Некоторые логические функции и реализующие их логические элементы

ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

для специальностей 071 700, 200 700,

200 800, 200 900, 201 000, 201 100, 201 200, 201 400

Новосибирск

УДК 621.382

Рассматривается принцип работы, характеристики и параметры цифровых и аналоговых микросхем. Кратко описываются технологические процессы, применяемые при изготовлении ИМС.

ктн, доц. В.Л. Савиных,

Для студентов дневной и заочной форм обучения специальностей 071700, 200700, 200800, 200900, 201000, 201100, 201200, 201400.

Кафедра технической электроники.

Ил. 58, табл. 18, список лит. 5 назв.

Рецензент ктн, доц. Матвеев В.А.

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве

учебного пособия

@ Сибирский государственный

университет телекоммуникаций

и информатики, 2004 г.

Содержание

1 Цифровые интегральные микросхемы…………………………….….5

1.1 Основы алгебры логики………………………………………………..5

1.2 Параметры ЦИМС……………………………………………………...9

1.3 Диодно-транзисторная логика………………………………………..11

1.4 Транзисторно-транзисторная логика…………………………………14

1.5 ТТЛ со сложным инвертором…………………………………………16

1.6 ТТЛ с открытым коллекторным выходом……………………………18

1.7 ТТЛ с тремя состояниями на выходе…………………………………19

1.8 ТТЛШ…………………………………………………………………...20

1.9 КМДП…………………………………………………………………...21

2 Операционный усилитель……………………………………………25

2.1 Параметры и характеристики ОУ……………………………………25

2.2 Структура ОУ…………………………………………………………26

2.3 Дифференциальный усилитель………………………………………27

2.4 Составной транзистор………………………………………………..28

2.5 Источники тока……………………………………………………….29

2.6 Схема сдвига уровня…………………………………………………29

2.7 Эмиттерный повторитель…………………………………………….31

2.8 Инвертирующий усилитель на ОУ………………………………..…31

2.9 Неинвертирующий усилитель на ОУ……………………………..…32

3 Технологические основы производства ППИМС…………..………42

3.1 Подготовительные операции…………………………………..……..42

3.2 Эпитаксия……………………………………………………...………43

3.3 Термическое окисление………………………………………………44

3.4 Литография……………………………………………………….……46

3.5 Легирование……………………………………………………………49

3.6 Нанесение тонких пленок………………………………………….….53

4 Полупроводниковые ИМС…………………………………………….56

4.1 Методы изоляции элементов в ППИМС……………………………..58

4.2 Планарно-эпитаксиальный биполярный транзистор…………………60

4.3 Планарно-эпитаксиальный биполярный транзистор со скрытым слоем………………………………………………………………………64

4.4 Разновидности биполярных транзисторов………………………..…65

4.5 Интегральные диоды ………………………………………………....68

4.6 Полевые транзисторы ………………………………………………...70

4.7 Полупроводниковые резисторы………………………………………75

4.8 Полупроводниковые конденсаторы …………………..…………….78

5 Гибридные ИМС…………………………………………………...….81

5.1 Подложки ГИМС………………………………………………….…..81

5.2 Резисторы ……………………………………………………………....82

5.3 Конденсаторы…………………………………………………………..84

5.4 Катушки индуктивности………………………………………………85

5.5 Пленочные проводники и контактные площадки…………….…….85

5.6 Навесные компоненты…………………………………………………86

5.7 Методы формирования заданной конфигурации пленочных элементов ГИМС…………………………………………………………………….86

7 Литература……………………………………………………………….

ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Основы алгебры логики

Основные определения

В зависимости от отсутствия или наличия элементов па­мяти цифро- вые устройства делятся на комбинационные устройства (КУ) и конечные автоматы (последовательные устройства). Выходные сигналы КУ определя- ются совокупностью (комбина­цией) входных сигналов, действующих на некотором интервале времени. Наличие элементов памяти в конечных автоматах обус­ловливает зависимость выходных сигналов на рассматрива- емом интервале от совокупности входных сигналов, действующих как на этом интервале времени, так и на ряде предшествующих интер­валов. В комбинационном устройстве связь между входны­ми x₁, x₂,… х_n и выходными у₁, у₂, …, у_n сигналами цифрового устройства может быть задана функциями вида:

(1.1)

Особенность входных сигналов (независимых переменных) и выходных сигналов (функций) заключается в том, что они могут принимать только два значения: 1 или 0. Такие функции называ­ются логическими,или переключательными, илибулевыми.

Раздел математики, который изучает логические функции, на­зывается алгеброй логики.

Наиболее часто логическая функция задается с помощью таб­лицы. В строках таблицы записываются все возможные наборы значений аргументов и указываются значения логической функ­ции, которые они принимают на каждом наборе. Эту таблицу принято называть таблицей истинности.Для m переменных мо­жет быть 2^m различных наборов. Пример логической функции трех аргументов x₁, х₂, x₃ приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Номер набора	Х3	Х2	Х1	У	Номер набора	Х3	Х2	Х1	У

Если рассматривать наборы x₃, x₂, x₁ как двоичные числа, то удобно ввести десятичную нумерацию наборов. Например, набор x₃= 1, х₂=1, x₁ = 0 имеет номер 6.

