Что такое имс в электротехнике
Перейти к содержимому

Что такое имс в электротехнике

  • автор:

Что такое интегральная микросхема (ИМС)

Всего лет двадцать пять назад радиолюбителям и специалистам старшего поколения пришлось заниматься изучением новых по тому времени приборов — транзисторов. Нелегко было отказываться от электронных ламп, к которым так привыкли, и переключаться на теснящее и все разрастающееся «семейство» полупроводниковых приборов.

А сейчас это «семейство» все больше и больше стало уступать свое место в радиотехнике и электронике полупроводниковым приборам новейшею поколения — интегральным микросхемам, часто называемым сокращенно ИМС.

Что такое интегральная микросхема

Интегральная микросхема — это миниатюрный электронный блок, содержащий в общем корпусе транзисторы, диоды, резисторы и другие активные и пассивные-элементы, число которых может достигать нескольких десятков тысяч.

Одна микросхема Может заменить целый блок радиоприемника, электронной вычислительной машины (ЭВМ) и электронного автомата. «Механизм» наручных электронных часов, например, — это всего лишь одна большей микросхема.

По своему функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на две основные группы: аналоговые, или линейно-импульсные, и логические, или цифровые, микросхемы.

Аналоговые микросхемы предназначаются для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний разных частот, например, для приемников, усилителей, а логические — для использования в устройствах автоматики, в приборах с цифровым отсчетом времени, в ЭВМ.

Этот практикум посвящается знакомству с устройством, принципом работы и возможным применением самых простых аналоговых и логических интегральных микросхем.

На аналоговой микросхеме

Из огромного «семейства» аналоговых самыми простыми являются микросхемы-близнецы» К118УН1А (К1УС181А) и К118УН1Б (К1УС181Б), входящие в серию К118.

Каждая из них представляет собой усилитель, содержащий. Впрочем, об электронной «начинке» лучше поговорить позже. А пока будем считать их «черными ящичками» с выводами для подключения к ним источников питания, дополнительных деталей, входных и выходных цепей.

Разница же между ними заключается только в их коэффициентах усиления колебаний низких частот: коэффициент усиления микросхемы К118УН1А на частоте 12 кГц составляет 250, а микросхемы К118УН1Б — 400.

Микросхема и схема на основе нее

Рис. 1. Микросхема и схема на основе нее.

На высоких частотах коэффициент усиления этих микросхем одинаков — примерно 50. Так что любая из них может быть использована для усиления колебаний как низких, так и высоких частот, а значит, и для наших опытов. Внешний вид и условное обозначение этих микросхем-усилителей на принципиальных схемах устройств показаны на рис. 1.

Корпус у них пластмассовый прямоугольной формы. Сверху на корпусе — метка, служащая точкой отсчета номеров выводов. Микросхемы рассчитаны на питание от источника постоянного тока напряжением 6,3 В, которое подают через выводы 7 (+Uпит) и 14 ( — Uпит).

Источником питания может быть сетевой блок питания с регулируемым выходным напряжением или батарея, составленная из четырех элементов 334 и 343.

Первый опыт с микросхемой К118УН1А (или К118УН1Б) проводи по схеме, приведенной на рис. 89. В качестве монтажной платы используй картонную пластинку размерами примерно 50X40 мм.

Микросхему выводами 1, 7, 8 и 14 припаяй к проволочным скобкам, пропущенным через проколы в картоне. Все они будут выполнять роль стоек, удерживающих микросхему на плате, а скобки выводов 7. и 14, кроме того, соединительными контактами с батареей GB1 (или сетевым блоком питания).

Между ними с обеих сторон от микросхемы укрепи еще по два-три контакта, которые будут промежуточными для дополнительных деталей. Смонтируй на плате конденсаторы С1 (типа К50-6 или К50-3) и С2 (КЯС, БМ, МБМ), подключи к выходу микросхемы головные телефоны В2.

Ко входу микросхемы подключи (через конденсатор С1) электродинамический микрофон В1 любого типа или телефонный капсюль ДЭМ-4м, включи питание и, прижав поплотнее телефоны к ушам, постучи легонько карандашом по микрофону. Если ошибок в монтаже нет, в телефонах должны быть слышны звуки, напоминающие щелчки по барабану.

Попроси товарища сказать что-то перед микрофоном — в телефонах услышишь его голос. Вместо микрофона ко входу микросхемы можешь подключить радиотрансляционный (абонентский) громкоговоритель с его согласующим трансформатором. Эффект будет примерно таким же.

Продолжая опыт с телефонным устройством одностороннего действия, включи между общим (минусовым) проводником цепи питания и выводом 12 микросхемы электролитический конденсатор C3, обозначенный на схеме штриховыми линиями. При этом громкость звука в телефонах должна возрасти.

Телефоны станут звучать еще громче, если такой же конденсатор включить в цепь вывода 5 (на рис, 1 — конденсатор С4). Но если при этом усилитель возбудится, то между общим проводом и выводом 11 придется включить электролитический конденсатор емкостью 5 — 10 мкФ на. номинальное напряжение 10 В.

Еще один опыт: включи между выводами 10 и 3 микросхемы керамический или бумажный конденсатор емкостью 5 — 10 тыс. пикофарад. Что получилось? В телефонах появился непрекращающийся -звук средней тональности. С увеличением емкости этого конденсатора тон звука в телефонах должен понижаться, а с уменьшением повышаться. Проверь это.

