Дополнительная литератур: 6[504:512].

Контрольные вопросы

1. Для чего предназначен трансформатор во входной цепи блока питания?

2. Блоки питания с трансформаторным входом применяются для питания, каких устройств и в чем заключается их главный недостаток?

3. Что нужно делать для уменьшения габаритных размеров и веса блока питания с трансформаторным входом?

4. Что дает импульсное питание микросхем ПЗУ?

5. Как подается напряжения источника питания на микросхему ПЗУ в режиме импульсного питания?

Тема 8. Заключение. Перспективы развития схемотехники электронных устройств. Большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС).

В связи с дальнейшим развитием техники сверхбольших ИС (СБИС) и, соответственно, повышением степени интеграции продолжается широкое применение СБИС в самых различных областях электроники и в первую очередь в области вычислительной техники и микропроцессорных систем. Однако с повышением степени интеграции СБИС происходит увеличение затрат на их разработку и изготовление и, следовательно, увеличение стоимости кристалла (СБИС). Для снижения стоимости СБИС необходимо увеличить объем производства СБИС. Если исходить из требования ориентации на массовое производство, то представляется целесообразным, чтобы СБИС были по мере возможности универсальными. К универсальным относятся микропроцессорные (МП-) СБИС и СБИС запоминающих устройств (ЗУ). В этих СБИС в пределах одного кристаллла реализуются функции, общие для различных систем, или же функции, которые могут быть сделаны общими. Универсальность МП-СБИС и СБИС ЗУ, называемых также стандартными (см. рис.1), позволяет изготавливать их с большой тиражностью и, следовательно, с относительно малой стоимостью, что приводит к расширению круга потребителей. Объем производства МП-СБИС и СБИС ЗУ, рынок которых практически неограничен, составляет более 5 млн. шт. в год [1]. Поэтому стоимость разработки таких СБИС всегда окупается.

К стандартным ИС относятся также микросхемы малой и средней степени интеграции (МИС и СИС). Эти микросхемы реализуют стандартные элементы и узлы, функционирование которых никак не определяется конкретными потребителями. Микросхемы МИС и СИС так же, как и МП-СБИС и СБИС ЗУ, производятся массовыми тиражами и имеют обширный рынок, что благоприятно для снижения их стоимости.

В каждой системе, наряду со стандартными, присутствуют и некоторые нестандартные части, специфичные для данной разработки. Это относится к схемам управления блоками, обеспечения их взаимодействия и др. Реализация нестандартной части системы обычно была связана с применением микросхем МИС и СИС. Однако применение МИС и СИС сопровождается резким ростом числа корпусов ИС, усложнением монтажа, снижением надежности системы и ее быстродействия. Поэтому в этих случаях целесообразно использовать специально спроектированные для данной системы СБИСы, называемые специализированными.

Современная электронная промышленность выпускает широкий спектр специализированных БИС и СБИС, предназначенных для применения в нестандартной цифровой аппаратуре. В разработке таких СБИС, а также и других микросхем (например, МП-СБИС и СБИС ЗУ) участвуют только зарубежные фирмы, такие как Xilinx, Altera, Actel, AMD (все США) и др.

При разработке специализированных СБИС ставятся такие цели:

− выполнение функций, которые не могут быть реализованы с помощью стандартных микросхем;

− улучшение характеристик электронных схем;

− уменьшение габаритов, массы, потребляемой мощности, а также повышение надежности системы путем выполнения большого количества логических функций на одном кристалле.

По критерию участия потребителя в реализации конкретной функции специализированные БИС и СБИС разделяют на заказные и полузаказные. К полузаказным относятся СБИС на БМК и СБИС с программируемыми и репрограммируемыми структурами , которые также для краткости называются СБИС программируемой логики (СБИС ПЛ).

