ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 18.03.2024
Просмотров: 459
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
, влаги и агрессивных примесей воздуха, от света и некоторых других видов радиации, от механических повреждений, от насекомых, пыли. В результате отбраковки потенциально ненадёжных ИС и помещения ИС в прочный герметичный корпус надёжность ИС удаётся значительно увеличить (штриховая линия на рис. 1).
С переходом к интегральной технологии радикально изменилась схемотехникаэлектронных устройств (всё то, что относится к выбору элементного состава и разработке схем их соединений). Технология дискретных элементов позволяла использовать практические любой набор типов элементов при ограниченном их количестве. Технология изготовления ИС, напротив, практически не ограничивает разработчика в количестве элементов, но ограничивает количество их типов до 2 – 3, иногда даже одного типа. Это особенно характерно для цифровых ИС (ЦИС).
Ещё одна особенность ЦИС – использование ключей практически одного типа во всех её частях. Сегодня, почти всегда, это ключ на комплементарных МДП транзисторах. Остальные типы ключей используются сравнительно редко в ИС с невысокой степенью интеграции.
Для ЦИС характерен также специфический набор главных параметров. Очевидно, что очень важна скорость изменения состояния ключей, которое определяет быстродействие (тактовуючастотуfC) ЦИС. Чаще всего быстродействие оценивается среднимвременемпереключенияt:
t = (t01 + t10) / 2, (6),
где t01 и t10 – время перехода ключа из состояния 0 в состояние 1 и наоборот, соответственно. Иногда t называют также среднимвременемраспространения сигнала.
Однако не менее важным является энергопотребление ключей, от которого зависит количество выделяющегося в ЦИС тепла и поэтому, предельное количество транзисторов и степень интеграции.
Энергопотребление ключей оценивается среднейпотребляемой мощностью Р:
Р = (Р0 + Р1) / 2, (7),
где Р0 и Р1 – мощности, потребляемые ключом в состояниях 0 и 1.
Ни один из этих параметров сам по себе не характеризует качество применяемых ключей.
Быстродействие можно увеличить за счёт увеличения расхода энергии (потребляемого тока), расход энергии можно снизить ценой уменьшения быстродействия. Поэтому главным критерием качества ключей ЦИС является средняя энергия переключения Pt – энергия, затрачиваемая на одно изменение состояния ключа. В настоящее время эта величина приближается к 10-12 Дж.
Зная Pt можно оценить среднюю потребляемую мощность ЦИС в целом. Так как вся потребляемая ИС электрическая энергия переходит в тепловую, т.е. рассеивается в виде тепла, эту мощность называют рассеиваемой мощностью Ррасс. Очевидно, что Ррасс пропорциональна Pt, количеству ключей m и количеству их переключений в секунду, т.е. тактовой частоте fC:
Ррасс = Pt · m · fC (8).
Выражение (8) даёт оценку максимального значения Ррасс, поскольку предполагает, что на каждом тактовом периоде 1 / fC изменяются состояния всех ключей ЦИС. В действительности, выделение тепла может быть значительно меньшим, например, при небольшой загрузке процессора.
В настоящее время Ррасс наиболее высокоинтегрированных ЦИС – процессоров достигает нескольких десятков Вт. Это позволяет относительно просто отводить от них тепло охлаждением вентиляцией воздуха.
Интересно, что по оценкам биологов, человеческий «процессор» – мозг, в процессе размышлений потребляет примерно такую же энергию.
В ЦИС потребляется электрическая энергия потока электронов, в мозге потребляется химическая энергия потока крови.
Особенностью ЦИС является также высокая помехоустойчивость. На рис. 16 показан процесс наложения сильной помехи на цифровой сигнал (чередование 0 и 1). Очевидно, что если напряжение, которое отличает нулевое состояние от единичного выбрано правильно, а именно U1/2, то помеха ошибок не вызывает.
59. Интегральные схемы на переключаемых конденсаторах.