Внутренняя схема микросхемы

Рис. 2. Внутренняя схема микросхемы.

А теперь раскроем этот «черный ящичек» и рассмотрим его «начинку» (рис. 2). Да, это двухкаскадный усилитель с непосредственной связью между его транзисторами. Транзисторы кремниевые, структуры n-р-n. Низкочастотный сигнал, создаваемый микрофоном, поступает (через конденсатор С1) на вход микросхемы (вывод 3).

Падение напряжения, создающееся на резисторе R6 в эмиттерной цепи транзистора V2, через резисторы R4 и R5 подается на базу транзистора VI и открывает его. Резистор R1 — нагрузка этого транзистора. Снимаемый с него усиленный сигнал поступает на базу транзистора V2 для дополнительного усиления.

В опытном усилителе нагрузкой транзистора V2 были головные телефоны, включенные в его коллекторную цепь, которые преобразовывали низкочастотный сигнал в звук.

Но его нагрузкой мог бы быть резистор R5 микросхемы, если соединить вместе выводы 10 и 9. В таком случае телефоны надо включать между общим проводом и точкой соединения этих выводов через электролитический конденсатор емкостью в несколько микрофарад (положительной обкладкой к микросхеме).

При включении конденсатора между общим проводом и выводом 12 микросхемы громкость звука увеличилась, Почему? Потому что он, шунтируя резистор R6 микросхемы, ослабил действующую в ней отрицательную обратную связь по переменному току.

Отрицательная обратная связь стала еще слабее, когда ты второй конденсатор включил в базовую цепь транзистора V1. А третий конденсатор, включенный между общим проводом и выводом 11, образовал с резистором R7 микросхемы развязывающий фильтр, предотвращающий возбуждение усилителя.

Что получилось при включении конденсатора между выводами 10 и 5? Он создал между выходом и входом усилителя положительную обратную связь, которая превратила его в генератор колебаний звуковой частоты.

Итак, как видишь, микросхема К118УН1Б (или К118УН1А) — это усилитель, который может быть низ-кочастотным или высокочастотным, например, в приемнике. Но он может стать и генератором электрических колебаний как низких, так и высоких частот.

Микросхема в радиоприемнике

Предлагаем испытать эту микросхему в высокочастотном тракте приемника, собранного, например, по схеме, приведенной на рис. 3. Входной контур магнитной антенны такого приемника образуют катушка L1 и конденсатор переменной емкости С1. Высокочастотный сигнал радиостанции, на волну которой контур настроен, через катушку связи L2 и разделительный конденсатор С2 поступает на вход (вывод 3) микросхемы Л1.

С выхода микросхемы (вывод 10, соединенный с выводом 9) усиленный сигнал подается через конденсатор С4 на детектор, диоды VI и V2 которого включены по схеме умножения напряжения, а выделенный им низкочастотный сигнал телефоны В1 преобразуют в звук. Приемник питается от батареи GB1, составленной из четырех элементов 332, 316 или пяти аккумуляторов Д-01.

Схема приемника на микросхеме

Рис. 3. Схема приемника на микросхеме.

Во многих транзисторных приемниках усилитель высокочастотного тракта образуют транзисторы, а в этом — микросхема. Только в этом и заключается разница между ними.

Имея опыт предыдущих практикумов, ты, надеюсь, сможешь самостоятельно смонтировать иг наладить такой приемник и даже, если пожелаешь, дополнить его усилителем НЧгдля громкоговорящего радиоприема.

На логической микросхеме

Составной частью многих цифровых интегральных микросхем является логический элемент И-НЕ, условное обозначение которого ты видишь на рис. 4, а. Его символом служит знак «&», помещаемый внутри прямоугольника, обычно в верхнем левом углу, заменяющий союз «И» в английском языке. Слева два или больше входов, справа — один выход.

Небольшой кружок, которым начинается линия связи выходного сигнала, символизирует логическое Отрицание «НЕ» на выходе микросхемы. На языке цифровой техники «НЕ» означает, что элемент И-НЕ является инвертором, то есть устройством, выходные параметры которого противоположны входным.

Электрическое состояние и работу логического элемента характеризуют уровнями сигналов на его входах и выходе. Сигнал небольшого (или нулевого) напряжения, уровень которого не превышает 0,3 — 0,4 В, принято (в соответствии с двоичной системой счисления) называть логическим нулем (0), а сигнал более высокого напряжения (по сравнению с логическим 0), уровень которого может быть 2,5 — 3,5 В, — логической единицей (1).

Например, говорят: «на выходе элемента логическая 1». Это значит, что в данный момент на выходе элемента появился сигнал, напряжение которого соответствует уровню логической 1.

Чтобы не углубляться в технологию и устройство элемента И-НЕ, будем рассматривать его как «черный ящичек», у которого для электрического сигнала есть два входа и один выход.

Логика же элемента заключается в том, что при подаче на один из его входов логического О, а на второй вход логической 1, на выходе появляется сигнал логической 1, который исчезает при подаче на оба входа сигналов, соответствующих логической 1.

Для опытов, закрепляющих в памяти это свойство элемента, потребуются наиболее распространенная микросхема К155ЛАЗ, вольтметр постоянного тока, свежая батарея 3336Л и два резистора сопротивлением 1. 1,2 кОм.

Логические элементы микросхемы К155ЛАЗ

Рис. 4. Логические элементы микросхемы К155ЛАЗ.

