Классификация цифровых интегральных микросхем (ЦИМС)
Цифровые интегральные схемы (ЦИС), предназначенные для приема, преобразования (обработки) и выдачи сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции, выраженной в двоичном или другом цифровом коде, представляют собой множество транзитных ключей, обладающих двумя устойчивыми состояниями (разомкнутым и замкнутым).
Цифровая интегральная микросхема — электронная схема, представляющая собой некоторую совокупность элементов и выполняющая определенную функцию: логическую, хранения информации, вспомогательную и специальную (иногда одна и та же ЦИС может выполнять несколько функций).
Цифровые интегральные микросхемы выпускаются в виде серий. Серия цифровых микросхем — это совокупность нескольких типов микросхем, которые могут выполнять разные функции преобразования цифровой информации, но имеют единое конструктивно-технологическое исполнение (решение) и предназначены для совместного использования (применения). Последнее предполагает одинаковые напряжения источников питания, уровни сигналов, помехоустойчивость, а также сопряжение, т.е. возможность непосредственного соединения входов и выходов различных микросхем. Серия ЦИС является полной, если она обладает функциональной и технической полнотой.
Функциональная полнота — свойство серии реализовывать любую логическую переключательную функциональную зависимость.
Техническая полнота — свойство серии реализовывать помимо логических переключательных функций и другие функции, в том числе хранение, вспомогательные, специальные, а также обеспечивать согласование ЦИС, нагрузочную способность, восстановление сигналов по форме и амплитуде, формирование сигналов, индикацию состояния ЦИС.
Цифровые интегральные микросхемы (ЦИС) классифицируются по классам (типам) цифровых устройств, выполняемым функциям, типу связи, по физическому принципу работы активных элементов, полярности логики, конструктивно-технологическим признакам, технологии изготовления, конструктивному исполнению, степени интеграции, электрическим и эксплуатационным параметрам.
По классам (типам) цифровые микросхемы делятся на два больших класса (типа) — комбинационные (однотактные) и последовательные (многотактные), которые часто называют конечными автоматами.
Класс (тип) комбинационных ЦИС составляют микросхемы, не имеющие внутренней памяти (запоминающих элементов), в которых уровень выходного сигнала определяется только уровнями входных сигналов в рассматриваемый (данный) момент времени.
Класс (тип) последовательных ЦИС составляют микросхемы, в которых уровень сигнала на выходе определяется не только уровнями входных сигналов в рассматриваемый (данный) момент времени, но и последовательностью состояний в предыдущие моменты времени из-за наличия внутренней памяти. Таким образом, уровень сигнала на выходе зависит и от уровня выходных сигналов, которые присутствуют на выходах элементов памяти и являются результатом логической обработки сигналов, поступавших в предшествующие моменты времени. Поэтому в последовательных цифровых микросхемах (ЦИС), в отличие от комбинационных микросхем, имеются запоминающие элементы.
По выполняемым функциям класс (тип) комбинационных ЦИС подразделяется на простые и сложные логические микросхемы (устройства), основу которых составляют логические элементы, реализующие логические функции (операции) преобразования информации, представленной в виде двоичных чисел. Таким образом, логическими называют элементы, которые осуществляют непосредственно предусмотренные логические операции (функции логики) с двоичными переменными.
Простые логические микросхемы комбинационных ЦИС подразделяются на логические элементы И, ИЛИ, НЕ и универсальные логические элементы (реализующие несколько функций) И-НЕ, ИЛИ-HE, И-ИЛИ-НЕ.
Сложные логические микросхемы комбинационных ЦИС подразделяются на микросхемы дешифраторов и шифраторов, мультиплексоров и демультиплексоров, сумматоров по модулю 2, полных сумматоров, преобразователей кодов для индикаторов, программируемых постоянных запоминающих устройств, преобразователей различных кодов, контроля четности, буферных элементов, цифровых компараторов, а также некоторых других.
По выполняемым функциям класс (тип) последовательных ЦИС подразделяется на микросхемы: хранение информации (элементы памяти), вспомогательные и специальные.
Микросхемы хранения информации (элементы памяти) предназначены для запоминания и временного хранения двоичной информации (1 и 0). Специальной организацией схемы можно обеспечить запись, считывание или регенерацию считанной информации, а также индикацию состояния хранимой информации. Необходимо отметить, что регенерация — это процесс восстановления содержимого памяти, разрушенное при считывании. Таким образом, запоминающими (элементами памяти) называют такие элементы, которые обладают способностью длительно хранить поступившую информацию без изменения ее содержания.
К последовательным ЦИС данного вида относятся микросхемы со схемными решениями: триггеров, счетчиков, регистров, оперативных запоминающих устройств, операционных узлов и блоков арифметических устройств, микропроцессоров, однокристальных ЭВМ и др.