ИС на переключаемых конденсаторах
Из теории цепей известно, что на основе R, C элементов и усилителей можно построить аналоговые узлы с любыми амплитудно- и фазо-частотными характеристиками. Однако интегральная технология не позволяет изготовить R и С элементы с большим сопротивленеием и ёмкостью, точность и стабильность их параметров очень невелика.
Указанная проблема успешно решается в ИСнапереключаемыхконденсаторах.
Рассмотрим цепь на рис. 56. Здесь транзисторные ключи S1и S2, изготовление которых сложности не представляет, управляются так, что их состояния поочерёдно изменяются. Конденсатор С может обладать очень маленькой ёмкостью и поэтому его изготовление в виде МДП конденсатора трудности не представляет.
Рис. 56
Когда S1 замкнут, происходит заряд емкости С. Когда S1 разомкнут, возникает некоторый ток разряда. В результате от входа к выходу протекает некоторый средний ток. Можно доказать, что если изменение состояний происходит с большой тактовой частотой fc, то такая цепь ведёт себя как активное сопротивление со средней величиной Rэкв = 1/ С ∙ f
c. Эффектом квантования, непостоянства сопротивления можно пренебречь, если тактовая частота fc намного превышает частоты сигналов, подвергающихся обработке в цепях с такими R.
Сопротивление таких «резисторов» тем больше, чем меньше емкость С, и чем выше тактовая частота. То и другое облегчает изготовление ИС.
Фундаментальным свойством RC-цепей является также то, что вид и параметры их АЧХ и ФЧХ определяется не столько абсолютными величинами R и С, сколько постоянными времени τ RC-цепочек. Рассмотрим, например, интегрирующую RC-цепочку, рис.57,а. Её постоянная времени
Рис. 57,а Рис. 57,б
определяется выражением τ = RC. Если резистор такой цепочки заменить на эквивалентный «резистор» с переключаемым конденсатором, рис. 57,б, получим:
τ = RэквC = С2 / С1fc (20).
Таким образом, в ИС на переключаемых конденсаторах необходимые АЧХ и ФЧХ можно получить при использовании только удобных для изготовления в ИС элементов: МДП-конденсаторов с малой ёмкостью, транзисторных ключей, усилителей и генераторов тактовой частоты. Параметры таких ИС зависят от отношений ёмкостей МДП-конденсаторов, которые отличаются высокой точностью и стабильностью. Изготовление тактового генератора с точной и стабильной частотой также является типовой, успешно решаемой задачей.
В собственных полупроводниках концентрации свободных электронов и дырок равны (собственная концентрация ni ). Однако для электронных элементов и интегральных схем необходимы полупроводники с преобладанием свободных электронов (n – тип) и с преобладанием дырок (р– тип). Их называют также полупроводниками с электронной и дырочной проводимостью.
Чтобы получить примесный полупроводник n – типа, в него при изготовлении кристалла добавляют донорную примесь. Атомы такой примеси имеют большую, чем сам полупроводник, валентность.
Например, в кремний (числовалентных электронов на внешней электронной оболочке равно 4) может быть добавлен фосфор (валентность 5). Это означает, что в полупроводнике появятся избыточные электроны, не участвующие в образовании связей между атомами. Такие электроны легко становятся свободными, достигается преобладание свободных электронов. Преобладающие по количеству носители называются основными. Неосновных носителей обычно на сколько порядков меньше. По сравнению с ним примесный полупроводник обладает большим достоинством – наличием обширного участка с практически неизменной концентрацией и проводимостью в большом диапазоне температур. Выбирая концентрацию донорной примеси N д при изготовлении можно получать желательные и стабильные параметры полупроводника в необходимом диапазоне температур. При этом обеспечивается соотношение:
n = N д + n i ≈ N д = const
Аналогичные изменения происходят при добавлении акцепторной примеси для изготовления полупроводника р – типа. Такая примесь, например бор с валентностью 3, имеет меньшую, чем кремний,
44. Ключи интегральных схем: среднее время переключения, средняя потребляемая мощность, средняя работа переключения.