Микросхема К155ЛАЗ состоит из четырех элементов 2И-НЕ (рис. 4, б), питающихся от одного общего источника постоянного тока напряжением 5 В, но каждый из них работает как самостоятельное логическое устройство. Цифра 2 в названии микросхемы указывает на то, что ее элементы имеют по два входа.

Внешним видом и конструктивно она, как и все микросхемы серии К155, не отличается от уже знакомой тебе аналоговой микросхемы К118УН1, только полярность подключения источника питания иная. Поэтому сделанная ранее тобой картонная плата подойдет и для опытов с этой микросхемой. Источник питания подключают: +5 В — к выводу 7» — 5 В — к выводу 14.

Но эти выводы не принято обозначать на схематическом изображении микросхемы. Объясняется это тем, что на принципиальных электрических схемах элементы, составляющие микросхему, изображают раздельно, например, как на рис. 4, в. Для опытов можно использовать любой из ее четырех элементов.

Микросхему выводами 1, 7, 8 и 14 припаяй к проволочным стойкам на картонной плате (как на рис. 1). Один из входных выводов любого из ее элементов, например, элемента с выводами 13, соедини через ре-.зистор сопротивлением 1. 1.2 кОм с выводом 14, вывод второго входа — непосредственно с общим («заземленным») проводником цепи питания, а к выходу элемента подключи вольтметр постоянного тока (рис. 5, а).

Включии питание. Что показывает вольтметр? Напряжение, равное примерно 3 В. Это напряжение соответствует сигналу логической 1 на выходе элемента. Тем же вольтметром измерь напряжение на выводе первого входа, И здесь, как видишь, тоже логическая 1. Следовательно, когда на одном из входов элемента логическая 1, а на втором логический 0, на выходе будет логическая 1.

Измерения напряжений на логическом элементе

Рис. 5. Измерения напряжений на логическом элементе.

Теперь вывод и второго входа соедини через резистор сопротивлением 1. 1.2 кОм с выводом 14 и одновременно проволочной перемычкой — с общим проводником, как показано на рис. 5, б.

При этом на выходе, как и в первом опыте, будет логическая 1. Далее, следя за стрелкой вольтметра, удали проволочную перемычку, чтобы и на второй вход подать сигнал, соответствующий логической 1.

Что фиксирует вольтметр? Сигнал на выходе элемента преобразовался в логический 0. Так оно и должно быть! А если любой из входов периодически замыкать на общий провод и тем самым имитировать подачу на него логического 0, то с такой же частотой на выходе элемента станут появляться импульсы тока, о чем будут свидетельствовать колебания стрелки вольтметра. Проверь это опытным путем.

Свойство элемента И-НЕ изменять свое состояние под воздействием входных управляющих сигналов широко используется в различных устройствах цифровой вычислительной техники. Радиолюбители же, особенно начинающие, очень часто используют логический элемент как инвертор — устройство, сигнал на выходе которого противоположен входному сигналу.

Подтвердить такое свойство элемента может следующий опыт. Соедини вместе выводы обоих входов элемента и через резистор сопротивлением 1. 1,2 кОм подключи их к выводу 14 (рис. 5, в).

Так ты подашь на общий вход элемента сигнал, соответствующий логической 1, напряжение которого можно измерить вольтметром. Что при этом получается на выходе?

Стрелка вольтметра, подключенного к нему, чуть отклонилась от нулевой отметки шкалы. Здесь, следовательно, как и предполагалось, сигнал соответствует логическому 0.

Затем, не отключая резистор от вывода 14 микросхемы, несколько раз подряд замкни проволочной перемычкой вход элемента на общий проводник (на рис. 5, в показано штриховой линией со стрелками) и одновременно следи за стрелкой вольтметра.

Так ты убедишься в том, что когда на входе инвертора логический 0, на выходе в это время логическая 1 и, наоборот, когда на входе логическая 1 — на выходе логический 0.

Так работает инвертор, особенно часто используемый радиолюбителями в конструируемых ими импульсных устройствах.

Схема генератора сигналов ЗЧ на микросхеме

Рис. 6. Схема генератора сигналов ЗЧ на микросхеме.

Примером такого устройства может служить генератор импульсов, собранный по схеме, приведенной на рис. 6. В его работоспособности ты можешь убедиться сейчас же, затратив на это всего несколько минут.

Выход элемента D1.1 соедини с входами элемента D1.2 той же микросхемы, его выход — с входами элемента DJ.3, а выход этого элемента (вывод 8) — с входом элемента D1.1 через переменный резистор R1. К выходу элемента D1.3 (между выводом 8 и общим проводником) подключи головные телефоны B1, a параллельно элементам D1.1 и D1.2 электролитический конденсатор С1.

Движок переменного резистора установи в правое (по схеме) положение и включи питание — в телефонах услышишь звук, тональность которого можно изменять переменным резистором.

В этом эксперименте элементы D1.1, D1.2 и D1.3, соединенные между собой последовательно, подобно транзисторам трехкаскадного усилителя, образовали мультивибратор — генератор электрических импульсов прямоугольной формы.

Микросхема стала генератором благодаря конденсатору и резистору, создавшим между выходом и входом элементов частотозависимые цепи обратной связи. Переменным резистором частоту импульсов, генерируемых мультивибратором, можно плавно изменять примерно от 300 Гц до 10 кГц.

