Понятие интегральной схемы. Типы интегральных схем (ИС) по технологическому признаку. Составляющие стоимости ИС и пути ее уменьшения. Классификация ИС по степени интеграции.

Счётчики (классификация, двоичные счётчики прямого и обратного счёта, таблицы функционирования и временные диаграммы работы).

Счётчики предназначены для регистрации числа поступивших на счётчик сигналов и деления частоты. В них выполняются и такие микрооперации как установка в исходное состояние, хранение и выдача слов.

Счётчик характеризуется модулем счёта М. Счётчик переходит из состояния в состояние при поступлении входных сигналов, после каждых М сигналов счётчик возвращается к началу цикла. Счётчики различают:

1. По значению модуля счёта:

· Двоичные (М=2ⁿ), где n – разрядность счётчика

· Двоично-кодированные с произвольным модулем счёта.

· Счётчики с одинарным кодированием (счётчики Джонсона)

2. По направлению счёта:

· Суммирующие (прямого счёта)

· Вычитающие (обратного счёта)

· Реверсивные (с изменением направления счета)

3. По способу организации межразрядных связей:

· Счётчики с последовательным переносом

· Счётчики с параллельным переносом

· Счётчики с комбинированным переносом

Быстродействие счетчика может характеризоваться следующими параметрами:

1) временем установления кода t_K, отсчитываемым от начала входного сигнала, до момента установления нового состояния.

2) временем распространения переноса – от начала входного до начала выходного, вызванного данным входным.

Счётчики строят на основе Т-триггеров и всего, что можно превратить в Т-триггер.

Структуру двоичного счётчика можно получить эвристическим путём или методом формального синтеза.

Счетчик прямого счета, суммирующий:

№ сигнала	Q2	Q1	Q0

Триггер младшего разряда должен переключаться от одного входного сигнала. Триггер разряда Q1 должен переключаться через 2 входных сигнала, а Q2 через 4. Поскольку частота переключения снижается вдвое, поэтому триггер может быть построен как цепочка последовательных Т – триггеров. Далее старшиё разряд должен изменяться при переключении младшего разряда из 1 в 0.

Представление счетчика цепочкой Т-триггеров справедливо как для суммирующего, так и для вычитающего вариантов, поскольку закономерность по соотношению частот переключения разрядов сохраняется как при просмотре таблицы сверху вниз (прямой счет), так и снизу вверх (обратный счет). Различия при этом состоят в направлении переключения предыдущего разряда, вызывающего переключение следующего. При прямом счете следующий разряд переключается при переходе предыдущего в направлении от 1 к 0, а при обратном – при переключении от 0 к 1. То есть различие заключается в разном подключении входов триггеров к выходам предыдущих.

Вычитающий счётчик:

Полученные структуры относят к асинхронным счетчикам, т.к. в них каждый триггер переключается выходными сигналом предыдущего, и эти переключения происходят не одновременно.

Схемотехническая реализация двоичных дешифраторов (описание функционирования, обозначение на функциональной схеме, схема дешифратора 3-8 на элементах И, наращивание размерности дешифратора: реализовать схему двоичного дешифратора 5-32 на дешифраторах 2-4, 3-8 ТТЛШ-серий).

Дешифраторы относятся к преобразователям кодов (кодирующим устройствам). Двоичным дешифраторомили декодером(от английского Decoder) чаще всего называют кодирующее устройство, преобразующее двоичный код в код «1 из N». Из всех m выходов дешифратора активный уровень имеется только на одном, а именно на том, номер которого равен поданному на вход двоичному числу. На всех остальных выходах дешифратора уровни напряжения неактивные.

Признак равенства разрядов

Преобразователи кодов.

Как известно, операция вычитания в вычислительных устройствах заменяется операцией сложения с отрицательным числом, представленном в одном из кодов – дополнительном или обратном.

