Leksiya. Ishlab chiqarish protsessorlari
Mikroprosessor kichik silikon kristall ustida hosil bo'lgan integral sxemadir. Silikon mikrosxemalarda yarimo'tkazgich xususiyatlariga ega bo'lgani uchun ishlatiladi: uning elektr o'tkazuvchanligi dielektriklarga qaraganda yuqori, lekin metallarga qaraganda kamroq. Kremniyni elektr zaryadlarining harakatlanishiga to'sqinlik qiluvchi izolyator ham, o'tkazgich ham qilish mumkin elektr zaryadlari u orqali erkin o'tadi. Yarimo'tkazgichning o'tkazuvchanligini aralashmalar kiritish orqali nazorat qilish mumkin.
Mikroprosessor millionlab tranzistorlarni o'z ichiga oladi alyuminiy yoki misdan yasalgan eng nozik o'tkazgichlar bilan bir -biriga bog'langan va ma'lumotlarni qayta ishlash uchun ishlatiladi. Ichki shinalar shunday shakllanadi. Natijada, mikroprotsessor ko'p funktsiyalarni bajaradi - matematik va mantiqiy operatsiyalardan tortib boshqa mikrosxemalar va butun kompyuter ishini boshqarishgacha.
Mikroprosessorning asosiy parametrlaridan biri bu kristalning chastotasi bo'lib, u vaqt birligi uchun bajariladigan operatsiyalar sonini, ish chastotasini aniqlaydi. tizimli avtobus, ichki SRAM keshining miqdori. Protsessor kristalning chastotasi bilan belgilanadi. Kristalning chastotasi tranzistorlarning yopiq holatdan ochiq holatga o'tish chastotasi bilan belgilanadi. Transistorning tezroq o'tish qobiliyati chiplar ishlab chiqarilgan silikon plastinalarni ishlab chiqarish texnologiyasi bilan belgilanadi. Texnologik jarayonning o'lchami tranzistorning o'lchamini (uning qalinligi va eshik uzunligi) aniqlaydi.
Mikrosxemalar qanday yasalgan
Maktab fizikasi kursidan bilasizki, zamonaviy elektronikada asosiy komponentlar integral mikrosxemalar yarimo'tkazgichlardir p turi va n turi(o'tkazuvchanlik turiga qarab). Yarimo'tkazgich o'tkazuvchanlik bo'yicha dielektriklardan ustun bo'lgan, lekin metallardan past bo'lgan moddadir. Yarimo'tkazgichlarning ikkala turi ham kremniyga (Si) asoslangan bo'lib, ular toza shaklda (ichki yarimo'tkazgich deb ataladi) yaxshi o'tkazmaydi. elektr toki ammo, kremniyga ma'lum bir ifloslik qo'shilishi (kiritilishi) uning o'tkazuvchanlik xususiyatlarini tubdan o'zgartirish imkonini beradi. Aralashmalarning ikki turi mavjud: donor va qabul qiluvchi.
Donor aralashmasi elektron turdagi o'tkazuvchanlik n-tipli yarimo'tkazgichlar va qabul qiluvchi-o'tkazuvchanlik teshikli p-tipli yarimo'tkazgichlarning shakllanishiga olib keladi. P- va n-yarimo'tkazgichlarning kontaktlari sizga tranzistorlarni- asosiyini yaratishga imkon beradi strukturaviy elementlar zamonaviy mikrosxemalar. CMOS tranzistorlari deb ataladigan bunday tranzistorlar ikkita asosiy holatda bo'lishi mumkin: ular elektr tokini o'tkazganda ochiq va elektr tokini o'tkazmagan holda yopiq. CMOS tranzistorlari zamonaviy mikrosxemalarning asosiy elementlari bo'lgani uchun, keling ular haqida batafsilroq gaplashaylik.
Intel protsessorlari haqida gapirganda, ular odatda 0,13 mikronli texnologik jarayon kabi o'ziga xos tushunchalardan foydalanadilar oxirgi paytlar- 90nm texnologik jarayon. Masalan, yangi deb aytish odat tusiga kiradi Intel protsessori Northwood yadroli Pentium 4 0,13 mikronli texnologiya yordamida ishlab chiqariladi va keyingi avlod protsessorlari 90 nanometrli texnologik jarayonga asoslangan bo'ladi. Bularning farqi nimada texnologik jarayonlar va bu protsessorlarning imkoniyatlariga qanday ta'sir qiladi?
CMOS tranzistorining ishlashi
Eng oddiy n-tipli CMOS tranzistorida uchta elektrod mavjud: manba, eshik va drenaj... Transistorning o'zi teshik o'tkazuvchanligi bo'lgan p-tipli yarimo'tkazgichda ishlab chiqariladi va drenaj va manba hududlarida elektron o'tkazuvchanligi n-turdagi yarimo'tkazgichlar hosil bo'ladi. Tabiiyki, p-mintaqadan n-mintaqaga teshiklarning tarqalishi va elektronlarning n-mintaqadan p-mintaqaga teskari tarqalishi natijasida tugagan qatlamlar (asosiy zaryad tashuvchilar bo'lmagan qatlamlar) hosil bo'ladi. p- va n-hududlarning o'tish chegaralarida. Oddiy holatda, ya'ni darvoza uchun kuchlanish qo'llanilmaganda, tranzistor "qulflangan" holatda bo'ladi, ya'ni manbadan drenajgacha tok o'tkaza olmaydi. Vaziyat o'zgarmaydi, agar biz drenaj va manba o'rtasida voltaj qo'llasak ham (bu holda biz ozchilik zaryad tashuvchilarning hosil bo'lgan elektr maydonlari ta'siri ostida harakatlanish oqibatida oqayotgan oqimlarni hisobga olmaymiz. n-mintaqa uchun teshiklar va p-mintaqa uchun elektronlar).
Biroq, agar darvoza uchun ijobiy potentsial qo'llanilsa (1 -rasm), u holda vaziyat tubdan o'zgaradi.
