В отличие от аналоговых ИС, выбор цифровых интегральных микросхем с нужными свойствами достаточно формализован и практически не представляет труда. Цифровыми ИС называются микросхемы, предназначенные для преобразования и обработки сигналов, представленных в двоичном или другом цифровом коде.
Схемотехническая реализация всего многообразия цифровых ИС осуществляется на основе логических элементов (ЛЭ), которые представляют собой логические схемы, выполняющие элементарные логические функции (коньюкцию, дизьюнкцию, инверсию и др.). Постоянное повышение требований к увеличению быстродействия и уменьшению потребляемой мощности средств вычислительной техники привело к созданию различных цифровых ИС, которые, как и аналоговые ИС, разрабатываются и выпускаются сериями. Серия представляет собой комплект ИС, имеющих единое конструктивнотехнологическое исполнение.
В состав серий цифровых ИС наряду с логическими элементами, триггерными, комбинационными и последовательностными схемами, реализующими функции: хранения, шифрования, дешифрования, мультиплексирования, подсчёта и распределения импульсов и т. д., входят также микросхемы, представляющие собой целые узлы и блоки арифметических и запоминающих устройств.
В настоящее время наиболее широкое применение в цифровой вычислительной технике получили серии биполярных ИС ТТЛ, ЭСЛ и ИИЛ, а также схемы на основе nМОПтранзисторов и КМДП (комплементарных МДП)-структур.
Современная технология позволяет изготавливать сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), содержащие десятки миллионов элементов, которые широко применяются в малогабаритных, высоконадёжных, быстродействующих и экономичных цифровых вычислительных устройствах и системах для выполнения самых сложных операций обработки и преобразования информации. Рост уровня интеграции в настоящее время даёт возможность размещать на кристалле схемы, сложность которых сопоставима целым системам, включая память и процессоры. При этом практически любые сложные операции преобразования и обработки в конечном счете сводятся к простейшим операциям НЕ, И НЕ, ИЛИ НЕ и т. д., выполняемым логическими элементами. Основные электрические параметры этих ЛЭ, называемых базовыми функциональными элементами, определяют характеристики более сложных по уровню интеграции и функциональному назначению ИС, входящих в состав серии. Параметры ЛЭ, которые делятся на статические и динамические, позволяют сравнивать между собой ИС различных типов и серий и определяют возможности их совместной работы в составе одной аппаратуры.
К основным статическим параметрам относятся:
- входные и выходные напряжения логического 0 и логической 1 (U 0 вх , U 1 вх , U 0 вых , U 1 вых );
- входные и выходные пороговые напряжения логического 0 и логической 1 (U 0 вх п , U 1 вх п , U 0 вых п , U 1 вых п );
- входные и выходные токи логического 0 и логической 1 (I 0 вх , I 1 вх , I 0 вых , I 1 вых );
- помехоустойчивость;
- нагрузочная способность;
- потребляемая мощность.
Параметры ЛЭ определяются по его передаточной характеристике, которая представляет собой зависимость выходного напряжения U вых от напряжения U вх на одном из входов при постоянных значениях напряжения (U 0 вх или U 1 вх ) на остальных входах.
В качестве примера передаточная характеристика ЛЭ с инвертирующим выходом (НЕ, И НЕ, ИЛИ НЕ) приведена на рис. 1.1. На передаточной характеристике выделены три участка:
- участок I, соответствующий состоянию лог. 1 (U вых = U 1 вых );
- участок II, соответствующий состоянию лог. 0 (U вых = U 0 вых );
- участок III, называемый зоной неопределённости, причём значения напряжения U вх , соответствующие границам этой зоны, называются пороговыми напряжениями переключения U 0 вх п и U 1 вх п .
В практических схемах вход одного элемента подключен к выходу другого ЛЭ, поэтому уровни логического 0 и логической 1 входного и выходного напряжений, соответственно, равны между собой, т. е., U 0 вх = U 0 вых и U 1 вх = U 1 вых . Причём разность напряжений U 1 вых и U 0 вых , обозначаемая как U л = U 1 вых U 0 вых , называется логическим перепадом. При определении статической помехоустойчивости под этими уровнями напряжений подразумевают максимальный уровень напряжения логического 0 (U 0 вх max , U 0 вых max ) и минимальный уровень напряжения логической 1 (U 1 вх min , U 1 вых min ), соответственно. Так как ЛЭ в статическом режиме может находиться в одном из двух состояний («0» или «1»), различают статическую помехоустойчивость по уровню «0» (U 0 пом ) и по уровню «1» (U 1 пом ). Величину этих параметров определяют согласно выражениям (рис. 1.1):
U 0 пом = U 0 вх п U 0 вх = U 0 вх п U 0 вых max ;
U 1 пом = U 1 вх U 1 вх п = U 1 вых min U 1 вх п .
