1. Определение микроэлектроники, интегральных схем. Классификация ИМС. Система обозначений ИМС.
Микроэлектроника - это раздел электроники, охватывающий исследования и разработку качественно нового типа электронных приборов (интегральные микросхемы (ИС,ИМС)) и принципов их применения.
Интегральные схемы (ИС) – совокупность большого количества взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т.д.) ,изготовленных в едином техническом цикле на одной и той же несущей конструкции (подложке) и выполняющих определённую функцию преобразования информации.
Классификации ИМС:
1)Полупроводниковые(монолитные)
а)Биполярные(ТТЛ, ТТЛШ, И2Л, ЭСЛ)
б)Униполярные (p-канальные, n-канальные, КМОП)
в)БиМОП
2)Гибридные
а)Тонкопленочные(1-2 мкм)
б)Толстопленочные(более 2 мкм)
3)Прочие
а)Вакуумные
б)Керамические
Система условных обозначений ИМС.
Тип корпуса ИМС.
Конструктивно-технологическое исполнение:
Номер серии ИМС.
Принадлежность схемы по функциональному назначению.
Порядковый номер разработки в данной серии (1 или 2 цифры).
Тип выводов ИМС.
2. Определение ГИС. Элементы ГИС. Методы формирования тонких пленок.
Гибридная ИС (ГИС) – микросхема которая представляет собой комбинацию пленочных пассивных элементов и активных компонентов расположенных на общей диэлектрической подложке (активные компоненты являются навесными).
Пассивными элементами называют резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.
Активными элементами называют транзисторы, диоды и прочие элементы микросхем.
Пассивные элементы ГИС.
Резисторы.
Конденсатор.
Катушка индуктивности.
Методы формирования тонких пленок.
Существует 3 основных метода формирования тонких пленок:
Термическое вакуумное напыление;
Ионно-плазменное напыление:
а) Катодное напыление;
б) Ионно-плазменное напыление;
Электрохимическое осаждение.
Термическое вакуумное напыление
1.Металлический или стеклянный колпак.
2.Опорная плита.
3.Прокладка,поддерживающая вакуум.
4.Подложка.
5.Держатель.
6.Нагреватель.
7.Испаритель.
8.Поворотная заслонка.
Недостатки метода: большой расход материала, низкая адгезия(прочность сцепления пленки с подложкой или другой пленкой)невысокое качество пленок из-за неравномерности напыления, трудность воспроизведения химического состава испаряемого вещества.
Достоинства метода: скорость напыления, простота и отработанность технологии, возможность получения чистых пленок из-за высокой степени вакуума.
Катодное напыление.
1.Металлический или стеклянный колпак.
2.Опорная плита.
3.Прокладка,поддерживающая вакуум.
4.Подложка.
5.Держатель.
6.Катод изготовленный из напыляемого
вещества.
7.Нагреватель.
8.Штуцер.
Недостатки метода: материал должен обладать высокой теплопроводностью (невозможность напыления окислых и диэлектриков), загрязненность пленок из-за не высокого вакуума, низкая скорость напыления.
Достоинства метода: низкая температура, небольшой расход напыляемого вещества т.к. напыление идет только на подложку.
Ионно-плазменное напыление.
1.Металлический или стеклянный колпак.
2.Опорная плита.
3.Прокладка,поддерживающая вакуум.
4.Подложка.
5.Держатель.
6.Накаливаемый катод.
7.Анод.
8.Штуцер.
9.Мищень.
Недостатки метода: материал должен обладать высокой теплопроводностью (невозможность напыления окислых и диэлектриков), загрязненность пленок из-за не высокого вакуума, низкая скорость напыления.
Достоинства метода: большая скорость напыления, чем в катодном и большая гибкость процесса.
Электрохимическое осаждение.
В основе метода лежит электролиз раствора содержащего ионы необходимых примесей. Ионы материалов в растворе имеют положительный заряд, поэтому подложку используют, как катод.
Недостатки метода: очень низкое качество получаемых пленок.
Достоинства метода: большая скорость напыления, возможность регулировки толщины получаемых пленок с помощью изменения тока.
3. Определение ГИС. Элементы ГИС. Методы формирования элементов ГИС.
Гибридная ИС (ГИС) – микросхема которая представляет собой комбинацию пленочных пассивных элементов и активных компонентов расположенных на общей диэлектрической подложке (активные компоненты являются навесными).
Пассивными элементами называют резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.
Активными элементами называют транзисторы, диоды и прочие элементы микросхем.
Пассивные элементы ГИС.
Резисторы.
Конденсатор.
Катушка индуктивности.
Существует несколько методов формирования элементов ГИС:
1.Метод съемной маски;
2.Метод контактной маски;
Метод съемной маски.
Метод съемной маски основан на осаждении пленок через маски. Маска представляет собою тонкую биметалическую фольгу с отверстиями (окнами).
На рисунке 1-подложка, 2-маска.
Недостатки метода: в процессе происходит напыления на сами трафареты и приводит их в негодность, провисание трафаретов, так же мало пригодны при катодном и ионно-плазменном напылении так как искажают электрическое поле, что влияет на скорость напыления.
Метод контактной маски.
Методом контактной маски называют процесс создавания или переноса геометрического рисунка (топологии) на поверхность подложки, так же его называют литографией.
Для формирования изображения на поверхности применяются специальные материалы называемые резистами, чувствительные к активному излучению и наносимые тем или иным способом на подложку (центрифугированием или пульверилизацией). После обработки активным излучением пленка резиста претерпевает физико-химические изменения в следствии которых становится устойчивой к агрессивной среде. Ненужные части пленки удаляют так называемым проявителем. Оставшийся рисунок, называют маской.
Фотолитография.
Фотолитографией называют литографию в которой, в качестве активного излучения используется электромагнитные волны видимой и УФ области.
Рассмотрим процесс формирования тонкопленочного резистора с помощью фотолитографии.
