индия InP. Использование фосфида индия InP позволило улучшить частотные характеристики и увеличить пробивное напряжение коллектора. Поскольку ширина запрещенной зоны InP больше, чем у In 0,53Ga 0,47As (1,35 эВ и 0,75 эВ соответственно), то напряжение пробоя коллекторного гетероперехода составляет не менее 6 B. На данный момент существует большое разнообразие комбинаций материалов эмиттера, базы и коллектора, и тема выбора материала МИС с точки зрения поиска оптимума в конструкции и в технологии изготовления заслуживает рассмотрения в отдельной статье, поэтому отметим лишь, что наибольшее распространение получили n-p-n транзисторные гетероструктуры типа InAlAs–InGaAs–InP и InP–InGaAs–InP. Использование таких материалов вкупе со снижением толщины базы, которое стало возможным благодаря интенсивному развитию технологии молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяет добиться работы транзистора на граничной частоте до 250 ГГц!

Другим популярным материалом для изготовления МИС СВЧ служит нитрид галлия. СВЧ-приборы на основе нитрида галлия позволяют добиться больших значений удельной плотности выходной мощности. Например, компанией Cree был разработан GaN полевой транзистор с барьером Шоттки с затвором длиной 0,55 мкм и шириной 0,25 мкм, выходная мощность которого в непрерывном режиме на частоте 4 ГГц составляла 8 Вт. Соответственно, удельная выходная мощность такого транзистора равна 33 Вт/мм. При том, что рабочее напряжение «исток–сток» составляло 120 В, максимальная плотность тока в канале достигала 1,2 А/мм.

Активные элементы МИС и их надежность

Основным активным элементом МИС с момента их появления и до настоящего времени является полевой транзистор с барьером Шоттки (MESFET). Однако все возрастающие требования приводят к невозможности их использования в некоторых приложениях. Это связано со сложностью повышения быстродействия MESFET посредством уменьшения длины затвора. Поэтому в последнее время получили распространение транзисторы с повышенной подвижностью электронов и псевдоморфные (HEMT/PHEMT), а также биполярные гетеротранзисторы (HBT). Диаграмма, показывающая частоты, при которых могут использоваться соответствующие приборы, показана на рис. 2.

Рис. 2. Диаграмма использования компонентов МИС по рабочим частотам

Рассмотрим подробнее перечисленные активные элементы МИС СВЧ.

Полевые транзисторы с барьером Шоттки (MESFET)

Первый арсенидгаллиевый полевой транзистор с барьером Шоттки появился в 1963 году. Это стало возможным благодаря разработанному фирмой GEC Marconi Material Technology процессу контролируемого выращивания высокочистых тонких пленок на полупроводниковом арсениде галлия.

Конструкция MESFET

Базовая структура MESFET приведена на рис. 3.

Рис. 3. Базовая структура полевого транзистора с барьером Шоттки

Базовым материалом является подложка из арсенида галлия. Буферный слой эпитаксиально выращивается на полуизолирующей подложке и служит для изоляции дефектов в подложке от рабочей части транзистора. Канал является тонким, слегка легированным проводящим слоем полупроводникового материала, эпитаксиально выращенным на буферном слое. Высоколегированные области, показанные на схеме, необходимы для обеспечения низкого омического сопротивления контактов транзистора.

Эквивалентная схема и типовая вольт-амперная характеристика полевого транзистора с барьером Шоттки приведена на рис. 4.

Рис. 4. Эквивалентная схема и типовая ВАХ MESFET

Напряжение отсечки такого транзистора можно определить по следующей формуле:

где q — заряд электрона; N_d — концентрация донорной примеси; ε₀, ε_r — элекрическая проницаемость; a — глубина канала.

Ток стока подчиняется следующей зависимости:

где ν(x)— скорость электронов; Z — ширина канала; b(x) — эффективная глубина канала; q — заряд электрона; n(x) — концентрация электронов.

Как было сказано выше, под затвором формируется обедненная область. Тем самым снижается эффективная глубина канала b(x) и, соответственно, увеличивается сопротивление проходящему под затвором току. Глубина обедненной области зависит от падения напряжения на барьере Шоттки. Поскольку ток через канал равен току через распределенный резистор, между стоком и истоком возникает повышенное падение напряжения, что приводит к увеличению обедненной области в канале на стороне стока. Неоднородность этой глубины имеет два последствия для работы устройства.

Во-первых, происходит накопление электронов на стороне истока и обеднение электронами области со стороны стока. Этот заряженный диполь создает емкостную обратную связь между стоком и каналом (в англоязычной литературе эта емкость обычно обозначается как CDC). Во-вторых, возникает электрическое поле, приводящее к снижению напряжения насыщения транзистора. Глубина обедненной области и, соответственно, сопротивление току между истоком и стоком, а также ток насыщения могут изменяться приложением смещения к затвору. Если это отрицательное смещение достаточно велико, глубина обеденной области будет равна глубине канала. Таким образом, транзистор может работать как управляемый напряжением резистор или переключатель. Последнее часто используется в высокоскоростных цифровых блоках микросхем. В МИС же в основном используется свойство MESFET усиливать мощность.

Оценим максимальную рабочую частоту такого транзистора. Она определяется временем пролета электронов через канал и может быть вычислена следующим образом:

где V_sat — напряжение насыщения; τ — время пролета электронов через канал; L — длина канала.

Типовое значение V_sat ≈ 6×10¹⁰ мкм/с для арсенида галлия с типовым уровнем легирования, обычно используемым в канале. Отсюда легко получить, что для обеспечения частоты более 10 ГГц длина затвора должна быть меньше 1 мкм. Максимальная рабочая частота может быть аппроксимирована следующим образом:

где R_DS — сопротивление между стоком и стоком; R_G — сопротивление затвора.

Очевидно, что для обеспечения высокого быстродействия транзистора необходимо стремиться к минимизации длины затвора, что, однако, ограничивается технологическими возможностями производства. Кроме сказанного, необходимо помнить, что для эффективного управления током канала длина канала L должна быть больше его глубины a, то есть L/a > 1. Поэтому в большинстве MESFET глубина канала составляет 0,05–0,3 мкм. Сказанное означает, что для обеспечения достаточно большого тока концентрация носителей в канале должна быть весьма велика.

Малые размеры транзисторов приводят к снижению их надежности. Это связано с малым поперечным сечением области затвора, что приводит к увеличению плотности тока. Это является обычным для мощных транзисторов, в которых основным механизмом отказа является миграция электронов. Для уменьшения сопротивления затвора обычно используется золото. Поскольку золото создает «ловушки» в арсениде галлия, которые эффективно снижают концентрацию носителя и, соответственно, ток через транзистор, должен быть использован барьерный металл, например, платина. В связи с тем, что глубина канала очень мала, любая диффузия металла затвора в арсенид галлия приводит к значительным изменениям тока, протекающего через канал, и уменьшает напряжение отсечки транзистора. Малые расстояния между затвором и стоком создают сильные электрические поля, которые могут привести к лавинной генерации электронов. Эти «горячие» электроны могут затем становиться «ловушкой» на поверхности GaAs или в пассивирующем материале, который обычно размещен на поверхности транзистора. Факторы ненадежности полевых транзисторов в большей степени принадлежат к классу технологических. В устройствах малого сигнала деградация омических контактов или взаимная диффузия металла затвора и арсенида галлия приводят к сдвигу I_D, g_m и V_p.

Хотя мощные MESFET тоже страдают от параметрической деградации, все же наиболее распространенными являются катастрофические (внезапные) отказы. Однако, успехи в технологии производства GaAs-приборов и обеспечение работы в пределах безопасных режимов уменьшают число отказов. Для усилителей мощности полевые транзисторы должны быть разработаны для максимальной пиковой выходной мощности. Это означает большое напряжение «сток–исток» и значительный тока стока. К сожалению, одновременно оба этих параметра не могут быть максимизированы. Поэтому на данный момент для МИС СВЧ-усилителей мощности используются биполярные гетеротранзисторы. Для увеличения тока стока требуется высокая концентрация носителей или большая ширина затвора.

Однако, не стоит забывать, что глубина канала не может быть увеличена, поскольку это приводит к уменьшению частотного диапазона работы устройства. Концентрация носителей не может быть увеличена без снижения напряжения пробоя «затвор–сток», которое необходимо максимизировать для увеличения допустимого напряжения «сток–исток». Следовательно, альтернатива одна: увеличивать ширину затвора. Однако в конструкции СВЧ-устройств линейные элементы большой длины не являются элементами с однородным потенциалом на протяжении всей длины. Основное правило заключается в том, что линия должна быть меньше десятой части длины волны, тогда ее можно рассматривать как однородный элемент. Для арсенида галлия это соотношение выглядит следующим образом:

где ƒ — частота, ГГц.

Отсюда видно, что в Х-диапазоне (8–12 ГГц) максимальная длина затвора, которая может быть использована, не превышает 1 мм. Если требуется более высокий ток, может быть использовано параллельное включение нескольких затворов. Однако плотное расположение параллельно включенных затворов приводит к увеличению локальной температуры соответствующей области МИС. В связи с тем, что арсенид галлия — плохой проводник температуры, это снижает надежность MESFET.

Технология изготовления MESFET

Типовой техпроцесс изготовления MESFET методом ионной имплантации приведен на рис. 5.

Рис. 5. Типовой техпроцесс изготовления MESFET

Первым шагом традиционно является изготовление тонкопленочных резисторов. Металл резистора (AuGeNi) испаряется, затем наносится TaN. AuGeNi обычно используется для изготовления низкоомных резисторов, в то время как TaN— для высокоомных.

Базовые этапы технологии приведены на рис. 6.

Рис. 6. Схемы базовых этапов изготовления MESFET

Вторым этапом является изолирование и формирование затвора. За счет ионной имплантации, например, бора, осуществляется деактивация проводящего слоя GaAs и формируются необходимые изолирующие области. После этого этапа осуществляют нанесение металла и формирование воздушных «мостиков». В заключение формируют переходные отверстия и осуществляют обработку обратной стороны подложки.

Транзисторы с высокой подвижностью электронов и псевдоморфные транзисторы (HEMT/PHEMT)

Как говорилось выше, в последнее время в ответственных приложениях, там, где требуются малый коэффициент шума и высокое усиление, транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) и псевдоморфные (PHEMT) транзисторы получают все большее распространение.

Оба этих транзистора относятся к классу полевых транзисторов, поэтому базовые принципы функционирования весьма схожи. Основным отличием между транзисторами с высокой подвижностью электронов и полевыми транзисторами является эпитаксиальная структура слоя.

Конструкция HEMT/PHEMT

Эпитаксиальная структура базового транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT) приведена на рис. 7а, псевдоморфного транзистора — на рис. 7б.

Рис. 7. Базовая структура транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT) (а) и псевдоморфного транзистора (б)

Аналогично с полевыми транзисторами с барьером Шоттки (MESFET), структура выращена на полуизолирующей подложке из GaAs при помощи молекулярно-лучевой эпитаксии (в англоязычной литературе Molecular Beam Epitaxy — MBE) или более распространенного металлоорганического испарения.

Буферный слой, обычно тоже арсенидгаллиевый, эпитаксиально выращивается на подложке, служит для изоляции дефектов и призван создать гладкую поверхность, на которой происходит выращивание активных слоев транзистора.

Канал, соответствующий стандартной структуре транзистора, показан ниже. В идеальной системе все электроны проводимости размещаются в этом канале. Наиболее важным в слое канала является двумерный электронный газ (2DEG на рис. 8), являющийся следствием различной ширины интервалов.

Рис. 8. Энергетические диаграммы HEMT

На надежность транзисторов HEMT и PHEMT влияют параметры эпитаксиальной структуры, процесс производства и геометрия устройства. Основными механизмами отказа являются:

• «Погружение» затвора вследствие взаимной диффузии металла затвора в полупроводник и снижение усиления;
• Деградация омических контактов «стока–истока» вследствие деградации сплавной области, а также увеличение сопротивления «сток–исток» R_DS;
• Повреждение поверхности под действием «горячих» электронов;
• Чувствительность к кислороду воздуха приводит к возникновению поверхностных реакций, в результате возникают так называемые «ловушки»;
• Водородное отравление приводит к снижению усиления и напряжению отсечки;
• Высокая влажность может быть причиной короткого замыкания затвора и стока.

Наглядное представление влияния эффекта «погружения» затвора на вольт-амперные характеристики MESFET и HEMT транзисторов приведено на рис. 9. Стрелками показано направление смещения характеристики. Как видно из рисунка, такое сильное смещение ВАХ может привести не только к выходу характеристик устройства за пределы допуска, но и в некоторых случаях к отказу активного элемента (MESFET, HEMT и др.).

Рис. 9. Влияние эффекта «погружения» затвора на ВАХ MESFET и HEMT транзисторов

Технология изготовления HEMT/PHEMT

Первым этапом процесса является тщательный отбор подложек с требуемыми характеристиками. Между технологиями изготовления HEMT и PHEMT имеются, несомненно, незначительные различия, однако в данном случае мы их рассматривать не будем, коснувшись лишь базового процесса, который для обоих приборов является одинаковым.

Типичная последовательность изготовления приведена на рис. 10.

Рис. 10. Типовая последовательность изготовления HEMT

Первым этапом является формирование активного канала и имплантация изолятора, после чего формируются омические переходы, затем осуществляется формирование углублений затвора, затем — области «затвор–металл».

После этого производят травление истока и контактов, формируют воздушные мостики, переходные отверстия и осуществляют обработку обратной стороны подложки.

Биполярные гетеротранзисторы (HBT)

Биполярные гетеротранзисторы широко используются как в цифровых, так и в аналоговых МИС на рабочих частотах выше диапазона Ku. За счет своей структуры они обеспечивают более быстрое переключение, в основном за счет уменьшенного сопротивления базы и чрезвычайно малой емкости между коллектором и подложкой. Цена таких транзисторов относительно невысока, что связано с меньшей требовательностью технологического процесса в сравнении, например, с полевыми транзисторами. Кроме высокого быстродействия, биполярные гетеротранзисторы обеспечивают более высокое по сравнению с FET предельно допустимое напряжение. Эти транзисторы обладают хорошей линейностью, низкими фазовыми шумами, они легко согласуются.

Конструкция HBT

Как видно из рис. 11, структура биполярного гетеротранзистора — вертикальная.

Рис. 11. Базовая структура биполярного гетеротранзистора

Подложкой в данном случае служит полупроводниковая пластина арсенида галлия. Эпитаксиальные слои могут быть выращены различными способами, например, молекулярнолучевой эпитаксией (Molecular Beam Epitaxy).

Типовые вольт-амперные характеристики биполярного гетеротранзистора приведены на рис. 12.

Рис. 12. Типовая ВАХ биполярного гетеротранзистора

Принцип работы биполярного гетеротранзистора

В отличие от рассмотренных выше активных приборов МИС СВЧ, биполярные гетеротранзисторы имеют вертикальную структуру. Благодаря своей конструкции они не только более высокочастотны, чем, например, MESFET, но и удобны для использования в усилителях мощности. Рассмотрим принцип функционирования HBT и попробуем понять, почему это стало возможным (рис. 13).

Рис. 13. Энергетические диаграммы HBT

Как видно из рисунка, потенциальный барьер инжектированных дырок (ΔV_p) и электронов (ΔV_n) в контакте «эмиттер–база» отличается шириной зазора между AlGaAs эмиттером и GaAs базой, поэтому можно написать:

Это небольшое различие влияет на коэффициент I_n/I_p, где I_n — ток инжектированных электронов из эмиттера в базу, а I_p — нежелательный ток инжектированных дырок из базы в эмиттер. Эти токи могут быть выражены, применяя аппроксимацию Больцмана:

где q — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; А — площадь контакта «эмиттер — база»; D_n — коэффициент диффузии электронов в базу; D_p — коэффициент диффузии дырок в эмиттер; W — ширина базы; N_E — концентрация легирования эмиттера; L_p — длина диффузии дырок в эмиттер.

Из полученных формул получаем следующую зависимость для отношения рассматриваемых токов:

Для арсенида галлия ΔE_g ≈ 14,6kT, соответственно, exp(ΔE_g / kT) ≈ 2×10⁶, поэтому можно осуществлять высокое легирование базы и низкое легирование эмиттера без существенного снижения усиления по току. Практически же обычно осуществляют легирование базы таким образом, чтобы усиление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, составляло порядка 100 раз. Низкое легирование эмиттера приводит к снижению емкости контакта «эмиттер–база», что позволяет работать транзистору на более высоких частотах.

В результате протекания физических процессов старения надежность биполярных гетеротранзисторов может ухудшаться вследствие возникновения следующих факторов:

• Снижение усиления по току и увеличение напряжения «база–эмиттер» при высоких токах эмиттера;
• Увеличение сопротивления контактов, вызванное деградацией связи между омическими контактами эмиттера (металлизацией) и полупроводниковой областью эмиттера. Для решения этой проблемы может быть использован контактный слой из материала InGaAs.
• Разрастание кристаллических дефектов в контакте «эмиттер–база»;
• Дрейф усиления по току (снижение) и увеличение напряжения «база–эмиттер» для конкретного тока коллектора, вызванное окислением мезаструктуры эмиттера в области контакта «эмиттер–база».

Технология изготовления HBT

Типовая технология изготовления биполярных гетеротранзисторов состоит из нескольких этапов травления для открытия нужных областей и формирования электрических контактов на каждом слое. В заключение устройство изолируется и на нем формируются требуемые межсоединения.

Базовые шаги техпроцесса показаны на рис. 14.

