Что такое микросхема для начинающих
Наглядное пособие по устройству микросхемы
Автора всегда восхищала работа микросхем. Как пластина, некоторые участки которой преднамеренно загрязнены, управляет электронами? И тут внезапно кто-то придумывает наглядное пособие, которое делает принцип действия микросхемы максимально понятным. Именно это произошло на ярмарке самодельщиков в области залива Сан-Франциско.
На стенде «Приоткрываем кремний» Windell Oskay, Lenore Edman, Eric Schlepfer, John McMaster и Ken Shirriff взяли 50-летнюю микросхему и вскрыли её корпус, чтобы любой проходящий мимо и заметивший необычный экспонат мог спросить, что это такое. Микросхема μL914 фирмы Fairchild содержит два элемента ИЛИ-НЕ, и она очень проста, а участки её структуры просто огромны. John McMaster давно занимается вскрытием микросхем и выкладывает результаты на свой сайт. В этот раз, помимо μL914, он вскрыл ещё и ATmega328, и на стенде микроконтроллер мигал светодиодами в таком виде. Посетители могли рассмотреть кристаллы обеих микросхем в микроскоп, но увидеть — это одно, а понять — другое. И вот что помогало им разобраться, на что же они смотрят:
Многослойная структура из нарезанного лазером оргстекла изображает электроды единичного транзистора. По условным цветовым обозначениям и геометрическим формам легко найти шесть транзисторов в полной модели микросхемы μL914. Теперь по проводникам можно понять, что с чем соединено.
Автору в устройстве этой микросхемы особенно понравились резисторы. Один из видов примесей превращает соответствующий участок кристалла в резистор, но что определяет его сопротивление? Оказывается, не концентрация примеси (она тоже влияет, но так регулировать сопротивление непрактично), а толщина и ширина. Поэтому резисторы в микросхеме отличаются друг от друга шириной, и снизу справа на модели показан очень широкий резистор. Наконец, ещё один экспонат на стенде представляет собой огромную действующую модель микросхемы на дискретных транзисторах, где все элементы расположены так же, как на оригинальной топологии. И всё работает, что доказывает правильность проведённого реверс-инжиниринга.
Разработчики наглядного пособия сняли о нём видео, которое не только интересно посмотреть. Оно вдохновляет на изготовление подобных пособий по устройству несложных микросхем.
Радиолюбитель
Последние комментарии
Радиодетали – почтой
Введение в электронику. Микросхемы
Введение в электронику.
Микросхемы
Серия статей известного автора множества радиолюбительских публикаций Дригалкина В.В. для начинающих радиолюбителей
Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “ Радиолюбитель “
Микросхемы
Микросхема (ИС – Интегральная Схема, ИМС – Интегральная Микросхема, чип или микрочип от английского Chip, Microchip) представляет собой целое устройство, содержащее в себе транзисторы, диоды, резисторы и другие, активные и пассивные элементы, общее число которых может достигать нескольких десятков, сотен, тысяч, десятков тысяч и более. Разновидностей микросхем достаточно много. Наиболее применяемые среди них – логические, операционные усилители, специализированные.
Большая часть микросхем помещена в пластмассовый корпус прямоугольной формы с гибкими пластинчатыми выводами (см. Рис. 1), расположенными вдоль обеих сторон корпуса. Сверху на корпусе есть условный ключ — круглая или иной формы метка, от которой ведется нумерация выводов. Если на микросхему смотреть сверху, то отсчитывать выводы нужно против движения часовой стрелки, а если снизу — то в направлении движения часовой стрелки. Микросхемы могут иметь любое количество выводов.
Маркировка зарубежных ТТЛ-микросхем начинается с цифр 74, например 7400. Условные графические обозначения основных элементов логических микросхем показаны на Рис. 2. Там же приведены таблицы истинности, дающие представление о логике действия этих элементов.
Обозначение символов логических элементов (знаков “&” или “1”) применяется только в отечественной схемотехнике.
ТТЛ-микросхемы обеспечивают построение самых различных цифровых устройств, работающих на частотах до 80 МГц, однако их существенный недостаток – большая потребляемая мощность.