Guruch. 1. CMOS tranzistorining ishlash printsipi
Darvozaning elektr maydonining ta'siri ostida teshiklar p-yarimo'tkazgichga chuqur suriladi va elektronlar, aksincha, manba va drenaj o'rtasida elektron bilan boyitilgan kanal hosil qilib, darvoza ostidagi mintaqaga tortiladi. Darvozaga musbat kuchlanish qo'llanilganda, bu elektronlar manbadan drenajga o'tishni boshlaydi. Bunday holda, tranzistor oqim o'tkazadi - ular tranzistor "ochiladi" deyishadi. Agar kuchlanish eshikdan olib tashlansa, elektronlar manba va drenaj orasidagi mintaqaga kirishni to'xtatadi, o'tkazuvchi kanal vayron bo'ladi va tranzistor oqim o'tishni to'xtatadi, ya'ni "qulflanadi". Shunday qilib, darvozadagi kuchlanishni o'zgartirib, siz tranzistorni ochishingiz yoki o'chirishingiz mumkin, xuddi an'anaviy o'tish tugmachasini yoqishingiz yoki o'chirishingiz mumkin, bu oqimning kontaktlarning zanglashiga o'tishini nazorat qiladi. Shuning uchun tranzistorlar ba'zan elektron kalitlar deb ataladi. Biroq, odatdagidan farqli o'laroq mexanik kalitlar, CMOS tranzistorlari deyarli inersiyasiz va sekundiga trillionlab marta ochiqdan yopiq holatga o'tishi mumkin! Aynan shu xususiyat, ya'ni bir zumda o'tish qobiliyati, oxir -oqibat, o'n millionlab shunday oddiy tranzistorlardan iborat protsessor tezligini aniqlaydi.
Shunday qilib, zamonaviy integral mikrosxemalar o'n millionlab eng oddiy CMOS tranzistorlaridan iborat.
Mana rasm ko'ndalang kesim protsessor:
Yuqorida himoya funktsiyasidan tashqari, issiqlik tarqatuvchi vazifasini bajaradigan himoya metall qopqog'i bor - aynan shu, biz sovutgichni o'rnatganimizda termal pasta bilan surtamiz. Issiqlik tarqatgich ostida foydalanuvchining barcha vazifalarini bajaradigan bir xil kremniy bo'lagi joylashgan. Hatto pastroq - protsessorni anakart rozetkasiga o'rnatish uchun pinout (va "oyoqlar" maydonini ko'paytirish) uchun zarur bo'lgan maxsus substrat.
Chipning o'zi silikondan iborat bo'lib, unda 9 tagacha metallizatsiya qatlami mavjud (misdan yasalgan) - bu aynan kerakli darajaga to'g'ri keladi, shuning uchun ma'lum bir qonunga ko'ra, silikon yuzasida joylashgan tranzistorlarni ulash mumkin bo'ladi. (chunki bularning barchasini bir xil darajada bajarish mumkin emas). Asosan, bu qatlamlar ulash simlari vazifasini bajaradi, faqat ancha kichikroq miqyosda; shunday qilib "simlar" bir-biriga qisqa tutashuv qilmasin, ular oksid qatlami bilan ajralib turadi (dielektrik doimiyligi past).
Keling, birinchi bosqichi kremniy substratlarini ishlab chiqarish bo'lgan mikrosxemalarni ishlab chiqarish jarayoni haqida batafsil to'xtalib o'tamiz.
Qadam 1. Blanklar etishtirish
2 -qadam. Ariza himoya plyonka dielektrik (SiO2)
3 -qadam. Fotorezistni qo'llash
Qadam 4. Litografiya
5 -qadam
6 -qadam. Diffuziya (ion implantatsiyasi)
Qadam 7. Püskürtme va cho'kma
8 -qadam. Yakuniy bosqich
Ilg'or texnologiyalar
Mantiqiy CMOS (CMDP) inverterlari
Qo'shimcha MOS tranzistorlaridagi mikrosxemalar (CMOS mikrosxemalari) n- va p-kanalli MOS tranzistorlari asosida qurilgan. Xuddi shu kirish potentsiali n-kanalli tranzistorni yoqadi va p-kanalli tranzistorni o'chiradi. Mantiqiy birlik hosil bo'lganda, yuqori tranzistor ochiq, pastki qismi yopiladi. Natijada, CMOS zanjiri orqali hech qanday oqim oqmaydi. Mantiqiy nol hosil bo'lganda, pastki tranzistor ochiq, yuqori esa yopiladi. Va bu holda, quvvat manbaidan keladigan oqim mikrosxemadan o'tmaydi. Eng oddiy mantiqiy element - inverter. qo'shimcha MOS tranzistorlarida ishlab chiqarilgan inverter 1 -rasmda ko'rsatilgan.
Shakl 1. Qo'shimcha MOS tranzistorlarida (CMOS inverteri) qilingan inverterning sxematik diagrammasi.
CMOS mikrosxemalarining bu xususiyati natijasida ular ilgari ko'rib chiqilgan turlarga nisbatan ustunlikka ega - ular kirishga qarab tok iste'mol qiladilar. soat chastotasi... CMOS mikrosxemasining joriy sarflanishiga bog'liqligining taxminiy grafigi, uni almashtirish chastotasiga qarab, 2 -rasmda ko'rsatilgan.
Shakl 2. CMOS mikrosxemasining joriy sarflanishining chastotaga bog'liqligi
"AND" mantiqiy CMOS elementlari (CMDP)
"AND-NOT" mantiqiy element sxemasi CMOS mikrosxemalarida tugmachalarning soddalashtirilgan "VA" sxemasiga deyarli to'g'ri keladi elektron boshqaruv biz ilgari ko'rib chiqdik. Farqi shundaki, yuk sxemaning umumiy simiga emas, balki quvvat manbaiga ulangan. Bir-birini to'ldiruvchi MOS tranzistorlarida (CMOS) tuzilgan "2I-NOT" mantiqiy elementining sxematik diagrammasi 3-rasmda ko'rsatilgan.
Shakl 3. MOS tranzistorlari (CMOS) bo'yicha tuzilgan "2I-NOT" mantiqiy elementining sxematik diagrammasi.
