Введение. 2 Основные понятия микроэлектроники

ОГЛАВЛЕНИЕ

1 Введение. 6

2 Основные понятия микроэлектроники. 11

2.1 Виды сигналов. 11

2.2 Классификация микросхем и их условные обозначения. 13

3 Математические основы цифровой электроники. 23

3.1 Позиционные системы счисления. 23

3.2 Таблица истинности. 28

3.3 Совершенная дизъюнктивная нормальная форма. 30

3.4 Основные законы булевой алгебры.. 31

3.5 Диаграммы Венна. 35

3.6 Карты Карно. 36

3.7 Этапы синтеза цифрового устройства. 39

3.8 Примеры синтеза цифровых устройств. 39

3.9 Мажоритарный логический элемент. 42

4 Базовые логические элементы.. 44

4.1 Классификация логических элементов. 44

4.2 Базовый элемент ТТЛ.. 44

4.3 Логический расширитель. 46

4.4 Элемент с открытым коллектором.. 46

4.5 Элемент с Z-состоянием на выходе. 47

4.6 Рекомендации по применению элементов ТТЛ.. 48

4.7 Базовый элемент ТТЛШ... 49

4.8 Базовая схема ЭСЛ.. 50

4.9 Базовые элементы КМОП.. 51

4.10 Основные характеристики логических элементов. 52

4.11 Примеры микросхем логических элементов. 55

4.12 Микросхемы на основе арсенида галлия. 57

5 Цифровые устройства комбинационного типа. 60

5.1 Шифратор. 60

5.2 Дешифратор. 62

5.3 Преобразователи двоичного кода в двоично-десятичный, и наоборот. 64

5.4 Дешифратор для управления семисегментным индикатором 66

5.5 Преобразователи кода Грея. 67

5.6 Мультиплексор. 68

5.7 Реализация функций с помощью мультиплексора. 70

5.8 Двоичный сумматор. 71

5.9 Двоично-десятичный сумматор. 74

5.10 Схемы вычитания. 75

5.11 Преобразователь прямого кода в дополнительный. 77

5.12 Цифровой компаратор. 78

5.13 Контроль четности. 79

5.14 Примеры построения комбинационных цифровых устройств 81

6 Цифровые устройства последовательностного типа. 85

6.1 Классификация триггеров. 85

6.2 Асинхронный RS-триггер. 86

6.3 Тактируемый RS-триггер. 86

6.4 D-триггеры.. 87

6.5 T-триггер. 88

6.6 JK-триггер. 89

6.7 Классификация счетчиков. 91

6.8 Асинхронный двоичный счетчик. 91

6.9 Асинхронный двоично-десятичный счетчик. 92

6.10 Синхронный двоичный счетчик. 93

6.11 Реверсивные счетчики. 93

6.12 Счетчики с произвольным модулем счета. 94

6.13 Регистры сдвига. 97

6.14 Регистры памяти. 98

6.15 Универсальные регистры.. 98

6.16 Кольцевой регистр. 99

6.17 Кольцевой счетчик. 100

6.18 Счетчики на регистрах сдвига. 100

6.19 Примеры построения цифровых устройств последовательностного типа 102

7 Полупроводниковые запоминающие устройства. 108

7.1 Классификация запоминающих устройств. 108

7.2 ПЗУ масочного типа. 109

7.3 Однократно программируемые ПЗУ.. 110

7.4 Перепрограммируемые ПЗУ.. 111

7.5 ОЗУ статического типа. 112

7.6 ОЗУ динамического типа. 114

7.7 Примеры микросхем памяти. 115

7.8 Организация блока памяти. 116

8 Примеры решения задач. 118

9 Компьютерный практикум по цифровой схемотехнике. 132

10 Варианты творческих заданий. 146

11 Пример выполнения творческого задания. 148

Список литературы.. 151

Приложение. Условные графические обозначения микросхем 153

Введение

Электроникой называют раздел науки и техники, занимающийся:

– исследованием физических явлений и разработкой приборов, действие которых основано на протекании электрического тока в твердом теле, вакууме или газе;

– изучением электрических свойств, характеристик и параметров названных приборов;

– практическим применением этих приборов в различных устройствах и системах.

Первое из указанных направлений составляет область физической электроники. Второе и третье направления составляют область технической электроники.

Схемотехника электронных устройств — это инженерное воплощение принципов электроники для практической реализации электронных схем, призванных выполнять конкретные функции генерирования, преобразования и хранения сигналов, несущих информацию в слаботочной электронике и функции преобразования энергии электрического тока в сильноточной электронике.

Исторически электроника явилась следствием возникновения и быстрого развития радиотехники. Радиотехнику определяют как область науки и техники, занимающуюся исследованиями, разработкой, изготовлением и применением устройств и систем, предназначенных для передачи информации по радиочастотным каналам связи.

