Интегралды сұлбалар

Жартылай өткізгішті технологиялар негізінде құрылатын  интегралдық сұлбалар қазіргі заманғы  электрондық құрылғыларда әртүрлі  функцияларды орындау үшін кеңінен  қолданылады. Интегралдық микросхемалар  деп те аталатын интегралдық сұлбалардың (ИС) орындайтын негізгі функциялары, кернеу немесе ток түрінде берілетін, электрлік сигналдарды өңдеу және түрлендіру болып табылады. Электрлік сигналдар аналогтық немесе цифрлық түрінде ақпаратты бейнелей алады. Осы ақпаратты өңдеуді орындайтын интегралдық сұлбалар сәйкесінше аналогтық және цифрлық деп аталады.

Интегралдық сұлбалар, негізгі  активті құрауыштың  түріне сәйкес, бейполярлық (бейполярлық транзисторлардағы) ИС және МДЖ (МДЖ-транзисторлардағы) ИС болып бөлінеді. Биполярлық ИС әдетте жоғарғы жылдамдығымен және пайдалану қуатының көптігімен сипатталады.  Оларды істеп шығару процессі аса күрлделі және көлемі үлкен кристалдарды қолдануды қажет етеді. Бұл жағынан МДЖ – құрылымдар олармен салыстырған да тиімді болып табылады. Сондықтан аса үлкен ИС (АҮИС) -терде МДЖ – транзисторлар кеңінен қолданылады. Сонымен, жоғарғы жылдамдылық, яғни жұмыстың жоғарғы жиідлікте жасалуы, керек болған жағыдайда биполярлық танзисторлар негізіндегі ИС-тер, ал шапшаңдыққа ерекше талаптар қойылмаған кезде, басқа сұлбалармен салыстырғанда, қуатты аз пайдаланатын және бағасы төмен МДЖ ИС-тер қолданылады.

 

Цифрлық интегралдық сұлбалар және олардың негізгі параметрлері

 

Аналогтық ИС-терге қарағанда, цифрлық интегралдық микросхемаларды таңдау жеткілікті дәрежеде қалыптасқан және іс жүзінде қиыншылық тудырмайды. Цифрлық ИС-тер деп екілік немесе басқа цифрлық кода түрінде берілінген сигналдарды түрлендіру және өңдеу үшін арналған микросхемалды айтады.

Цифрлық ИС-тердің әр алуан түрлерінің сұлбатехникалық жүзеге асырылуы қарапайым логикалық функцияларды (конъюкция, дизъюнкция, инверсия және т.б.) орындайтын логикалық элеметтер (ЛЭ) негізінде іске асырылады. Олар логикалық сұлбалар түрінде құрастырылады. Есептеу техникасы құралдарының жылдамдықтарының өсуіне және тұтыну қуатының төмендеуіне қойылатын талаптардың әрдайым көтерілуі, аналогтық ИС-тер сияқты жасалынатын және сериялармен шығарылатын әртүрлі цифрлық ИС-терді құруға алып келді. Серия деп құрылымдық – технологиялық орындалуы бірыңғай ИС-тердің жиынтығын айтады.

Цифрлық ИС сериясының құрамына логикалық элементтер мен, сақтау шифрлеу, дешифрлеу, мультиплекстеу, импульстерді санау және үлестіру функцияларын жүзеге асыратын триггерлік, комбинациялық және тізбектелген сұлбалармен қатар толық түйіндер мен арифметикалық және жадтайтын құрылғыларды құрайтын микросхемалар кіреді.

Қазіргі уақытта цифрлық  есептеу техникасында биполярлық транзисторлы логикалық (ТТЛ), эмиттерлері байланысқан  логикалық (ЭБЛ) және интегралды инжекциялық  логикалық (ИИЛ) ИС-тер, сонымен қатар nМДЖ транзисторлар мен КМДЖ (комплементарлдық МДЖ) құрылымдардың негізіндегі сұлбалар кеңінен қолданылады.

