Дәріс № 2. Үлкен интегралды микросхемалар мен микропроцессорлар жасаудың заманауи технологиялары

1. Дәріс № 2. Үлкен интегралды микросхемалар мен микропроцессорлар жасаудың заманауи технологиялары Дәріс мақсаты: интегралды схемаларда пайдаланылатын кең таралған схемотехнологияларды оқып үйрену: - Транзисторлы-транзисторлы логика (ТТЛ); - эмиттерлі-байланысқан логика (ЭСЛ); - п-арналы металл-диэлектрик-жартылай өткізгіш құрылымы негізінде жасалған логика (пМДП); - әртүрлі өткізгішті транзисторлы метал-диэлектрик-жартылайөткізгіш құрылымына негізделген логика (КМДП).

2. «Технология (грек сөзі – искусство, ұсталық, білу және ...логия») – өнім өндірісі процесінде жүзеге асырылатын материал немесе жартылайжасандылар формасын, қасиетін өңдеу, жасау, жағдайын өзгерту әдістерінің бірлестігі (Совет энциклопедиялық сөздігі. М.: 1979-с.1338). Бірнеше материалдық формалар түріндегі ақпарат хабарлама деп аталады. Сигнал түріндегі хабарлама мына түрде болуы мүмкін:- аналогты, яғни уақыт бойынша үздіксіз өзгереді (ток, кернеу, қысым, температура және т.б.);- цифрлық, уақыт бойынша дискретті өзгереді.Цифрлық сигналдар екі түрде болуы мүмкін:а) потенциалды (оң және теріс логика);б) импульсті (динамикалық).Бірінші жағдайда белгілі уақыт мезетінде кернеудің үлкен деңгейіне логикалық 1, кіші деңгейіне – логикалық 0 сәйкес келеді (оң логика). Теріс логикада – барлығы керісінше.Екінші жағдайда бір уақыт мезетінде импульстың пайда болуы 1 ге сәйкес, импульс жоқ болса – логикалық 0-ге сәйкес болады.

3. Цифрлық техника екілік түрдегі (машиналық кодта) сандарды ұсынады. Әр екілік санға өз ондық эквиваленті сәйкес келеді.Екілік сандарды өңдейтін цифрлық құрылғылар екі класқа бөлінеді:а) жадысыз аралас және цифрлық құрылғылар;б) соңғы автоматтар немесе жадылы цифрлық құрылғылар.Біріншілері қарапайым логикалық элементтерден құралады. Екіншілері өз құрамында логикалық элементтерден басқа жады ретінде триггерлер қолданылады. Цифрлық және басқа да құрылғыларды микросхема түрінде кездестіруге болады.Тораптарда жұмыс істеу технологияларыЕгер тұтынушылардың ақпаратпен (мәліметтермен, бағдарламалармен, алгоритмдермен, кәсіби маңызды мағлұматтармен және т.б.) алмасу мүмкіндігі бар болса, компьютерлерді пайдалану тиімді болады. Сыртқы тасымалдаушылар көмегімен ақпарат алмасу осы мәселенің бір бөлігін ғана шешеді, ал ең маңыздысы – компьютерлерді тораппен қосу. Тораптарда жұмыс істеудің аппараттық жабдықтарына мыналар жатады:- байланыс линиялары (кабель, радиобайланыс, спутниктік байланыс);- тораптық карталар;- модемдер;- серверлер (тораптық ресурстарды басқаруға арналған компьютерлер).

4. Программалық жабдықтар: - торап жұмысы режимін басқаратын операциялық жүйелер; - тораптық (хаттама) протоколдарды басқаратын коммуникациялық программалар. Тораптық қызметтерге хабарландырудың электрондық тақтасы (Bulletin Board System-BBS), электрондық пошта (е-mail), телеконференциялар немесе жаңалықтар топтамасы (News Group), компьютерлер арасындағы файлдармен алмасу (FTR), Интернеттегі паралельді сөйлесу (Internet Relay Chat- IRC), «Әлемдік тордағы» іздеу жүйелері. 2.1.Интегралды схемаларда пайдаланылатын схематологияға қысқаша шолу Интегралды схемаларда қолданылатын кеңінен тараған схемотехнологияларды қарастырайық: Транзисторлы-транзисторлы логика; Эмиттерлі байланысқан логика; п-арналы Метал-диэлектрик-жартылайөткізгіш негізінде құрылған логика; комбинацияланған әртүрлі өткізгішті транзисторлы метал-диэлектрик-жартылайөткізгіш негізінде құрылған логика.

