Что такое цифровая интегральная схема?

В быстро меняющемся мире современной электроникицифровые интегральные схемы (ИС)— это невоспетые герои, которые питают все: от наших смартфонов и ноутбуков до сложных суперкомпьютеров и промышленных систем управления. Но что такое цифровая интегральная схема?

Цифровая интегральная схема, также известная как логическая интегральная схема, представляет собой электронную схему, предназначенную для обработки цифровых сигналов и управления ими. Он основан на принципах цифровой логики, которая использует двоичные числа (0 и 1) для представления информации. Эти схемы изготавливаются на одной полупроводниковой подложке, обычно изготовленной из кремния, и содержат большое количество взаимосвязанных электронных компонентов, таких как транзисторы, резисторы, конденсаторы и диоды.

Логическая функция цифровых интегральных схем

Цифровые логические схемыможно разделить на две категории: комбинационные логические схемы и последовательные логические схемы. В комбинационной логической схеме выход в любой момент зависит исключительно от входа в этот момент, а не от предыдущего рабочего состояния схемы. Наиболее часто используемые комбинационные логические схемы включают, среди прочего, кодеры, декодеры, селекторы данных, демультиплексоры, числовые компараторы, полные сумматоры и устройства проверки четности.

Рисунок 1. Комбинационная логическая схема.

В последовательной логической схеме выход в любой момент зависит не только от входа в этот момент, но и от исходного состояния схемы. Следовательно, последовательные логические схемы должны иметь функцию памяти и включать в себя схемы запоминающих устройств. Регистры, сдвиговые регистры и счетчики являются наиболее часто используемыми последовательными логическими схемами.

Рисунок 2. Схема последовательной логики.

Для различных применений этих двух типов логических схем существуют стандартизированные и серийные интегральные схемы, обычно называемые интегральными схемами общего назначения. Соответственно, эти интегральные схемы, разработанные и изготовленные для конкретных целей, называются интегральными схемами специального назначения (ASIC).

Внутренний дизайн цифровых интегральных схем

Цифровая схемасостоит из комбинационной логики и регистров (триггеров). Комбинационная логика, функция, состоящая из базовых вентильных схем, имеет выходы, которые зависят исключительно от токовых входов. Первая диаграмма на рисунке 3 иллюстрирует комбинационную логику, которая выполняет только логические операции. Напротив, последовательная схема содержит не только базовые схемы затворов, но и элементы хранения, используемые для сохранения прошлой информации. Стационарный выход последовательной схемы связан как с текущим входом, так и с состоянием, сформированным предыдущими входами. При выполнении логических операций результаты обработки могут быть временно сохранены для использования в следующей операции, как показано на второй схеме.
Функционально внутреннюю часть цифровой интегральной схемы можно разделить на две части: тракт данных и логику управления. Обе части объединяют большое количество последовательных логических схем, большинство из которых являются синхронными последовательными схемами. Последовательная схема разделена на несколько узлов множеством регистров, и эти регистры работают в одном и том же ритме под управлением часов, что упрощает процесс проектирования.

Рисунок 3. Внутренняя структура цифровых интегральных схем.

В результате многолетней практики проектирования было разработано множество стандартных агрегатов общего назначения. К ним относятся селекторы (также известные как мультиплексоры, которые могут выбирать один выход из нескольких входных данных), компараторы (используются для сравнения величин двух чисел), сумматоры, умножители, регистры сдвига и т. д. Эти единичные схемы имеют правильную форму и легко интегрируются, поэтому цифровые схемы получили лучшее развитие в интегральных схемах.
Эти устройства соединяются в соответствии с требованиями проекта для формирования канала передачи данных. По этому пути данные, подлежащие обработке, передаются от входного конца к выходному, и получается окончательный результат обработки. В то же время специально разработанная логика управления и каждый компонент, контролирующий путь данных, должны работать в соответствии с соответствующими функциональными требованиями и конкретными временными соотношениями.

Модели цифровых интегральных микросхем

Модельцифровой интегрированный чипобычно состоит из трех частей: префикса, серийного номера и суффикса, каждая из которых несет определенную информацию:

Префикс: обычно обозначает производителя или серию, к которой принадлежит чип. Например, серия «74» — это общий префикс для цифровых чипов TTL, выпускаемых несколькими производителями; Серия «CD40» представляет собой типичную префикс для CMOS-чипов, в которых доминируют такие производители, как Texas Instruments (TI).