С переходом к интегральной технологии радикально изменилась схемотехникаэлектронных устройств (всё то, что относится к выбору элементного состава и разработке схем их соединений). Технология дискретных элементов позволяла использовать практические любой набор типов элементов при ограниченном их количестве. Технология изготовления ИС, напротив, практически не ограничивает разработчика в количестве элементов, но ограничивает количество их типов до 2 – 3, иногда даже одного типа. Это особенно характерно для цифровых ИС (ЦИС).
Ещё одна особенность ЦИС – использование ключей практически одного типа во всех её частях. Сегодня, почти всегда, это ключ на комплементарных МДП транзисторах. Остальные типы ключей используются сравнительно редко в ИС с невысокой степенью интеграции.
Для ЦИС характерен также специфический набор главных параметров. Очевидно, что очень важна скорость изменения состояния ключей, которое определяет быстродействие (тактовуючастотуfC) ЦИС. Чаще всего быстродействие оценивается среднимвременемпереключенияt:
t = (t01 + t10) / 2, (6),
где t01 и t10 – время перехода ключа из состояния 0 в состояние 1 и наоборот, соответственно. Иногда t называют также среднимвременемраспространения сигнала.
Однако не менее важным является энергопотребление ключей, от которого зависит количество выделяющегося в ЦИС тепла и поэтому, предельное количество транзисторов и степень интеграции.
Энергопотребление ключей оценивается среднейпотребляемой мощностью Р:
Р = (Р0 + Р1) / 2, (7),
где Р0 и Р1 – мощности, потребляемые ключом в состояниях 0 и 1.
Ни один из этих параметров сам по себе не характеризует качество применяемых ключей.
Быстродействие можно увеличить за счёт увеличения расхода энергии (потребляемого тока), расход энергии можно снизить ценой уменьшения быстродействия. Поэтому главным критерием качества ключей ЦИС является средняя энергия переключения Pt – энергия, затрачиваемая на одно изменение состояния ключа. В настоящее время эта величина приближается к 10-12 Дж.
Зная Pt можно оценить среднюю потребляемую мощность ЦИС в целом. Так как вся потребляемая ИС электрическая энергия переходит в тепловую, т.е. рассеивается в виде тепла, эту мощность называют рассеиваемой мощностью Ррасс. Очевидно, что Ррасс пропорциональна Pt, количеству ключей m и количеству их переключений в секунду, т.е. тактовой частоте fC:
Ррасс = Pt · m · fC (8).
Выражение (8) даёт оценку максимального значения Ррасс, поскольку предполагает, что на каждом тактовом периоде 1 / fC изменяются состояния всех ключей ЦИС. В действительности, выделение тепла может быть значительно меньшим, например, при небольшой загрузке процессора.
В настоящее время Ррасс наиболее высокоинтегрированных ЦИС – процессоров достигает нескольких десятков Вт. Это позволяет относительно просто отводить от них тепло охлаждением вентиляцией воздуха.
Интересно, что по оценкам биологов, человеческий «процессор» – мозг, в процессе размышлений потребляет примерно такую же энергию.
В ЦИС потребляется электрическая энергия потока электронов, в мозге потребляется химическая энергия потока крови.
Особенностью ЦИС является также высокая помехоустойчивость. На рис. 16 показан процесс наложения сильной помехи на цифровой сигнал (чередование 0 и 1). Очевидно, что если напряжение, которое отличает нулевое состояние от единичного выбрано правильно, а именно U1/2, то помеха ошибок не вызывает.
Рис. 16
59. Интегральные схемы на переключаемых конденсаторах.
