Ιστορία ανάπτυξης ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Ολοκληρωμένα κυκλώματα
Ένα μικροκύκλωμα είναι μια ηλεκτρονική συσκευή ή μέρος αυτής ικανό να εκτελέσει μια συγκεκριμένη εργασία. Εάν ήταν απαραίτητο να λυθεί ένα τέτοιο πρόβλημα, το οποίο λύνεται με πολλά μικροκυκλώματα, χρησιμοποιώντας διακριτά στοιχεία, χρησιμοποιώντας τρανζίστορ, τότε η συσκευή, αντί για ένα μικρό ορθογώνιο διαστάσεων 1 εκατοστού επί 5 εκατοστών, θα καταλάμβανε ένα ολόκληρο ντουλάπι και θα ήταν πολύ λιγότερο αξιόπιστος. Αλλά έτσι έμοιαζαν οι υπολογιστές πριν από μισό εκατό χρόνια!
Ηλεκτρονικός πίνακας ελέγχου - φωτογραφία
Φυσικά, για να λειτουργήσει ένα μικροκύκλωμα, δεν αρκεί απλώς να τροφοδοτήσετε με ρεύμα, χρειάζεστε επίσης ένα λεγόμενο ". κιτ σώματος”, δηλαδή εκείνα τα βοηθητικά μέρη στην πλακέτα, μαζί με τα οποία το μικροκύκλωμα μπορεί να εκτελέσει τη λειτουργία του.
Chip body kit - σχέδιο
Στο παραπάνω σχήμα, το ίδιο το μικροκύκλωμα επισημαίνεται με κόκκινο χρώμα. κιτ σώματος" Πολύ συχνά, τα μικροκυκλώματα θερμαίνονται κατά τη λειτουργία τους, αυτά μπορεί να είναι μικροκυκλώματα για σταθεροποιητές, μικροεπεξεργαστές και άλλες συσκευές. Σε αυτήν την περίπτωση, για να αποφευχθεί η καύση του μικροκυκλώματος, πρέπει να στερεωθεί σε ένα ψυγείο. Τα μικροκυκλώματα που πρέπει να θερμανθούν κατά τη λειτουργία σχεδιάζονται αμέσως με μια ειδική πλάκα ψύκτρας - μια επιφάνεια που συνήθως βρίσκεται με αντιθετη πλευραμικροκύκλωμα, το οποίο θα πρέπει να εφαρμόζει σφιχτά στο ψυγείο.
Αλλά στη σύνδεση, ακόμη και με ένα προσεκτικά γυαλισμένο ψυγείο και πλάκα, θα εξακολουθούν να υπάρχουν μικροσκοπικά κενά, με αποτέλεσμα η θερμότητα από το μικροκύκλωμα να μεταφέρεται λιγότερο αποτελεσματικά στο ψυγείο. Για να καλυφθούν αυτά τα κενά, χρησιμοποιείται θερμοαγώγιμη πάστα. Το ίδιο που εφαρμόζουμε στον επεξεργαστή του υπολογιστή πριν στερεώσουμε το ψυγείο από πάνω του. Μία από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες πάστες είναι KPT–8.
Οι ενισχυτές σε μικροκυκλώματα μπορούν να συγκολληθούν κυριολεκτικά σε 1-2 βράδια και αρχίζουν να λειτουργούν αμέσως, χωρίς να απαιτείται σύνθετη εγκατάστασηκαι δέκτης υψηλής εξειδίκευσης. Ξεχωριστά, θέλω να πω για τα μικροκυκλώματα ενισχυτές αυτοκινήτου, από το body kit υπάρχουν μερικές φορές κυριολεκτικά 4-5 μέρη. Για να συναρμολογήσετε έναν τέτοιο ενισχυτή, με λίγη προσοχή, δεν χρειάζεστε καν πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (αν και είναι επιθυμητό) και μπορείτε να συναρμολογήσετε τα πάντα χρησιμοποιώντας μια επιφανειακή εγκατάσταση, απευθείας στις ακίδες του μικροκυκλώματος.
Είναι αλήθεια ότι μετά τη συναρμολόγηση, είναι καλύτερο να τοποθετήσετε αμέσως έναν τέτοιο ενισχυτή σε ένα περίβλημα, επειδή ένας τέτοιος σχεδιασμός είναι αναξιόπιστος και σε περίπτωση τυχαίου βραχυκυκλώματος των καλωδίων, το μικροκύκλωμα μπορεί εύκολα να καεί. Επομένως, συνιστώ σε όλους τους αρχάριους να αφιερώσουν λίγο περισσότερο χρόνο για να φτιάξουν μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος.
Τα ρυθμιζόμενα τροφοδοτικά που βασίζονται σε τσιπ σταθεροποιητή είναι ακόμα πιο εύκολο να κατασκευαστούν από παρόμοια που βασίζονται σε τρανζίστορ. Δείτε πόσα εξαρτήματα αντικαθιστά ένα απλό μικροκύκλωμα LM317:
Μικροκυκλώματα σε πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων μέσα ηλεκτρονικές συσκευέςΤο ah μπορεί να συγκολληθεί είτε απευθείας στα κομμάτια εκτύπωσης είτε να τοποθετηθεί σε ειδικές υποδοχές.
Υποδοχή για βαθύ τσιπ - φωτογραφία
Η διαφορά είναι ότι στην πρώτη περίπτωση για να αντικαταστήσουμε το μικροκύκλωμα θα πρέπει πρώτα να το αποκολλήσουμε. Και στη δεύτερη περίπτωση, όταν βάζουμε το μικροκύκλωμα στην πρίζα, πρέπει απλώς να αφαιρέσουμε το μικροκύκλωμα από την πρίζα και μπορεί εύκολα να αντικατασταθεί με άλλο. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αντικατάστασης μικροεπεξεργαστή σε υπολογιστή.
Επίσης, για παράδειγμα, εάν συναρμολογείτε μια συσκευή σε έναν μικροελεγκτή σε μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος και δεν έχετε παράσχει προγραμματισμό εντός κυκλώματος, μπορείτε, εάν έχετε κολλήσει στην πλακέτα όχι το ίδιο το μικροκύκλωμα, αλλά την υποδοχή στην οποία βρίσκεται εισάγεται, τότε το μικροκύκλωμα μπορεί να αφαιρεθεί και να συνδεθεί ειδικός πίνακαςπρογραμματιστής
Τέτοιες πλακέτες έχουν ήδη υποδοχές συγκολλημένες σε διαφορετικά περιβλήματα μικροελεγκτών για προγραμματισμό.
Αναλογικά και ψηφιακά μικροκυκλώματα
Παράγονται μικροκυκλώματα διάφοροι τύποι, μπορεί να είναι είτε αναλογικά είτε ψηφιακά. Τα πρώτα, όπως υποδηλώνει το όνομα, λειτουργούν με μια φόρμα αναλογικού σήματος, ενώ τα δεύτερα με μια φόρμα ψηφιακού σήματος. Αναλογικό σήμαμπορεί να πάρει διαφορετικές μορφές. 
Ένα ψηφιακό σήμα είναι μια ακολουθία μονάδων και μηδενικών, υψηλών και χαμηλό επίπεδοσήματα. Η υψηλή στάθμη εξασφαλίζεται με την εφαρμογή 5 βολτ ή τάσης κοντά σε αυτό στον πείρο, χαμηλό επίπεδο είναι η απουσία τάσης ή 0 βολτ.
Υπάρχουν επίσης μικροκυκλώματα ADC (μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό) Και DAC (ψηφιακό - αναλογικός μετατροπέας
) που μετατρέπει το σήμα από αναλογικό σε ψηφιακό και αντίστροφα. Ένα τυπικό παράδειγμα ADC χρησιμοποιείται σε ένα πολύμετρο για τη μετατροπή μετρούμενων ηλεκτρικών μεγεθών και την εμφάνιση τους στην οθόνη του πολύμετρου. Στο παρακάτω σχήμα, το ADC είναι μια μαύρη σταγόνα με κομμάτια που πλησιάζουν από όλες τις πλευρές.
Μικροελεγκτές
Σχετικά πρόσφατα, σε σύγκριση με την παραγωγή τρανζίστορ και μικροκυκλωμάτων, ξεκίνησε η παραγωγή μικροελεγκτών. Τι είναι ένας μικροελεγκτής; 
Αυτό είναι ένα ειδικό τσιπ, μπορεί να παραχθεί και στα δύο Βουτιάέτσι μέσα SMDεκτέλεση, στη μνήμη της οποίας μπορεί να γραφτεί ένα πρόγραμμα, το λεγόμενο Γοητεύω αρχείο. Αυτό είναι ένα αρχείο μεταγλωττισμένου υλικολογισμικού, το οποίο είναι γραμμένο σε ειδικό πρόγραμμα επεξεργασίας κώδικα προγράμματος. Αλλά δεν αρκεί να γράψετε το υλικολογισμικό, πρέπει να το μεταφέρετε, να το αναβοσβήσετε στη μνήμη του μικροελεγκτή.
Προγραμματιστής - φωτογραφία
Εξυπηρετεί για το σκοπό αυτό προγραμματιστής. Όπως πολλοί άνθρωποι γνωρίζουν, υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι μικροελεγκτών - AVR, PICκαι άλλα, για διαφορετικούς τύπους χρειαζόμαστε διαφορετικούς προγραμματιστές. Υπάρχει επίσης, και ο καθένας θα μπορεί να βρει και να φτιάξει ένα κατάλληλο για το επίπεδο γνώσεων και των δυνατοτήτων του. Εάν δεν θέλετε να φτιάξετε μόνοι σας έναν προγραμματιστή, μπορείτε να αγοράσετε έναν έτοιμο σε ένα ηλεκτρονικό κατάστημα ή να τον παραγγείλετε από την Κίνα.
Το παραπάνω σχήμα δείχνει έναν μικροελεγκτή σε πακέτο SMD. Ποια είναι τα πλεονεκτήματα της χρήσης μικροελεγκτών; Προηγουμένως, κατά το σχεδιασμό και τη συναρμολόγηση μιας συσκευής χρησιμοποιώντας διακριτά στοιχεία ή μικροκυκλώματα, προσδιορίζαμε τη λειτουργία της συσκευής μέσω μιας συγκεκριμένης, συχνά πολύπλοκης σύνδεσης σε μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος χρησιμοποιώντας πολλά μέρη. Τώρα χρειάζεται απλώς να γράψουμε ένα πρόγραμμα για έναν μικροελεγκτή που θα κάνει το ίδιο πράγμα προγραμματικά, συχνά πιο γρήγορα και πιο αξιόπιστα από ένα κύκλωμα χωρίς τη χρήση μικροελεγκτών. Ο μικροελεγκτής είναι ολόκληρο τον υπολογιστή, με θύρες I/O, δυνατότητα σύνδεσης οθόνης και αισθητήρων, καθώς και έλεγχος άλλων συσκευών.
Φυσικά, η βελτίωση των μικροκυκλωμάτων δεν θα σταματήσει εκεί και μπορούμε να υποθέσουμε ότι σε 10 χρόνια θα υπάρχουν πραγματικά μικροκυκλώματα από τη λέξη " μικρο" - αόρατο στο μάτι, το οποίο θα περιέχει δισεκατομμύρια τρανζίστορ και άλλα στοιχεία, πολλά άτομα σε μέγεθος - τότε η δημιουργία των πιο περίπλοκων ηλεκτρονικών συσκευών θα γίνει πραγματικά προσβάσιμη ακόμη και σε όχι πολύ έμπειρους ραδιοερασιτέχνες! Η σύντομη ανασκόπησή μας έφτασε σε ένα τέλος, ήμασταν μαζί σου AKV.
Συζητήστε το άρθρο ΜΙΚΡΟκυκλώματα
Στους πρώιμους ηλεκτρικούς υπολογιστές, τα εξαρτήματα του κυκλώματος που εκτελούσαν τις λειτουργίες ήταν σωλήνες κενού. Αυτοί οι σωλήνες, που έμοιαζαν λάμπες, κατανάλωνε πολύ ρεύμα και παρήγαγε πολλή θερμότητα. Όλα άλλαξαν το 1947 με την εφεύρεση του τρανζίστορ. Αυτή η μικρή συσκευή χρησιμοποιούσε ένα υλικό ημιαγωγών που ονομάστηκε για την ικανότητά του να αγωγιάζει και να μπλοκάρει ηλεκτρική ενέργεια, ανάλογα με το αν υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα στον ίδιο τον ημιαγωγό. Αυτό νέα τεχνολογίακατέστησε δυνατή την κατασκευή όλων των τύπων ηλεκτρικών διακοπτών σε τσιπ πυριτίου. Τα κυκλώματα τρανζίστορ καταλάμβαναν λιγότερο χώρο και κατανάλωναν λιγότερη ενέργεια. Για περισσότερα ισχυρούς υπολογιστέςδημιουργήθηκαν ολοκληρωμένα κυκλώματα ή IC.