Bu pallada yuqori bilagida oddiy zanjir ishlatilishi mumkin edi, lekin past signal darajasi hosil bo'lganda, sxema doimo tokni iste'mol qiladi. Buning o'rniga yuk sifatida p-MOS tranzistorlari ishlatiladi. Bu tranzistorlar qarshilik yukini hosil qiladi. Agar chiqishda yuqori potentsialni yaratish zarur bo'lsa, u holda tranzistorlar ochiladi, agar past bo'lsa, ular yopiladi.
2 -rasmda ko'rsatilgan CMOS mantiqiy elementi "VA" sxemasida, CMOS mikrosxemasining quvvat manbaidan tok, agar kirishning kamida bittasi (yoki ikkalasi ham) bo'lsa, tranzistorlardan biridan o'tadi. past potentsial (mantiq darajasi nol). Agar "AND" mantiqiy CMOS elementining ikkala kirishida ham mantiqiy birlik darajasi bo'lsa, u holda ikkala p-MOS tranzistorlari yopiladi va CMOS mikrosxemasi chiqishida past potentsial paydo bo'ladi. Ushbu sxemada, shuningdek 1 -rasmda ko'rsatilgan sxemada, agar yuqori qo'lning tranzistorlari ochiq bo'lsa, pastki qo'lning tranzistorlari yopiladi, shuning uchun statik holatda oqim iste'mol qilinmaydi. quvvat manbaidan CMOS mikrosxemasi.
"2I-NOT" CMOS mantiqiy elementining an'anaviy grafik tasviri 4-rasmda ko'rsatilgan va haqiqat jadvali 1-jadvalda berilgan. 1-jadvalda kirishlar x 1 va x 2 sifatida belgilanadi va chiqish F bo'ladi.
Shakl 4. "2I-NOT" mantiqiy elementining shartli grafik tasviri.
Jadval 1. "2I-NOT" bajaradigan CMOS mikrosxemasining haqiqat jadvali
| x1 | x2 | F |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Shakl 5. MOS-tranzistorlarning bir-birini to'ldiruvchi "OR-NOT" mantiqiy elementining sxematik diagrammasi
"2OR-NOT" CMOS mantiq eshigida ketma-ket ulangan p-MOS tranzistorlari yuk sifatida ishlatiladi. Unda, quvvat manbaidan CMOS mikrosxemasining chiqishigacha bo'lgan oqim faqat yuqori qo'ldagi barcha tranzistorlar ochiq bo'lsa oqadi, ya'ni. agar barcha kirishlar bir vaqtning o'zida past potentsialga ega bo'lsa (). Agar kirishning hech bo'lmaganda bittasi mantiqiy darajaga ega bo'lsa, CMOS tranzistorlariga o'rnatilgan surish bosqichining yuqori qo'li yopiladi va quvvat manbaidan keladigan oqim CMOS mikrosxemasining chiqishiga o'tmaydi. .
CMOS mikrosxemasi tomonidan amalga oshiriladigan "2OR-NOT" mantiqiy elementining haqiqat jadvali 2-jadvalda, bu elementlarning an'anaviy-grafik belgilanishi 6-rasmda ko'rsatilgan.
"2OR-NOT" elementining 6.-rasm
2-jadval. "2 OR-NOT" mantiqiy funktsiyasini bajaruvchi MOS mikrosxemasining haqiqat jadvali.
| x1 | x2 | F |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |
Hozirgi vaqtda CMOS mikrosxemalari eng katta rivojlanishga ega. Bundan tashqari, ushbu mikrosxemalarning besleme zo'riqishining pasayish tendentsiyasi doimo mavjud. K1561 (C4000V ning xorijiy analogi) kabi CMOS mikrosxemalarining birinchi seriyasi besleme zo'riqishining juda keng diapazoniga ega edi (3..18V). Shu bilan birga, ma'lum bir mikrosxemaning besleme zo'riqishining pasayishi bilan uning maksimal ish chastotasi pasayadi. Keyinchalik, ishlab chiqarish texnologiyasi takomillashgani sayin, yaxshi chastotali xususiyatlarga va past kuchlanishli CMOS mikrosxemalari paydo bo'ldi, masalan, SN74HC.
CMOS mikrosxemalaridan foydalanish xususiyatlari
CMOS mikrosxemalarining birinchi va asosiy xususiyati bu mikrosxemalarning yuqori kirish empedansidir. Natijada, uning kiritilishida har qanday kuchlanish, shu jumladan besleme zo'riqishining yarmi ham paydo bo'lishi va unda uzoq vaqt saqlanishi mumkin. Quvvat manbasining yarmi CMOS elementining kirishiga qo'llanilganda, chiqish bosqichining yuqori va pastki qo'llaridagi tranzistorlar ochiladi, natijada mikrosxemalar qabul qilinmaydigan darajada katta oqimni iste'mol qila boshlaydi va ishlamay qolishi mumkin. Chiqish: raqamli CMOS mikrosxemalarining kirishlari hech qachon uzilmagan holda qolmasligi kerak!
CMOS chiplarining ikkinchi xususiyati shundaki, ular quvvat o'chirilgan paytda ishlashi mumkin. Biroq, ular ko'pincha noto'g'ri ishlaydi. Bu xususiyat kirish bosqichining dizayni bilan bog'liq. CMOS inverterining to'liq sxemasi 7 -rasmda ko'rsatilgan.
Shakl 7. CMOS inverterining to'liq sxemasi
Kirish bosqichini statik buzilishdan himoya qilish uchun VD1 va VD2 diodlari kiritildi. Shu bilan birga, CMOS mikrosxemasining kirishiga yuqori potentsial qo'llanilganda, u VD1 diodidan elektr simiga o'tadi va u juda kichik tokni iste'mol qilgani uchun CMOS mikrosxemasi ishlay boshlaydi. Biroq, ba'zi hollarda, bu oqim mikrosxemalarni quvvatlantirish uchun etarli bo'lmasligi mumkin. Natijada, CMOS chipi to'g'ri ishlamasligi mumkin. Chiqish: agar CMOS mikrosxemasi to'g'ri ishlamasa, mikrosxemaning quvvat manbaini diqqat bilan tekshiring, ayniqsa, vaziyatga olib keladi. Agar manfiy besleme terminali yomon lehimli bo'lsa, uning potentsiali umumiy zanjir simining potentsialidan farq qiladi.