Рис. 14. Последовательность изготовления биполярного гетеротранзистора

Типы GaAs МИС и их надежность

Как говорилось выше, монолитные микроволновые интегральные схемы используются в спутниковых системах, поэтому к ним предъявляются требования как можно меньшей массы и размеров, высокой надежности, небольшой цены. Эти микросхемы используются в том случае, когда паразитные реактивности в гибридных интегральных микросхемах снижают качество устройства ниже предельно допустимого уровня, поэтому основной областью применения монолитных микросхем являются устройства, работающие в диапазонах СВЧ. Примерами систем, реализуемых на монолитных ИС, могут являться приемники и передатчики для систем коммуникаций, фазированные антенные решетки, в которых требуется обеспечить небольшие размеры и однородные характеристики схем, а также датчики и радары, работающие на высоких частотах. Наибольшую долю рынка занимают среди МИС микроволновые приемники и передатчики, упрощенные схемы которых указаны на рис. 15–16.

Рис. 15. Типовая структурная схема СВЧ-приемника

Рис. 16. Типовая структурная схема СВЧ-передатчика

В приведенных обеих схемах фазовращатель может быть размещен в локальном генераторе (ЛГ), на входе или выходе системы. Он необходим для того, чтобы система могла выполнять функцию таким образом, как если бы каждая схема была связана с излучающим элементом фазированной антенной решетки (ФАР). Для других применений схема не изменяется за исключением удаления фазовращателя. Пример одного из монолитных приемников диапазона 30 ГГц показан на рис. 17.

Рис. 17. Топология и конструкция приемника диапазона 30 ГГц

Хотя высокий уровень интеграции приемника, показанного на рисунке, снижает затраты на корпусирование и межсоединения, такой уровень интеграции не является необходимым во многих случаях. Наоборот, каждый функциональный блок системы обычно производится на индивидуальном кристалле, что позволяет вести оптимизацию материала и параметров устройства для конкретного применения. Независимо от уровня взаимосвязи схем надежность целой системы зависит от надежности составных элементов, что видно при рассмотрении схемы приемника, показанной на рис. 15. Входной радиочастотный сигнал имеет очень низкий уровень мощности и может быть в некоторых случаях полностью закрыт шумами. Малошумящий усилитель (МШУ) усиливает принимаемый сигнал, внося в то же время небольшой собственный шум. Если усиление МШУ достаточно велико, его шумовой вклад в шум системы весьма мал, поэтому шум, создаваемый последующими цепями, делится на коэффициент усиления МШУ. Это означает, что усиление и коэффициент шума малошумящего усилителя определяют шумовые характеристики приемника в целом. Если приемник обладает плохими шумовыми параметрами, он не сможет принять слабый сигнал. Принятый сигнал пропускается через узкополосный фильтр и через смеситель. ЛГ генерирует сигнал определенной частоты, который также поступает в смеситель. Смеситель объединяет два сигнала с помощью нелинейного устройства, такого как MESFET или диод, и генерирует сигнал на промежуточной частоте (ПЧ): (ƒ_РЧ–ƒ_ЛГ) или (ƒ_ЛГ–ƒ_РЧ), а также гармоники промежуточной частоты, входной радиочастоты (РЧ) и частоты локального генератора. Для выделения требуемых компонентов промежуточной частоты они должны быть отфильтрованы. Эффективность преобразования смесителя обычно зависит от мощности генератора. Кроме того, изменение частоты ЛГ приводит к сдвигу ПЧ, что может вызвать повышенное затухание сигнала в узкополосных фильтрах, являющихся частью смесителя. Если система управляет фазированной антенной решеткой, то направление и форма основного сигнала, излучаемого или принимаемого антенной, зависит от сдвига фазы и уровня мощности каждого передатчика или приемника. Относительная фаза каждого излучаемого элемента устанавливается с помощью фазовращателя. Таким образом, если сдвиг фазы сигнала, проходящего через цепи, отличается от предполагаемого, качество всей антенны ухудшается. Это означает, что изменение параметров одного из компонентов могут привести к отказу всей системы.

Фазовращатель, локальный генератор и смеситель являются типичными составными частями приемников и передатчиков. Реальные различия между этими двумя системамив усилителях. Если МШУ используется как приемник, то он должен быть способен усилить слабый сигнал до уровня, достаточного для работы смесителя, и для повышения помехозащищенности системы вносить как можно меньший собственный шум. В передатчике основным требованием является передаваемая мощность и КПД схемы. Поэтому усилитель мощности должен обеспечить усиление сигнала до требуемого уровня.

Малошумящие усилители мощности используются для усиления мощности радиочастотного сигнала. Почти во всех системах это выполняется при помощи транспроводимости MESFET и HEMT или усиления тока в HBT. Наиболее точная работа усилителя — при низких уровнях мощности. К сожалению, при повышении уровня мощности усилитель становится нелинейным. При работе в нелинейной области выходная мощность меньше, чем сумма входной мощности и коэффициента усиления усилителя в линейной области. На рис. 18 показана типичная характеристика усилителя. Точка, в которой выходная мощность падает на 1 дБ относительно линейного экстраполированного значения, называется «точка 1-дБ компрессии». Это значение различается для малосигнальных или линейных усилителей от этого же значения усилителя мощности. Необходимо учитывать, что это является также критерием различия маломощных и мощных транзисторов, поскольку транзистор может рассматриваться как простой несогласованный усилитель. Это различие важно при изучении механизмов отказов, необходимых для обеспечения надежности устройства.

Рис. 18. Типовая передаточная характеристика усилителя

Выбор точки смещения является очень важным для обеспечения требуемых параметров усилителя. В зависимости от режимов работы транзистора, формы выходного сигнала и, соответственно, КПД усилителя различаются усилители классов A, B и С. Усилители класса А являются линейными, однако их КПД слишком низок, в то время как усилители класса С нелинейны, но обладают самым высоким КПД.

Можно выделить следующие типы МИС:

• Усилители мощности.

Усилители мощности должны оперировать высокими входной и выходной мощностями. Максимальное напряжение входного сигнала ограничивается напряжением пробоя транзистора. Ток через каждый транзистор ограничивается сопротивлением затвора эмиттера. Омические потери преобразуются в тепло, что приводит к нагреванию и снижению надежности устройства. Для увеличения максимально допустимого тока устройства в мощных транзисторах соединяют множество затворов или эмиттеров параллельно. Такое параллельное включение увеличивает общую ширину затвора или площадь эмиттера и снижает сопротивление, однако в то же время увеличивает сложность согласования входного импеданса транзистора выходным импедансом предшествующего каскада. В дополнение к этому, для обеспечения рассеивания тепла создаются элементы свободного пространства вокруг транзистора, что увеличивает размеры устройства. Для обеспечения отвода тепла от транзисторов мощных усилителей подложку помещают на металлическую или алмазную несущую. КПД усилителей мощности является их критическим параметром. Для анализа работы усилителей обычно производят измерение S-параметров. Транзисторы обладают линейностью лишь при небольших уровнях мощности, а при ее возрастании их нелинейность сильно возрастает. Нелинейность мощных транзисторов создает интермодуляционные искажения, кратные частоте входного сигнала: 2ƒ_РЧ, 3ƒ_РЧ и т. д. Появление этих частот в согласованных цепях может привести к искажениям, паразитной генерации, снижению КПД и т. д. Интермодуляционные искажения определяются как коэффициент отношения мощности сигнала на частоте искажений к мощности полезного сигнала и обычно приводится в дБ. Кроме проблем, связанных с перегревом, усилители мощности имеют такие механизмы отказа, как ловушки горячих электронов, электромиграция и диффузия металла.

• Малошумящие усилители (МШУ).

Так как малошумящие усилители используются для усиления принятых сигналов в приемниках, они разрабатываются для очень малых уровней мощностей. Поэтому температурные проблемы, а также проблемы высоких токов и напряжений, влияющих на надежность усилителя, не присущи МШУ. Наиболее важным показателем качества МШУ является коэффициент шума. Поскольку HEMT и PHEMT обладают наименьшими коэффициентами шума, именно они используются практически во всех МШУ. Для снижения коэффициента шума требуется небольшая длина затвора и низкое паразитное сопротивление между затвором и истоком. Типичными значениями длины затвора являются 0,1–0,25 мкм. Факторами ненадежности в таких транзисторах являются погружение металла затвора и диффузия омических контактов, которые возникают вследствие слишком малой длины затвора и соответственно малой толщины канала. Для снижения коэффициента шума системы в целом важно снизить потери в цепях, особенно перед первым каскадом МШУ. Это включает линию передачи от антенны к устройству. Кроме снижения потерь в цепях, шум может быть уменьшен при работе усилителя на низких температурах, токах и напряжениях. Наконец, коэффициент шума МШУ зависит от степени согласования цепей, которые проектируются с учетом минимизации коэффициента шума и максимизации усиления. Оптимальным с этой точки зрения является HEMT.

• Смесители.

Смесители преобразуют входной сигнал на одной частоте в сигнал на другой частоте, что необходимо для фильтрации сдвига фазы и других операций обработки данных. Например, система может принимать данные в W-диапазоне (74–110 ГГц), но фильтры для W-диапазона имеют низкую добротность и высокие потери, которые приводят к деградации шумовых характеристик приемника. Поэтому выгодно сдвинуть частоту принимаемого сигнала, где возможно применение высокодобротных фильтров с низкими вносимыми потерями. В идеале эта операция выполняется без снижения амплитуды входного сигнала или внесения дополнительных шумов. Смесители могут быть выполнены либо на диодах, либо на одном из транзисторов. Рассмотрим смеситель на диоде, представленный на рис. 19.

Рис. 19. Смеситель на СВЧ-диоде

Через зажимы диода проходят два сигнала: от локального генератора и от сигнала РЧ.

Обычно желаемая выходная частота (ƒ_РЧ–ƒ_ЛГ) — промежуточная частота. Основным показателем качества для смесителей является отношение мощности ПЧ к мощности РЧ, которое называется потерями преобразования и указывается в дБ. Несколько причин могут вносить вклад в увеличение потерь преобразования. Во-первых, это может быть плохое согласование импедансов на РЧ и ПЧ-портах. Во-вторых, это ВАХ диода. В зависимости от требуемых параметров смесители могут быть выполнены как на одном диоде или полевом транзисторе, так и нескольких, вплоть до 8 диодов. Более сложные устройства используют симметричные цепи для нейтрализации нежелательных частотных компонентов и облегчения устранения шумов, созданных изменением амплитуды в локальном генераторе. Недостатком смесителей с несколькими диодами или полевыми транзисторами является необходимость увеличения выходной мощности локального генератора, что сложно получить на высоких частотах. Проблема надежности смесителя ассоциируется с генерацией нежелательных гармоник, которые могут привести к паразитной генерации других цепей микросхемы, искажениям сигнала, появлению 1/ƒ шума.

• Генераторы.

Генераторы вырабатывают высокочастотные периодические сигналы и используются в модуляторах, супергетеродинных приемниках, цепях фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). В основном генератор может быть получен из любого усилителя посредством введения положительной обратной связи. Генераторы обычно строятся на базе МШУ с петлей обратной связи, вносящей задержку, кратную 2π. Кроме того, весьма распространенной является такая разновидность генератора, как ГУН (генератор, управляемый напряжением). Генератор разрабатывается таким образом, чтобы обеспечить требуемую емкостную и токовую нагрузку. Критическими параметрами генераторов являются долговременная нестабильность частоты, уровень шумов, выходной импеданс. Фазовый шум генератора — это кратковременная нестабильность генерируемого радиочастотного сигнала. При использовании генераторов в РЛС, а также в цифровых системах телекоммуникаций, необходимо обеспечивать определенный уровень фазового шума, в противном случае фазовый шум может привести к ошибке системы, а в случае передачи данных — к их искажению.

Шум может генерироваться различными механизмами. Во-первых, причиной может являться кинетическая энергия электронов, которая пропорциональна температуре материала. Этот вид шума обычно называют тепловым шумом. Тепловой шум занимает очень широкую полосу, поэтому его часто называют белым шумом. Вторым типом шума, пропорционального 1/ƒ, является фликкер-шум. Он возникает в активных твердотельных устройствах вследствие генерации и рекомбинации основных носителей на поверхности полупроводника. Примерный спектр шума показан на рис. 20.

Рис. 20. Типовой спектр шума генератора

Для минимизации фазового шума требуется использовать высокочастотные резонаторы. Кроме того, необходимо использовать транзисторы с низким фликкер-шумом. Использование высокодобротных резонаторов в МИС весьма затруднено, поскольку тонкопленочные элементы на арсенидгаллиевых подложках имеют высокие потери проводимости. Из всех рассмотренных транзисторов самым меньшим фликкер-шумом обладают биполярные гетеротранзисторы (HBT). Поэтому именно они чаще всего используются в генераторах. Воздействие температуры может приводить к дрейфу параметров транзисторов, что приводит к сдвигу частоты или срыву генерации. Температурная компенсация может быть построена с помощью варакторов или других управляемых элементов.

Вместо заключения

Постоянно растущие требования к объемам передаваемой информации с одновременным снижением массо-габаритных параметров устройств обеспечивают непрерывное динамичное развитие как конструкции МИС СВЧ, так и технологии их производства. Что же будет дальше? В каком направлении будет развиваться интегральная технология РЧ и СВЧ устройств? Очевидным глобальным направлением развития будут широкополосные и сверхширокополосные СВЧ-приборы. Что касается конструкции, то это, в первую очередь, совершенствование конструктивно-технологических особенностей МИС СВЧ, отработка технологии изготовления микросхем на подложках из карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN), создание серийной технологии изготовления микросхем на сапфировых подложках. Другим важным направлением развития микросхем этого класса является создание устройств с крайне высокой плотностью мощности: более 1 Вт на 1 мм длины затвора. Постоянное совершенствование конструкции и технологии МИС СВЧ, появление новых активных элементов микросхем, приводит к необходимости модификации моделей надежности, построению новых, включающих новые механизмы отказов, связанных с использованием новых материалов и технологий. Кроме того, несмотря на наличие хорошо отработанных методов статистического прогнозирования надежности, годных для применения к серийным микросхемам, методы оценки индивидуальной надежности, необходимые для сепарации единичных образцов МИС СВЧ, используемых в военной и космической технике, пока отработаны недостаточно хорошо. Среди таких методов можно выделить различные методы спектроскопии, с подсветкой вспомогательным источником и без нее. Однако многие из методов прогнозирования индивидуальной надежности МИС СВЧ являются разрушающими, что недопустимо при высокой стоимости микросхемы, другие же не обеспечивают требуемую достоверность. В такой ситуации встает задача: оценить надежность конкретного экземпляра устройства по результатам неразрушающих измерений каких-либо его электрофизических параметров. Если в отношении проблемы выбора таких информативных параметров можно сказать, что она решена, то относительно наличия достоверных математических моделей на их основе этого сказать нельзя. Поэтому эта задача на данный момент является весьма актуальной и, вероятно, в скором времени будет решена.

Литература

1. John R. Scarpulla. Reliability and Qualification Challenges for RF Devices. The Aerospace Corporation, Los Angeles, 2004.
2. GaAs MMIC Reliability Assurance Guideline for Space Applications. Sammy Kayali, George Ponchak, Roland Shaw. NASA Lewis Research Center, 1996.
3. Гуртов В. А. Твердотельная электроника. Москва, 2005.

Что такое интегральная схема проектирования?

Разработка интегральных схем (ИС) — специальность электротехники и вычислительной техники. Эта дисциплина имеет жизненно важное значение для правильного изготовления новых интегральных микросхем, которые используются в цифровых устройствах, таких как компьютеры и мобильные телефоны. Есть много подробных шагов в процессе разработки ИС. Концептуальное проектирование, моделирование и поверочные испытания являются основными основами процедуры проектирования интегральных схем.

Каждая интегральная схема содержит множество взаимосвязанных электрических компонентов. Эти небольшие элементы включают в себя транзисторы и резисторы, которые используются для постоянного и контроля тока. Микросхемы изготовлены из полупроводящего материала, такого как кремний. Интегральные схемы очень сложны, а некоторые могут содержать около миллиарда транзисторов.

При проектировании интегральных схем элементы должны быть тщательно спланированы и выложены до того, как будет изготовлена ​​микросхема. Из-за сложности современных микросхем чипы редко проектируются вручную. Вместо этого в процессе планирования используется программное обеспечение для концептуального проектирования. Этот автоматизированный подход позволяет разработчикам схем избежать ошибок и обеспечить правильное расположение каждого чипа.

На этапе концептуального планирования проектирования интегральных микросхем специалисты работают над максимально эффективной компоновкой каждой микросхемы. Компоненты расположены таким образом, чтобы в полной мере использовать доступное пространство и уменьшить конечный размер чипа. Электрические пути разработаны так, чтобы быть короткими и эффективными. Это снижает стоимость ИС и позволяет электрическим сигналам проходить без проблем.

Производители микросхем имеют разные возможности. Оборудование, используемое для производства интегральных микросхем, иногда ограничивается определенными схемами и конструкциями. Процесс планирования схемы должен учитывать это, и разработчики должны тесно сотрудничать с производителями, чтобы убедиться, что предложенная модель действительно может быть произведена.

После того, как новый дизайн интегральной схемы был концептуализирован, он должен быть смоделирован. На данном этапе программное обеспечение снова является важным инструментом. Компьютерные программы используются для имитации потока электричества через недавно разработанный чип. Цифровая логика IC внимательно отслеживается на предмет ошибок. Если существует ошибка компоновки, дизайнеры пытаются найти и изменить ошибку с помощью программного обеспечения, прежде чем начнется дорогостоящий производственный процесс.

Схема физически превращается в кремниевый чип только в том случае, если эксперты убеждены, что он правильно спроектирован. Из-за производственных затрат интегральные схемы обычно производятся оптом. Даже после обширного моделирования, новый дизайн IC тестируется в реальном мире, как только он построен. Производители интегральных микросхем регулярно проверяют каждую партию кремния и проверяют правильность работы цифровой логики.

