Интегральные схемы

На прак­тике цифровые логические схемы очень редко строятся из вентилей как отдельных конструктивных единиц. Сейчас в качестве основных «строитель­ных» элементов используются стандартные модули, каждый их которых объединяет несколько вентилей, которые на­зываются интегральными схемами (ИС), или микросхемами.

Интегральная схема представляет собой квадратный кусок кремния размером примерно 5x5 мм² на котором располагаются несколько вентилей.

Малые интегральные схемы обычно помещаются в прямоугольные пластиковые или керамические корпуса размером от 5 до 15 мм в ширину и от 20 до 50 мм в длину.

Вдоль длинных сто­рон располагается два параллельных ряда выводов около 5 мм в длину, которые можно вставлять в разъемы или впаивать в печатную плату.

Каждый вывод со­единяется с входом или выходом какого-нибудь вентиля, с источником питания или с «землей». Корпус с двумя рядами выводов снаружи и интегральными схе­мами внутри официально называется корпусом с двусторонним расположени­ем выводов (Dual Inline Package, DIP), но все называют его микросхемой, игно­рируя разницу между куском кремния и корпусом, в который он помещается.

Большинство корпусов имеют 14, 16, 18, 20, 22, 24, 28, 40, 64 или 68 выводов. Для больших микросхем часто используются корпуса, у которых выводы распо­ложены со всех четырех сторон или снизу.

Микросхемы можно разделить на несколько классов с точки зрения количе­ства вентилей, которые они содержат. Эта классификация, конечно, очень гру­бая, но иногда она может быть полезна:

· МИС (малая интегральная схема) — от 1 до 10 вентилей;

· СИС (средняя интегральная схема) — от 1 до 100 вентилей;

· БИС (большая интегральная схема) — от 100 до 100 000 вентилей;

· СБИС (сверхбольшая интегральная схема) — более 100 000 вентилей.

Эти схемы имеют различные свойства и используются для различных целей.

МИС обычно содержит от двух до шести независимых вентилей, каждый из которых может использоваться отдельно, как описано в предыдущих раз­делах. На рис- 3,9 изображена обычная МИС, содержащая четыре вентиля НЕ-И.

Каждый из этих вентилей имеет два входа и один выход, что требует 12 выво­дов. Кроме того, микросхеме требуются питание (V_cc) и земля. Они общие для всех вентилей. На корпусе рядом с выводом 1 обычно имеется паз, чтобы можно было определить, где находится вывод 1.

Подобные микросхемы стоят несколько центов. Каждая содержит несколько вентилей и примерно до 20 выводов. В 70-е годы компьютеры конструировались из большого числа таких микросхем, но в настоящее время на одну микросхему поме­щается целый центральный процессор и существенная часть памяти (кэш-память).

Для удобства мы считаем, что выходной сигнал вентиля изменяется, как только изменяется сигнал на его входе. На самом деле существует определенная задержка вентиля,которая включает в себя время прохождения сигнала через микросхему и время переключения. Задержка обычно составляет от 1 до 10 нс.

В настоящее время стало возможным помещать свыше 100 млн. транзисторов на одну микросхему.

Так как любая схема может быть сконструирована из венти­лей НЕ-И, может создаться впечатление, что можно изгото­вить микросхему - сборку, содержащую 5 млн вентилей НЕ-И,

Для созда­ния такой микросхемы потребуется около 15 000 000 выводов. Поскольку стандартный вывод занимает 2,5 мм, микросхема будет иметь в длину более 18 км., что практически нереализуемо.

Поэтому чтобы ис­пользовать возможность размещения на одном кристалле множества вентилей, нужно разработать такие схемы, в которых количество вентилей значительно превышает количество выводов.