В ряде случаев, когда не нужно высокое быстродействие, а необходима минимальная потребляемая мощность, применяют КМОП-микросхемы, которые используются полевые транзисторы, а не биполярные. Сокращение КМОП (CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor) расшифровывается как Комплементарный Металло-Оксидный Полупроводник. Основная особенность микросхем КМОП – ничтожное потребление тока в статическом режиме – 0,1…100 мкА. При работе на максимальной рабочей частоте потребляемая мощность увеличивается и приближается к потребляемой мощности наименее мощных микросхем ТТЛ. К КМОП-микросхемам относятся такие известные серии, как К176, К561, КР1561 и 564.
Операционные усилители имеют два входа – инвертирующий и неинвертирующий. На схеме обозначаются минусом и плюсом соответственно (см. Рис.3). Подавая сигнал на вход плюс – на выходе получается неизменный, но усиленный сигнал. Подавая его на вход минус, на выходе получается перевернутый, но тоже усиленный сигнал.
При производстве радиоэлектронной продукции использование многофункциональных специализированных микросхем, требующих минимального количества внешних компонентов, позволяет значительно сократить время разработки конечного устройства и производственные затраты. К этой категории микросхем относятся чипы, которые предназначены для чего-то определенного. Например, существуют микросхемы усилителей мощности, стереоприемников, различных декодеров. Все они могут иметь совершенно разный вид. Если одна из таких микросхем имеет металлическую часть с отверстием, это означает, что ее нужно привинчивать к
радиатору.
Со специализированными микросхемами иметь дело куда приятнее, чем с массой транзисторов и резисторов. Если раньше для сборки радиоприемника необходимо было множество деталей, то теперь можно обойтись одной микросхемой.
Электроника всем начинающим
Хабр! Добро пожаловать снова.
Сегодня мы сделаем одно из самых бесполезных устройств из тех что можно собрать, но как показывает жизнь, лучше сделать что-то чем не сделать ничего тем не менее в защиту этой бесполезности можно сказать только что-то вроде: много ли интересных дел которыми мы занимаемся являются хоть сколько бы полезными?
Мы будем делать часы, таймер и игру в одном устройстве.
Готовое устройство и печеньки.
UPD #1
Дисклеймер
Внимание! Эта статья имеет много профессиональных неточностей по мнению уважаемых экспертов по всем вопросам и по совместительству комментаторов, также не является руководством к действию, может привести к производственным травмам и нарушениям психики. Автор призывает не использовать данное руководство для обучения и лишь демонстрирует хаотично накопленные знания и реализует их в горделивой позе больного шизофренией с бредовыми идеями величия. Никогда не верьте мне, я украл ваши технологии.
Некоторое вступление
Спустя много лет я решил вернуться снова к написанию статей, с новыми знаниями и силами. Знаете, интернет научил меня всему, что я знаю и даже больше чем просто всему. Интернет стал не просто учением в котором тяжело, но и боем в котором легко. И я благодарен всем кто так или иначе принял участие в моем обучении, через статьи, описание каких-то технологий, видео на YouTube и просто критику моих работ. Это герои моего времени, только благодаря им я сейчас являюсь неплохим специалистом. Ведь я не учился в этих ваших институтах и образований не получал да и всего у меня 9 классов. Спасибо тем кто пишет интернет.
И еще
В детстве, когда я только начинал гуглить какие-то схемы, я любил статьи с картинками, больше всего мне нравилось как нагляден процесс сборки, как процесс обучения реализован через картинки. Буквы придумали не для меня и вообще не для детей которые хотят заниматься электроникой. Поэтому я приложил грандиозное количество усилий чтобы эта статья могла стать для кого-то первой ступенью. Я знаю как сложно сделать первый шаг. Мое соприкосновение с контроллером случилось только в 2016 году, хотя я был знаком с ними и заочно задолго до 2016 года.
Компоненты
Приступим. Первое, что нужно для разработки любого устройства – это, подготовить все необходимые радиокомпоненты и крепеж или хотя бы основные.
Не все компоненты были куплены мой, некоторые лежали без дела или появились прямо за часы перед разработкой этого устройства 🙂
Резисторы 150 Ом 0.25 Ватт — 12 шт.
