Микроэлектроника является одной из наиболее быстро развивающихся областей науки и техники. Непрерывно улучшаются технические характеристики и расширяются функциональные возможности микроэлектронных изделий — интегральных микросхем. Совершенствование -интегральных микросхем будет продолжаться, хотя темпы этого процесса будут постепенно замедляться по мере приближения параметров-микросхем к предельным значениям, определяемым принципиальными 'физическими ограничениями. Совершенствование микросхем до--стигается благодаря прогрессу во всех трех основных разделах микроэлектроники— физике, технологии и схемотехнике.
Настоящее учебное пособие посвящено схемотехническому разделу микроэлектроники — микросхемотехнике.
Микросхемотехника (интегральная схемотехника) — раздел микроэлектроники, охватывающий исследования и разработку схемотехнических'решений (электрических и структурных схем), используемых в интегральных микросхемах и в радиоэлектронной аппаратуре на их основе. *
Современные интегральные микросхемы являются достаточно сложными'электронными устройствами, поэтому используются два уровня их схемотехнического представления. Первый, наиболее детальный уровень, — это электрическая схема, представляющая собой соединение отдельных компонентов*:транзисторов, диодов, резисторов и др. Второй; 'более общий уровень, — это структурная схема, представляющая собой соединение отдельных логических элементов и триггеров (для1 цифровых микросхем) или аналоговых каскадов (для аналоговых микросхем). Эти элементы и каскады выполняют элементарные лопь ческие(И — НЕ, ИЛИ — НЕ и др.) или аналоговые (усиление, фильтрация и др.) операции, с помощью которых можно реализовать любую цифровую, аналого-цифровую или аналоговую функцию. Они имеют относительно простую электрическую схему, которая обычно содержит не более десяти — двадцати компонентов. .
;и .^Следует отметить, что компоненты^ входящие в состав ИС, принято назы-' вать элементами микросхемы [1]. Однако применение этого термина при описании цифровых ИС J вызывает появление стилистических погрешностей ' ('«элемент логического элемента») и может привести к ошибкам в восприятии !*атериала из-за путаницы в понятиях «логический элемент» (обычно называют просто «элемент») и «элемент микросхемы» (обычно также просто «элемент»); Например, определение «элемент транзисторно-транзисторной логики» можно пон?№Ь"Яибо как логический элемент данного типа, либо как отдельный компонент этого эдемедоа. Поэтому.: для, ясности изложения в настоящем учебном, пособии определение «компонент микросхемы» используется как синоним слова «штег-; ральный элемент»!
анализом простейших вариантов схем. Авторы настоящего учебного пособия использовали системный подход в изложении материала, рассмотрев весь комплекс необходимых методов схемного и структурного проектирования, на примере основных схемотехнических решений, используемых в современных микросхемах.
Следует отметить, что в процессе развития микроэлектроники все более сложные электронные устройства реализуются в виде БИС. Крупные узлы и блоки вычислительных машин, систем управления и другой РЭА, которые всего несколько лет назад создавались на микросхемах малой и средней степени интеграции, теперь выпускаются в виде:БИС и лверхБИС. Методы проектирования таких сложнофункционалышх микросхем можно использовать для разработки устройств аналогичного назяачения на микросхемах малой степени интеграции. Таким еб^ разом, многие методы проектирования и структурные решения, описанные в данном учебном пособии, применимы для разработки как микро-схем, так и РЭА. •.,....
Основой настоящего пособия послужили лекции по курсу «Микро-схемотехника», читаемые авторами в течение многих лет студентам Московского инженерно-физического института и специалистам промышленности. Кроме курса «Микросхемотехника» или «Интегральная схемотехника» вопросы схемотехнического проектирования микросхем* рассматриваются в курсах «Микроэлектроника», «Основы микросхема»! техники», «Анализ и расчет интегральных схем» и др., включенных! •»; учебные планы ряда специальностей. Авторы надеются, что предлагаемое учебное пособие будет полезно для освоения студентами материала этих курсов. По мнению авторов, содержание данного пособия может служить основой для унификации программ схемотехнической подготовки специалистов в области микроэлектроники. Введение курса «Ми'кросхемотехника» в учебные планы всех кафедр, выпускающих т,а-ких специалистов, несомненно, обеспечило бы единообразие и широкий профиль их подготовки.
Предлагаемое учебное пособие в первую очередь рассчитано на студентов, специализирующихся по микроэлектронике в рамках специальностей 0604, 0629, 0648, 0701, 0705 и др., а также на инженеров, повышающих свою квалификацию в этой области. Оно будет полезно специалистам по вычислительной технике, автоматике, радиотехнике, измерительной технике и др., связанным с разработкой электронной аппаратуры на основе интегральных микросхем.