5. ТТЛ технологиясыТТЛ технологиясы биполярлы құрылымға негізделген. ТТЛ базалық элементі бір көпэмиттерлі және бір қарапайым транзистордан тұратын схема, бұл ЖӘНЕ-ЕМЕС логикалық схемасы (ЖӘНЕ функциясын VТ1 , ал терістеу ЕМЕС функциясын VТ2 транзисторы орындайды).Бұл схема бөгеуіл төзімділігі төмен және төмен жылдамдықты, жылдамдығын қосылу уақытын (логикалық «0» ден логикалық «1» ге ауысу) азайтуға көмектесетін күрделі инвертор арқылы көтеруге болады, ал өшіру уақытын (логикалық «1» ден логикалық «0» ге өту) кеміте алмаймыз. 1-сурет. - ТТЛ базалық элементі

6. ТТЛШ схемалары (Шотки барьері бар транзисторлар пайдаланылған транзисторлы-транзисторлы логика) жылдамдықты көтеруге септігін тигізеді. Мұндай схемаларда Шотки барьері транзисторда сызықсыз кері байланыс жасайды 2-сурет - Шотки транзисторы

7. ЭСЛ технологиясыЭСЛ технологиясы ТТЛ технологиясы сияқты биполярлы, яғни элементтері биполярлы құрылымдардан жасалады. ЭСЛ элементтерінің негізі «ток ауыстырғышы» деп аталады, Немесе-Емес (3-сурет); 1-шығысында логикалық НЕМЕСЕ-ЕМЕС, ал 2-шығысында – НЕМЕСЕ логикалық функциясы бар.ЭСЛ схемаларының кіріс кедергісі төмен болғандықтан жылдамдықтары жоғары және активті режимде жұмыс істейді, кіріске түскен бөгеттер күшейеді. Бөгеуіл төзімділігін жоғарылату үшін коллекторлы қорек көзінің шинасын жуан жасайды және жалпы шинамен байланыстырады. 3-сурет - ЭСЛ базалық элементі

8. ТТЛ схемаларымен салыстырғанда ЭСЛ схемалары жоғары жылдамдықта, бірақ бөгеуіл төзімділіктері төмен. ЭСЛ схемалары кристалда көп орын алады, көп қуат қолданып шығыс транзисторы ашылып үлкен ток жүреді. Осы технология бойынша жасалған схемалар оң кернеулі қорек көзін пайдаланатын басқа технология схемаларымен өзара байланыспайды.пМДП технологиясыпМДП технологисының жоғарыда қарастырылған технологиялардан айырмашылығы олар МДП транзисторларына негізделген, биполярлы құрылымдарға қарағанда мынадай жетістіктерге ие болады:- кіріс тізбегі (затвор тізбегі) статикалық режимде ток қолданбайды (жоғары кіріс кедергісі бар);- өндірістің қарапайым технологиясы және кристалдағы алатын орны аз.пМДП негізінде жасалған негізгі логикалық схемалар НЕМЕСЕ-НЕ, ЖӘНЕ-ЕМЕС (4-5сурет). 4-сурет. НЕМЕСЕ-ЕМЕС схемасы 5-сурет. ЖӘНЕ-ЕМЕС схемасы

9. Бұл схема кемшіліктеріне ТТЛШ және ЭСЛ схемаларымен салыстырғандағы аз жылдамдығы жатадыКМДП технологиясыМДП технология дамытудың келесі қадамы комплиментарлы МДП яғни әртүрлі өткізгіш типті транзисторларды пайдалану болып табылады, мұнда негізгілері п-типті транзисторлар; ал р-типті транзисторлар динамикалық жүктеме түрінде пайдаланылады. пМДП схемаларымен салыстырғанда КМДП-схемаларын қуатты көп пайдаланады, жылдамдықты және бөгеуіл төзімділікті көбейтеді, бірақ оның кристалдағы алатын орны көп, өндіріс технологиясын күрделендіреді.

10. КМДП технологиясы бойынша құрылған интегралды схемалар ерекшеліктері мыналар: - статикалық электрлікке сезімталдылық (буферлік каскадтарға қорғаныс үшін диодтар қойылады); - тиристорлық эффект (КМДП құрылымдарында қорек көзі шиналары арасында паразитті биполярлы тиристорға ұқсас құрылымдар пайда болады). Қорек көзін қосқанда тиристор қосылады, «+» шинасын жалпы шинаға тұйықтайды.

11. Сабақтың соңы