Определение ППИС. Элементы ППИС. Определение биполярного интегрального транзистора. Формирование биполярного интегрального транзистора методом тройной диффузии. Достоинства и недостатки.
Полупроводниковая ИС (ППИС) – это микросхема, которая представляет собой кристалл полупроводника, в приповерхностном слое и объёме которого сформированы области, эквивалентные элементам электрической схемы и соединений между ними.
Метод тройной диффузии
Локальная диффузия проводится через окна в маске диоксида кремния. В исходную пластину p-кремния внедряют донорную примесь и получают n-слой (область коллектора). Во время второй диффузии в полученный n-слой внедряют акцепторную примесь с большей концентрацией на меньшую глубину.
Затем проводят третью диффузию для получения эммитерного слоя. Каждая диффузия включает процессы: окисление пластины, наложение фотошаблона, засвечивание, травление и диффузию.
5. Теоретические основы диффузии(законы Фика).
Базируются на законах Фика:
I=-D*dn/dx, где I-плотность потока частиц.
- характеризует скорость накопления частиц в кристалле или накопление атомов
примеси на определённой глубине. Граничные условия:
N(0,t) – концентрация примеси на поверхности.
N( ,t) – концентрация примеси на противоположной стороне подложки.
Ln – глубина, на которую надо внедрить примесь.
Ns – поверхностная концентрация.
Существует две разновидности технологического процесса:
Случай неограниченного источника диффузанта.
N(0,t)=const=Ns.
, где еrfc – дополнительная функция ошибок, близкая к экспоненциальной функции e^-z.
Для создания p-n перехода необходимо на глубине Ln получить равенство концентраций внедряемой примеси и собственной концентрации кристалла:
В случае ограниченного источника диффузанта.
Сначала в приповерхностный слой пластины вводят некоторое коли-
чество атомов диффузанта, затем источник диффузии отключают, повышают температуру и атомы примеси перераспределяются по глубине при неизменном их общем количестве.
где Q – количество атомов примеси на единицу площади.
6. Формирование биполярного интегрального транзистора по эпипланарной технологии. Функциональное назначение n+ областей.
Эпипланарная технология изготовления БИС
Имеется исходная пластина p-si с отполированной поверхностью.
1) Проводится общее окисление пластины.
2) Фотолитография: формирование окон в окисле под n+ слой.
3) Диффузия: формирование n+ слоя.
4) Стравливание окисла, наращивание эпитаксиального n – слоя.
5) Наращивание эпитаксиального слоя.
6) Общие окисление.
7) Вторая литография, формирование окна в окисле под диффузию.
8) Вторая диффузия, формирование p – слоёв ( n – карманов ).
9)Третья фотолитография. Формирование окон под базовую область.
10) Третья диффузия, формирование базовых областей.
11) Четвёртая литография, формирование окон в окисле и оптические контакты коллекторов.
12) Четвёртая диффузия, создание n+ слоёв.
13) Пятая фотолитография, формирование окон в окисле под омические контакты.
14) Напыление алюминия.
15) Шестая фотолитография, формирование окон в окисле под металлическую разводку.
16) Травление алюминия.
17) Термическая обработка для вжигания алюминия.
7. Профиль распределения примеси по глубине эпипланарного биполярного транзистора.
8. Разновидности биполярных интегральных транзисторов(МЭТ, МКТ, ТШ, супербета транзистор)
Многоэмиттерные транзисторы
МЭТ – составляют основу класса цифровых схем ТТМ. Недостатки: 1)образование горизонтальных паразитных транзисторов n+ – p – n+. Для того чтобы этого избежать либо увеличивают расстояния между эмиттерами, так чтобы оно превышала диффузионную длину носителей заряда, либо легируют базовый слой золотом. 2) Необходимо уменьшение инверсного коэффициента передачи тока эмиттера для этого искусственно увеличивают сопротивление базы, удаляя омический контакт от активной области транзистора.
Многоколлекторные транзисторы
Это многоэмиттерный транзистор, работающий в инверсном режиме. Составляют основу класса цифровых схем И2Л. Главной проблемой является увеличение коэффициента передачи тока, отсюда следует что коллекторы располагают как можно ближе друг к другу.
Транзисторы Шоттки
Составляют основу класса цифровых схем ТТЛШ.
Супер бетта-транзисторы.
Это транзисторы с коэффициентом усиления от 3000 до 5000, но пробивное напряжение такого транзистора очень низкое, поэтому эти транзисторы ставятся во входных каскадах операционных усилителей.
Проблемы: 1) Технические проблемы, две диффузии проводят через одно окно. 2) Оттеснение коллекторного перехода. 3) Принципиальные физические проблемы.
Интегральные диоды
Интегральные диоды
Это диодные включения интегральных транзисторов.
анод – катод
БК – Э
Б – Э
БЭ – К
Б – К
Б – ЭК
9. Униполярные интегральные транзисторы и их классификация. Принцип работы.
10. МДП — транзисторы с индуцированным каналом. Образование горловины. Аналитические выражения ВАХ.
11. Структура МДП — транзистора, полевого транзистора, КМОП — транзистора.
V- МДП транзисторы с вертикальным токопереносом имеют 3-х мерную структуру. Изготавливается путем селективного травления.
В полевых транзисторах каналом является участок однородного полупроводника отделенный от поверхности обеднённым слоем.
Затвор представляет собой металлический контакт и p+ слой. Вместо диэлектрика используется обедненный слой обратно смещенного p-n перехода. На p-n переход подается обратное напряжение, чем больше, тем глубже обедненный слой,тем меньше толщина канала. Меняют поперечное сечение канала и следовательно его сопротивление.
12. Статический режим биполярного транзисторного ключа. Критерий насыщения.
Статический режим работы биполярного транзисторного ключа
Рис.2 Простейший транзисторный ключ
По второму закону Кирхгофа имеем:
Рис.3
Из рис. 3 получим: 
Рис. 4 Статически характеристики транзистора: а – входная, б –выходная.