CMOS mikrosxemalarining to'rtinchi xususiyati - bu noldan bitta va teskari holatga o'tganda, elektr zanjiri orqali impuls oqimi oqimi. Natijada, TTL mikrosxemalaridan CMOS analog mikrosxemalariga o'tishda shovqin darajasi keskin oshadi. Ba'zi hollarda, bu juda muhim va BICMOS mikrosxemalari foydasiga CMOS mikrosxemalaridan voz kechish kerak.
CMOS mantiq darajalari
CMOS mikrosxemalarining mantiqiy darajasi sezilarli darajada farq qiladi. Agar yuk oqimi bo'lmasa, CMOS mikrosxemasi chiqishidagi kuchlanish besleme zo'riqishiga (birining mantiqiy darajasi) yoki umumiy simning potentsialiga (mantiqiy nol darajasi) to'g'ri keladi. Yuk oqimining oshishi bilan mantiqiy birlikning kuchlanishi besleme zo'riqishidan 2,8V (U p = 15V) gacha kamayishi mumkin. Ruxsat etilgan chiqish kuchlanish darajasi raqamli CMOS beshta voltli quvvat manbai bo'lgan mikrosxemalar (K561 mikrosxemalar seriyasi) 8-rasmda ko'rsatilgan.
8 -rasm. Raqamli CMOS mikrosxemalari chiqishidagi mantiqiy signallarning darajalari
Avval aytib o'tganimizdek, raqamli mikrosxemaning kirishidagi kuchlanish odatda chiqish bilan solishtirganda keng diapazonda ruxsat etiladi. CMOS mikrosxemalari uchun 30% aktsiyaga kelishilgan. Besh voltli quvvat manbai bo'lgan CMOS mikrosxemalari uchun mantiqiy nol va bitta darajalarning chegaralari 9-rasmda ko'rsatilgan.
Shakl 9. Raqamli CMOS mikrosxemalari kirishda mantiqiy signal darajalari
Ta'minot kuchlanishi kamayganda, mantiqiy nol va mantiqiy birlik chegaralari ham xuddi shunday aniqlanishi mumkin (besleme zo'riqishini 3 ga bo'lish).
CMOS oilalari
Birinchi CMOS mikrosxemalari kirishda himoya diodlari bo'lmagan, shuning uchun ularni o'rnatish juda qiyin bo'lgan. Bu K172 seriyali mikrosxemalar oilasi. Keyingi takomillashtirilgan CMOS chiplari oilasi K176 seriyasi ushbu himoya diodlarini oldi. Hozirgi vaqtda bu juda keng tarqalgan. K1561 seriyasi birinchi avlod CMOS chiplarini ishlab chiqishni yakunlaydi. Bu oilada 90 ns tezlikka va 3 ... 15V kuchlanish kuchlanish diapazoniga erishildi. Chet el uskunalari hozirda keng tarqalganligi sababli, men ushbu CMOS mikrosxemalarining xorijiy analogini beraman - C4000V.
CMOS mikrosxemalarining keyingi rivojlanishi SN74HC seriyali edi. Ushbu mikrosxemalar mahalliy analoglarga ega emas. Ular 27 ns tezlikka ega va 2 ... 6 V kuchlanish oralig'ida ishlay oladilar. mantiqiy darajalar shuning uchun, shu bilan birga, SN74HCT seriyali (mahalliy analog - K1564) CMOS mikrosxemalari ishlab chiqilgan bo'lib, ular TTL mikrosxemalariga mos keladi va mantiq darajasida.
Bu vaqtda uch voltli elektr ta'minotiga o'tish bor edi. Buning uchun SN74ALVC CMOS mikrosxemalari signalni kechiktirish vaqti 5,5 ns va 1,65 ... 3,6 V oralig'ida ishlab chiqilgan. Bu mikrosxemalar 2,5 voltli quvvat bilan ishlashga qodir. Bunday holda, signalning kechikish vaqti 9 ns ga oshadi.
CMOS mikrosxemalarining eng istiqbolli oilasi hozirgi vaqtda signal uzilish muddati 1,9 ns va quvvat manbai 0,8 ... 2,7 V bo'lgan SN74AUC oilasi hisoblanadi.
Muayyan mikrosxemalar seriyasi odatiy elektron birlik - asosiy mantiq elementidan foydalanish bilan tavsiflanadi. Bu element raqamli keng assortimentni yaratish uchun asosdir elektron qurilmalar.
Quyida biz har xil mantiqning asosiy mantiqiy elementlarining xususiyatlarini ko'rib chiqamiz.
Transistor-tranzistorli mantiqiy elementlar
TTLning o'ziga xos xususiyati ko'p emitentli tranzistorlardan foydalanish hisoblanadi. Bu tranzistorlar individual emitentlar bir -biriga xalaqit bermaydigan qilib yaratilgan. Har bir emitentning o'ziga xos pn birikmasi bor. Birinchi yaqinlashuvda ko'p emitentni diodli sxema bo'yicha modellashtirish mumkin (3.27-rasmdagi nuqta chizig'iga qarang).
TTL elementining soddalashtirilgan diagrammasi rasmda ko'rsatilgan. 3.27. Ko'p emitentli tranzistorni aqliy ravishda diodlarga almashtirganda, biz "AND-NOT" diodli-tranzistorli mantiq elementini olamiz. O'chirish tahlilidan shunday xulosa qilish mumkinki, agar kirishning biriga yoki har ikkala kirishga past kuchlanish darajasi qo'llanilsa, T 2 tranzistorining bazasi nolga teng bo'ladi va T 2 tranzistorining kollektori bo'ladi. bo'lish yuqori darajali Kuchlanishi. Agar ikkala kirish uchun ham yuqori daraja qo'llanilsa, tranzistorning T 2 poydevori orqali katta tayanch o'tadi va T 2 tranzistorining kollektorida past bo'ladi, ya'ni bu element NAND funktsiyasini bajaradi:
u chiqdi = u 1 u 2. TTLning asosiy elementi mantiqiy VA operatsiyani bajaradigan ko'p emitentli tranzistorni va murakkab inverterni o'z ichiga oladi (3.28-rasm). 