Вместо таблицы истинности иногда логическую функцию удоб­но задавать словесным описанием. Например, функция у,заданная таблице 1.1, может быть словесно определена так: у=1в том случае, если не менее двух аргументов принимают значение 1.

По способу соединений элементов цифровые устройства делят­ся на два типа: на устройства со статическими (потенциальны­ми) связями между элементами и устройствами с динамическими (импульсными и импульсно-потенциальными) связями между эле­ментами. Учитывая широкое распространение в интегральной схе­мотехнике элементов с потенциальными связями, в дальнейшем будем ориентироваться только на элементы этого класса.

Некоторые логические функции и реализующие их логические элементы

Логическое сложение (дизъюнкция). Логическая функция уявляется логической суммой (дизъюнкцией) переменных y=f(х₁, х₂, ..., х_n),если она равна 1 в тех наборах, на которых хотя бы одна независимая переменная равна 1, и равна 0 в остальных набо­рах. Пример функции у,являющейся логической суммой двух переменных х₁ и х₂, приведен в таблице 1.2.

Таблица 1.2 Таблица 1.3

Номер набора	Х2	Х1	У		Номер набора	Х2	Х1	У

Логическое сложение двух переменных принято обозначать следующим образом: y=х₁ Ú х₂,а логическое сложение n переменных

y=x₁Ú х₂Ú …Ú х_n (2)

Схема, с помощью которой из входных переменных х₁, х₂, ..., х_n образуется их логическая сумма, называется логическим эле­ментомИЛИ. Графическое обозначение этого элемента при двух входных переменных приведено на рисунке 1.la.

Логическое умножение (конъюнкция). Логическая функция уявляется логическим произведением (конъюнкцией) переменных

x₁, х₂, ..., х_n,если она равна 1 только на тех наборах, на которых все переменные одновременно равны 1. Пример функции у,явля­ющейся логическим произведением двух переменных х₁ и х₂,при­веден в таблице 3.

Логическое умножение двух переменных будем обозначать так же, как обозначают обычное алгебраическое умножение y=x1Lx2. Для n переменных можно записать:

Y=х₁Lx₂L…L x_n (1.3)

а

б

в

г

д

Рисунок 1.1

Схема, с помощью которой из входных переменных х₁, х₂, ..., х_n образуется их логическое произведение у, называется логиче­ским элементомИ. Графическое обозначение этого элемента при двух входных переменных приведено на рисунке 1.1б.

Логическое отрицание (инверсия). Логическая функция уяв­ляется логическим отрицанием переменной х,если ее значение противоположно значению переменной х. Функция у, являющаяся отрицанием переменной х, приведена в таблице 1.4. Логическое отрицание принято обозначать Таблица 1.4.

х	у

. Схема, с помо­щью которой реализуется логическое отрицание, называется логи­ческим элементомНЕ. Графическое обозначение этого элемента приведено на рисунке 1.lв.

При построении современных цифровых устройств нашли ши­рокое применение некоторые логические функции, являющиеся простыми комбинациями рассмотренных.

Логическое сложение с отрицанием (стрелка Пирса). Логиче­ская функция уявляется логической суммой с отрицанием незави­симых переменных х₁, х₂, ..., х_n, если она равна 0 на тех наборах, на которых хотя бы одна переменная равна 1. Пример указанной функции при двух переменных приведен в таблице 1.5.

Логическое сложение с отрицанием обозначается . Иногда в литературе пользуются обозначением y=х₁+х₂. В дальнейшем будем использовать первое обозначение. Для функции nпеременных можно записать:

Схема, реализующая функцию «логическое сложение с отрица­нием», называется логическим элементомИЛИ-НЕ (элементом Пирса). Графическое обозначение элемента при двух переменных приведено на рисунке 1.1г.

Логическое умножение с отрицанием (штрих Шеффера). Ло­гическая функция уявляется логическим произведением с отрицанием

Таблица 1.5 Таблица 1.6

Номер набора	Х2	Х1	У		Номер набора	Х2	Х1	У

независимых переменных х₁, х₂, ..., х_n, если она равна 1 толь­ко на тех наборах, на которых хотя бы одна переменная равна 0. Пример функции у, являющейся логическим произведением с от­рицанием двух переменных, приведен в таблице 1.6.

Логическое умножение с отрицанием для двух переменных будем обозначать . Иногда в литературе встречается обозна­чение . Для реализации функции «логическое умножение с отрицани­ем» используется логический элемент, называемый элементом И-НЕ (элементом Шеффера). Его графическое обозначение при­ведено на рисунке 1.1д.