Когда Uвх становится равным 0,1 инжекция коллектора начинает препятствовать дальнейшему увеличению Iк, он остаётся практически неизменяемым.
Рабочая точка транзисторного каскада в статическом режиме задаётся базовым током и Uкэ.
В режиме насыщения Iк
не управляется током базы. Критерием
насыщения называется условие: 
.
– условие, чтобы смещение на КП было
прямым.
Силу неравенства характеризуют степенью насыщения:
- глубина проникновения рабочей точки в область насыщения.
Рис. 5 Переходные процессы в биполярном транзисторном ключе.
13. Параллельное соединение транзисторных ключей. Последовательная ключевая цепочка. Нагрузочная способность транзисторного ключа.
Статический коэффициент передачи:
Динамический коэффициент
передачи тока определяется отношением
приращения Iк
к вызывающему его приращению Iб:
Дифференциальное входное
сопротивление: 
Нагрузочная способность. В последовательной цепочке каждый транзистор может управлять не одним а несколькими включенными транзисторами. Нагрузочная способность – это количество параллельно включенных ключей, которыми способен управлять данный ключ. Выведем формулу:
где σмин - минимальная степень насыщения.
14. Переключатель тока. Последовательная цепочка переключателей тока.
Рис.3 Переключатель тока.
Переключатель тока – это симметричная схема, в которой заданный ток протекает через ту или иную ветвь в зависимости от потенциала Uвх.
Рис.4 Последовательная цепочка переключателей тока.
Непосредственное соединение переключателей невозможно. Их соединяют через дополнительные согласующие схемы – схемы смещения уровня, через дополнительные согласующие схемы или реализуют схему включения переключателей через эмиттерный повторитель.
15. ДТЛ. Принцип действия Функциональное назначение. Логический перепад.
Выполняет функцию «И-НЕ».
X1 X2 Y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0
Рис.7
VD1, VD2 – умножение сигнала, VD3, VD4 – диоды смещения.
Рис.8 ДТЛ.
Цепь смещения, состоящая из резистора R3 и источника питания –Е обеспечивают постоянное прямое смещение на диодах VD3, VD4.
16.ТТЛ. Принцип действия Функциональное назначение. Логический перепад.
A B C 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0
Рис.1 ТТЛ.
Выполняет функцию «ИЛИ-НЕ».
ТТЛ логика с барьерами Шоттки.
За счёт барьера Шоттки образуется линейная обратная связь. Он шунтирует
КП напряжением порядка 0,4-0,5В. При переходе транзистора в режим насыщения, то есть при смене полярности на КП диод отпирается и на нём устанавливается прямое напряжение. Таким образом исключается режим двойной инжекции и накопление избыточного заряда в базе.
Рис.2 ТТЛ с барьерами Шоттки.
17.ЭСЛ. Принцип действия Функциональное назначение. Логический перепад.
Рис.1 ЭСЛ.
Микросхемы ЭСЛ питаются отрицательным напряжением, то есть напряжение подается от эмиттеров, коллекторные цепи заземляются. Транзисторы Т4 и Т5 выходных эмиттерных повторителей работают постоянно в активном режиме. Схема ЭСЛ выполняет две логические функции.
|
А |
В |
С |
D |
|
0 |
0 |
1 |
0 |
|
0 |
1 |
0 |
1 |
|
1 |
0 |
0 |
1 |
|
1 |
1 |
0 |
1 |
18.И2Л. Принципиальная схема.
Схемы И2Л не имеют аналогов в дискретных транзисторных схемах, специфичных для интегрального исполнения и являются модификацией РТЛ. В схемах И2Л удаляют (закорачивают) резисторы в базовых цепях. Независимо от того в каком состоянии находятся транзисторы через резистор
Rk протекает практически постоянный ток. Поэтому эти резисторы заменяют генераторами постоянного тока. Из коллекторных цепей предыдущего элемента источник питания переносят в базовую цепь следующего элемента.
Характерной особенностью И2Л является индивидуальное питание базы каждого транзистора от своего генератора тока. Индивидуальные генераторы осуществляют с помощью p-n-p транзисторов, включенных по схеме с общей базой. Они работают в режиме двойной инжекции. Эмиттеры и базы всех p-n-p транзисторов оказываются соединены друг с другом. Затем их заменяют одним многоколлекторным транзистором. Для увеличения количества логических элементов с сохранением количества карманов n-p-n транзисторы также делают многоколлекторными. Питающие токи баз получаются благодаря инжекции дырок через ЭП p-n-p транзистора. Эмиттер, выполняющий функцию питания – инжектор.
Рис.2 Происхождение логического элемента И2Л: a – замена резистора генератором тока в схеме РТЛ, б – перемещение генераторов тока в базовые цепи следующих логических элементов, в – включение генератора тока между базой и общей «земляной» шиной, г – схема И2Л (генераторы не обозначены).
Рис.3 Осуществление генераторов тока с помощью индивидуальных p-n-p транзисторов (а) и одного многоколлекторного p-n-p транзистора (б).
19.И2Л. Технологический процесс.
Рис.4 Структура и топология И2Л.
На подложке n+ выращивают эпитаксиальный n-слой.
Проведение диффузии n+ примесью на глубину вплоть до n+ подложки.
Проведение диффузии р-примеси для формировании баз n-p-n транзисторов и эмиттеров p-n-p транзисторов.
Проведение диффузии для формирования коллекторных областей n-p-n транзисторов.
Технологические операции по осуществлению металлической разводки. Роль эмиттера n-p-n транзистора играет эпитаксиальный слой вместе с n+ подложкой. Инжектор выполнен в виде длинной полоски на этапе базовой диффузии. Базой p-n-p транзистора является эпитаксиальный слой, а коллектором базовые p-cлои n-p-n транзисторов.
