I. Специальная часть. 1. Анализ рынка современных ИС. 1.1 Интегральные микросхемы (ИС)
В настоящее время современная цифровая электроника базируется на достижениях микроэлектроники, которая характеризуется органическим единством физических, конструкторско-технических и схемотехнических аспектов. Микроэлектроника охватывает вопросы конструирования, исследования и принципов применения интегральных микросхем.
Интегральная микросхема представляет собой совокупность электрически связанных компонентов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле на единой полупроводниковой основе (подложке).
Интегральная микросхема выполняет определенные функции обработки (преобразования) информации, заданной в виде электрических сигналов: напряжений или токов. Электрические сигналы могут представлять информацию в непрерывной (аналоговой), дискретной и цифровой форме.
Аналоговые и дискретные сигналы обрабатываются аналоговыми или линейными микросхемами, цифровые сигналы - цифровыми микросхемами. Существует целый класс устройств и соответственно микросхем служащих для преобразования сигналов из одной формы в другую и называемых аналого-цифровыми или цифро-аналоговыми.
1.2 Классификация ИС
Интегральные микросхемы классифицируются по трём основным параметрам: степени интеграции, технологии изготовления и по типу функционального назначения.
1.2.1 Степень интеграции.
Сложность интегральной микросхемы определяется степенью интеграции.
Мерой степени интеграция является плотность элементов, которая определяется числом элементов на кристалле или на единице площади. Она определяется также площадью, необходимой для функционирования элемента, и отношением действительно используемой площади на кристалле к его общей площади, так как для реализации схемных элементов требуется большая площадь, чем та, которая необходима для его функционирования (например, изолирующие зоны между отдельными элементами).
Компоненты, входящие в состав ИС, не могут быть выделены из нее в качестве самостоятельных изделий, кроме того, они характеризуются некоторыми особенностями по сравнению с дискретными транзисторами, диодами и т. д.
Особенностью цифровых ИС является высокая сложность выполняемых ими функций, поэтому количество компонентов в одной микросхеме может исчисляться сотнями тысяч и даже миллионами.
Функциональную сложность ИС обычно характеризуют степенью компонентной интеграции, т. е. количеством элементов на кристалле. В зависимости от количества элементов на кристалле интегральные схемы подразделяются:
Малая ИС (МИС или IS) – до 100 элементов на кристалле;
ИС средней степени интеграции (СИС или MSI) – в ней используется до 1000 элементов на одном кристалле;
Большая интегральная схема (БИС или LSI) – в ней применяется до 10000 элементов на кристалле;
Сверхбольшая интегральная схема (СБИС или VLSI) – использовано 10000 и более элементов на одном кристалле.
Сокращения приведенные на английском языке имеют следующий смысл: IS – Integrated Circuit; MSI – Medium Scale Integration; LSI – Large Scale Integration; VLSI – Very Large Scale Integration.
Ранее еще использовались такие названия как ультрабольшая интегральная схема (УБИС), в которой насчитывается примерно до 1 миллиарда элементов, и гигабольшая ИМС – в ней более 1 миллиарда элементов. Сейчас данные названия почти не используются, и все микросхемы у которых количество элементов больше 10 тысяч относят к классу СБИС.
Рис. 1.1. График изменения количества элементов на кристалле со временем.
Иногда сложность ИС характеризуют таким показателем, как плотность упаковки. Это количество компонентов, приходящихся на единицу площади кристалла. Этот показатель характеризует уровень технологии, и в настоящее время он составляет более 104 компонентов/мм2.
1.2.2 Технологии изготовления
Типы логики.
Как известно, основным элементом любой интегральной микросхемы являются полевые или биполярные транзисторы. Тип изготовления транзисторов, на которых построена ИМС, очень сильно влияет на характеристику микросхемы. Тип изготовления микросхемы обычно всегда указывают в техническом описании устройства (Data Sheet).
Самыми распространёнными логиками микросхем являются КМОП (CMOS) и ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). КМОП технологию применяют в микросхемах, где важно экономить потребление тока. Для микросхем, где нужна скорость работы и не важна экономия потребляемой мощности обычно применяют ТТЛ логику.
Самым существенным недостатком микросхем, которые построены по КМОП технологии, является сильная уязвимость к электростатическому разряду. Для того чтобы вывести микросхему из строя достаточно всего лишь рукой коснуться её вывода.