Преобразователь прямого кода в обратный:

В прямом двоичном коде X_ПР=X_ЗНX_n-1…X₁ один разряд, обычно старший, отображает знак числа, остальные – значение цифровых разрядов; при этом для положительного числа X_ЗН=0, а для отрицательного X_ЗН=1. Обратный код положительного двоичного числа совпадает с прямым кодом, а для отрицательного числа цифровые разряды прямого кода инвертируются.

В процессе преобразования прямого кода в обратный значение знакового разряда X_ЗН используется в качестве управляющего сигнала, который обеспечивает получение следующего выражения: , где Y_i – значение i-го разряда обратного кода; X_i – значение i-го разряда положительного входного числа (X_ЗН=0); - значение i-го разряда отрицательного входного числа ( ).

Схема, например, пятиразрядного преобразователя прямого кода в обратный, построенная на элементах «Исключающее ИЛИ» соответственно выражению, показана на рисунке

Преобразователь прямого кода в дополнительный:

Дополнительный код положительного двоичного числа совпадает с его прямым и обратным кодами. Дополнительный код отрицательного двоичного числа образуется из его обратного кода добавлением к младшему разряду единицы. Таким образом, операция преобразования прямого кода в дополнительный не является поразрядной и выполняется значительно сложнее, чем получение обратного кода.

Знаковый разряд прямого кода используется в качестве управляющего сигнала: если X_ЗН=0, то выходной код повторяет значение входного; при X_ЗН=1 реализуется преобразование согласно формуле:

(*)

Таким образом, для получения i-го разряда дополнительного кода нужно сложить по модулю 2 код этого разряда с дизъюнкцией всех предыдущих младших разрядов.

Схема преобразователя прямого кода в дополнительный на основе выражения (*) показана на рисунке ниже. Данный преобразователь характеризуется высоким быстродействием. Время установления выходного кода определяется тремя задержками распространения сигнала, однако по мере возрастания номера разряда линейно возрастает и требуемое число входов используемых элементов ИЛИ.

Еще один вариант схемы представлен ниже.

Здесь используются только двухвходовые элементы ИЛИ, при этом дизъюнктивная сумма переменных образуется последовательным способом. В такой реализации схема преобразователя упрощается, однако время установления выходного кода существенно увеличивается.

Практическое правило получения дополнительного кода состоит в том, что справа от первой единицы (учитывая и саму единицу) в прямом коде числа значения разрядов – неизменны, а слева от единицы (кроме знакового) - инвертируются. Например, для прямого кода 10100100 дополнительным будет код 11011100.

Для преобразования в дополнительный код многоразрядных двоичных чисел часто используют перевод числа в обратный код с последующим прибавлением единицы к его младшему разряду с помощью сумматора.

Понятие интегральной схемы. Типы интегральных схем (ИС) по технологическому признаку. Составляющие стоимости ИС и пути ее уменьшения. Классификация ИС по степени интеграции.

ИС (интегральная микросхема) представляет собой микроэлектронное устройство, рассматриваемое как единое изделие, содержащее, как правило, большое количество взаимосвязанных компонентов (транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы), изготовленная в едином технологическом цикле (одновременно) на одной и той же несущей конструкции (подложке) и выполняющая определенную функцию преобразования данных.

Термин ИС (Integrated Circuit, IC) отражает факт объединения отдельных деталей компонентов в конструктивно единый прибор. Компоненты, входящие в состав ИС, не могут быть выделены из нее в качестве самостоятельных изделий и называются элементами ИС (интегральными элементами). Они обладают некоторыми особенностями по сравнению с такими же конструктивно обособленными единицами. Для изготовления ИС используется групповой метод производства и планарная технология. Групповой метод производства заключается, во-первых, в том, что на одной пластине ПП материала одновременно изготавливается большое количество ИС (пластины обычно круглые), во-вторых, если позволяет технология, то одновременно обрабатывается несколько пластин.