20. Бистабильные ячейки. Принцип действия.
Бистабильные ячейки и триггеры
Э
лектронные
схемы, имеющие два равноценных варианта
устойчивых состояний, называют
бистабильными ячейками.
Триггеры различаются способами управления бистабильной ячейкой.
Схеме свойственна симметричная конфигурация, наличие положительных обратных связей, электрическая асимметрия.
21.Триггеры. Режим раздельных входов.(+см. 22 вопрос)
У
правление
в режиме раздельных выходов
Транзисторы Т2 и Т4 управляются внешним сигналом – током базы, принимающим одно из двух значений.
Логическая формула описывающая
работу RS-триггера:
RS-триггер относится к классу асинхронных, изменение состояния которых происходит когда меняется уровень на соответствующем входе.
22.Триггеры. Режим общего входа.
RST-триггер
Относится к классу синхронных триггеров, у которых состояние может изменяться только при поступлении специальных тактовых импульсов.
D-триггер
D-триггер – синхронный триггер с одним информационным входом.
Т-триггер
Т-триггер – триггер со счетным входом.
JK-триггер
JK-триггер – синхронный триггер с двумя информационными входами (J – аналог входа S, K – аналог входа R).
В отличии от RS триггера в JK допустим набор, когда J=K=1. Триггер при этом работает как Т-триггер, т.е. с каждым тактовым импульсом переключается в состояние противоположное предыдущему.
23. МДП – транзисторный ключ с резисторной нагрузкой.
Рис.1 Схема МДП-транзисторного ключа с резистивной нагрузкой.
При входном напряжении меньше порогового происходит запирание ключа (Uзи<U0), через транзистор протекает остаточный ток – ток обратно смещённого стокового перехода. Отпирание ключа происходит при напряжении Uзи>Uпор.
МДП-транзисторный ключ является инвертором.
Рис. 3 Схема МДП-транзисторного ключа с динамической нагрзкой.
Роль динамической нагрузки выполняет транзистор T2, у которого затвор соединён со стоком и который тем самым является двухполюсником-резистором. Транзистор Т2 – нагрузочный, Т1 – активный. Т2 всегда работает в режиме насыщения. Если Uзи<U0, то Т1 закрыт, выходное напряжение равно Ес. Если Uзи>U0 Т1 открыт, Ucи=Uост.
Рис.4 Схема комплементарного транзисторного ключа.
Комплементарными называются схемы, в которых используется сочетание n и p – канальных транзисторов.
КМДП – транзисторные ключи практически не потребляют энергии в обоих состояниях, так как через всю цепочку будет протекать только остаточный ток.
26) МОПТЛ. Параллельное включение логических транзисторов.
Логические транзисторы Т1 и Т2 включены параллельно, отпирание каждого из них приводит к снижению выходного уровня, т.е. схема выполняет функцию ИЛИ-НЕ.
В
открытом состоянии остаточное
напряжение на ключе имеет столь же малое
значение (0,05-0,15 В), как и в биполярнМалое
остаточное напряжение подразумевает
как можно меньшую ширину канала
нагрузочного транзистора по сравнению
с шириной канала активного транзистора.
В схеме МОПТЛ остаточное напряжение убывает пропорционально числу открытых логических транзисторов, так как параллельное соединение транзисторов равносильно увеличению удельной крутизны.
В закрытом состоянии ключа выходное напряжение близко к напряжению питания: U1 =ЕС. Достоинством МОПТЛ является повышенная помехоустойчивость: на входе запертого транзистора действует уровень U0. Для отпирания транзистора необходимо напряжение U0 – U0, близкое к пороговому, т. е. 1,5-3 В, тогда как у биполярных ИЛЭ, рассмотренных выше, оно составляет (1—2)U*, т. е. 0,7-1,4 В.
ых ключах. Поэтому можно считать
U0= Uост = 0,1 В.
27) МОПТЛ. Последовательное включение логических транзисторов.
П
ротекание
тока в цепи, а значит, и низкий уровень
U0
выходного напряжения возможны только
при отпирании всех (в данном случае
обоих) логических транзисторов. Это
имеет место при подаче уровня U1
на все логические входы. Данный ИЛЭ
выполняет функцию И-НЕ.
Уровень U1 в данной схеме такой же, как в предыдущей, но уровень U0 больше — он пропорционален числу последовательно включенных логических транзисторов и может составлять 0,2-0,5 В и более. Соответственно меньше будет логический перепад. При напряжениях питания 10 В и более этот недостаток мало существен, однако в низковольтных схемах с малыми пороговыми напряжениями повышенный уровень U0 представляет определенную проблему.
Быстродействие МОПТЛ, как и простейших МОП-ключей, ограничивается скоростью перезаряда выходной емкости С. Величина этой емкости пропорциональна количеству нагрузочных ИЛЭ, а также зависит от емкости металлизации.
Для повышения быстродействия нужно увеличивать рабочие токи транзисторов, т.е. их удельные крутизны. Однако это означает увеличение ширины канала, т.е. площади, занимаемой транзисторами. Кроме того, увеличение рабочих токов связано с увеличением потребляемой мощности, а это — еще одно препятствие на пути повышения степени интеграции. Из-за отмеченных затруднений реальные МОПТЛ оказываются менее быстродействующими, чем биполярные.
28) КМОПТЛ. Реализация логических функций "ИЛИ-НЕ", "И-НЕ"
КМОП логические элементы на комплементарных ключах
а — элемент ИЛИ-НЕ; б — элемент И-НЕ
Основное достоинство КМОП-ключей состоит в том, что изменение выходного напряжения не связано с изменением тока: он остается близким к нулю. Это преимущество — ничтожную потребляемую мощность — сохраняют и КМОП логические элементы.