ИС на переключаемых конденсаторах
Из теории цепей известно, что на основе R, C элементов и усилителей можно построить аналоговые узлы с любыми амплитудно- и фазо-частотными характеристиками. Однако интегральная технология не позволяет изготовить R и С элементы с большим сопротивленеием и ёмкостью, точность и стабильность их параметров очень невелика.
Указанная проблема успешно решается в ИСнапереключаемыхконденсаторах.
Рассмотрим цепь на рис. 56. Здесь транзисторные ключи S1и S2, изготовление которых сложности не представляет, управляются так, что их состояния поочерёдно изменяются. Конденсатор С может обладать очень маленькой ёмкостью и поэтому его изготовление в виде МДП конденсатора трудности не представляет.
Рис. 56
Когда S1 замкнут, происходит заряд емкости С. Когда S1 разомкнут, возникает некоторый ток разряда. В результате от входа к выходу протекает некоторый средний ток. Можно доказать, что если изменение состояний происходит с большой тактовой частотой fc, то такая цепь ведёт себя как активное сопротивление со средней величиной Rэкв = 1/ С ∙ f
c. Эффектом квантования, непостоянства сопротивления можно пренебречь, если тактовая частота fc намного превышает частоты сигналов, подвергающихся обработке в цепях с такими R.
Сопротивление таких «резисторов» тем больше, чем меньше емкость С, и чем выше тактовая частота. То и другое облегчает изготовление ИС.
Фундаментальным свойством RC-цепей является также то, что вид и параметры их АЧХ и ФЧХ определяется не столько абсолютными величинами R и С, сколько постоянными времени τ RC-цепочек. Рассмотрим, например, интегрирующую RC-цепочку, рис.57,а. Её постоянная времени
Рис. 57,а Рис. 57,б
определяется выражением τ = RC. Если резистор такой цепочки заменить на эквивалентный «резистор» с переключаемым конденсатором, рис. 57,б, получим:
τ = RэквC = С2 / С1fc (20).
Таким образом, в ИС на переключаемых конденсаторах необходимые АЧХ и ФЧХ можно получить при использовании только удобных для изготовления в ИС элементов: МДП-конденсаторов с малой ёмкостью, транзисторных ключей, усилителей и генераторов тактовой частоты. Параметры таких ИС зависят от отношений ёмкостей МДП-конденсаторов, которые отличаются высокой точностью и стабильностью. Изготовление тактового генератора с точной и стабильной частотой также является типовой, успешно решаемой задачей.
Пятнадцатый билет
15. Влияние выбора типа полупроводника, размеров, концентрации примесей и температуры на свойства диодов.
В собственных полупроводниках концентрации свободных электронов и дырок равны (собственная концентрация ni ). Однако для электронных элементов и интегральных схем необходимы полупроводники с преобладанием свободных электронов (n – тип) и с преобладанием дырок (р– тип). Их называют также полупроводниками с электронной и дырочной проводимостью.
Чтобы получить примесный полупроводник n – типа, в него при изготовлении кристалла добавляют донорную примесь. Атомы такой примеси имеют большую, чем сам полупроводник, валентность.
Например, в кремний (числовалентных электронов на внешней электронной оболочке равно 4) может быть добавлен фосфор (валентность 5). Это означает, что в полупроводнике появятся избыточные электроны, не участвующие в образовании связей между атомами. Такие электроны легко становятся свободными, достигается преобладание свободных электронов. Преобладающие по количеству носители называются основными. Неосновных носителей обычно на сколько порядков меньше. По сравнению с ним примесный полупроводник обладает большим достоинством – наличием обширного участка с практически неизменной концентрацией и проводимостью в большом диапазоне температур. Выбирая концентрацию донорной примеси N д при изготовлении можно получать желательные и стабильные параметры полупроводника в необходимом диапазоне температур. При этом обеспечивается соотношение:
n = N д + n i ≈ N д = const
Аналогичные изменения происходят при добавлении акцепторной примеси для изготовления полупроводника р – типа. Такая примесь, например бор с валентностью 3, имеет меньшую, чем кремний,