Аналоговые ИМС

Глава 5. Функциональное назначение

Глава 4. Степень интеграции ИМС

Рисунок 6. Воздействие дефектов кристаллической решетки на выпуск ИМС малой (а) и большой (б) степени интеграции

Особенности гибридных ИМС

1. Наиболее предпочтительными элементами являются пассивные компоненты (резисторы и конденсаторы), число навесных элементов в ИМС должно быть небольшим, так как их установка и монтаж требуют больших затрат труда.

2. Точность воспроизведения параметров в гибридных ИМС значительно выше, чем полупроводниковых. Возможна подгонка номиналов резисторов и конденсаторов (например, путем соскабливания части пленки).

3. Технология гибридных ИМС значительно проще технологии полупроводниковых. Гибридные ИМС делятся на тонкопленочные, в которых пленки создаются методом термовакуумного напыления, и толстопленочные, в которых пленки получают путем нанесения пасты через трафарет с последующим спеканием в печи. Технология толстопленочных ИМС сравнительно проста, и их выпуск может быть налажен в стенах лаборатории или производственного участка.

4. Стоимость подготовки к выпуску нового типа гибридных ИМС меньше, чем полупроводниковых, поэтому экономически оправдан выпуск гибридных ИМС малыми сериями (сотни и даже десятки экземпляров).

5. Массогабаритные показатели гибридных ИМС хуже, чем у полупроводниковых, и число компонентов в одной схеме обычно не больше нескольких десятков.

Полупроводниковые ИМС в основном являются ИМС общего применения, т. е. выпускаются в виде типовых элементов для различных областей использования, обладают универсальными достоинствами, что обеспечивает их высокий тираж.

Гибридная технология особенно предпочтительна при разработке ИМС частного применения, т. е. для решения какой-то определенной задачи. В этом случае тираж ИМС обычно невысок, и экономически выгоднее выпуск гибридных ИМС.

На рис. 6, а показана пластина полупроводника, на которой изготавливаются девять ИМС малого или среднего уровня интеграции. На рис. 19a показана такая же пластина, на которой расположена только одна большая ИМС (БИС).

Если на пластине имеется локальный дефект (показан на рис. 6, а и б крестиком), то в первом случае придется забраковать 1/9 часть изготовленных ИМС, а в случае БИС негодным окажется 100% изделий. Большим достижением электроники стало преодоление упомянутого препятствия на пути увеличения N: найдены способы создания сложных БИС, которые при этом не теряют своей универсальности. Это программируемые ИМС. Далее развития электроники характеризовалось все усиливающимся применением БИС вплоть до создания однокристальных ЭВМ. Эта тенденция была обусловлена повышением основных технико-экономических показателей электронных устройств управления при использовании БИС.

Сложность интегральной схемы характеризуется степенью интеграции. Интегральные схемы, насчитывающие более 100 элементов, называются микросхемами с малой степенью интеграции; схемы, содержащие до 1000 элементов, — интегральными схемами со средней степенью интеграции, схемы, включающие до десятка тысяч элементов, — большими интегральными схемами. В настоящее время изготавливаются схемы, содержащие до миллиона элементов - сверхбольшими ИМС. С каждым годом схемы становятся все более миниатюрными и соответственно все более сложными. Множество электронных устройств, имевших раньше большие габариты, умещаются теперь на крошечной кремниевой пластинке, что послужило грандиозному прорыву микроэлектроники в сферу вычислительной техники.

Число компонентов, заключенных в одном корпусе ИМС, называют степенью интеграции N.

В зависимости от функционального назначения интегральные микросхемы делятся на аналоговые и цифровые. Аналоговые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания. Частным случаем этих микросхем является микросхема с линейной характеристикой, линейная микросхема. С помощью цифровых микросхем преобразуются, обрабатываются сигналы, изменяющиеся по закону дискретной функции – ее входные и выходные сигналы могут иметь два значения. Частным случаем цифровых микросхем являются логические микросхемы, выполняющие операции с двоичным кодом, которые описываются законами логической алгебры (логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения).

Аналоговые интегральные микросхемы (АИМС) предназначены для преобразования и обработки сигналов, непрерывно изменяющихся по уровню и во времени. Они широко применяются в аппаратуре звуковоспроизведения и звукоусиления, радиоприемниках и телевизорах, видеомагнитофонах, в аналоговых вычислительных машинах, и измерительных приборах, технике связи и т. д. АИМС позволяет создавать сложный завершенный функциональный узел в совокупности с ограниченным количеством внешних радиоэлементов (например, УПЧ изображения, видеоусилитель, генератор и т. п.). Функциональный узел - это группа радиоэлементов, объединенных конструктивно и технологически в модуль. Эта группа предназначена для создания какой-либо законченной части радиоэлектронной аппаратуры, например, усилителя, фильтра, источника питания и т. п. (стабилизаторы источников питания, операционные усилители, фильтры, преобразователи сигналов).

Аналоговые микросхемы характеризуются тем, что входная и выходная электрические величины могут иметь любые значения в заданном диапазоне. В цифровых же микросхемах входные и выходные сигналы могут иметь либо высокий, либо низкий уровень напряжения. В первом случае мы имеем дело с высоким логическим уровнем, а во втором - с низким логическим уровнем. Так, для микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) при напряжении питания +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В — логической единице; а для микросхем ЭСЛ-логики при напряжении питания −5,2 В диапазон −0,8…−1,03 В — логической единице, а −1,6…−1,75 В — логическому нулю.

Радиолюбители наряду с микросхемами ТТЛ широко применяют также микросхемы на полевых транзисторах, из которых наиболее распространены серии микросхем КМОП (комплементарные полевые транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник). Для микросхем напряжения серий К164, К176, К561, К564, соответствующие высокому и низкому логическим уровням, составляют соответственно 8,6...8,8 и 0,02...0,05 В (при напряжении питания 9 В).

Таким образом, в микросхемах ТТЛ и КМОП высокий и низкий уровни напряжений сильно отличаются друг от друга, что упрощает совместную работу микросхем с транзисторами, тиристорами и другими приборами.

Как мы видим, уровни напряжений принято называть логическими. Это обусловлено тем, что цифровые микросхемы предназначены для выполнения определенных логических действий над входными сигналами. Например, на выходе цифровой микросхемы должно появиться напряжение высокого уровня в случае, если напряжение высокого уровня присутствует хотя бы на одном из входов. Таким образом, данная микросхема выполняет логическую операцию или (логическое сложение). Если же логический сигнал на выходе микросхемы должен быть равен произведению логических сигналов на входах микросхемы, то это операция называется логическим умножением. Можно назвать множество других правил обработки сигналов в цифровых микросхемах. Поэтому цифровые микросхемы называют еще и логическими.