Какое практическое применение может найти такое импульсное устройство? Оно может стать, например, квартирным звонком, пробником для проверки работоспособности каскадов приемника и усилителя НЧ, генератором для тренировок по приему на слух телеграфной азбуки.

Самодельный игровой автомат на микросхеме

Подобное устройство можно превратить в игровой автомат «Красный или зеленый?». Схема такого имлульсного устройства приведена на рис. 7. Здесь элементы D1.1, D1.2, D1.3 той же (или такой же) микросхемы К155ЛАЗ и конденсатор С1 образуют аналогичный мультивибратор, импульсы которого управляют транзисторами VI и V2, включенными по схеме с общим эмиттером.

Элемент D1.4 работает как инвертор. Благодаря ему импульсы мультивибратора поступают на базы транзисторов в противофазе и открывают их поочередно. Так, например, когда на входе инвертора уровень логической 1, а на выходе уровень логического 0, то в Эти моменты, времени транзистор В1 открыт и лампочка HI в его коллекторной цепи горит, а транзистор V2 закрыт и его лампочка Н2 не горит.

При следующем импульсе инвертор изменит свое состояние на обратное. Теперь откроется транзистор V2 и загорится лампочка Н2, а транзистор VI закроется и лампочка H1 погаснет.

Но частота импульсов, генерируемых мультивибратором, сравнительно высокая (не меньше 15 кГц) и лампочки, естественно, не могут реагировать на каждый импульс.

Поэтому они светятся тускло. Но стоит нажать на кнопку S1, чтобы ее контактами замкнуть накоротко конденсатор С1 и тем самым сорвать генерацию мультивибратора, как тут же ярко загорится лампочка того из транзисторов, на базе которого в этот момент окажется напряжение, соответствующее логической 1, а другая лампочка совсем погаснет.

Заранее невозможно сказать, какая из лампочек после нажатия на кнопку будет продолжать гореть — можно только гадать. В этом смысл игры.

Игровой автомат вместе с батареей питания (3336Л или три элемента 343, соединенные последовательно) можно разместить в коробке небольших размеров, например в корпусе «карманного» приемника.

Лампочки накаливания HI и Н2 (МН2,5-0,068 или МН2,5-0,15) размести под отверстиями в лицевой стенке корпуса и закрой их колпачками или пластинками органического стекла красного и зеленого цветов. Здесь же укрепи выключатель питания (тумблер ТВ-1) и кнопочный выключатель §1 (типа П2К или КМ-Н) остановки мультивибратора.

Налаживание игрового автомата заключается в тщательном подборе резистора R1. Его сопротивление должно быть таким, чтобы при остановке мультивибратора кнопкой S1 по крайней мере 80 — 100 раз число загораний каждой из лампочек было примерно одинаково.

Самодельный игровой автомат на микросхеме - схема

Рис. 7. Самодельный игровой автомат на микросхеме — схема.

Сначала проверь, работает ли мультивибратор. Для этого параллельно конденсатору С1, е,мкость которого может быть 0,1. 0,5 мкФ, подключи электролитический конденсатор емкостью 20. 30 мкФ, а к выходу мультивибратора головные телефоны — в телефонах должен появиться звук низкой тональности.

Этот звук — признак работы мультивибратора. Затем удали электролитический конденсатор, резистор R1 замени подстроечным резистором сопротивлением 1,2. 1,3 кОм, а между выводами 8 и 11 элементов DI.3 и D1.4 включи вольтметр постоянного тока. Изменением сопротивления подстро-ечного резистора добейся такого положения, чтобы вольтметр показывал нулевое напряжение между выходами этих элементов микросхемы.

Число играющих может быть любое. Каждый по очереди нажимает на кнопку остановки мультивибратора. Выигрывает тот, кто при равном числе ходов, например двадцати нажатий на кнопку, большее число раз угадает цвета загорающихся лампочек после остановки мультивибратора.

К сожалению, частота мультивибратора описанного здесь простейшего игрового автомата из-за разрядки батареи несколько изменяется, что, конечно, сказывается на равновероятности зажигания разных лампочек, поэтому лучше питать его от источника стабилизированного напряжения 5 В.

Литература: Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. 1984.

Система условных обозначений отечественных интегральных микросхем

Система условных обозначений современных типов интегральных микросхем установлена ОСТ 11073915-80. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код.

Первый элемент — цифра, обозначающая группу интегральной микросхемы по конструктивно-технологическому исполнению:

1,5,6,7 — полупроводниковые ИМС;

3 — прочие (пленочные, вакуумные, керамические).

Второй элемент — две или три цифры (от 01 до 99 или от 001 до 999), указывающие на порядковый номер разработки данной серии ИМС.

Первый и второй элемент образуют серию микросхем.

Третий элемент — две буквы, обозначающие функциональную подгруппу и вид микросхемы.

