Б Б К 32.852 А46 УД К 621,3,049.77 г-«^ Алексенко А. Г., Шагурин А46 Микросхемотехника пособие для в,узов / Под ред. И. П. Степаненко- ~ М.: Радио и связь, 1982.—416c., ил, - В пер.: 1 р. 20 к. Рассмотрены основы схемотехнического проектирования цифровых - и аналоговых микросхем и микроэлектронных устройств. Обсуждаются вопро- росы разработки схемных и структурных решений для аналоговых и цифровых устройств и характерные варианты их аппаратурного исполь- зования. Книга является продолжением учебного пособия «Основы микро- электроники» (М.: Сов. радио. 1980). написанного проф./И. П. Степапенко), Для студентов радиотехнических и радиофизических специальностей вузов. Может быть полезна широкому кругу специалистов, связанных с созданием радиоэлектронной аппаратуры на интегральных микро- схемах. 2403000000—089 " 046(01)—82 49—82 ББК 32.852 6Ф0.32 РЕЦЕНЗЕНТЫ: КАФЕДРА МОСКОВСКОГО АВИАЦИОННОГО ИНСТИТУТА, (ЗАВ, КАФЕДРОЙ Д-Р ТЕХН. НАУК ПРОФ. И. С. ГОНОРОВСКИИ); Д-Р ТЕХН. НАУК ПРОФ. С. Я. ШАЦ. Редакция литературы по электронной технике Издательство «Радио и связь,, 1982 Предисловие Создание новых типов интегральных микросхем, являющихся ос- новной элементной базой современной РЭА различного назначения, тре- бует от разработчиков хорошего знания физических, конструктивно- технологических и схемотехнических аспектов микроэлектроники. Для подготовки специалистов, обучающихся по специальностям 0604, 0629, 0648, 0701, 0705 и ряду других, издательство «Радио и связь» выпускает ряд учебных пособий. В настоящем учебном пособии описываются типовые схемотехни- ческие решения, используемые в современных цифровых и аналоговых микросхемах, излагаются методы их проектирования. При этом пред- полагается, что читатель знаком с основами физики, технологии и схемотехники микросхем в объеме первого учебного пособия проф. |И. П. Степаненко | «Основы микроэлектроники» (М.: Сов; радио, 1980). Вопросы конструктивно-технологической реализации разрабо- танных схем в интегральном виде рассматриваются в третьем учебном пособии авторов А. С. Березина, О. Р. Мочалкиной «Технология 'и конструирование интегральных микросхем», которое предполагается выпустить издательством «Радио и связь» в 1983 г. Для схемотехники интегральных микросхем, называемой микро- схемотехникой (или интегральной схемотехникой), характерно исполь- зование схемных решений, обеспечивающих наилучшие характеристи- ки в интегральном исполнении. Типичные решения, наиболее широко применяемые в современных микросхемах, рассматриваются в настоя- щем учебном пособии. Повышение степени интеграции микросхем потребовало введения дополнительной стадии структурного проектирования, в результате которого получается общая структура разрабатываемой микросхемы • в виде соединения логических элементов или аналоговых каскадов. На базе полученной структуры при выполнении последующей стадии схемного проектирования разрабатывается электрическая схема в виде соединения компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и др.). Монографии*, посвященные этой тематике, содержали описание готовых решений без изложения методов их разработки и ограничива- лись либо изложением, методов структурного проектирования, либо *А л е к с е н к о А. Г. Основы микросх-емотехники, 1977; Б у д и в с- к и и Я. Логические цепи в цифрововй технике, 1977; Вукреев И; Н;, Мансуров Б. М., Горячев В. И. Микроэлектронные схемы цифровых устройств, 1975; Наумов Ю. Е. Интегральные логические схемы, 1970; Гребен А. Б. Проектирование аналоговых интегральных схем, 1976; Ш и л о В. Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре, 1979. анализом простейших вариантов схем. .Ас-горы настоящего учебного пособия использовали системный подход в изложении материала, рае. смотрев весь комплекс необходимых методов схемного и структурного проектирования, на примере основных схемотехнических решений, ис- пользуемых в современных микросхемах. Следует отметить, что в процессе развития микроэлектроники все более сложные электронные устройства реализуются в виде БИС. Круп- ные узлы и блоки вычислительных машин, систем управления «.другой; РЭА, которые всего несколько лет назад создавались на микросхемах! малой и средней степени интеграции, теперь выпускаются в виде ВИС | ц _сверхБИС. Методы проектирования таких сложнофункциональяыд | микросхем можно использовать для разработки устройств аналогично-1 го назначения на микросхемах малой степени интеграции. Таким об- разом, многие методы проектирования и структурные решения, описан- ные в данном учебном пособии, применимы для разработки как микро- схем, так и РЭА. : Основой настоящего пособия послужили лекции по курсу «Микро- схемотехника», читаемые авторами в течение многих лет студентам'Мос- ковского инженерно-физического института и специалистам промыш- ленности. Кроме курса «Микросхемотехника» или «Интегральная схе- мртехника» вопросы схемотехнического проектирования микросхем ..рассматриваются в.