Аналоговые и цифровые микросхемы кратко

Обновлено: 02.07.2024

Неизвестно, кому первому пришла мысль выполнить два или более транзисторов на одном кристалле полупроводника. Возможно, эта идея возникла сразу после начала выпуска полупроводниковых элементов. Известно, что теоретические основы такого подхода были опубликованы в начале 50-х годов прошлого века. Меньше 10 лет ушло на преодоление технологических проблем, и уже в начале 60-х годов было выпущено первое устройство, содержащее в одном корпусе несколько электронных компонентов – микросхема (чип). С того момента человечество встало на путь совершенствования, которому пока не видно конца.

Назначение микросхем

В интегральном исполнении в настоящее время выполняются самые разнообразные электронные узлы с различной степенью интеграции. Из них, как из кубиков, можно собирать различные электронные устройства. Так, схему радиоприемника можно реализовать различными способами. Начальный вариант – воспользоваться микросхемами-наборами транзисторов. Соединив их выводы, можно выполнить приёмное устройство. Следующий этап – использовать отдельные узлы в интегральном исполнении (каждое в своём корпусе):

усилитель радиочастоты; ;
смеситель;
усилитель звуковой частоты.

Наконец, самый современный вариант – весь приемник в одной микросхеме, надо лишь добавить несколько внешних пассивных элементов. Очевидно, что с ростом степени интеграции построение схем упрощается. Даже полноценный компьютер в настоящее время можно реализовать на одной микросхеме. Его производительность пока будет ниже, чем у обычных вычислительных устройств, но с развитием технологий, возможно, и этот момент удастся победить.

Типы микросхем

В настоящее время выпускается огромное количество типов микросхем. Практически любой законченный электронный узел, стандартный или специализированный, выпускается в микроисполнении. Перечислить и разобрать все типы в рамках одного обзора не представляется возможным. Но в целом по функциональному назначению микросхемы можно разделить на три глобальные категории.

Цифровые. Работают с дискретными сигналами. Цифровые уровни подаются на вход, с выхода также снимаются сигналы в цифровом виде. Этот класс устройств охватывает область от простых логических элементов до самых современных микропроцессоров. Сюда же относятся программируемые логические матрицы, устройства памяти и т.п.
Аналоговые. Работают с сигналами, изменяющимися по непрерывному закону. Характерный пример такой микросхемы – усилитель звуковой частоты. Также к этому классу относят интегральные линейные стабилизаторы, генераторы сигналов, измерительные датчики и многое другое. К категории аналоговых принадлежат и наборы пассивных элементов (резисторов, RC-цепей и т.п.).
Аналогово-цифровые (цифро-аналоговые). Эти микросхемы не только преобразовывают дискретные данные в непрерывные или в обратную сторону. Исходные или полученные сигналы в том же корпусе могут усиливаться, преобразовываться, модулироваться, декодироваться и т.п. Широко распространены аналого-цифровые датчики для связи измерительных цепей различных технологических процессов с вычислительными устройствами.

Также микросхемы делятся по типу производства:

Но для применения микросхем эта классификация в большинстве случаев особой практической информации не дает.

Корпуса микросхем

Для защиты внутреннего содержимого и для упрощения монтажа микросхемы помещают в корпус. Изначально большая часть микросхем выпускалась в металлической оболочке (круглой или прямоугольной) с гибкими выводами, расположенными по периметру.

Важно! Шаг выводов у DIP-микросхем отечественного производства составляет 2,5 мм, у импортного – 2,54 мм (1 линия=0,1 дюйма). Из-за этого возникают проблемы при взаимной замене полных, казалось бы, аналогов российского и импортного производства. Небольшое расхождение затрудняет установку в платы и в панели одинаковых по функционалу и расположению выводов устройств.

Первым шагом к переходу на поверхностный монтаж стали корпуса SOIC и их модификации (SOP, HSOP и другие варианты). У них, как и у DIP, ножки расположены в два ряда по длинным сторонам, но они параллельны нижней плоскости корпуса.