Закономерность структуры КМОП логических элементов: параллельное соединение одного типа транзисторов сопровождается последовательным соединением транзисторов другого типа. Выполняемая логическая функция определяется включением транзисторов «нижнего этажа». В рассматриваемых схеме — это n-канальные транзисторы. Если изменить полярность питающего напряжения, то в «нижнем этаже» окажутся транзисторы с p-каналом.
2
9)
БиКМОП - логический элемент
Рассмотрим работу БиКМОП-логики на примере простого инвертора, элемента НЕ. В статическом состоянии этот элемент работает как обычным КМОП-инвертор (Т1, Т2), у которого последовательно с каналом каждого из транзисторов включены резисторы R1, R2, сопротивления которых сравнимы с сопротивлениями каналов соответствующих транзисторов в открытом состоянии. Статические токи в КМОП-инверторе отсутствуют, напряжения на резисторах R1 и R2 равны нулю и биполярные транзисторы Т3 и Т4, эмиттерные переходы которых подсоеденины к этим резисторам, закрыты, т.е. биполярные транзисторы в статическом состоянии не влияют на характеристики БиКМОП-вентиля.
Пусть в исходном состоянии на входе инвертора низкий логический уровень; это соответствует открытому состоянию р-канального транзистора Т1 и высокому уровню на выходе инвертора, т.е. конденсатор нагрузки СН заряжен до уровня Ес. После поступления на вход высокого логического уровня транзистор Т1 запирается, а Т2 отпирается и начинается разряд Сн через транзистор Т2 на параллельно соединенные резистор R2 и эмиттерный переход биполярного транзистора Т4. Протекание части разрядного тока через эмиттерный переход приводит к открыванию Т4 и значительному ускорению перезаряда емкости нагрузки. Процесс переключения при переходе входного сигнала из высокого логического уровня в низкий происходит аналогично.
Из приведенного описания следует, что использование биполярных транзисторов позволяет нейтрализовать влияние емкости нагрузки, являющейся одним из основных факторов, ограничивающих быстродействие КМОП-ИС.
30) Помехоустойчивость ключей. Порог чувствительности.
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ КЛЮЧЕЙ
Помимо управляющих сигналов, на ключи и ключевые схемы всегда воздействуют паразитные сигналы, обусловленные внешними электромагнитными помехами («наводками») или же внутренними процессами, например, связями через общий источник питания. Поэтому рабочие сигналы должны превышать уровень помех, а к малым паразитным сигналам ключ должен быть по возможности нечувствителен, т. е. не должен реагировать на них так, как он реагирует на полезный сигнал.
Индифферентность ключа (или другой схемы) к паразитным сигналам называют помехозащищенностью или помехоустойчивостью.
Помехоустойчивость принято измерять абсолютной величиной сигнала (обычно в вольтах), который еще не вызывает ложного отпирания или запирания ключа. Помехоустойчивость по отношению к сигналам положительной и отрицательной полярности может быть существенно разной. Анализ помехоустойчивости предполагает, что ключ работает в последовательной цепочке.
Последовательная цепочка ключей
должна работать как одно целое, изменение
состояния 1-го ключа должно сопровождаться
изменением состояния всех остальных
ключей, вплоть до последнего. Оказывается,
для этого входной сигнал должен превышать
так называемый порог чувствительности,
в противном случае сигналы в цепочке
«затухают», и ключи удаленные от первого,
не меняют своего состояния. Порог
чувствительности должен быть больше
сигнала помехи.
Для того, чтобы оценить порог чувствительности, рассмотрим предварительно общую методику определения рабочих точек в последовательной цепочке ключей. Задача ставится таким образом: известна рабочая точка n-го ключа, необходимо с помощью передаточной характеристики найти рабочую точку n+1-го ключа. Используются три способа решения этой задачи, последующие рассуждения основаны на очевидном соотношении Uвых n=Uвх (n+1) , где n — номер ключа в цепочке.
Непосредственный способ решения указанной задачи. Пусть задана рабочая точка п. Проектируя ее на ось ординат (стрелка 1), получаем значение Uвых n. Откладывая это значение по оси абсцисс (стрелка 2), получаем значение Uвх (n+1). Проводя вертикаль из этой абсциссы (стрелка 3), находим рабочую точку (n+1). Далее процедура повторяется.
Более удобный и наглядный способ решения, основанный на использовании биссектрисы, проведенной из начала координат. Биссектриса является геометрическим местом точек, характеризуемых равенством Uвыx = Uвх. Значит, проектируя точку n на биссектрису (стрелка 1), получаем точку п‘ , абсцисса которой есть Uвх (n +1). Проводя из точки п' вертикаль до пересечения с передаточной характеристикой (стрелка 2), получаем точку (n+1). Именно этот способ будет использоваться в дальнейшем.
Т
еперь
рассмотрим случай, когда при том же
исходном состоянии цепочки подан
меньший управляющий сигнал Uвх2.
Используя прежнюю процедуру, получаем
рабочие точки 1,2,3 и т.д. и убеждаемся,
что данный сигнал недостаточен для
управления цепочкой, так как изменяется
состояние только нескольких первых
ключей (и то не полностью), а состояние
остальных остается прежним.
Нетрудно догадаться, что критерием
достаточной величины сигнала является
условие Uвх>Uc.
Поэтому напряжение Uc,соответствующее
точке пересечения биссектрисы с
передаточной характеристикой, называют
порогом чувствительности
На первый взгляд, порог чувствительности непосредственно определяет помехоустойчивость ключевой цепочки. Если импульс положительной помехи удовлетворяет условию U+вх<Uc а импульс отрицательной помехи — условию Uвх<(Е - Uc), то состояние цепочки ( за исключением первых нескольких ключей) не будет меняться. Указанные условия необходимы, но недостаточны.