Вспомогательные микросхемы предназначены для усиления, формирования, задержки, генерирования и т.п. электрических сигналов. Таким образом, вспомогательными называют все прочие микросхемы, обеспечивающие надежную связь между логическими и запоминающими микросхемами. К ним относятся усилительные устройства, преобразователи, формирователи сигналов с определенными физическими характеристиками, инверторы, элементы задержки во времени и другие устройства.
К последовательным ЦИС данного вида относятся микросхемы со схемными решениями: блокинг-генераторов, усилителей-формирователей, эмиттерных повторителей, одновибраторов, мультивибраторов, ограничителей и др.
Специальные микросхемы предназначены для физического преобразования электрических сигналов, т.е. для перехода от одного вида физического представления информации, например потенциального, в видеосигнал, и т.п. К последовательным ЦИС данного вида относятся микросхемы со схемными решениями: различных индикаторов, схем согласования и др.
По типу связи цифровые микросхемы делятся на схемы со связью: потенциальной, импульсной и импульсно-потенциальной.
Микросхемы с потенциальной связью соединяются между собой непосредственно (проводником) через резистор, диод, транзистор или комбинацией из перечисленных элементов. При этом сигналы логической единицы «1» и логического нуля «О» представлены в виде потенциалов высокого и низкого уровней. Микросхемы с потенциальной связью применяются при организации сложных логических схемных решений на основе простых микросхем.
Микросхемы с импульсной связью соединяются между собой через конденсаторы или трансформаторы (сигнал логической единицы «1» представляется в виде импульса той или иной полярности, а сигнал логического нуля «О» — чаще всего отсутствием импульса). В ряде случаев сигнал «О» представляется импульсом противоположной полярности по отношению к сигналу логической единицы «1».
Микросхемы с импульсно-потенциальной связью содержат как импульсную, так и потенциальную связь между элементами (сигнал логической «1» может быть представлен либо в виде импульса, либо в виде потенциала).
По физическому принципу работы активных элементов цифровые микросхемы делятся на две большие группы — биполярные и униполярные, которые также подразделяются на отдельные подгруппы, определяющие особенности схемотехнических решений принципиальных схем при создании ЦИМС. Схемотехнические решения в отдельных подгруппах определяются типами элементов, на основе которых построены принципиальные микросхемы ЦИС, а в отдельных подгруппах — схемами соединения элементов или видами активных элементов и технологией их изготовления.
Биполярная группа схемотехнических решений ЦИМС построена на активных элементах, физический принцип работы которых основан на действии электронно-дырочного перехода, т.е. на диодах и биполярных транзисторах. Основными подгруппами биполярной группы, в которых название логики определяется типами элементов, применяемых для построения принципиальных схем ЦИМС, являются диодно-резисторная логика (ДРЛ), резисторнотранзисторная логика (РТЛ), резисторно-емкостная транзисторная логика (РЕТЛ), диодно-транзисторная логика (ДТЛ), транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ). Существуют эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), для которой название определяется схемой соединения активных элементов — транзисторов, и инжекционно-ин- тегральная логика (ИИЛ или И2Л), для которой название определяется видами использованных элементов и технологией их изготовления. Все подгруппы микросхем в биполярной группе, за исключением ДРЛ-логики, в своем схемном решении относятся к транзисторной логике построения, так как основным активным элементом, выполняющим функции обработки цифровой информации, является транзистор.
Униполярная группа схемотехнических решений ЦИМС построена на активных элементах, основу которых составляют транзисторы МДП (МОП)-структуры. Микросхемы ЦИС в униполярной группе подразделяются на подгруппы, которые отличаются друг от друга типом электропроводности канала транзисторов МДП (МОП)-структуры, так как тип канала в применяемых транзисторах в основном индуцированный, и очень редко применяется встроенный канал. В соответствии с этим имеются следующие подгруппы униполярной группы: /^-канальная логика (/?-МДП — /7-МДПТЛ или р-МОП — /ьМОПТЛ), «-канальная логика (л-МДП — «-МДПТЛ или «-МОП — «-МОПТЛ), комплементарная логика (КМДП — КМДПТЛ или КМОП — КМОПТЛ), использующая транзисторы с каналами р- и «-типов. Все подгруппы ЦИМС в униполярной группе относятся к транзисторной логике, так как принципиальные схемы построены только на активных элементах — транзисторах МДП (МОП)-структуры, которые могут выполнять роль как активных, так и пассивных элементов схемы, поэтому в обозначении подгруппы МДП (МОП) может добавляться буквенное сочетание ТЛ — транзисторная логика.