Конденсаторы 50 вольт 10 микрофарад — 4 шт.
Тактовая кнопка 6×6мм — 3 шт.
Светодиод 75×3мм — 1 шт.
Пьезо зуммер — 1 шт.
Кварцевый резонатор 16 МГц — 1 шт.
Разъём типа гребёнка — 7 шт.
Джампер (перемычка) — 1 шт.
Четырех разрядный семи сегментный индикатор (Sm56425bsr3 или аналоги) — 1 шт.
Сдвиговый регистр 74ch595 корпус DIP — 1 шт.
Панель под микросхему 74ch595 корпус DIP (16 ножек) — 1 шт.
Микроконтроллер ATmega328p корпус DIP — 1 шт.
Панель под микросхему ATmega328p корпус DIP (28 ножек) — 1 шт.
Монтажная плата 40×60мм — 2 шт.
Батарейный отсек cr2032 — 2 шт.
Батарейка cr2032 — 2 шт.
Втулка 5x8x0мм (Не точно) — 4 шт.
Болт 3×6мм (Не точно) — 4 шт.
Шайба 5мм (Не точно)— 4 шт.
Гайка 3мм (Не точно) — 4 шт.
Преобразователь USB-UART CP2102 — 1 шт.
Также рекомендую при необходимости купить флюс, припой и паяльник.
Я намеренно не указываю марку проводов, которая вам подойдет, так как совсем не владею информацией об их параметрах. Могу посоветовать МГТФ, вполне возможно, что очень хорошо подойдут. Если вы знаете, какие провода точно оптимальны, оставьте информацию в комментариях или напишите мне в личные сообщения @prohetamine.
Сдвиговый регистр 74ch595
Наверное, многим новичкам станет не по себе от понимания принципов работы микросхемы 74ch595 вне этой статьи и пропустить этот этап я просто не хочу. Сейчас я попробую максимально доступно объяснить, как она работает и чем будет полезна в конкретном случае с моим устройством.
Проще говоря, микросхема предназначена для расширения количества цифровых выходов.
Распиновка. Внимание! Рисунок имеет незначительные неточности в маркировке контактов, это сделано для более простого усвоения и понимания работы.
Самые загадочные контакты управления, которые вызывают интерес:
output pin * — контакты вывода
DS — (Serial Data Input) контакт, который определяет состояние напряжения на контактах вывода
SH — (Shift Register Clock Input) контакт, который записывает состояние которое определенно в DS
ST — (Storage Register Clock Input) контакт, который открывает микросхему для записи и закрывает, устанавливая на контакты вывода нужные состояния определенные DS
Уверен, визуальный пример поможет вам понять происходящее лучше.
Монтажная схема соединений
Если нет, то я оставил и интерактивную версию, кнопочки работают, можно понажимать.
Теперь, когда вы овладели работой с микросхемой, можно приступить к следующему пункту.
Тонкости
Внимание! Чтоб ничего не перепутать и ничего не испортить в том числе настроение. Не ждем, а готовимся! Просто оставлю это здесь для самых маленьких. Я конечно понимаю что всех тонкостей в рамках и без того длинной статьи мне обозначить не удастся и у вас все же могут возникнуть ошибки, пускай хотя бы не самые очевидные.
Когда мы программируем контроллер очень важно не путать rx и tx иначе контроллер просто не прошьется.
Это странная шутка, но работает очень просто, каждый разряд имеет 8 сегментов, у каждого разряда есть минус и восемь плюсов, по сути это те же светодиоды только в общем корпусе.
Каждая микросхема имеет ключ, то есть небольшую метку на корпусе, это признак помогает определить положение установки.
Я смотрю на эту схему каждый раз когда вспоминаю как припаял более 671 кнопоку не в ту сторону.. Не совершай ошибку.
Плюсик у всех новых электронных компонентов которые имеют полярность выглядит как хромоног.
Батарейный отсек тоже имеет свою не очевидную полярность.
Монтажная схема соединений
Так выглядит схема нашего устройства.
UPD #2
По требованию комментаторов скоро тут появится принципиальная схема.