Σήμερα, τα τρανζίστορ έχουν γίνει μικροσκοπικά μικρά και ολόκληρο το κύκλωμα IC ταιριάζει σε ένα τετράγωνο κομμάτι ημιαγωγού 1 ίντσας. Τα μικρά μπλοκ τοποθετημένα σε σειρές σε μια πλακέτα κυκλώματος υπολογιστή είναι ολοκληρωμένα κυκλώματα που περικλείονται σε πλαστικές θήκες. Κάθε μικροκύκλωμα περιέχει ένα σύνολο απλών στοιχείων κυκλώματος ή συσκευών. Τα περισσότερα από αυτά καταλαμβάνονται από τρανζίστορ. Ένα IC μπορεί επίσης να περιλαμβάνει διόδους, που επιτρέπουν στο ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει μόνο προς μία κατεύθυνση, και αντιστάσεις, που εμποδίζουν το ρεύμα.
Σταθερά μέρη. Στο εσωτερικό ενός υπολογιστή, σειρές ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σε προστατευτικά περιβλήματα, όπως φαίνεται παρακάτω, είναι τοποθετημένες στην πλακέτα κυκλώματος του υπολογιστή (πράσινο). Κάθε ανοιχτή πράσινη γραμμή αντιπροσωπεύει μια διαδρομή κατά μήκος της οποίας ρέει ηλεκτρικό ρεύμα. Μαζί σχηματίζουν «αυτοκινητόδρομους» μέσω των οποίων το ηλεκτρικό ρεύμα μεταφέρεται από κύκλωμα σε κύκλωμα.
Μικροί αγγελιοφόροι. Κατά μήκος της άκρης του τσιπ, πολύ μαγνητισμένα καλώδια που μοιάζουν με ανθρώπινες τρίχες στέλνουν ηλεκτρικά σήματα από ηλεκτρικό κύκλωμα(όνομα παραπάνω). Αυτά τα καλώδια από χρυσό ή αλουμίνιο είναι ουσιαστικά ανθεκτικά στη διάβρωση και είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού.
Ανατομία τρανζίστορ
Τα τρανζίστορ, τα βασικά μικροσκοπικά στοιχεία ενός ηλεκτρονικού κυκλώματος, είναι διακόπτες που ενεργοποιούν και απενεργοποιούν το ηλεκτρικό ρεύμα. Μικρές μεταλλικές ράγες (γκρι) διοχετεύουν ρεύμα (κόκκινο και πράσινο) από αυτές τις συσκευές. Οργανωμένα σε έναν συνδυασμό που ονομάζεται λογικές πύλες, τα τρανζίστορ ανταποκρίνονται σε ηλεκτρικούς παλμούς με διάφορους προκαθορισμένους τρόπους, επιτρέποντας στον υπολογιστή να εκτελεί ένα ευρύ φάσμα εργασιών.
Λογικό κύκλωμα. Εάν το εισερχόμενο ηλεκτρικό ρεύμα (κόκκινα βέλη) ενεργοποιήσει τη βάση κάθε τρανζίστορ, το ρεύμα τροφοδοσίας (πράσινα βέλη) θα σπεύσει στην καλωδίωση εξόδου.
Μεγάλο ολοκληρωμένο κύκλωμα
Σύγχρονα ολοκληρωμένα κυκλώματα σχεδιασμένα για επιφανειακή τοποθέτηση.
Σοβιετικά και ξένα ψηφιακά μικροκυκλώματα.
Αναπόσπαστο(αγγλ. Ολοκληρωμένο κύκλωμα, IC, μικροκύκλωμα, μικροτσίπ, τσιπ πυριτίου ή τσιπ), ( μικρο)σχέδιο (IS, IMS, m/skh), πατατακι, μικροτσίπ(Αγγλικά) πατατακι- τεμάχιο, τσιπ, τσιπ) - μικροηλεκτρονική συσκευή - ηλεκτρονικό κύκλωμα αυθαίρετης πολυπλοκότητας, κατασκευασμένο σε κρύσταλλο (ή φιλμ) ημιαγωγών και τοποθετημένο σε μη διαχωρίσιμο περίβλημα. Συχνά κάτω από ενσωματωμένο κύκλωμα(IS) κατανοούν το πραγματικό κρύσταλλο ή φιλμ με ηλεκτρονικό κύκλωμα, και κάτω μικροκύκλωμα(MS) - IC κλεισμένο σε περίβλημα. Ταυτόχρονα, η έκφραση "εξαρτήματα τσιπ" σημαίνει "εξαρτήματα επιφανειακής στήριξης" σε αντίθεση με τα παραδοσιακά εξαρτήματα με συγκόλληση διαμπερούς οπής. Επομένως, είναι πιο σωστό να λέμε «μικροκύκλωμα τσιπ», που σημαίνει μικροκύκλωμα επιφανειακής τοποθέτησης. ΣΕ επί του παρόντος(έτος) τα περισσότερα μικροκυκλώματα κατασκευάζονται σε συσκευασίες επιφανειακής τοποθέτησης.
Ιστορία
Η εφεύρεση των μικροκυκλωμάτων ξεκίνησε με τη μελέτη των ιδιοτήτων των λεπτών μεμβρανών οξειδίου, οι οποίες εκδηλώνονται στην επίδραση της κακής ηλεκτρικής αγωγιμότητας σε χαμηλές ηλεκτρικές τάσεις. Το πρόβλημα ήταν ότι εκεί που τα δύο μέταλλα ήρθαν σε επαφή δεν υπήρχε ηλεκτρική επαφήή είχε πολικές ιδιότητες. Οι βαθιές μελέτες αυτού του φαινομένου οδήγησαν στην ανακάλυψη διόδων και αργότερα τρανζίστορ και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.
Επίπεδα σχεδίασης
- Φυσικές - μέθοδοι για την υλοποίηση ενός τρανζίστορ (ή μικρή ομάδα) με τη μορφή ντοπαρισμένων ζωνών στον κρύσταλλο.
- Ηλεκτρικό - διάγραμμα κυκλώματος (τρανζίστορ, πυκνωτές, αντιστάσεις κ.λπ.).
- Λογικό - λογικό κύκλωμα (λογικοί μετατροπείς, OR-NOT, AND-NOT στοιχεία κ.λπ.).
- Επίπεδο κυκλώματος και συστήματος - σχεδιασμός κυκλώματος και συστήματος (flip-flops, συγκριτές, κωδικοποιητές, αποκωδικοποιητές, ALU, κ.λπ.).
- Τοπολογικές - τοπολογικές φωτομάσκες παραγωγής.
- Επίπεδο προγράμματος (για μικροελεγκτές και μικροεπεξεργαστές) - οδηγίες συναρμολόγησης για τον προγραμματιστή.
Επί του παρόντος, τα περισσότερα ολοκληρωμένα κυκλώματα αναπτύσσονται χρησιμοποιώντας CAD, το οποίο σας επιτρέπει να αυτοματοποιήσετε και να επιταχύνετε σημαντικά τη διαδικασία λήψης τοπολογικών φωτομάσκας.
Ταξινόμηση
Βαθμός ένταξης
Σκοπός
Ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα μπορεί να έχει πλήρη, όσο περίπλοκη κι αν είναι, λειτουργικότητα - έως και έναν ολόκληρο μικροϋπολογιστή (μικροϋπολογιστής ενός τσιπ).
Αναλογικά κυκλώματα
- Γεννήτριες σημάτων
- Αναλογικοί πολλαπλασιαστές
- Αναλογικοί εξασθενητές και μεταβλητοί ενισχυτές
- Σταθεροποιητές τροφοδοσίας
- Τσιπ ελέγχου τροφοδοσίας εναλλαγής
- Μετατροπείς σημάτων
- Κυκλώματα χρονισμού
- Διάφοροι αισθητήρες (θερμοκρασία κ.λπ.)
Ψηφιακά κυκλώματα
- Στοιχεία λογικής
- Μετατροπείς buffer
- Μονάδες μνήμης
- (Μικρο)επεξεργαστές (συμπεριλαμβανομένης της CPU σε έναν υπολογιστή)
- Μικροϋπολογιστές ενός τσιπ
- FPGA - προγραμματιζόμενα λογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα
Τα ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα έχουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα αναλογικά:
- Μειωμένη κατανάλωση ρεύματοςσχετίζεται με τη χρήση σε ψηφιακά ηλεκτρονικάπαλμικά ηλεκτρικά σήματα. Κατά τη λήψη και τη μετατροπή τέτοιων σημάτων, τα ενεργά στοιχεία των ηλεκτρονικών συσκευών (τρανζίστορ) λειτουργούν στη λειτουργία "κλειδί", δηλαδή, το τρανζίστορ είναι είτε "ανοιχτό" - που αντιστοιχεί σε σήμα υψηλού επιπέδου (1), είτε "κλειστό". ” - (0), στην πρώτη περίπτωση στο Δεν υπάρχει πτώση τάσης στο τρανζίστορ στη δεύτερη, δεν ρέει ρεύμα μέσα από αυτό. Και στις δύο περιπτώσεις, η κατανάλωση ρεύματος είναι κοντά στο 0, σε αντίθεση με τις αναλογικές συσκευές, στις οποίες τις περισσότερες φορές τα τρανζίστορ βρίσκονται σε ενδιάμεση (αντιστική) κατάσταση.
- Υψηλή ανοσία θορύβουΟι ψηφιακές συσκευές συνδέονται με μεγάλη διαφορά μεταξύ σημάτων υψηλών (για παράδειγμα 2,5 - 5 V) και χαμηλού (0 - 0,5 V) επιπέδου. Ένα σφάλμα είναι δυνατό με τέτοιες παρεμβολές όταν υψηλό επίπεδοεκλαμβάνεται ως χαμηλό και αντίστροφα, κάτι που είναι απίθανο. Επιπλέον, στις ψηφιακές συσκευές είναι δυνατή η χρήση ειδικών κωδικών που επιτρέπουν τη διόρθωση σφαλμάτων.
- Η μεγάλη διαφορά μεταξύ σημάτων υψηλού και χαμηλού επιπέδου και ένα αρκετά μεγάλο εύρος επιτρεπόμενων αλλαγών καθιστά την ψηφιακή τεχνολογία αναίσθητοςστην αναπόφευκτη διασπορά των παραμέτρων στοιχείων στην ολοκληρωμένη τεχνολογία, εξαλείφοντας την ανάγκη επιλογής και διαμόρφωσης ψηφιακών συσκευών.
Konyaev Ivan Sergeevich, τριτοετής φοιτητής του Armavir Mechanical and Technological Institute (παράρτημα) του Ομοσπονδιακού Κρατικού Προϋπολογισμού Εκπαιδευτικού Ιδρύματος Ανώτατης Επαγγελματικής Εκπαίδευσης Kuban State Technical University, Armavir [email προστατευμένο]
Monogarov Sergey Ivanovich, υποψήφιος τεχνικών επιστημών, αναπληρωτής καθηγητής του τμήματος ηλεκτρικού εξοπλισμού και αυτοματισμού της εγκατάστασης του Μηχανολογικού και Τεχνολογικού Ινστιτούτου Armavir (παράρτημα) του Ομοσπονδιακού Κρατικού Προϋπολογισμού Εκπαιδευτικού Ιδρύματος Ανώτατης Επαγγελματικής Εκπαίδευσης Kuban State Technical University, Armavir [email προστατευμένο]
Αρχές κατασκευής μεγάλων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων
Σχόλιο. Αυτό το άρθρο είναι αφιερωμένο στις αρχές κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μεγάλης κλίμακας (LSI). Λέξεις-κλειδιά: LSI, μεγάλο ολοκληρωμένο κύκλωμα, βασικοί κρύσταλλοι μήτρας, προγραμματιζόμενες λογικές συσκευές.
