Файл: Каган Б.М. Цифровые вычислительные машины и системы учеб. пособие.pdf

Если модули, собранные из обычных малогабаритных радиодеталей и полупроводниковых приборов, имеют плотность монтажа приблизительно 1,5—2 детали на 1 см5, то микромодули при тех же электрических пара­ метрах обеспечивают плотность монтажа 10—20 дета­ лей в том же объеме. Микромодульная технология не содержит существенно новых, принципиальных отличий от технологии производства логических элементов на дискретных радиокомпонентах, и ее развитие, по-видн- мому, не имеет перспективы.

Тонкопленочная технология использует для производ­ ства компонентов логических элементов процессы нане­ сения (напыления, осаждения и т. п.) на изолирующие подложки тонких проводящих и диэлектрических пле­ нок. Эти пленки в зависимости от своих электрических характеристик используются в качестве резисторов, об­ кладок конденсаторов и соединительных проводов. Ме­ тоды тонкопленочной технологии не позволяют пока по­ лучать достаточно стабильные пленочные триоды и дио­ ды. Кроме того, изготовление индуктивностей, а также конденсаторов большой емкости методами тонкопленоч­ ной технологии сопряжено с большими трудностями, по­ этому в тонкопленочных элементах эти компоненты ис­ пользуются в виде дискретных деталей, подсоединяемых навесным монтажом. Все это, естественно, увеличивает габариты тонкопленочных схем, снижает их надежность и, следовательно, ограничивает область их применения. В тонкопленочных элементах плотность монтажа дости­ гает 100—150 деталей на 1 см5.

Интегральные технологические процессы изготовле­ ния элементов обеспечивают получение компонентов схе­ мы в виде отдельных областей в полупроводниковых материалах, интегрально (неразрывно) связанных и об­ ладающих характеристиками дискретных радиокомпо­ нентов. При этом все межкомпонентные соединения про­ изводятся в процессе изготовления интегральных компо­

резисторов. Интегральная схема собирается в отдельном герметизированном корпусе стандартной формы и раз­

149

меров. Плотность монтажа на кристалле достигнет 100 000 компонентов на 1 см3. Однако после размещения интегральной схемы в отдельном корпусе плотность мон­ тажа снижается до 200—1000 компонентов на 1 см3. При небольших размерах, весе и потребляемой мощности, ин­ тегральные схемы характеризуются высокой надежнос­ тью, сравнимой с надежностью одного отдельно взятого транзистора. Это объясняется в основном исключением большого количества малонадежных межкомпонентных соединений.

Гибридная технология производства элементов ис­ пользует интегральные и тонкопленочные технологичес­ кие процессы. В логических элементах, выполненных по гибридной технологии, активные компоненты могут из­ готовляться в полупроводниковых областях подложки, а для изготовления пассивных компонентов используют­ ся тонкие пленки.

Развитие микроэлектроники вызвало необходи­ мость введения новых терминов, в настоящее время еще окончательно не установившихся. Приведем определе­ ния терминов, которые будут использованы при дальней­ шем изложении материала.

Микромодулем называется совокупность дискретных миниатюрных радиодеталей (транзисторов, диодов, ре­ зисторов, конденсаторов, индуктивностей и пр.) упоря­ доченной формы, размещенных на изолирующих плас­ тинках с высокой плотностью монтажа.

Тонкопленочные логические элементы — это элемен­ ты, которые выполняются путем нанесения на изолирую­ щие подложки тонких проводящих и диэлектрических пленок.

Гибридные элементы—это элементы, которые созда­ ются с использованием интегральных и тонкопленочных технологических методов.

Интегральные элементы представляют собой закон­ ченные электронные приборы, содержащие активные и пассивные компоненты нераздельно (интегрально), вы­ полненные на полупроводниковом кристалле.

Интегральные схемы обладают наибольшей надеж­ ностью, высокой плотностью упаковки и наименьшей сто­ имостью, что позволяет считать их самыми перспектив­ ными логическими элементами.

В микроэлектронных цифровых устройствах широко применяются логические элементы потенциальной сис­

150

темы, так как эта система из-за отсутствия в электри­ ческих схемах элементов реактивностей (емкостей и ин­ дуктивностей) наиболее технологична в интегральном ис­ полнении. Поэтому современная интегральная схема со­ держит один или несколько потенциальных логических элементов, таких как триггер, клапан, одновибратор, ин­ вертор, усилитель-формирователь и т. д., интегрально вы­ полненных в полупроводниковом кристалле в виде от­ дельного электронного прибора, реализующего нужную логическую функцию.

Использование систем интегральных логических эле­ ментов для построения устройств ЦВМ позволяет резко повысить надежность и снизить габариты, вес и потреб­ ляемую мощность ЦВМ. При этом чем более сложная логическая схема сформирована в интегральном элемен­ те, изготовленном на монолитной кремниевой пластине, тем выше надежность ЦВМ. Это объясняется резким снижением числа паяных, сварных и разъемных межсо­ единений, наличие которых значительно понижает об­ щую надежность ЦВМ.