курсах «Микроэлектроника», «Основы микросхемо- техники», «Анализ и расчет интегральных схем» и др., включенных в учебные планы ряда специальностей. Авторы надеются, что предлагае- мое учебное пособие будет полезно для освоения студентами материала -этих курсов. По мнению авторов, содержание данного пособия может служить основой для унификации программ схемотехнической подго- товки специалистов в области микроэлектроники. Введение курса «Микросхемотехника» в учебные планы всех кафедр, выпускающих :тя- ких специалистов, несомненно, обеспечило бы единообразие и широкий профиль их подготовки. Предлагаемое учебное пособие в первую очередь рассчитано на сту- дентов, специализирующихся по микроэлектронике в рамках специаль- ностей 0604, 0629, 0648, 0701, 0705 и др., а также на инженеров, по- вышающих свою квалификацию в этой области. Оно будет полезно специалистам по вычислительной технике, автоматике, радиотехнике, измерительной технике и др., связанным с разработкой электронной аппаратуры на основе интегральных микросхем. Главы 1 — 8 написаны докт. техн. наук И. И. Шагуриным, гл. 9—1-2 — докт. техн. наук А. Г. Алексенко, предисловие, введение — совместно обоими авторами. Авторы благодарны за обсуждение и ценные замечания, способст- вовавшие улучшению содержания пособия, его редактору профессору |И. П. Степаненко), рецензентам профессорам С. Я. Шацу, В. Н. Ду- лину и Наумову Ю. Е., а также сотрудникам кафедры микро- электроники МИФИ за помощь в работе и оформлении рукописи. Введение 1:. "• ' ~ • • Микроэлектроника является одной из наиболее быстро развиваю- Вр«гся областей науки и техники. Непрерывно улучшаются техничес- кие'характеристики и расширяются функциональные возможности мик- роэлектронных изделий — интегральных микросхем. Совершенствова- ние'интегральных микросхем будет продолжаться, хотя темпы этого процесса будут постепенно замедляться по мере приближения парамет- ров"микросхем к предельным значениям, определяемым принципиаль- ными физическими ограничениями. Совершенствование микросхем до- стигается благодаря прогрессу во всех трех основных разделах микро- электроники — физике, технологии и схемотехнике. ""Настоящее учебное пособие посвящено схемотехническому разделу микроэлектроники — микросхемотехнике. '"' 'Микросхемотехника (интегральная схемотехника) — раздел микро- электроники, охватывающий исследования и разработку схемотехни- ческих решений (электрических и структурных схем), используемых в интегральных микросхемах и в радиоэлектронной аппаратуре 'на их оснбйе. ' -Современные интегральные микросхемы являются достаточно слож- ными электронными устройствами, поэтому используются два уровня их''схемотехнического представления. Первый, наиболее детальный уровень, — это электрическая схема, представляющая собой соединение отдельных компонентов*: транзисторов, диодов, резисторов и др. Вто- рой; 'более общий уровень, —это структурная схема, представляю- щая собой соединение отдельных логических элементов и триггеров (для -цифровых микросхем) или аналоговых каскадов (для аналоговых Микросхем). Эти элементы и каскады выполняют элементарные логи- ческие (И — НЕ, ИЛИ — НЕ и др.) или аналоговые (усиление, фильт- рациями др.) операции, с помощью которых можно реализовать любую Цифровую, аналого-цифровую или аналоговую функцию. Они имеют-от- носйтельно простую электрическую схему, которая обычно содержит не более десяти—двадцати компонентов. . •• ^Следует отметить, то компоненты, входящие в состав ИС, принято назы-' вать элементами микросхемы [I]. Однако применение этого термина при опидании цифровых ИС вызывает появление стилистических погрешно- стей'(«Элемент логического элемента») и может привести к ошибкам в восприя- тии" Материала из-за путаницы в понятиях «логический элемент» (обычно назы- вают просто «элемент») и «элемент микросхемы» (обычно также просто «элемент»). Например, определение «элемент транзисторно-транзисторной логики» можно noHWb' либо как логический элемент данного типа, либо как отдельный компонент этого .элемента. Поэтому для ясности изложения в настоящем учебном пособии •Определение «компонент микросхемы» используется как синоним слова «интег-, Ральный элемент»; Если более высокий уровень используется для представления сложно-фун'. инональных БИС и СБИС (микропроцессоров, микро-ЭВМ, аналого-цифровы< и цифроаналоговых преобразователей и др.). Их структура представляется в ви- де соединения узлов и;блоков, содержащих сотни и тысячи компонентов. Такие «крупноблочные» структурные схемы называют архитектурными (или просто ар- хитектурой). Классификация интегральных микросхем. По схемотехническим признакам микросхемы делятся на ряд классов. Основной функцией, выполняемой интегральными микросхемами, является обработка (преобразование) информации, заданной в виде электрического сигнала: напряжения или тока. Электрические сигна- лы могут представлять информацию в непрерывной (аналоговой) или дискретной (цифровой) форме. Микросхемы, выполняющие обработку этой информации называются соответственно аналоговыми или цифро- выми. По типу основного активного компонента, различаются биполярные микросхемы (на биполярных транзисторах) и М ЦП-микросхемы (на МДП-транзисторах). Микросхемы, содержащие на одном кристалле биполярные и МДП-транзисторы, используются редко. Важным параметром, определяющим уровень сложности интеграль- ных микросхем, является степень компонентной интеграции, кото- рая количественно характеризуется величиной Кц == log Л^ци, где Л^.ои — общее число компонентов, расположенных на кристал- ле микросхемы. Величина А"ц определяет главным, образом уровень технологической сложности микросхемы. Для определения функцио- . нальной сложности цифровых микросхем используется степень функ- циональной интеграции ^==)og Л'зл, где Л^эд—общее число логиче- ских элементов, входящих в микросхему. По величине Кф цифровые микросхемы подразделяются на малые (ИС, Кф ^ 1), средние (СИС, /Сф<2); большие (БИС, Кф < 3) и сверхбольшие (СБИС, Кф > 3) интег- ральные схемы. Эта классификация часто распространяется и на анало- говые микросхемы, используя параметр К к вместо Кф. Этапы проектирования интегральных микросхем. Важнейшей зада- чей, решаемой с помощью методов и средств микросхемотехники, явля- ется схемотехническая разработка новых типов интегральных микро- схем. Рассмотрим последовательность этапов проектирования микро- схем (рис. B.I), чтобы определить задачи