1. Вычислительные устройства:

ВЕ — микро-ЭВМ;

ВС — микропроцессорные секции;

ВУ — устройства микропрограммного управления;

ВР — функциональные расширители;

ВБ — устройства синхронизации;

ВН — устройства управления прерыванием;

ВВ — устройства управления вводом — выводом;

ВТ — устройства управления памятью;

ВФ — функциональные преобразователи информации;

ВА — устройства сопряжения с магистралью;

ВИ — времязадающие устройства;

ВК — комбинированные устройства;

ВЖ — специализированные устройства;

2.Генераторы сигналов:

ГС — гармонических;

ГГ — прямоугольной формы;

ГЛ — линейно — изменяющихся;

ГФ — специальной формы;

3.Детекторы:

ДА — амплитудные;

4.Запоминающие устройства:

РМ — матрицы ОЗУ;

РВ — матрицы ПЗУ;

РЕ — ПЗУ (масочные);

РТ — ПЗУ с возможностью однократного программирования ;

РР — ПЗУ с возможностью многократного электрического перепрограммирования;

РФ — ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием и электрической записью информации;

РА — ассоциативные запоминающие устройства;

РЦ — запоминающие устройства на ЦМД;

5.Источники вторичного питания:

ЕМ — преобразователи;

ЕН — стабилизаторы напряжения непрерывные;

ЕТ — стабилизаторы тока;

ЕК — стабилизаторы напряжения импульсные;

ЕУ — устройства управления импульсными стабилизаторами напряжения;

ЕС — источники вторичного питания;

6. Коммутаторы и ключи:

7.Логические элементы:

ЛК — И-ИЛИ-НЕ (И-ИЛИ);

8.Многофункциональные устройства:

ХА — аналоговые;

ХМ — цифровые матрицы;

ХИ — аналоговые матрицы

ХТ — комбинированные матрицы;

9.Модуляторы:

МА — амплитудные;

10.Наборы элементов:

НД — диодов;

11.Преобразователи:

ПС — частоты;

ПД — длительности (импульсов);

ПУ — уровня (согласователи);

ПЛ — синтезаторы частоты;

ПЕ — делители частоты аналоговые;

ПЦ — делители частоты цифровые;

ПА — цифро — аналоговые;

ПВ — аналого — цифровые;

12.Триггеры:

ТЛ — Шмитта;

ТР — RS — триггер;

ТВ — JK — триггер;

13.Усилители:

УТ — постоянного тока;

УВ — высокой частоты;

УР — промежуточной частоты;

УН — низкой частоты;

УЛ — считывания и воспроизведения;

14.Устройства задержки:

БМ — пассивные;

15.Устройства селекции и сравнения:

CА — амплитудные;

16.Фильтры:

ФВ — верхних частот;

ФН — нижних частот;

17.Формирователи:

АГ — импульсов прямоугольной формы;

АФ — импульсов специальной формы;

АА — адресных токов;

АР — разрядных токов;

18.Фоточувствительные устройства с зарядовой связью:

ЦМ — матричные;

19.Цифровые устройства:

ИР — регистры;

ИА — арифметико — логические устройства;

Четвертый элемент — число, обозначающее порядковый номер разработки микросхемы в серии.

В обозначение также могут быть введены дополнительные символы (от А до Я), определяющие допуски на разброс параметров микросхем и т. п.

Перед первым элементом обозначения могут стоять следующие буквы:

К — для аппаратуры широкого применения;

Э — на экспорт (шаг выводов 2,54 и 1,27 мм);

Р — пластмассовый корпус второго типа;

М — керамический, металло- или стеклокерамический корпус второго типа;

Е — металлополимерный корпус второго типа;

А — пластмассовый корпус четвертого типа;

И — стеклокерамический корпус четвертого типа

Для бескорпусных интегральных микросхем перед номером серии может добавляться буква Б, а после нее, или после дополнительного буквенного обозначения через дефис указывается цифра, характеризующая модификацию конструктивного исполнения:

1 — с гибкими выводами;

2 — с ленточными выводами;

3 — с жесткими выводами;

4 — на общей пластине (неразделенные);

5 — разделенные без потери ориентировки (например, наклеенные на пленку);

6 — с контактными площадками без выводов (кристалл).

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Интегральная микросхема (ИМС) — это конструктивно законченное микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигналов (информации), содержащее большое число электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т.д.), изготовленных в едином технологическом процессе. Микросхемы изготавливают групповым методом, одновременно в одной партии может быть от нескольких десятков до нескольких тысяч микросхем.

По конструктивно-технологическому принципу микросхемы делят на три группы: полупроводниковые, пленочные и гибридные.

В полупроводниковых микросхемах основой являются кристаллы полупроводника. Все элементы микросхемы — диоды, транзисторы, резисторы и соединения между ними — выполняют в объеме и на поверхности кристалла в процессе одного технологического цикла. Микросхема может содержать от десятков до тысячи элементов. По типу применяемых транзисторов полупроводниковые ИМС подразделяют на биполярные и МОП.

В пленочной интегральной микросхеме все элементы и соединения между ними выполняются в виде различных пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. В настоящее время методом пленочной технологии изготавливают только пассивные компоненты — резисторы, конденсаторы и индуктивности, а также проводники. Так, если нужно создать резистор, то напыляется полоска металла. Для создания конденсатора на участок основания наносится слой проводника, потом диэлектрика, затем снова проводника и т.д.

В зависимости от толщины пленки и способа создания элементов пленочные микросхемы делят на тонко- и толстопленочные. К первому типу относятся микросхемы с толщиной пленки более 1 мкм, а толщина пленки в толстопленочной микросхеме составляет

В гибридных интегральных схемах в качестве активных элементов используют навесные дискретные полупроводниковые приборы или полупроводниковые ИМС, а в качестве пассивных элементов — пленочные резисторы, конденсаторы, индуктивности и соединяющие их пленочные проводники.

Для защиты от внешних воздействий ИМС помещают в герметичные металлические или пластмассовые корпуса. Корпус микросхемы имеет внешние выводы для монтажа и маркировку. По размерам и объему корпус значительно превосходит саму микросхему.

