И зучение интегральных микросхем

Цель работы: Изучить интегральные микросхемы

Интегральные микросхемы часто называют просто интегральными схемами. По определению интегральная схема (ИС) — микроэлектронное изделие (т. е. изделие с высокой степенью миниатюризации), выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и (или) кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.

 

Одна микросхема Может заменить целый блок радиоприемника, электронной вычислительной машины (ЭВМ) и электронного автомата. «Механизм» наручных электронных часов, например, — это всего лишь одна большей микросхема.

По своему функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на две основные группы: аналоговые, или линейно-импульсные, и логические, или цифровые, микросхемы.

Аналоговые микросхемы предназначаются для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний разных частот, например, для приемников, усилителей, а логические — для использования в устройствах автоматики, в приборах с цифровым отсчетом времени, в ЭВМ.

Функциональная сложность интегральных схем

Компоненты, входящие в состав ИС, не могут быть выделены из нее в качестве самостоятельных изделий, кроме того, они характеризуются некоторыми особенностями по сравнению с дискретными транзисторами, диодами и т. д.

Особенностью цифровых ИС является высокая сложность выполняемых ими функций, поэтому количество компонентов в одной микросхеме может исчисляться сотнями тысяч и даже миллионами.

Функциональную сложность ИС обычно характеризуют степенью компонентной интеграции, т. е. количеством чаще всего транзисторов на кристалле. Количественно степень интеграции описывается условным коэффициентом K = lg N, где N – число компонентов.

В зависимости от значений K интегральные схемы подразделяются:

K < 2, (N < 100) – малая интегральная схема (МИС или IS);

2 < K < 4, (N < 10⁴) – интегральная схема средней степени интеграции (СИС или MSI);

4 < K < 5, (N < 10⁶) – большая интегральная схема (БИС или LSI);

K > 6, (N > 10⁶) – сверхбольшая интегральная схема (СБИС или VLSI).

Сокращения приведенные на английском языке имеют следующий смысл: IS – Integrated Circuit; MSI – Medium Scale Integration; LSI – Large Scale Integration; VLSI – Very Large Scale Integration.

Иногда сложность ИС характеризуют таким показателем, как плотность упаковки. Это количество компонентов, приходящихся на единицу площади кристалла. Этот показатель характеризует уровень технологии, и в настоящее время он составляет более 10⁴ компонентов/мм².

 

По конструктивно-технологическим признакам интегральные схемы обычно разделяют на:

● полупроводниковые;

● гибридные;

● пленочные.

В полупроводниковой схеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме или на поверхности полупроводника. В таких схемах нет компонентов. Это наиболее распространенная разновидность интегральных схем.

Интегральную схему называют гибридной, если она содержит компоненты и (или) отдельные кристаллы полупроводника.

В пленочных интегральных схемах отдельные элементы и межэлементные соединения выполняются на поверхности диэлектрика (обычно используется керамика). При этом применяются различные технологии нанесения пленок из соответствующих материалов.

 

 

Лабораторная работа № 8

Исследование цифровых интегральных микросхем

Цель работы: Изучение характеристик и функций простейших логических элементов.

Перечень минимодулей

Наименование минимодуля	Количество
Микросхема 2И-НЕ	1
Потенциометр 10 кОм	1
Резистор 1 кОм	1
Резистор 10 кОм	2
Стабилитрон 4,7 В	1
Тумблер	2

Задание и методические указания

1. Предварительное домашнее задание:

а) изучить тему курса «Цифровые интегральные микросхемы», содержание данной работы и быть готовым ответить на все контрольные вопросы;

б) построить временные диаграммы работы для логического элемента 2И-НЕ при заданной последовательности импульсов.

2. Исследование логического элемента 2И-НЕ;

а) собрать схему согласно Рис. 1; в качестве вольтметра использовать мультиметр;

Рисунок 1

б) проверить логику работы элемента 2И-НЕ. На входы элемента через резисторы R1 и R2 подается + 5В (единица). При включении тумблеров SA1 и SA2 на входы подаются нули. Задавая различные комбинации входных логических сигналов занести результаты в табл. 1. Выходной сигнал контролируется мультиметром;

Таблица 1

Uвх1	Uвх2	Uвых
0	0
1	0
0	1
1	1

 

        

в) проверить работу логического элемента 2И-НЕ, подавая прямоугольное напряжение частотой 10 кГц на вход 1 и постоянное напряжение (5 или 0 В) на вход 2 элемента с помощью тумблера SA1. Для контроля вида входных и выходных сигналов к соответствующим гнездам подключать двухканальный осциллограф (Рис 2). Зарисовать осциллограммы входных и выходных сигналов. На основе осциллограмм составить таблицу истинности элемента 2И-НЕ.

Рисунок 2

г) снять передаточную характеристику логического элемента 2И-НЕ. Собрать схему согласно Рис. 3. Изменяя напряжение на входе, контролировать напряжение на выходе. Измерения производить повышая входное напряжение от 0 до максимального, а затем снижая его до 0. Построить передаточную характеристику. Определить уровни ; ; ; ; определить статическую помехоустойчивость ; ;

Рис 3

д) снять передаточную характеристику логического элемента 2И-НЕ на переменном токе в соответствии с Рис. 3. Определить параметры микросхемы аналогично г.

Рисунок 4

2. Исследование RS- триггера с инверсным управлением:

а) собрать схему согласно Рис. 5;

б) задать различные комбинации входных логических сигналов на входах R и S с помощью тумблеров SA1 и SA2; составить таблицу переключений триггера. Результаты занести в Табл. 2.

Таблица 2

0	1	1
1	1	1
1	0	1
1	1	0
0	1	0
1	1	0

Примечания:

1) Индекс t соответствует настоящему состоянию триггера, t-1– предыдущему.

2) В состояние  триггер переводить, подавая соответствующие логические сигналы на входы S и R.

3) Комбинация входных сигналов R=S=0 считается запрещенной. Подумайте почему. Выполнить эту комбинацию сигналов.

4) составить таблицу переключений RS – триггера.

Рисунок 5

Содержание отчета:

Отчет по работе должен содержать:

а) наименование и цель работы;

б пользуясь принципиальными схемами, приведенными в руководстве начертить схемы соединений для проведения экспериментов, перечисленных в лабораторной работе;

в) таблицы состояний и временные диаграммы входных и выходных напряжений;

г) построенные характеристики;

д) обработанные осциллограммы;

е) выводы по работе.

 

Контрольные вопросы:

1. Чем отличаются последовательные схемы от комбинационных?

2. Какие операции выполняет логический элемент 2И-НЕ?

3. Что такое передаточная характеристика логического элемента?

4. Как выглядят передаточные характеристика элементов И-НЕ?

5. Составьте таблицу истинности и нарисуйте схемное обозначение трехвходовых логических элементов И-НЕ.