микросхемотехники на каж- дом из этапов. Исходное техническое задание на проектирование микросхемы со- держит описание функций, которые она должна выполнять в аппарату- ре, и требования к ее основным параметрам (мощность, быстродействие и др.). В современной микросхемотехнике используется ряд разработан- ных вариантов схем логических элементов и аналоговых каскадов, осно- вные типы которых описаны в [11] и более подробно анализируются в настоящем пособии. Поэтому при схемотехническом проектировании микросхемы обычно производится выбор элементной базы из числа уже разработанных вариантов схем логических элементов или аналоговых каскадов. Продолжается и разработка новых вариантов этих элемен- fi тов и каскадов, которые имеют преимущества по отдельным парамет- рам по сравнению с ранее предложенными схемами. Стадия структурного проектирования микросхем * состоит из структурного синтеза, в ходе которого на той или иной элементной ба- зе создается структурная схема, которая обеспечивает выполнение функций, определенных техническим заданием, и структурного ана- Г Техническое задание "-гЕ 1§&?'& |§-§еИ§§•"g |11г йлйд ui1 Sia'a а:с*Sx о»tU ^t.se& -siSS й§- 8 8i5 а E'g,^У •t Структуный синтез * •<—- Cfnp^myptiiini анализ '-<:^о— Bbifap йяи/здйятад) эпетнтнт Saw Схемный синтез —>-——^ ,. Расчет злентрическич характеристик пяраме/при'/есн11и • anmui"iu3ilu,im ^——-^ЯЮ?'"——--—^^^-^JUWijSlil'nji^^^ Sbilsy {fvwSomKa.} faJaSau гпешолагии PaJpaoainxa типапогии. t Расчет физический стпиктиаы Ра счет{уточнение! рамппрои кагл-птетпаЯ *' па —————»—————— Разработка конcmi]'унции * ПадгатоИла иакименталии [ Изготовление апытньи afpcisi^aS Рис. B.I. Этапы проектирования микросхем лиэа, в процессе которого проверяется правильность функциониро- вания синтезированной структуры при различных рабочих условиях и. производится приближенная сравнительная оценка ее основных пара- метров. Обычно при проектировании микросхем создается несколько структурных вариантов. Поэтому на основании результатов сравнения их параметров производится выбор одного или нескольких наилучших вариантов. Если же полученные варианты не удовлетворяют требова- *Для ИС малой степени интеграции, представляющих собой отдельные логи- ческие элементы или аналоговые каскады, структурное проектирование, естест- венно, не требуется; миям технического задания, то выполняется синтез новых структур- ных вариантов. Для выбранных структурных вариантов производится схемное про- екпшрование, в результате которого получается электрическая схема разрабатываемой ИС. Эта стадия проектирования состоит из этапов схемного синтеза, в ходе которого получается электрическая схема, со- ответствующая выбранному варианту структуры, и электрического .анализа полученной схемы, в результате которого определяются ее ос- новные электрические параметры. При анализе обычно выполняется также параметрическая оптимизация схемы, т. е. определение значений параметров компонентов, при которых обеспечиваются 'наилучшие электрические параметры проектируемой микросхемы. В процессе схемного проектирования обычно разрабатывается нескольковариан- тов электрических схем, которые отличаются структурой, элементной. 'базой, и соответственно значениями основных параметров. Поэтому по результатам анализа и сравнения разработанных вариантов электри- ческих схем выбирается один из них, наилучшим образом удовлетво- ряющий требованиям технического задания. Таким образом, структурное и схемное проектирование являются двумя основными стадиями процесса схемотехнического проектирова- ния (микросхем). Методы разработки структурных и электрических схем, их типовые варианты, наиболее широко используемые в совре- менных микросхемах, и являются предметом изучения в настоящем учебном пособии. Последующая стадия конструкторско-технологического проектиро- вания включает этапы выбора или разработки технологического про- цесса для изготовления микросхемы, разработки ее топологии в соот- ветствии с полученной электрической схемой, анализ полученной то- пологии с целью проверки ее правильности и получения рисунков от- дельных фотошаблонов, и расчет физической структуры компонентов микросхемы (концентраций примесей, размеров диффузионных слоев и др.). Вопросы конструкторско-технологического проектирования раз- личных типов интегральных микросхем и конкретные примеры их топо- логии и физических структур рассматриваются в намеченном к выпус- ку в изд-ве «Радио и связь» пособии А. С. Березина, О. Р. Мочалкиной. Необходимо отметить, что топология и физическая структура ком- понентов определяют значения их параметров. Поэтому после конструк- торско-технологического проектирования микросхемы требуется произ- вести расчет параметров ее компонентов и с учетом полученных данных повторить электрический анализ схемы с целью уточнения ее харак- теристик. Если окажется, что электрические характеристики и пара- метры микросхемы, рассчитанные с учетом ее физической структуры и топологии, не удовлетворяют требованиям технического задания, то необходимо либо изменение структурной или электрической схемы, ли- бо изменение топологии или физической структуры микросхемы. Специфика микросхемотехники. Развитие микросхемотехники на- чалось одновременно с возникновением микроэлектроники, которая потребовала разработки новых схемных решений, учитывающих спе- цифические особенности микросхем. Эти особенности обусловлены р. :'йн'тегралыюИ технологией изготовления, которая накладывает опреде- ленные ограничения на параметры компонентов и в то же время- етары- -fc'aeT новые возможности их использования. Характерными особенно- ---стями современных ИС являются: ограниченный диапазон используемых 'сопротивлений (до десятков килоом) и емкостей (до десятков пикофа- -рад); использование в схемах значительного, часто избыточногочис- -Латранзисторов, если при этом достигается улучшение основных пара- ' ветров; физическое совмещение (интеграция) полупроводниковых об- ластей отдельных компонентов для реализаци новых типов компонен- тов и схем. '^Перечисленные особенности оказались настолько существенными, чти'привели к значительному изменению схемных решений, применя- емых в цифровой и аналоговой технике. Используемые в современных Микросхемах схемные варианты логических элементов (ТТЛ, И2^, ' ЭСП, МДПТЛ и др.) и аналоговых каскадов (дифференциальные каска- "^ы с активными нагрузками, схемы сдвига уровня и др.) разработаны 'в'60—70-е годы и весьма сильно отличаются от схемных решений, ис- пользовавшихся в дискретной транзисторной электронике, отсутствием " 'высокоомных резисторов и конденсаторов, использованием интеграль- "йьТх компонентов и большого числа транзисторов. ..^Разработан также целый ряд новых структурных решений,. На- пример, программируемые логические матрицы, широко использ.уе- мые в цифровых БИС и СБИС, аналоговые компараторы и перемножи- тели имеют структуры, которые не использовались в дискретнойсхемо- технике,: так как для их реализации' требуется избыточное чи,сло транзисторов. ' . ,-, •Таким образом, микросхемотехника является в настоящее время самостоятельной ветвью схемотехники, в которой используются, ори- гинальные схемные и структурные решения, эффективно использующие . сяецифические особенности интегральных'микросхем с целью улучше- ния их основных характеристик. : i' Использование ЭВМ как инструмента микросхемотехники. Харак- терной особенностью микросхемотехники является широкое использо- вание ЭВМ на ряде этапов проектирования микросхем. Необходимое! ь применения ЭВМ обусловлена ограниченными возможностями экспг- р.иментального моделирования интегральных микросхем с 1йменени<:'м различных параметров их компонентов. Ведь для получения экспери- ментальных образцов микросхем необходимо выполнять весь трудоем- кий и дорогостоящий процесс проектирования н изготовления, который занимает несколько месяцев. Поэтому экспериментальное моделирова- ние обычно заменяют «машинным» моделированием, анализируя влия- ние различных факторов на параметры микросхем с помощью их мате- матических моделей, расчет которых производится на ЭВМ. В настоя- щее время наиболее эффективно выполняются с помощью ЭВМ этапы структурного анализа, электрического анализа и параметрической оптимизации (рис. В. 1). Используемые при этом методы достаточно под- 'робио описаны в [14, 15] и др., поэтому их нет необходимости расскш- -ривать в настоящем пособии. Ведется также разработка формальных методов и алгоритмов для выполнения с помощыо. ЭВМ этапов структурного синтеза и разработ- ки электрической схема:. Однако пока эти этапы выполняются в основ- ном разработчиками-схемотехниками. Таким образом, в настоящее время слециалисты-схемотехники выполняют этапы проектирования, связанные с. творческой деятельностью и требующие определенного опыта и интуиции. Это этапы выбора или разработки элементной базы синтеза структурной и электрической схемы, сравнительной оценки и отбора синтезированных вариантов. При этом разработчик произво- дит как качественные, так и приближенные количественные оценки параметров полученных схем. Методы получения таких оценок приво- дятся в настоящем пособии. Подробный же анализ и параметричес- кая оптимизация схем*,, отобранных по результатам приближенных расчетов, производится с по.ющью ЭВМ, для чего разработаны доста-. точно, эффективные программы. В последнее- годы все-большее применение для выполнения различных рас- четов' стали находия.тг программируемые микрокалькуляторы. Эти простейшие макро-ЭВМ пока не обладают столь широкими возможностями, как стационар- ные ЭВМ. Однако они позволяют осуществлять моделирование схем, существен- но упростить процедуру и повысить точность инженерных расчетов. Таким образом, при проектировании новых типов интегральных микросхем мжфоехемотехника решает задачу разработки схемных и структурных решений',, учитывающих и использующих специфические особенности интегральной технологии для наилучшего выполнения тре- бований технического задания. Развитие микросхемотехники и техно- логии изготовления микросхем обеспечивает как количественное улуч- шение характеристик радиоэлектронной аппаратуры, так и качествен- ное расширение, ее функциональных возможностей, стимулируя даль- нейшее внедрение микроэлектроники во все^сферы человеческой дея- тельности: производственную» управленческую, научную, культурно- бытовую. * *В настоящее время с помощью ЭВМ выполняются анализ структурных схем, содержащих до нескольких; тысяч логических элементов, анализ электри- ческих схем, содержащих до нескольких сотен компонентов, параметрическая оптимизация схем, содержащих до нескольких десятков компонентов. 