Технологический процесс
Качественными характеристиками технологического процесса производства микросхем являются минимальные контролируемые размеры топологии фото повторителя (контактные окна в оксиде кремния, ширина затворов в транзисторах и т. д.) и, как следствие этого, размеры транзисторов (а также других элементов) на кристалле. Данный параметр, однако, тесно взаимозависим с рядом следующих производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами фотолитографии, вытравливания и напыления.
В 70-х годах прошлого века минимальный контролируемый размер составлял 2-8 мкм, в 1980-х он был уменьшен до 0,5-2 мкм. Некоторые отдельные экспериментальные образцы фотолитографического оборудования рентгеновского диапазона обеспечивали минимальный размер 0,18 мкм.
В 1990-х годах, со стремительным развитием конкурирующих платформ центральных процессоров ПЭВМ внедрение новых технологий значительно ускорилось: вначале 1990-х процессоры (например, ранние Pentium и Pentium Pro) изготавливали по технологии 0,5-0,6 мкм (500—600 нм), затем технология позволила перейти к 250—350 нм. Следующее поколение процессоров (Pentium II, K6-2+, Athlon) уже изготавливалось по технологии 180 нм. В конце 1990-х фирма Texas Instruments создала и внедрила ультрафиолетовую технологию с минимальным контролируемым размером порядка 80 нм.
Следующие поколение процессоров изготавливалось по УФ-технологии 45 нм (начиная с Core 2 Duo). Другие типы микросхем достигли и превзошли этот уровень (в частности, видеопроцессоры и флеш-память фирмы Samsung — 40 нм). В 2010 году в розничной продаже появились процессоры, разработанные по 32-нм техпроцессу. В апреле 2012 года в продажу поступили процессоры, разработанные по 22-нм тех. процессу (ими стали процессоры фирмы Intel, выполненные по архитектуре Ivy Bridge). Процессоры с технологией 14 нм планируется к внедрению в 2014 году, а 10 нм — около 2018 года.[2]
1.2.3 Типы функционального назначения.
На рис. 1.2. продемонстрирована схема, на которой показано, как различаются интегральные схемы по типу функционального назначения. В зависимости от функционального назначения интегральные микросхемы делятся на аналоговые и цифровые. В зависимости от функционального назначения интегральные микросхемы делятся на две большие группы: аналоговые и цифровые.
Интегральные МС
Аналоговые
Цифровые
Операционные усилители.
Генераторы сигналов.
Фильтры (в том числе на пьезоэффекте)
Схемы синхронизации
Компараторы
Аналоговые умножители
Стабилизаторы источников питания: стабилизаторы напряжения и тока
Преобразователи сигналов
Микросхемы управления импульсных блоков питания
Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители
Счётчики
Регистры
ПЛИС (программируемые интегральные схемы)
Шифраторы
Дешифраторы
Мультиплексоры
Цифровой компанатор
Демультиплексоры
Сумматоры
Ключи
Микроконтроллеры
Процессоры (в том числе ЦП для компьютеров)
Микропроцессоры
Микросхемы и модули памяти
Триггеры
Буферные преобразователи
Однокристальные микрокомпьютеры
Полусумматоры
АЛУ (Арифметическо-логические устройства)
Логические элементы
Рис. 1.2. Функциональное назначение интегральных схем.
Аналоговые интегральные микросхемы (АИМС) предназначены для преобразования и обработки сигналов, непрерывно изменяющихся по уровню и во времени. Они широко применяются в аппаратуре звуковоспроизведения и звукоусиления, радиоприемниках и телевизорах, видеомагнитофонах, в аналоговых вычислительных машинах, и измерительных приборах, технике связи и т. д. АИМС позволяет создавать сложный завершенный функциональный узел в совокупности с ограниченным количеством внешних радиоэлементов. Функциональный узел - это группа радиоэлементов, объединенных конструктивно и технологически в модуль. Эта группа предназначена для создания какой-либо законченной части радиоэлектронной аппаратуры, например, усилителя, фильтра, источника питания и т. п. (стабилизаторы источников питания, операционные усилители, фильтры, преобразователи сигналов). Цифровые ИМС, служат для преобразования и обработки сигналов, выраженных в двоичном или другом цифровом коде. Широко применяются для разработки логических элементов, триггеров, регистров, счетчиков, дешифраторов, микроконтроллеров.