ДРУГИЕ ЯЗЫКИ

Интегральные микросхемы (аналоговые и импульсные), как одна из составляющих частей РЭА

Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Интегральные микросхемы, как одна из составляющих частей РЭА Электрическое моделирование ИС может быть как расчетно-теоретическим, так и натурным (экспериментальным) (последнее обычно дополняет первое). Расчетно-теоретическое моделирование в свою очередь подразделяется на аналитическое и машинное. В основе аналитического моделирования лежат известные аналитические преобразования, используемые в теории цепей. При машинном моделировании на ЦВМ используются арифметические операции сравнения, перебора. При расчетно-теоретическом моделировании в качестве исследуемого объекта применяются как принципиальная, так и эквивалентная схемы. При натурном моделировании используется только принципиальная схема.   Рис. 1. Классификация типов электрических моделей и моделирования ИС   Основным методом этого моделирования является метод граничных испытаний схемы. Классификация типов электрических моделей приведена на рис. 1. В заключение остановимся на классификации используемых на практике элементов принципиальных электрических схем, приведенной на рис. 2. Эти элементы прежде всего характеризуются числом полюсов (входов и выходов электрического тока). Существуют двухполюсные (резисторы, конденсаторы, диоды), трехполюсные (транзисторы, RC-структуры), четырёхполюсные (трансформаторы, тиристоры) и в общем случае n-полюсные элементы. С ростом числа полюсов конструктивная сложность элемента и его возможности преобразования сигнала, как правило, существенно возрастают; одновременно увеличивается гибкость управления режимом работы. Элементы делятся на пассивные и активные. Пассивные элементы, обладающие положительным сопротивлением ( ), расходуют мощность полезного сигнала, чаще всего рассеивая ее в виде тепловых потерь. Активные элементы усиливают мощность полезного сигнала, преобразуя энергию источников питания в энергию полезного сигнала. Знак и величина угла  сдвига фаз между током и напряжением сигнала на каждом полюсе элемента определяют его импеданс. В общем случае он будет комплексным. При  импеданс будет носить индуктивный, при  — емкостной, а при  — омический характер. При  двухполюсники вырождаются в резисторные, индуктивные и емкостные элементы соответственно.Зависимость тока сигнала от его напряжения на каждом полюсе элемента может быть как линейной, так и нелинейной. Нелинейными зависимостями обычно обладают активные элементы. Наиболее часто встречаются нелинейности N— и S-вида. По режиму работы элементы можно подразделить на аналоговые и ключевые (спусковые). Первые характеризуются сравнительно плавным изменением параметров во времени, вторые — скачкообразным (в идеале — мгновенным). Закономерности изменения параметров аналоговых элементов, во многом определяющие форму и спектральный состав сигнала, существенно влияют на информационную часть последнего. Изменения параметров ключевых элементов, как правило, не влияют на формирование информационной части сигнала, которая определяется правилами кодирования Рис. 2. Классификация преобразовательных схемных элементов (компонентов) ИС.   Последний признак рассматриваемой классификации характеризует степень пространственного распределения параметров элемента. С этой точки зрения элементы подразделяются на элементы с сосредоточенными параметрами и элементы с распределеннымипараметрами. Основной задачей электрического моделирования ИС является оптимальный синтез ее принципиальной электрической схемы (модели). Для конструктора эта схема содержит информацию: о числе схемных элементов в ИС и их электрической взаимосвязи друг с другом; о типах этих элементов и их основных электрических параметрах и характеристиках; о допусках на эти параметры и характеристики. Процесс разработки принципиальной схемы, как и любой другой модели ИС, подразделяется на три этапа: структурный синтез схемы, анализ ее параметров и принятие решения о пригодности модели. На этапе структурного синтеза определяется электрическая схема, тип входящих в нее элементов, номинальные значения их параметров. Рассмотрим эту операцию более подробно. Прежде всего отметим, что синтез электрических схем (моделей) ИС отличается от синтеза электрических схем обычных узлов РЭА следующими особенностями: 1. Не все классические дискретные схемные элементы технически можно или экономически выгодно выполнять в виде ИС. К таким элементам относятся трансформаторы токов и напряжений, индуктивности, большие емкости, настроечные элементы. 2. Не все элементы, сформированные в ИС, имеют аналоги среди дискретных элементов, выпускаемых промышленностью. Так, например, нет дискретного аналога интегральной RC-структуры. Однако, если даже такие аналоги и имеются, то электрические характеристики и параметры интегральных и дискретных элементов обычно отличаются друг от друга. Так, например, интегральный диффузионный резистор, в отличие от дискретного резистора типа МЛТ, имеет большую паразитную распределенную емкость. 3. Электрические связи между элементами в ИС существенно «дополнены» паразитными связями через общую для них подложку. Поэтому принципиальная электрическая схема воспроизводит только важнейшие процессы и характеристики ИС, и то с определенной степенью приближения. Этап структурного синтеза электрических принципиальных схем проектируемых PIC является сложным и ответственным процессом. Этот этап выполняется наиболее квалифицированными схемотехниками. В своей работе они используют информацию о ранее выполненных разработках подобного рода, технические условия, технологические ограничения со стороны планируемого завода-изготовителя, личный опыт и инженерную интуицию. Структура электрической схемы ИС во многом определяется характером выполняемых ею преобразований сигналов. Аналоговое и импульсные схемы выполняют, как правило, точные электрические преобразования, в силу чего их характеристики чувствительны к вариации параметров элементов, к реакции на паразитную обратную связь и флюктуациям параметров входного сигнала. При проектировании и изготовлении этих схем требуется большая точность. Логические ИС. Дискретные логические схемы характеризуются быстродействием (величиной задержки распространения сигнала), нагрузочной способностью (коэффициентом разветвления выходных каналов), потребляемой мощностью. Эти схемы могут быть выполнены как на ЭРЭ биполярных и полевых транзисторах, так и на УФЭ магнитных, оптоэлектронных, криогенных и других устройствах. Схемы на биполярных транзисторах подразделяются на следующие типы: диодно-транзисторные логические (ДТЛ), транзисторно-транзисторные логические (ТТЛ), транзисторные логические с непосредственными (или резистивными, или резистивно-емкостными) связями (ТЛНС), логические схемы переключения тока (ЛСПТ), триггеры. Примеры указанных типов схем приведены соответственно на рис. 3 – 7. Эти схемы (за исключением триггера) выполняют логическую операцию (преобразование) И–HE/ИЛИ–НЕ. Их основные параметры сведены в табл. 1.   Таблица 1 Параметры схем Типы схем ДТЛ ТТЛ ТЛНС ЛСМТ Триггер Задержка распространения сигнала, нсек 8…50 6…45 10…200 5…6 40…250 Потребляемая мощность, мВт 7,5…30 12…15 3…27 35…70 2…90 Нагрузочная способность (коэффициент разветвления по выходу) 4…20 7…20 4…16 20…25 10…12 Помехоустой-чивость, в 0,5…1 0,5…1 0,15…0,35 0,25…0,4 0,1…1,0 Рабочий диапазон температур, °С -60…+125 -60…125 -60…+125 0…+70 0…+65 -60…+125   Широкое распространение получили также логические схемы на МДП (МОП)-транзисторах. На рис. 8 и 9 приведены схемы совпадений типа НЕ—И и триггера. Двухвходовые схемы совпадений (НЕ—И) с параллельным и последовательным соединением МОП-транзисторов работают следующим образом. В схеме с параллельным соединением (рис. 8, а) транзисторы в исходном состоянии открыты, а в схеме с последовательным соединением (рис. 8,6) — закрыты. Только одновременная подача входных сигналов на затворы приборов приводит к срабатыванию схемы. Наряду с операцией II схема инвертирует сигнал. Задержка распространения сигнала в схеме примерно 170—400 нсек. Быстродействие схемы с параллельным включением транзисторов выше. Потребляемая мощность порядка 4…15 мВт. Непосредственные связи в схеме триггера обеспечивают максимальное быстродействие (задержка распространения сигнала 10…80 нсек). Потребляемая мощность схемы 5…20 мВт. Аналоговые и импульсные ИС. Эти схемы стали разрабатываться промышленностью в 1964 г. В настоящее время разработаны серии усилителей, генераторов, модуляторов, фильтров, стабилизаторов напряжения и т. п. В настоящее время существует тенденция построить унифицированную серию ИС по каждому основному типу преобразования сигнала (типу функции). Успехи в этом направлении пока ощутимы в области линейных усилителей, хотя имеется множество попыток разработать ИС, реализующие другие функции. Среди класса усилителей хорошо освоены в интегральном исполнении так называемые операционные (решающие) усилители (ОУ), позволяющие выполнять в ЭВМ операции сложения, вычитания, интегрирования, дифференцирования, изменения знака и т. д., а при использовании ОУ в аналоговых или импульсных устройствах — функции усиления, сравнения, детектирования и фильтрации.   Рис. 3.   ДТЛ-схема.             Рис. 4. ТТЛ-схема. Рис. 5. ТЛНС-схема с непосредственными связями   Рис. 6. ЛСПТ-схема. Рис. 7. Схема триггера на биполярных транзисторах.   Рис. 8.                                                  Рис. 9.   Рис. 8. Двухвходовая схема совпадения НЕ — И с параллельным (а) и последовательным соединением МДП-транзисторов (б). Рис.9 Схема триггера с непосредственными связями на МДП-транзистора.х. Электрическая принципиальная схема одного из типовых операционных усилителей приведена на рис. 10. Она содержит входной и выходной каскады, а также каскад обратной связи; схема собрала на 4 транзисторах p — n — p и n — p — n-типа и 15 резисторах. Как и дифференциальный усилитель, операционный усилитель имеет два высокоомных симметричных входа, на которые подается разность напряжений сигналов, и низкоомный несимметричный выход. ОУ обладает высоким коэффициентом усиления по току и сильной отрицательной обратной связью. Сигнал по первому входу инвертируется на выходе, а по второму входу не инвертируется. В целях исключения самовозбуждения на высоких частотах к клеммам 4,5 и 6 подключаются внешние развязывающие RC-фильтры Диапазон рабочих температур усилителя —55°…+125°С. Коэффициент усиления 100, входное предельное напряжение Uвх ≈ 5 мв, входное сопротивление Rвх = 900 ком, температурный дрейф нуля примерно 10 мкв/° C Из точных аналоговых преобразований сигнала, которые можно выполнять с помощью операционного усилителя, в настоящее время достаточно хорошо осуществляется фильтрация сигнала. Структурная схема так называемых активных фильтров приведена на рис. 11. Она содержит частотно-избирательные элементы в цепи обратной связи операционного усилителя и перед каждым из его входов. В качестве этих элементов можно использовать емкости и индуктивности, но лучше всего применять RC-структуры. Путем подбора параметров этих структур можно реализовать почти любую функцию передачи, т. е. построить фильтр практически с любой характеристикой. Рис 10. Электрическая принципиальная схема операционного усилителя в интегральном исполнении: 1 — инвертирующий вход; 2 — неинвертирующий вход; 3— выход; 4, 5, б — выводы подключения внешних цепей.   Рис. 11 Структурная схема активного фильтра, построенного на основе операционного усилителя ЛИТЕРАТУРА 1. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие для вузов. – СПб: Питер, 2003. – 512 с. 2. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов / Ю.Ф.Опадчий, О.П.Глудкин, А.И.Гуров; Под.ред. О.П.Глудкина. М.: Горячая Линия – Телеком, 1999. – 768 с. 3. Акимов Н.Н. и др. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник / Н.Н.Акимов, Е.П.Ващуков, В.А.Прохоренко, Ю.П.Ходоренок. Мн.: Беларусь, 2004. – 591 с. Поиск по сайту:

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ЭСЛ

 

7.1 Общие сведения

 

Микросхемы на основе эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) нашли широкое применение в быстродействующих вычислительных устройствах благодаря таким преимуществам перед другими микросхемами, как высокое быстродействие, большая нагрузочная способность, высокая стабильность динамических параметров при изменении питающих напряжений и температуры, независимость тока потребления от частоты переключения. Микросхемы ЭСЛ-типа являются самыми быстродействующими схемами на основе кремния, выпускаемыми отечественной промышленностью. Высокое быстродействие обусловлено тем, что в этих элементах транзисторы работают в ненасыщенном режиме. Уменьшение времени задержки распространения достигается также в результате малого перепада выходного напряжения, хотя это влечет снижение помехоустойчивости. К этому типу относятся микросхемы серий 100, К100 (в корпусах с планарными выводами), 500, К500 (в корпусах типа DIP) и 1500, К1500. Наибольшим быстродействием среди ЭСЛ ИС обладают ИС К1500 (аналог F100K фирмы Fairchild, США). Схемотехника, конструкция, технология изготовления существенно отличаются от ИС К500. При создании новой серии субнаносекундного быстродействия были применены более совершенные схемотехнические решения, которые обеспечили улучшение основных электрических параметров микросхем.

7.2 Базовый логический элемент ИС К1500

 

При создании новой серии субнаносекундного быстродействия были применены оригинальные схемотехнические решения, которые обеспечили улучшение основных электрических параметров микросхем. Электрическая принципиальная схема базового ЛЭ ИЛИ-НЕ/ИЛИ ИС К1500 (рисунок 7.1) состоит из токового переключателя тока (1), источника опорного напряжения (2) и выходных эмиттерных повторителей (3). Токовый переключатель построен на транзисторах VT1¸VT3 и резисторах R1¸R6 и представляет собой дифференциальный усилитель, работающий в режиме ключа. Токовый переключатель предназначен для усиления входных сигналов, формирования парафазных выходных сигналов и обеспечения требуемой помехоустойчивости схемы. Выходные эмиттерные повторители, выполненные на транзисторах VT4, VT5 с открытым эмиттером, служат для усиления по току выходного сигнала и для обеспечения совместимости ЭСЛ ИС по входу и выходу. Базовый ЛЭ работает следующим образом. При подаче на входы схемы напряжения низкого уровня (– 1,7 В) входные транзисторы VT1, VT2 закрыты, транзистор VT3 открыт, так как напряжение на его базе выше, чем на базах входных транзисторов. Электрический ток, протекающий через стабилизатор тока VT6 и открытый транзистор VT3, создает падение напряжения на резисторе R2.

Стабилизирующий ток I_К6 ( I₀) выбирается таким образом, чтобы с учетом тока из базы транзистора VT4 падение напряжения на резисторе R2 было порядка – 0,95 В. Транзисторы VT4 и VT5 всегда открыты, если в цепи эмиттера включено нагрузочное сопротивление R_н между эмиттером и напряжением смещения (Е_см = – 2 В) или напряжением питания U_п, так как работают постоянно в активном режиме. Падение напряжения на эмиттерных переходах этих транзисторов составляет порядка 0,8 В. При подаче хотя бы на один вход ЭСЛ ЛЭ напряжения высокого уровня – 0,95 В входной транзистор открывается и весь ток токового переключателя протекает через R1, открытый входной транзистор VT6.

а − ИС К1500; б − функциональное обозначение

Рисунок 7.1 – Электрическая схема базового ЛЭ ИЛИ/ИЛИ-НЕ

 

В эмиттерном узле 1 устанавливается напряжение порядка – 1,75 В, которое закрывает транзистор VT3. Состояние выходов схемы изменится: на прямом выходе (ИЛИ) формируется напряжение низкого уровня – 0,95 В, а на инверсном выходе (ИЛИ-НЕ) – напряжение высокого уровня – 1,7 В. Микросхема может работать в отрицательной и положительной логике. В положительной логике осуществляются функции ИЛИ/ИЛИ-НЕ. В отрицательной логике ЛЭ ЭСЛ выполняет функцию И-НЕ на инвертирующем выходе. Особенностью схемотехнического решения ЭСЛ ЛЭ является применение раздельного подключения шины земли к цепям токового переключателя и источника опорного напряжения, с одной стороны, и к цепи эмиттерного повторителя – с другой (Общ. 1 и 2). Следует учитывать при применении ЭСЛ ИС, что в этих цепях наблюдается различный характер потребления электрического тока из шины электропитания в момент переключения элемента. В общей шине «1» ток практически постоянный, в общей шине «2» – импульсный. Значение тока тем больше, чем ниже сопротивление нагрузки на выходе ЛЭ. С целью стабилизации параметров и характеристик по температуре и напряжению питания электрические схемы токового переключателя и источника опорных напряжений претерпели существенные изменения по сравнению со схемами серии К500. В цепи эмиттерного токового переключателя включен генератор тока, выполненный на транзисторе VT6 и резисторе R4. При повышении температуры ток генератора увеличивается, при изменении напряжения питания ток генератора остается постоянным. Температурная стабилизация параметров достигается включением термостабилизирующей цепочки, состоящей из диодов VD1, VD2 и резистора R3. Существенно изменился по сравнению с ИС К1500 источник опорного напряжения (рисунок 7.2), что в значительной степени определило стабилизацию параметров и характеристик ИС. Источник опорного напряжения полностью обеспечивает стаблизацию схемы по питанию. Эту функцию выполняет цепь из транзистора VT5 и резистора R4. Отклонения напряжения питания от номинального значения полностью повторяются на резисторе R4 и через транзистор VT2 на выходе U₀₂. Разность U_СС1 – U₀₂ сохраняется постоянной. Это обеспечивает формирование стабильного тока в генераторе тока даже при изменении напряжения питания. При изменении напряжения питания U_СС1 из-за постоянного тока I₀ и постоянного опорного напряжения U₀₁ источника опорного напряжения остаются стабильными уровни выходного сигнала, напряжение логического перепада и помехоустойчивость схемы.