Agar bir vaqtning o'zida bitta yoki ikkala kirishga past kuchlanish darajasi qo'llanilsa, ko'p emitentli tranzistor to'yinganlik holatida va T 2 yopiladi, shuning uchun tranzistor T 4 ham yopiladi, ya'ni chiqish yuqori bo'ladi. Daraja. Agar yuqori kuchlanish darajasi bir vaqtning o'zida ikkala kirishda ham ishlayotgan bo'lsa, T 2 ochiladi va to'yinganlik rejimiga o'tadi, bu T 4 tranzistorining ochilishi va to'yinganligiga va T 3 tranzistorining qulflanishiga olib keladi, ya'ni NAND funktsiyasi. amalga oshirildi.
TTL elementlarining tezligini oshirish uchun Schottky diodli tranzistorlar (Schottky tranzistorlari) ishlatiladi.
TTLSh asosiy mantiqiy elementi (masalan, K555 seriyasi)
NAND elementi K555 seriyali mikrosxemalarning asosiy elementi sifatida ishlatiladi. Fig. 3.29, a ushbu elementning diagrammasi ko'rsatilgan va an'anaviy grafik belgilash rasmda ko'rsatilgan. 3.29, b. 
Bu an'anaviy tranzistor va Schottky diodining yuqoridagi juftligiga teng. Transistor VT 4 - an'anaviy bipolyar tranzistor.
Agar ikkala kirish voltaji u in1 va u in2 yuqori darajaga ega bo'lsa, u holda VD 3 va VD 4 diodlari yopiladi, VT 1, VT 5 tranzistorlari ochiq va chiqishda past darajali kuchlanish paydo bo'ladi. Agar hech bo'lmaganda bitta kirish past darajaga ega bo'lsa, u holda VT 1 va VT 5 tranzistorlari yopiladi, VT 3 va VT 4 tranzistorlari ochiq va kirishda past darajali kuchlanish mavjud. Shuni ta'kidlash kerakki, VT 3 va VT 4 tranzistorlari kompozit deb nomlanadi (Darlington sxemasi).
TTLSh chiplari
TTLSh K555 seriyali chiplari quyidagi parametrlar bilan tavsiflanadi:
● quvvat manbai +5 V;
● past darajali chiqish voltaji - 0,4 V dan oshmaydi;
● yuqori darajali chiqish - 2,5 V dan kam bo'lmagan;
● shovqin immuniteti - 0,3 V dan kam emas;
● signal tarqalishining o'rtacha kechikish vaqti - 20 ns;
● maksimal ish chastotasi 25 MGts.
TTLS chiplari odatda mantiq darajasida, shovqin immunitetida va TTL chiplari bilan quvvat manbalarida mos keladi. TTLSh elementlarining signal tarqalishining kechikish vaqti shunga o'xshash TTL elementlariga qaraganda o'rtacha ikki baravar kam.
Boshqa mantiqiy xususiyatlar
ESLning asosiy mantiqiy elementining asosi - joriy kalit. Hozirgi o'tish davri (3.30 -rasm) differentsial kuchaytirgich sxemasiga o'xshaydi. 
ESL mikrosxemalari manfiy kuchlanish bilan quvvatlanishiga e'tibor qaratish lozim (masalan, K1500 seriyali uchun -4,5 V). VT 2 tranzistorining bazasiga manfiy sobit qo'llaniladi mos yozuvlar kuchlanishi Op. U in1 kirishini o'zgartirish qayta taqsimlashga olib keladi to'g'ridan -to'g'ri oqim i e0, tranzistorlar orasidagi qarshilik R e tomonidan berilgan, bu ularning kollektorlaridagi kuchlanishlarning o'zgarishiga olib keladi. Transistorlar to'yinganlik rejimiga kirmaydi va bu ECL elementlarining yuqori tezligining sabablaridan biridir.
100, 500 seriyali mikrosxemalar quyidagi parametrlarga ega:
● quvvat manbai - 5,2 V;
● quvvat sarfi - 100 mVt;
● chiqish joyidagi dallanma omili - 15;
● signal tarqalishining kechikishi - 2,9 ns.
N-MOS va p-MOS mikrosxemalarida kalitlar mos ravishda n-kanalli MOS tranzistorlar va dinamik yuk (yuqorida muhokama qilingan) va p-kanalli MOS tranzistorlarida ishlatiladi.
Misol tariqasida OR-NOT funktsiyasini bajaruvchi n-MOS mantiqiy elementini ko'rib chiqaylik (3.31-rasm). 
U yuk tranzistorli T 3 va ikkita boshqaruv tranzistorlari T 1 va T 2 dan iborat. Agar ikkala T 1 va T 2 tranzistorlari yopiq bo'lsa, u holda chiqish baland qilib o'rnatiladi. Agar bitta yoki ikkala kuchlanish u 1 va u 2 yuqori darajaga ega bo'lsa, u holda bitta yoki ikkalasi ham T 1 va T 2 tranzistorlari ochiladi va chiqishda past daraja o'rnatiladi, ya'ni u u = u 1 + u 2 funktsiyasi. amalga oshiriladi.
Statik holatdagi mantiqiy element tomonidan quvvat sarfini istisno qilish uchun qo'shimcha MDP - mantiq elementlari (CMDP yoki CMOS mantig'i) ishlatiladi. CMOS chiplari qo'shimcha MOSFET kalitlaridan foydalanadi. Ular yuqori shovqin immuniteti bilan ajralib turadi. CMOS mantig'i juda istiqbolli. Oldin ko'rib chiqilgan qo'shimcha kalit aslida NOT elementi (inverter).
CMOS - mantiqiy element
OR -NOT funktsiyasini bajaradigan mantiqiy element - CMOSni ko'rib chiqing (3.32 -rasm). 
