Дипломная работа: Создание информационно-справочной подсистемы САПР конструкторско-технологического назначения. Интегральные микросхемы

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Создание информационно-справочной подсистемы САПР конструкторско-технологического назначения. Интегральные микросхемы

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

ВВЕДЕНИЕ8

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1.1 Наименование, область применения, цель создания информационно-справочной подсистем САПР конструкторско-технологического назначения

1.2 Задачи, решаемые подсистемой

1.3 Функциональные требования к подсистеме

2. ОБЗОР ОБЬЕКТОВ ПОДЛЕЖАЩИХ ОБРАБОТКЕ ИНФОРМАЦИОННО-СПРАВОЧНОЙ СИСТЕМЫ

2.1 Классификация интегральных микросхем

2.2 Условно-графическое изображение цифровых микросхем

2.3 Диодно-транзисторная логика (ДТЛ)

2.4 Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

2.4.1 Логические уровни ТТЛ микросхем

2.4.2 Семейства ТТЛ микросхем

2.5 Логика на комплементарных МОП транзисторах (КМДП)

2.5.1 Особенности применения КМОП микросхем

2.5.2 Логические уровни КМОП микросхем

2.5.3 Семейства КМОП микросхем

3. ИНФОРМАЦИОННО-СПРАВОЧНАЯ СИСТЕМА

3.1 Определение и классификация БД

3.2 Компилятор Visual C++, версия 6

ВЫВОДЫ

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

БД База данных

ЭВМ Электронно-вычислительная машина

САПР – Система автоматизации производства

МДП – метал диэлектрик полупроводник

МОП – метал окись полупроводник

КМОП - комплиментарный метал окись полупроводник

РТЛ – резистивно–транзисторная логика

ДТЛ – диодно–транзисторная логика

ТТЛ – транзисторно–транзисторная логика

ЭСЛ – эмиттерно–связанная логика

И2Л – интегральная инжекционная логика

СУБД – система управления БД

Различные возможности и границы применения вычислительной техники для автоматизации проектирования определяются уровнем формализации научно-технических знаний в конкретной отрасли. Чем глубже разработана теория того или иного класса технических систем, тем больше объективных возможностей существуют для автоматизации процесса их проектирования. Применение ЭВМ при проектно-конструкторских работах в своем развитии прошло несколько стадий и претерпело значительные изменения.

С появлением вычислительной техники был сделан акцент на автоматизацию проектных задач, имеющих четко выраженный расчетный характер, когда реализовывались методики, ориентированные на ручное проектирование. Затем, по мере накопления опыта, стали создавать программы автоматизированных расчетов на основе методов вычислительной математики (параметрическая оптимизация, метод конечных элементов и т. п.).

С внедрением специализированных терминальных устройств появляются универсальные программы для ЭВМ для решения как расчетных, так и некоторых рутинных проектных задач (изготовление чертежей, спецификаций, текстовых документов и т. п.). В последние годы большое внимание уделяется автоматизации расчетно-конструкторских работ при проектировании типовых узлов и агрегатов, когда синтез конструкции проводится эвристически, а основные параметры выбираются и оптимизируются в интерактивном режиме диалога проектировщика и ЭВМ.

Современное производство достигло той стадии развития, на которой технологические процессы представляют собой сложные последовательности операций, требующие точного представления, учета и распределения. Ручное или автоматизированное исполнение этих операций на уровне представления затруднительно. Решение этих задач возможно при использовании информационно-справочной подсистем САПР конструкторско-технологического назначения.

Внедрение информационно-справочных подсистем САПР конструкторско-технологического назначения на первых этапах развития промышленности повысило производительность труда, так как дало возможность в автоматизированном режиме производить управление информацией на разных стадиях производства, а также в различных его отделах.

Для обработки и хранения информации на всех стадиях производства применяются информационно-справочные системы. Которые содержат информацию об объектах используемых на производстве, их характеристику, назначение, маркировку и т.д.