По функциональному назначению и характеру выполняемых операций интегральные микросхемы делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговые микросхемы применяют в качестве усилителей, генераторов, стабилизаторов тока и напряжения и других устройств, которые работают с сигналами в виде непрерывных функций.

Цифровые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и обработки дискретных сигналов (сигналов в виде последовательности импульсов). Они используются в вычислительной технике, автоматике, бытовой радиоэлектронной аппаратуре.

Показателем сложности микросхемы является степень интеграции К, которая характеризует число содержащихся в ней элементов и компонентов N (К= lg АО, К округляют до ближайшего большего целого числа.

По степени интеграции ИМС делятся на:

  • малые интегральные схемы (МИС) — имеют степень интеграции 1 и 2, в состав которых входят один или несколько видов функциональных аналоговых или логических элементов (логические элементы И, ИЛИ, НЕ, триггеры, усилители, фильтры и т.д.);
  • средние интегральные схемы (СИС) — это схемы со степенью интеграции 1 и 2, в состав которых входят один или несколько одинаковых функциональных узлов электронных устройств (регистр, дешифратор, счетчик, постоянно запоминающее устройство);
  • большие интегральные схемы (БИС) — это схемы со степенью интеграции 3, 4, в состав которых входят один или несколько функциональных устройств (арифметико-логическое устройство, оперативное запоминающее устройство и т.д.);
  • сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) — это интегральные схемы со степенью интеграции 5—7, представляющие собой законченные микроэлектронные изделия, способные выполнять функции аппаратуры (однокристальные ЭВМ, микропроцессоры).

Наибольшей степенью интеграции обладают полупроводниковые ИМС, затем тонкопленочные и, наконец, толстопленочные и гибридные. Классификация полупроводниковых ИМС по уровню интеграции представлена в табл. 11.1.

Таблица 1 7.7

Классификация полупроводниковых ИМС по уровню интеграции

Интегральные микросхемы (ИМС)

Интегральные микросхемы являются основным видом микроэлектронных изделий. Проблемами их исследования, конструирования, изготовления и применения занимается микроэлектроника — одно из направлений современной электроники.

Интегральная микросхема (ИМС) — микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигналов и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и кристаллов, которое, исходя из требований к испытаниям, приемке и поставке, рассматривается как единое целое. Вместо термина «интегральная микросхема» иногда используются термины «интегральная схема» (ИС) или просто «микросхема». ИМС содержит элементы и компоненты. В одном монокристалле полупроводникового материала может быть в едином технологическом цикле реализовано до нескольких сотен тысяч элементов.

Элементом ИМС называется ее часть, реализующая функцию какого-либо простого электрорадиоэлемента (например, транзистора, диода, резистора, конденсатора). Элемент ИМС не может быть отделен от кристалла (или подложки), он выполнен нераздельно от него, поэтому элемент нельзя испытать, упаковать и эксплуатировать как самостоятельное изделие.

Компонентом ИМС также называется ее часть, реализующая функции какого-либо электрорадиоэлемента. Но данная часть перед монтажом ИМС была изготовлена как самостоятельное изделие в специальной упаковке (комплектующее изделие). Компонент в принципе может быть отделен от ИМС.

Аппаратуру, в которой используются в основном изделия микроэлектроники, называют микроэлектронной. Микроэлектронная аппаратура обладает повышенной надежностью, уменьшенными на два порядка и более габаритами и массой, малым электропотреблением. Повышение надежности достигается за счет использования специальной технологии на основе особо чистых материалов, прочности и герметичности покрытий внутренних соединений, компактности и механической прочности узлов.

В основе микроэлектроники заложена ее главная идея — интеграция компонентов. Идея интеграции состоит в том, что на исходной пластине вместо отдельных транзисторов, диодов и т.д. одновременно и в едином технологическом цикле изготавливают множество комплектов, а затем пластину разрезают на отдельные ИМС. Каждый из комплектов содержит все элементы, необходимые для построения функционального узла (на рис. 8.57 это два транзистора — диод и резистор). Эти элементы соединяются между собой не проволочными проводниками и пайкой, а короткими металлизированными полосками, напыленными на поверхность. Таким образом, каждый комплект представляет готовую ИМС, которая помещается в корпус. Металлизированные площадки выводов ИМС тончайшими золочеными проволочками соединяются с выводами корпуса.

Групповой метод изготовления ИМС

Рис. 8.57. Групповой метод изготовления ИМС: а — исходная функциональная схема; б — соединение элементов внутри микросхемы; в — полупроводниковая пластина, содержащая в заданной последовательности ИМС; г — ИМС в корпусе

Изготовление ИМС основано на групповом методе и планарной технологии. Групповой метод состоит в том, что на одной пластине кремния диаметром примерно 70 мм размещается до 5000 электронных схем, каждая из которых содержит от 10 до 20 000 и более областей, эквивалентных электронным приборам (см. рис. 8.57).

На рис. 8.58 приведена классификация ИМС по применяемому методу их создания. Полупроводниковые ИМС производятся методом локального воздействия на микроучастки полупроводникового кристалла (твердого тела) с целью придания им свойств, соответствующих функциям микроэлементов, и образованию их соединений. Они могут быть выполнены на основе биполярных транзисторов (как правило, п-р-п-типа) или полевых МОП, либо КМОП-тран- зисторов. Для изоляции элементов друг от друга принимают специальные меры.