Таким образом, статическая помехоустойчивость определяет максимально допустимую величину напряжения помехи (U 0 пом или U 1 пом ), при подаче которого на вход ЛЭ относительно уровня «0» или «1» не происходит его ложное срабатывание.
Входные и выходные токи (I 0 вх , I 1 вх , I 0 вых , I 1 вых ) ЛЭ, которые в зависимости от уровня напряжения на его выходе могут быть как втекающими, так и вытекающими, характеризуют нагрузочную способность ЛЭ. При высоком уровне выходного напряжения из элементаисточника ток вытекает и поступает на входы всех n ЛЭ, выполняющих функцию нагрузок. Если элементынагрузки однотипные, тогда коэффициент нагрузки n определяется как n = I 1 вых /I 1 вх .
Аналогично рассуждая, можно определить нагрузочную способность элемента источника для случая, когда он находится в состоянии логического нуля n = I 0 вых /I 0 вх.
Логические элементы при работе в составе цифрового устройства могут находиться либо в статическом режиме, который характеризуется одним из двух состояний («0» или «1»), либо в стадии переключения. Обычно ЛЭ, выполненные по биполярной схемотехнологии, потребляют в основном мощность в статическом режиме, которая лишь незначительно увеличивается в динамическом режиме. Другие, например, КМДПэлементы, наоборот, характеризуются очень незначительной мощностью в статическом режиме и некоторым увеличением её во время переходных процессов. Биполярные логические элементы с малым потреблением мощности в динамическом режиме характеризуются средней потребляемой мощностью P пот ср = 0,5 ( Р 0 пот + Р 1 пот ), где Р 0 пот мощность, потребляемая схемой в состоянии логического 0; Р 1 пот мощность, потребляемая схемой в состоянии логической 1.
Динамические параметры характеризуют быстродействие ЛЭ и к ним относятся t 1,0 и t 0,1 длительности, соответственно, отрицательного (спадающего) и положительного (нарастающего) фронтов выходного сигнала; t 1,0 зд р и t 0,1 зд р задержки распространения сигнала при включении и выключении, соответственно; t и длительность входного импульса; f p рабочая частота. На рис. 1.2 приведены временные диаграммы переходных процессов переключения инвертирующего ЛЭ, где показаны уровни отсчёта, относительно которых определяются динамические параметры. Уровни отсчета напряжений для определения динамических параметров устанавливаются относительно выходных пороговых напряжений логической 1 и логического 0 (рис. 1.2). При расчёте временной задержки сигнала последовательно включённых цифровых микросхем используется средняя задержка распространения сигнала ЛЭ:
t зд р ср = ( t 0,1 зд р + t 1,0 зд р ).
Для ИС сверхвысокой степени интеграции (СБИС) используют также интегральные параметры, которые характеризуют уровень развития технологии и схемотехники и качество цифровых ИС. Основными интегральными параметрами являются энергия переключения А п и уровень(степень) интеграции S.
Степень интеграции S логических ИС определяется числом простейших эквивалентных ЛЭ на кристалле. Иногда степень интеграции СБИС измеряют числом элементовтранзисторов на кристалле. Степень интеграции современных СБИС составляет несколько десятков миллионов элементов. Функциональную сложность интегральных микросхем, запоминающих устройств, имеющих регулярную структуру, оценивают числом бит памяти на кристалле.
Рассмотрим условные обозначения интегральных микросхем. По принятой системе обозначения ИС состоят из четырёх элементов:
- первый элемент это цифра, соответствующая конструктивнотехнологическому исполнению микросхемы;
- второй элемент две или три цифры, обозначающие порядковый номер серии ИС от 00 до 99 или от 000 до 999;
- третий элемент две буквы, соответствующие подгруппе и виду по характеру выполняемых ИС функций;
- четвёртый элемент порядковый номер разработки ИС по функциональному признаку в данной серии.
Первые два элемента определяют номер серии ИС. Буквы К, КМ, КР в начале условного обозначения микросхем характеризуют условия их приёмки на заводеизготовителе и особенности конструктивного исполнения. Например, обозначение ИС КР1533ЛА3 означает, что данная микросхема находит широкое применение в цифровых устройствах (К), изготовлена в пластмассовом корпусе (Р) и на основе полупроводниковой технологии (1) и выполняет логическую функцию И НЕ, имеет порядковый номер в данной серии, равный 3.