После завершения определенных циклов изготовления пластина разрезается в двух взаимно перпендикулярных направлениях на отдельные кристаллы (chip), каждый из которых представляет комплект для финальной операции корпусирования, т.е. помещения ИС в корпус с присоединением лазерной сваркой контактных площадок к ножкам (pin) ИС.

Технологические операции при изготовлении чипа заключается в создании отдельных элементов, их соединении в схему и присоединении к специальным контактным площадкам. Пока технологический процесс ведется по планарной технологии, когда все элементы и их составляющие создаются в ИС путем их формирования через плоскость.

Стоимость одной ИС определяется по формуле , где А – затраты на научно-исследовательскую и опытно-конструкторскую работу по созданию ИС; В – затраты на технологическое оборудование, помещение и др.; С – текущие расходы на материалы, электроэнергию, зарплату в пересчете на одну пластину; z – количество чипов на пластине; у – отношение годных ИС к количеству запущенных в производство.

Рост числа чипов на пластине достигается двумя путями: увеличением размера пластины или уменьшением размера отдельных элементов. Используются оба этих направления.

Функциональную сложность ИС принято характеризовать степенью интеграции, а именно: количеством элементов (часто транзисторов) на кристалле. Для количественной оценки степени интеграции используют формулу k = lgN, N - число транзисторов.

Различают:

ИС	К =< 2	IC, Integrated Circuit
СИС	2 < K =<3	Средней степени интеграции MSI (medium scale integration) , для аналоговых схем N < 500
БИС	3 < K =<5	LSI (large scale integration), для аналоговых N > 500
СБИС	5 < K	VLSI (very large scale integration)

Степень интеграции – число схемных элементов на 1 кристалле.

Функциональная сложность – число размещенных на 1 кристалле базовых ЛЭ или запоминающих элементов.

По технологическому признаку ИС разделяют на ПП, пленочные и гибридные.

Полупроводниковая ИС –ИС, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла.

Гибридная ИС– ИС содержат элементы, компоненты и кристаллы, а также межэлементные соединения, размещенные на поверхности диэлектрической подложки.

Пленочные ИС– содержат элементы и межэлементные соединения, выполненные на поверхности диэлектрической подложки.

Серия ИС представляет собой совокупность типов ИС, обладающих конструктивной, электрической и при необходимости информационной и программной совместимостью и предназначенных для совместного применения.

ИС одной серии имеют единое конструктивно – технологическое исполнение, единые напряжения питания и уровень сигнала, одинаковые надежностные и эксплуатационные характеристики и при совместном применении не нуждается в дополнительных согласующих устройствах.

Термином тип ИС определяется ИС конкретного функционального назначения и определенного конструктивного технологического и схемотехнического решения, имеющая свое условное обозначение.

ИС определенного типа может иметь несколько типономиналов, различающиеся по 1 или более параметрами и требованиями к внешним воздействующим факторам.

Информация о типе и типономинале ИС а также о ее принадлежности к отдельной серии содержится в условном обозначении ИС.

Отечественные обозначения имеют следующие элементы обозначений:

К _ Х _ ХХХХ _ ХХ _ ХХХ

1. Область применения: «К» - широкое применение, отсутствие - ИС военного применения.

2. Буква – тип корпуса: P – пластмассовый корпус; M – Керамический корпус; Б – Безкорпусное; Отсутствие – стандартный корпус.

3. Номер серии: 3 или 4 цифры

1 цифра – конструктивно-технологическое исполнение ИС. 1, 5, 6, 7 – ПП ИС. 2, 4, 8 – гибридные. 3 – пленочные и прочие.

4. Порядковый номер разработки: 2 или 3 цифры.

При 4-х-значном номере 2-ая цифра указывает на область применения ИС. 0 – Бытовая техника; 1 – Аппаратура аналогового типа; 4 – Операционный усилитель; 5 – Цифровые устройства; 6 – ИС памяти; 8 – Микропроцессорный БИС; Функции ИС: 2 буквы.

Номер ИС: 3 цифры.