Аналоговые микросхемы характеризуются тем, что входная и выходная электрические величины могут иметь любые значения в заданном диапазоне. В цифровых же микросхемах входные и выходные сигналы могут иметь либо высокий, либо низкий уровень напряжения. В первом случае мы имеем дело с высоким логическим уровнем, а во втором - с низким логическим уровнем.
Цифровые микросхемы предназначены для выполнения заданных логических операций над входными сигналами. Например, при наличии хотя бы на одном входе цифровой микросхемы высокого уровня напряжения вызывает появления высокого уровня напряжения на ее выходе. Такая микросхема реализует выполнение логической операции ИЛИ (логическое сложение). Если же логический сигнал на выходе микросхемы формируется как произведение логических сигналов на входах микросхемы, то такая операция называется логическим умножением. В цифровых микросхемах можно задать множество различных правил обработки сигналов.
Работа цифровых микросхем основывается на двоичной системе счисления. В данной системе применяются две цифры: ноль (0) и единица (1). Цифра 0 обозначает отсутствие напряжения на выходе (входе) логического устройства, 1 соответствует наличию напряжения.
Следует отметить, что аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются так называемыми сериями. Серия — это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенных для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения питания, они согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.
Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:
Уменьшенное энергопотребление, которое связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» — что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» — (0). В первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором — через него не идёт ток. В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (резистивном) состоянии.
Высокая помехоустойчивость цифровых устройств, связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот. Такая ситуация при указанной разности напряжений маловероятна. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.
Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов. Данное свойство в значительной степени избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.
1.3 Выбор интегральных микросхем для расчета.
Исходя из разновидностей интегральных схем, мной были выбраны 5 микросхем международных производителей электронной компонентной базы, таких как Texas Instruments, Xilinx, Microchip, Actel, Atmel. Каждая из них отличается по типу и по характеристикам.
1.3.1 Операционный усилитель Texas Instruments OPA2333-HT.
Операционные усилители компании Texas Instruments обеспечивают самый низкий в отрасли уровень искажений, поддерживая работу быстродействующих 16-разрядных АЦП.
Операционный усилитель Texas Instruments OPA2333-HT повышает до максимума производительность по всей цепи обработки сигнала для приложений беспроводной широкополосной связи и сбора данных с высокой скоростью.
Рис. 1.3. Texas Instruments OPA2333-HT.
OPA2333-HT - маломощный операционный усилитель серии Zero-Drift. Его главные достоинства - низкое напряжение смещения и очень низкий температурный дрейф напряжения смещения. Такие характеристики достигаются благодаря использованию встроенной автоматической коррекции напряжения смещения, что позволяет уменьшить как само напряжение смещения, так и его температурный и временной дрейф, а также приводит к подавлению шума усилителя.
1.3.2 ПЛИС на основе Flash технологии Microsemi ProASIC 3 (A3P060).
Семейство ProASIC3 характеризуются низкой стоимостью и низким энергопотреблением. Данное семейство программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС или, по-английски, FPGA), включает серии ProASIC3/E, ProASIC3 NANO, и ProASIC3L. Предлагает прорыв по производительности, цене, количеству вентилей и предназначено для наиболее требовательных большому объему памяти современных приложений.
Рис. 1.4. ПЛИС Microsemi (Actel) ProASIC3.
Устройства ProASIC3 поддерживают «софт» ядро IP процессора ARM®™ Cortex -M1. Семейства ProASIC3 основаны на энергонезависимой Flash технологии и поддерживают от 10 000 до 3 000 000 логических вентилей и до 620 портов ввода/вывода.
Они могут быть использованы в портативных, промышленных, коммуникационных и медицинских приложениях.
Особенности ПЛИС семейства ProASIC3:
Низкое потребление
Низкая себестоимость единицы продукции
Низкая общая стоимость системы
Работа ядра при напряжении 1.2 V или 1.5 V
Оптимизированы по стоимости, перепрограммируемые, и энергонезависимые
Поддержка 128-битового декодирования AES для конфигурации устройства
Работает сразу после включения
Наличие ОЗУ памяти
1024 бит Flash -памяти
Улучшенная структура ввода/вывода
Поддержка процессора ARM® ™ Cortex -M1
Иммунитет к конфигурационным потерям из-за атмосферных нейтронов
Доступны для различных температурных диапазонов
Сертифицированы ISO/TS 16949:2002
1.3.3 32-разрядный микроконтроллер Atmel AT32UC3A0512.