Дальнейшим развитием стал корпус QFP. У этого корпуса квадратной формы выводы расположены по каждой стороне. На него похож корпус PLLC, но он все же ближе к DIP, хотя ноги расположены также по всему периметру.

Некоторое время микросхемы DIP держали свои позиции в секторе программируемых устройств (ПЗУ, контроллеров, PLM), но распространение внутрисхемного программирования вытеснило двухрядные корпуса для true hole и из этой области. Сейчас SMD-исполнение получили даже те детали, монтаж которых в отверстия казался безальтернативным – например, интегральные стабилизаторы напряжения и т.п.

Развитие корпусов для микропроцессоров пошло по иному пути. Так как количество выводов не умещается по периметру ни одного из разумных размеров квадрата, ножки большой микросхемы располагают в виде матрицы (PGA, LGA и т.п.).

Преимущества использования микросхем

Появление микросхем произвело революцию в мире электроники (особенно, в микропроцессорной технике). Компьютеры на лампах, занимающие одну или несколько комнат, вспоминаются как исторический курьез. Но современный процессор содержит около 20 миллиардов транзисторов. Если принять площадь одного транзистора в дискретном исполнении хотя бы в 0,1 кв.см., то площадь, занимаемая процессором в целом, должна будет составлять не менее 200000 квадратных метров – около 2000 трехкомнатных квартир среднего размера.

Также надо предоставить площадь для памяти, звуковой платы, аудиоплаты, сетевого адаптера и других периферийных устройств. Стоимость монтажа такого количества дискретных элементов была бы колоссальной, а надежность работы недопустимо низкой. Поиск неисправности и ремонт заняли бы невероятно много времени. Очевидно, что эпоха персональных компьютеров без микросхем большой степени интеграции не наступила бы никогда. Также без современных технологий не были бы созданы устройства, требующие больших вычислительных мощностей – от бытовых до производственных или научных

Назначение, характеристики и аналоги транзистора 13001

Описание, характеристики и схема включения стабилизатора напряжения КРЕН 142

Как работает микросхема TL431, схемы включения, описание характеристик и проверка на работоспособность

Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы

Что такое светодиод, его принцип работы, виды и основные характеристики

Как устроен электрический аккумулятор, его принцип работы, виды, назначение и основные характеристики

Аналоговые интегральные микросхемы (ИМС) предназначены для преобразования аналоговых сигналов. Аналоговые ИМС используют в аппаратуре связи, телевизионной аппаратуре, радиолокации, медицинской технике и тому подобное. Они более разнообразны, чем цифровые и имеют меньшую плотность упаковки элементов.

По конструктивно-технологичным особенностям аналоговые ИМС могут быть гибридными или полупроводниковыми и изготавливаться на биполярных или полевых транзисторах.

Аналоговые микросхемы делятся на две группы. К первой группе относятся ИМС универсального назначения: операционные усилители, матрицы транзисторов, диодов и т.д., ко второй — специализированные аналоговые ИМС. Интегрированные сверхвысокочастотные (СВЧ) — микросхемы считают специализированными ИМС, но они имеют конструктивно технологическую, схемотехническую и функциональную специфику, что является причиной выделения их в отдельную подгруппу.

Среди аналоговых ИМС выделяют также многоцелевые усилители (операционные усилители). Они предназначены для усиления сигналов в широком диапазоне частот. Ими являются усилители низких, промежуточных и высоких частот. Серия аналоговых операционных усилителей охватывает широкий спектр различного функционального назначения, в совокупности дают возможность разрабатывать определенную группу аналоговых устройств в микроэлектронном исполнении.

Внутренняя схема простого операционного усилителя К140УД7 (LM741)

Аналоговые микросхемы универсальные и многофункциональные. Эти качества закладывают в них при разработке. Многофункциональные микросхемы изготавливают в массовом производстве. Узкоспециализированные ИМС не пользуются большим спросом, производятся в малом количестве или на заказ, поэтому они дорогие. Аналоговым ИМС, особенно операционным усилителям, свойственна функциональная перенасыщенность по большинству параметров. Это позволяет проектировать приборы промышленной электроники на базе интегральных микросхем с высокими техническими и эксплуатационными показателями.