1.1 Наименование, область применения, цель создания информационно-справочной подсистем САПР конструкторско-технологического назначения

Разрабатываемая подсистема, называемая «Информационно-справочная подсистема САПР конструкторско-технологического назначения. «Интегральные микросхемы» предназначена для учета, сбора, содержания справочной информации для конструкторско-технологических целей. Цель разработки – обеспечить информационно-справочную подсистему, которая обеспечит автоматизированный доступ и учет информации с помощью разработанной специально для этих целей базой данных (БД). Информационно-справочная подсистема должна использоваться в целях предоставления информации сразу по мере ее необходимости, должна быть также функция добавления информации, так как жесткая БД быстро устареет и в ней пропадет необходимость.

На этапах создания такой БД возникают некоторые проблемы:

1.       нужно учесть доступ к БД различных категорий рабочих;

2.       отображаемая информация должна быть наиболее полной;

3.    БД не должна содержать данные, которые не принадлежат данной подсистеме.

1.2 Задачи решаемые подсистемой

Задачи, решаемые подсистемой, заключаются в обеспечении информацией об объектах, подлежащих для разработки систем или их технологического обеспечения. Из всех задач, которые должны решаться подобными системами следует выделить следующие:

-      Обеспечение распределения микросхем по типу, корпусу, параметрам и т.д.

-      Возможность добавления и корректировки информации в данной подсистеме

-      Обеспечение легкости работы и поиска информации

-      Предоставление наиболее полной информации об объектах

-      Учет имеющихся в наличии микросхем

1.3 Функциональные требования к подсистеме

Подсистема должна обеспечивать следующие функциональные возможности автоматизированная система учёта интегральных микросхем:

1) добавление новых объектов в базу данных (БД);

2) изменение характеристик объектов базы данных;

3) удаление объектов из базы данных.

При добавлении базы данных выбор общих характеристик (наименование, код, и т.п.) объекта возлагается на оператора. Параметры учета о изменении количества и наличие микросхем на производстве оператор использующий данную подсистему не имеет право менять эти параметры вручную.

Подсистема обеспечивает обновление существующих микросхем за счёт объектно-ориентированной структуры программного комплекса – перекомпоновка без изменения базовых объектов программного комплекса.

2. ОБЗОР ОБЬЕКТОВ ПОДЛЕЖАЩИХ ОБРАБОТКЕ ИНФОРМАЦИОННО-СПРАВОЧНОЙ СИСТЕМЫ

2.1 Классификация и обозначения цифровых микросхем

Интегральная микросхема это микроэлектронное изделие, состоящее из активных (транзисторов) и пассивных (диодов, резисторов, конденсаторов) элементов, а также из соединяющих их проводников, которое изготавливается в едином технологическом процессе в объеме полупроводника или на поверхности диэлектрического основания, заключено в корпус и представляет собой неразделимое целое. Иногда ее называют интегральной схема, иногда микросхемой, соответственно, возможны сокращенные обозначения ИМС, ИС, МС.

По технологии изготовления микросхемы делятся на три разновидности: полупроводниковые (самые распространенные), пленочные (почти не выпускаются) и гибридные (выпускают немного и выпуск сокращают).

В полупроводниковых микросхемах все элементы и их соединения изготавливаются в объеме (внутри) и частично на поверхности полупроводника. Иногда полупроводниковую микросхему называют твердотельной схемой, что является буквальным переводом с английского языка (solid state).

В пленочной микросхеме все элементы и их соединения выполнены в виде пленок из проводящих и диэлектрических материалов на диэлектрическом основании. В этих микросхемах нет транзисторов и диодов.

В гибридных микросхемах пассивные элементы и соединительные проводники изготавливают по пленочной технологии, а бескорпусные транзисторы и диоды, изготовленные отдельно по полупроводниковой технологии, соединяют тонкими проводами диаметром 0,04 мм с контактными площадками.

По функциональному назначению микросхемы делятся на две категории:

– аналоговые, обрабатывающие сигналы, изменяющиеся по закону непрерывной функции;

– цифровые, обрабатывающие цифровые сигналы.

Транзисторы, применяющиеся в цифровых микросхемах, бывают двух типов:

– обычные (n–p–n или p–n–p) биполярные транзисторы;

– полевые (униполярные) транзисторы.