В основе радиотехники лежат научные открытия XIX века: работы М. Фарадея (англ.), выяснившего закономерности взаимодействия электрического и магнитных полей; Дж. Максвелла (англ.), обобщившего элементарные законы электромагнетизма и создавшего систему уравнений, описывающих электромагнитное поле. Дж. Максвелл теоретически предсказал новый вид электромагнитных явлений — электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью света. Г. Герц (нем.) экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн.

Первый радиоприемник был изобретен, сконструирован и успешно испытан в 1895 г. А.С. Поповым (рус.). Годом позже радиосвязь осуществил Г. Маркони (итал.), запатентовавший свое изобретение и ставший Нобелевским лауреатом в 1909 году.

С этих пор развитие радиотехники определялось развитием ее элементной базы, которая в основном определяется достижениями электроники. Интересно вкратце проследить за основными этапами развития ее элементной базы.

Простейший электронный прибор — вакуумный диод — был изобретен Т. Эдиссоном (амер.) в 1883 г., который вмонтировал металлический электрод в баллон электрической лампы накаливания и зарегистрировал ток одного направления во внешней цепи. В 1904 г. Дж. Флемминг (англ.) впервые применил вакуумный диод в качестве детектора в радиоприемнике. Усилительный электровакуумный прибор — триод — был изобретен Луи де Форестом (амер.) в 1906 г. С этих пор в течение первой четверти ХХ столетия в ряде научных лабораторий многих стран мира происходило медленное созревание технологий электровакуумных приборов. В России это направление возглавил руководитель нижегородской лаборатории М.А. Бонч-Бруевич. Уже в 1922 г. сотрудники этой лаборатории построили в Москве первую в мире радиовещательную станцию им. Коминтерна мощностью 12 кВт. А к 1927 г. было построено 57 таких станций. В 1925 г. была создана генераторная лампа мощностью 100 кВт. В 1933 г. в России вступила в строй мощнейшая в мире (500 кВт) радиостанция. Первый телевизионный передатчик мощностью 15 кВт введен в строй в Москве в 1948 г. А.И. Берг в 1927–1929 гг. создал классическую теорию передатчиков. В.А. Котельниковым в период с 1933 по 1946 гг. доказана теорема квантования по времени, заложившая основу цифровых методов обработки сигналов, показана возможность радиосвязи на одной боковой полосе и опубликована теория потенциальной помехоустойчивости.

Период с 1920 по 1955 гг. был эрой ламповой электроники.

Первый полупроводниковый триод — транзистор — создан в 1948 г. Дж. Бардиным и У. Браттейном (амер.). С 1955 г. начинается эра полупроводниковой электроники. Первые интегральные схемы появились в 1960-е годы. Первый микропроцессор датируется 1971 г.

В 1998 году транзистор отметил свой полувековой юбилей: в последний июньский день 1948 года американская фирма «Bell telephon laboratoris» продемонстрировала обще­ственности только что изобретенный электронный прибор, о котором назавтра «Нью-Йорк Таймс» сообщила буднично и без пафоса: «Рабочие элементы прибора состоят из двух тонких проволочек, прижатых к ку­сочку полупроводникового вещества... Вещество усиливает ток, под­водимый к нему по одной проволоч­ке, а другая проволочка отводит усиленный ток. Прибор под назва­нием «транзистор» в некоторых слу­чаях можно использовать вместо электронных ламп».

Да, именно так выглядел первый транзистор, и неудивительно, что даже специалисты не сразу смогли разглядеть его триумфальное буду­щее. А между тем представленный прибор мог усиливать и генериро­вать электрические сигналы, а также выполнять функцию ключа, по ко­манде открывающего или запираю­щего электрическую цепь. И, что принципиально важно, все это осу­ществлялось внутри твердого крис­талла, а не в вакууме, как это проис­ходит в электронной лампе. Отсюда следовал целый набор потенциаль­ных достоинств транзистора: малые габариты, механическая прочность, высокая надежность, принципиаль­но неограниченная долговечность. Через три-четыре года, когда были разработаны значительно более со­вершенные конструкции транзисто­ров, все эти ожидаемые достоинства начали становиться реальностью.