Но не спешите собирать, ведь собирать мы будем на плате, а не на коленке. Но сначала поговорим о некоторых спорных конструкциях. Также я буду апеллировать к своему детству: Я искренни не понимал зачем нужна обвязка, мне казались не нужными эти резисторы и конденсаторы, ведь блок питания может работать и на диодном мосте, а светодиод светится и без понижающего резистора.
Пока пин кнопки состояние которого мы читаем не притянут к плюсу или минусу он выдает случайные (101010000101010) результаты и кнопка не может работать нормально, чтобы «Стабилизировать» состояние кнопки нам нужно притянуть наш пин через резистор к минусу или плюсу, принято к минусу. Тогда при нажатии у нас будет 1 иначе 0. На момент создания устройства и написания статьи автор не знал что существует pull-up резистор встроенный в саму ATmega328p. Почитать можно об этом на официальном сайте.
В ходе первых экспериментов с высокочастотной перерисовкой индикатора появлялись ужасные гличи. Из общих соображений я решил использовать конденсаторы чтобы их сгладить и да помогло, оставляем. Как подсказал один из комментаторов это связанно с кривым кодом, но не мешает работе устройства.
Резисторы предназначены для ограничения тока исходящего от ATmega328p, а именно 5 вольт мы ограничиваем до 3-х вольт, так как почти все светодиоды ограничены напряжением в 3 вольта и привыкли работать за еду, более высокое напряжение приведет к деградации, насколько быстрой зависит от тока, хоть у ATmega328p он не большой примерно 20-40 миллиампер, деградацию и сгорание не будет видно сразу, но оно случится явно намного раньше положенного.
Монтаж компонентов
Внимание! Контакты компонентов, помеченные красным и черным маркерами, имеют полярность, будьте внимательны при монтаже, придерживайтесь рисунка.
Внимание! Соблюдайте порядок установки микросхем по ключам.
Устанавливаем конденсаторы и кнопки.
Устанавливаем разъемы и пьезо зуммер.
Устанавливаем микросхемы и резисторы.
Устанавливаем индикатор, светодиод и резонатор.
Устанавливаем батарейные отсеки.
Прототип
Теперь когда у нас есть не просто бесполезная безделушка, но еще и не рабочая, нужно сделать её рабочей, поэтому добавим много магических проводков.
Объединенная схема
Соединим основные линии питания и необходимую обвязку первой платы.
Соединим кнопки, светодиод индикатор прошивки и пьезо зуммер.
Соединим конденсаторы и семисегментный индикатор с сдвиговым регистром 74ch595.
Соединим семисегментный индикатор с микроконтроллером.
В финале первая плата у вас получится такой.
Вторая плата, но тут все совсем просто. Соединим последовательно элементы питания.
Соединим все вместе.
Устройство
Программирование
Подключаем так как на картинке и можно начинать прошивать микроконтроллер
Бесспорно, абсолютно, однозначно. Мой код на C++ далек от идеала, но я, как всегда, пытался. Я пишу на JS ну вы поняли.. И тем не менее, я все равно собой доволен, хотя бы потому что не притрагиваясь и без того к незнакомому мне языку больше года, мне как-то удалось организовать не только структуру с своими правилами, а также создать богатый функционал: часы, игру и два таймера c разными уровнями точности. Можешь сделать лучше, есть что дополнить? GitHub
Основной файл проекта к которому я подключаю все остальные файлы и библиотеку AsyncDelay с которой управлять синхронным потоком становится проще чем обычно имхо. Изначально в процессе написания кода я обозначил для себя два компонента это actionDriver и actionContoller. где первый переводя на JavaScript-тянский является почти как Event Loop, то есть выполняет стек задач только не событийных, а перманентных, а второй выполняет роль Setter’a.
Что такое интегральная микросхема
Интегральная схема – это изделие из микроэлементов с высокой миниатюризацией. Эти элементы преобразуют и обрабатывают сигналы. Сама схема имеет высокую плотность самих элементов. Такие элементы называются компонентами и выполняют ту или иную задачу. Эти схемы могут быть разной сложности и типов – от самых простых до сложнейших.