Agar kirish voltaji past bo'lsa (u 1 va u 2 n-MOS tranzistorining chegara kuchlanishidan kam bo'lsa U zi chegarasi n), u holda T 1 va T 2 tranzistorlari yopiq, T 3 va T 4 tranzistorlari ochiq va chiqish voltaji yuqori ... Agar u 1 va u 2 kirishlardan biri yoki ikkalasi yuqori darajaga ega bo'lsa, U z.toshidan oshib ketadi. n, keyin T 1 va T 2 tranzistorlaridan biri yoki ikkalasi ochiladi va T3 va T 4 tranzistorlarining birining yoki ikkalasining manbai va darvozasi o'rtasida past kuchlanish o'rnatiladi, bu esa bir yoki ikkalasining bloklanishiga olib keladi. tranzistorlar T 3 va T 4, shuning uchun chiqishda past bo'ladi. Shunday qilib, bu element u out = u 1 + u 2 funktsiyasini bajaradi va faqat qisqa vaqt ichida quvvat manbaidan quvvat sarflanadi.
Integratsiyalashgan in'ektsiya mantig'i (IIL yoki I 2 L) bipolyar tranzistorlardan foydalanishga va original sxemalar va texnologik echimlardan foydalanishga asoslangan. Yarimo'tkazgichli kristalli maydonni juda tejamli ishlatish bilan ajralib turadi. I 2 L elementlari faqat integratsiyalashgan dizaynda amalga oshirilishi mumkin va diskret sxemada o'xshashi yo'q. 
Bunday elementning tuzilishi va unga tenglashtirilgan sxemasi rasmda ko'rsatilgan. 3.33, shundan ko'rish mumkinki, tranzistor T 1 (p-n-p) gorizontal, ko'p kollektorli T 2 (n-p n) vertikalda joylashgan. T 1 tranzistor T 1 tranzistorining emitentidan (unga cheklovli rezistor orqali musbat qo'llanilganda) T 2 tranzistorining tagiga teshiklarni ta'minlovchi injektor rolini o'ynaydi. Agar u 1 mantiqiy "0" ga mos keladigan bo'lsa, u holda in'ektsiya ko'p kollektorli tranzistor T 2 bazasidan o'tmaydi va T 2 tranzistorining kollektor zanjirlaridagi oqimlar oqmaydi, ya'ni "1" mantig'i tranzistor T 2 chiqishlariga o'rnatiladi. U 1 kuchlanishi mantiqiy "1" ga to'g'ri kelganda, in'ektsiya T 2 tranzistorining poydevori orqali va T 2 tranzistorining chiqishlarida - mantiqiy nollarga to'g'ri keladi.
Rasmda ko'rsatilgan elementga asoslangan OR-NOT elementining bajarilishini ko'rib chiqing. 3.34 (soddaligi uchun T 3 va T 4 ko'p kollektorli tranzistorlarning boshqa kollektorlari rasmda ko'rsatilmagan). Agar bitta yoki ikkala kirishga "1" mantiqiy signali qo'llanilsa, u holda mantiqiy nolga to'g'ri keladi. Agar ikkala kirishda ham "0" mantiqiy signallari bo'lsa, u holda kuchlanish u mantiqiy signalga to'g'ri keladi. 
Gallium arsenidli GaAs yarimo'tkazgichga asoslangan mantiq eng yuqori tezlik bilan tavsiflanadi, bu elektronlarning yuqori harakatchanligi (kremniydan 3 ... 6 baravar ko'p) natijasidir. GaAs mikrosxemalari 10 gigagertsli va undan yuqori chastotalarda ishlashi mumkin.
Tadqiqot va ishlab chiqish loyihalarini birinchi o'ringa qo'yishda murakkab va chalkash narsalar mavjudligining eng yaxshi namunasi - bu CMOS chiplari va ularning bozorda qanday paydo bo'lishi.
Gap shundaki, MOS tuzilishiga asos bo'lgan dala effekti 1920 -yillarning oxirlarida kashf etilgan, biroq radiotexnika vakuumli qurilmalarda (radio naychalarda) bomni boshdan kechirgan va kristalli tuzilmalarda topilgan effektlar istiqbolsiz deb hisoblangan.
Keyin, 40-yillarda, bipolyar tranzistor amalda qayta kashf qilindi va shundan keyingina, bipolyar tranzistorlar ustida olib borilgan izlanishlar va takomillashtirishlar bu yo'nalish boshi berk ko'chaga olib borishini ko'rsatdi, olimlar dala effektini esladilar.
MOS tranzistorining paydo bo'lishi, keyinchalik CMOS mikrosxemalari. Xat TO qisqartma boshida bir -birini to'ldiruvchi, ya'ni to'ldiruvchi degan ma'noni anglatadi. Amalda, bu shuni anglatadiki, mikrosxemalar aynan bir xil parametrlarga ega bo'lgan juft tranzistorlardan foydalanadi, lekin bitta tranzistor n-tipli, ikkinchi tranzistor esa p-tipli eshikka ega. Chet elda, CMOS mikrosxemalari deyiladi CMOS(Qo'shimcha metall oksidli yarimo'tkazgich). KMDP, K-MOP qisqartmalari ham ishlatiladi.
An'anaviy tranzistorlar orasida bir -birini to'ldiruvchi misol KT315 va KT361 tranzistorlaridir.
Birinchidan, elektron komponentlar bozorida dala effektli tranzistorlarga asoslangan K176 seriyasi paydo bo'ldi va ushbu seriyaning keyingi rivojlanishi sifatida juda mashhur bo'lgan K561 seriyasi ishlab chiqildi. Bu turkumga ko'p sonli mantiqiy chiplar kiradi.
Dala effektli tranzistorlar besleme zo'riqishida bipolyar kuchlanish kabi muhim emasligi sababli, bu ketma-ket +3 dan + 15V gacha kuchlanish bilan ishlaydi. Bu ushbu seriyani har xil qurilmalarda, jumladan, batareya quvvati bo'lgan qurilmalarda keng ishlatish imkonini beradi. Bundan tashqari, K561 seriyali mikrosxemalarga yig'ilgan qurilmalar juda kam tok sarflaydi. Buning ajablanarli joyi yo'q, chunki CMOS mikrosxemalarining asosi dala effektli MOS tranzistoridir.