Для обеспечения стабилизации схемы по температуре необходимо постоянство напряжений U₀₁ и U₀₂ во всем диапазоне рабочих температур. Для стабилизации по электропитанию напряжение U₀₁ не должно изменяться при изменении U_оп, а напряжение U₀₂ должно полностью воспроизводить изменения напряжения источника питания U_СС1. Тогда напряжение на генераторе тока остается постоянным и постоянным остается ток I₀. Стабильность напряжений U₀₁ и U₀₂ при изменении температуры обеспечивается разностью площадей эмиттерных переходов транзисторов VT1 и VT6 (рисунок 7.2). При задании тока I₁ через транзистор VT1, через транзистор VT6 протекает ток I₂, который будет больше тока I₁ во столько раз, во сколько площадь эмиттерного перехода транзистора VT6 больше площади эмиттерного перехода транзистора VT1. На значение тока I₂ влияет сопротивление R5. Сопротивления резисторов R2 — R5 выбираются так, чтобы обеспечить необходимые значения напряжений: U₀₁ = – 1,32 В и U₀₂ = – 3,2 В. С повышением температуры растет ток I₁, одновременно увеличивается значение тока I₂. Рост тока I₂ вызывает увеличение падения напряжения на резисторе R3, которое компенсирует уменьшение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT3 с повышением температуры. Напряжение U₀₁ остается постоянным, несмотря на изменение рабочей температуры. На эмиттере транзистора VT4 напряжение так же остается постоянным в диапазоне рабочих температур и через общие базы транзисторов VT4 и VT2 оно формирует стабильное напряжение U₀₂, которое в значительной мере определяет стабильность динамических параметров схем.

Рисунок 7.2 – Электрическая схема источника опорных

напряжений

 

На рисунке 7.3 приведена типовая передаточная характеристика логического элемента ЭСЛ по прямому и инверсному выходам. На основании этой характеристики определяются все остальные схемы: входные и выходные пороговые напряжения, выходные напряжения лог. 0 и лог. 1, логические перепады напряжения, напряжения статической помехоустойчивости и др.

 

Рисунок 7.3 – Передаточная характеристика основного

логического элемента

 

7.3 Особенности применения ЭСЛ

 

Микросхемы ЭСЛ имеют отрицательное напряжение питания ±4,5 B ±5%, причем коллекторные цепи подключены к шинам земли. Следовательно, выходные напряжения имеют отрицательные уровни. Выходные сигналы снимаются со свободных выходов эмиттерных повторителей (открытый эмиттер). При подключении нагрузок эмиттеры выходных транзисторов должны быть подключены через резисторы к источнику отрицательного напряжения, например, к источнику питания U_п – 5 В или источнику напряжения смещения U_см = – 2 В. Все входы базового элемента подключаются к источнику питания через резисторы, это позволяет неиспользованные входы оставлять не присоединенными.

Микросхемы ЭСЛ-типа допускают объединение по прямым и инверсным выходам в «монтажное ИЛИ» или в «монтажное И» с коэффициентом объединения К_ОБ £ 4, а также объединения прямого выхода с инверсным (рисунок 7.4).При объединении прямых выходов (рисунок 7.4, а) реализуется монтажное ИЛИ:

Если монтажно объединить инверсные выходы (рисунок 7.4, б), то получим монтажное И:

Третий вариант объединения (рисунок 7.4, в) – это монтажное объединение прямых и инверсных выходов

Рекомендуется объединения схем по выходам производить в пределах одной платы и желательно для микросхем, расположенных рядом. Выход с платы следует задействовать от схемы, не имеющей объединений по выходу в пределах платы. Особое требование при конструировании аппаратуры на ЭСЛ ИС – передача сигналов по согласованным линиям связи.

Рисунок 7.4 – Схема объединения ИС ЭСЛ по выходам

 

Из-за крутых фронтов ИС 1500 (К1500) более чувствительны к неоднородностям в линии передач. Поэтому при правильном применении ИС 1500 в линиях связи должно быть постоянное волновое сопротивление (500 Ом). При эксплуатации ИС 1500 (К1500) выделяют значительное количество тепла из-за большой рассеиваемой мощности микросхем, поэтому необходимо обеспечить эффективный теплоотвод, чтобы температура корпуса не превышала С. При конструировании аппаратуры на основе ИС 1500 (К1500) необходимо уделять внимание вопросам компоновки схем, согласования линий связи, выбора согласующих резисторов, соединителей, вопросам фильтрации и «развязки» цепей питания. Интегральные серии 1500 (К1500) обладают функциональной полнотой. Они имеют в своем составе логические элементы, универсальные дешифраторы, мультиплексоры, схемы контроля четкости, сумматоры-вычислители, АЛУ, триггеры, счетчики, регистры, приемопередатчики, преобразователи уровней, ОЗУ на 1 – 16 Кбит и пр.

ИС 1500 (К1500) является основной элементной базой быстродействующих ЭВМ и других технических средств.

Узнать еще:

Как работают интегральные схемы?

Как работают интегральные схемы? — Объясни это Рекламное объявление

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 28 июня 2021 г.

Вы когда-нибудь слышали о компьютере 1940-х годов? называется ENIAC? Он был примерно такой же длины и веса, как три-четыре двухэтажных автобуса. содержал 18 000 гудящих электронных переключателей, известных как вакуумные лампы. Несмотря на свои гигантские размеры, это были тысячи в разы менее мощный, чем современный ноутбук — машина примерно в 100 раз меньше.

Если история вычислительной техники звучит как волшебный трюк — выжать все больше и больше мощности во все меньшее и меньшее пространство — это так! Что сделало это возможно было изобретение интегрированного схема (IC) в 1958 году. Это изящный способ втиснуть сотни, тысячи, миллионы или даже миллиарды электронных компонентов на крошечные чипы кремния нет больше ногтя. Давайте подробнее рассмотрим микросхемы и то, как они работают!

Фото: Интегральная схема снаружи. Он поставляется в удобной форме, называемой двухрядным корпусом (DIP), который состоит из черного пластика или керамический внешний корпус с металлическими штырями по бокам для подключения к электронной плате большего размера (коричневая деталь, которую вы видите на заднем плане).Фактическая схема, которая выполняет эту работу, представляет собой крошечный чип, встроенный в DIP; вы можете увидеть, как он подключен к внешним контактам DIP на следующей фотографии.

Что такое интегральная схема?

Откройте телевизор или радио, и вы увидите, что оно построено вокруг печатная плата (PCB) : немного похоже на электрическую карту улиц с маленький электронный компоненты (например, резисторы и конденсаторы) на месте здания и печатные медные соединения связывая их вместе как миниатюрные металлические улочки.Печатные платы хороши в небольших таких приборов, но если вы попытаетесь использовать ту же технику для построить сложную электронную машину, например компьютер, вы быстро врезался в препятствие. Даже самому простому компьютеру нужно восемь электронных переключает на хранение одного байта (символа) информации. Итак, если вы хотите построить компьютер с достаточным объемом памяти для хранения этого абзаца, вы смотрите примерно 750 символов, умноженных на 8 или около того 6000 переключателей — за один абзац! Если вы любите переключатели, как в ENIAC — электронные лампы размером взрослый палец — скоро вы получите колоссально большой, энергоемкая машина, которой нужно собственное мини-электричество завод, чтобы он работал.

Фото: «Электрическая карта улиц»: Интегральная схема (справа) на печатной плате (PCB) с различными обычными электронными компонентами.

Когда в 1947 году три американских физика изобрели транзисторы, несколько улучшилось. Транзисторы были размером с электронные лампы и реле. (электромагнитные переключатели, которые начали заменять электронные лампы в середина 1940-х годов), потребляли гораздо меньше энергии и были гораздо более надежными. Но все еще оставалась проблема соединить все эти транзисторы вместе в сложных схемах.Даже после того, как были изобретены транзисторы, компьютеры по-прежнему представляли собой спутанную массу проводов.

Фото: Интегральные схемы вставляются в печатные платы (ПП), как зеленая, которую вы видите здесь. Обратите внимание на тонкие дорожки, соединяющие «ножки» (клеммы) двух разных микросхем. Другие дорожки связывают ИС с обычными электронными компонентами, такими как резисторы и конденсаторы. Вы можете думать о дорожках как о «улицах», прокладывающих пути между «зданиями», где делаются полезные вещи (сами компоненты).Также существует миниатюрная версия печатной платы внутри интегральной схемы: дорожки создаются в микроскопической форме на поверхности кремниевой пластины.

Интегральные схемы все изменили. Основная идея заключалась в том, чтобы взять полная схема со всеми ее многочисленными компонентами и связями между их, и воссоздать все это в микроскопически крошечной форме на поверхности кусок кремния. Это была удивительно умная идея, и она реализована возможные всевозможные «микроэлектронные» гаджеты, которые мы сейчас принимаем за предоставлено, от цифровых часов и карманные калькуляторы на Луну ракеты и ракеты со встроенной спутниковой навигацией.

Фото: Интегральная схема изнутри. Если бы вы могли снять крышку с типичного микрочипа, такого как тот, что на верхнем фото (а это не очень легко — поверьте, я пробовал!), Вы бы нашли внутри именно это. Интегральная схема — это крошечный квадрат в центре. От него выходят соединения к клеммам (металлическим штырям или ножкам) по краю. Когда вы подключаете что-либо к одной из этих клемм, вы фактически подключаетесь к самой цепи. Вы можете увидеть рисунок электронных компонентов на поверхности самого чипа.Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Закон Мура

Интегральные схемы произвели революцию в электронике и вычислительной технике в 1960-х и 1970-х годах. Первый, инженеры помещали десятки компонентов на микросхему в так называемой маломасштабной интеграции (SSI). Вскоре последовала Medium-Scale Integration (MSI) с сотнями компонентов в области такого же размера. Как и ожидалось, примерно в 1970 году крупномасштабная интеграция (БИС) принесла тысячи компонентов, очень крупномасштабная интеграция (СБИС). дали нам десятки тысяч и миллионы сверхбольших масштабов (ULSI) — и все на микросхемах не больше, чем они был раньше.В 1965 году Гордон Мур из компании Intel, ведущего производителя микросхем, заметил, что количество компонентов на микросхеме удваивалась примерно каждые один-два года. Закон Мура , как он известен, продолжает действовать с тех пор. В интервью The New York Times 50 лет спустя, в 2015 году, Мур выразил свое удивление по поводу того, что закон продолжает оставаться в силе: «Первоначальное предсказание заключалось в том, чтобы смотреть на 10 лет, что, по моему мнению, было большой натяжкой. Это исходило примерно из 60 элементов. на интегральной схеме до 60 000 — тысячекратная экстраполяция за 10 лет.Я думал, что это было довольно дико. То, что нечто подобное происходит уже 50 лет, поистине удивительно ».

Диаграмма: Закон Мура: количество транзисторов, упакованных в микрочипы, примерно удваивается каждый год или два за последние пять десятилетий — другими словами, оно растет в геометрической прогрессии. Если вы построите график количества транзисторов (ось y) в зависимости от года выпуска (ось x) для некоторых распространенных микрочипов за последние несколько десятилетий (желтые звезды), вы получите экспоненциальную кривую; вместо этого построив логарифм, вы получите прямую линию.Обратите внимание, что вертикальная ось (y) на этой диаграмме является логарифмической. и (из-за программного обеспечения для построения графиков OpenOffice, которое я использовал) горизонтальная ось (x) является лишь неопределенно линейной. Источник: построено с использованием данных Transistor Count, Wikipedia, сверено с данными из других источников.

Рекламные ссылки

Как изготавливаются интегральные схемы?

Как сделать что-то вроде микросхемы памяти или процессора для компьютера? Все начинается с необработанного химического элемента, такого как кремний, который подвергается химической обработке или легированию для придания ему различных электрических свойств…

Легирование полупроводников

Фото: кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Если вы читали наши статьи о диодах и транзисторы, ты будешь знаком с идеей полупроводников . Традиционно люди думали, что материалы можно разделить на две аккуратные категории: которые позволяют электричеству течь через их довольно легко (проводники) и те, что нет (изоляторы). Металлы составляют большую часть проводников, а неметаллы, такие как пластик, дерево и стекло изоляторы.На самом деле все гораздо сложнее, особенно когда речь идет об определенных элементы в середине периодической таблицы (в группах 14 и 15), особенно кремний и германий. Обычно изоляторы, эти элементы могут быть заставить вести себя больше как проводники, если мы добавим небольшое количество примеси к ним в процессе, известном как легирование . Если вы добавите сурьму в кремний, вы дадите ему немного больше электронов, чем он. обычно имеет — и способность проводить электричество. Кремний «легированный» таким образом называется n-типа .Добавляем бор вместо сурьмы и вы удаляете часть электронов кремния, оставляя после себя «дырки» которые работают как «отрицательные электроны», неся положительный электрический ток в обратном порядке. Такой кремний называется p-type . Помещение областей кремния n-типа и p-типа рядом друг с другом создает переходы, в которых электроны ведут себя очень интересным образом — и это как мы создаем электронные компоненты на основе полупроводников, такие как диоды, транзисторы и воспоминания.

Внутри завода по производству микросхем

Фото: Интегральные схемы производятся в безупречно чистых условиях; Рабочие должны носить вот такие «костюмы для кроликов», чтобы они не загрязняли чипы, которые они производят.Это завод Intel по производству пластин в Чандлере, Аризона, США. Фото любезно предоставлено архивом Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

Процесс создания интегральной схемы начинается с большого монокристалл кремния, имеющий форму длинной сплошной трубки, которая «нарезана салями» на тонкие диски (про габариты компакт-диска) вафли называются . Пластины разделены на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых из которых будет составлять один кремниевый чип (иногда называемый микрочип).Тогда тысячи, миллионы или миллиарды компонентов создается на каждом чипе путем легирования различных участков поверхности, чтобы превратить их в Кремний n-типа или p-типа. Допинг осуществляется множеством разных процессы. В одном из них, известном как напыление , ионы легирующего материала стреляют по кремниевой пластине, как пули из пистолет. Другой процесс называется осаждение из паровой фазы включает введение легирующего материала в виде газа и его конденсацию, чтобы атомы примеси создают тонкую пленку на поверхности кремния вафля.Молекулярно-лучевая эпитаксия это гораздо более точная форма осаждения.

Конечно, создание интегральных схем, содержащих сотни, миллионы, или миллиарды компонентов на кремниевом чипе размером с ноготь — это все немного сложнее и запутаннее, чем кажется. Представьте себе хаос даже пятнышко грязи может вызвать, когда вы работаете на микроскопический (а иногда даже наноскопический) шкала. Вот почему полупроводники производятся в безупречных лабораторных условиях, называемых чистых помещений , где воздух тщательно продувается фильтрованный и рабочие должны входить и выходить через шлюзы, надев всевозможные защитная одежда.

Как сделать микрочип — краткое описание

Хотя создание микросхемы очень сложно и сложно, на самом деле существует всего шесть отдельных шагов (некоторые из них повторяется более одного раза). Существенно упрощенный, вот как работает процесс:

1. Изготовление пластин: мы выращиваем кристаллы чистого кремния в длинные цилиндры и разрезаем их (как салями) на тонкие пластины, каждая из которых в конечном итоге будет разрезана на множество чипов.
2. Маскирование: мы нагреваем пластины, чтобы покрыть их диоксидом кремния, и используем ультрафиолетовый свет (синий), чтобы добавить твердый защитный слой, называемый фоторезистом.
3. Травление: мы используем химические вещества для удаления части фоторезиста, создавая своего рода шаблон, показывающий, где нам нужны области кремния n-типа и p-типа.
4. Легирование: Мы нагреваем протравленные пластины газами, содержащими примеси, для образования областей кремния n-типа и p-типа. Может последовать дополнительная маскировка и травление.
5. Тестирование: длинные металлические соединительные провода проходят от испытательной машины с компьютерным управлением до клемм на каждой микросхеме. Любые чипы, которые не работают, помечаются и отклоняются.
6. Упаковка: Все нормально работающие чипы вырезаны из пластины и упакованы в защитные куски пластика, готовые для использования в компьютерах и другом электронном оборудовании.

Кто изобрел интегральную схему?

Вы, наверное, читали в книгах, что ИС были разработаны совместно Джек Килби (1923–2005) и Роберт Нойс (1927–1990), как если бы эти двое мужчин с радостью сотрудничали в их гениальном изобретении! Фактически, Килби и Нойс придумал идею самостоятельно, более или менее точно так же время, вызвав яростную битву за права на изобретение, которое был совсем не счастлив.

Как два человека могли изобрести одно и то же в одно и то же время? Легкий: Идея интегральных схем ждала воплощения. К середине 1950-х гг. мир (и, в частности, военные) открыли потрясающий потенциал электронных компьютеров, и это ослепляюще для таких провидцев, как Килби и Нойс, было очевидно, что лучший способ сборки и подключения транзисторов в больших количества. Килби работал в Texas Instruments, когда наткнулся на идею он назвал принципом монолитности : пытаясь построить все различные части электронной схемы на кремниевом чипе.12 сентября 1958 года он вручную собрал первую в мире грубую интегральную схему. используя чип из германия (полупроводниковый элемент, подобный кремний) и Texas Instruments подали заявку на патент на идея в следующем году.

Между тем, в другой компании под названием Fairchild Semiconductor (образованной небольшая группа сотрудников, которые изначально работали над транзистором пионер Уильям Шокли) не менее блестящий Роберт Нойс экспериментировал с миниатюрой схемы его собственные.В 1959 году он использовал серию фотографических и химические методы, известные как планарный процесс (который только что был разработан коллегой Жаном Орни) создать первую практическую интегральную схему, метод, который Fairchild затем попытался патент.

Работа: Snap! Два великих инженера-электрика, Джек Килби и Роберт Нойс, пришли к этой идее почти в одно и то же время в 1959 году. Хотя Килби первым подал свой патент, патент Нойса был выдан раньше.Вот рисунки из их оригинальных патентных заявок. Вы можете видеть, что у нас, по сути, одна и та же идея с электронными компонентами, сформированными из переходов между слоями полупроводников p-типа (синий) и n-типа (красный). Соединения с областями p-типа и n-типа показаны оранжевым и желтым, а базовые слои (подложки) показаны зеленым. Картины любезно предоставлены Управлением по патентам и товарным знакам США с нашей собственной добавленной окраской, чтобы улучшить ясность и подчеркнуть сходство. Вы можете найти ссылки на сами патенты в приведенных ниже ссылках.