10 Глава 1 Основы цифровой техники В современной науке и технике значительную и все более возрас- тающую роль играют цифровые методы обработки информации. В свя- зи с этим быстро расширяется область применения цифровых систем— технических средств, выполняющих законченный процесс обработки цифровой информации, включающий ее прием, хранение, необходи- мые преобразования и выдачу. Быстрое развитие цифровых систем началось в 40-х годах, когда бы- ли построены первые цифровые вычислительные машины на электро- механических реле, а затем на электронных лампах. Прогресе электро- ники открыл перед цифровыми системами новые возможности, вделав их незаменимым помощником человека практически во всех сферах его деятельности. Вслед за электронными вычислительными машинами (ЭВМ) 1-го поколения, построенными на электронных лампах, в 50-х годах появились ЭВМ 2-го поколения на транзисторах. Эти ЭВМ об- ладали существенно расширенными функциональными возможностя- ми, повышенными быстродействием и надежностью. Возникла самосто- ятельная отрасль науки и техники — цифровая техника, изучающая принципы построения, методы проектирования и способы технической реализации цифровых систем. При этом цифровая техника использует достижения смежных фундаментальных и прикладных наук, таких как математическая логика, кибернетика, электроника и др. Микроэлектроника дала мощный толчок для дальнейшего развития цифровой техники. Интегральные микросхемы стали технической базой современных электронных цифровых систем, в том числе ЭВМ 3-го по- коления, разработанных в 60—70 годах. Развитие технологии, обеспе- чивая непрерывное повышение степени интеграции микросхем, позво- лило создавать на одном кристалле полупроводника цифровые устрой- ства, по своей сложности и выполняемым функциям превосходящие ЭВМ, изготавливавшиеся ранее на дискретных компонентах. Такие ми- кросхемы, называемые большими и сверхбольшими интегральными схемами (БИС и СБИС), являются базой для создания ЭВМ 4-го поко- ления, разработка которых началась в конце 70-х годов. На стыке микроэлектроники и цифровой техники возникла новая область науки и техники — цифровая микросхемотехника, предметом которой являются принципы и методы схемотехнического проектиро- вания цифровых интегральных микросхем, которое включает разра- ботку их логической структуры (структурное проектирование) и элект- 11 ричесдой схемы (схемное проектирование). Непрерывное повышение степени интеграции проектируемых микросхем, обеспечивающее реа- лизацию на одном кристалле целых цифровых систем, требует от специ- алиста -микросхемотехника не только знания основ цифровой техники, но и освоения таких ее разделов, как архитектура цифровых систем, микропрограммирование и др. , ; : : Цифровые интегральные микросхемы выполняют в цифровых систе- .мах функции приема, хранения, преобразования (обработки) и выдачи „информации. Преобразование информации, представленной в цифровой ,;форме, осуществляется путем выполнения определенной последователь- .: нрсти арифметических и логических операций. В этой главе приводится ,,основные арифметические и логические операции, выполняемые микро- .,схемами, описывается структура цифровых систем, а также опре4&дя- ;ется .набор основных параметров, характеризующих элементы и узлы .систем, реализуемые в виде интегральных микросхем. § 1.1. Представление чисел и выполнение арифметических операций ' "1 ' . ^ . - . !••••, ...При выполнении различных операций в современных цифровых сис- темах числа обычно представляются в двоичной системе счисления, .основанием которой является число 2. При этом целое k -разрядное десятичное число Лю записывается в виде га-разрядного двоичного, чис- ла. АЧ: >о=^ а,(10')=Л,=^' а, (21). (=0 —— (1.1) где а, == О, 1, .... 9—цифра в t-м разряде десятичного числа; а, '== О или Т — цифра в /-м разряде двоичного числа. Введением отрицатель- ных степеней числа 2 представляются дробные числа. '' " 'Таким образом, в двоичном счислении любое число можно предста- вить двумя цифрами: Он 1. Для представления этих чисел в цифровых 'системах достаточно иметь электронные схемы, которые могут прини- матиэ два состояния, четко различающиеся значением какой-либо элект- рической величины — напряжения или тока. Одному из значений этой величины соответствует цифра 0, другому — 1. Относительная просто- та создания электронных схем с двумя электрическими состояниями и 'привела к тому, что двоичное представление чисел доминирует в Совре- менной цифровой технике. • . '• '• ''"Цифровые системы оперируют действительными, целыми идробными ' числами, которые могут иметь две формы представления: с плавающей •запятой, с фиксированной запятой. '• • ' При использовании плавающей запятой число состоит из двух .час- тей: мантиссы (т), содержащей значащие цифры числа, и порядка (р), показывающего степень, в которую надо возвести основание счисления (q), чтобы полученное при этом число, умноженное на мантиссу, давало истинное значение представляемого числа: 12 Обычно число дается в нормализованном виде, когда его мантисса яв- ляется правильной дробью, причем первая значащая цифра (единица) следует непосредственно после запятой: например, Лд = 0,l0l0•'2u= = 10, 10, где т = 0,1010; р = 10; q = 2. При использовании фиксированной запятой число представляется в виде единого целого, причем положение запятой в используемой раз- рядной сетке жестко фиксировано. Обычно числа с фиксированной за- пятой даются в виде правильной дроби. Для этого все числа умножа- ют на масштабный коэффициент, чтобы перевести их в правильную дробь. Цифровые системы, использующие числа с плавающей запятой, сложнее, чем использующие числа с фиксированной запятой, так как при этом требуется выполнение операций как над мантиссами, так и над порядками. Однако диапазон представляемых чисел при одинаковом числе разрядов в системах с плавающей запятой значительно больше. Для представления знака числа используется дополнительный зна- ковый разряд г, который обычно располагается перед числовыми раз- рядами. Для положительных чисел значение знакового разряда г ==0, для отрицательных чисел г = 1. Для чисел с плавающей запятой вво- дятся'отдельные знаковые разряды для мантиссы и для порядка чисел. 