В цифровых микросхемах применяются полевые транзисторы только с изолированным затвором, имеющие структуру: металл (затвор), диэлектрик (изоляция затвора), полупроводник (канал, сток–исток), сокращенно МДП, а так как в качестве диэлектрика обычно используется окись кремния, то обычно эти транзисторы, а также микросхемы на них сокращенно называют МОП. Чаще всего в цифровых микросхемах используют пары МОП транзисторов, дополняющие друг друга по проводимости канала, такие микросхемы называют КМОП от слова комплиментарный, что означает дополняющий.

В зависимости от элементов, на которых собраны входные и выходные каскады микросхем, от схемных особенностей этих каскадов цифровые микросхемы делятся на несколько групп или, так называемых "логик" (здесь под словом "логика" подразумевается логический элемент или электронный ключ):

1. РТЛ, – резистивно–транзисторная логика, в которой на входах стоит резистивный сумматор токов, реализующий для положительной логики функцию ИЛИ; выходной каскад собран на транзисторном инверторе;

2. ДТЛ, – диодно–транзисторная логика, в которой на входах стоит несколько диодов, реализующих функцию И или ИЛИ; выходной каскад на транзисторах;

3. ТТЛ, – транзисторно–транзисторная логика, в логических элементах которой ко входам подключены эмиттеры многоэмиттерного транзистора; с помощью этого многоэмиттерного транзистора реализуется функция И; выходной каскад собран на транзисторах;

4. ЭСЛ, – эмиттерно–связанная логика, в которой на входах стоят транзисторы, эмиттеры которых связаны друг с другом;

5. nМОП, pМОП, – МОП логика, все элементы которой выполнены на МОП транзисторах с проводимостью канала n–типа (n–МОП) или p–типа (p–МОП);

6. КМОП, – логика, все элементы которой выполнены на двух типах МОП транзисторов nМОП и pМОП, дополняющих друг друга, т.е. комплиментарных;

7. И2Л, – интегральная инжекционная логика, в которой отсутствуют резисторы; инжекция носителей в область базы транзистора осуществляется с помощью активных генераторов тока, выполненных на p–n–p транзисторах, тогда как сам базовый инвертор, – на n–p–n транзисторах.

По принятой у нас системе обозначение микросхемы должно состоять из четырех основных элементов:

1) цифра, соответствующая конструктивно–технологической группе (1, 5, 6, 7, – полупроводниковые микросхемы, из них 7, – бескорпусные; 2, 4, 8, – гибридные микросхемы; 3, прочие, в том числе пленочные, вакуумные, керамические и т.д.);

2) две, а в последнее время три цифры, обозначающие порядковый номер разработки серии микросхем;

3) две буквы, обозначающие функциональное назначение микросхемы; первая буква соответствует подгруппе (сейчас девятнадцать подгрупп), вторая, – виду (от трех до семнадцати видов в подгруппе);

4) порядковый номер разработки данной микросхемы внутри своего вида в данной серии.

Номером серии микросхемы считают первые три или четыре цифры. Для микросхем, используемых в устройствах широкого применения, перед номером серии ставится буква К. Для характеристики материала и типа корпуса микросхемы после буквы К могут быть добавлены следующие буквы: Р, – для пластмассового корпуса второго вида, М, – для керамического, металлического и стеклокерамического корпуса второго типа. В конце обозначения микросхемы может быть добавлена буква, конкретизирующая один из основных ее параметров.

Например: КМ155ЛА3, К561ИЕ33, 564ЛА7, КР565РУ8Г.

Корпуса цифровых микросхем бывают в основном двух видов:

1. Планарные (плоские), у этих микросхем условное обозначение корпуса начинается с цифры 4; выводы числом от четырнадцати до сорока двух расположены с двух сторон микросхемы с шагом 1.25 мм, прямые, припаиваются, как правило, к дорожкам печатной платы на стороне установки микросхем; такие корпуса часто называют SOIC (small outline integrated cirquit, микросхема в малом корпусе с выводами, не лежащими в одну линию). Иногда такой тип корпуса называют сокращенно, – SO.

Рисунок 2.1 - Планарный корпус микросхемы

2. Корпус dip – dual in line package, – в две линии расположенные выводы (иногда этот тип корпуса называют DIL, иногда, чтобы указать, что корпус изготовлен из пластмассы – PDIP, plastic DIP), – корпус микросхемы, у которой обозначение корпуса начинается с цифры 2; выводы числом от четырнадцати до сорока двух с двух сторон микросхемы с шагом обычно 2,5 мм, изогнутые под углом 900 , припаиваются только в отверстиях печатных плат.