Используются ИС в создании компьютеров, различной вычислительной техники и другом оборудовании, в том числе промышленном и бытовом. Более подробно о строении, использовании, а также развитии интегральных схем будет рассказано в данной статье. В качестве информационного дополнения, в материале содержатся два подробных видеоролика и один скачиваемые файл о строении ИС.
Интегральные микросхемы
По научному определению, интегральные микросхемы – это отдельные высокотехнологичные устройства (с огромным количеством электронных компонентов, заключенных в маленьком корпусе), которые выполняют какую-то функцию или действие. Этих функций может быть или одна или несколько. Вот список некоторых основных функций, которые выполняют интегральные микросхемы:
Интегральные микросхемы представляют собой изделие, выполненное в герметизированном (металлическом, пластмассовом, керамическом, металлокерамическом и так лале) корпусе. Микросхемы бывают различного исполнения (прямоугольные, треугольные, круглые) с разным количеством выводов: от трех (например, на стабилизаторе LM7805, до нескольких сотен на процессорах).
Интегральные микросхемы (и аппаратура на них) обладают неоспоримыми преимуществами:
Микросхемы разделяют на два вида: 1 – полупроводниковые интегральные схемы; 2 – гибридные интегральные схемы.
Полупроводниковые интегральные элементы представляют собой кристалл, в глубине которого выполняют все элементы схемы. Изоляция различных элементов осуществляют с помощью (так называемых) «p-n» переходов.
Гибридные интегральные схемы выполняются по «пленочной» технологии и представляют пластину (подложку) из диэлектрического материала. На нее нанесены (в виде пленок) плоские компоненты (резисторы, дроссели, конденсаторы и т. д.) и соединения. Причем сопротивление резисторов может быть 105 Ом, емкость конденсаторов 103 пФ, а дроссели иметь индуктивность около 10 мкГн – не более.
Транзисторы, диоды, магнитные элементы, конденсаторы более 103 пФ и электролитические выполняют с помощью навесного монтажа. Гибридные интегральные схемы имеют более высокую точность параметров (на один или два порядка выше), чем полупроводниковые аналоги. Количество элементов внутри каждого класса микросхем может достигать несколько тысяч.
Степень интеграции
Ранее использовались также теперь устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле и гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле, но в настоящее время название УБИС и ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Itanium, 9300 Tukwila, содержат два миллиарда транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС.
Элемент интегральной схемы
Часть интегральной схемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента (резистора, диода, транзистора и т. д.), причем эта часть выполнена нераздельно от других частей и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Компонент интегральной схемы в отличие от элемента может быть выделен как самостоятельное изделие с указанной выше точки зрения.
По конструктивно-технологическим признакам интегральные схемы обычно разделяют на:
В полупроводниковой схеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме или на поверхности полупроводника. В таких схемах нет компонентов. Это наиболее распространенная разновидность интегральных схем.
Интегральную схему называют гибридной, если она содержит компоненты и (или) отдельные кристаллы полупроводника. В пленочных интегральных схемах отдельные элементы и межэлементные соединения выполняются на поверхности диэлектрика (обычно используется керамика). При этом применяются различные технологии нанесения пленок из соответствующих материалов. По функциональным признакам интегральные схемы подразделяют на аналоговые (операционные усилители, источники вторичного электропитания и др.) и цифровые (логические элементы, триггеры и т. п.).
Краткая историческая справка
Первые опыты по созданию полупроводниковых интегральных схем были осуществлены в 1953 г., а промышленное производство интегральных схем началось в 1959 г. В 1966 г. был начат выпуск интегральных схем средней степени интеграции (число элементов в одном кристалле до 1000). В 1969 г. были созданы интегральные схемы большей степени интеграции (большие интегральные схемы, БИС), содержащие до 10000 элементов в одном кристалле.
К 2000 г. ожидается появление интегральных схем, содержащих до 100 млн МОП транзисторов в одном кристалле (речь идет о цифровых схемах). Система обозначений. Условное обозначение интегральных микросхем включает в себя основные классификационные признаки.
К этим основным элементам обозначений микросхем могут добавляться и другие классификационные признаки.