'Арифметические операции над двоичными числами могут произво- дить'ся' по тем же правилам, что и над десятичными. Однако с целью упрощения-цифровых систем для выполнения сложения, умножения, деления обычно применяются алгоритмы, не используемые в обычной десятичной арифметике, Операцию вычитания в цифровых системах реализуют с помощью операции сложения, представляя вычитаемое в одном из специальных кодов. Одной из разновидностей таких кодов является обратный кед* числа "А г, который получается заменой всех 0 в числе на 1 и наоборот (табл. 1.1). Ели представить вычитаемое, включая его знаковый раз- ряд, в обратном коде, то можно получить разность путем арифметичес- кого сложения уменьшаемого (в обычном двоичном коде) и вычитае- мого (в обратном коде) вместе с их знаковыми .разрядами. Если в зна- ковом разряде образуется перенос, то эта 1 прибавляется к младшему разряду суммы. Такое прибавление 1 называют циклическим переносом. Знак результата определяется получившимся значением знакового разряда г. Для выполнения операций сложения и вычитания в цифровой сис- теме удобно представлять отрицательные числа в обратном коде, а по- ложительные — в обычном. Вычитание заменяется сложением с пере- водом вычитаемого в обратный код, если это число положительное, и в обычный код (т. е. перевод By, в обратный код), если число отрицатель- ное. Если результат операции получается отрицательным (Z, = 1), то он представлен в обратном коде, если положительным (Z, = 0) — в обычном двоичном коде. "Обратный код Лд двоичного числа Лд называется также дополнением до 1, так как для цифр в каждом разряде числа aj -г а^ — i. 13 Примеры) Эпак | Число 1; гд-^0 |oil00<- А^А^-=12, + _ га -» 1 (ЮН «- ба=бю=—4, (—i& to&iii '•I •<- циклический перенос, ?s-.0 j 01000<-5з=5-ю=8. Знак [ Число ^ ^-* 1 j 0,1010^-A,=Ai,,=—21, г„-1 } 10001 ^ В, =В,^ -14, + ^ 01010 - Лг, I OHIO +- В^ (перевод Вч в обратный код), гд ^ ; ; 11000 <- S2=Su) = —7. Недостатком использования обратного кода является образование циклического переноса, который приводит к повторению операции слоения, что существенно увеличивает время выполнения действий. Поэтому во многих случаях предпочтительнее использовать допол' Таблица 1.1 НаиЗолее распространенные двоичные коды чисел от 0 до 15 Деся- Форма пред-ставлечия ти:ч№ое число Двоичное счиеление- Обратный код ДополнительныйКОД- Циклический код Грея At, аэ 0; Я1 До ь. *. Si 6. <:, Ci С, С, It. ^ .d, rf. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 0 0 0 0 0о' о 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 01 1 1 10 0 001 11 0 01 10 01 10 01 10 011 0101010101 &10101 1 1 1 1 1 I 1 10 0 0 0 0 0 0 0 1 1 110 0 0 01 1 1 10 0 0 0 I0 01 10 01 10 01 10 0 101010 010 01010 с: 10 0 0 0 0 0 0 3. 01 1 1 10 0 0. 011 10 0 0 01 10 010 01 1 101 10 0101010101010101 о о о о о о о о 1 1 1 1 1 11 0 0 0 01 1 1 1 1 110 0 0 0 0 01 1 10 00 01 1 1 10 0 010 01 10 01 10 01 10 14 нательный код* числа Л г, который образуется из обратного .прибавле- нием 1 к младшему разряду (табл. 1.1). При использовании дополни- тельного кода отпадает необходимость в циклическом переносе и пере- нос, который может возникать в знаковом разряде числа, не учитыва- ется. В дополнительном коде представляются все отрицательные чис- ла. Вычитание заменяется сложением с переводом вычитаемого в допол- нительный код, если это число положительное, или переводом из допол- нительного кода в обычный, если вычитаемое отрицательное. Если зна- ковый разряд результата Zs = 1, то полученное число отрицательное и представлено в дополнительном коде. Если Zs = 0, то результат по- ложительный и представлен в обычном коде. Примеры: Знак Число 1) гл -> 0 01100 <- Ад— Л^д— 12, "+ гд-* 1 11100 <- Bs=-Bu=—4 10 01000 гд-О 01000 <- 5д =S-^=S. Знак Число 9) 2„ -. 1 01011 * - А^ =л,,в,-— — ZB- ' 10010 < i- Й2-=Й10— — 1 01011 .* - Л2> ^0 01110 * - й.д, zs-.l 11001 <• - Sa=Sjo= —7 Н, Сложение и вычитание двоичных чисел с применением дополнитель- ного кода выполняются проще и быстрее, хотя преобразование чисел в дополнительный код несколько сложнее, чем в обратный. Для выполнения умножения и деления двоичных чисел используются раз- личные методы, наиболее употребительные из которых описаны ниже. Умно- жение или деление двоичного числа на 2* == 2, 4, 8, 16 и т. д. производится пу- тем сдвига значащих цифр числа соответственно влево или вправо на k == 1, 2, 3, 4 и т. д. разрядов. Перемножение двоичных чисел чаще всего выполняется с помощью метода умножения со старших разрядов. При этом множитель Bg предварительно сдви- гается влево на Пд разрядов, где Пд — число разрядов множимого А.^ Затеи проверяется значение младшего разряда множимого Од. Если flo Е= 1, то первое частичное произведение /?i образуется путем арифметического сложения Л и В • 2 (множитель, сдвинутый на Пд разрядов) и последующего сдвига, сум- мы вправо на один разряд. При этом крайний правый разряд суммы выходит за пределы разрядной сетки и не учитывается. Если во = 1, то частичное произ- *Дополнительный код Лд числа Л^ называется также дополнением числа до 2, так как для цифр в каждом разряде числа aj -f- aj = 10 (число 2 в двоичной форме). 15 ка Ei, резистора R1 и диода Д. Диод Д включен для компенсации изме- нения напряжения между базой и эмиттером транзистора Т1 в темпе. ратурном диапазоне. Конденсатор CI является блокировочным. Транзисторы Т1 и ТЗ образуют каскодную пару, на выход которой включен колебательный контур LyCy. Делителем R2R3 задается рабо- чая точка транзистора ТЗ. Коллекторное питание осуществляется источ- ником ?'a. Цепочка R4C2 является фильтром. Транзистор Т2 исполь- зован для автоматической регулировкиусиления (АРУ). Напряжение АРУ подается на базу транзистора Т2 и изменяет ток, текущий через этот триод.» При этом эмиттерны^) ток транзистора) Т\1 не меняется., Та- кой способ 'осуществления' АРУ! позволяет добиться постоянства ввод- ного сопротивления . схемы, тем самым ликвидируется-возможность расстройки высокочастотных цепей" и" поддерживается 'йейзм^йность полосы пропускания во всем,.