Новейший микроконтроллер AT32UC3A0512 работает на таковой частоте 66 МГц и обеспечивает производительность 80 миллионов операций в секунду по методике Dhrystone (DMIPS) и потребляет при этом всего лишь 40 мА (питание 3.3В). Уровень потребления 1.65 мВт/DMIPS превосходит ближайшие аналоги с сопоставимыми функциональными возможностями в 4 раза. Новые микроконтроллеры ориентированы на применение в коммуникационном оборудовании и встраиваемых системах. Он также идеально подходит для применения в портативных устройствах.
Рис. 1.5. Atmel T32UC3A0512.
T32UC3A0512 - завершенная микроконтроллерная система на кристалле (SoC), выполненная на основе RISC-процессора AVR32 UC с тактовой рабочей частотой до 66 МГц. AVR32 UC - высокоэффективное, 32-разрядное, микропроцессорное RISC-ядро, разработанное для чувствительных к стоимости встраиваемых применений, где ключевую роль играют малая потребляемая мощность, высокая плотность кода и высокая производительность.[10]
Процессор содержит блок зашиты памяти, а также быстродействующий и гибкий контроллер прерываний, что обеспечивает совместимость с современными операционными системами и операционными системами реального времени. Вычислительные возможности усилены за счет поддержки многих инструкций цифровой обработки сигналов.
AT32UC3A0512 содержит флэш-память и статическое ОЗУ для защищенного и быстрого доступа. Если в приложении требуется дополнительная память, то необходимо использовать исполнения AT32UC3A0512 с интерфейсом внешней шины.
Контроллер прямого доступа к памяти периферийных устройств PDCA, который отвечает за передачу данных между периферийными устройствами и памятью без вмешательства процессора. PDCA позволяет существенно разгрузить процессор при непрерывной передаче больших потоков данных между модулями микроконтроллера.
1.3.4 КМОП буферное устройство/MOSFET драйвер ф.Microchip TC4467.
КМОП буферное устройство/MOSFET драйвер Microchip TC4467 – это устройство из серии четырёхвыводных КМОП буферов/MOSFET драйверов с предельной силой тока равной 1.2 А. В отличии от других MOSFET драйверов это устройство имеет 2 входа на каждый выход. Microchip ТС4467 на каждом входе представляет собой логическую ячейку с логикой И-НЕ (NAND). Это устройство идеально подходит для прямого управления моторов с низким потреблением тока или для конфигурации MOSFET устройств H-BRIDGE. Microchip ТС4467 также помогает сократить количество использованных дискретных элементов.
Microchip ТС4467 имеет высокую радиационную стойкость, в частности к эффекту «защёлки». Также это устройство очень устойчиво к резкому возрастанию напряжения и к обратному току номиналом 0.5А на выходах.
MicrochipТС4467 имеет различные уровни качества, такие как промышленный, коммерческий и военный.
1.3.5 ПЛИС FPGA Xilinx Spartan-3XC3S200.
Новая серия семейства ПЛИС с архитектурой Spartan™-3 специально разработана для использования в электронных устройствах, рассчитанных на большие тиражи и невысокую стоимость комплектующих.
Рис. 1.6. ПЛИС Xilinx Spartan-3 XC3S200.
Основные особенности семейства Spartan-3:
революционный технологический процесс: 90 нм SRAM КМОП;
низкая стоимость, высокая производительность логики, ориентированная на применение в устройствах предназначенных для массового потребителя;
ёмкость достигает 74 880 логических ячеек;
системная тактовая частота до 326 МГц;
3 раздельных напряжения питания.
Технология SelectIO.
Технология SelectRAM.
Полная поддержка в САПР ISE начиная с версии 6.1i.
1.4 Таблица технических параметров ИМС.
В результате анализа технических отчётов (Data Sheets), которые скачиваются с сайта производителя устройств, где указаны все параметры ИМС и в результате анализа отчетов по надежности (Reliability data) выбранных микросхем, была создана таблица, которая представлена в Приложении №1 к диплому. В ней представлены все необходимые данные пяти ИМС для расчета безотказности микросхем по справочникам:
«MIL-HDBK-217F»
«RIAC-HDBK-217PLUS»
«RADC-TR-89-177"
|