Серийный номер: используется для обозначения конкретной функциональной модели чипа. Например, «00» в 74LS00 указывает, что микросхема представляет собой четырехканальный вентиль И-НЕ с двумя входами, а «595» в 74HC595 представляет собой 8-битный сдвиговый регистр.

Суффикс: обычно обозначает такие параметры, как форма упаковки чипа и температурный диапазон. Например, «DIP» означает двойной линейный корпус, «SMD» — корпус устройства для поверхностного монтажа; «-40℃~85℃» указывает диапазон рабочих температур чипа.

Этот метод именования модели предоставляет разработчикам удобную основу для идентификации, позволяя им быстро оценить функцию чипа, применимые сценарии и физические характеристики.

Типы цифровых интегрированных микросхем

В зависимости от структуры схемы, функций и сценариев применения,цифровые интегрированные чипыможно разделить на следующие основные виды:

1. Классификация по структуре схемы

Чипы TTL (транзисторно-транзисторная логика): Они основаны на биполярных транзисторах и обеспечивают проводимость как электронов, так и дырок. Они отличаются высокой скоростью переключения и мощными ходовыми качествами, но имеют относительно высокое энергопотребление. Обычные серии 74 (например, декодер 74LS138) относятся к микросхемам TTL и широко использовались в ранних цифровых системах.

CMOS (дополнительные металл-оксид-полупроводник) чипы: Они состоят из комплементарной структуры PMOS и NMOS транзисторов, проводящих электричество только с одним типом носителя. Они обладают такими преимуществами, как низкое энергопотребление, высокое входное сопротивление и широкий диапазон напряжения питания, что делает их в настоящее время основным типом цифровых микросхем. Примеры включают серию CD4000 и серию 74HC (например, инвертор 74HC04), которые широко используются в портативных устройствах и системах с низким энергопотреблением.

2. Классификация по функциям

Чипы логических ворот: Они реализуют основные логические операции и являются основой сложных схем. К ним относятся логические элементы И (например, 74LS08), логические элементы ИЛИ (например, 74LS32), логические элементы НЕ (например, 74LS04) и составные логические элементы (например, логический элемент И-НЕ 74LS00 и логический элемент НЕ-ИЛИ 74LS02).

Последовательные логические чипы: Они содержат единицы хранения, и их выходные данные зависят как от текущих входных данных, так и от исторических состояний, используемых для реализации таких функций, как подсчет и хранение. Примеры включают 4-битный счетчик 74LS161, 8-битный регистр 74LS373 и сдвиговый регистр 74LS164.

Чипы обработки данных: они используются для определенных операций, таких как выбор данных, кодирование и декодирование. Например, селектор данных 8-к-1 74LS151, декодер строк 3-8 74LS138 и декодер BCD-семисегментного дисплея 74LS48.

3. Классификация по сценарию применения.

Интегральные схемы общего назначения: предназначены для стандартизированных функций, подходят для различных сценариев, отличаются универсальностью и взаимозаменяемостью. Вышеупомянутые логические элементы, счетчики, регистры и т. д. относятся к этой категории. Например, чипы серии 74 и серии CD4000 можно гибко использовать в различных цифровых системах.

Интегральные схемы специального назначения (ASIC): Разработан специально для конкретных сценариев, таких как чипы обработки сигналов изображений в смартфонах ивстроенные чипы управленияв автомобильной электронике. ASIC могут оптимизировать производительность и максимально снизить энергопотребление, но имеют высокую стоимость проектирования и длинные циклы, что делает их подходящими для специализированных устройств массового производства.

Программируемые логические устройства (PLD): включая FPGA (программируемые пользователем вентильные матрицы) и CPLD (сложные программируемые логические устройства), они позволяют пользователям настраивать логические функции посредством программирования. Например, FPGA серии Spartan от Xilinx можно использовать при разработке прототипов или сценариях мелкосерийной настройки, обеспечивая баланс между гибкостью и производительностью.