Επί του παρόντος, ο μικροηλεκτρονικός εξοπλισμός χρησιμοποιεί τόσο εξειδικευμένα όσο και καθολικά μικροκυκλώματα διαφορετικού βαθμού ολοκλήρωσης. Ταυτόχρονα, υπάρχει μια ορισμένη τάση στην ευρεία χρήση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με υψηλό βαθμό ολοκλήρωσης - τα μεγάλα ολοκληρωμένα κυκλώματα (LSI), τα οποία θα συζητηθούν σε αυτό το άρθρο Τα μικροκυκλώματα γενικής χρήσης παράγονται σε μεγάλες ποσότητες και χρησιμοποιούνται μια μεγάλη γκάμα ηλεκτρονικών συσκευών, ενώ τα εξειδικευμένα μικροκυκλώματα παράγονται σε περιορισμένες εκδόσεις και έχουν αυστηρά καθορισμένο πεδίο εφαρμογής Εξειδικευμένα LSI κατασκευασμένα σε βασικούς κρυστάλλους μήτρας (BMC) και προγραμματιζόμενα λογικές συσκευές(PLU) έχουν μια ιδιαίτερα ευρεία εφαρμογή. Αυτή η ευρεία χρήση οφείλεται στο γεγονός ότι ο αυτοματοποιημένος σχεδιασμός τέτοιων LSI διαρκεί σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα: περίπου αρκετές εβδομάδες για LSI που βασίζονται σε BMK, αρκετές ημέρες για LSI που βασίζονται σε PLU Ας εξετάσουμε τις αρχές κατασκευής και τις παραμέτρους του βασικού κρυστάλλους μήτρας. Το BMK περιλαμβάνει μια προσχηματισμένη μήτρα βασικών κυττάρων (που βρίσκονται στο κεντρικό τμήμα), καθώς και μια ομάδα ρυθμιστικών κυττάρων, τα οποία βρίσκονται κατά μήκος της περιφέρειας του κρυστάλλου (Εικ. 1, με τη σειρά τους, τα κύτταρα περιλαμβάνουν ομάδες). από μη συνδεδεμένα στοιχεία (τρανζίστορ, πυκνωτές, αντιστάσεις) και τμήματα διαύλων ημιαγωγών που έχουν σχεδιαστεί για την υλοποίηση τεμνόμενων ηλεκτρικών συνδέσεων Διάφορα λειτουργικά στοιχεία (σκανδάλη, μετρητές, καταχωρητές, κ.λπ.), στοιχεία προσωρινής αποθήκευσης, καθώς και συνδέσεις σχηματίζονται από στοιχεία κυψέλης χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά. συνδέσεις με τη μορφή μεταλλικών (αγωγών) και λεωφορείων ημιαγωγών μεταξύ τους.
Α) β) γ) Σχήμα 1 – Τυπικές δομές του ΒΜΚ: α) με μια συνεχή σειρά ομοιογενών κυττάρων. β) με μια σειρά ομοιογενών κυψελών ή μακροκυψελών που χωρίζονται από κάθετα και οριζόντια κανάλια για αγωγούς. γ) με μια σειρά από ετερογενή κύτταρα που χωρίζονται από οριζόντια κανάλια. 1 – μήτρα βασικών κυττάρων. 2 – μήτρα ρυθμιστικών κελιών. 3,5,8 – κελιά μήτρας, 4,7,10 – κελιά προσωρινής αποθήκευσης, 6,9 – μακροκύτταρα. 11,12 – οριζόντια κανάλια. 13 – κάθετα κανάλια
Σε αυτόν τον τύπο LSI, κατά κανόνα, τα κύρια λειτουργικά στοιχεία καταναλώνουν μικρή ποσότητα ενέργειας, αρκετή για να εξασφαλίσει την απαιτούμενη απόδοση. Με τη σειρά τους, τα buffer στοιχεία που πραγματοποιούν εξωτερικές σχέσεις matrix LSI, καταναλώστε περισσότερο υψηλή ισχύς, το οποίο οφείλεται στην ανάγκη αντιστοίχισης λογικών επιπέδων τάσης συγκεκριμένης τιμής, χωρητικότητας φορτίου και θορύβου. Τα κύτταρα περιλαμβάνουν μια ποικιλία ενεργών και παθητικών στοιχείων. Ταυτόχρονα, οι παράμετροι των παθητικών στοιχείων υπόκεινται σε απαιτήσεις σχετικά υψηλής ακρίβειας και σταθερότητας. Η σύνθεση των BMK που προορίζονται για την κατασκευή αναλογικών-ψηφιακών LSI συνήθως περιλαμβάνει δύο μήτρες κυψελών για να σχηματίσουν αναλογικές και ψηφιακές συσκευές, αντίστοιχα. Οι βασικοί κρύσταλλοι μήτρας για ψηφιακά και αναλογικά LSI σχηματίζονται με βάση διπολικά τρανζίστορκαι τρανζίστορ πεδίου με μονωμένη πύλη. Στα αναλογικά LSI, τα διπολικά τρανζίστορ με χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης υψηλής κλίσης χρησιμοποιούνται ευρέως με τη σειρά τους, οι μήτρες μπορεί να αποτελούνται από ομοιογενή ή ανομοιογενή στοιχεία. Σε BMK που προορίζονται για την υλοποίηση ψηφιακών LSI με μη υψηλός βαθμόςολοκλήρωσης (περίπου 1000 λογικά στοιχεία) χρησιμοποιούνται ομοιογενή κελιά, ενώ για ψηφιακά LSI με υψηλό βαθμό ολοκλήρωσης (περίπου 10.000 λογικά στοιχεία) και ψηφιακό σε αναλογικό LSI – μήτρες με ετερογενή κελιά. Χρησιμοποιούνται δύο μέθοδοι οργάνωσης των κελιών του πίνακα BMK: 1. Με βάση τα στοιχεία του κελιού, μπορεί να σχηματιστεί ένα βασικό λογικό στοιχείο που εκτελεί στοιχειώδης λειτουργία(ΟΧΙ, INE, ORINE με διακλαδώσεις για εισόδους και εξόδους). Για την υλοποίηση περισσότερων σύνθετες λειτουργίεςχρησιμοποιούνται πολλαπλά κελιά. Ο αριθμός, οι τύποι και οι παράμετροι των στοιχείων καθορίζονται από το ηλεκτρικό κύκλωμα του βασικού λογικού στοιχείου 2. Με βάση τα στοιχεία της κυψέλης, μπορεί να σχηματιστεί οποιοδήποτε λειτουργικό στοιχείο της βιβλιοθήκης. Οι τύποι των στοιχείων και ο αριθμός τους καθορίζονται από το ηλεκτρικό κύκλωμα του πιο σύνθετου λειτουργικού στοιχείου Με την πρώτη μέθοδο κατασκευής κυψελών, είναι δυνατό να ληφθεί ένας αρκετά υψηλός συντελεστής χρήσης τους στη μήτρα, ένας συντελεστής χρήσης του. περιοχή BMK και, κατά συνέπεια, αυξημένος βαθμός ολοκλήρωσης του LSI. Με τη δεύτερη μέθοδο κατασκευής κυψελών BMK, απλοποιείται το σύστημα σχεδιασμού των LSI με τη βοήθεια υπολογιστή, αφού οι έδρες κυψελών ίδιου σχήματος και μεγέθους είναι προκαθορισμένες. Ωστόσο, εάν το σχεδιασμένο LSI χρησιμοποιεί αρκετά απλά λειτουργικά στοιχείαβιβλιοθήκες με χαμηλό ποσοστό χρησιμοποίησης στοιχείων κυψέλης, ο ρυθμός χρήσης της περιοχής του τσιπ μειώνεται και ως εκ τούτου ο βαθμός ολοκλήρωσης LSI σε LSI μήτρας ηλεκτρικές συνδέσειςεκτελούνται με χρήση μεταλλικών (αγωγών) και ημιαγωγών (μονο- και πολυκρυσταλλικών) λεωφορείων. Οι ζυγοί των κυκλωμάτων ισχύος και γείωσης είναι συνήθως κατασκευασμένοι από αλουμίνιο, το οποίο χαρακτηρίζεται από χαμηλό αντίσταση. Οι δίαυλοι ημιαγωγών υψηλής ειδικής αντίστασης χρησιμοποιούνται κυρίως για την υλοποίηση βραχέων κυκλωμάτων σήματος χαμηλού ρεύματος Για τη δημιουργία ηλεκτρικών συνδέσεων μεταξύ στοιχείων, χρησιμοποιείται επιμετάλλωση ενός και πολλαπλών επιπέδων. Με την ολοκλήρωση του σχεδιασμού, το σύνολο των παραμέτρων και των χαρακτηριστικών του BMK θα πρέπει να είναι επαρκώς πλήρες για τον καταναλωτή. Οι τυπικές παράμετροι και τα χαρακτηριστικά του BMK περιλαμβάνουν: 1. τεχνολογία κατασκευής 2. αριθμό κυψελών στον κρύσταλλο 3. δομή (σύνολο στοιχείων) της κυψέλης με βάση τα στοιχεία της κυψέλης 5. Παράμετροι των στοιχείων εισόδου/εξόδου 6. Αριθμός περιφερειακών επιφανειών Το BMK μπορεί να χρησιμεύσει ως βάση για ψηφιακά, αναλογικά, ψηφιακό σε αναλογικό και αναλογικό σε ψηφιακό μεγάλα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Ταυτόχρονα, το σύνολο των στοιχείων BMK που προορίζονται για χρήση σε αναλογικά LSI επιτρέπει το σχηματισμό ενισχυτών, συγκριτών, αναλογικών ψηφιακά κλειδιάκαι άλλες συσκευές Όχι πολύ καιρό πριν, η κύρια εφαρμογή του BMK ήταν μέσα τεχνολογία υπολογιστώνκαι συστήματα ελέγχου τεχνολογικές διαδικασίες. Ορισμένα BMK, για παράδειγμα T34VG1 (KA1515ХМ1216), χρησιμοποιήθηκαν σε σοβιετικούς κλώνους του υπολογιστή ZX Spectrum ως ελεγκτής εξωτερικές συσκευές. Ένα ανάλογο του BMK είναι το μικροκύκλωμα ULA στους υπολογιστές Sinclair. Επί του παρόντος, τα BMK στις περισσότερες εφαρμογές έχουν αντικατασταθεί από FPGA (προγραμματιζόμενο λογικό ολοκληρωμένο κύκλωμα – σημείωση συγγραφέα), τα οποία δεν απαιτούν εργοστασιακή διαδικασία παραγωγής για προγραμματισμό και μπορούν να επαναπρογραμματιστούν. Στη συνέχεια, θα εξετάσουμε προγραμματιζόμενους λογικούς πίνακες. Το PLU χρησιμοποιεί προγραμματιζόμενους πίνακες AND, OR και τους συνδυασμούς τους: μη προγραμματιζόμενες AND - προγραμματιζόμενες OR - μη προγραμματιζόμενες OR.
Προγραμματιζόμενο στις συνθήκες παραγωγής εξειδικευμένων LSI που βασίζονται σε ημικατεργασμένα κρύσταλλα με χρήση μιας προσαρμοσμένης φωτομάσκας που χρησιμοποιεί τεχνολογία παρόμοια με την τεχνολογία κατασκευής LSI matrix.
