Integrované obvody. Obvody malé, střední a velké integrace Programovatelné obvody

Transkript

1 Integrované obvody Obvody malé, střední a velké integrace Programovatelné obvody

2 Integrovaný obvod zkratka: IO anglický termín: integrated circuit = IC Co to je? elekrotechnická součástka na malé ploše čipu (křemíkového plátku) velikosti řádově několik mm 2 je integrováno (soustředěno) velké množství aktivních i pasivních součástek; spolu tvoří elektrický obvod (vykonávají společnou funkci) zejména tranzistorů, diod, rezistorů kondenzátory a indukčnosti se realizují obtížně

3 počet součástek může být v řádu od desítek až po několik miliónů čip je zapouzdřen v plastovém nebo keramickém pouzdru, na okrajích pouzdra jsou vyvedeny nožičky (piny) cíl návrhářů: zvyšovat počet součástek na jednotkovou plochu čipu (zvyšovat stupeň integrace)

4 stupeň integrace se udává: počtem tranzistorů počtem tzv. ekvivalentních hradel kolik běžných diskrétních hradel bychom potřebovali k realizaci daného obvodu stupeň integrace závisí na zvládnuté technologii při návrhu IO návrháři umísťují součástky a vodivé cesty do rastru dnes Intel 20 nm, přejde na 14 nm součástky a cesty jsou na čipu ve více vrstvách více úrovní metalizace

5 Ukázka integrovaného obvodu

6 Dělení integrovaných obvodů dělení z hlediska technologie výroby hybridní integrované obvody historické, dnes se již nepoužívají miniaturní plošný spoj je osazen miniaturními diskrétními součástkami monolitické integrované obvody obvod je vytvořen z monolitického bloku krystalu křemíku

7 Pouzdra integrovaných obvodů na použitém pouzdru závisejí tepelné (a tím i výkonové) vlastnosti integrovaného obvodu a cena plastové pouzdro je výrobně levnější, ale hůře odvádí teplo keramické pouzdro je dražší, ale lépe odvádí teplo příkon obvodů technologie CMOS závisí kvadraticky na frekvenci hodinového signálu

8 Používaná pouzdra Klasická pouzdra se umísťují do patic nebo se pájejí do plošek s otvorem DIP (DIL) - Dual in Line Package vývody po obou stranách pouzdra

9 Pouzdro DIP

10 Povrchová montáž SMT Surface Montage Technology technologie povrchové montáže princip: součástky SMD (Surface Monage Device) jsou připájeny (nebo přilepeny vodivým lepidlem) na plošky bez otvorů

11 Pouzdro SOP

12 Dělení obvodů podle stupně integrace obvody malé integrace small scale integration - SSI obvody střední integrace middle scale integration - MSI obvody velké integrace large scale integration - LSI obvody velmi velké integrace very large scale integration - VLSI

13 Poznámky: dnes se začíná hovořit o obvodech ULSI Ultra Large Scale Integration hranice mezi kategoriemi a názvy kategorií se mohou lišit v různé literatuře

14 Obvody malé integrace SSI na ploše čipu jednotky, max. desítky hradel hlavní období nasazení: konec 60. let, 70. léta stále se vyrábějí (cena za obvod do 20 Kč) dnešní oblast použití pomocné obvody k obvodům vyšší integrace (zejména k jednočipovým mikropočítačům) v tzv. embeded aplikacích (dálkové ovladače, ovládací panely spotřební elektroniky do této kategorie patří nejstarší obvody z řady 74xx a CMOS 4000, jako 7400, 7402, 7420, 7474, 74125

15 Některé obvody SSI

16 Příklady aplikace obvodu SSI: rozsvěcování výkonové LED pin procesoru není schopen dodat dostatečný proud použijeme pro napájení LED obvod 74125, což je výkonový třístavový budič, a zapojíme jej mezi pin procesoru (obvod VLSI) a diodu. dlouhé vodiče sběrnice na desce plošných spojů použijeme k vybuzení obvodu (8x třístavový výkonový obousměrný budič sběrnice)