Эти различные типы цифровых интегрированных микросхем в совокупности поддерживают создание всего: от простого логического управления до сложных цифровых систем, удовлетворяя разнообразные потребности в электронном проектировании.

Классификация цифровых интегральных схем на основе шкалы интегрирования

Малая интеграция (SSI): схемы SSI обычно содержат до 10 вентилей или несколько десятков компонентов. Эти схемы часто используются для выполнения основных логических функций в простых цифровых системах. Например, микросхема 7400, содержащая четыре двухвходовых вентиля И-НЕ, является распространенным устройством SSI. Его можно использовать в таких приложениях, как простые схемы логического управления, где требуются базовые логические операции.

Среднемасштабная интеграция (MSI): Схемы MSI содержат от 10 до 100 вентилей или несколько сотен компонентов. Они используются для более сложных функций. Чип 74161, представляющий собой 4-битный синхронный счетчик, является примером устройства MSI. Счетчики широко используются в цифровых системах для таких задач, как подсчет событий, генерация сигналов синхронизации и контроль последовательности операций.

Крупномасштабная интеграция (LSI): Схемы БИС содержат от 100 до 10 000 вентилей или тысяч компонентов. Чипы памяти, такие как ранние статические запоминающие устройства с произвольным доступом (SRAM) и простые микропроцессоры, являются примерами устройств LSI. 8-битный микропроцессор может быть реализован с использованием технологии LSI. Он может выполнять набор инструкций, выполнять арифметические и логические операции и управлять потоком данных в цифровой системе.

Очень крупномасштабная интеграция (СБИС): Схемы СБИС содержат более 10 000 вентилей или от сотен тысяч до миллионов компонентов. Современные микропроцессоры, например те, которые используются в персональных компьютерах, и динамическая память произвольного доступа (DRAM) большой емкости являются классическими примерами устройств СБИС. Высокопроизводительный процессор для настольных ПК может содержать миллиарды транзисторов, которые организованы в сложные логические схемы для выполнения чрезвычайно быстрых и сложных вычислительных задач.

Сверхбольшая интеграция (ULSI) и гигамасштабная интеграция (GSI): ULSI относится к схемам с еще более высоким уровнем интеграции, часто состоящим из десятков миллионов компонентов. GSI, который является еще более продвинутым этапом, предполагает интеграцию более миллиарда компонентов в одном кристалле. В эту категорию попадают современные процессоры для мобильных телефонов и некоторые высокопроизводительные графические процессоры (GPU). Эти чипы способны обрабатывать огромные объемы данных и выполнять сложные операции на высоких скоростях, обеспечивая такие функции, как обработка видео высокой четкости, рендеринг 3D-графики в реальном времени и передовые алгоритмы искусственного интеллекта.

Как работают цифровые интегральные схемы?

Цифровые интегральные схемыработают на основе двоичной системы. Транзисторы в схеме действуют как переключатели. Когда транзистор включен, он представляет собой логическую 1 (обычно высокий уровень напряжения), а когда он выключен, он представляет собой логический 0 (обычно низкий уровень напряжения). Поток электрического тока через эти транзисторы контролируется входными сигналами, подаваемыми на схему.
В более сложных цифровых интегральных схемах, таких как микропроцессоры, большое количество этих основных логических элементов объединены и организованы иерархически. Микропроцессор извлекает инструкции из памяти, декодирует их, чтобы понять, какую операцию необходимо выполнить, а затем выполняет эти инструкции, используя арифметические и логические блоки (АЛУ) и другие функциональные блоки внутри чипа. Данные хранятся и обрабатываются в регистрах, которые по существу представляют собой небольшие элементы памяти с быстрым доступом внутри микропроцессора.

Использование и применение цифровых интегральных схем

Микропроцессоры: Микропроцессоры — это мозг компьютерной системы. Они выполняют набор инструкций, хранящихся в памяти, для выполнения таких задач, как арифметические операции, манипулирование данными и управление другими компонентами системы. Например, процессоры серии Intel Core, используемые в настольных и портативных компьютерах, могут выполнять миллиарды инструкций в секунду. Они разработаны как универсальные и могут быть запрограммированы для работы с широким спектром приложений: от обработки текста и просмотра веб-страниц до сложных научных симуляций и игр.