Особенности аналоговой интегральной схемотехники

Аналоговые интегральные микросхемы предназначены для усиления, обработки и преобразования электрических сигналов, параметры которых изменяются по закону непрерывной функции. К таким аналоговым ИМС принадлежат операционные усилители, интегральные стабилизаторы, компаратора и другие схемы, состоящие из базовых схемотехнических элементов, например, элементарных усилительных каскадов, дифференциальных усилителей, каскадов смещения потенциальных уровней, генераторов стабильного тока, источников опорного напряжения, конечных усилительных каскадов. Эти элементарные схемы широко используются как при проектировании известных, так и при создании новых линейных ИМС.

При разработке полупроводниковых аналоговых ИМС большое внимание уделяется повышению технологичности микросхем, то есть уменьшению количества технологических операций. Это достигается использованием транзисторных структур не только как элементов усиления, а также для выполнения функций пассивных элементов, например, как резисторов, конденсаторов и т. д. При этом важно, чтобы у схемы была низкая чувствительность к разбросу параметров, что увеличивает процент выхода годных ИМС .

Для аналоговых микросхем характерно использования обратных связей как с целью повышения электрических характеристик, так и для расширения функциональных возможностей, например, для выборочного усиления, коррекции характеристик и т. п. Поэтому разработчики радиоаппаратуры вводят внешние цепи обратных связей. Необходимо отметить, что в принципиальных схемах ИМС пытаются избежать местных обратных связей. Например, введение глубокого обратной связи для стабилизации режима работы усилительных каскадов по постоянному току (режим покоя) приводит к заметному уменьшению коэффициента усиления. Поэтому чаще всего режим стабилизируют параметрическими способами, используя транзисторные структуры в диодном включении.

Связь между отдельными каскадами в схеме ИМС непосредственная, без переходных конденсаторов. При этом встает проблема согласования как отдельных каскадов в составе микросхемы, так и отдельных микросхем между собой. Для такого согласования необходимо, чтобы потенциалы входящей и исходящей напряжений были близки к потенциалу общей клеммы источника питания. Это достигается, в частности, с помощью каскадов смещения потенциального уровня.

Цифровые микросхемы

Цифровые ИМС — это микроэлектронные схемы, которые используются для преобразования и обработки цифровых сигналов. Цифровые сигналы получают путем дискретизации (оцифровке) аналоговых. Так, если в аналоговой форме данные о температуре любого объекта подаются непрерывным электрическим сигналом с выхода термодатчика, то цифровой сигнал — это последовательность чисел, по значению уровня температуры, измеренной через определенные промежутки времени. При этом чрезвычайно важное значение имеет форма записи чисел.

В быту мы пользуемся десятичными числами. При записи такого числа используется позиционная форма представления чисел, согласно которому мы называем не самое число, а только информацию о том, сколько единиц, десятков, сотен, тысяч и т.д. оно содержит. При формировании цифровых сигналов используется двоичная система счисления. При записи двоичного числа мы отмечаем, сколько единиц, двоек, четверок, восьмерок и разрядов высокого порядка, получаемые подъемом в степень числа 2, оно содержит. Так, например, двоичное число 101 содержит одну единицу, ноль двоек и одну четверку и равное десятичному числу 5, а десятичное число 10 в двоичной форме записывается в виде: 1010 — ноль единиц, одна двойка, ноль четверок, одна восьмерка.

Нетрудно увидеть, что для представления числа в двоичной системе счисления нужно больше разрядов, чем в десятичной системе, то есть двоичное число дольше десятичное. Но двоичное число имеет то преимущество, что для его записи необходимо всего два знака — 0 и 1. Поэтому при электронной записи цифровых сигналов можно ограничиться использованием только двухуровневых сигналов. Итак, цифровой электрический сигнал — это последовательность двухуровневых элементарных сигналов 0 и 1, которые называются логическими сигналами. Для их обработки, например, дешифрации или считывания, сложения или вычитания, хранения или задержки во времени, применяют так называемые логические схемы, а в случае микроэлектронных устройств — цифровые микросхемы.