Главы 1 — 8 написаны докт. jexn. наук И. И. Шагуриным, гл. 9—12 — докт. техн. наук А. Г. ^Алексенко, предисловие, введение — совместно обоими авторами.
Авторы благодарны за обсуждение и ценные замечания, способст-вовавшие улучшению содержания пособия, его редактору профессору |И. П. Степаненко|, рецензентам профессорам С. Я. Шацу, В. Н. Ду-лину и Наумову Ю. Е., а также сотрудникам кафедры микроэлектроники МИФИ за помощь в работе и оформлении рукописи.
Оглавление
Предисловие.........:.................... 3
Введевпе <.>.••... Л"..-"..................•. . - . б
3".Й ,_.;,,,.'' , ,
Г*"а в а 1. Основы цифровой техники................И
§ JX Представление 'чисел и выполнение арифметических операций . . 12
§ 1.1. 'Осн&вы 'алгебр*ы-'логйкй и выполнение логических операций .'.. 21
§ Iv9. Структура и принципы раф1^ Щ1фро^цх систе^:,,,.......,...>,, . -. . ., 2?
§ 1.4. Классификация и основные параметры цифровых микросхем . . 34
Г л а в а ^/'Элементная бааа статических цифровых микросхем . . . . . ,.42
v \ >• '
§ 2.1*. Элементы, традзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) . . . • • ,• 43
§ ЛД. Элементы интегральной инжекционнои логики (И2Л) ....'. . . ., . 63 § ^.Элементы эмиттерногСэязанирй.логикиДЭСЛ) .... .... .•„•;• ,70
§ 2.4. Логические элементы на однотипных МДП-транзисторах.....81
§2;8, Лаги,ческ,ие, элементы. на комплементарных (дополняющих) МДП- >
транзисторах (КМДПТЛ).................... 85
§ 2Ж Элементная база ^и-особенности структуры цифровых БИС и СБИС 90
>. -
Г л« в а 3. Цифровые микросхемы комбинацивнного типа . . . . . . 96
§ 3;1. Методика структурного Проектирования комбинационных узлов. 97
§ 3.?.'Методика схемного проектирования1 цифровых микросхем . . . 104
§ 3*3. Основные типы йифр'овых микросхем кьмбинацион'тюго типа .' . Г18 § 3i(4. (Схемотехническое проектирование цифровых микросхем комбинаци-
"''"-' ^'".'; .;i: f.vr.!;. :"7'!.'v ::;:/. .''.•'•":':'v .' .;'. . . . . 135
Г j|jt в'а 4. Интегральные статические и статико-динамические триггеры 150
§ 4..Д. Обща*>efpyKTyipa"и классификация триггеров ... . . . . . .'.,150
§ |$, Структурные варианты триггеров'и методы их проектирования 156
§ О. Асинхронные и синхронизированные уровнем триггеры.....174
§ IjJ. Триггеры с управляющей БЯ.................181
§ CEt TpHtrepij е коммутирующими БЯ...............188
§ 4.6. Статико-динамические триггеры................ 193
Г л "а в а 5. После^Овагельностные цифровые микросхем»......199
§ $^1. Структура и методы проектирования .............. 209
§ 5^Ц Регистры f . .f, v. . ,..............*......208
§ |i^. Счетчики .,...„.........,,,.........211
'**' '"'" ' ,. • .,...........'...... .220
Г л а в a 6. Динамические элементы и цифровые микросхемы на МДП-гран*
зисторах..........................223
§ 6.1. Двухфазные динамические элементы и триггеры. ......... 224
§ 6.2. Четырехфазные динамические элементы и триггеры.......232
§ 6.3. Схемотехническое проектирование цифровых микросхем на динамических элементах........................237
§ 6.4. Схемы обслуживания......................241
Глава 7. Полупроводниковые' микросхем^ памяти........242
§'7.1. Классификация и основные параметры микросхем паиятв . . . 644
§7.2. Общая структура статических микросхем ОЗУ . . . . . .v..* .г.346'
§ 7.3. Запоминающие ячейки статических микросхем ОЗУ . . . . . .„„.,249„.;,
§7.4. Схемы обслуживания статических микросхем ОЗУ....... . 256
§ 7.5. Проектирование статических микросхем ОЗУч^ :....-.,-и: .:. ', < * 260
§ ,7.6. Динамические микр.рсхемы, рЗУ,... . .,,.,.. ,.г...,., ... ., ..„/;f. . ,.,... Щ
§ 7,7. Микросхему Г13У.....' ^.^V ';,; ,•,,*' '-i* ' т,' -t \\,\t'^ .^.,\ ,•.',• л,.,^,.«( • $ I
Г^лава 8. Микропроцессоры и 'niiiitplB-SBM'.'.'i ".''.' 'i! . .f '.V'l i'!i . Й71 ?'