Қазіргі заманғы  технологиялар, ең күрделі өңдеу  және ақпаратты түрлендіру операцияларын  орындауға арналған, кішкене габаритті, менімділігі мен жылдамдығы жоғары және үнемді цифрлық есептеу құрылғылары мен жүйелерінде кең қолданатын, ондаған миллион элеметтерден тұратын аса үлкен интегралдық сұлбаларды (АҮИС) өндіруге мүмкіндік береді. Қазіргі кездегі интеграция деңгейінің өсуі күрделілігі жады мен поцессорларды қосқанда, толық жүйемен салыстыруға боларлықтай сұлбаларды кристалда орнатуға ммкіндік береді. Мұнда іс жүзінде түрлендіру мен өңдеудің кез-келген күрделі операциялары ақырында ЕМЕС, ЖӘНЕ – ЕМЕС, НЕМЕСЕ – ЕМЕС және т.б. логикалық элементтермен іске асатын қарапайым операциялар арқылы орындалады. Базарлық функционалдық элеметтер деп аталатын осы логикалық элеметтердің (ЛЭ) негізгі электрлік параметрлері серия құрамына кіретін интеграциялық деңгейі мен функционалдық қызметі бойынша күрделірек ИС-ың сипаттамаларын анықтайды.  Статикалық және динамикалық болып бөлінетін ЛЭ-ң парметрлері типтері мен сериялары әртүрлі ИС-терді өзара салыстыруға мүмкіндік береді. Және олардық бір аппаратура құрамында бірге жұмыс істеу мүмкіндігін анықтайды.

Негізгі статикалық параметрлерге келесілер жатады:

-логикалық 0 мен 1-ге сәйкес кіріс және шығыс кернеулері (Uºкір,U¹кір, Uºшығ, U¹шығ  );

-логикалық 0 мен 1-ге  сәйкес кіріс және шығыс шекаралық кернеулері (Uºкір ш,U¹кір ш, Uºшығ ш, U¹шығ ш  );

-логикалық 0 мен 1-ге  сәйкес кіріс және шығыс тоқтары(Iºкір,I¹кір,Iºшығ,I¹шығ );

-бөгеуілге тұрақтылық;

-жүктемелік қабілеттілік;

-қоректену қуаты.

ЛЭ парметрлері  шығыс кернеудің Uшығ кірістердің біреуіндегі кернеуге Uкір (басқа кернеудің тұрақты мәндерінде) теуелділігін бейнелейтін берілу сипаттамасы бойынша анықталады.

Терістеген  шығыста бар ЛЭ-ің бірілуі сипаттамасының мысалы төмендегі суретте келтірілген. Берілу сипаттамасында үш учаске белгіленген:

-лог.1 (Uшығ  – U¹шығ) жағдайына сәкес келетін I учаске;

-лог. 0 (Uшығ  – Uºшығ) жағдайына сәкес келетін II учаске;

-белгісіздік аймағы деп аталатын III учаске, мұндағы аймақтың шекарасына сәйкес келетін Uкір керенеу мәндері ауыстырылып қосылудың Uºкір ш  және U¹кір ш шекаралық кернеулері деп аталады.

Іс жүзінде  пайдаланатын сұлбаларда бір элементтің кірісі басқа ЛЭ-ң шығысына  қосылған , сондықтан кіріс және шығыс кернеулердің логикалық 0 мен логикалық 1 деңгейлері сәйкесінше бір – біріне тең, яғни Uºкір = Uºшығ және U¹кір = U¹шығ . Uл болып белгіленетін  U¹шығ кернеулерінің айырымы логикалық ауысу деп аталады

 

Uшығ

I        II      III

U¹шығ

Uºбөг U¹бөг

 

Uºшығ

      0 Uºкір Uºкір ш U¹кір ш U¹кір ш       Uкір

 

Статикалық бөгеуілге  төзімділікті анықтаған кезде кернеулердің осы деңгейлері ретінде сәйкесінше логикалық 0 кернеудің ең жоғарғы деңгейі (Uºкір max,Uºшығ max) және логикалық 1 кернеудің ең кіші деңгейі (Uºкір min,Uºшығ min) қабылданады. Статикалық режимде ЛЭ-ің екі күйдің біреуінде болуына байланысты, «0» деңгейі (Uºбөг) және «1» деңгейі (U¹бөг) бойынша статикалық бөгеуілдерге төзімділік деп ажыратады. Осы парметрлердің мәндерін келесінше анықтайды:

Uºбөг = Uºкір б – Uºкір = Uºкір б – Uºшығ max;

U¹бөг  = U¹кір – U¹кір б = U¹шығ min – U¹ кір б.

Осылай статикалық бөгелуілге төзімділік, оны «0» немесе «1» деңгейлеріне қатысты ЛЭ-ің кірісіне берген кезде, оның жалған жұмыс істелуіне әкелмейтін бөгеуіл кернеуінің ең үлкен шекаралық мәнін анықтайды.