Между работой двух мужчин и Техасом было значительное совпадение. Инструменты и Fairchild боролись в судах большую часть 1960-х годов за то, кто действительно разработал интегральную схему. Наконец, в 1969 г. компании согласились поделиться идеей.

Килби и Нойс теперь по праву считаются соавторами возможно, самая важная и далеко идущая технология, разработанная в 20-м веке. век. Оба мужчины были введены в Национальный зал изобретателей Слава (Килби в 1982 году, Нойс в следующем году) и Килби прорыв был также отмечен присуждением половины доли в Нобелевская премия в Физика в 2000 году (как очень великодушно отметил Килби в своей благодарственной речи, Нойс, несомненно, разделил бы приз, если бы он не умер от сердечного приступа десятью годами ранее).

В то время как Килби помнят как блестящего ученого, наследие Нойса имеет большое значение. добавленное измерение. В 1968 году он стал соучредителем компании Intel Electronics. с Gordon Moore (1929–), который продолжил разработку микропроцессора (однокристальный компьютер) в 1974 г. С IBM, Microsoft, Apple и др. компаниям-новаторам, Intel приписывают помощь в создании доступные персональные компьютеры для дома и на рабочем месте. Спасибо Нойсу и Килби и блестящих инженеров, которые впоследствии основывались на своей работе, сейчас используется около двух миллиардов компьютеров. во всем мире многие из них встроены в мобильные телефоны, портативные устройства спутниковой навигации и другие электронные устройства.

Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

• Хотите узнать больше о пионерах? Посмотрите на эти страницы о Джек Килби, первоначально опубликовано на веб-сайте Texas Instruments или посетите музей Intel, чтобы узнать о Роберте Нойсе, Гордоне Муре и их коллегах. На обоих сайтах есть великолепная коллекция фотографии ранних интегральных схем.

Статьи

• Startup Graphcore берет верх над Nvidia с последней версией A.I. Чип Джереми Кана, Fortune, 15 июля 2020 г. Представлен транзисторный чип на 59 миллиардов долларов!
• Хорошее, плохое и странное: 3 направления закона Мура Сэмюэля К. Мура. IEEE Spectrum, 26 октября 2018 г. Взгляд на недавний технический прогресс в получении новой жизни из старого закона.
• Intel находит следующий шаг закона Мура при 10 нанометрах, автор Рэйчел Кортленд. IEEE Spectrum, 30 декабря 2016 г. Как новый завод по производству микросхем поможет Intel вдохнуть новую жизнь в закон Мура.
• Закон Мура «Закончилось место, технология ищет преемника» Джона Маркова.The New York Times, 4 мая 2016 г. Почему это имеет значение, если производители микросхем больше не могут следовать закону Мура?
• Закон Мура менее важен для технической индустрии? пользователя Quentin Hardy. Нью-Йорк Таймс. 25 июля 2014 г. Изменение рабочих привычек и появление облачных вычислений меняют ожидания людей от своих компьютеров, а это означает, что закон Мура, возможно, уже не так важен, как был.
• Замедляет ли конец закона Мура мировую гонку суперкомпьютеров? пользователя Роберт Макмиллан.Wired, 23 июня 2014 г. Суперкомпьютеры не работают быстрее, чем раньше. Может быть, закон Мура, наконец, подходит к концу?
• «25 микрочипов, потрясших мир» Брайана Санто. IEEE Spectrum, 1 мая 2009 г. Если вы думаете, что микросхема — это просто микросхема, подумайте еще раз. В этой статье перечислены два десятка классических микросхем, от схем таймера до флэш-памяти и синтезаторов речи до микропроцессоров, которые радикально изменили историю вычислений.

Книги

История

Технологии

Видео

• От песка к кремнию: Intel показывает вам процесс создания микрочипа, начиная с пустыни (с песка, который дает нам кремний) и заканчивая готовым чипом.Довольно изящное видео, но некоторые комментарии или объяснения не пропали бы даром: это видео действительно имеет смысл только в том случае, если вы уже знаете обо всех процессах, которые вам показывают.

Патенты

Один из лучших способов узнать об изобретениях — это прочитать, как сами изобретатели видели и представляли свои собственные идеи; патенты предлагают отличный способ сделать это. Для тех, кто хочет получить более подробную информацию, вот пара ключевых патентов Килби и Нойса, на которые стоит обратить внимание:

• Патент США 3,115,581: Миниатюрная полупроводниковая интегральная схема от Джека С.Kilby, Texas Instruments, подана 6 мая 1959 г. и опубликована 24 декабря 1963 г. Описывает основную идею создания интегральных схем «с использованием только одного материала для всех элементов схемы и ограниченного числа совместимых этапов процесса для их производства».
• Патент США 2 981877: Полупроводниковое устройство и выводная структура Роберта Н. Нойса, Fairchild Semiconductor, поданный 30 июля 1959 г. и выданный 25 апреля 1961 г. Хотя Нойс подал заявку на это изобретение через два месяца после Килби, патент Нойса был предоставлен более чем через два месяца. годами ранее, что способствовало ожесточенной битве между Texas Instruments и Fairchild за то, кто именно изобрел интегральную схему.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом друзьям с помощью:

Медиа-запросы?

Вы журналист, у вас есть вопрос для СМИ или просьба об интервью? Вы можете связаться со мной для получения помощи здесь.

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2009/2020) Интегральные схемы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/integratedcircuits.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работают интегральные схемы?

Как работают интегральные схемы? — Объясни это Рекламное объявление

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 28 июня 2021 г.

Вы когда-нибудь слышали о компьютере 1940-х годов? называется ENIAC? Он был примерно такой же длины и веса, как три-четыре двухэтажных автобуса. содержал 18 000 гудящих электронных переключателей, известных как вакуумные лампы. Несмотря на свои гигантские размеры, это были тысячи в разы менее мощный, чем современный ноутбук — машина примерно в 100 раз меньше.

Если история вычислительной техники звучит как волшебный трюк — выжать все больше и больше мощности во все меньшее и меньшее пространство — это так! Что сделало это возможно было изобретение интегрированного схема (IC) в 1958 г.Это отличный способ набить сотни, тысячи, миллионы или даже миллиарды электронных компонентов на крошечные чипы кремния нет больше ногтя. Давайте подробнее рассмотрим микросхемы и то, как они работают!

Фото: Интегральная схема снаружи. Он поставляется в удобной форме, называемой двухрядным корпусом (DIP), который состоит из черного пластика или керамический внешний корпус с металлическими штырями по бокам для подключения к электронной плате большего размера (коричневая деталь, которую вы видите на заднем плане).Фактическая схема, которая выполняет эту работу, представляет собой крошечный чип, встроенный в DIP; вы можете увидеть, как он подключен к внешним контактам DIP на следующей фотографии.

Что такое интегральная схема?

Откройте телевизор или радио, и вы увидите, что оно построено вокруг печатная плата (PCB) : немного похоже на электрическую карту улиц с маленький электронный компоненты (например, резисторы и конденсаторы) на месте здания и печатные медные соединения связывая их вместе как миниатюрные металлические улочки.Печатные платы хороши в небольших таких приборов, но если вы попытаетесь использовать ту же технику для построить сложную электронную машину, например компьютер, вы быстро врезался в препятствие. Даже самому простому компьютеру нужно восемь электронных переключает на хранение одного байта (символа) информации. Итак, если вы хотите построить компьютер с достаточным объемом памяти для хранения этого абзаца, вы смотрите примерно 750 символов, умноженных на 8 или около того 6000 переключателей — за один абзац! Если вы любите переключатели, как в ENIAC — электронные лампы размером взрослый палец — скоро вы получите колоссально большой, энергоемкая машина, которой нужно собственное мини-электричество завод, чтобы он работал.

Фото: «Электрическая карта улиц»: Интегральная схема (справа) на печатной плате (PCB) с различными обычными электронными компонентами.

Когда в 1947 году три американских физика изобрели транзисторы, несколько улучшилось. Транзисторы были размером с электронные лампы и реле. (электромагнитные переключатели, которые начали заменять электронные лампы в середина 1940-х годов), потребляли гораздо меньше энергии и были гораздо более надежными. Но все еще оставалась проблема соединить все эти транзисторы вместе в сложных схемах.Даже после того, как были изобретены транзисторы, компьютеры по-прежнему представляли собой спутанную массу проводов.

Фото: Интегральные схемы вставляются в печатные платы (ПП), как зеленая, которую вы видите здесь. Обратите внимание на тонкие дорожки, соединяющие «ножки» (клеммы) двух разных микросхем. Другие дорожки связывают ИС с обычными электронными компонентами, такими как резисторы и конденсаторы. Вы можете думать о дорожках как о «улицах», прокладывающих пути между «зданиями», где делаются полезные вещи (сами компоненты).Также существует миниатюрная версия печатной платы внутри интегральной схемы: дорожки создаются в микроскопической форме на поверхности кремниевой пластины.

Интегральные схемы все изменили. Основная идея заключалась в том, чтобы взять полная схема со всеми ее многочисленными компонентами и связями между их, и воссоздать все это в микроскопически крошечной форме на поверхности кусок кремния. Это была удивительно умная идея, и она реализована возможные всевозможные «микроэлектронные» гаджеты, которые мы сейчас принимаем за предоставлено, от цифровых часов и карманные калькуляторы на Луну ракеты и ракеты со встроенной спутниковой навигацией.

Фото: Интегральная схема изнутри. Если бы вы могли снять крышку с типичного микрочипа, такого как тот, что на верхнем фото (а это не очень легко — поверьте, я пробовал!), Вы бы нашли внутри именно это. Интегральная схема — это крошечный квадрат в центре. От него выходят соединения к клеммам (металлическим штырям или ножкам) по краю. Когда вы подключаете что-либо к одной из этих клемм, вы фактически подключаетесь к самой цепи. Вы можете увидеть рисунок электронных компонентов на поверхности самого чипа.Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Закон Мура

Интегральные схемы произвели революцию в электронике и вычислительной технике в 1960-х и 1970-х годах. Первый, инженеры помещали десятки компонентов на микросхему в так называемой маломасштабной интеграции (SSI). Вскоре последовала Medium-Scale Integration (MSI) с сотнями компонентов в области такого же размера. Как и ожидалось, примерно в 1970 году крупномасштабная интеграция (БИС) принесла тысячи компонентов, очень крупномасштабная интеграция (СБИС). дали нам десятки тысяч и миллионы сверхбольших масштабов (ULSI) — и все на микросхемах не больше, чем они был раньше.В 1965 году Гордон Мур из компании Intel, ведущего производителя микросхем, заметил, что количество компонентов на микросхеме удваивалась примерно каждые один-два года. Закон Мура , как он известен, продолжает действовать с тех пор. В интервью The New York Times 50 лет спустя, в 2015 году, Мур выразил свое удивление по поводу того, что закон продолжает оставаться в силе: «Первоначальное предсказание заключалось в том, чтобы смотреть на 10 лет, что, по моему мнению, было большой натяжкой. Это исходило примерно из 60 элементов. на интегральной схеме до 60 000 — тысячекратная экстраполяция за 10 лет.Я думал, что это было довольно дико. То, что нечто подобное происходит уже 50 лет, поистине удивительно ».

Диаграмма: Закон Мура: количество транзисторов, упакованных в микрочипы, примерно удваивается каждый год или два за последние пять десятилетий — другими словами, оно растет в геометрической прогрессии. Если вы построите график количества транзисторов (ось y) в зависимости от года выпуска (ось x) для некоторых распространенных микрочипов за последние несколько десятилетий (желтые звезды), вы получите экспоненциальную кривую; вместо этого построив логарифм, вы получите прямую линию.Обратите внимание, что вертикальная ось (y) на этой диаграмме является логарифмической. и (из-за программного обеспечения для построения графиков OpenOffice, которое я использовал) горизонтальная ось (x) является лишь неопределенно линейной. Источник: построено с использованием данных Transistor Count, Wikipedia, сверено с данными из других источников.

Рекламные ссылки

Как изготавливаются интегральные схемы?

Как сделать что-то вроде микросхемы памяти или процессора для компьютера? Все начинается с необработанного химического элемента, такого как кремний, который подвергается химической обработке или легированию для придания ему различных электрических свойств…

Легирование полупроводников

Фото: кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Если вы читали наши статьи о диодах и транзисторы, ты будешь знаком с идеей полупроводников . Традиционно люди думали, что материалы можно разделить на две аккуратные категории: которые позволяют электричеству течь через их довольно легко (проводники) и те, что нет (изоляторы). Металлы составляют большую часть проводников, а неметаллы, такие как пластик, дерево и стекло изоляторы.На самом деле все гораздо сложнее, особенно когда речь идет об определенных элементы в середине периодической таблицы (в группах 14 и 15), особенно кремний и германий. Обычно изоляторы, эти элементы могут быть заставить вести себя больше как проводники, если мы добавим небольшое количество примеси к ним в процессе, известном как легирование . Если вы добавите сурьму в кремний, вы дадите ему немного больше электронов, чем он. обычно имеет — и способность проводить электричество. Кремний «легированный» таким образом называется n-типа .Добавляем бор вместо сурьмы и вы удаляете часть электронов кремния, оставляя после себя «дырки» которые работают как «отрицательные электроны», неся положительный электрический ток в обратном порядке. Такой кремний называется p-type . Помещение областей кремния n-типа и p-типа рядом друг с другом создает переходы, в которых электроны ведут себя очень интересным образом — и это как мы создаем электронные компоненты на основе полупроводников, такие как диоды, транзисторы и воспоминания.

Внутри завода по производству микросхем

Фото: Интегральные схемы производятся в безупречно чистых условиях; Рабочие должны носить вот такие «костюмы для кроликов», чтобы они не загрязняли чипы, которые они производят.Это завод Intel по производству пластин в Чандлере, Аризона, США. Фото любезно предоставлено архивом Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

Процесс создания интегральной схемы начинается с большого монокристалл кремния, имеющий форму длинной сплошной трубки, которая «нарезана салями» на тонкие диски (про габариты компакт-диска) вафли называются . Пластины разделены на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых из которых будет составлять один кремниевый чип (иногда называемый микрочип).Тогда тысячи, миллионы или миллиарды компонентов создается на каждом чипе путем легирования различных участков поверхности, чтобы превратить их в Кремний n-типа или p-типа. Допинг осуществляется множеством разных процессы. В одном из них, известном как напыление , ионы легирующего материала стреляют по кремниевой пластине, как пули из пистолет. Другой процесс называется осаждение из паровой фазы включает введение легирующего материала в виде газа и его конденсацию, чтобы атомы примеси создают тонкую пленку на поверхности кремния вафля.Молекулярно-лучевая эпитаксия это гораздо более точная форма осаждения.

Конечно, создание интегральных схем, содержащих сотни, миллионы, или миллиарды компонентов на кремниевом чипе размером с ноготь — это все немного сложнее и запутаннее, чем кажется. Представьте себе хаос даже пятнышко грязи может вызвать, когда вы работаете на микроскопический (а иногда даже наноскопический) шкала. Вот почему полупроводники производятся в безупречных лабораторных условиях, называемых чистых помещений , где воздух тщательно продувается фильтрованный и рабочие должны входить и выходить через шлюзы, надев всевозможные защитная одежда.

Как сделать микрочип — краткое описание

Хотя создание микросхемы очень сложно и сложно, на самом деле существует всего шесть отдельных шагов (некоторые из них повторяется более одного раза). Существенно упрощенный, вот как работает процесс:

1. Изготовление пластин: мы выращиваем кристаллы чистого кремния в длинные цилиндры и разрезаем их (как салями) на тонкие пластины, каждая из которых в конечном итоге будет разрезана на множество чипов.
2. Маскирование: мы нагреваем пластины, чтобы покрыть их диоксидом кремния, и используем ультрафиолетовый свет (синий), чтобы добавить твердый защитный слой, называемый фоторезистом.
3. Травление: мы используем химические вещества для удаления части фоторезиста, создавая своего рода шаблон, показывающий, где нам нужны области кремния n-типа и p-типа.
4. Легирование: Мы нагреваем протравленные пластины газами, содержащими примеси, для образования областей кремния n-типа и p-типа. Может последовать дополнительная маскировка и травление.
5. Тестирование: длинные металлические соединительные провода проходят от испытательной машины с компьютерным управлением до клемм на каждой микросхеме. Любые чипы, которые не работают, помечаются и отклоняются.
6. Упаковка: Все нормально работающие чипы вырезаны из пластины и упакованы в защитные куски пластика, готовые для использования в компьютерах и другом электронном оборудовании.

Кто изобрел интегральную схему?

Вы, наверное, читали в книгах, что ИС были разработаны совместно Джек Килби (1923–2005) и Роберт Нойс (1927–1990), как если бы эти двое мужчин с радостью сотрудничали в их гениальном изобретении! Фактически, Килби и Нойс придумал идею самостоятельно, более или менее точно так же время, вызвав яростную битву за права на изобретение, которое был совсем не счастлив.

Как два человека могли изобрести одно и то же в одно и то же время? Легкий: Идея интегральных схем ждала воплощения. К середине 1950-х гг. мир (и, в частности, военные) открыли потрясающий потенциал электронных компьютеров, и это ослепляюще для таких провидцев, как Килби и Нойс, было очевидно, что лучший способ сборки и подключения транзисторов в больших количества. Килби работал в Texas Instruments, когда наткнулся на идею он назвал принципом монолитности : пытаясь построить все различные части электронной схемы на кремниевом чипе.12 сентября 1958 года он вручную собрал первую в мире грубую интегральную схему. используя чип из германия (полупроводниковый элемент, подобный кремний) и Texas Instruments подали заявку на патент на идея в следующем году.

