Интегральные микросхемы

Интегральная микросхема (ИМС) представляет собой устройство, в котором несколько элементов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов) соединены между собой и образуют определенный функциональный узел (логический элемент, усилитель, генератор, стабилизатор напряжения и т. д.), изготовленный на общей основе (подложке) в едином технологическом процессе.

Различают монолитные ИМС, в которых на общей полупроводниковой, например, кремниевой подложке изготавливают все элементы, и гибридные ИМС, в которых на общей диэлектрической подложке изготавливают только пассивные элементы (рези­сторы, конденсаторы), а активные элементы (диоды, транзисторы) представляют со­бой безкорпусные миниатюрные детали навесного монтажа. По типу используемых транзисторов полупроводниковые ИМС принято подразделять на биполярные и МОП-ИМС.

В зависимости от функционального назначения ИМС подразделяют на аналого­вые (линейно-импульсные) и цифровые (логические).

В цифровой век аналоговые компоненты и микросхемы остаются востребованны­ми, причем именно цифровые технологии — в виде встроенных систем — стимули­руют рост рынка аналоговых микросистем. Подобно тому, как это принято в цифро­вой технике, где основополагающими являются операции дизъюнкции, конъюнкции и инверсии, в технике аналоговых ИМС принято пять основных аналоговых функ­ций: усиление, сравнение, ограничение, перемножение, частотная фильтрация. Они образуют в совокупности полный набор операций, необходимых для построения та­ких видов аналоговой техники, как многоцелевые усилители, операционные усили­тели, компараторы напряжения, ограничители, перемножители, активные и пассив­ные фильтры, аналогоцифровые и цифро-аналоговые преобразователи, стабилизаторы напряжения и тока, коммутаторы и ключи, формирователи, генераторы, детекторы, модуляторы, смесители и др.

В последнее время появились такие многоцелевые аналоговые ИМС, как програм­мируемые операционные усилители (ОУ) и таймеры. Программируемые ОУ, состоящие из одного или нескольких ОУ, перестраиваются на два и более режима работы. Тай­меры , настраиваемые внешней коммутацией обратной связи, реализуют различные аналоговые функции, характерные для импульсной техники.

Цифровые ИМС являются основной элементной базой многих современных элек­тронных устройств, позволяя уменьшить объем аппаратуры. В зависимости от типа применяемых элементов и особенностей схемотехники различают следующие семей­ства цифровых ИМС:

1. ТЛНС — транзисторные логические с непосредственной (гальванической) свя­зью;
2. РТЛ — резисторно-транзисторные логические;
3. РЕТЛ — резисторно-ёмкостные логические;
4. ДТЛ — диодно-транзисторные логические;
5. ТТЛ — транзисторно-транзисторные логические;
6. И2Л — интегрально-инжекционные логические;
7. ЭЛС — эмиттерно-связанные логические;
8. МОП и КМОП — логические схемы на основе комплементарных МОП- транзисторов.

Самыми распространёнными в настоящее время являются ИМС, реализующие ТТЛ и её разновидности, например ТТЛШ. Они обладают средним быстродействием (максимальная частота сигнала fmax = 20... 50 МГц) и средней потребляемой мощнос­тью. Интегральные схемы, реализующие ЭСЛ, являются наиболее быстродействую­щими, но потребляемая ими мощность превышает мощность элементов ТТЛ. Базо­вые элементы И2 Л отличает высокая, недоступная для ТТЛ и ЭСЛ, степень интеграции, пониженное напряжение питания и простота согласования с элемента­ми ТТЛ.

Особенностью наиболее распространённых элементов КМОП, выполненных на комплементарных полевых транзисторах с изолированным затвором, является малая потребляемая мощность, а по быстродействию в некоторых режимах они не уступа­ют логическим элементам на биполярных транзисторах.

Примеры простейших логических элементов, реализующих ТТЛ (а ), И2 Л (б ) и КМОП (в ). В схеме на двухэмиттерном тран­зисторе VT 1, транзисторе VT 2 и резисторах RБ, R k и R g реализован логический эле­мент транзисторно-транзисторной логики — исключающее И.

В приведенной схеме элемента интегрально-инжекционной логики многоколлекторный транзистор VT 2 выполняет функцию отрицания входного сигнала х , а транзистор VT 1 — генератора (инжектора ) базового тока транзистора VT 2. При отсутствии напряжения на входе х элемента, вследствие насыщения транзисто­ра VT 2 током базы, напряжения на выходах У 1 и у 2 равны 0,1 . 0,2 В, а при замыка­нии входа х на общую шину транзистор VT 2 заперт и напряжения на его выходах рав­ны 0,6...0,7 В.

К особенностям элемента И2 Л следует отнести постоянство тока инжектора во всех режимах работы элемента, определяемого резистором R и источником питания +Е . Реальное значение тока можно изменять от 1 нА до 1 мА, т. е. на шесть поряд­ков, тем самым изменять быстродействие элемента.

Простейшим логическим элементом комплементарной МОП-транзисторной ло­гики (КМОП) является инвертор, реализующий операцию отрицания у = х . При х = 0 переключающий n - канальный транзистор VT 2 заперт, нагрузочный р - канальный VT 1 открыт, и напряжение на выходе инвертора близко к Е, т. е. имеет высокий уровень (0,2...0,5 В). При х = Е, n - канальный транзистор VT 2 открыт, р - канальный транзистор VT 1 заперт, и напряжение на выходе у элемента имеет низкий уровень, равный практически нулю. Благодаря малому току затвора полевых транзи­сторов VT 1 и VT 2 потребление мощности КМОП-элемента практически отсутствует в обоих режимах его работы.

Друзья, не забывайте подписываться на обновления блога, ведь чем больше читателей подписано на обновления, тем больше я понимаю что  делаю что-то важное и полезное и это чертовски мотивирует на новые статьи и материалы.