Дополнительная буква в начале четырехэлементного обозначения указывает на особенность конструктивного исполнения:
В начале обозначения для микросхем, используемых в условиях широкого применения, приводится буква К.
Серии бескорпусных полупроводниковых микросхем начинаются с цифры 7, а бескорпусные аналоги корпусных микросхем обозначаются буквой Б перед указанием серии.
Через дефис после обозначения указывается цифра, характеризующая модификацию конструктивного исполнения:
Как создаются интегральные схемы?
Как изготовить чип памяти или процессор компьютера? Процесс производства начинается с химического элемента — кремния, который химически обрабатывается (легируется) для придания различных электрических свойств.
Современное исполнение интегральной схемы (одна из многочисленных форм), установленной на электронной плате устройства. Это далеко не самый продвинутый вариант, а лишь один из многих
Традиционно для нужд электроники используются материалы двух категорий:
Принцип легирования химических элементов
Если добавить некоторое количество сурьмы кремнию, структура этого химического элемента насыщается большей массой электронов, чем обычно. Обеспечивается проводимость электричества. Кремний, «легированный» подобным образом, приобретает характеристику N-типа. В другом случае, когда вместо сурьмы добавляется бор, масса электронов кремния уменьшается, оставляя своеобразные «дыры», которые функционируют подобно «отрицательно заряженным электронам».
Благодаря «дырам» положительный электрический ток пропускается в противоположном направлении. Такая разновидность кремния характеризуется P-типом. Расположение областей кремния N-типа и P-типа рядом одна с другой, способствует созданию соединения, где отмечается поведение электронов, характерное для электронных компонентов на основе полупроводников:
Структурная интегральная схема внутри чипа
Итак, процесс создания интегральной схемы начинается от монокристалла кремния, напоминающего по форме длинную сплошную трубу, «нарезанную» тонкими дисками — пластинами. Такие пластины размечаются на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых представляет один кремниевый чип (микрочип). Пример внутренней структуры интегральной схемы, демонстрирующий возможности такой уникальной технологии интеграции полноценных электронных схемотехнических решений.
Затем на каждом таком чипе создаются тысячи, миллионы или даже миллиарды компонентов путём легирования различных участков поверхности — превращения в кремний N-типа или P-типа. Легирование осуществляется различными способами. Один из вариантов — распыление, когда ионами легирующего материала «бомбардируют» кремниевую пластину.
Другой вариант — осаждение из паровой фазы, включающий введение легирующего материала газовой фазой с последующей конденсацией. В результате такого ввода примесные атомы образуют тонкую пленку на поверхности кремниевой пластины. Самым точным вариантом осаждения считается молекулярно-лучевая эпитаксия.
Конечно, создание интегральных микросхем, когда упаковываются сотни, миллионы или миллиарды компонентов в кремниевый чип размером с ноготь, видится сложнейшим процессом. Можно представить, какой хаос принесёт даже небольшая крупинка в условиях работы в микроскопическом (наноскопическом) масштабе. Вот почему полупроводники производятся в лабораторных условиях безупречно чистых. Воздух лабораторных помещений тщательно фильтруется, а рабочие обязательно проходят защитные шлюзы и облачаются в защитную одежду.
Кто создал интегральную схему?
Разработка интегральной схемы приписывается двум физикам — Джеку Килби и Роберту Нойсу, как совместное изобретение. Однако фактически Килби и Нойс вынашивали идею интегральной схемы независимо друг от друга. Между учёными даже существовала своего рода конкуренция за права на изобретение.
Джек Килби трудился в «Texas Instruments», когда учёному удалось реализовать идею монолитного принципа размещения различных частей электронной схемы на кремниевом чипе. Учёный вручную создал первую в мире интегральную микросхему (1958 год), использовав чип на основе германия. Компания «Texas Instruments» спустя год подала заявку на патент.
Тем временем представитель другой компании «Fairchild Semiconductor» — Роберт Нойс, проводил эксперименты с миниатюрными цепями своего устройства. Благодаря серии фотографических и химических методов (планарный процесс), учёный всего лишь на год позже Килби создал практичную интегральную схему. Методика получения также была оформлена заявкой на патент.