1.1. ВВЕДШИЕ В ПРОБЛЕМАТИКУ ЦИФРОВЫХ СХЕМ

Сигналы, используемые для передачи, обработки и оценки информации в электронных системах, могут иметь самый разнообразный характер, который, однако, очень важен с точки зрения точности информации. В крайних случаях это или непрерывные сигналы, имеющие непрерывнопеременный характер (так называемые аналоговые сигналы), или сигналы, величина которых меняется скачком между двумя уровнями (так называемые двоичные сигналы, так как каждому уровню может соответствовать одна из цифр, 1 или О, двоичной системы счисления) .

Основным свойством аналоговых сигналов является относительная точность, потому что любое их искажение сопровождается определенной потерей информации, которую они передают. Для того чтобы аналоговые сигналы могли быть обработаны цифровыми схемами, они должны быть прежде всего квантованы, т. е. преобразованы в цифровые сигналы. Под цифровым сигналом здесь подразумевается цифровое изображение информации с помощью значительного числа элементарных двоичных сигналов. Основным свойством этих сигналов является абсолютная точность, так как даже при значительных искажениях не происходит потери информации, пока имеется возможность надежно различать оба дисиретных уровня сигнала. Следующим преимуществом двоичных сигналов является возможность непосредственной их обработки в логических схемах и произвольно длинной записи в соответствующих запоминающих устройствах.

Отдельным дискретным уровням двоичного сигнала в рабочих условиях могут соответствовать различные значения напряжения или тока, например нулевое напряжение и большое положительное напряжение, отрицательное и положительное напряжения и т. п. Цяфревые схемы должны различать на своих входах отдельные дискретные уровни и на каждый входной уровень должны реагировать соответствующим уровнем на выходе. Это кажущееся простым требование усложняется, как только будут приняты во внимание разбросы параметров пассивных и активных элементов схем, неоостояяство напряжений питания и искажение дискретных уровней нежелательными сигналами различного характера. Поэтому при обработке цифровой информации нельзя рассматривать только точно определенные ном(нальные дискретные уровни двоичного сигнала, а нужно учитывать допуски отдельных дискретных уровней. Чем больше допуск, тем большее искажение двоичных сигналов допустимо, однако одновременно возрастают требования, предъявляемые к точности функционирования цепей, где допуски, наоборот, должны уменьшаться, так как только в этом случае будет обеспечена надежная оценка отдельных дискретных уровней.

Системы, в которых информация обрабатывается преимущественно в цифровой форме, называются цифровыми системами. Это могут быть вычислительные машины различных типов и емкости, системы передачи данных, системы и устройства дальней связи, промьш1ленные системы контроля и т. п. Одной из характерных особенностей этих систем является ислользование большого числа уазовых схем, выполняющих такие функции, которые при обработке цифровой

информации очень часто повторяются. Например, часто производятся выбор уровня выходного двоичного сигнала в зависимости от уровня одного или большего числа входных двоичных сигналов, запоминание двоичных сигналов, восстановление их уровня, усиление их по мвщности и т. п. Наиболее важными и распространенными являются схемы, обрабатывающие цифровую информацию на основе логического принципа, заключающегося в том, что логическое утверждение может быть только истинным или ложным. Любое другое утверждение не допускается, поэтому ясно, что здесь может быть использована цифровая форма.

Обычно истинному утверждению соответствует двоичная 1, а ложному двоичный 0. Цифровое выражение этих утверждений позволяет производить их алгебраический анализ на основе принципов логической алгебры и является основой проектирования логических схем, в которых цифровые сигналы обрабатываются как сигналы логические. Логические функции любой сложности могут быть реализованы с помощью базовых схем логического сложения, умножения и отрицания. Однако в зависимости от характера системы могут использоваться и комплексные функциональные блоки, например счетчики, регистры, сумматоры, запоминающие устройства и т. п. Все эти схемы, а также схемы, реализующие реже встречающиеся специальные функции, могут быть выполнены на дискретных элементах или как интегральные схемы, которые представляют собой компактный, неразъемный функциональный блок.

В схемах на дискретных элементах каждый отдельный элемент, например транзистор, диод или резистор, представляет собой неделимую, обладающую определенными свойствами единицу, которая в случае выхода из строя может быть заменена другой. Миниатюрные дискретные элементы позволяют составлять из основных схем требуемые функциональные блоки, которые могут быть использованы и в сравнительно сложных и больших цифровых системах. Но если число дискретных элементов достигает цифры порядка Ю*, то возникают проблемы экономичности и надежности. Независимо от количества дискретных элементов во многих случаях критическим моментом являются их размеры, которые уже не могут быть уменьшены, а также высокие скорости переключения. Решить эти вопросы позволяет техника интегральных схем.

В отличие от схемы на дискретных элементах, интегральная схема является неразъемным блоком, который в случае повреждения должен быть заменен целиком. В зависимости от способа производства интегральные схемы делятся на интегральные схемы на тонких и толстых пленках, на монолитные и гибридные (смешанные).