Честь открытия транзисторного эффекта, за которое в 1956 году была присуждена Нобелевская пре­мия по физике, принадлежит У. Шокли, Дж. Бардину, У. Браттейну. Харак­терно, что все трое были блистатель­ными физиками, целенаправленно шедшими к этому открытию. Шокли, руководитель группы исследова­телей, еще в предвоенные годы чи­тал лекции по квантовой теории по­лупроводников и подготовил фунда­ментальную монографию, которая надолго стала настольной книгой для специалистов в этой области. Высочай­шая квалификация Бардина как физика-теоретика подтверждена не только изобретением транзистора и предсказанием ряда эффектов в по­ведении полупроводников, но и тем, что позднее, в 1972 году, совместно с двумя другими исследователями он был повторно удостоен Нобелевской пре­мии — теперь за создание теории сверхпроводимости. Браттейн, самый старший в группе, к моменту изобре­тения транзистора имел за плечами пятнадцатилетний опыт исследова­ния поверхностных свойств полу­проводников.

Хотя само открытие транзисторного эффекта явилось до некоторой степени счастливой слу­чайностью (говоря сегодняшним язы­ком, они пытались изготовить поле­вой транзистор, а изготовили биполярный), теоретическая подготовка исследователей позволила им прак­тически мгновенно осознать откры­тое и предсказать целый ряд гораздо более совершенных устройств. Ины­ми словами, создание транзистора оказалось под силу лишь физикам, которые по необходимости владели еще и минимумом изобретательских навыков.

У нас в стране транзистор был воспроизведен в 1949 году во фрязинской лаборатории, возглавляемой А.В. Красиловым, круп-ным ученым, обладающим широчайшей эрудицией.

Первые транзи­сторы изготавли­вались на основе полупро­водника германия идопускали рабочую темпе­ратуру лишь до 70 °С, а этого во многих прикладных зада­чах было недостаточно.

Во второй половине пятидесятых годов в развитии транзисторов про­изошел решающий качественный скачок: вместо германия стали ис­пользовать другой полупроводник — кремний. В итоге рабочая темпе­ратура транзисторов выросла до 120–150 °С, при этом их характе­ристики сохраняли высокую ста­бильность, а срок службы приборов стал практически бесконечным. Но, пожалуй, главное заключалось в том, что в 1959 году американской фирмой «Firechild» примени­тельно к кремнию была разработа­на так называемая планарная тех­нология. Принципиальным здесь было то, что тончайшая пленка ди­оксида кремния, выращенная при высокой температуре на поверхнос­ти кристалла, надежно защищает кремний от агрессивных воздействий и является отличным изолятором. В этой пленке создают «окна», через которые, также при высокой темпе­ратуре, в полупроводник вводят легирующие добавки, — так изготавли­ваются фрагменты будущего прибо­ра. Затем на изолированную от объе­ма поверхность напыляют тонкопленочные алюминиевые токоподводы к активным зонам — и транзистор готов. Особенностями процесса яв­ляется то, что все воздействия на пластину осуществляются в одной плоскости и что обеспечивается од­новременная обработка тысяч и мил­лионов транзисторов на пластине, а это ведет к высочайшей степени воспроизводимости изделий и высокой производительности.

Методами планарной технологии легко обеспечить изоляцию транзи­сторов от подложки и друг от дру­га, а отсюда лишь шаг до создания интегральной схемы (микросхемы),т. е. создания электронной схемы с ак­тивными и пассивными компонен­тами и их соединениями на едином кристалле в едином технологическом процессе.Этот шаг был сделан в том же 1959 году. Мир вступил в эру микро­электроники.

Типичная микросхема представляет собой кремниевый кристаллик (чип), в приповерхностной области которо­го изготовлено множество транзис­торов, соединенных между собой пленочными алюминиевыми дорож­ками в заданную электрическую схе­му. В первой микросхеме «множе­ство» состояло всего лишь из 12 транзисторов, но уже через два года уровень интеграции превысил сто элементов на чипе, а к середине 60-х годов стали доминировать боль­шие интегральные схемы (БИС), содержащие тысячи элементов, затем — сверхбольшие (СБИС) и т. д.

Микросхема обладает тем большей информационной мощностью, чем большее количество транзисторов она содержит, т. е. чем выше плотность интеграции (плотность упаковки активных элементов в кристалле). А она определяется ми­нимальными размерами активного элемента и площадью кристалла, которые способна воспроизводить техноло­гия.

Изложенные в данном учебном пособии основы цифровой схемотехники формируют схемотехнические навыки построения цифровых устройств на базе интегральных микросхем. Изучается принцип работы простейших логических элементов и методы проектирования на их основе преобразователей кодов, сумматоров, цифровых коммутаторов, триггеров, регистров, счетчиков, микросхем памяти. Проверить работу многих устройств можно путем компьютерного моделирования с помощью пакета Electronics Workbench.

Рекомендуемый список литературы включает прежде всего справочники по цифровым интегральным микросхемам. Из других источников, используемых в данном учебном пособии, хочется отметить работы доцентов ТУСУРа Потехина В.А. [12] и Шибаева А.А. [6], которым автор выражает искреннюю благодарность.