Классификация ИМС

Рис. 8.58. Классификация ИМС

Пленочные ИМС производятся методом послойного нанесения тонких пленок различных материалов на общее основание (подложку) с одновременным формированием в них микроэлементов и их соединений. В пленочных ИМС в настоящее время отсутствуют активные элементы (транзисторы, диоды). Вариантами технического исполнения пленочных ИМС являются тонкопленочные с толщиной пленок до 1 мкм и толстопленочные с большей толщиной. Это различие определяется технологией изготовления: первые производятся с помощью термовакуумного осаждения и катодного распыления, вторые — методом сеткографии с последующим выжиганием [7].

Полупроводниковые и пленочные ИМС являются не конкурирующими, а дополняющими друг друга. Их комбинирование привело к разработке схем нового типа — гибридных ИМС, в которых используются микроминиатюрные дискретные активные компоненты и пленочные элементы и компоненты. В составе гибридных ИМС имеются и сложные компоненты, например кристаллы полупроводниковых ИМС. Частным случаем гибридной ИМС является многокристальная ИМС, представляющая собой совокупность нескольких бескорпусных ИМС.

Основной тенденцией развития ИМС является увеличение числа элементов в одном кристалле, т.е. повышение их функциональной сложности. Функциональную сложность ИМС принято характеризовать степенью интеграции.

Степень интеграции — это показатель, отражающий количество элементов и компонентов в ИМС. Степень интеграции определяется по формуле

где N— число элементов и компонентов, входящих в ИМС.

В соответствии с этой формулой различают степени интеграции: первую = 1, N= 10); вторую (к= 2, N= 11 — 100); третью = 3, N= 101—1000); четвертую (к= 4, N= 1001—10 000); пятую (к= 5, 7V= 10 001—100 000). Используют также и такие термины: простые ИМС, к 4 (СБИС).

Кроме степени интеграции используют показатель плотности упаковки элементов — количество элементов (чаще всего транзисторов) на единицу площади кристалла. Этот показатель — уровень технологии. В настоящее время он составляет 500—1000 элементов и более на 1 мм 2 .

Простейшие полупроводниковые ИМС американские фирмы начали выпускать в 1961—1963 гг. Отечественные ИМС появились в 1960—1961 гг. Можно выделить пять этапов развития микроэлектроники: от степени интеграции к = 2 до степени интеграции к = 5 и широкого использования микропроцессоров и микроЭВМ, разработанных на базе БИС и СБИС. Следующим этапом развития микроэлектроники, по-видимому, будет функциональная электроника, основанная на использовании объемных эффектов в твердом теле. Примерами таких приборов являются кварцевые резонаторы, диоды Ганна и др. К этому направлению относится опто-, магнито-, акусто-, крио-, биоэлектроника, диэлектрическая электроника, хе- мотроника, квантовая микроэлектроника.

Разработка малогабаритной (микроминиатюрной) электронной аппаратуры предусматривает комплексную миниатюризацию всех ее элементов, т.е. применение в аппаратуре, кроме ИМС, малогабаритных деталей, соединительных элементов, источников питания и других компонентов. В связи с этим все микроэлектронные изделия подразделяют на три группы:

  • 1) интегральные микросхемы, микроЭВМ и микропроцессоры;
  • 2) функциональные приборы и микросхемы (оптоэлектронные, ионные, тепловые, акустические и т.д.), использующие различные свойства веществ (оптические явления, электролиз, эффект Холла, эффект Ганна и др.);
  • 3) микрокомпоненты для монтажа и сборки микросхем в блоки или устройства (многослойные печатные платы, гибкие кабели, микроразъемы, микропереключатели, кнопки, индикаторы, элементы конструкций).

Элементы интегральных микросхем. Особенностями элементов ИМС являются: наличие электрической связи с кристаллом, изготовление в едином технологическом цикле, применение новых, не применяемых в дискретной схемотехнике, элементов (многоэмит- терный и многоколлекторный транзисторы, транзисторы с барьером Шоттки, супербета-транзисторы, составные транзисторы и ДР-)-

Изготовление полупроводниковой ИМС включает: подготовку исходного материала, эпитаксиальное наращивание, окисление, литографию, легирование примесями, металлизацию и сборочные операции.

Применяется монокристаллический кремний. Иногда на пластину обработанного кремния эпитаксией в реакторе наращивают слой упорядоченной кристаллической структуры. Слой двуокиси кремния Si02 толщиной 0,5—2 мкм получают окислением кремния в кислороде или парах воды. Слой позволяет формировать на поверхности кремния маски для легирования примесями. Формирование защитных масок на поверхности полупроводника достигается способом фотолитографии (маскирования). От точности и размеров рисунка окон зависят возможные размеры ИМС. Разрешающая способность фотолитографии — до 1200 линий на один миллиметр, диаметр окна в маске — 3 мкм. Дальнейшее увеличение разрешающей способности для изготовления БИС и СБИС (размерами элементов до 0,5—2 мкм) достигается средствами рентгено- и электронной литографии.

Легирование примесями производят диффузией в специальных установках. Примеси через окна в маске проникают в кремний до десятков микрон. Для получения многослойных структур может применяться многократная (до четырех раз) диффузия (после очередного окисления и маскирования). Используется также ионное легирование — бомбардировка поверхности кремния пучком ионов примеси.

Металлизация представляет собой процесс формирования соединений между элементами ИМС и контактными площадками для присоединения внешних выводов. Используется, как правило, алюминий.