Тонкие или толстые пленки используются для создания пассивных элементов с помощью нанесения более или менее проводящих материалов на изолирующую стеклянную, керамическую или другую пластину. Такая технология позволяет получить резисторы с сопротивлением от нескольких миллиом до нескольких мегом и конденсаторы с емкостью от одной до нескольких сотен пико-фарад с очень маленьким разбросом параметров, с хорошей температурной стабильностью и, в зависимости от требований, с положительным или отрицательным температурным коэффициентом. Следующим преимуществом является хорошая изоляция между отдельными элементами с небольшими паразитными емкостями.

В монолитных интегральных схемах имеются как пассивные, так и активные элементы. В одной кремниевой пластинке одинаковым технологическим процессом создаются транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы, которые изолированы друг от друга и имеют на поверхности защитный изоляционный слой. Этот слой защищает элементы интегральной схемы от воздействия окружающей среды и, кроме того, служит основанием для тонкослойных металлизированных соединений между отдельными элементами. Технология монолитных интегральных схем имеет целый ряд достоинств. Она позволяет на основе совершенно новых принципов создавать схемы с очень выгодными свойствами, максимально уменьшать размеры схемы, увеличить быстродействие и надежность.

Минимальные габариты важны и с точки зрения экономичности производства, поэтому схема должна занимать на кремниевой пластинке как можно меньшую площадь. Так как площадь, занимаемая транзистором, меньше площади.

необходимом для резистора и конденсатора, то при проектировании полупро-еодаиковыГ интегральных схем предпочтение отдается транзисторам. Противоположная тенденция наблюдается в схемах на дискретных элементах, где в целях экономии число используемых транзисторов снижается до минимума. Даль- яейшее уменьшение занимаемой площади и числа металлизированных соединений обеспечивают различные специальные системы тра.нзисторов и диодов, кото-оые MorvT быть созданы в одной изолированной области интегральной схемы. Это например транзисторы с общей коллекторной областью для большего числа баз транзисторы с о1бщей бавой для большопо числа эМ1ИТте)ров или коллекторов системы диодов, которые, в принципе, представляют собой комбинации интегральных элементов и интегральных внутренних соединений.

Эти возможности в значительной мере способствовали созданию совершенно новых схем, для которых характерно большое число активных элементов и минимальное число пассивных. Незначительные размеры позволяют увеличить быстродействие при минимальной мощности потерь.

Типичной особенностью монолитных интегральных схем, которая не имеет аналогии в схемах на дискретных элементах, является возможность возникновения различных паразитных влияний вследствие несовершенства изоляции интегральных элементов. Это могут быть различные распределенные емкости, не-ж>елательные паразитные диоды, паразитные транзисторы типов р-п-р, п-р-п и даже элементы типов р-п-р-п, п-р-п-р. Поэтому монолитная интегральная схема должна быть построена так, чтобы паразитные элементы по возможности не возникали, а если этого нельзя избежать, их влияние на работу схемы должно быть минимальным.

На одной кремниевой пластинке может быть создано несколько схем, не зависящих друг от друга или соединенных таким образом, чтобы они составляли схему, выполняющую более сложные функции, чем базовые схемы. Эта пластинка обозначается как электронный интегральный элемент. В зависимости от степени интеграции такие элементы делятся на три группы. Первую группу с небольшой степенью интеграции характеризуют схемы на уровне основных цепей. В зависимости от сложности на одной пластинке размещается одна схема или несколько простых одинаковых схем, максимум десять. Вторую группу со средней степенью интеграции характеризует большее число схем, 10-100, которые соединяются между собой таким образом, что составляют функциональную схему иа уровне субоистем, например двоичные счетчики, сдвиговые регистры, сумматоры и т. п. Третью группу с высокой степенью интеграции составляют функциональные схемы на уровне систем с числом основных схем, иревышающим 100.

Монолитные интегральные схемы и схемы на тонких и толстых пленках могут хорошо дополнять друг друга. Например, на .изолированной поверхности монолитных интегральных схем с помощью пленочной технологии могут быть созданы пассивные элементы. И наоборот, на изолированной поверхности интегральных схем на тонких или толстых пленках могут монтироваться монолитные интегральные схемы. Естественно, что такие комбинации требуют дополнительных затрат, связанных с дополнительными производственными процессами, однако они позволяют оптимизировать схемы.

Гибридные интегральные схемы представляют собой разнообразные комбинации монолитных интегральных схем, интегральных схем на тонких и толстых пленках, пассивных и активных дискретных элементов, размещенных и соеди-иенных между собой на изолирующем основании. Техника гибридных схем очень гибкая, она обеспечивает интеграцию самых разнообразных схем и реализацию специальных требований, которые связаны, например, с .исключением взаимных паразитных влияний между критическими частями схемы, с большой мощностью потерь активных элементов, с маленьким разбросом параметров пассивных элементов и т. п.

1-2. ОСНОВНЫЕ ЦИФРОВЫЕ СХЕМЫ

Цифровые схемы состоят из пассивных и активных элементов, соединенных Между собой таким образом, чтобы полученная схема выполняла требуемые Функции. Пассивные цифровые схемы, например логические схемы и матрицы