диапазоне; работы АРУ. 1 ,.,,f':1 Список литературы 1. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники.—М.: Сов. радио, 1980. 2. Папернов А. А. Логические основы цифровой вычислительной техники, —К.: ;Сов. радио, ;1972. ,,, , '., ' ' • 3. Поспелов Д. А. Логические методы анализа и синтеза схем.— М.: Энергия, • 1974."" li •:.,1;.-1 : •'^ ;! ' : ' "''"^ :—- -. . •.1(.1 .. , , • 1 1, ,: 4. Гаврнлов М. Д., Девятков В. Пупырев Е- И. Логическое проектирова- ние дискретных автоматов.— М.: Наука, 1977. 5. Алексенко А. Г. Основы микросхемотехники. 2-е изд. — М.; Сов. радио, 1977. 6. Будинский Я. Логические цепи в цифровой технике.— М.! Связь, 1977. 7. Букреев И. Н., Мансуров Б. М., Горячев В. И. Микроэлектрониые схемы цифровых устройств.— М.: Сов. радио, 1975. 8. Филиппов А. Г., Белкин О. С. Проектирование логических узлов ЭВМ.— -М.: Сов. радио, 1974. &. Агаханян Т. М., Плеханове. П. Интегральные триггеры устройств автома- тики.— М.: Машиностроение, 1978. 10. Шагурин И. И. Транзисторно-транзисторные логические схемы. — М.: Сов. радио, 1974. 11. Аваев Н. А., Дулин В. Н,, Наумов Ю. Е. Большие интегральные схемы о инжекционным питанием. — М.: Сов. радио, 1977. 12. Интегральные схемы на МДП-транзисторах.; Пер. с англ./Под ред. А. Н. Кар- мазинского. — М.: Мир, 1975. 13. Караханян Э. Р. Динамические элементы ЭВМ со структурой МДП.— М.; Сов. радио, 1979. 14. Анисимов Б. В., Белов Б. И., Нореиков И. П. Машинный расчет элементов ЭВМ. — М.: Высшая школа, 1976. 15. Ильин В. Н. Основы автоматизации схемотехнического проектирования.— М.: Энергия, 1S79. 16. Основы проектирования микроэлектронной аппаратуры /Под ред. Высоц- кого Б. Ф. — М.: Сов. радио, 1977. 17. Наумов Ю. Е., Аваев Н. А., Бедрековский Н. А. Помехоустойчивость уст- ройств на интегральных логических схемах. — М.: Сов. радио, 1975. 18. Валиев К. А., Орликовский А. А. Полупроводниковые интегральные схе- мы памяти на биполярных транзисторных структурах. — М.: Сов. радио, 1979. 19. Прангишвили И. В., Лементуев В. А., Сонин М. С. Элементы ЗУ на МДП структурах.— М.: Энергия, 1978. 20 Соучек Б. Микропроцессоры и микро-ЭВМ: Пер. с англ. — М.: Сов. радио, 1979. 21 Прангишвили И. В. Микропроцессоры и микро-ЭВМ.— М.: Сов. радио, 1979. 22. Алексенко А. Г. Современная микросхемотехника.— М.: Энергия, 1977 23. Алексенко А. Г., Коломбет Е. А., Стародуб Г. И. Применение прецизион- ных аналоговых ИС. — М.: Сов. радио, 1980. 24 Гребен А. Б. Проектирование аналоговых интегральных схем. — М.: Энергия, 1976. 411 Оглавление, Предисловие ....... ,.. •• ,..........,..........;. 3 Введений .. . . .,.. . . .у.^л- •: • ....... .,.. ....... .,,.« 5 Глава 1. Основы цифровой; техники . . . . ....... . . 5. • " Ч § 1 1. Представление чисел и выполнение арифметических операций;.;'.,, '12 $ 1'.й. Основы алгебры-логики и выполнение логических операций ;..... .21 $ 1.3. Структура и принципы работы цифровых систем ......... 29 § 1.4. Классификация и основные параметры цифровых микросхем . •" .' 34 Глав а,, „2,,Элементная база статических цифровых микросхем ,., • •,"^..у 42 § 2.1. Элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) . . . .;>'»'. 43 § 2.2. Элементы интегральной ин'ж'ек'ц'йоннойлогики (WJt) "'.i .•.-'а'''.61'» 63 § 2.3. Элементы эмиттернб-связанной логики (ЭСЛ) ......,:. . .'^. 70 §2.4. Логические элементы на однотипных МДП-транзисторах . .'.'.'. '81 §2.5. Логические элементы на комплементарных (дополняющих) МДП- транзисторах (КМДПТЛ) . .'.'.' ." : 1 .. ."': \':"f"; . . .'. 83 § 2.6. Элементная база и особенности структуры цифровых. БИС и СБИС 90 Глава 3., Цифровые микросхемы комбинационного типа , . ,. .. , . 96 э 3.1. Методика структурного проектирования комбинационных :узлов. .97 § 3.2. Методика схемного, проектирования цифровых микросхем^;.^. 104 § ЗЙ?. Основные типы цифровых микросхем комбинационного тид-а ••••'!. 118 $ 3.4. Схемотехническое проектирование цифровых микросхем комбинаци- !:^. одного типа . . . .....'..•... ... . . .... ..•. ^ .... . .. 135 Г л а в а 4. Интегральные статические и статико-динамическйе триггеры 150 § 4.1. СУмцая структура и классификация триггеров . .... ... . . . 150 § 4:2. Структурные варианты триггеров и методы их проектирования 156 § 4.8. Асинхронные и синхронизированные уровнем триггеры ..... 174 § 4.4. Триггеры с управляющей БЯ ................. 181 § 4.8. Триггеры с коммутирующими БЯ ............... 188 § 4..'6. Статико-динамические триггеры ................ 193 Г л- в ва 5. Последовательностные цифровые, микросхемы . ..... )99 § 5.1. Структура и методы проектирования .............. 209 § 5:2; Регистры ...... . .................... .'208 § 5^. Счетчики . . . . . . . ; . . . . . . .....-.......; W § 5.4', Генераторы чисел . . . :. . . . . . .- . ; . . . . . . .... . . '22& 412 г.^ Г л а в а 6. Динамические элементы и цифровые микросхемы на МДП-гран- зисторах . ................... 223 § 6.1. Двухфазные динамические элементы и триггеры. ......... 224 § 6.2. Четырехфазные динамические элементы и триггеры ....... 232 § 6.3. Схемотехническое проектирование цифровых микросхем на динами- ческих элементах ........................ 237 § 6.4. Схемы обслуживания. ..................... 241 Глава 7. Полупроводниковые микросхемы памяти . ....... 242 § 7.1. Классификация и основные параметры микросхем памяти . . • 244 § 7.2. Общая структура статических микросхем ОЗУ ..... . .'".".•'SW'1* § 7.3. Запоминающие ячейки статических микросхем ОЗУ ..... ,","WQ''-' § 7.4. Схемы обслуживания статических микросхем ОЗУ ........ 256 § 7.5. Проектирование статических микросхем ОЗУ'.