'! •" '• •'' • '•••••• :;; ••'.•'••••'. i •• •• ;,4i-,vtr.i. ;i •,>--,. ч гм(^.-:> ,i->i j 1 v
§ 8.1. Классификация и элементная база микропроцессоров ...... 272
§ 812. Микропроцессоры с фиксирован ни» набором = команд в рйзрядно •- « '
стью...............................277
§8.3. Микропроцессоры с микропрограммным управлением и Наращива- ' ' ''
емой разрядностьй . . . . . . . •'.".''. ;'."'.''. ;. :;:J. :;'У i1"^. ЙЙ «
§ 8.4. Микро-ЭВМ и микропроцессорные комплекты БИС ;'. Ч'Ч' V i( . 286 t
Г л а в а 9. Аналоговые структуры . -. .' * . . . . >: ••.- :, ; ••«•• . • i- n 'd 294>, v
§ &.1. Функции, сигналы, цепи . . . . . . . . ...f.;.,i .»..,», «k-. 29$ ;•
§ 9.2. Основные и специальные АФ. Эталоны. Номенклатура АИС . . . 296
§ 9.3. Два варианта схемотехники АИ€; Дифференциальные каскады (ДК) 302
§ 9.4. Эталоны тока , . . . ... , ...... . . д ,,...,.... 312 ,.
§ _ад>. Входные каскады АИС ..... . , , ... . , . . . . . .... ?18
§ 9.6. Выходные цепи АИС ............ „. , , .. . . ,'.''. ,, . 320 \
Глава 10. Интегральные операционные усилители и их применение 322 '
§ 10.1. Моделирование свойств идеального ОУ в неинвертирующем вклю
чении цепью с ООС' •. . ... . . ..... :'. . . ... ,': .' : 322
§ Ю.2. Идеальный ОУ в инвертирующем включении, <— цепл» 9 ООС по на- . ,
пряжению и результирующим .сигналом по ,тр^У / ..,,,,. . 2^4 § ,10.з! Включения ОУ . . ... . . , .,...,•! ......... 32^ ]
§ Ш.4. Схемотехника ОУ .... . . . :» ;. . , . ,,,г... . !.....'. Щ ''
§ Ifl.S. Неидеальности при включениях ОУ.с OQGnp напряжению , f ... 332 '.
§ 1Q-6. Низкочастотные параметры ЬУ .... ,.V|,. (;.irw. ... , . ..,,, . 34J
§ 10.7. Моделирование частотных свойств цепей с ОУ.........346
§ 10.8. Асимптотические диаграммы. Цепи с рдлим яол^о<;о,м,,и,од«мм нулей 348 -
§ 10.9. Полная частатная коррекция О"У................ 361
§ 'jjb'.lO. Параметры, описывающие 'частотные с'в'ойдтва ЬУ / V'.'i .' , 353 *••• •
§ 10.11. Примеры моделирования частотных свойств цепей с ОУ'. . ... 355 '•
§10.12. Автогенератор синусоидальных, колебаний на аснове 'ЙУ '. '.', .. ^9, *
§ 10.13. Прецизионный усилитель, его синтез*и' моделирование; 7V '. . 360 '•
Глава 11. Инструментальные ЛИС..............• 363
§ 11.1. Интегральные компараторы.................. 363
§ 11.2. Схемотехника и параметры реальных АИС компараторов. ... 365
§ 11.3. Импульсные цепи на основе АИС компараторов.........368
§ 11.4. Интегральные стабилизаторы (регуляторы) и их аппаратурное
использование ......................... 371
§ 11.5. Функции чувствительности..................375
§ 11.6. Простейший стабилизатор тока......... ,......377
§ 11.7. Типы стабилизаторов тока..................379
§ 11.8. Ключевой стабилизатор напряжения.............381
§ 11.9. Интегральные аналоговые перемножители...........381
§ 11.10. Радиотехнические преобразования на основе аналоговых перемножителей..........................384
Глава 12. Интегральные радиочастотные цели и их аппаратурное использование ........................389.
§ 12.1. Инерционные свойства биполярных транзисторов в радиочастотном диапазоне. Включение с общей базой (ОБ).........389
§ 12.2. Простые каскады ......................400
§ 12.3. Каскады на составных ВТ в радиочастотных ИС и субсистемах . , 406 Список литературы...........................411
Цена: 150руб.