Между тем, в другой компании под названием Fairchild Semiconductor (образованной небольшая группа сотрудников, которые изначально работали над транзистором пионер Уильям Шокли) не менее блестящий Роберт Нойс экспериментировал с миниатюрой схемы его собственные.В 1959 году он использовал серию фотографических и химические методы, известные как планарный процесс (который только что был разработан коллегой Жаном Орни) создать первую практическую интегральную схему, метод, который Fairchild затем попытался патент.

Работа: Snap! Два великих инженера-электрика, Джек Килби и Роберт Нойс, пришли к этой идее почти в одно и то же время в 1959 году. Хотя Килби первым подал свой патент, патент Нойса был выдан раньше.Вот рисунки из их оригинальных патентных заявок. Вы можете видеть, что у нас, по сути, одна и та же идея с электронными компонентами, сформированными из переходов между слоями полупроводников p-типа (синий) и n-типа (красный). Соединения с областями p-типа и n-типа показаны оранжевым и желтым, а базовые слои (подложки) показаны зеленым. Картины любезно предоставлены Управлением по патентам и товарным знакам США с нашей собственной добавленной окраской, чтобы улучшить ясность и подчеркнуть сходство. Вы можете найти ссылки на сами патенты в приведенных ниже ссылках.

Между работой двух мужчин и Техасом было значительное совпадение. Инструменты и Fairchild боролись в судах большую часть 1960-х годов за то, кто действительно разработал интегральную схему. Наконец, в 1969 г. компании согласились поделиться идеей.

Килби и Нойс теперь по праву считаются соавторами возможно, самая важная и далеко идущая технология, разработанная в 20-м веке. век. Оба мужчины были введены в Национальный зал изобретателей Слава (Килби в 1982 году, Нойс в следующем году) и Килби прорыв был также отмечен присуждением половины доли в Нобелевская премия в Физика в 2000 году (как очень великодушно отметил Килби в своей благодарственной речи, Нойс, несомненно, разделил бы приз, если бы он не умер от сердечного приступа десятью годами ранее).

В то время как Килби помнят как блестящего ученого, наследие Нойса имеет большое значение. добавленное измерение. В 1968 году он стал соучредителем компании Intel Electronics. с Gordon Moore (1929–), который продолжил разработку микропроцессора (однокристальный компьютер) в 1974 г. С IBM, Microsoft, Apple и др. компаниям-новаторам, Intel приписывают помощь в создании доступные персональные компьютеры для дома и на рабочем месте. Спасибо Нойсу и Килби и блестящих инженеров, которые впоследствии основывались на своей работе, сейчас используется около двух миллиардов компьютеров. во всем мире многие из них встроены в мобильные телефоны, портативные устройства спутниковой навигации и другие электронные устройства.

Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

• Хотите узнать больше о пионерах? Посмотрите на эти страницы о Джек Килби, первоначально опубликовано на веб-сайте Texas Instruments или посетите музей Intel, чтобы узнать о Роберте Нойсе, Гордоне Муре и их коллегах. На обоих сайтах есть великолепная коллекция фотографии ранних интегральных схем.

Статьи

• Startup Graphcore берет верх над Nvidia с последней версией A.I. Чип Джереми Кана, Fortune, 15 июля 2020 г. Представлен транзисторный чип на 59 миллиардов долларов!
• Хорошее, плохое и странное: 3 направления закона Мура Сэмюэля К. Мура. IEEE Spectrum, 26 октября 2018 г. Взгляд на недавний технический прогресс в получении новой жизни из старого закона.
• Intel находит следующий шаг закона Мура при 10 нанометрах, автор Рэйчел Кортленд. IEEE Spectrum, 30 декабря 2016 г. Как новый завод по производству микросхем поможет Intel вдохнуть новую жизнь в закон Мура.
• Закон Мура «Закончилось место, технология ищет преемника» Джона Маркова.The New York Times, 4 мая 2016 г. Почему это имеет значение, если производители микросхем больше не могут следовать закону Мура?
• Закон Мура менее важен для технической индустрии? пользователя Quentin Hardy. Нью-Йорк Таймс. 25 июля 2014 г. Изменение рабочих привычек и появление облачных вычислений меняют ожидания людей от своих компьютеров, а это означает, что закон Мура, возможно, уже не так важен, как был.
• Замедляет ли конец закона Мура мировую гонку суперкомпьютеров? пользователя Роберт Макмиллан.Wired, 23 июня 2014 г. Суперкомпьютеры не работают быстрее, чем раньше. Может быть, закон Мура, наконец, подходит к концу?
• «25 микрочипов, потрясших мир» Брайана Санто. IEEE Spectrum, 1 мая 2009 г. Если вы думаете, что микросхема — это просто микросхема, подумайте еще раз. В этой статье перечислены два десятка классических микросхем, от схем таймера до флэш-памяти и синтезаторов речи до микропроцессоров, которые радикально изменили историю вычислений.

Книги

История

Технологии

Видео

• От песка к кремнию: Intel показывает вам процесс создания микрочипа, начиная с пустыни (с песка, который дает нам кремний) и заканчивая готовым чипом.Довольно изящное видео, но некоторые комментарии или объяснения не пропали бы даром: это видео действительно имеет смысл только в том случае, если вы уже знаете обо всех процессах, которые вам показывают.

Патенты

Один из лучших способов узнать об изобретениях — это прочитать, как сами изобретатели видели и представляли свои собственные идеи; патенты предлагают отличный способ сделать это. Для тех, кто хочет получить более подробную информацию, вот пара ключевых патентов Килби и Нойса, на которые стоит обратить внимание:

• Патент США 3,115,581: Миниатюрная полупроводниковая интегральная схема от Джека С.Kilby, Texas Instruments, подана 6 мая 1959 г. и опубликована 24 декабря 1963 г. Описывает основную идею создания интегральных схем «с использованием только одного материала для всех элементов схемы и ограниченного числа совместимых этапов процесса для их производства».
• Патент США 2 981877: Полупроводниковое устройство и выводная структура Роберта Н. Нойса, Fairchild Semiconductor, поданный 30 июля 1959 г. и выданный 25 апреля 1961 г. Хотя Нойс подал заявку на это изобретение через два месяца после Килби, патент Нойса был предоставлен более чем через два месяца. годами ранее, что способствовало ожесточенной битве между Texas Instruments и Fairchild за то, кто именно изобрел интегральную схему.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом друзьям с помощью:

Медиа-запросы?

Вы журналист, у вас есть вопрос для СМИ или просьба об интервью? Вы можете связаться со мной для получения помощи здесь.

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2009/2020) Интегральные схемы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/integratedcircuits.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работают интегральные схемы?

Как работают интегральные схемы? — Объясни это Рекламное объявление

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 28 июня 2021 г.

Вы когда-нибудь слышали о компьютере 1940-х годов? называется ENIAC? Он был примерно такой же длины и веса, как три-четыре двухэтажных автобуса. содержал 18 000 гудящих электронных переключателей, известных как вакуумные лампы. Несмотря на свои гигантские размеры, это были тысячи в разы менее мощный, чем современный ноутбук — машина примерно в 100 раз меньше.

Если история вычислительной техники звучит как волшебный трюк — выжать все больше и больше мощности во все меньшее и меньшее пространство — это так! Что сделало это возможно было изобретение интегрированного схема (IC) в 1958 г.Это отличный способ набить сотни, тысячи, миллионы или даже миллиарды электронных компонентов на крошечные чипы кремния нет больше ногтя. Давайте подробнее рассмотрим микросхемы и то, как они работают!

Фото: Интегральная схема снаружи. Он поставляется в удобной форме, называемой двухрядным корпусом (DIP), который состоит из черного пластика или керамический внешний корпус с металлическими штырями по бокам для подключения к электронной плате большего размера (коричневая деталь, которую вы видите на заднем плане).Фактическая схема, которая выполняет эту работу, представляет собой крошечный чип, встроенный в DIP; вы можете увидеть, как он подключен к внешним контактам DIP на следующей фотографии.

Что такое интегральная схема?

Откройте телевизор или радио, и вы увидите, что оно построено вокруг печатная плата (PCB) : немного похоже на электрическую карту улиц с маленький электронный компоненты (например, резисторы и конденсаторы) на месте здания и печатные медные соединения связывая их вместе как миниатюрные металлические улочки.Печатные платы хороши в небольших таких приборов, но если вы попытаетесь использовать ту же технику для построить сложную электронную машину, например компьютер, вы быстро врезался в препятствие. Даже самому простому компьютеру нужно восемь электронных переключает на хранение одного байта (символа) информации. Итак, если вы хотите построить компьютер с достаточным объемом памяти для хранения этого абзаца, вы смотрите примерно 750 символов, умноженных на 8 или около того 6000 переключателей — за один абзац! Если вы любите переключатели, как в ENIAC — электронные лампы размером взрослый палец — скоро вы получите колоссально большой, энергоемкая машина, которой нужно собственное мини-электричество завод, чтобы он работал.

Фото: «Электрическая карта улиц»: Интегральная схема (справа) на печатной плате (PCB) с различными обычными электронными компонентами.

Когда в 1947 году три американских физика изобрели транзисторы, несколько улучшилось. Транзисторы были размером с электронные лампы и реле. (электромагнитные переключатели, которые начали заменять электронные лампы в середина 1940-х годов), потребляли гораздо меньше энергии и были гораздо более надежными. Но все еще оставалась проблема соединить все эти транзисторы вместе в сложных схемах.Даже после того, как были изобретены транзисторы, компьютеры по-прежнему представляли собой спутанную массу проводов.

Фото: Интегральные схемы вставляются в печатные платы (ПП), как зеленая, которую вы видите здесь. Обратите внимание на тонкие дорожки, соединяющие «ножки» (клеммы) двух разных микросхем. Другие дорожки связывают ИС с обычными электронными компонентами, такими как резисторы и конденсаторы. Вы можете думать о дорожках как о «улицах», прокладывающих пути между «зданиями», где делаются полезные вещи (сами компоненты).Также существует миниатюрная версия печатной платы внутри интегральной схемы: дорожки создаются в микроскопической форме на поверхности кремниевой пластины.

Интегральные схемы все изменили. Основная идея заключалась в том, чтобы взять полная схема со всеми ее многочисленными компонентами и связями между их, и воссоздать все это в микроскопически крошечной форме на поверхности кусок кремния. Это была удивительно умная идея, и она реализована возможные всевозможные «микроэлектронные» гаджеты, которые мы сейчас принимаем за предоставлено, от цифровых часов и карманные калькуляторы на Луну ракеты и ракеты со встроенной спутниковой навигацией.

Фото: Интегральная схема изнутри. Если бы вы могли снять крышку с типичного микрочипа, такого как тот, что на верхнем фото (а это не очень легко — поверьте, я пробовал!), Вы бы нашли внутри именно это. Интегральная схема — это крошечный квадрат в центре. От него выходят соединения к клеммам (металлическим штырям или ножкам) по краю. Когда вы подключаете что-либо к одной из этих клемм, вы фактически подключаетесь к самой цепи. Вы можете увидеть рисунок электронных компонентов на поверхности самого чипа.Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Закон Мура

Интегральные схемы произвели революцию в электронике и вычислительной технике в 1960-х и 1970-х годах. Первый, инженеры помещали десятки компонентов на микросхему в так называемой маломасштабной интеграции (SSI). Вскоре последовала Medium-Scale Integration (MSI) с сотнями компонентов в области такого же размера. Как и ожидалось, примерно в 1970 году крупномасштабная интеграция (БИС) принесла тысячи компонентов, очень крупномасштабная интеграция (СБИС). дали нам десятки тысяч и миллионы сверхбольших масштабов (ULSI) — и все на микросхемах не больше, чем они был раньше.В 1965 году Гордон Мур из компании Intel, ведущего производителя микросхем, заметил, что количество компонентов на микросхеме удваивалась примерно каждые один-два года. Закон Мура , как он известен, продолжает действовать с тех пор. В интервью The New York Times 50 лет спустя, в 2015 году, Мур выразил свое удивление по поводу того, что закон продолжает оставаться в силе: «Первоначальное предсказание заключалось в том, чтобы смотреть на 10 лет, что, по моему мнению, было большой натяжкой. Это исходило примерно из 60 элементов. на интегральной схеме до 60 000 — тысячекратная экстраполяция за 10 лет.Я думал, что это было довольно дико. То, что нечто подобное происходит уже 50 лет, поистине удивительно ».

Диаграмма: Закон Мура: количество транзисторов, упакованных в микрочипы, примерно удваивается каждый год или два за последние пять десятилетий — другими словами, оно растет в геометрической прогрессии. Если вы построите график количества транзисторов (ось y) в зависимости от года выпуска (ось x) для некоторых распространенных микрочипов за последние несколько десятилетий (желтые звезды), вы получите экспоненциальную кривую; вместо этого построив логарифм, вы получите прямую линию.Обратите внимание, что вертикальная ось (y) на этой диаграмме является логарифмической. и (из-за программного обеспечения для построения графиков OpenOffice, которое я использовал) горизонтальная ось (x) является лишь неопределенно линейной. Источник: построено с использованием данных Transistor Count, Wikipedia, сверено с данными из других источников.

Рекламные ссылки

Как изготавливаются интегральные схемы?

Как сделать что-то вроде микросхемы памяти или процессора для компьютера? Все начинается с необработанного химического элемента, такого как кремний, который подвергается химической обработке или легированию для придания ему различных электрических свойств…

Легирование полупроводников

Фото: кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Если вы читали наши статьи о диодах и транзисторы, ты будешь знаком с идеей полупроводников . Традиционно люди думали, что материалы можно разделить на две аккуратные категории: которые позволяют электричеству течь через их довольно легко (проводники) и те, что нет (изоляторы). Металлы составляют большую часть проводников, а неметаллы, такие как пластик, дерево и стекло изоляторы.На самом деле все гораздо сложнее, особенно когда речь идет об определенных элементы в середине периодической таблицы (в группах 14 и 15), особенно кремний и германий. Обычно изоляторы, эти элементы могут быть заставить вести себя больше как проводники, если мы добавим небольшое количество примеси к ним в процессе, известном как легирование . Если вы добавите сурьму в кремний, вы дадите ему немного больше электронов, чем он. обычно имеет — и способность проводить электричество. Кремний «легированный» таким образом называется n-типа .Добавляем бор вместо сурьмы и вы удаляете часть электронов кремния, оставляя после себя «дырки» которые работают как «отрицательные электроны», неся положительный электрический ток в обратном порядке. Такой кремний называется p-type . Помещение областей кремния n-типа и p-типа рядом друг с другом создает переходы, в которых электроны ведут себя очень интересным образом — и это как мы создаем электронные компоненты на основе полупроводников, такие как диоды, транзисторы и воспоминания.

Внутри завода по производству микросхем

Фото: Интегральные схемы производятся в безупречно чистых условиях; Рабочие должны носить вот такие «костюмы для кроликов», чтобы они не загрязняли чипы, которые они производят.Это завод Intel по производству пластин в Чандлере, Аризона, США. Фото любезно предоставлено архивом Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

Процесс создания интегральной схемы начинается с большого монокристалл кремния, имеющий форму длинной сплошной трубки, которая «нарезана салями» на тонкие диски (про габариты компакт-диска) вафли называются . Пластины разделены на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых из которых будет составлять один кремниевый чип (иногда называемый микрочип).Тогда тысячи, миллионы или миллиарды компонентов создается на каждом чипе путем легирования различных участков поверхности, чтобы превратить их в Кремний n-типа или p-типа. Допинг осуществляется множеством разных процессы. В одном из них, известном как напыление , ионы легирующего материала стреляют по кремниевой пластине, как пули из пистолет. Другой процесс называется осаждение из паровой фазы включает введение легирующего материала в виде газа и его конденсацию, чтобы атомы примеси создают тонкую пленку на поверхности кремния вафля.Молекулярно-лучевая эпитаксия это гораздо более точная форма осаждения.

Конечно, создание интегральных схем, содержащих сотни, миллионы, или миллиарды компонентов на кремниевом чипе размером с ноготь — это все немного сложнее и запутаннее, чем кажется. Представьте себе хаос даже пятнышко грязи может вызвать, когда вы работаете на микроскопический (а иногда даже наноскопический) шкала. Вот почему полупроводники производятся в безупречных лабораторных условиях, называемых чистых помещений , где воздух тщательно продувается фильтрованный и рабочие должны входить и выходить через шлюзы, надев всевозможные защитная одежда.

Как сделать микрочип — краткое описание

Хотя создание микросхемы очень сложно и сложно, на самом деле существует всего шесть отдельных шагов (некоторые из них повторяется более одного раза). Существенно упрощенный, вот как работает процесс:

1. Изготовление пластин: мы выращиваем кристаллы чистого кремния в длинные цилиндры и разрезаем их (как салями) на тонкие пластины, каждая из которых в конечном итоге будет разрезана на множество чипов.
2. Маскирование: мы нагреваем пластины, чтобы покрыть их диоксидом кремния, и используем ультрафиолетовый свет (синий), чтобы добавить твердый защитный слой, называемый фоторезистом.
3. Травление: мы используем химические вещества для удаления части фоторезиста, создавая своего рода шаблон, показывающий, где нам нужны области кремния n-типа и p-типа.
4. Легирование: Мы нагреваем протравленные пластины газами, содержащими примеси, для образования областей кремния n-типа и p-типа. Может последовать дополнительная маскировка и травление.
5. Тестирование: длинные металлические соединительные провода проходят от испытательной машины с компьютерным управлением до клемм на каждой микросхеме. Любые чипы, которые не работают, помечаются и отклоняются.
6. Упаковка: Все нормально работающие чипы вырезаны из пластины и упакованы в защитные куски пластика, готовые для использования в компьютерах и другом электронном оборудовании.

Кто изобрел интегральную схему?

Вы, наверное, читали в книгах, что ИС были разработаны совместно Джек Килби (1923–2005) и Роберт Нойс (1927–1990), как если бы эти двое мужчин с радостью сотрудничали в их гениальном изобретении! Фактически, Килби и Нойс придумал идею самостоятельно, более или менее точно так же время, вызвав яростную битву за права на изобретение, которое был совсем не счастлив.