προγραμματίζεται από τον καταναλωτή-κατασκευαστή του εξοπλισμού με «φόρτωση» (εισαγωγή πληροφοριών) εσωτερικών μητρώων ή φυσική επίδρασησε επιμέρους στοιχεία μήτρας (εξάντληση βραχυκυκλωτικών, καταστροφή διόδων, αλλαγή τρόπων λειτουργίας συσκευών ημιαγωγών είναι καθολικές). μικροηλεκτρονικές συσκευές, τα οποία είναι «προσαρμοσμένα» σε μια δεδομένη συνάρτηση με τη χρήση αυτόματων προγραμματιστών Στην πράξη, τέτοιοι τύποι PLU, όπως προγραμματιζόμενοι λογικοί πίνακες (PLA) και προγραμματιζόμενες μνήμες μόνο για ανάγνωση (PROM) χρησιμοποιούνται ευρέως Ο αριθμός των λογικών στοιχείων και των συνδέσεων σε λογικές συσκευές, που είναι ιδιαίτερα σημαντικό για κανονικές δομές που υλοποιούνται σε τσιπ LSI με δυνατότητα προγραμματισμού PLM και πολλαπλά προγραμματιζόμενα-επαναπρογραμματιζόμενα PLM (RPLM). Αναπτύσσονται μέθοδοι για το σχεδιασμό και την παραγωγή LSI μήτρας με ανακατασκευασμένες συνδέσεις (MaBISRS) και με προγραμματιζόμενη αρχιτεκτονική (MaBISPA) - υποσυστήματα σε γκοφρέτες. σε διπολικά τρανζίστορ και διόδους. Το σχήμα 2 δείχνει ένα διάγραμμα των συνδέσεων στοιχείων σε μια δίοδο PLM. Τα σήματα εισόδου θετικής πολικότητας παρέχονται στις εισόδους a – e, τα προϊόντα M0 – M2 αφαιρούνται από τις αντιστάσεις φορτίου R. Τα πλεονεκτήματα των πινάκων διόδων είναι η απλότητα και η μικρή επιφάνεια που καταλαμβάνεται στον κρύσταλλο, αλλά το μειονέκτημα είναι τα σημαντικά ρεύματα που καταναλώνονται στο είσοδοι της μήτρας Η χρήση τρανζίστορ πολλαπλών εκπομπών αντί για διόδους επιτρέπει τη σημαντική μείωση των ρευμάτων εισόδου (BN φορές, BN είναι ο κανονικός συντελεστής μεταφοράς ρεύματος του τρανζίστορ) και αύξηση της ταχύτητας του PLM. Το Σχήμα 3 δείχνει ένα διάγραμμα ενός τμήματος ενός PLM που βασίζεται σε διπολικά τρανζίστορ πολλαπλών εκπομπών Οι μήτρες που βασίζονται σε τρανζίστορ MOS παρέχουν την υψηλότερη πυκνότητα στοιχείων, έχουν ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας, αλλά είναι κατώτερες σε απόδοση από τις μήτρες που βασίζονται σε διπολικά τρανζίστορ των PLM με προγραμματισμό μάσκας είναι η μικρή τους περιοχή και η υψηλή αξιοπιστία τους, γεγονός που οδήγησε στην ευρεία χρήση τους ως μέρος εξειδικευμένων LSI και μικροεπεξεργαστών. Τέτοια PLM προγραμματίζονται μία φορά από τον κατασκευαστή κατά την παραγωγή του μικροκυκλώματος, γεγονός που περιορίζει το πεδίο εφαρμογής τους, ειδικά όταν χρησιμοποιούνται περιφερειακές συσκευές, διαθέτουν ηλεκτρικά προγραμματιζόμενα PLM, ο «συντονισμός» των οποίων για την υλοποίηση καθορισμένων λειτουργιών εκτελείται από τον χρήστη.
Εικόνα 2 – Θραύσμα διόδου PLM
Εικόνα 3 – Θραύσμα PLM σε BT
Το σχήμα 4 δείχνει τα πιο κοινά ηλεκτρικά προγραμματιζόμενα στοιχεία μήτρας. Ο προγραμματισμός πραγματοποιείται με τήξη βραχυκυκλωτικών (συνήθως νικρώμιο ή πολυπυρίτιο) ή με διάσπαση διόδων (διασταυρώσεις pn ή φράγματα Schottky).
Εικόνα 4 – Στοιχεία PLM με ηλεκτρικό προγραμματισμό
Οι βραχυκυκλωτήρες έχουν αντίσταση περίπου 10 Ohms και λιώνουν (ανοίγουν) όταν περνά μέσα από αυτά ένας παλμός ρεύματος, το πλάτος του οποίου είναι σημαντικά μεγαλύτερο από το πλάτος του ρεύματος ανάγνωσης. Για να καταστρέψετε τους βραχυκυκλωτήρες νικρώμου ή πολυπυριτίου, αρκεί ένα ρεύμα 20...50 mA. ο χρόνος τήξης είναι 10...200 ms Οι δίοδοι διασπώνται (βραχυκύκλωμα) όταν εφαρμόζεται παλμός αντίστροφης τάσης από πηγή με μικρή. εσωτερική αντίσταση, παρέχοντας επαρκές ρεύμα (200...300 mA). Αυτό προκαλεί χιονοστιβάδα και θερμική διάσπαση των κόμβων pn (φράγμα Schottky) και μετανάστευση μεταλλικών σωματιδίων στον ημιαγωγό με το σχηματισμό μιας αξιόπιστης επαφής χαμηλής αντίστασης (διακεκομμένες γραμμές στο Σχ. 4). Ο χρόνος σχηματισμού κυκλώματος είναι 0,02…0,05 ms. Τα PLM χρησιμοποιούνται για ηλεκτρικό προγραμματισμό και έλεγχο ειδικές εγκαταστάσειςελεγχόμενη από υπολογιστή. Οι αρχικές πληροφορίες για τον προγραμματισμό και τον έλεγχο είναι: πίνακας αλήθειας καταγραφής εξουθένωσης (καταστροφής). μονάδες ή μηδενικά (ανάλογα με τις αρχικές πληροφορίες των μη προγραμματισμένων παλμών PLM). Οι τάσεις τροφοδοσίας παρέχονται στο PLM και εάν υπάρχουν ενδείξεις προγραμματισμού στις αρχικές πληροφορίες, εφαρμόζεται ένας παλμός εξουθένωσης (βλάβης). Μετά τον προγραμματισμό, εκτελείται ο έλεγχος και το αποτέλεσμα της δοκιμής, που υποδεικνύει μια αντιστοίχιση (μη αντιστοίχιση) με τον πίνακα αλήθειας, χρησιμοποιούνται σε σύγχρονες περιφερειακές και κύριες συσκευές υπολογιστών καρτών επέκτασης στο σύστημα Βύσμα καιΠαίξτε, τα οποία διαθέτουν ειδικό τσιπ FPGA. Επιτρέπει στην πλακέτα να αναφέρει το αναγνωριστικό της και μια λίστα απαιτούμενων και υποστηριζόμενων πόρων Για τη δημιουργία VLSI (ολοκληρωμένα κυκλώματα σούπερ μεγάλης κλίμακας) και υποσυστήματα σε πλακίδια, κανονικές δομές (Εικ. 5) με μήτρα κυψελών επαρκώς υψηλού βαθμού. της ολοκλήρωσης χρησιμοποιούνται. Ο προγραμματισμός των στοιχείων σύνδεσης πραγματοποιείται με τη δημιουργία ή τη διακοπή τους.
Εικόνα 5 – Θραύσμα LSI με ανακατασκευασμένες συνδέσεις
Τα LSI Matrix με ανακατασκευασμένες συνδέσεις δημιουργούνται συνήθως με βάση τρανζίστορ CMOS, που χαρακτηρίζονται από ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας. Για τέτοια τρανζίστορ ισχύουν όλοι οι τύποι βραχυκυκλωτήρα. Οι επαφές μεταξύ των αγωγών σύνδεσης διαφορετικών επιπέδων προγραμματίζονται με δέσμη λέιζερ (το διηλεκτρικό λιώνει), η ανακατασκευή με λέιζερ διαρκεί περίπου 1 ώρα Το VLSI με ελάχιστο μέγεθος στοιχείου 0,5 ... 2 microns φτάνει τα 20 χιλιάδες τρανζίστορ ανά τετραγωνικό χιλιοστό Επί του παρόντος, υπάρχουν στοιχεία μνήμης που διατηρούν πληροφορίες όταν η τάση τροφοδοσίας είναι απενεργοποιημένη, γεγονός που καθιστά δυνατή τη δημιουργία PLM με διαγραφή και επανεγγραφή. εφαρμοζόμενες συναρτήσεις - οι επαναπρογραμματιζόμενοι λογικοί πίνακες (RPLM) με αιωρούμενη πύλη και πύλη χιονοστιβάδας έχουν γίνει ευρέως διαδεδομένοι στα RPLM (Εικ. 6). Η δομή ενός τέτοιου τρανζίστορ είναι παρόμοια με ένα συμβατικό τρανζίστορ MOS με πύλη πολυπυριτίου, η οποία δεν συνδέεται γαλβανικά με το υπόλοιπο κύκλωμα. ΣΕ αρχική κατάστασητο τρανζίστορ δεν μεταφέρει ρεύμα (βλ. Εικ. 6, α). Για τη μετάβαση σε μια αγώγιμη κατάσταση (εγγραφή), εφαρμόζεται μια αρκετά μεγάλη τάση (περίπου 50 V) μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης του τρανζίστορ για περίπου 5 ms. Αυτό προκαλεί διάσπαση χιονοστιβάδας της ένωσης πηγών (αποχέτευσης) pn και έγχυση ηλεκτρονίων στην πύλη πολυπυριτίου. Ένα φορτίο περίπου ίσο με 107 C/cm2 που συλλαμβάνεται από την πύλη (βλ. Εικ. 6β) προκαλεί ένα κανάλι που συνδέει την πηγή και την αποστράγγιση και μπορεί να παραμείνει για μεγάλο χρονικό διάστημα (10...100 χρόνια) μετά την αφαίρεση της τάσης, καθώς η πύλη περιβάλλεται από ένα στρώμα οξειδίου, το οποίο έχει πολύ χαμηλή αγωγιμότητα Οι πληροφορίες διαγράφονται με ακτινοβολία με υπεριώδεις ακτίνες με ενέργεια επαρκή για να χτυπήσει τα ηλεκτρόνια έξω από την πύλη και να τα μεταφέρει στο υπόστρωμα (Εικ. 6). Η διαγραφή μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί με χρήση ιοντίζουσας ακτινοβολίας, όπως ακτίνες Χ Η ανάγνωση των πληροφοριών από τη μήτρα πραγματοποιείται με την εφαρμογή τάσης τροφοδοσίας 5...15 V και την παρακολούθηση του ρεύματος που ρέει μέσω του τρανζίστορ ορισμένων κυψελών στη μήτρα (βλ. Εικ. 6, γ) σε σειρά με τρανζίστορ αιωρούμενης πύλης περιλαμβάνουν συμβατικά MOSFET.
Εικ.6. PLM σε τρανζίστορ MOS με αιωρούμενη πύλη: α) απενεργοποιημένο (σβησμένο) τρανζίστορ αποθήκευσης γ) θραύσμα της μήτρας (τρανζίστορ δειγματοληψίας Tv, τρανζίστορ αποθήκευσης). 2 – πλωτή πύλη από πολυκρυσταλλικό πυρίτιο. 3 – αποστράγγιση; 4 – έγχυση φορτίου. 5 – περιοχή εξάντλησης
Μαζί με τα LSI με ανακατασκευήσιμες συνδέσεις, αναπτύσσεται μια κατεύθυνση που σχετίζεται με τη δημιουργία LSI και VLSI με προγραμματιζόμενη αρχιτεκτονική και υλοποιούμενα με τη μορφή υποσυστημάτων σε wafers. Η αναδιοργάνωση της αρχιτεκτονικής του υποσυστήματος πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας ενσωματωμένα στοιχεία μεταγωγής μνήμης. Επιπλέον, τα στοιχεία μνήμης μπορούν να εφαρμοστούν τόσο σε τυπικά τρανζίστορ MOS ή CMOS, όσο και σε τρανζίστορ με έγχυση χιονοστιβάδας. Ο δίαυλος ελέγχου (CB) χρησιμοποιείται για την εγγραφή κωδίκων για τη ρύθμιση (προγραμματισμό) της αρχιτεκτονικής του υποσυστήματος για μια συγκεκριμένη εργασία σε κατανεμημένα μπλοκ μνήμης (C). Τα μπλοκ απόφασης του πίνακα (M) συνδέονται μεταξύ τους με κατανεμημένους διακόπτες (K) μέσω ενός διαύλου μεταγωγής (SC).
Εικόνα 7 - Δομικό σχήμα matrix LSI με προγραμματιζόμενη αρχιτεκτονική
Η χρήση του VLSI με προγραμματιζόμενη αρχιτεκτονική καθιστά δυνατή την απόκτηση πολύ υψηλής πυκνότητας διάταξης και την αυτοματοποίηση της διαδικασίας συναρμολόγησης.
Σύνδεσμοι σε πηγές1.Εκπαιδευτικός ιστότοπος www.studfiles.ruURL: http://www.studfiles.ru/dir/cat39/subj1381/file15398/view155035/page2.html2.Δωρεάν εγκυκλοπαίδεια Wikipedia URL: http://ru.wikipedia.org /wiki/%D0%91%D0%9C%D0%9A3 Δωρεάν εγκυκλοπαίδεια WikipediaURL: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%9B%D0%98%D0%A1.
Konyaev Ivan Sergeyevich, 3ο έτος φοιτητής Armavir Institute of Mechanics and Technology (παράρτημα) Kuban State University of Technology, ArmavirMonogarov Sergey Ivanovich, Υποψήφιος Τεχνικών Επιστημών, Αναπληρωτής Καθηγητής ηλεκτρικού εξοπλισμού και αυτοματισμού εμφυτευμάτων, Armavir Institute of Mechanics and Technology (παράρτημα) Kuban State University of Technology, ArmavirΑρχές κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μεγάλης κλίμακας Περίληψη:Αυτό το άρθρο εστιάζει στην έρευνα των αρχών κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μεγάλης κλίμακας (LSIs). Λέξεις-κλειδιά:BIS, ένα μεγάλο ολοκληρωμένο κύκλωμα, κρύσταλλοι μήτρας βάσης, προγραμματιζόμενες λογικές συσκευές.