ИС памяти:Интегральные схемы памятииспользуются для хранения данных и программ. Существует два основных типа: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). ПЗУ хранит данные постоянно и используется для хранения базовой системы ввода-вывода (BIOS) в компьютере, которая содержит инструкции по запуску. С другой стороны, ОЗУ — это энергозависимая память, которая используется для временного хранения данных, над которыми в данный момент работает компьютер. Динамическая память с произвольным доступом (DRAM) обычно используется в компьютерах из-за ее высокой емкости и относительно низкой стоимости, тогда как статическая память с произвольным доступом (SRAM) быстрее, но дороже и часто используется в кэш-памяти для ускорения доступа к данным.

Логические ИС: Логические микросхемы используются для выполнения различных логических операций. Это могут быть простые логические элементы, как упоминалось ранее, или более сложные комбинационные и последовательные логические схемы. Комбинационные логические схемы, такие как мультиплексоры (которые выбирают один из нескольких входных сигналов для направления на выход) и декодеры (которые преобразуют двоичный код в набор выходных сигналов), имеют выходные данные, которые зависят только от текущих входных значений. Схемы последовательной логики, такие как триггеры и счетчики, имеют выходы, которые зависят не только от текущих входов, но и от предыдущего состояния схемы. Эти схемы имеют решающее значение для таких задач, как хранение, поиск и обработка данных в цифровых системах.

Приложение — специальные интегральные схемы (ASIC): ASIC — это специально разработанные интегральные схемы для конкретного применения. Например, в цифровой камере может быть ASIC, разработанная специально для обработки изображений. Этот чип оптимизирован для выполнения таких задач, как управление датчиком изображения, коррекция цвета и сжатие. ASIC имеют такие преимущества, как меньший размер, меньшее энергопотребление и более высокая производительность для конкретного приложения, для которого они предназначены, по сравнению с использованием интегральных схем общего назначения.

Область — программируемые вентильные матрицы (FPGA): FPGA — это программируемые логические устройства, которые позволяют пользователям настраивать логические функции чипа после его изготовления. Они содержат большое количество программируемых логических блоков и межсоединений. FPGA используются в приложениях, где требуется гибкость, например, при создании прототипов новых цифровых проектов. Например, при разработке нового протокола связи FPGA можно запрограммировать для реализации логики протокола и легко переконфигурировать по мере развития конструкции. Они также используются в некоторых высокопроизводительных вычислительных приложениях, где возможность настройки оборудования в режиме реального времени может обеспечить значительное ускорение конкретных алгоритмов.

Значение цифровых интегральных схем

Цифровые интегральные схемыпроизвели революцию в области электроники. Небольшие размеры, низкое энергопотребление, высокая надежность и способность выполнять сложные операции на высоких скоростях сделали их незаменимыми в современной технике. Они позволили миниатюризировать электронные устройства: от крошечных фитнес-трекеров на наших запястьях до мощных серверов, обеспечивающих работу Интернета. Разработка цифровых интегральных схем также стала ключевым фактором развития таких отраслей, как телекоммуникации, здравоохранение (например, в медицинских устройствах визуализации и системах мониторинга пациентов), автомобилестроение (для таких функций, как управление двигателем и системы помощи водителю) и аэрокосмическая промышленность (для авионики и спутниковой связи). Короче говоря, цифровые интегральные схемы являются краеугольным камнем цифровой эпохи, обеспечивая возможность вести основанный на технологиях образ жизни, на который мы привыкли полагаться.

Популярная продукция SIC

71421LA55J8             UPD44165184BF5-E40-EQ3-A      SST39VF800A-70-4C-B3KE           ИС66ВВ1М16ДБЛЛ-55БЛИ-ТР       АС4К32М16СБ-7БИН      W25Q16FWSNIG

AS7C34098A-20ДЖИН        752369-581-С                 W957D6HBCX7I ТР            ИС61ЛПС12836ЭК-200Б3ЛИ           MX25L12875FMI-10G            QG82915PL

Информация о продукте взята изСИК Электроникс Лимитед. Если вы заинтересованы в продукте или вам нужны параметры продукта, вы можете в любое время связаться с нами онлайн или отправить нам электронное письмо: sales@sic-chip.com.