Серии цифровых микросхем

Цифровые ИМС, как и аналоговые, выпускаются сериями. Микросхемы одной серии имеют одинаковые напряжения питания, электрические и эксплуатационные параметры и при совместном использовании не требуют дополнительных согласующих элементов. Среди большого количества цифровых ИМС можно выделить следующие группы: серии функционально полного состава, серии, специализированные по функциональному назначению и микропроцессорные комплекты ИМС.

Серии первой группы включают ИМС различного функционального назначения: логические схемы, триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы и др. Чем шире функциональный состав серии, тем в большей степени она обеспечивает выполнение требований к аппаратуре с точки зрения надежности, компактности, экономичности, технологичности, удобства эксплуатации и ремонта. Некоторые серии состоят из 100 и более типов ИМС. Примерами отечественных серий ИМС с развитым функциональным составом могут служить серии: К500, К155, К555, К176, К561, К564 и др. Такие серии можно называть универсальными с точки зрения широкого их применения.

Серии ИМС второй группы характеризуются более узкой специализацией. К ним относят серии ИМС памяти К537, К565, К556, К573, К1601 и др., Серии ИМС согласования с линиями передачи и управления устройствами (интерфейсные ИМС) К169, К170, К1102.

Серии ИМС третьей группы, которые называются микропроцессорными комплектами, включают ИМС, которые необходимы для построения микропроцессорных вычислительных и управляющих устройств. Сюда входят микропроцессоры, схемы ввода-вывода, таймеры, генераторы, различные вспомогательные ИМС. Примеры микропроцессорных комплектов: К580, К1810, К588, К1801, К1803, К1804 и др.

Содержание

История

Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных плёнок, проявляющихся в эффекте плохой электро-проводимости при небольших электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, что в месте соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к открытию диодов а позже транзисторов и интегральных микросхем.

Первая советская полупроводниковая микросхема была создана в 1961 г. в Таганрогском радиотехническом институте, в лаборатории Л. Н. Колесова.

Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была разработана (создана) на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ "Пульсар") коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ (Микрон). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов — эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год).[1]

Уровни проектирования

Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.
Электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.).
Логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.).
Схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехническая схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.).
Топологический — топологические фотошаблоны для производства.
Программный уровень (для микроконтроллеров и микропроцессоров) — команды ассемблера для программиста.

В настоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается при помощи САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.

Классификация

Степень интеграции

В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (указано количество элементов для цифровых схем):

Малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле.
Средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле.
Большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле.
Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — до 1 миллиона элементов в кристалле.
Ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле.
Гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле.

В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.

Технология изготовления

Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия).
Плёночная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:
- толстоплёночная интегральная схема;
- тонкоплёночная интегральная схема.
Вид обрабатываемого сигнала
- Аналоговые
- Цифровые
- Аналого-цифровые
Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем ТТЛ-логики при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ-логики при питании −5,2 В: логическая единица — это −0,8…−1,03 В, а логический ноль — это −1,6…−1,75 В.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий получают всё большее распространение.

Технологии изготовления

Типы логики

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

Аналоговые и цифровые микросхемы кратко

Назначение микросхем

Типы микросхем

Корпуса микросхем

Преимущества использования микросхем

Особенности аналоговой интегральной схемотехники

Цифровые микросхемы

Серии цифровых микросхем

Содержание

История

Уровни проектирования

Классификация

Степень интеграции

Технология изготовления

Вид обрабатываемого сигнала

Технологии изготовления

Типы логики

Технологический процесс

Контроль качества

Назначение

Аналоговые схемы

Цифровые схемы

Аналогово-цифровые схемы

Серии микросхем

Корпуса микросхем

Специфические названия микросхем