Η ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής οδήγησε στις αρχές της δεκαετίας του '70 στην εμφάνιση εξαιρετικά εξειδικευμένων LSI που περιείχαν εκατοντάδες και χιλιάδες λογικά στοιχεία και εκτελούσαν μία ή έναν περιορισμένο αριθμό λειτουργιών. Η ποικιλία των τύπων ψηφιακού εξοπλισμού απαιτούσε διεύρυνση του φάσματος των LSI, κάτι που συνδέθηκε με κόστος που ήταν απαράδεκτο από οικονομική άποψη. Η διέξοδος από αυτή την κατάσταση ήταν η ανάπτυξη και η μεγάλης κλίμακας παραγωγή μιας περιορισμένης σειράς LSI που εκτελούν διάφορες λειτουργίες ανάλογα με τα σήματα εξωτερικού ελέγχου. Σύνολα τέτοιων LSI σχηματίζουν κιτ μικροεπεξεργαστών και καθιστούν δυνατή την κατασκευή μιας ποικιλίας ψηφιακού εξοπλισμού οποιασδήποτε πολυπλοκότητας. Το πιο σημαντικό υπερσυστατικό του κιτ BIS είναι μικροεπεξεργαστής(MP): καθολικό πρότυπο LSI, οι λειτουργίες του οποίου καθορίζονται από ένα δεδομένο πρόγραμμα.
Ποιοτικό χαρακτηριστικό των βουλευτών είναι η δυνατότητα λειτουργικής τους αναδιάρθρωσης με αλλαγή του εξωτερικού προγράμματος. Στην ουσία, τα MPs είναι τα κεντρικά στοιχεία επεξεργασίας ενός υπολογιστή, κατασκευασμένα με τη μορφή ενός ή περισσότερων LSI.
Η κύρια διαφορά μεταξύ MP και άλλων τύπων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων είναι η δυνατότητα προγραμματισμού της ακολουθίας των λειτουργιών που εκτελούνται, δηλαδή η ικανότητα εργασίας σύμφωνα με ένα δεδομένο πρόγραμμα.
Πίνακας 4.1
| Ονομασία |
τεχνολογία |
Αριθμός IC |
Λίγο βάθος, |
Εκτέλεση, |
| R-ΤΙΡ |
||||
| n-ΤΙΡ |
||||
| n-ΤΙΡ |
||||
| n-ΤΙΡ |
||||
| n-ΤΙΡ |
||||
| Π-ΤΙΡ |
||||
| n-ΤΙΡ |
||||
| R-ΤΙΡ |
||||
| R-ΤΙΡ |
||||
| n-ΤΙΡ |
Η εισαγωγή μικροεπεξεργαστών καθιστά δυνατή την αλλαγή της αρχής σχεδιασμού του ψηφιακού εξοπλισμού. Προηγουμένως, απαιτούνταν η εφαρμογή ενός νέου αλγορίθμου νέα εξέλιξηεξοπλισμός. Τώρα, όταν χρησιμοποιείτε MP, δεν απαιτείται νέος εξοπλισμός για την εφαρμογή ενός νέου αλγόριθμου, αρκεί να αλλάξετε το πρόγραμμα λειτουργίας του ανάλογα. Αυτό το χαρακτηριστικό εξηγεί το τεράστιο ενδιαφέρον που εκδηλώνεται στη χώρα μας και στο εξωτερικό για συσκευές μικροεπεξεργαστή.
Ένα μικρό χρονικό διάστημα (1971-1975) χαρακτηρίζεται από την εμφάνιση βουλευτών μιας μεγάλης ποικιλίας τροποποιήσεων. Επί του παρόντος, ο αριθμός των τύπων MP στον κόσμο ξεπερνά τους 1000.
Οι παράμετροι των κύριων τύπων οικιακών κιτ μικροεπεξεργαστή (MPC) δίνονται στον Πίνακα. 4.1.
4.2. Δομές μικροεπεξεργαστή
Ένα απλοποιημένο μπλοκ διάγραμμα του MP φαίνεται στο Σχ. 4.1.
Εικόνα 4.1
Εικόνα 4.2
Ο μικροεπεξεργαστής περιέχει μια αριθμητική-λογική συσκευή ALU, συσκευές αποθήκευσης για αποθήκευση πληροφοριών τυχαίας πρόσβασης (RAM) και μόνο για ανάγνωση (ROM), μια συσκευή ελέγχου που λαμβάνει, αποκωδικοποιεί εντολές και ορίζει τη σειρά της εκτέλεσής τους, καθώς και είσοδο-έξοδο συσκευές (I/O) για πληροφορίες, με τη βοήθεια των οποίων εισάγονται τα αρχικά δεδομένα και εξάγονται τα δεδομένα που λαμβάνονται ως αποτέλεσμα της λειτουργίας του MP.
Οι μικροεπεξεργαστές επεξεργάζονται αριθμούς 2-, 4-, 8-, 16-, 32-bit, εκτελούν 30...500 εντολές πρόσθεσης, αφαίρεσης, μετατόπισης και λογικών πράξεων. Τα MP τεσσάρων και οκτώ bit είναι LSI με κρυσταλλικές διαστάσεις 5 x 5 x 0,2 mm.
Ένα γενικευμένο μπλοκ διάγραμμα του MP φαίνεται στο Σχ. 4.2. Αριθμιτική μονάδα λογικήςΗ ALU εκτελεί διάφορες αριθμητικές και λογικές πράξεις σε αριθμούς και διευθύνσεις που αντιπροσωπεύονται σε δυαδικό κώδικα. Η σύνθεση των λειτουργιών που εκτελούνται από την ALU καθορίζεται από μια λίστα εντολών (σύνολο εντολών). Το σύνολο των εντολών συνήθως περιλαμβάνει αριθμητικές και λογικές προσθήκες και πολλαπλασιασμούς, μετατοπίσεις, συγκρίσεις κ.λπ. Οι αριθμητικές πράξεις εκτελούνται σύμφωνα με τους κανόνες δυαδική αριθμητική. Λογικές πράξειςεκτελούνται σύμφωνα με τους κανόνες της άλγεβρας Boole.
Η ALU περιλαμβάνει έναν αθροιστή, μετατοπιστές, καταχωρητές και άλλα στοιχεία.
Συσκευή ελέγχουελέγχει τη λειτουργία της ALU και όλων των άλλων μπλοκ MP. Η μονάδα ελέγχου λαμβάνει εντολές από το μπλοκ μνήμης. Εδώ μετατρέπονται σε δυαδικά σήματα ελέγχου για να εκτελέσουν μια δεδομένη εντολή. Η λειτουργία της μονάδας ελέγχου συγχρονίζεται με ένα χρονόμετρο, το οποίο κατανέμει τη διαδικασία εκτέλεσης εντολών με την πάροδο του χρόνου. Μια εντολή είναι μια δυαδική λέξη 8, 16, 24 bit ή περισσότερων (έως 64), μερικά από τα οποία αντιπροσωπεύουν τον κώδικα λειτουργίας και τα υπόλοιπα κατανέμονται μεταξύ διευθύνσεων δεδομένων (τελεστών) στη μνήμη. Μια οδηγία με τμήμα διεύθυνσης 16-bit σάς επιτρέπει να έχετε πρόσβαση σε 2 16 -1 = 65635 κελιά μνήμης. Αυτή η ποσότητα, κατά κανόνα, είναι αρκετά επαρκής για τα προβλήματα που επιλύει ο MP. Αυτό το είδος πρόσβασης στη μνήμη ονομάζεται απευθείας διευθυνσιοδότηση.
Ωστόσο, η έμμεση διευθυνσιοδότηση χρησιμοποιείται συχνότερα, η οποία είναι απαραίτητη όταν το πλάτος bit του τμήματος διεύθυνσης είναι μικρότερο από το απαιτούμενο. Στην περίπτωση αυτή, η διευθυνσιοδότηση πραγματοποιείται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, χρησιμοποιώντας τη διεύθυνση που περιέχεται στην εντολή, επιλέγεται ένα κελί που περιέχει τη διεύθυνση ενός άλλου κελιού, από το οποίο επιλέγεται ο τελεστής στο δεύτερο στάδιο. Η εντολή με τη μέθοδο έμμεσης διεύθυνσης πρέπει να περιέχει ένα bit του χαρακτηριστικού τελεστή, η κατάσταση του οποίου καθορίζει τι επιλέγεται σε αυτό το στάδιο: διεύθυνση του τελεστή ή του ίδιου του τελεστή; Φυσικά, η μέθοδος έμμεσης διευθυνσιοδότησης είναι πιο αργή από την άμεση. Επιτρέπει, αυξάνοντας τη χωρητικότητα της μνήμης διευθύνσεων, την πρόσβαση στον αριθμό των τελεστών 2 n φορές (όπου n είναι το μέγεθος του τμήματος διεύθυνσης της εντολής) μεγαλύτερο από ό,τι με την άμεση μέθοδο.
Η συσκευή ελέγχου διανέμει οποιαδήποτε λειτουργία σύμφωνα με τον κώδικα που καθορίζεται από τη λέξη εντολής σε μια ακολουθία φάσεων (φάσεις διεύθυνσης και φάσεις εκτέλεσης), που ονομάζεται κύκλος. Λόγω της περιορισμένης χωρητικότητας του MP, οι λειτουργίες σε τελεστές μεγάλου πλάτους μπορούν να εκτελεστούν σε δύο ή περισσότερους κύκλους. Προφανώς, αυτό μειώνει την απόδοση του MP κατά 2 ή περισσότερες φορές. Αυτό οδηγεί σε ένα ενδιαφέρον και πρακτικά σημαντικό συμπέρασμα: η ταχύτητα του MP εξαρτάται αντιστρόφως από την ακρίβεια, η οποία καθορίζεται μοναδικά από τη χωρητικότητα bit των τελεστών.
Ο μικροεπεξεργαστής περιέχει μπλοκ εγγραφής(R). Οι καταχωρητές εργασίας MP αντιπροσωπεύουν φυσικά πανομοιότυπα κελιά μνήμης που χρησιμοποιούνται για την υπερλειτουργική αποθήκευση τρεχουσών πληροφοριών (SRAM). Με συναρτήσεις που εκτελούνται, το P περιέχει ομάδες που σχετίζονται με ορισμένα στοιχείαδομές βουλευτών.
Δύο καταχωρητής τελεστών(Ο) Κατά την εκτέλεση μιας λειτουργίας, η ALU αποθηκεύει δύο δυαδικούς αριθμούς. Στο τέλος της πράξης στον πρώτο καταχωρητή, ο αριθμός αντικαθίσταται από το αποτέλεσμα, δηλ. συσσωρεύεται, όπως ήταν (εξ ου και το όνομα του καταχωρητή "συσσωρευτής"). Τα περιεχόμενα του δεύτερου καταχωρητή τελεστών αντικαθίστανται στην επόμενη λειτουργία από έναν άλλο τελεστή, ενώ τα περιεχόμενα του συσσωρευτή μπορούν να αποθηκευτούν με έναν αριθμό ειδικών οδηγιών.
Μητρώο εντολώνΤο (K) αποθηκεύει κατά την εκτέλεση της λειτουργίας αρκετά bit της λέξης εντολής, τα οποία αντιπροσωπεύουν τον κώδικα αυτής της λειτουργίας. Το τμήμα διεύθυνσης της λέξης εντολής περιέχεται στον καταχωρητή διευθύνσεων Α.
Μετά την εκτέλεση οποιασδήποτε λειτουργίας, το πλάτος bit του αποτελέσματος μπορεί να είναι μεγαλύτερο από το πλάτος bit καθενός από τους τελεστές, το οποίο καταγράφεται από την κατάσταση ενός ειδικού μητρώο σημαίας,μερικές φορές ονομάζεται σκανδάλη υπερχείλισης.Κατά τη διαδικασία εντοπισμού σφαλμάτων του μεταγλωττισμένου προγράμματος, ο προγραμματιστής πρέπει να παρακολουθεί την κατάσταση του καταχωρητή σημαίας και, εάν είναι απαραίτητο, να εξαλείψει την υπερχείλιση που έχει συμβεί.
Οι βουλευτές είναι πολύ σημαντικοί στο σύστημα διοίκησης εντολές μετάβασηςγια να εκτελέσετε μια δεδομένη ενότητα του προγράμματος σύμφωνα με ορισμένα χαρακτηριστικά και συνθήκες, τις λεγόμενες εντολές μεταβάσεις υπό όρους.Η παρουσία τέτοιων ομάδων καθορίζει το επίπεδο «νοημοσύνης» του βουλευτή, καθώς χαρακτηρίζει την ικανότητά του να παίρνει εναλλακτικές αποφάσεις και να επιλέγει διαφορετικούς δρόμους ανάλογα με τις συνθήκες που προκύπτουν κατά τη λήψη της απόφασης. Για τον καθορισμό τέτοιων συνθηκών, ένα ειδικό μητρώο κατάστασης(C), καθορίζοντας την κατάσταση του MP σε κάθε στιγμή εκτέλεσης του προγράμματος και στέλνοντας ένα σήμα μετάβασης στη μονάδα ελέγχου στην εντολή, η διεύθυνση του οποίου περιέχεται σε έναν ειδικό καταχωρητή που ονομάζεται μετρητής προγράμματος(ΣΚ). Οι εντολές στη μνήμη γράφονται σε μια συγκεκριμένη ακολουθία προγράμματος σε διευθύνσεις που σχηματίζουν μια φυσική σειρά, δηλαδή η διεύθυνση της επόμενης εντολής διαφέρει από τη διεύθυνση της προηγούμενης. Επομένως, κατά την υλοποίηση μιας συνεχούς ακολουθίας εντολών, η διεύθυνση της επόμενης εντολής λαμβάνεται προσθέτοντας μία στα περιεχόμενα του CS, δηλ. σχηματίζεται ως αποτέλεσμα της μέτρησης. Ο σκοπός του IC είναι να βρει τις απαραίτητες διευθύνσεις εντολών και εάν υπάρχουν εντολές μετάβασης στο πρόγραμμα, η επόμενη εντολή μπορεί να μην έχει την επόμενη διεύθυνση. Σε αυτήν την περίπτωση, το τμήμα διεύθυνσης της εντολής μετάβασης γράφεται στο CS.
Μητρώα γενικής χρήσης(RON) χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση ενδιάμεσων αποτελεσμάτων, διευθύνσεων και εντολών που προκύπτουν κατά την εκτέλεση του προγράμματος και μπορούν να επικοινωνούν μέσω κοινών διαύλων με άλλους καταχωρητές εργασίας, καθώς και με μετρητές προγράμματος και ένα μπλοκ πληροφοριών εισόδου/εξόδου. Ένα MP περιέχει συνήθως 10...16 RON των 2...8 bit το καθένα. Ο αριθμός των RON χαρακτηρίζει έμμεσα τις υπολογιστικές δυνατότητες του MP.
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η παρουσία σε πολλά μοντέλα MP μιας ομάδας μητρώων που έχουν οργάνωση καταστήματος ή στοίβας - τα λεγόμενα στοίβες.Η στοίβα σάς επιτρέπει να οργανώσετε τη σωστή ακολουθία εκτέλεσης διαφόρων ακολουθιών αριθμητικών πράξεων χωρίς να ανταλλάσσετε μνήμη. Ένας τελεστής ή άλλη πληροφορία μπορεί να ωθηθεί στη στοίβα χωρίς να προσδιορίσετε μια διεύθυνση, καθώς κάθε λέξη που τοποθετείται σε αυτήν καταλαμβάνει πρώτα τον πρώτο καταχωρητή και μετά «σπρώχνεται» από τις επόμενες λέξεις κάθε φορά που ένας καταχωρητής βαθύτερα. Οι πληροφορίες εξάγονται με αντίστροφη σειρά, ξεκινώντας με τον πρώτο καταχωρητή, ο οποίος αποθηκεύει την τελευταία λέξη που ωθείται στη στοίβα. Σε αυτήν την περίπτωση, τα τελευταία μητρώα διαγράφονται.
Μπλοκ μορφή ALU, UU, P ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ (CPU) που περιλαμβάνεται σε οποιονδήποτε υπολογιστή: επισημαίνεται στην Εικ. 4.2 με διακεκομμένη γραμμή. Η σύνθεση του βουλευτή μπορεί να περιλαμβάνει μετρών την ώραν(T), χρησιμοποιώντας αιωρούμενο πυκνωτή χρονισμού ή αντηχείο χαλαζία. Ο χρονοδιακόπτης είναι η καρδιά του MP, καθώς η λειτουργία του καθορίζει τη δυναμική όλων των πληροφοριών, των σημάτων διεύθυνσης και ελέγχου και συγχρονίζει τη λειτουργία της μονάδας ελέγχου, και μέσω αυτής, άλλων στοιχείων της δομής. Η συχνότητα ρολογιού, που ονομάζεται ρολόι,επιλέγεται ως μέγιστο και περιορίζεται μόνο από καθυστερήσεις σήματος, που καθορίζονται κυρίως από την τεχνολογία κατασκευής LSI. Η ταχύτητα με την οποία ένας μικροεπεξεργαστής εκτελεί ένα πρόγραμμα είναι ευθέως ανάλογη με τη συχνότητα ρολογιού.
Ο βουλευτής μπορεί να περιλαμβάνει συσκευή εισόδου/εξόδου(UVV) για την ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ του MP και άλλων συσκευών.
Τα σήματα τριών τύπων - πληροφορίες, διεύθυνση και έλεγχος - μπορούν να μεταδοθούν μέσω ενός, δύο ή τριών λεωφορείων. Λάστιχοείναι μια ομάδα γραμμών επικοινωνίας, ο αριθμός των οποίων καθορίζει το βάθος bit της δυαδικής πληροφορίας που μεταδίδεται ταυτόχρονα μέσω αυτής.
Αριθμός γραμμών λεωφορείο πληροφοριώνΤο (IS) καθορίζει την ποσότητα των πληροφοριών που λαμβάνονται ή μεταδίδονται από το MP σε μία πρόσβαση στη μνήμη, στη συσκευή εισόδου ή εξόδου. Οι περισσότεροι βουλευτές έχουν πληροφορίες 8 λεωφορείων Αυτοκινητόδρομος.Αυτό επιτρέπει τη λήψη οκτώ δυαδικών μονάδων πληροφοριών (1 byte) τη φορά. Ένα byte πληροφοριών μπορεί να περιέχει έναν από τους 256 πιθανούς χαρακτήρες του αλφαβήτου της πηγής πληροφοριών ή έναν από τους 256 πιθανούς κωδικούς λειτουργίας. Αυτός ο αριθμός έγκυρων χαρακτήρων και τύπων λειτουργίας είναι επαρκής για τις περισσότερες εφαρμογές.
Υπάρχουν βουλευτές που περιέχουν 16 και 32 λεωφορεία στον αυτοκινητόδρομο πληροφοριών.
Ο αριθμός των γραμμών στο δίαυλο ελέγχου (VIII) εξαρτάται από τη σειρά αλληλεπίδρασης μεταξύ του MP, της μνήμης και των εξωτερικών αερομεταφερόμενων πληροφοριών. Συνήθως τα λεωφορεία ελέγχου περιέχουν 8... 16 γραμμές.
4.3. Μικροϋπολογιστής
Ένα σημαντικό αποτέλεσμα της ανάπτυξης των προγραμματιζόμενων LSI ήταν η ανάπτυξη μικροϋπολογιστών. Εάν δημιουργηθεί ένας μικροϋπολογιστής σε έναν ενσωματωμένο κύκλωμα, τότε ονομάζεται single-chip. Ένα απλοποιημένο μπλοκ διάγραμμα ενός μικροϋπολογιστή φαίνεται στο Σχ. 4.3.
Εικόνα 4.3
Όπως μπορείτε να δείτε, περιέχει μια κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU) (η οποία έχει δομή παρόμοια με το MP που συζητήθηκε παραπάνω), ROM, RAM και συσκευές εισόδου και εξόδου. Η συσκευή εισόδου περιέχει επιλογέας διεύθυνσηςκαι το λεγόμενο θύρες εισόδουγια να διαβάσετε πληροφορίες από δισκέτα, ADC, τηλετύπος, διάτρητη ταινία. Η συσκευή εξόδου περιέχει επίσης έναν επιλογέα διεύθυνσης και θύρες εξόδου πληροφοριών (οθόνη, συσκευή εκτύπωσης, συσκευή εξόδου ταινίας διάτρησης, DAC).
Τα δεδομένα που λαμβάνονται από τη συσκευή εισόδου μεταδίδονται στο δίαυλο διευθύνσεων, συνήθως με τη μορφή σημάτων παράλληλων ή σειριακών κωδικών 8 bit μέσω της θύρας εισόδου. Ο επιλογέας διεύθυνσης καθορίζει τη θύρα εισόδου που μεταδίδει δεδομένα στον αυτοκινητόδρομο πληροφοριών κάποια στιγμή. Η κύρια μνήμη αποτελείται από ROM και RAM. Η μόνιμη μνήμη χρησιμοποιείται ως μνήμη προγράμματος που ο προγραμματιστής μικροϋπολογιστή έχει προ-προγραμματίσει σύμφωνα με τις απαιτήσεις του χρήστη. Για διάφορα προγράμματαχρησιμοποιήστε διαφορετικά μέρη της ROM.
Η μνήμη δεδομένων σε έναν μικροϋπολογιστή είναι RAM. Οι πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες στη μνήμη RAM διαγράφονται όταν η παροχή ρεύματος είναι απενεργοποιημένη. Τα δεδομένα που εισάγονται στη μνήμη RAM επεξεργάζονται από την CPU σύμφωνα με το πρόγραμμα που είναι αποθηκευμένο στη ROM. Τα αποτελέσματα των λειτουργιών στην CPU αποθηκεύονται σε ειδικό οδηγώπληροφορίες που ονομάζονται μπαταρία ή RAM. Μπορούν να εξάγονται με εντολή μέσω μιας από τις θύρες εξόδου σε συσκευές εξόδου που είναι συνδεδεμένες σε αυτήν τη θύρα. Η απαιτούμενη θύρα εξόδου επιλέγεται χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα επιλογής διεύθυνσης.
4.4. Συσκευές αποθήκευσης
Τα σημαντικότερα μπλοκ ψηφιακού εξοπλισμού είναι οι συσκευές αποθήκευσης (μπλοκ μνήμης), οι οποίες χωρίζονται σε εξωτερικές και εσωτερικές. ΕξωτερικόςΟι συσκευές μνήμης εξακολουθούν να εφαρμόζονται σε μαγνητικές ταινίες και μαγνητικούς δίσκους. Παρέχουν απεριόριστη μακροχρόνια αποθήκευση πληροφοριών εν απουσία! τροφοδοτικό, καθώς και σχεδόν κάθε απαραίτητη χωρητικότητα μνήμης. ΟικιακόςΟι συσκευές μνήμης αποτελούν αναπόσπαστο μέρος του ψηφιακού εξοπλισμού. Προηγουμένως, βασίζονταν σε πυρήνες φερρίτη με ορθογώνιο βρόχο υστέρησης. Τώρα, σε σχέση με την ανάπτυξη των IC, υπάρχουν πολλές ευκαιρίες για τη δημιουργία συσκευών μνήμης ημιαγωγών.
Οι συσκευές μνήμης περιλαμβάνουν τους ακόλουθους τύπους συσκευών αποθήκευσης:
Συσκευές αποθήκευσης τυχαίας πρόσβασης,εκτέλεση καταγραφής και αποθήκευσης αυθαίρετων δυαδικών πληροφοριών. ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑΗ RAM αποθηκεύει συστοιχίες επεξεργασμένων δεδομένων και προγραμμάτων που καθορίζουν τη διαδικασία της τρέχουσας επεξεργασίας πληροφοριών. Ανάλογα με το σκοπό και τη δομή, η RAM έχει χωρητικότητα 10 2 ... 10 7 bit.
Συσκευές αποθήκευσης μόνο για ανάγνωσηπου χρησιμεύει για την αποθήκευση πληροφοριών, το περιεχόμενο των οποίων δεν αλλάζει κατά τη λειτουργία του συστήματος, για παράδειγμα, τυπικές υπορουτίνες και μικροπρογράμματα που χρησιμοποιούνται κατά τη λειτουργία, τιμές πίνακα διαφόρων συναρτήσεων, σταθερές κ.λπ. Οι πληροφορίες γράφονται στη ROM από τον κατασκευαστή LSI.
Προγραμματιζόμενες συσκευές μνήμης μόνο για ανάγνωσηείναι ένας τύπος ROM, που χαρακτηρίζεται από τη δυνατότητα εφάπαξ καταγραφής πληροφοριών σύμφωνα με τις οδηγίες του πελάτη.
Επαναπρογραμματιζόμενες ROM,που διαφέρει από τα συμβατικά από τη δυνατότητα πολλαπλών ηλεκτρικών αλλαγή πληροφοριώνπραγματοποιούνται από τον πελάτη. Ο όγκος του EEPROM είναι συνήθως 10 2 ... 10 5 bit.
Σε συσκευές μόνιμη μνήμη(ROM, PROM, RPZU) υπάρχει απαίτηση για την ασφάλεια των πληροφοριών όταν η τροφοδοσία είναι απενεργοποιημένη.
Οι κύριες παράμετροι της μνήμης είναι: χωρητικότητα πληροφοριών σε bit. ελάχιστη περίοδος κυκλοφορίας· το ελάχιστο αποδεκτό διάστημα μεταξύ της αρχής ενός κύκλου και της αρχής του δεύτερου· μέγιστη συχνότητακυκλοφορία - το αντίστροφο της ελάχιστης περιόδου κυκλοφορίας. ειδική ισχύς - η συνολική ισχύς που καταναλώνεται στη λειτουργία αποθήκευσης, ανά 1 bit. Το ειδικό κόστος ενός bit πληροφοριών είναι το συνολικό κόστος του κρυστάλλου διαιρεμένο με την χωρητικότητα πληροφοριών.
4.5. Συσκευές αποθήκευσης τυχαίας πρόσβασης
Η τυπική δομή της LSI RAM φαίνεται στο Σχ. 4.4.
Εικόνα 4.4
Εικόνα 4.5
Ο κύριος κόμβος είναι μια μήτρα κυψελών μνήμης (MCM), που αποτελείται από nγραμμές με Τκελιά αποθήκευσης (που σχηματίζουν μια λέξη bit) σε κάθε γραμμή. Η χωρητικότητα πληροφοριών της μνήμης LSI καθορίζεται από τον τύπο Ν= nmκομμάτι.
Οι είσοδοι και οι έξοδοι των κυψελών μνήμης συνδέονται με τους διαύλους διεύθυνσης ASH και bit RH. Κατά τη γραφή και την ανάγνωση, γίνεται πρόσβαση (επιλέγεται) σε ένα ή ταυτόχρονα πολλά κελιά μνήμης. Στην πρώτη περίπτωση, χρησιμοποιήστε πίνακες δύο συντεταγμένων(Εικ. 4.5, α), στη δεύτερη περίπτωση πίνακες με δειγματοληψία λέξη προς λέξη(Εικ. 4.5,6).
Αποκωδικοποιητής σήματος διεύθυνσης(DAS) κατά την υποβολή των κατάλληλων σημάτων διεύθυνσης, επιλέγει τα απαιτούμενα κελιά μνήμης. Με τη βοήθεια του RS, το MNP συνδέεται με ενισχυτές buffer εγγραφής(BUZ) και ΑΝΑΓΝΩΣΗπληροφορίες (BMS). Σχέδιο Ελέγχου Εγγραφής(CPS) καθορίζει τον τρόπο λειτουργίας του LSI (γραφή, ανάγνωση, αποθήκευση πληροφοριών). Σχέδιο επιλογής κρυστάλλων(SVK) επιτρέπει την εκτέλεση λειτουργιών εγγραφής-ανάγνωσης αυτού του μικροκυκλώματος. Το σήμα δειγματοληψίας κρυστάλλων διασφαλίζει την επιλογή της απαιτούμενης μνήμης LSI σε μια μνήμη που αποτελείται από πολλά LSI.
Η εφαρμογή ενός σήματος ελέγχου στην είσοδο CPS παρουσία ενός σήματος δειγματοληψίας κρυστάλλου στην είσοδο SVK εκτελεί μια λειτουργία εγγραφής. Το σήμα στην είσοδο πληροφοριών BUZ (1 ή 0) καθορίζει τις πληροφορίες που εγγράφονται στο κελί μνήμης. Το σήμα πληροφοριών εξόδου αφαιρείται από το BUS και έχει επίπεδα σύμφωνα με τα σειριακά ψηφιακά συστήματα πληροφοριών.
Τα μεγάλα ολοκληρωμένα κυκλώματα μνήμης RAM τείνουν να βασίζονται στα απλούστερα στοιχεία TTL, TTLSh, MDP, KMDP, I 2 L, ESL, τροποποιημένα λαμβάνοντας υπόψη τις ιδιαιτερότητες συγκεκριμένων προϊόντων. Στις κυψέλες δυναμικής μνήμης, οι πυκνωτές αποθήκευσης χρησιμοποιούνται συχνότερα και τα τρανζίστορ MOS χρησιμοποιούνται ως βασικά στοιχεία.
Η επιλογή της βάσης στοιχείων καθορίζεται από τις απαιτήσεις για χωρητικότητα πληροφοριών και απόδοση της μνήμης LSI. Μεγαλύτερη χωρητικότηταεπιτυγχάνεται με τη χρήση λογικών στοιχείων που καταλαμβάνουν μια μικρή περιοχή στο τσιπ: 2 L, MIS, δυναμικό SJ. LSI με λογικά στοιχεία που έχουν μικρές διαφορές στα λογικά επίπεδα (ESL, I 2 L), καθώς και λογικές πύλες TTLSH.
Εφαρμογές συχνότητας LSI , χρησιμοποιώντας διαφορετικά βασικά τεχνικές λύσεις, που απεικονίζεται στο Σχ. 4.6.
Εικόνα 4.6
Χάρη στην ανάπτυξη της τεχνολογίας και των κυκλωμάτων, η απόδοση των στοιχείων αυξάνεται συνεχώς, έτσι τα όρια μεταξύ αυτών των περιοχών μετατοπίζονται με την πάροδο του χρόνου στην περιοχή των υψηλότερων συχνοτήτων λειτουργίας.
4.6. Συσκευές αποθήκευσης μόνο για ανάγνωση
Το κύκλωμα ROM είναι παρόμοιο με το κύκλωμα RAM (βλ. Εικ. 4.4). Οι μόνες διαφορές είναι οι εξής:
Οι ROM χρησιμοποιούνται για την ανάγνωση πληροφοριών.
Στη ROM, δειγματοληψία πολλών bit μιας διεύθυνσης γίνεται ταυτόχρονα (4, 8, 16 bit).
Οι πληροφορίες που είναι γραμμένες στη ROM δεν μπορούν να αλλάξουν και μόνο στη λειτουργία δειγματοληψίας διαβάζονται.
Τα μεγάλα ολοκληρωμένα κυκλώματα ROM ταξινομούνται σε εργοστασιακά προγραμματιζόμενο(χρησιμοποιώντας ειδικά πρότυπα φωτογραφιών) και προγραμματιζόμενο πελάτη(ηλεκτρικά).
Εικόνα 4.7
Η ROM χρησιμοποιεί μια δομή μήτρας: οι σειρές σχηματίζονται από τους διαύλους διευθύνσεων του DS και οι στήλες σχηματίζονται από τα bit του RS. Κάθε AS αποθηκεύει έναν συγκεκριμένο κωδικό: ένα δεδομένο σύνολο λογικών 1 και 0 στο MLP που φαίνεται στο Σχήμα. 4.7, α, μια απλή εγγραφή του κώδικα πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας διόδους που συνδέονται μεταξύ του ASC και εκείνων των RC στα οποία θα πρέπει να υπάρχει ένα λογικό 1 κατά την ανάγνωση Συνήθως ο πελάτης παρέχεται με μια ROM με μια μήτρα, σε όλους τους κόμβους εκ των οποίων υπάρχουν δίοδοι.
Η ουσία του εφάπαξ ηλεκτρικού προγραμματισμού του PROM είναι ότι ο χρήστης (χρησιμοποιώντας μια ειδική συσκευή προγραμματιστή) καίει τους ακροδέκτες - βραχυκυκλωτήρες εκείνων των διόδων που βρίσκονται στις θέσεις του λογικού 0. Η εξάντληση των ακροδεκτών πραγματοποιείται με διέλευση ρεύμα μέσω της αντίστοιχης διόδου που υπερβαίνει την επιτρεπόμενη τιμή.
Οι διοδικές ROM είναι απλές, αλλά έχουν σημαντικό μειονέκτημα, καταναλώνουν σημαντική ενέργεια. Για τη διευκόλυνση της λειτουργίας του αποκωδικοποιητή, χρησιμοποιούνται διπολικά (Εικ. 4.7,6) και (Εικ. 4.7, γ) τρανζίστορ αντί για διόδους.
Όταν χρησιμοποιούνται διπολικά τρανζίστορ, το AS εξασφαλίζει τη ροή ενός ρεύματος βάσης, το οποίο στο β b.t. +1 φορές λιγότερο από τον πομπό που παρέχει το RS. Κατά συνέπεια, μειώνεται σημαντικά απαιτούμενη ισχύςαποκρυπτογράφος.
Ακόμη μεγαλύτερα κέρδη επιτυγχάνονται με τη χρήση Τρανζίστορ MOS, αφού το κύκλωμα της πύλης δεν καταναλώνει σχεδόν καθόλου ρεύμα. Αυτό που χρησιμοποιείται εδώ δεν είναι η καύση των ακροδεκτών, αλλά η απουσία μεταλλοποίησης της πύλης στα τρανζίστορ που εξασφαλίζουν την ανάγνωση λογικών 0 στον δίαυλο bit.
4.7. Προγραμματιζόμενες μνήμες μόνο για ανάγνωση
Οι flashable ROM είναι οι πιο ευέλικτες συσκευές μνήμης. Το μπλοκ διάγραμμα του RPOM είναι παρόμοιο με αυτό της μνήμης RAM (βλ. Εικ. 4.4). Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό της ROM είναι η χρήση ενός ειδικά σχεδιασμένου τρανζίστορ με δομή μετάλλου-νιτριδίου-οξειδίου-ημιαγωγού (MNOS) στο MNP. Η αρχή λειτουργίας μιας τέτοιας κυψέλης μνήμης βασίζεται σε μια αναστρέψιμη αλλαγή οριακή τάσηΤρανζίστορ MNOS. Για παράδειγμα, αν κάνετε U ZIPor >U AS, τότε το τρανζίστορ δεν θα ξεκλειδωθεί με παλμούς διεύθυνσης (δηλαδή, δεν θα συμμετέχει στη λειτουργία). Ταυτόχρονα, άλλα τρανζίστορ MNOS με U
Δομή τρανζίστορ MNOS με επαγόμενο κανάλι R- ο τύπος φαίνεται στο Σχ. 4.8, α.
Εικόνα 4.8
Εδώ το διηλεκτρικό αποτελείται από δύο στρώματα: νιτρίδιο του πυριτίου (Si 3 N 4) και οξείδιο του πυριτίου (SiO 2). Η οριακή τάση μπορεί να αλλάξει εφαρμόζοντας βραχείς (περίπου 100 μs) παλμούς τάσης διαφορετικής πολικότητας στην πύλη, με μεγάλο πλάτος 30...50 V. Όταν εφαρμόζεται παλμός +30 V, η τάση κατωφλίου U ZIPor = Ρυθμίζεται -5 V Αυτή η τάση διατηρείται εάν χρησιμοποιείτε τρανζίστορ ή τάση πύλης U ZI =±10V. Σε αυτή τη λειτουργία, το τρανζίστορ MNOS λειτουργεί όπως ένα κανονικό τρανζίστορ MOS με επαγόμενο κανάλι R-τύπος.
Όταν εφαρμόζεται παλμός -30 V, η τάση κατωφλίου παίρνει την τιμή USIpore ~20 V, όπως φαίνεται στο Σχ. 4.8, 6 και V.Σε αυτήν την περίπτωση, τα σήματα στην είσοδο του τρανζίστορ U ZI ± 10 V δεν μπορούν να βγάλουν το τρανζίστορ από την κλειστή κατάσταση. Αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται στο EPROM.
Η λειτουργία των τρανζίστορ MNOS βασίζεται στη συσσώρευση φορτίου στα όρια των στρωμάτων νιτριδίου και οξειδίου. Αυτή η συσσώρευση είναι το αποτέλεσμα άνισων ρευμάτων αγωγιμότητας στα στρώματα. Η διαδικασία συσσώρευσης περιγράφεται από την έκφραση dq/ dt= I sio 2 - I si 3 n 4 . Σε υψηλή αρνητική τάση UΈνα θετικό φορτίο συσσωρεύεται στο όριο. Αυτό ισοδυναμεί με την εισαγωγή δοτών στο διηλεκτρικό και συνοδεύεται από αύξηση της αρνητικής οριακής τάσης. Σε υψηλή θετική τάση UΈνα αρνητικό φορτίο συσσωρεύεται στη διεπαφή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της αρνητικής οριακής τάσης. Σε χαμηλές τάσεις UΤα ρεύματα SI στα διηλεκτρικά στρώματα μειώνονται κατά 10...15 τάξεις μεγέθους, έτσι το συσσωρευμένο φορτίο διατηρείται για χιλιάδες ώρες και, κατά συνέπεια, διατηρείται η οριακή τάση.
Μια άλλη δυνατότητα είναι γνωστή για την κατασκευή μιας κυψέλης μνήμης για ROM που βασίζεται σε τρανζίστορ MOS με διηλεκτρικό μονής στρώσης. Εάν εφαρμόσετε μια αρκετά υψηλή τάση στην πύλη, θα δείτε κατάρρευση χιονοστιβάδαςδιηλεκτρικό, με αποτέλεσμα να συσσωρεύονται σε αυτό ηλεκτρόνια. Σε αυτή την περίπτωση, η τάση κατωφλίου του τρανζίστορ θα αλλάξει. Το φορτίο των ηλεκτρονίων διατηρείται για χιλιάδες ώρες. Για να ξαναγράψετε πληροφορίες, είναι απαραίτητο να αφαιρέσετε ηλεκτρόνια από το διηλεκτρικό. Αυτό επιτυγχάνεται με το φωτισμό του κρυστάλλου με υπεριώδες φως, το οποίο προκαλεί ένα φωτοηλεκτρικό φαινόμενο: χτυπώντας τα ηλεκτρόνια έξω από το διηλεκτρικό.
Χρησιμοποιώντας UV σβήσιμοείναι δυνατό να απλοποιηθεί σημαντικά το κύκλωμα RPOM. Το γενικευμένο μπλοκ διάγραμμα ενός RPOM με υπεριώδη διαγραφή (Εικ. 4.9) περιέχει, εκτός από το MAP, έναν αποκωδικοποιητή σήματος διεύθυνσης (DAS), μια συσκευή επιλογής κρυστάλλων (CSD) και έναν ενισχυτή buffer (BU) για την ανάγνωση πληροφοριών.
Εικόνα 4.9
Σύμφωνα με το δεδομένο μπλοκ διάγραμμα, συγκεκριμένα, κατασκευάζεται ένα LSI RPOM με υπεριώδη διαγραφή τύπου K573RF1 χωρητικότητας 8192 bit.
4.8. Μετατροπείς ψηφιακού σε αναλογικό
Ο σκοπός του DAC είναι να μετατρέψει ένα δυαδικό ψηφιακό σήμα σε ισοδύναμη αναλογική τάση. Μια τέτοια μετατροπή μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας κυκλώματα αντίστασης που φαίνονται στο Σχ. 4.10.
Εικόνα 4.10
Ένα DAC με δυαδικές αντιστάσεις βάρους (Εικόνα 4.10a) απαιτεί λιγότερες αντιστάσεις, αλλά απαιτεί μια σειρά από τιμές αντίστασης ακριβείας. Αναλογική τάση εξόδου UΤο DAC ορίζεται ως συνάρτηση των τάσεων εισόδου δύο επιπέδων:
Uένα =( UΑ+2 UΒ+4 UΓ +…)/(1+2+4+...).
Σε ψηφιακές εισόδους UΕΝΑ , U B, U C, ... Η τάση μπορεί να λάβει μόνο δύο σταθερές τιμές, για παράδειγμα, είτε 0 είτε 1. Για ένα DAC που χρησιμοποιεί αντιστάσεις RΚαι R/2, Απαιτούνται περισσότερες αντιστάσεις (Εικ. 4.10.6), αλλά με δύο μόνο τιμές. Η αναλογική τάση στην έξοδο ενός τέτοιου DAC καθορίζεται από τον τύπο
Uένα =( UΑ+2 UΒ+4 U C+…+m U n)/2 n
όπου n - αριθμός bit DAC. T -συντελεστής ανάλογα με τον αριθμό των bit DAC.
Για να εξασφαλιστεί υψηλή ακρίβεια, τα κυκλώματα DAC με αντίσταση πρέπει να λειτουργούν με φορτίο υψηλής αντίστασης. Για την αντιστοίχιση κυκλωμάτων αντίστασης με φορτία χαμηλής σύνθετης αντίστασης, χρησιμοποιούνται ενισχυτές προσωρινής μνήμης βασισμένοι σε λειτουργικούς ενισχυτές, όπως φαίνεται στο Σχ. 4.10, α, σι.
4.9. Μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό
Ο σκοπός του ADC είναι να μετατρέψει την αναλογική τάση στο ψηφιακό της ισοδύναμο. Γενικά, τα ADC έχουν πιο πολύπλοκα κυκλώματα από τα DAC, με το DAC να είναι συχνά ένα υποσύνολο του ADC. Ένα γενικευμένο μπλοκ διάγραμμα ενός ADC με ένα DAC στο κύκλωμα ανάδρασης φαίνεται στο Σχήμα. 4.11.
Εικόνα 4.11
Οι ADC που κατασκευάζονται με αυτόν τον σχεδιασμό χρησιμοποιούνται ευρέως λόγω της καλής τους ακρίβειας, της ταχύτητας, της σχετικής απλότητας και του χαμηλού κόστους τους.
Το ADC περιλαμβάνει n-Μητρώο ενεργοποίησης bit των αποτελεσμάτων μετατροπής DD 1 - DDn, Διαχείριση δυαδικών ψηφίων DAC. ένας συγκριτής συνδεδεμένος στη συσκευή ελέγχου της μονάδας ελέγχου και που περιέχει μια γεννήτρια συχνότητας ρολογιού. Με την εφαρμογή διαφορετικών αλγορίθμων λειτουργίας ADC στο VCU, λαμβάνονται διαφορετικά χαρακτηριστικά του μετατροπέα.
Χρησιμοποιώντας το σχ. 4.11, ας εξετάσουμε την αρχή λειτουργίας του ADC, υποθέτοντας ότι ένας μετρητής πάνω/κάτω χρησιμοποιείται ως καταχωρητής ενεργοποίησης. Ο αναστρέψιμος μετρητής έχει μια ψηφιακή έξοδο, η τάση στην οποία αυξάνεται με κάθε παλμό ρολογιού όταν το επίπεδο τάσης στην είσοδο μετρητή "Direct Count" είναι υψηλό και η είσοδος "Down Count" είναι χαμηλή. Αντίθετα, η ψηφιακή τάση εξόδου μειώνεται με κάθε παλμό ρολογιού όταν η είσοδος Count Up είναι χαμηλή και η είσοδος Count Down είναι υψηλή.
Το πιο σημαντικό στοιχείο του ADC είναι ο συγκριτής (K), ο οποίος έχει δύο αναλογικές εισόδους U DAC και Uκαι μια ψηφιακή έξοδος συνδεδεμένη μέσω της μονάδας ελέγχου σε έναν αναστρέψιμο μετρητή. Εάν η τάση στην έξοδο του συγκριτή είναι υψηλή, η στάθμη στην είσοδο του μετρητή Direct Count θα είναι επίσης υψηλή. Αντίθετα, όταν η τάση εξόδου του συγκριτή είναι χαμηλή, η είσοδος Up Count θα είναι επίσης χαμηλή.
Έτσι, ανάλογα με το αν η στάθμη εξόδου του συγκριτή είναι υψηλή ή χαμηλή, ο μετρητής πάνω/κάτω μετράει προς την εμπρός ή την αντίστροφη κατεύθυνση, αντίστοιχα. Στην πρώτη περίπτωση, στην είσοδο UΟ συγκριτής DAC δείχνει μια σταδιακά αυξανόμενη τάση και στη δεύτερη μια σταδιακά φθίνουσα τάση.
Δεδομένου ότι ο συγκριτής λειτουργεί ανοιχτού βρόχου, το επίπεδο τάσης εξόδου του αυξάνεται όταν η τάση στην είσοδο του UΤο an θα γίνει ελαφρώς πιο αρνητικό από ό,τι στην είσοδο U DAC. Αντίστροφα, το επίπεδο τάσης εξόδου του γίνεται χαμηλό μόλις η τάση εισόδου UΤο an θα γίνει ελαφρώς πιο θετικό από την τάση εισόδου U DAC.
Στην είσοδο UΟ συγκριτής DAC λαμβάνει την τάση εξόδου του DAC, η οποία συγκρίνεται με την αναλογική τάση εισόδου που παρέχεται στην είσοδο U en .
Αν αναλογική τάση Uυπερβαίνει την τάση που λαμβάνεται από την έξοδο του DAC, ο αναστρέψιμος μετρητής μετράει προς τα εμπρός, αυξάνοντας την τάση στην είσοδο σταδιακά U DAC στην τιμή της τάσης εισόδου Uένα. Αν U en<UΤο DAC ή γίνεται ένα κατά τη διαδικασία μέτρησης, η τάση στην έξοδο του συγκριτή είναι χαμηλή και ο μετρητής μετράει προς την αντίθετη κατεύθυνση, και πάλι οδηγεί U DAC προς U en . Έτσι, το σύστημα έχει έναν βρόχο ανάδρασης που διατηρεί την τάση εξόδου DAC περίπου ίση με την τάση U en . Επομένως, η έξοδος του μετρητή πάνω/κάτω είναι πάντα το ψηφιακό ισοδύναμο της αναλογικής τάσης εισόδου. Το ψηφιακό ισοδύναμο του αναλογικού σήματος εισόδου του ADC διαβάζεται από την έξοδο του πάνω/κάτω μετρητή.
4.10. Ψηφιακός και αναλογικός πολυπλέκτης
Σε συστήματα μικροεπεξεργαστών, ADC, DAC, καθώς και σε συστήματα ηλεκτρονικών μεταγωγής, χρησιμοποιούνται ευρέως πολυπλέκτης: πολυκαναλικοί διακόπτες (με 4, 8, 16, 32, 64 εισόδους και 1-2 εξόδους) με συσκευή ψηφιακού ελέγχου. Οι απλούστεροι πολυπλέκτης ψηφιακών και αναλογικών σημάτων φαίνονται στο Σχ. 4.12, α και σιαντίστοιχα.
Εικόνα 4.12
Ένας ψηφιακός πολυπλέκτης (Εικ. 4.12, α) επιτρέπει τη διαδοχική ή τυχαία εξέταση των λογικών καταστάσεων των πηγών σήματος Χ 0 , Χ 1 , Χ 2 , Χ 3 και μετάδοση του αποτελέσματος της δημοσκόπησης στην έξοδο
Σύμφωνα με αυτή την αρχή, οι πολυπλέκτης κατασκευάζονται για οποιονδήποτε απαιτούμενο αριθμό εισόδων πληροφοριών. Ορισμένοι τύποι ψηφιακού πολυπλέκτη επιτρέπουν την εναλλαγή αναλογικών σημάτων πληροφοριών.
Ωστόσο, η καλύτερη απόδοση επιτυγχάνεται από αναλογικούς πολυπλέκτης που περιέχουν μια μήτρα αναλογικών διακοπτών υψηλής ποιότητας (AK 1 ... AK 4) που λειτουργούν σε έναν ενισχυτή buffer εξόδου, μια ψηφιακή μονάδα ελέγχου. Η σύνδεση των κόμβων μεταξύ τους φαίνεται στο Σχ. 4.12.6.
Ένα παράδειγμα αναλογικού πολυπλέκτη LSI είναι ένα μικροκύκλωμα τύπου K591KN1, κατασκευασμένο με βάση τρανζίστορ MOS. Παρέχει εναλλαγή 16 αναλογικών πηγών πληροφοριών ανά έξοδο, επιτρέποντας τόσο τη διευθυνσιοδότηση όσο και τη διαδοχική δειγματοληψία καναλιών. Κατά την ανάπτυξη αναλογικών πολυπλέκτη LSI, λαμβάνεται υπόψη η ανάγκη συμβατότητάς τους με το σύστημα εντολών των μικροεπεξεργαστών.
Οι αναλογικοί πολυπλέκτης είναι πολλά υποσχόμενα προϊόντα για ηλεκτρονικά πεδία μεταγωγής και πολυκάναλοι ηλεκτρονικοί διακόπτες για επικοινωνίες, ραδιοφωνικές εκπομπές και τηλεόραση.