Заказные сверхбольшие ИС разрабатываются на основе схемных элементов и функциональных блоков, специально сконструированных под определенный кристалл. Технологические слои заказных СБИС проектируются по индивидуальным фотошаблонам, причем, в отличие от других технологий проектирования, для всех технологических слоев изготавливаются единые маски. Полностью заказное исполнение выбирается в тех случаях, когда необходимо уменьшить размеры кристалла или реализовать функцию, которая невыполнима, или неоптимальна в варианте стандартных или полузаказных ИС. Минимизация размеров кристалла позволяет в свою очередь снизить стоимость изготовления кристалла, поскольку в этом случае увеличивается количество кристаллов на пластину и повышается процент выхода годных изделий, который экспоненциально зависит от площади кристалла. Однако заказные СБИС очень дороги и имеют сравнительно длительные циклы проектирования из-за больших затрат на их разработку и изготовление, что обусловливается, главным образом, медлительностью ручного метода проектирования, для которого характерна также высокая вероятность ошибок.

Указанные выше проблемы нашли разрешения на путях разработки СБИС программируемой логики: СБИС CPLD (Complex Programmable Gate Arrays), которые являются дальнейшим развитием микросхем ПЛМ, ПМЛ и БМК.

Область применения СБИС программируемой логики (СБИС ПЛ), которые являются перспективны-ми, достаточно широка, на них могут быть построены не только крупные блоки систем, но и системы в це-лом, включая ЗУ и процессоры. Для получения заданной структуры схемы в СБИС ПЛ используются специальные программируемые двухполюсные элементы, выполняющие функцию управляемых клю-чей. Управляя состоянием этих ключей (замкнут или разомкнут), пользователь может реализовать вы-полнение конкретной функции на стандартной СБИС. В современных СБИС ПЛ в качестве таких про-граммируемых ключей используются, например, nМОП-транзисторы с двойным затвором и лавинной инжекцией заряда (ЛИЗМОП-транзисторы) и др. элементы[1,2].

ЛИЗМОП - транзисторы с плавающим затвором используются в СБИС ПЛ точно так же, как и в непрограммируемых ПЗУ типа EPROM и EEPROM, в качестве программируемых элементов. Стирание информации в СБИС с репрограммируемой структурой в зависимости от типов ЛИЗМОП -транзисторов (с одним или двойным затворами) осуществляется двумя способами: ультрафиолетовым облучением и электрическим способом.

СБИС ПЛ, уступающие по уровню интеграции матричным БИС, в отличие от них, выпускаются как полностью готовые, в них реализованы уже не только логические элементы, триггеры и т. п., но и межсоединения. Потребитель СБИС ПЛ не обращается к их изготовителю для выполнения каких-либо завершающих операций, т. к. программирование выполняет самостоятельно. Это дает основания отнести СБИС ПЛ к стандартной продукции, что сопровож-дается известными преимуществами – массовостью производства и снижением стоимости. При разработке СБИС ПЛ, как и в случае других СБИС, одной из важных проблем является проблема уменьшения мощности потребления. Одним из путей решения данной проблемы является снижение напряжения источника питания. В связи с этим в современных БИС и СБИС ПЛ используют источники питания с различными номиналами напряжения: кроме стандартного 5 В, еще напряжения 3,3 В; 2,7 В; 1,8 В и даже 1,5 В.

Известно, что из-за малой помехоустойчивости сигналов низкого уровня их передача по линиям внешней связи невозможна. Поэтому в СБИС ПЛ применяются два номинала напряжения источника питания: повышенное (5 В) для схем ввода/вывода данных и меньшее (3,3 В и 2,7 В) для питания основных логических схем и накопителей памяти. Отсюда следует, что в разных областях кристалла будут использованы транзисторы с различными пороговыми напряжениями.

Для быстродействующих низковольтных схем разрабатывается глубоко субмикронная технология КМОП, обеспечивающая очень малую мощность потребления.

Основная литература: 1[190:201], 2[391:408]..

Дополнительная литература: 5[321:330].

Контрольные вопросы

1. Какие СБИС относятся к универсальным(стандартным) и что для них характерно?

2. Какие цели ставятся при разработке специализированных СБИС?

3. Как разделяют специализированные СБИС по критерию участия потребителя в реализации конкретной функции?

4. Какие СБИС называютсяся к полузаказным?

5. В каких случаях выбирается полностью заказное исполнение?

6. Какие элементы в современных СБИС программируемой логики используются в качестве программируемых ключей(двухполюсных элементов)?