Integrované obvody Obvody malé, střední a velké integrace Programovatelné obvody
Integrovaný obvod • zkratka: IO • anglický termín: integrated circuit = IC
Co to je? • elekrotechnická součástka – na malé ploše čipu (křemíkového plátku) velikosti řádově několik mm2 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
– 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)
• 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
Ukázka integrovaného obvodu
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
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
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
Pouzdro DIP
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
Pouzdro SOP
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
Poznámky: • dnes se začíná hovořit o obvodech ULSI – Ultra Large Scale Integration
• hranice mezi kategoriemi a názvy kategorií se mohou lišit v různé literatuře
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
Některé obvody SSI
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 74245 (8x třístavový výkonový obousměrný budič sběrnice)
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
Některé obvody MSI
Dekodér pro 7-segmentovou jednotku (7449)
b0 b1 b2 b3
Dekodér
A B C D E F G
Pravdivostní tabulka dekodéru – segment svítí, je-li na jeho vstupu log. 0 (jednotka konstruována se společnou anodou) b3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1
b2 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0
b1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0
b0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
A
B
C
D
E
F
G
0 1 0 0 1 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 1 1 0 0 0
0 0 1 0 0 0 0 0 0 0
0 1 0 0 1 0 0 1 0 0
0 1 0 1 1 1 0 1 0 1
0 1 1 1 0 0 0 1 0 0
1 1 0 0 0 0 0 1 0 0
Příklad aplikace obvodu MSI: • zobrazení cifer na dvou sedmisegment. jednotkách – použijeme posuvné registry
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 i0 až in-1 – počet vstupů je roven mocnině dvou – výběr se určuje řídicími signály s
Příklad: • schématická značka 4-vstupového MPX
• pravdivostní tabulka
• rovnice a vnitřní schéma
Příklad: • obvod 74151 – osmivstupový multiplexor
Použití multiplexoru • výběr zdroje dat pro aritmetickou jednotku počítače • výběr dat při časovém multiplexu (řídicí výběrové signály buzeny čítačem)
Výběr zdroje dat pro aritmetickou jednotku procesoru pomocí multiplexoru
Demultiplexor/dekodér • obvod s opačnou funkcí než multiplexor • funkce: – vstup i je kopírován na jeden z n výstupů o0 až on-1 – počet výstupů je roven určité mocnině dvou, výběr výstupu se určuje řídicími signály – ostatní nevybrané výstupy mají zpravidla hodnotu log. 0
Příklad: • obvod 74138 – dekodér s osmi výstupy
Použití: • dekodér adresy
Pravdivostní tabulka demultiplexoru:
Využití demultiplexoru jako dekodéru adresy vstupní data
8
D0-D7
R0 \WE
povolení zápisu \WE (write enable)
D CLK
R1 \WE D
CLK
CLK
R2
A0 A1
S0 S1
E0 E1 E2 E3
\WE D CLK
R3 \WE
demultiplexor/dekodér
D CLK
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
Dělení obvodů VLSI • plně zákaznické – 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
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
74AHC00D
Motorola MC705
Motorola MC68010
Altera Stratix IV