тегральных логических элементов. Существующие ком­ плексы интегральных элементов принадлежат к потенци­ альной системе. Их принято классифицировать по типу компонентов, на которых реализуются логические функ­ ции. Можно выделить основные, наиболее часто упот­ ребляемые типы интегральных элементов:

потенциальные элементы резисторно-транзисторной

логики; потенциальные элементы резисторно-конденсаторной

транзисторной логики; потенциальные элементы диодно-транзисторной ло­

гики; потенциальные элементы транзисторно-транзисторной

логики; потенциальные элементы транзисторной логики

с эмиттерными связями.

Рассмотрим их схемные особенности.

151

Потенциальные элементы резисторно-транзисторной логики (РТЛ) в гибридном и интегральном исполнении широко используются в ЦВМ.

Схема типового клапана ИЛИ — НЕ РТЛ показана на рис. 3-16.

Типовой модуль схем РТЛ обычно содержит два трех­ входовых клапана ИЛИ — НЕ (И—НЕ) или один шести­ входовой клапан ИЛИ — НЕ (И—НЕ). Параметры, ха­ рактерные для схем РТЛ, приводятся в табл. 3-9.

Для схем РТЛ характерно неравенство входных то­ ков, текущих к базам параллельно включенных входных транзисторов, возникающее из-за разброса напряжений база—эмиттер входных транзисторов. Увеличивая соп­ ротивления входных базовых резистров R\, можно умень-

Т а б л и ц а 3-9

152

Шить неравномерность распределения токов, но при этом увеличатся напряжения питания, потребляемая мощ­ ность, перепады выходных напряжений и уменьшится бы­ стродействие за счет возрастания времени выключения транзисторов. Сопротивление R і определяется в резуль­ тате компромисса между быстродействием и нагрузочной способностью схемы. Поэтому параметры комплекса РТЛ, как видно из табл. 3-9, сравнительно невысоки.

Комплекс потенциальных элементов резисторно-тран­ зисторной логики обычно содержит клапаны И—НЕ (ИЛИ—НЕ), усилитель с нагрузочной способностью до 30, полусумматор и триггер с установочными входами

Б. П О Т Е Н Ц И А Л Ь Н Ы Е Э Л Е М Е Н Т Ы Р Е З И С Т О Р Н О -К О Н Д Е Н С А Т О Р Н О Й Т Р А Н З И С Т О Р Н О Й Л О Г И К И (Р К Т Л )

Элементы резисторно-конденсаторной транзисторной логики (РКТЛ) отличаются от элементов РТЛ только наличием конденсаторов, которые шунтируют базовые резисторы клапанов. Введение конденсаторов в схему

Рис. 3-17. Схема типового клапана РКТЛ (ИЛИ—НЕ).

клапана РКТЛ позволило уменьшить неравномерность распределения токов, свойственную клапану РТЛ, пу­ тем увеличения сопротивления базового резистора. При этом быстродействие клапана несколько снизилось. Схе­ ма типового клапана РКТЛ показана на рис. 3-17.

Набор потенциальных элементов РКТЛ в определен­ ной степени повторяет набор элементов РТЛ. Типичные характеристики логических схем РКТЛ приводятся в табл. 3-10.

153

Одной из разновидностей схем РКТЛ является так называемая потенциальная система элементов с ^С-свя- зями. Она отличается от схем РКТЛ тем, что в цепях за­ несения информации на триггеры отсутствует базовый резистор R ь но остается конденсатор Сь Такая модер­ низация позволяет производить импульсный запуск триг­ геров через разделительные емкости, что во многих слу­ чаях снижает аппаратные затраты. Схемы РКТЛ в ин­ тегральном исполнении используются редко, так как из­ готовление конденсаторов (более 50Пф ) методами ин­ тегральной технологии сопряжено с большими труднос­ тями.

Т а б л и ц а 3-10

Параметр Клапан Триггер

В . П О Т Е Н Ц И А Л Ь Н Ы Е Э Л Е М Е Н Т Ы Д И О Д Н О -Т Р А Н З И С Т О Р Н О И Л О Г И К И (Д Т Л )

Схема интегрального элемента диодно-транзисторной логики (ДТЛ) показана на рис. 3-18 и представляет со­ бой клапан И—НЕ для положительных сигналов высоко­ го уровня или клапан ИЛИ—НЕ для сигналов низкого уровня напряжения. В отличие от диодно-транзисторно­ го клапана И—НЕ, собранного из дискретных радиоком­ понентов, в интегральном клапане ДТЛ отсутствует ба­ зовый резистор или базовая ^С-цепь смещения, а фун­ кцию смещения уровня выполняет пара последовательно включенных диодов Д 0. Кроме того, резистор, подклю­ ченный к базе транзистора, вследствие отсутствия RC- цепи подсоединяется другим своим концом не к источни­ ку отрицательного напряжения смещения, а непосредст­ венно к эмиттеру транзистора. Использование запертых диодов смещения для образования порогового уровня

154