После автоматизированного тестового испытания производятся сборочные операции: разрезание пластины на кристаллы (ЧИПы), монтаж кристаллов в корпус. В ИМС на биполярных транзисторах используются структуры с изоляцией р-п-переходом и диэлектрической изоляцией (рис. 8.59).

В биполярных ИМС применяются транзисторные структуры. В качестве диодов используют /?-я-переходы базовых транзисторных структур. Применяются пять вариантов диодного включения транзисторов. Оптимальное сочетание параметров дают соединения БК—Э и Б—Э. Пассивные элементы (резисторы, конденсаторы) получают в едином технологическом цикле с транзисторами.

Различают диффузионные резисторы на основе эмиттерной или базовой областей я-/?-я-транзисторов, сопротивление которых достигает 50 кОм; пленочные резисторы, получаемые напылением тонкой пленки нихрома или тантала на изолированную поверхность кристалла.

Конденсаторы ИМС получают на основе использования барьерной емкости /ья-переходов. Конденсаторы на структуре эмиттер- ного перехода имеют наибольшую емкость — до 1200 пФ. Индуктивные элементы биполярных ИМС трудны в реализации и практически не используются.

ИМС на основе МОП-структур имеют существенные преимущества по сравнению с биполярными: универсальность базового МОП- элемента (выполняет функции транзистора, резистора, конденсатора), однородность элементов (значительное упрощение производ-

Формирование л-р-л-транзисторов ИМС

Рис. 8.59. Формирование л-р-л-транзисторов ИМС: изоляция />-л-переходом (а — окисление; б и в — диффузия; г — результирующая л -р-л -структура и металлизация); изоляция двуокисью кремния и V-ка- навками (д — формирование л-слоя коллектора; е — эпитаксия и формирование p-областей; ж — травление V-канавок и окисление; з — результирующая структура); изоляция воздушными промежутками с помощью подложки из сапфира (и — эпитаксия кремния на сапфир (КНС); к — травление кремния; л окисление; м результирующая структура)

ства), экономичность (число технологических операций снижается на 30 позиций), высокая степень интеграции, резкое уменьшение паразитных связей в кристалле, повышенная помехоустойчивость. Недостатком их является меньшее быстродействие.

Логический базис, серии и обозначение ИМС. Способ соединения транзисторов между собой в пределах одного элемента определяет их логический базис (логику). Из логических ИМС на биполярных транзисторах в настоящее время наибольшее распространение имеют: транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) в нескольких модификациях, эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), или, как ее еще называют, логика на переключателях тока (ГТТТЛ), и реже — диоднотранзисторная логика (ДТЛ). Новым направлением является инжек- ционно-интегральная логика (ИИЛ, или И 2 Л) с высокой степенью интеграции и малым потреблением энергии.

Микросхемы на основе полевых транзисторов находят все более широкое применение. Они строятся на современном включении пары транзисторов с каналами разных видов проводимости — комплементарные структуры (КМОП-структуры).

Для удобства разработчиков аппаратуры и по технологическим признакам ИМС выпускаются сериями. Серией называют совокупность микросхем различного функционального назначения, которые имеют согласованные электрические и временные параметры для совместного применения.

Микросхемы одной серии изготавливают по единой технологии, они имеют сходное конструктивное исполнение. В состав современных развитых серий входят десятки типов ИМС — от логических элементов до функционально законченных узлов (счетчиков, регистров, сумматоров, запоминающих устройств, АЛУ, микропроцессоров и др.). Серии ИМС обозначают трехзначной или четырехзначной цифрой, например 1102, 133, 155, 140, 580 и т.д. Всего насчитывается несколько десятков цифровых и несколько десятков аналоговых серий ИМС.

В сериях подгруппы ИМС по функциональному назначению имеют следующие обозначения: генераторы сигналов — Г, коммутаторы и ключи — К, логические элементы — Л, триггеры — Т, усилители — У, схемы цифровых устройств — И, вычислительных средств — В, схемы запоминающих устройств — Р, фильтры — Ф, схемы источников вторичного питания — Е, преобразователь сигналов — П и др. Виды ИМС внутри подгрупп также обозначаются буквами, например триггеры: универсальные — В, с раздельными входами — Р, с задержкой — М, счетные — Т, Шмитта — Л и т.д.

В соответствии с ГОСТ 18682—73 в принятой системе условное буквенно-цифровое обозначение ИМС содержит четыре элемента (рис. 8.60).

Наиболее популярными являются микросхемы следующих серий: среди ТТЛ — КР1533, КР1531, К531, К555, К155; среди КМОП — К176, К561, 561, КР1561, 1564.

Структура условного буквенно-цифрового обозначения ИМС (для примера записано обозначение триггера К155ТВ1)

Рис. 8.60. Структура условного буквенно-цифрового обозначения ИМС (для примера записано обозначение триггера К155ТВ1)

Корпуса микросхем. Корпус должен защищать микросхему от внешних воздействий, в том числе от влияния света и других внешних излучений, и химического воздействия. Среди многообразия конструкций корпусов наиболее распространен плоский металлостеклянный или керамический корпус и пластмассовый корпус. Часто применяется круглый корпус.

Корпуса микросхем отечественного производства изготавливают в соответствии с ГОСТ 17467—79. Этим стандартом они делятся на пять типов (табл. 8.3).

Расположение выводов на плоскости основания

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *