Лекция 1 интегральная схемотехника. ИС, бис и сбис. Устройства на осно. Ве бис и сбис.

ЛЕКЦИЯ 1 ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМОТЕХНИКА. ИС, БИС И СБИС. УСТРОЙСТВА НА ОСНО. ВЕ БИС И СБИС.

 

Элементную базу всех цифровых устройств (ЦУ) [ Digital Devices ] составляют интегральные схемы (ИС) [ Integrated Circuit (IC)], которые также называются микросхемами (МС) или чипами (микрочипами) [ Chip (Microchip)].

 

Рис.1. Интегральные микросхемы

 

Рис.2. ИС на печатной плате

 

История

Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных плёнок, проявляющихся в эффекте плохой электро-проводимости при небольших электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, что в месте соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к открытию диодов а позже транзисторов и интегральных микросхем.

В 1958 году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был одним из основателей небольшой компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor. Обоих объединил вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и учёные решили попробовать их объединить на одном монолитном кристалле из полупроводникового материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний. В 1959 году они отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения — началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов. После того как в 1961 году Fairchild Semiconductor Corporation пустила интегральные схемы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность.

В настоящее время без иньегральных микросхем немыслимо создан ие ни однофй современной информационной, управляющей системы. На рисунке 3 приведены разновидности интегральных микросхем и средств поддержки их использования в самых различных прикладных областях

Рис. 3. Разновидности интегральных микросхем и средств поддержки их использования

Аналоговые схемы

· Операционные усилители.

· Компараторы.

· Генераторы сигналов.

· Фильтры (в том числе на пьезоэффекте).

· Аналоговые умножители.

· Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители.

· Стабилизаторы источников питания: стабилизаторы напряжения и тока.

· Микросхемы управления импульсных блоков питания.

· Преобразователи сигналов.

· Схемы синхронизации.

· Различные датчики (например, температуры).

Цифровые схемы

· Цифровая интегральная схема

· Логические элементы

· Триггеры

· Счётчики

· Регистры

· Буферные преобразователи

· Шифраторы

· Дешифраторы

· Цифровой компаратор

· Мультиплексоры

· Демультиплексоры

· Сумматоры

· Полусумматоры

· Ключи

· АЛУ

· Микроконтроллеры

· (Микро)процессоры (в том числе ЦП для компьютеров)

· Однокристальные микрокомпьютеры

· Микросхемы и модули памяти

· ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

Аналогово-цифровые схемы

· цифро-аналоговые (ЦАП) и аналогово-цифровые преобразователи (АЦП).

· Цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС).

· Трансиверы (например, преобразователь интерфейса Ethernet).

· Модуляторы и демодуляторы.

· Радиомодемы

· Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста

· Трансиверы FastEthernet и оптических линий

· Dial-Up модемы

· Приёмники цифрового ТВ

· Сенсор оптической мыши

· Преобразователи напряжения питания и другие устройства на переключаемых конденсаторах

· Цифровые аттенюаторы.

· Схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с последовательным интерфейсом.

· Коммутаторы.

· Генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации

· Базовые матричные кристаллы (БМК): содержит как аналоговые, так и цифровые первичные элементы.

 

Внутреннее устройство ИС.

Интегральная микросхема — это сложное устройство, которое предназначается для передачи или преобразования электрических сигналов. Особенностью такой конструкции является объединение множества отдельных цифровых элементов на одной полупроводниковой подложке. Зачастую здесь можно встретить такие элементы:

· транзисторы;

· диоды;

· резисторы и много др.

Все они могут объединяться в отдельные кристаллы, которые предназначаются для решения конкретных задач. Современные технологии и материалы позволяют использовать для таких целей элементы очень малого размера. Поэтому одна такая микросхема занимает мало места, но ее мощность и скорость обработки не падает.

Современные микропроцессоры

Одной из наиболее распространённых ИС высокой степени интеграции является микропроцессор. Современные микропроцессоры, выпускаемые массово можно разделить на процессоры для создания ЭВМ различной мощности (универсальных от ПК на базе одного процессора, до суперЭВМ, использующих многие тысячи параллельно работающих процессоров), и процессоры для смартфонов. Впрочем, последние всё более широко используются также для создания на их основе самых высокопроизводительных СуперЭВМ.

На рисунках 9.14 приведены изображения современных процессоров.

 

 

Рис. 9. Микропроцессор семейства ARM с ядром Cortex

 

 

Рис. 10. Микропроцессор для ПК фирмы Intel

 

Рис. 11. Микропроцессор с архитектурой RISC на плате

 

 

Рис. 12. Микропроцессор фирмы AMD. Компания AMD анонсировала линейку третьего поколения своих последних процессоров семейства AMD Ryzen 9 «Threadripper» — Ryzen 3950X, Ryzen 3960X и Ryzen 3970X. Являясь частью семейства процессоров AMD Ryzen 9 Threadripper для настольных ПК, новый процессор AMD Ryzen 9 3950X стал самым мощным в мире 16-ядерным процессором для настольных ПК

 

 

Рис. 13. Вариант крепления микропроцессора на плате с помощью прижимов

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 14. Процессоры для мобильных гаджетов

 

 

 

Рис. 15. Пример установки процессора в мобильном устройстве.

 

ЛЕКЦИЯ 1 ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМОТЕХНИКА. ИС, БИС И СБИС. УСТРОЙСТВА НА ОСНО. ВЕ БИС И СБИС.

 

Элементную базу всех цифровых устройств (ЦУ) [ Digital Devices ] составляют интегральные схемы (ИС) [ Integrated Circuit (IC)], которые также называются микросхемами (МС) или чипами (микрочипами) [ Chip (Microchip)].

 

Рис.1. Интегральные микросхемы

 

Рис.2. ИС на печатной плате

 

История

Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных плёнок, проявляющихся в эффекте плохой электро-проводимости при небольших электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, что в месте соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к открытию диодов а позже транзисторов и интегральных микросхем.

В 1958 году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был одним из основателей небольшой компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor. Обоих объединил вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и учёные решили попробовать их объединить на одном монолитном кристалле из полупроводникового материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний. В 1959 году они отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения — началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов. После того как в 1961 году Fairchild Semiconductor Corporation пустила интегральные схемы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность.

В настоящее время без иньегральных микросхем немыслимо создан ие ни однофй современной информационной, управляющей системы. На рисунке 3 приведены разновидности интегральных микросхем и средств поддержки их использования в самых различных прикладных областях

Рис. 3. Разновидности интегральных микросхем и средств поддержки их использования