Достаточными условиями помехоустойчивости являются:
U+вх<Uа , U-вх<(Е - Ub)
Здесь Uа и Ub — абсциссы точек а и b, характерных тем, что для них модуль производной dUBbIX/dUBX равен единице. Эта производная дифференциальный коэффициент усиления ключа. Если U+вх<Uа , то коэффициент усиления К < 1, т. е. входной сигнал в цепочке не усиливается, а ослабляется, и нет опасности ложного переключения. Если же U+вх>Uа , то К > 1 и «верхушка» импульса U+вх-Uа усиливается. При наличии обратных связей это может стать причиной ложного переключения. Аналогично обстоит дело и с отрицательной помехой.
Учитывая все сказанное, помехоустойчивость ключа оценивают величинами
U+п=Uа U-п=-(Е – Ub)
31) Логические элементы на МЕП-транзисторах.
Схема НЕ
С
хема
НЕ содержит пассивный транзистор VT1
(нормально открыт) и входной активный
транзистор VT2
(нормально закрыт). Пассивный транзистор
VT1 включен по схеме
двухполюсника и выполняет роль источника
стокового тока, значение которого
практически не изменяется в широком
диапазоне изменения напряжения между
стоком и истоком. К выходу элемента НЕ
подключается аналогичный инвертор. Он
в статическом режиме представлен
эквивалентной схемой из последовательно
включенных диода Шотки (барьера
металл-полупроводник) и сопротивления
между затвором и истоком Rзи.
Напряжение источника питания в схеме Uсс = 1,5 В; усредненные значения пороговых напряжении для транзисторов VT1 и VT2 соответственно равны Uп1 = = -0,3 В и Uп2 = 0,15 В. При Uвх = UIL < UП2 транзистор VT2 закрыт, ток стока IС1 = 0 и на выходе устанавливается уровень напряжения UОН.
Ток UC1 открытого транзистора VTX переключается в затвор инвертора нагрузки. Поскольку ток IС2 составляет единицы миллиампер, а сопротивление Rзи измеряется десятками Ом, то выходной уровень практически определяется прямым напряжением на диоде VD:
Uон= UДП1 + Ic1*Rзи= UДП1 = 0,6 В.
Уровень напряжения Uон мало зависит от значений источника питания Ucc, тока IC1 и понижается с увеличением коэффициента объединения и температуры.
При Uвх = UIн > Uп2 транзистор VT2 открывается и через него протекают токи стоков транзистора VT1 и предыдущего транзистора (источник входного сигнала). На выходе устанавливается низкий уровень UOL = 0,05 В.
Уровень UOL понижается с уменьшением токов стоков и сопротивления Rc и между стоком и истоком. Если допустить, что U1=Uн U0=UL, то амплитуда логического сигнала Um = U1-U0 = 0,55 В. Помехоустойчивость элемента НЕ ML= 0,16 В, Мн = = 0,26 В, что значительно меньше, чем для схем на л-МОП транзисторах.
Схема ИЛИ-НЕ
С
хема
двухвходового элемента НЕ ИЛИ содержит
нормально открытый пассивный транзистор
VTX, входные нормально
закрытые транзисторы VT2
и VT3, включенные
параллельно.
При UX1 = UX2 = UIL транзисторы VT2 и VT3 закрыты, на выходе Y устанавливается высокий уровень напряжения Uон. Если на одном из входов или на обоих действует напряжение UIН, то соответствующий транзистор (или оба) открываются и на выходе устанавливается уровень UOL.
Схема двухвходового элемента НЕ ИЛИ с повышенной помехоустойчивостью. Входные диоды Шотки VD1 и VD2 реализуют операцию ИЛИ, транзисторы VT1 и VT2 создают инвертор, а транзистор VT3 вместе с диодами — это цепь смещения уровня порога транзистора VT2.
В данном элементе обеспечивается большая помехоустойчивость и меньшая ее зависимость от технологического разброса пороговых напряжений транзисторов. Это достигается усложнением схемы, увеличением ее площади на кристалле и использованием другого источника питания минус UCC2. В схеме применяют только нормально открытые транзисторы с напряжениями питания UCC1 = 1,5 В; UCC2 = -1 В. Для транзисторов VT1 и VTi3 UП1 = Uпз = - 0,7 В, а для транзистора VT2 UП2 = - 0,45 В.
Прямое напряжение на диодах Шотки при протекании через них тока Icз равно приблизительно 0,7 В (минус на катоде). Напряжение на затворе транзистора VT1 определяется из зависимости Uзи= Uвх- UДП1. которая является практически линейной, поскольку UДП1 = const.
При UBX = UIL= О напряжение Uзи = - 0,7 В, что меньше UП2, и транзистор VT2 закрыт, на его выходе устанавливается высокий уровень напряжения U0H~ 1 В. При Uвx = UIH = 1 В напряжение Uзи = +0,3 В, что больше UП2 и транзистор VT2 открыт, на его выходе устанавливается низкий уровень напряжения Uol = 0,01 В. Таким образом, использование цепи смещения позволяет уменьшить значение U0, увеличить U1 и логический перепад UП1 = U1 - U0 = 1 В.
32) Логические функции. Минтерм. Макстерм.
Минтерм (элементарная конъюнкция) – это функция, принимающая единичное значение при одном из всех возможных наборов значений аргументов, образуется конъюнкцией конечного множества логических переменных и их отрицаний.
Макстерм (элементарная дизъюнкция) – функция, принимающая нулевое значение при одном из всех возможных наборов значений аргумента, образуется дизъюнкцией конечного множества логических переменных и их отрицаний.
Число переменных, составляющих элементарную конъюнкцию или дизъюнкцию, называется её рангом.
Основные законы алгебры логики:
1. Переместительный закон (закон коммутативности):
для: логического сложения для логического умножения
х + у = у + х ; ху = ух.
2. Сочетательный закон:
для логического сложения для логического умножения
х + (у + z) = (x + у) + z ; (xy)z = x(yz).
3. Распределительный или дистрибутивный закон:
для логического сложения для логического умножения
(х + y)z = xz + yz ; xy + z = (x + z)(y + z).
33) СДНФ. СКНФ. Правила образования СДНФ. Составление логической схемы с помощью СДНФ. Минимизация методом Карно-Вейча.
Если в состав логической формулы входят наборы конъюнкций одинакового ранга, связанные дизъюнкцией, то такая функция называется совершенной дизъюнктивной нормальной формой (СДНФ). Пример:
Р(х, у, z) = xyz + xyz + xyz,
т.е. это ДНФ, в которой все минтермы одного ранга.
Совершенной конъюнктивной нормальной формой (СКНФ) логической функции принято называть такое её выражение, которое содержит элементарные дизъюнкции одного ранга, связанные конъюнкцией. Пример:
Р(х, y,z) = (x + y + z)(x + y + z).
Правило образования СДНФ
По каждому набору двоичных переменных, при которых F=1 составляют минтермы
В минтермах переменные равные 1 записываются без изменений, а равные 0 – инвертируются.
Все минтермы соединяются знаком дизъюнкции.
С помощью полученных СДНФ можно составить логическую схему.
1) СДНФ состоит из элементарных конъюнкций. Нанести на схему элементы, соответствующие этим минтермам. В данном случае для каждого минтерма обозначим конъюнктор (4 элемента &).
2) Обозначим входы х, у, z.
3) Т.к. х в различных минтермах бывает как инвертированным, так и кеинвертированным, то необходимо сделать разветвление в схеме, включив в одну из ветвей инвертор (рис. 3). То же самое сделать для у и z.
4)Соединить входы конъюнкторов с соответствующими им ветвями аргументов.
5) Т. к. СДНФ - это дизъюнкция, то на выходе схемы ставим дизъюнктор и соединяем его со всеми конъюнкторами. В итоге схема будет выглядеть так, как показано на рис. 3.
Рис. 3.
Метод Карно-Вейча
Этот метод применяется в случае, когда число аргументов не больше 5-6 Наиболее удобными являются карты Карно, представляющие собой таблицы, разделенные на клетки (рис. 2). Каждая клетка карты соответствует одной позиции в таблице истинности. Заполняем клетки карты, соответствующие единицам функции в таблице истинности 9 (рис.2 б). Карты составлены таким образом, что соседние (по строке или столбцу) клетки отличаются значением только одной переменной. Кроме того, предполагается, что противоположные концы каждой строки или столбца являются соседними. Две соседние вертикальные или горизонтальные клетки, заполненные единицами, образуют одномерный куб (например, крайние левые клетки в верхнем ряду на рис.2). Два соседних одномерных куба образуют двумерный куб (4 верхних левых клетки на рис.2 в).
Правило применения карт Карно.
Для одномерного куба. В СДНФ соответствующие клеткам куба конъюнкции заменяются конъюнкцией на ранг ниже, включающей в себя те переменные, знак инвертирования которых одинаков в обеих клетках.
Для
двумерного куба. В СДНФ соответствующие
клеткам куба конъюнкции заменяются
конъюнкцией на 2 ранга ниже, включающей
в себя те переменные, знак инвертирования
которых одинаков во всех клетках куба.
34) Основы аналоговой схемотехники. Эмиттерный повторитель. Отражатель тока. Дифференциальный усилитель.
Аналоговые устройства по сравнению с цифровыми характерны гораздо большим разнообразием по виду сигналов, по выполняемым функциям, а также по назначению и внутренней структуре. В настоящее время основными аналоговыми функциями принято считать:
Усиление
Сравнение
Отражение
Умножение
Частотная фильтрация
Аналоговые ИМС – ИМС предназначенные для анализа и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.
В основе аналоговых схем лежат простейшие усилительные ячейки – каскады или ступени.
Каскад может содержать один, два и более транзисторов. Его невозможно разделить на более простые элементы без утраты специфических свойств.
Эмиттерный повторитель
Эмиттерный повторитель – усилитель с
коэффициентом усиления близким к
единице, не меняющий полярности входного
сигнала и обладающий повышенным входным
и пониженным выходным сопротивлением.
Выходное напряжение снимается с эмиттера.
Несмотря на то, что коэффициент усиления
близок к 1, эмиттерный повторитель
относится к классу усилителей, так как
.
О
тражатель
тока
Основное равенство:
на этом равенстве основывается работа отражателя тока. При условии R1=R2 и T1=T2 слагаемые в левой и правой части равенства будут одинаковы, откуда следует: I1=I2.
I2 повторяет или отражает ток I1, откуда и название «отражатель» тока.
Е
сли
сопротивления R1и
R2 неодинаковы, то:
I2=I1(R1/R2).Т.е.
ток I2 может отражать
ток I1 как в
«увеличенном», так и в «уменьшенном»
масштабе, в зависимости от соотношения
сопротивлений. Выходным током I2
можно управлять меняя входной ток
I1.
Дифференциальный усилитель (ДУ)
ДУ состоит из двух одинаковых (симметричных) плеч, каждое из которых содержит транзистор и резистор. В общей эмиттерной цепи действует источник тока I0. Выходным напряжением является разность коллекторных потенциалов, а входным — разность базовых потенциалов.
35) Операционный усилитель. Схемы на ОУ
Операционный усилитель (ОУ) — это аналоговая ИС, на выходе которой формируется напряжение Vout, равное по величине усиленной разности между двумя входными напряжениями V+ и V- .
В
идеале ОУ чувствителен только к
дифференциальным входным сигналам, и
абсолютно не чувствителен к синфазным
составляющим сигналом.
V+- неинвертирующий вход ;
V−- инвертирующий вход ;
Vout- выход;
VS+- плюс источника питания;
VS−- минус источника питания.
Коэффициент усиления ОУ сильно зависит от частоты входного сигнала и может меняться от 106 на низких частотах (от 0 до 10 Гц) вплоть до значений менее единицы на частотах несколько мегагерц. Кроме того, коэффициент усиления зависит от колебаний напряжения питания ОУ и температурных воздействий.