17 Obvody střední integrace MSI na ploše čipu desítky až stovky hradel multiplexory, demultiplexory, komparátory, vícebitové klopné obvody (registry), posuvné registry, čítače, dekodéry a jednoduché aritmetické obvody (např. čtyřbitová sčítačka) aj. na zásuvné kartě ISA do počítače PC z počátku 90. let nalezneme ještě asi polovinu obvodů MSI dnešní uplatnění: stejné jako u obvodů malé integrace doplňkové obvody

18 Některé obvody MSI

19 Dekodér pro 7-segmentovou jednotku (7449) b0 b1 b2 b3 Dekodér A B C D E F G

20 Pravdivostní tabulka dekodéru segment svítí, je-li na jeho vstupu log. 0 (jednotka konstruována se společnou anodou) b 3 b 2 b 1 b 0 A B C D E F G

21 Příklad aplikace obvodu MSI: zobrazení cifer na dvou sedmisegment. jednotkách použijeme posuvné registry

22 Multiplexor významný kombinační obvod z kategorie MSI používá se jako stavební blok při návrhu obvodů VLSI (procesorů) zkratka: MPX, MUX česky: selektor dat funkce: vybírá na výstup o jeden z n datových vstupů i 0 až i n-1 počet vstupů je roven mocnině dvou výběr se určuje řídicími signály s

23 Příklad: schématická značka 4-vstupového MPX pravdivostní tabulka

24 rovnice a vnitřní schéma

25 Příklad: obvod osmivstupový multiplexor Použití multiplexoru výběr zdroje dat pro aritmetickou jednotku počítače výběr dat při časovém multiplexu (řídicí výběrové signály buzeny čítačem)

26 Výběr zdroje dat pro aritmetickou jednotku procesoru pomocí multiplexoru

27 Demultiplexor/dekodér obvod s opačnou funkcí než multiplexor funkce: vstup i je kopírován na jeden z n výstupů o 0 až o n-1 počet výstupů je roven určité mocnině dvou, výběr výstupu se určuje řídicími signály ostatní nevybrané výstupy mají zpravidla hodnotu log. 0

28 Příklad: obvod dekodér s osmi výstupy Použití: dekodér adresy

29 Pravdivostní tabulka demultiplexoru:

30 Využití demultiplexoru jako dekodéru adresy D0-D7 CLK A0 A1 vstupní data povolení zápisu \WE (write enable) S0 S1 E0 E1 E2 E3 demultiplexor/dekodér 8 R0 \WE D CLK R1 \WE D CLK R2 \WE D CLK R3 \WE D CLK

31 Obvody velké integrace a velmi velké integrace LSI - tisíce až statisíce hradel VLSI až milióny hradel (tranzistorů) první procesor Pentium měl asi 5 mil. tranzistorů na čipu obvod Virtex 7 od firmy XILINX má 6,8 miliard tranzistorů na čipu obvody VLSI mohou být univerzální procesory speciální řadiče graf. karet, řídicí obvody do letadel vyrobené na přání zákazníka

32 plně zákaznické Dělení obvodů VLSI zákazník si navrhne obvod zcela sám, výrobce jej vyrobí (velmi drahé) polozákaznické zákazník používá při návrhu obvodu prefabrikované bloky ASIC aplikačně specifické integrované obvody speciální: programovatelné obvody zákazníkem

33 Programovatelné obvody univerzální číslicové obvody, funkci určuje zákazník obecné označení PLD Programmable Logic Devices obsahují základní logické členy, vodiče a mezi nimi programovatelné propojovací prvky (spínací tranzistory) princip: zákazník ve speciálním software nakreslí schéma, sw jej zpracuje (syntéza), výsledkem jsou konfigurační data pro obvod

34 74AHC00D

35 Motorola MC705

36 Motorola MC68010

37 Altera Stratix IV