Masalan, K561TP2 mikrosxemasi to'rtta RS -flip -flopni o'z ichiga oladi va 0,14 mA tok sarflaydi va K155 seriyali shunga o'xshash mikrosxemalar kamida 10 - 12 mA. CMOS tuzilmalariga asoslangan mikrosxemalar juda katta kirish empedansiga ega bo'lib, ular 100 megohm va undan ko'pga yetishi mumkin, shuning uchun ularning yuk ko'tarish qobiliyati ancha katta. Bitta mikrosxemaning chiqishi uchun siz 10 - 30 ta mikrosxemaning kirishini ulashingiz mumkin. TTL mikrosxemalari uchun bunday yuk qizib ketishi va ishdan chiqishiga olib keladi.
Shunday qilib, CMOS tranzistorlari yordamida mikrosxemalardagi tugunlarning dizayni TTL mikrosxemalaridan ko'ra oddiyroq elektron echimlardan foydalanish imkonini beradi.
Xorijda K561 seriyasining eng keng tarqalgan analogi CD4000 sifatida belgilanadi. Masalan, xorijiy CD4011 K561LA7 mikrosxemasiga mos keladi.
K561 seriyali mikrosxemalardan foydalanib, ularning ishlashining ba'zi nuanslarini unutmaslik kerak. Shuni esda tutish kerakki, mikrosxemalar keng voltaj diapazonida ishlay olsada, besleme zo'riqishi pasayganda, shovqin immuniteti pasayadi va puls biroz "tarqaladi". Ya'ni, besleme zo'riqishi maksimal darajaga qanchalik yaqin bo'lsa, impuls qirralari tik bo'ladi.
Rasmda kirish signalini (NOT elementi) teskari o'zgartiradigan klassik asosiy element (eshik) ko'rsatilgan. Ya'ni, kirishga mantiqiy birlik kelsa, chiqishdan mantiqiy nol chiqariladi va aksincha. Bu erda "n" va "p" eshikli tranzistorlarning qo'shimcha juftligi aniq ko'rsatilgan.
Quyidagi rasmda 2I - NOT asosiy elementi ko'rsatilgan. Ko'rinib turibdiki, mikrosxemaning o'xshash TTL elementida mavjud bo'lgan rezistorlar bu erda yo'q. Bunday ikkita elementdan tetikni olish oson, va ketma -ket tetiklardan hisoblagichlar, registrlar va saqlash qurilmalariga to'g'ridan -to'g'ri yo'l bor.
K561 seriyali integral mikrosxemalarning barcha ijobiy fazilatlari bilan, albatta, ularning kamchiliklari bor. Birinchidan, maksimal ish chastotasi nuqtai nazaridan, CMOS mikrosxemalari har xil mantiqqa ega bo'lgan va bipolyar tranzistorlarda ishlaydigan mikrosxemalardan sezilarli darajada past.
K561 seriyasining ishonch bilan ishlash chastotasi 1 MGts dan oshmaydi. MOS tuzilmalariga asoslangan mikrosxemalarni boshqa seriyalar bilan moslashtirish uchun, masalan, TTL, K561PU4, K561LN2 darajali konvertorlar va boshqalar. Bu mikrosxemalar, shuningdek, ketma -ketlikdan farq qilishi mumkin bo'lgan tezlikni sinxronlashtiradi.
Ammo MOS -ning qo'shimcha tuzilmalaridagi mikrosxemalarning eng katta kamchiligi - bu mikrosxemaning statik elektrga nisbatan sezgirligi. Shuning uchun fabrikalar va laboratoriyalar maxsus ish joylari bilan jihozlangan. Stolda barcha ishlar umumiy polga o'rnatilgan avtobusga ulanadi. Lehimlash korpusi ham, ishchining qo'liga taqilgan metall bilaguzuk ham shu avtobusga ulangan.
Ba'zi mikrosxemalar folga solingan holda sotuvga chiqariladi, bu esa barcha simlarni bir-biriga qisqa tutashtiradi. Uyda ishlayotganda, statik zaryadni hech bo'lmaganda isitish trubasiga tushirish yo'lini topish kerak. O'rnatish vaqtida elektr simlari birinchi navbatda, qolganlari esa faqat lehimlanadi.
Guruch. 16.10.
CMOS sxemalari va nMOS texnologiyasi o'rtasidagi asosiy farq shundaki, kontaktlarning zanglashiga faol qarshilik yo'q. Bilan bir juft tranzistorlar har xil turlari kanal P tipidagi kanalli tranzistorlar substrat orqali quvvat manbaiga ulanadi, shuning uchun ulardagi kanalning shakllanishi substrat va darvoza o'rtasida etarlicha katta potentsial farq bilan sodir bo'ladi va eshikdagi potentsial manfiy bo'lishi kerak. substratga nisbatan. Bu holat darvoza uchun yer potentsialini (ya'ni mantiq 0) qo'llash orqali ta'minlanadi. N-tipli kanalli tranzistorlar erga substrat orqali ulanadi, shuning uchun ulardagi kanalning shakllanishi elektr ta'minoti potentsiali eshikka (ya'ni, mantiq 1) qo'llanilganda sodir bo'ladi. Bir vaqtning o'zida bunday juft tranzistorlarni etkazib berish har xil turlari mantiqiy nol yoki mantiqiy birlik kanallari juft tranzistorlarning birining ochiq bo'lishi, ikkinchisining yopilishiga olib keladi. Shunday qilib, chiqishni quvvat manbaiga yoki erga ulash uchun sharoit yaratiladi.
Shunday qilib, eng oddiy holatda, inverter sxemasi uchun (16.10 -rasm) A = 0 da tranzistor VT1 ochiq bo'ladi va VT2 yopiladi. Shunday qilib, F sxemasining chiqishi VT1 kanali orqali mantiqiy birlik holatiga mos keladigan quvvat manbaiga ulanadi: F = 1. A = 1 bo'lganda, VT1 tranzistori yopiladi (eshik va substrat bir xil potentsialga ega) va VT2 ochiq. Shuning uchun, F davri chiqishi VT2 tranzistorining kanali orqali erga ulanadi. Bu mantiqiy nol holatiga mos keladi: F = 0.