Отрицательная обратная связь ОУ
Для предотвращения сильной зависимости коэффициента усиления от частоты ОУ обычно охватывают петлёй обратной связи, так что часть выходного напряжения возвращается на инвертирующий вход. При этом выполняются условия реализации отрицательной обратной связи, что создает ряд существенных преимуществ.
В таких условиях ОУ работает подобно замкнутым системам автоматического регулирования. Коэффициент, показывающий, какая часть напряжения возвращается на инвертирующий вход, называют коэффициентом обратной связи F. При этом коэффициента усиления несколько снижается.
Инвертирующий усилитель
Цепь обратной связи представляет собой резистор, который служит для передачи части выходного сигнала обратно на вход. По законам Кирхгофа
Выходное напряжение:
Коэффициент передачи инвертирующего усилителя
Н
еинвертирующий
усилитель.
Неинвертирующий усилитель усиливает
входной сигнал ,не изменяя его знака:
Интегрирующая схема
Таким образом, значение напряжения на выходе интегратора пропорционально интегралу от входного напряжения.
Дифференциатор
на основе ОУ
Дифференциальное входное напряжение считают равным нулю.
Выходное напряжение дифференциатора пропорционально скорости изменения входного сигнала.
Пороговые устройства на основе ОУ
Однопороговый
компаратор
Компаратором называется устройство сравнения двух аналоговых сигналов, один из которых может быть задан как эталонный. При этом на выходе формируются только два значения выходного сигнала.
Гистерезисный компаратор
36) Интегральные триггеры
Триггер – это запоминающий элемент с двумя (или более) устойчивыми состояниями, изменение которых происходит под действием входных сигналов и предназначен для хранения одного бита информации, то есть лог. 0 или лог. 1.
Все разновидности триггеров представляют собой элементарный автомат, включающий собственно элемент памяти (ЭП) и комбинационную схему (КС), которая может называться схемой управления или входной логикой.
Состояние триггера определяется сигналами на прямом и инверсном выходах. При положительном кодировании (позитивная логика) высокий уровень напряжения на прямом выходе отображает значение лог. 1 (состояние = 1), а низкий уровень – значение лог. 0 (состояние = 0).
Изменение состояния триггера (его переключение или запись) обеспечивается внешними сигналами и сигналами обратной связи, с выходов триггера поступающих на входы схемы управления (комбинационной схемы или входной логики). Обычно внешние сигналы, как и входы триггера, обозначают латинскими буквами R, S, T, C, D, V и др. В простейших схемах триггеров отдельная схема управления (КС) может отсутствовать. Поскольку функциональные свойства триггеров определяется их входной логикой, то названия основных входов переносятся на всю схему триггера.
RS-триггер (SR-триггер)
R
S-триггер,
или SR-триггер — триггер, который
сохраняет своё предыдущее состояние
при нулевых входах и меняет своё выходное
состояние при подаче на один из его
входов единицы.
RS-триггер используется для создания сигнала с положительным и отрицательным фронтами, отдельно управляемыми посредством стробов, разнесённых во времени. Также RS-триггеры часто используются для исключения так называемого явления дребезга контактов.
RS-триггеры иногда называют RS-фиксаторами.
J
K-триггер
JK-триггер работает так же как RS-триггер, с одним лишь исключением: при подаче логической единицы на оба входа J и K состояние выхода триггера изменяется на противоположное. Вход J (от англ. Jump — прыжок) аналогичен входу S у RS-триггера. Вход K (от англ. Kill — убить) аналогичен входу R у RS-триггера. При подаче единицы на вход J и нуля на вход K выходное состояние триггера становится равным логической единице. А при подаче единицы на вход K и нуля на вход J выходное состояние триггера становится равным логическому нулю. JK-триггер в отличие от RS-триггера не имеет запрещённых состояний на основных входах, однако это никак не помогает при нарушении правил разработки логических схем. На практике применяются только синхронные JK-триггеры, то есть состояния основных входов J и K учитываются только в момент тактирования, например по положительному фронту импульса на входе синхронизации.
D-триггер
D
-триггер
(D от англ. delay — задержка)— запоминает
состояние входа и выдаёт его на выход.
D-триггеры имеют, как минимум, два входа:
информационный D и синхронизации С.
Сохранение информации в D-триггерах
происходит в момент прихода активного
фронта на вход С. Так как информация на
выходе остаётся неизменной до прихода
очередного импульса синхронизации,
D-триггер называют также триггером с
запоминанием информации или
триггером-защёлкой. Рассуждая чисто
теоретически, D-триггер можно образовать
из любых RS- или JK-триггеров, если на их
входы одновременно подавать взаимно
инверсные сигналы.
D-триггер в основном используется для реализации защёлки. Так, например, для снятия 32 бит информации с параллельной шины, берут 32 D-триггера и объединяют их входы синхронизации для управления записью информации в защёлку, а 32 D входа подсоединяют к шине.
T
-триггер
Т-триггер по каждому такту изменяет своё логическое состояние на противоположное при единице на входе Т, и не изменяет выходное состояние при нуле на входе T. Т-триггер часто называют счётным триггером. Т-триггер может строиться как на JK, так и на D-триггерах.
Т-триггер часто применяют для понижения частоты в 2 раза, при этом на Т вход подают единицу, а на С — сигнал с частотой, которая будет поделена.
Триггер Шмитта
Триггер Шмитта — электронное устройство, предназначенное для преобразования непрерывно меняющегося сигнала в прямоугольные импульсы. Используется для восстановления цифрового сигнала в линиях связи, фильтрах дребезга. Этот триггер стоит особняком в семействе триггеров: он имеет один аналоговый вход и один выход.
Триггер Шмитта относится к несимметричным триггерам, и выходной сигнал в отсутствие входного однозначно определён (что является его отличительной особенностью).