Как два человека могли изобрести одно и то же в одно и то же время? Легкий: Идея интегральных схем ждала воплощения. К середине 1950-х гг. мир (и, в частности, военные) открыли потрясающий потенциал электронных компьютеров, и это ослепляюще для таких провидцев, как Килби и Нойс, было очевидно, что лучший способ сборки и подключения транзисторов в больших количества. Килби работал в Texas Instruments, когда наткнулся на идею он назвал принципом монолитности : пытаясь построить все различные части электронной схемы на кремниевом чипе.12 сентября 1958 года он вручную собрал первую в мире грубую интегральную схему. используя чип из германия (полупроводниковый элемент, подобный кремний) и Texas Instruments подали заявку на патент на идея в следующем году.

Между тем, в другой компании под названием Fairchild Semiconductor (образованной небольшая группа сотрудников, которые изначально работали над транзистором пионер Уильям Шокли) не менее блестящий Роберт Нойс экспериментировал с миниатюрой схемы его собственные.В 1959 году он использовал серию фотографических и химические методы, известные как планарный процесс (который только что был разработан коллегой Жаном Орни) создать первую практическую интегральную схему, метод, который Fairchild затем попытался патент.

Работа: Snap! Два великих инженера-электрика, Джек Килби и Роберт Нойс, пришли к этой идее почти в одно и то же время в 1959 году. Хотя Килби первым подал свой патент, патент Нойса был выдан раньше.Вот рисунки из их оригинальных патентных заявок. Вы можете видеть, что у нас, по сути, одна и та же идея с электронными компонентами, сформированными из переходов между слоями полупроводников p-типа (синий) и n-типа (красный). Соединения с областями p-типа и n-типа показаны оранжевым и желтым, а базовые слои (подложки) показаны зеленым. Картины любезно предоставлены Управлением по патентам и товарным знакам США с нашей собственной добавленной окраской, чтобы улучшить ясность и подчеркнуть сходство. Вы можете найти ссылки на сами патенты в приведенных ниже ссылках.

Между работой двух мужчин и Техасом было значительное совпадение. Инструменты и Fairchild боролись в судах большую часть 1960-х годов за то, кто действительно разработал интегральную схему. Наконец, в 1969 г. компании согласились поделиться идеей.

Килби и Нойс теперь по праву считаются соавторами возможно, самая важная и далеко идущая технология, разработанная в 20-м веке. век. Оба мужчины были введены в Национальный зал изобретателей Слава (Килби в 1982 году, Нойс в следующем году) и Килби прорыв был также отмечен присуждением половины доли в Нобелевская премия в Физика в 2000 году (как очень великодушно отметил Килби в своей благодарственной речи, Нойс, несомненно, разделил бы приз, если бы он не умер от сердечного приступа десятью годами ранее).

В то время как Килби помнят как блестящего ученого, наследие Нойса имеет большое значение. добавленное измерение. В 1968 году он стал соучредителем компании Intel Electronics. с Gordon Moore (1929–), который продолжил разработку микропроцессора (однокристальный компьютер) в 1974 г. С IBM, Microsoft, Apple и др. компаниям-новаторам, Intel приписывают помощь в создании доступные персональные компьютеры для дома и на рабочем месте. Спасибо Нойсу и Килби и блестящих инженеров, которые впоследствии основывались на своей работе, сейчас используется около двух миллиардов компьютеров. во всем мире многие из них встроены в мобильные телефоны, портативные устройства спутниковой навигации и другие электронные устройства.

Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

• Хотите узнать больше о пионерах? Посмотрите на эти страницы о Джек Килби, первоначально опубликовано на веб-сайте Texas Instruments или посетите музей Intel, чтобы узнать о Роберте Нойсе, Гордоне Муре и их коллегах. На обоих сайтах есть великолепная коллекция фотографии ранних интегральных схем.

Статьи

• Startup Graphcore берет верх над Nvidia с последней версией A.I. Чип Джереми Кана, Fortune, 15 июля 2020 г. Представлен транзисторный чип на 59 миллиардов долларов!
• Хорошее, плохое и странное: 3 направления закона Мура Сэмюэля К. Мура. IEEE Spectrum, 26 октября 2018 г. Взгляд на недавний технический прогресс в получении новой жизни из старого закона.
• Intel находит следующий шаг закона Мура при 10 нанометрах, автор Рэйчел Кортленд. IEEE Spectrum, 30 декабря 2016 г. Как новый завод по производству микросхем поможет Intel вдохнуть новую жизнь в закон Мура.
• Закон Мура «Закончилось место, технология ищет преемника» Джона Маркова.The New York Times, 4 мая 2016 г. Почему это имеет значение, если производители микросхем больше не могут следовать закону Мура?
• Закон Мура менее важен для технической индустрии? пользователя Quentin Hardy. Нью-Йорк Таймс. 25 июля 2014 г. Изменение рабочих привычек и появление облачных вычислений меняют ожидания людей от своих компьютеров, а это означает, что закон Мура, возможно, уже не так важен, как был.
• Замедляет ли конец закона Мура мировую гонку суперкомпьютеров? пользователя Роберт Макмиллан.Wired, 23 июня 2014 г. Суперкомпьютеры не работают быстрее, чем раньше. Может быть, закон Мура, наконец, подходит к концу?
• «25 микрочипов, потрясших мир» Брайана Санто. IEEE Spectrum, 1 мая 2009 г. Если вы думаете, что микросхема — это просто микросхема, подумайте еще раз. В этой статье перечислены два десятка классических микросхем, от схем таймера до флэш-памяти и синтезаторов речи до микропроцессоров, которые радикально изменили историю вычислений.

Книги

История

Технологии

Видео

• От песка к кремнию: Intel показывает вам процесс создания микрочипа, начиная с пустыни (с песка, который дает нам кремний) и заканчивая готовым чипом.Довольно изящное видео, но некоторые комментарии или объяснения не пропали бы даром: это видео действительно имеет смысл только в том случае, если вы уже знаете обо всех процессах, которые вам показывают.

Патенты

Один из лучших способов узнать об изобретениях — это прочитать, как сами изобретатели видели и представляли свои собственные идеи; патенты предлагают отличный способ сделать это. Для тех, кто хочет получить более подробную информацию, вот пара ключевых патентов Килби и Нойса, на которые стоит обратить внимание:

• Патент США 3,115,581: Миниатюрная полупроводниковая интегральная схема от Джека С.Kilby, Texas Instruments, подана 6 мая 1959 г. и опубликована 24 декабря 1963 г. Описывает основную идею создания интегральных схем «с использованием только одного материала для всех элементов схемы и ограниченного числа совместимых этапов процесса для их производства».
• Патент США 2 981877: Полупроводниковое устройство и выводная структура Роберта Н. Нойса, Fairchild Semiconductor, поданный 30 июля 1959 г. и выданный 25 апреля 1961 г. Хотя Нойс подал заявку на это изобретение через два месяца после Килби, патент Нойса был предоставлен более чем через два месяца. годами ранее, что способствовало ожесточенной битве между Texas Instruments и Fairchild за то, кто именно изобрел интегральную схему.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом друзьям с помощью:

Медиа-запросы?

Вы журналист, у вас есть вопрос для СМИ или просьба об интервью? Вы можете связаться со мной для получения помощи здесь.

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2009/2020) Интегральные схемы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/integratedcircuits.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Интегральные схемы

— обзор

10.2.4 RE на уровне платы

Целью RE на уровне платы является идентификация всех компонентов на плате и соединений между ними. Все компоненты, используемые в проекте, называются спецификацией материалов (BOM) [1].Компонентами и частями печатной платы могут быть любые из следующих: микропроцессоры, микроконтроллеры, развязывающие конденсаторы, дифференциальные пары, DRAM, флэш-память NAND, последовательные EEPROM, последовательные флэш-памяти NOR и кристаллы / генераторы. Могут быть маркировки шелкографии, высокоскоростные последовательные / параллельные порты, порты программирования / отладки, JTAG, DVI, HDMI, SATA, PCI, Ethernet, порты программирования / отладки и порты дисплея [3,48]. Чтобы идентифицировать компоненты, контрольные точки и части печатной платы, часто используется шелкография [1].Например, D101 может быть диодом, а Z12 — стабилитроном.

Идентификация ИС по маркировке микросхемы и кристалла . Некоторые электронные компоненты, установленные на печатной плате, можно легко идентифицировать по маркировке IC, но полностью изготовленные по индивидуальному заказу или частично изготовленные по индивидуальному заказу IC трудно идентифицировать. Использование стандартных готовых деталей с аннотациями шелкографии поможет процессу RE. Если на микросхемах нет маркировки, то логотип производителя может дать представление о функциональности микросхемы.Пользовательские устройства, которые разрабатываются собственными силами, трудно идентифицировать [1], потому что пользовательское устройство может быть недокументировано или документация может быть предоставлена ​​только в соответствии с соглашением о неразглашении.

Маркировку IC можно разделить на следующие четыре части [49]:

•

Первый — это префикс, который представляет собой код, который используется для идентификации производителя. Это может быть одно- или трехбуквенный код, хотя у производителя может быть несколько префиксов.

•

Вторая часть — это код устройства, который используется для идентификации конкретного типа ИС.

•

Следующая часть — это суффикс, который используется для обозначения типа упаковки и диапазона температур. Производители часто изменяют свои суффиксы.

•

Для даты используется четырехзначный код, где первые две цифры определяют год, а последние две — номер недели. Кроме того, производители могли зашифровать дату в форме, известной только им.

Соглашения о маркировке микросхемы Texas Instruments (TI) для первой и второй строк показаны на рис.10.10. Чипы TI могут иметь необязательную третью и четвертую строку с информацией, относящейся к товарному знаку и авторскому праву. После определения производителя и маркировки ИС, реверс-инженер мог найти подробную функциональность микросхемы в таблицах данных, которые доступны в Интернете [50,51].

Рисунок 10.10. Условные обозначения на микросхемах TI для (A) первой строки и (B) второй строки.

Если маркировка IC не читается, потому что она исчезла из-за предыдущего использования в полевых условиях или производитель не разместил маркировку в целях безопасности, обратный инженер может снять упаковку и прочитать маркировку штампа, чтобы идентифицировать производитель и функциональность микросхемы [49].Маркировка штампа может помочь идентифицировать номер маски, номер детали, дату завершения штамповки маски или регистрации авторских прав, логотип компании и символ товарного знака. Маркировка штампа может совпадать с маркировкой упаковки в зависимости от производителя. Затем информацию из таблицы можно использовать для оценки штампа. Маркировка кристаллов аналогична внутри семейств микросхем одного производителя [52]. Таким образом, если кто-то может найти функциональные возможности одного чипа, то этот человек также может определить функциональность семейства чипов из-за почти одинаковой маркировки кристаллов, которую имеют чипы в этом семействе.Например, процессор Qualcomm MSM8255 идентичен MSM7230 как по функциональности, так и по конструкции, и оба чипа относятся к семейству микросхем Snapdragon [52]. Единственная разница между этими двумя чипами — их тактовая частота. После идентификации компонентов печатной платы обратный инженер может захотеть определить тип печатной платы, который может быть любым из следующих: односторонний (один медный слой), двусторонний (два медных слоя) или многослойный. В многослойных печатных платах микросхемы соединены друг с другом спереди и сзади, а также через внутренние слои.Некоторые внутренние слои используются как слои питания и заземления. Проводники разных слоев соединяются переходными отверстиями, и для идентификации этих соединений необходима задержка.

Разрушающий анализ ПХБ. Перед задержкой печатной платы снимаются изображения размещения и ориентации компонентов всех внешних слоев [1]. Затем компоненты можно было удалить, можно было наблюдать положения просверленных отверстий и можно было определить, есть ли скрытые или глухие переходные отверстия. Процесс задержки PCB аналогичен описанному для микросхем и поэтому не будет обсуждаться далее.После задержки печатной платы можно делать изображения каждого слоя [48]. Затем следует отметить состав и толщину слоев. Важно отслеживать контроль импеданса высокоскоростных сигналов и характеристики печатной платы. Также необходимо определить диэлектрическую проницаемость, толщину переплетения препрега и тип смолы [1].

Неразрушающее трехмерное изображение печатных плат с помощью рентгеновской томографии. Рентгеновская томография — это неинвазивный метод визуализации, который позволяет визуализировать внутреннюю структуру объекта без вмешательства верхних и нижних структур.Принцип этого метода состоит в том, чтобы получить стопку 2D-изображений, а затем использовать математические алгоритмы, такие как прямое преобразование Фурье и теория центрального среза [53], для восстановления 3D-изображения. Эти 2D-проекции собираются под разными углами, в зависимости от качества, необходимого для окончательного изображения. Свойства объекта, такие как размер и плотность материала, расстояние от источника / детектора до объекта, мощность источника, объектив детектора, фильтр, время экспозиции, количество проекций, смещение центра и жесткость луча, важны для рассмотрения при выборе процесса томографии. параметры.Внутренние и внешние структуры будут готовы к анализу после реконструкции трехмерного изображения [48]. Обсуждение того, как выбрать правильные значения для любого из этих параметров, выходит за рамки данной статьи. Подробнее о параметрах томографии можно прочитать в [54].

В качестве примера анализируются следы и сквозные отверстия четырехслойной специальной печатной платы с использованием рентгеновского аппарата Zeiss Versa 510 [55]. Чтобы убедиться, что функции на плате можно наблюдать, они выбрали мелкий размер пикселей, что дает нам достаточно высокое качество изображения.После нескольких раундов оптимизации выбираются параметры томографии для получения изображений наилучшего качества. Процесс полностью автоматизирован после настройки параметров, может выполняться без надзора и должен быть широко применим к большинству печатных плат.

Для четырехслойной специализированной платы на рис. 10.11 четко зафиксированы все трассы, соединения и переходные отверстия. Чтобы проверить эффективность метода томографии, результаты сравниваются с файлами дизайна платы, которые ранее использовались для изготовления печатной платы.Плата состоит из лицевой стороны, тыльной стороны и двух внутренних слоев. Внутренние слои соответствуют силе и земле. Отверстия соединяют дорожки на двух сторонах платы, а также подключаются к слоям питания или заземления. Внутренний силовой слой представлен в проектной схеме на рис. 10.12.

Рисунок 10.11. Печатная плата установлена ​​на держателе образца.

Рисунок 10.12. Компоновочное оформление внутреннего силового яруса.

Трехмерное изображение платы реконструируется с использованием комбинации тысяч виртуальных двумерных срезов.Эти срезы можно просматривать и анализировать отдельно. Толщина каждого из них такая же, как размер пикселя (то есть 50 мкм). На рис. 10.13 представлен один срез, который показывает информацию о внутреннем уровне мощности.

Рисунок 10.13. Виртуальная нарезка представляет собой слой мощности.

Сравнивая результаты томографии и конструктивную схему платы, можно увидеть четкую разницу между сквозными отверстиями, которые соединены, и теми, которые не соединены с внутренним слоем.Паяные соединения представляют собой материал с высокой степенью поглощения рентгеновских лучей и приводят к белому контрасту связанных пикселей. Однако пластик имеет меньшую плотность и более прозрачен для рентгеновских лучей, что приводит к темному контрасту. Таким образом, можно легко определить, какие сквозные отверстия связаны с внутренним слоем. Тот же принцип позволит нам обнаружить следы на боковых слоях платы из-за наличия меди на следах, как показано на рис. 10.14.

Рисунок 10.14. Реконструированные (A) верхний и (B) нижний слои печатной платы.

Извлечение списка соединений после создания образа. После получения изображений печатной платы с помощью задержки или рентгеновской томографии можно было обнаружить соединения между всеми компонентами, что дало бы список соединений компоновки печатной платы. Затем можно было использовать коммерческие инструменты для преобразования топологии обратно в схему [56]. Чтобы создать список соединений из собранных образов, необходимо проверить следующее:

•

соединение между компонентами исходной платы (таблица данных может помочь найти соединение для исходной функциональности),

•

неожиданное короткое замыкание и зависание Vdd,

•

контактов между компонентами.

В предыдущей работе [57,60] для анализа рентгеновских изображений использовалось несколько методов. Wu et al. [57] использует систему визуального контроля печатных плат. Используется метод вычитания исключения, который вычитает идеальное изображение печатной платы (шаблон) из проверенного изображения и определяет местонахождение дефектов на печатной плате. Mat et al. [58] применил технику структурирования к необработанному изображению печатной платы (входному) с помощью морфологической операции. После этого применяется функция растяжения и эрозии, чтобы можно было получить детально сегментированное изображение дорожек печатной платы.Koutsougeras et al. [59] применил автоматический генератор моделей Verilog HDL, который включает метод обработки изображений, который используется для идентификации компонентов и их соединений. После этого получается принципиальная схема, соответствующая примитивной принципиальной схеме платы. Наконец, Verilog HDL генерируется из графа схемы. Симулятор Verilog XL используется для тестирования производительности. Слои сборок печатных плат / печатных плат разделены с помощью рентгеновского стереоизображения в [60].Основное внимание уделяется выявлению паяных соединений и следов на разных слоях многослойной печатной платы. В автоматизированном техпроцессе фотографии берутся с одно- или двухслойных печатных плат. Затем программа на C ++ используется для автоматического реинжиниринга списка соединений.

Что такое интегральная схема (ИС)? Жизненно важный компонент современной электроники

Что такое интегральные схемы?

Интегральная схема (ИС), иногда называемая микросхемой, микрочипом или микроэлектронной схемой, представляет собой полупроводниковую пластину, на которой изготовлены тысячи или миллионы крошечных резисторов, конденсаторов, диодов и транзисторов.ИС может функционировать как усилитель, генератор, таймер, счетчик, логический вентиль, память компьютера, микроконтроллер или микропроцессор.