Mantiqiy qo'shimcha (16.11 -rasm) tufayli amalga oshiriladi ketma -ket ulanish VT1 va VT2 tranzistorlarining p-kanallari. Hech bo'lmaganda bitta birlik etkazib berilsa, bu tranzistorlar uchun bitta kanal hosil bo'lmaydi. Shu bilan birga, VT3 va VT4 parallel ulanishi tufayli, sxemaning pastki qismida mos keladigan tranzistor ochiladi, bu esa F chiqishining erga ulanishini ta'minlaydi. Agar kamida bitta mantiqiy 1 berilgan bo'lsa, F = 0 chiqadi - bu OR -NOT qoidasi.
Guruch. 16.11.
NAND funktsiyasi sxemaning yuqori qismida VT1 va VT2 ning parallel ulanishi va pastki qismida VT3 va VT4 ning ketma -ket ulanishi tufayli amalga oshiriladi (16.12 -rasm). Hech bo'lmaganda bitta nolli kirish qo'llanilganda, VT3 va VT4da bitta kanal hosil bo'lmaydi, chiqish erdan uziladi. Shu bilan birga, sxemaning yuqori qismidagi kamida bitta tranzistor (uning eshigiga mantiqiy nol qo'llaniladi) F chiqishining quvvat manbaiga ulanishini ta'minlaydi: kamida bitta nol bo'lsa, F = 1. qo'llanilgan - NAND qoidasi.
Guruch. 16.12.
Qisqa xulosa
Ga bog'liq elementlar bazasi, IClarni ishlab chiqarish uchun turli texnologiyalarni farqlash. Asosiysi - bipolyar tranzistorlardagi TTL, nMOS va CMOS dala effektli tranzistorlar.
Asosiy shartlar
nMOS texnologiyasi dala effektli tranzistorlar induktsiya qilingan n-tipli kanal bilan.
3 shtat uchun bufer- uchinchi, yuqori impedansli holatga o'tish imkoniyatini ta'minlovchi TTL sxemasining chiqish qismi.
CMOS texnologiyasi- asoslangan IC ishlab chiqarish texnologiyasi dala effektli tranzistorlar har ikki turdagi elektr o'tkazuvchanlik kanallari bilan.
Ochiq kollektor- TTL elementlarining bufer qismini yuk pallasida rezistorsiz amalga oshirish varianti.
Rezistiv yuklanish davrlari- TTL zanjirlari, bunda bufer zanjirining holati bir emas, ikkita tranzistorning holati bilan belgilanadi.
Transistor-tranzistorli mantiq- bipolyar tranzistorlar asosida IClarni ishlab chiqarish texnologiyasi.
Qabul qilingan qisqartmalar
CMOS - qo'shimcha, metall, oksid, yarimo'tkazgich
Amaliyot to'plami
16 -ma'ruza uchun mashqlar
1 -mashq
1 -mashq uchun 1 -variant.NMOS texnologiyasidan foydalangan holda 3 kiruvchi yoki YO'Q elementning sxematik diagrammasini chizish.
1 -mashq uchun 2 -variant.NMOS texnologiyasidan foydalangan holda 3 kirishli NAND darvozasi diagrammasini chizish.
1 -mashq uchun 3 -variant.NMOS texnologiyasidan foydalangan holda 4 kiruvchi OR-NOT elementining diagrammasini chizish.
2 -mashq
2 -mashq uchun 1 -variant.CMOS texnologiyasidan foydalangan holda 3 kiruvchi yoki YO'Q elementning sxematik diagrammasini chizish.
2 -mashq uchun 2 -variant.CMOS texnologiyasidan foydalangan holda 3 kirishli NAND elementining sxematik chizmasini chizish.
2 -mashq uchun 3 -variant.CMOS texnologiyasidan foydalangan holda 4 ta kiruvchi yoki YO'Q elementning sxematik chizmasini chizish.
3 -mashq
3 -mashq uchun 1 -variant.TTL texnologiyasi bo'yicha 3 ta kiruvchi element YO'Q.
3 -mashq uchun 2 -variant.TTL texnologiyasidan foydalangan holda 3 kirishli NAND darvozasi diagrammasini chizish.
3 -mashq uchun 3 -variant.TTL texnologiyasiga binoan 4 ta kiruvchi element YO'Q.
4 -mashq
4 -mashq uchun 1 -variant.NMOS texnologiyasidan foydalangan holda 3 kiruvchi OR elementining diagrammasini chizish.
4 -mashq uchun 2 -variant.NMOS texnologiyasidan foydalangan holda 3 kiruvchi I elementning diagrammasini chizish.
4 -mashq uchun 3 -variant.NMOS texnologiyasidan foydalangan holda 4 ta kiruvchi OR elementining diagrammasini chizish.
5 -mashq
5 -mashq uchun 1 -variant.CMOS texnologiyasidan foydalangan holda 3 ta kiruvchi OR elementining sxematik diagrammasini chizish.
5 -mashq uchun 2 -variant. CMOS texnologiyasi bo'yicha 3-kiruvchi element VA diagrammasini chizish.
5 -mashq uchun 3 -variant. CMOS texnologiyasidan foydalangan holda 4 ta kiruvchi OR elementining diagrammasini chizish.
6 -mashq
6 -mashq uchun 1 -variant.TTL texnologiyasidan foydalangan holda 3 ta kiruvchi OR elementining diagrammasini chizish.
6 -mashq uchun 2 -variant.TTL texnologiyasi bo'yicha 3 kiruvchi I elementning diagrammasini chizish.
6 -mashq uchun 3 -variant.TTL texnologiyasidan foydalangan holda 4 ta kiruvchi OR elementining diagrammasini chizish.
7 -mashq
7 -mashq uchun 1 -variant.TTL texnologiyasi yordamida 2I-OR-NOT elementining diagrammasini chizish.
7 -mashq uchun 2 -variant. CMOS texnologiyasidan foydalangan holda 2I-OR-NOT elementining sxemasini chizish.
7 -mashq uchun 3 -variant NMOS texnologiyasi yordamida 2I-OR-NOT elementining sxemasini chizish.
8 -mashq
8 -mashq uchun 1 -variant.3-holatli buferli 3-kiruvchi OR-NOT darvozasining sxematik sxemasini chizish.
8 -mashq uchun 2 -variant.Ochiq kollektorli 3 kirishli NAND eshigining sxematik sxemasini chizish.
8 -mashq uchun 3 -variant.3-holatli buferli 3-kirish yoki eshikni chizish.