По полярности логики цифровые микросхемы делятся на микросхемы положительной (позитивной) логики, отрицательной (негативной) логики и двухполярной логики (биполярной). Полярность логики ЦИМС зависит от построения принципиальных схемных решений ЦИС и подключения к схемам напряжения питания.
По полярности логики ЦИМС в зависимости от полярности напряжения питания можно классифицировать следующие варианты цифровых микросхем: положительная логика и положительное напряжение источника питания, положительная логика и отрицательное напряжение источника питания, отрицательная логика и положительное напряжение источника питания, отрицательная логика и отрицательное напряжение источника питания. Также имеется особый вид ЦИМС по полярности логики, когда одновременного применяются положительная и отрицательная логики при положительном и отрицательном напряжениях источников питания.
По конструктивно-технологическим признакам цифровые микросхемы делятся на четыре группы: пленочные — все элементы и соединения выполнены по пленочной технологии в виде проводящих, полупроводниковых и диэлектрических пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку; гибридные — пассивные элементы выполнены по пленочной технологии, а активные элементы — навесные, т.е. являются компонентами; полупроводниковые (монолитные) — пассивные и активные элементы и межэлементные соединения выполнены на основе одного кристалла полупроводникового материала кремния в тонком приповерхностном слое полированной полупроводниковой пластины (кристалле) и на ее поверхности; совмещенные — активные элементы изготовлены по монолитной технологии, а пассивные элементы и межэлементные соединения — по пленочной технологии.
По технологии изготовления цифровые микросхемы делятся на группы: по пленочной технологии и по планарной технологии.
Пленочная технология подразделяется на два направления, связанных с использованием тонких и толстых пленок. При тонкопленочной технологии используется метод осаждения локальных и сплошных тонких слоев материалов на подложку в вакууме. По толстопленочной технологии пленки формируются методом локального нанесения и вжигания специальных паст. В обеих подгруппах в качестве подложки используются пластинки изолирующих материалов толщиной в несколько сотен мкм — специальные виды керамики и стекол. Пленочная технология наиболее соответствует мелкосерийному производству микросхем специального назначения, а также массовому производству простых микросхем, требующих точной подстройки параметров.
Планарная технология является базовой технологией формирования полупроводниковых (монолитных) микросхем, по которой изготавливается основная масса микросхем. Планарная технология имеет несколько разновидностей, которые характеризуются отличительными процессами и методиками проведения процессов формирования элементов в структуре микросхем. Таким образом, в зависимости от технологических методов и особенностей, применяемых при формировании активных и пассивных элементов в структуре микросхемы, планарная технология имеет разновидности, которые классифицируют цифровые микросхемы по разновидностям планарной технологии — планарно-диффузионные, планарно-эпитаксиальные, изопланарные, полипланарные, V-ATE-струк- туры, VIP-структуры и структуры КНС.
Планарная технология позволила создать наиболее сложные ИС с числом элементов до миллиона при их минимальном размере до 0,5 мкм. Характерной особенностью этой технологии является многократное применение микролитографии, в результате чего после комбинации процессов легирования, травления (разделения), изоляции и металлизации в тонком приповерхностном слое полированной полупроводниковой пластины формируются десятки и сотни кристаллов ИС.
По конструктивному исполнению цифровые микросхемы делятся на корпусные, которые имеют самостоятельный корпус, предназначенный для защиты элементов и компонентов от внешних воздействий, и выводы для соединения микросхемы с внешними электрическими цепями, и бескорпусные, которые не имеют самостоятельного защитного корпуса, а защита от внешних воздействий осуществляется корпусом устройства, в котором установлена микросхема.
По степени интеграции цифровые микросхемы делятся на малые интегральные схемы (МИС) — до 10 элементов и компонентов в И С, средние интегральные схемы (СИ С) — до 102 элементов и компонентов в ИС, большие интегральные схемы (БИС) — до 103 элементов и компонентов в ИС, сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) — до 104 элементов и компонентов в ИС, гигантские интегральные схемы (ГИ С) — до 105 элементов и компонентов в ИС, ультраболыпие интегральные схемы (УБИС) — до 106—109 элементов и компонентов в ИС, гигаболыиие интегральные схемы (ГБИС) — свыше 109 элементов и компонентов в ИС.
По электрическим и эксплуатационным параметрам цифровые микросхемы подразделяются: по быстродействию — сверхбыстродействующие (средняя задержка распространения сигнала менее 5 нс), высокого быстродействия (5—10 нс), среднего быстродействия (10—50 нс) и низкого быстродействия (> 50 нс); по мощности рассеивания (большая, средняя, малая); по эксплуатационным параметрам (надежность, устойчивость к механическим воздействиям, климатическим условиям, температурным диапазонам и др.).