ИС — это фундаментальный строительный блок всех современных электронных устройств. Как следует из названия, это интегрированная система из множества миниатюрных и взаимосвязанных компонентов, встроенных в тонкую подложку из полупроводникового материала (обычно кристалла кремния).

Микроконтроллеры — это интегральные схемы, которые управляют определенными операциями во встроенных системах, состоящих из процессора, памяти и периферийных устройств ввода / вывода на микросхеме.На этом изображении показан микроконтроллер Microchip Technology ATtiny817.

Одна ИС может содержать тысячи или миллионы:

• транзисторы
• резисторы
• конденсаторы
• диоды

На нем также могут находиться дополнительные компоненты, связанные между собой сложной сеткой полупроводниковых пластин, кремния, меди и других материалов. По размеру каждый компонент небольшой, обычно микроскопический. Получающаяся в результате схема, монолитная микросхема, также крошечная — часто достаточно, чтобы занимать несколько квадратных миллиметров или сантиметров пространства.

Одним из распространенных примеров современной ИС является компьютерный процессор, который обычно содержит миллионы или миллиарды транзисторов, конденсаторов, логических вентилей и т. Д., Соединенных вместе, чтобы сформировать сложную цифровую схему. Хотя процессор является ИС, не все ИС являются процессорами.

История и эволюция интегральных микросхем

Изобретение транзистора — сочетание слов передаточный и резистор — в 1947 году заложило основу для современной компьютерной эпохи.

Раньше каждый транзистор поставлялся в отдельном пластиковом корпусе, а каждая схема состояла из дискретных транзисторов, конденсаторов и резисторов. Из-за большого размера этих компонентов ранние ИС были способны удерживать на печатной плате только некоторые из них — соединенные вместе.

Со временем развитие твердотельной электроники упростило уменьшение размеров компонентов.

В конце 1950-х годов изобретатели Джек Килби из Texas Instruments, Inc.и Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor Corporation нашли способы прокладывать тонкие металлические дорожки на устройствах и заставлять их работать как провода. Их решение проблемы проводки между небольшими электрическими устройствами стало началом развития современной ИС.

Интегральные схемы претерпели несколько поколений усовершенствований в зависимости от их конструкции, размера и количества компонентов на кристалле.

Современные микросхемы: проектирование и изготовление

За последние полвека ИС значительно продвинулись вперед благодаря более высоким скоростям, большей емкости и меньшим размерам.

По сравнению с тем, что было раньше, современные ИС невероятно сложны и способны удерживать миллиарды транзисторов и других компонентов на одном небольшом куске материала. Современная ИС представляет собой единое целое, с отдельными компонентами, встроенными непосредственно в кристалл кремния, а не просто закрепленными на нем.

IC полагается на несколько уровней абстракции. Полупроводниковая пластина, из которой состоит ИС, хрупкая и содержит множество сложных соединений между своими многочисленными слоями.Комбинация этих пластин известна как кристалл.

При наличии миллионов или миллиардов компонентов на одной микросхеме невозможно разместить и подключить каждый компонент по отдельности. Матрицы слишком малы для пайки и подсоединения. Вместо этого разработчики используют специальный язык программирования для создания небольших схемных элементов и комбинирования их для постепенного увеличения размера и плотности компонентов на кристалле в соответствии с требованиями приложения.

ИС «упакованы», чтобы превратить тонкий и крошечный кристалл в черный чип, который теперь составляет основу сотен устройств, в том числе:

Новый масштабируемый процессор Intel Xeon 3-го поколения с кодовым названием Ice Lake.

Типы интегральных схем ИС

могут быть линейными (аналоговыми), цифровыми или их комбинацией, в зависимости от их предполагаемого применения.

Аналоговые или линейные ИС имеют бесступенчатый выход в зависимости от уровня входного сигнала. Теоретически такие ИС могут находиться в бесконечном количестве состояний. В этом типе ИС уровень выходного сигнала является линейной функцией уровня входного сигнала. В идеале, когда мгновенный выходной сигнал сопоставлен с мгновенным входным сигналом, график выглядит как прямая линия.

Аналоговые ИС

обычно используют всего несколько компонентов и довольно просты.

Линейные ИС используются как усилители звуковой частоты (AF) и радиочастоты (RF). Операционный усилитель (ОУ) — обычное устройство в этих приложениях. Еще одно распространенное применение аналоговой ИС — датчик температуры. Линейные ИС можно запрограммировать на включение и выключение различных устройств, когда сигнал достигает определенного значения. К ним относятся:

• кондиционеры
• обогреватели
• духовки

В отличие от аналоговых ИС, цифровые ИС не работают в непрерывном диапазоне амплитуд сигнала.Скорее, они работают только на нескольких определенных (дискретных) уровнях или состояниях. Основными строительными блоками цифровых ИС являются логические элементы, которые работают с двоичными данными, то есть сигналами, которые имеют только два разных состояния, называемых низким (логический 0) и высоким (логическая 1).

цифровых ИС в настоящее время используются во все большем количестве приложений, в том числе:

• компьютеров
• корпоративные сети
• модемы
• частотомеры

A смешанный IC объединяет в себе принципы аналогового и цифрового проектирования.Он может функционировать как:

Микропроцессоры и ИС

Микропроцессор — наиболее сложный тип ИС, способный выполнять миллиарды операций в секунду. В вычислительном устройстве микропроцессор содержит центральный процессор (ЦП), который запускает компьютер, или графический процессор (ГП), который специализируется на рендеринге изображений и видео. Один микропроцессор содержит миллиарды взаимосвязанных транзисторов, каждый из которых выполняет определенную логическую функцию на основе инструкций часов.

Когда часы меняют состояние, транзисторы выполняют логические функции (например, вычисления), на выполнение которых они запрограммированы. Тактовая частота определяет скорость этих функций.

Современные процессоры и графические процессоры являются многоядерными, что означает, что их интегральные схемы имеют два или более процессора для одновременной обработки нескольких задач, повышения производительности и снижения энергопотребления. Первый может иметь несколько ядер, второй — тысячи. Микропроцессоры

также содержат различные типы заранее определенных ячеек памяти или регистров, в которых хранится информация:

• Постоянный регистр: хранит запрограммированные инструкции для различных операций.
• Временный регистр: хранит числа, над которыми нужно работать, и результаты операции.
• Счетчик: содержит адрес памяти следующей инструкции.
• Указатель стека: содержит адрес последней инструкции, помещенной в память стека.
• Регистр адреса памяти: содержит расположение (адрес) данных, над которыми нужно работать.

Микросхема сделала нашу жизнь намного лучше.Современный портативный компьютер в тысячи раз мощнее и примерно в 100 раз меньше, чем первый компьютер, разработанный в 1940-х годах. ENIAC был размером с три-четыре двухэтажных автобуса и работал на 18 000 электронных ламп.

Сказать, что мы прошли долгий путь, — значит ничего не сказать о ENIAC. ИК был ключом к этому прогрессу.

Интегральная схема, ИС Электроника, Электронные интегральные схемы

Интегральная схема или ИС — это небольшая микросхема, которая может содержать огромное количество транзисторов, резисторов и конденсаторов.Часто используемые в вычислениях микросхемы IC могут выполнять несколько задач и хранить данные с использованием цифровых или аналоговых технологий.

Как ведущий поставщик электронных компонентов, Allied Electronics хранит на складе тысячи электронных интегральных схем. Мы упростили поиск нужной детали с помощью наших удобных опций фильтрации в левой части этой страницы. Вы можете сузить область поиска по функциям, размеру или производителю, что поможет вам легко найти все предлагаемые нами микросхемы.

Allied Electronics имеет честь сотрудничать с ведущими брендами электронной промышленности, обеспечивая наличие в нашем обширном ассортименте высококачественных компонентов ИС. Читайте дальше, чтобы узнать больше о различных типах интегральных схем, о том, как они работают и почему вы можете положиться на нас в своих проектах в области электроники.

Как работают интегральные схемы?

Каждая интегральная схема состоит из комбинации миниатюрных диодов, микропроцессоров и транзисторов, каждый из которых прикреплен к тонкому кремниевому кристаллу.Работая вместе, каждый компонент в микросхеме IC выполняет свою функцию, которая может обрабатывать вычисления и несколько задач обработки данных.

Несколько микросхем IC, каждая из которых выполняет свою функцию, часто используются на одной печатной плате для питания электронного устройства, которое они составляют.

Где используются интегральные схемы?

Интегральные схемы используются почти в каждом электронном устройстве. Благодаря миниатюрным размерам, малому весу, доступности, надежности и низкому энергопотреблению компоненты ИС идеально подходят для массового использования или индивидуальных проектов.Микросхему IC также легко заменить без полной переделки всего электронного устройства.

Вышеупомянутые преимущества означают, что ИС-электроника находит широкое применение. Некоторые распространенные приложения включают:

• Управление автомобилем
• Телевизоры
• Компьютеры
• Портативная электроника
• Микроволны
• Игровые приставки
• Камеры

Интегральные схемы также используются в военном оборудовании и машинах для обработки данных.Чаще всего компоненты ИС применяются в цифровых часах и научных калькуляторах.

Какие бывают типы интегральных схем?

В электронике используются два основных типа интегральных схем: цифровые микросхемы ИС и аналоговые микросхемы ИС. Каждый обрабатывает данные и информацию по-своему, и выбранный вами интегрированный чип будет зависеть от характера вашего проекта.

Ниже мы более внимательно рассмотрим, как работают цифровые и аналоговые компоненты ИС.

Цифровые ИС

Цифровые ИС, обычно используемые в компьютерах, сетевом оборудовании и большинстве бытовой электроники, используют логические вентили для обработки данных. Это означает, что они работают с двоичными значениями единиц и нулей.

Сигналы низкого уровня, прошедшие через интегрированный цифровой чип, будут обрабатываться как нули. Высокие сигналы будут обрабатываться как единичные, позволяя чипу обрабатывать информацию.

Аналоговые ИС

Аналоговые ИС, также известные как линейные интегральные схемы, работают путем обработки непрерывных значений.Проще говоря, это означает, что аналоговая интегральная схема может принимать сигнал любого значения и в ответ выводить другое значение.

Обычно линейные интегральные схемы используются в электронике аудио- и радиоусилителя.

Выбирайте Allied Electronics при покупке интегральных схем.

Являясь крупнейшим авторизованным дистрибьютором электронных компонентов в Северной Америке, мы гарантируем наличие на складе только самых лучших продуктов от ведущих производителей электронных компонентов. В нашем ассортименте интегральных схем есть интегральные микросхемы и линейные интегральные схемы от множества известных брендов.

Если вы ищете самые лучшие интегральные схемы в Северной Америке, обратите внимание на Allied Electronics. Мы можем предложить доставку без лишних хлопот, что поможет придерживаться графика вашего проекта. Если у вас есть какие-либо вопросы по любому из наших продуктов или у вас есть особые потребности, связанные с электронными интегральными схемами, не стесняйтесь обращаться к нам.

Кроме того, вы всегда можете обратиться в наш экспертный центр за любым советом специалиста, который может вам понадобиться. У нас есть множество материалов, которые помогут сделать ваш следующий электронный проект успешным.

Различий между интегральной схемой и микропроцессором

Появление интегральных схем (ИС) произвело революцию в том, как сегодня работают встроенные системы. Интегрируя транзисторные схемы в один кристалл, разработчики электроники могли создавать передовые вычислительные устройства, такие как портативные компьютеры и мобильные телефоны. Обсуждая, как работают встроенные системы, мы часто слышим об интегральных схемах и микропроцессорах. Итак, что именно представляют собой эти компоненты, чем они отличаются и как они соотносятся со встроенными системами? В этой статье мы расскажем об их отношениях и о том, как они модернизировали отрасль встраиваемых систем.

Что такое интегральная схема

В первые дни в компьютерах использовались электронные лампы, которые составляли логические схемы. Из-за больших размеров и дорогостоящей сборки первый компьютер не был идеальным для массового использования. Изобретение транзистора, который регулирует ток или напряжение и действует как переключатель для электронных сигналов, помогло компенсировать эти неудачи, но все же имело свои ограничения.

Изобретение интегральной схемы (ИС) помогло революционизировать использование электронных сигналов, таких как транзисторы, в гораздо более компактную и прибыльную конструкцию.Интегральная схема, иногда называемая микросхемой или микрочипом, представляет собой полупроводниковую пластину, часто сделанную из кремния, которая объединяет набор электронных схем, включая резисторы, транзисторы, конденсаторы и диоды, которые соединяются между собой для выполнения заданной функции. Одна интегральная схема может включать от тысяч до миллионов таких электронных схем в зависимости от ее вычислительной мощности.

Интегральная схема

Интегральные схемы очень важны при проектировании встроенных систем, поскольку они помогли произвести революцию и улучшить использование электронных схем.До того, как была использована ИС, такие компоненты, как транзисторы и резисторы, были соединены вместе на печатной плате. Но с появлением ИС эти компоненты теперь сформированы на единственном кристалле меньшего размера.

Сегодня интегральные схемы часто используются в разработке электроники и могут быть разделены на аналоговые, цифровые или их комбинации. ИС могут использоваться для различных целей, включая усилители, видеопроцессоры, компьютерную память, переключатели и микропроцессоры.

Что такое микропроцессор

Итак, микропроцессор — это интегральная схема? Ответ положительный, и он считается одним из самых сложных в своем роде.Микропроцессор — это компьютерный процессор, который объединяет функции центрального процессора (ЦП) на одной интегральной схеме или одном кристалле. Он используется в компьютерной системе для выполнения логических и вычислительных задач, чтобы другие внешние схемы, включая память или периферийные ИС, могли выполнять свои функции.

Микропроцессор на печатной плате

До того, как был изобретен микропроцессор, компьютерный блок управления и обработки ЦП был построен с использованием транзисторов и, в конечном итоге, небольших интегральных схем; все они были прикреплены к печатной плате индивидуально.Изобретение микропроцессора позволило интегрировать такие компоненты на одном кристалле, сократив масштабы таких технологий.

Обычно микропроцессоры используются в приложениях, где задача не определена заранее, например, в компьютерах или видеоиграх, где задача зависит от пользователя. В этих случаях подходят микропроцессоры, поскольку они поддерживают множество вычислительных приложений.

Как интегральные схемы и микропроцессоры продвигают встраиваемые системы

Интегральные схемы проложили путь к передовым встроенным системам, которые мы знаем и используем сегодня.Полупроводниковые микросхемы, которые используются в таких устройствах, как смартфоны, планшеты или портативные компьютеры, представляют собой интегральные схемы, которые обеспечивают систему электронными схемами, необходимыми для выполнения предполагаемой функции.

В частности, микропроцессоры

представляют собой фундаментальные интегральные схемы, которые инженеры встроенных систем часто используют во встроенных конструкциях. Микропроцессор используется для управления функциями ЦП встроенной системы, которая выполняет такие задачи, как получение и декодирование инструкций из основной памяти и использование этих инструкций для выполнения арифметических и логических операций для других устройств памяти или ввода-вывода.

Отладка и разработка встроенных систем с интегральными схемами

Интегральным схемам, как и микропроцессорам, требуется протокол связи, чтобы «общаться» и обмениваться данными между различными компонентами или даже другими ИС внутри системы. Микропроцессоры часто используют протоколы, включая I2C, SPI или USB, для обмена данными. При таком большом количестве взаимосвязанных частей, включая микропроцессор / микроконтроллер, устройства памяти и периферийные устройства ввода-вывода, разработка и проектирование встроенных систем может стать проблемой.Важно убедиться, что каждый из этих компонентов работает вместе, чтобы создать правильно работающую систему.

Чтобы определить, что каждый компонент работает должным образом, хост-адаптеры и анализаторы протоколов являются полезными инструментами, которые позволяют инженерам тестировать и отлаживать системы для проверки их производительности. Используя такие инструменты, пользователи могут легко эмулировать ведущие или ведомые устройства, быстро программировать память и контролировать шину, чтобы найти ошибки связи.

Total Phase предлагает линейку хост-адаптеров и анализаторов протоколов, отвечающих различным требованиям проекта.

Хост-адаптеры

Хост-адаптеры

Total Phase, включая хост-адаптер Aardvark I2C / SPI, хост-адаптер Cheetah SPI и последовательную платформу Promira, позволяют пользователям взаимодействовать со своими системами I2C и / или SPI и могут использоваться для различных приложений, включая создание прототипов. , эмуляция системы или высокоскоростное программирование вспышки.

Хост-адаптер Aardvark I2C / SPI — это универсальный хост-адаптер, поддерживающий протоколы I2C и SPI, который может работать на частотах до 800 кГц в качестве главного и подчиненного I2C, до 8 МГц в качестве главного устройства SPI и до 4 МГц в качестве главного устройства. Подчиненный SPI.

Хост-адаптер Cheetah SPI — это высокоскоростной адаптер SPI, способный обмениваться данными через SPI на частоте до 40+ МГц в качестве главного.

Последовательная платформа Promira — самое современное последовательное устройство Total Phase. Он построен на платформе, обновляемой на месте и настраиваемой в зависимости от требований проекта пользователя I2C и / или SPI, включая скорость, GPIO, выбор ведомого устройства и многое другое. В зависимости от приложения и уровня это устройство может поддерживать до 3,4 МГц в качестве главного и подчиненного устройства I2C, до 80 МГц в качестве главного устройства SPI и до 20 МГц в качестве подчиненного устройства SPI.

Анализаторы протокола

Линия анализаторов протоколов

Total Phase, включая анализатор протоколов Beagle I2C / SPI и набор анализаторов протоколов Beagle USB, позволяет пользователям получать информацию о шине и контролировать обмен данными по I2C, SPI или USB (USB 2.0 и USB 3.0) в реальном -время. Пользователи могут легко просматривать низкоуровневые события шины, ошибки шины и многое другое.

Заключение

И интегральные схемы, и микропроцессоры являются важной частью понимания и создания встроенных систем.