\. . .;'.:.:. . .' . 260 § 7.6. Динамические микросхемы ОЗУ. . . . . . . . ... . ,.i« ,. . „!. 262 . § 7:7. Микросхемы ПЗУ ... . . . •.• . . ^ . . . . . .,, . . , ,,. ..». 26Q . Г л,.а в а 8, .(Микропроцессоры и микро-ЭВМ . . . . . . ........ 271 '' § 8.1. Классификация и элементная чаза микропроцессоров . ... . . 272 § 8,2. Микропроцессоры с фиксированнымГ набором 'команд я раарядно- ' стыо .......... . ... . . , . . . . , . . , . ,.,.,... 277^ § 8.3. Микропроцессоры с микропр'ограммным управлением и наращива- . , (^ емой разрядностью ....................... 2,83 ' § 8.4. Микро-ЭВМ и микропроцессорные комплекты БИС ... . . . . 286 Г л. а в а 9. Аналоговые структуры . ......,......'..'. 294 § 9.1. Функции, сигналы, цепи ................... 294 § 9.2. Основные и специальные АФ. Эталоны. Номенклатура АИС . . . 296 § 9.3. Два варианта схемотехники АИС. Дифференциальные каскады (ДК) 302 § 9;.4. Эталоны тока ... ................ .'. . . . 312 § 9i5. Входные каскады АИС ................. ... 318 § 9.6. Выходные цепи АИС ...................... 320 Г л а в а 10. Интегральные операционные усилители и их применение 322 § №.1. .Моделирование свойств идеального ОУ 8 неинвергирующем вклю. , чении цепью с ООС ..... ................. 322 § 1&.2. Идеальный ОУ в инвертирующем включении— цепь о ООС по на- пряжению и результирующим сигналом по току . ..... .. . 324 § 10.3. Включения ОУ ....................... 325 . § 10.4. Схемотехника ОУ ...................... 3'25 § 10.5. Неидеальности при включениях ОУ с ООС по напряжению , . . 332 § 1&.6. Низкочастотные параметры ОУ .... . , . . . < . :, . :. . . 341 § 10.7. Моделирование частотных свойств цепей с ОУ ......... 346 § 10.8. Асимптотические диаграммы. Цепи с одним полюсом я одним нулем 348 §1.0.8. Полная частотная коррекция ОУ .,,. . . . • . . . . ... . . .351 § lOilO. Параметры, описывающие частотные свойства ОУ . . . . . . 353 § 10..11. Примеры моделирования часютных свойств цепей с ОУ . . . . 355 § 10,12. Автогенератор синусоидальных колебании на основе ОУ,. ,. . 359 § 10.13. Прецизионный усилитель, его синтез и моделирование. .... 360 413 Глава 11. Инструментальные АИС .............. . 363 § 11.1. Интегральные компараторы .................. 363 § 11.2. Схемотехника и параметры реальных АИС компараторов. . . . 365 § 11.3, Импульсные цепи на основе АИС компараторов ......... 368 § 11.4. Интегральные стабилизаторы (регуляторы) и их аппаратурное использование ..... .................... 371 § 11.5. Функции чувствительности .................. 375 § 11.6. Простейший стабилизатор тока ................ 377 \ § 11.7. Типы стабилизаторов тока ............... 379 '. § 11.8. Ключевой стабилизатор напряжения ............. 381 ; § 11.9. Интегральные аналоговые перемножители ........... 381 ; § 11.10. Радиотехнические преобразования на основе аналоговых пере- 1 множителей .......................... 384 i Глава 12. Интегральные радиочастотные цепи и их аппаратурное ис- , пользование . . ...................... 389 i § 12.1. Инерционные свойства биполярных транзисторов в радиочастот- j ном диапазоне. Включение с общей базой (ОБ). ........ 389 j § 12.2. Простые каскады ...................... 400 I § 12.3. Каскады на составных ВТ в радиочастотных ИС и субсистемах . . 406 Список литературы ........................... 411 Андрей Геннадьевич Алексенко Игорь Иванович Шагурин МИКРОСХЕМОТЕХНИКА Редактор М. М. Лисина Переплет художника В. П. Карпова Художественный редактор Н. С. Ш е и н Технический редактор Л. А. Горшкова Корректор И. Г. Зыкова ИБ№ 45 Сдано в набор 11.1181г. Подписано в печать 02.04.82г. Т-06476 Формат 60Х90/16 Бумага тип. № 2 Гарнитура литературная Печать высокая Усл. печ. л. 26,0 Усл. кр.-отт. 26,0 Уч.-изд. л. 27,94 Тираж 70000 экз. Изд. № 19733 Зак. 550 Цена 1 р. 20 к. Издательство «Радио и связь». 101000, Москва, Главпочтамт, а/я 693 Московская типография № 4 Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли 129041, Москва, Б. Переяславская ул„ д. 46 В 1982 ГОДУ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «РАДИО И СВЯЗЬ» ВЫЙДУТ В СВЕТ Измерение параметров цифровых интегральных микросхем / Под ред. Б.В.Орлова, Д. Ю. Э и д у к а с а. Описываются системы параметров, методы и устройства из^»е- '. рения параметров и функционального, контроля цифровых инт^' ^ гральдых схем (ИС);. принципы построения автоматизированных'ни-'"' формационно-измернтельных систем для контроля параметров ИС.. ' Дается описание испытательных систем для контроля ЙС в стати-"',' ческам и динамическом режимах работы, контроля функционирова-' ' ния БИС, средства кибернетического и программного обеспечения"'' систем контроля ИС. Рассматриваются вопросы точности и пройз^' " водитеяьности многопостовых испытательных систем. Приводятся рекомендации по выбору управляющих ЭВМ 'и пё^ифёрийййх''^ устрайств для контроля цифровых ИС. ' г.. .,^,.i,i.. Для. инженерно-технических работников. ' Мякреэлектроника и полупроводниковые приборы: Сб. статен.' : Вып.' 7 / Под ред. А. А. Васенкова, Я. А. Федотова. • , В сборнике публикуются статьи отечественных авторов по сле- дующим вопросам: общие проблемы и физические основы полу- проводниковой' микроэлектроники, основы технологии интегральных схем и полупроводниковых' приборов, микросхемотехника, 'методы • контроля и измерительная аппаратура, новые направления электро- ^ няк». Основная часть сборника посвящена' рассмотрению современ- ных представлений об аналоговых интегральных схемах (АИС), их инженерным методам расчета, схемотехиике и тенденциям развития. Для инженерно-технических работников, занимающихся рззра'- боткой. изготовлением н применением микросхем и полупроводник, ковых приборов.