Рисунок 2.2 - DIP корпус микросхемы

Отечественные ТТЛ микросхемы в планарных корпусах часто имеют в обозначении серии вторую цифру 3 (133, 136), они обычно выпускаются для специального применения при температуре от – 60 0C до 125 0C, а в dip–корпусах имеют вторую цифру 5 (155,1531), выпускаются для широкого применения при температуре от – 10 0C до 70 0C.

Среди миниатюризированных современных корпусов микросхем, предназначенных для припаивания только на стороне установки микросхем, можно в качестве примера привести следующие:

– SOIC – small outline integrated circuit, при обозначении SN…DW

Рисунок 2.3 - SOIC small outline integrated circuit, при обозначении SN…DW

В Европе в обозначении ТТЛ микросхем имеются числа 54 для микросхем специального (военного) применения, и 74, – для широкого (гражданского) применения. Буквы в конце зарубежных обозначений означают: L, низкое потребление мощности, но низкое быстродействие; H, – высокое быстродействие, но и большое потребление мощности; S, – с диодами Шоттки (Sсhottky); A, – улучшенные, перспективные от слова Advance (вольный перевод "аванс"); F, – быстрые от слова Fast – быстрый.

В обозначение зарубежных КМОП (CMOS) микросхем обычно входит число 40 (CD4011B).

2.2 Условно-графическое изображение цифровых микросхем

Цифровая или микропроцессорная микросхема, ее элемент или компонент; цифровая микросборка, ее элемент или компонент обозначаются на принципиальных схемах условно-графическим обозначением в соответствии с ГОСТ2.743-91. Условно-графическое обозначение микросхемы имеет форму прямоугольника, к которому подводят линии выводов. Условно-графическое обозначение микросхемы может содержать три поля: основное и два дополнительных, которые располагают слева и справа от основного (рисунок 1). В первой строке основного поля условно-графическое обозначение помещают обозначение функции, выполняемой элементом. В последующих строках основного поля располагают информацию по ГОСТ 2.708.

Рисунок 2.4. Условно-графическое изображение цифровых микросхем

В дополнительных полях помещают информацию о назначениях выводов (метки выводов, указатели). Дополнительные поля на условно-графическом изображении цифровых микросхем могут отсутствовать. Входы на условно-графическом изображении цифровых микросхем располагают слева, а выходы - справа. Номера выводов микросхем помещают над линией вывода ближе к изображению микросхемы.

2.3 Диодно-транзисторная логика (ДТЛ)

Наиболее простой логический элемент получается при помощи диодов. Схема такого элемента приведена на рисунке 1.

Рисунок 2.5. Принципиальная схема логического элемента "2И", выполненного на диодах

В этой схеме при подаче нулевого потенциала на любой из входов (или на оба сразу) через резистор будет протекать ток и на его сопротивлении возникнет падение напряжения. В результате на выходе схемы единичный потенциал будет только если подать единичный потенциал сразу на оба входа микросхемы. То есть схема реализует функцию "2И".

Количество входов элемента "И" зависит от количества диодов. Если использовать два диода, то получится элемент "2И", если три диода - то "3И", если четыре диода, то "4И", и так далее. В микросхемах выпускается максимальный элемент "8И".

Приведенная схема обладает таким недостатком, как смещение логических уровней на выходе микросхемы. Напряжение нуля и напряжение единицы на выходе схемы выше входных уровней на 0.7 В. Это вызвано падением напряжения на входных диодах. Скомпенсировать это смещение уровней можно диодом, включенном на выходе схемы, как это показано на рисунке 2.

Рисунок 2.6 Принципиальная схема усовершенствованного логического элемента "2И", выполненного на диодах

В этой схеме логические уровни на входе и выходе схемы одинаковы. Более того, схема на рисунке 2 будет нечувствительна не только к входным напряжениям, большим напряжения питания схемы, но и к отрицательным входным напряжениям. Диоды выдерживают напряжение до сотен вольт. Поэтому такая схема до сих пор используется для защиты цифровых устройств от перегрузок по напряжению, возникающих, например, в цепях, выходящих за пределы устройства. Естественно, что для защиты одного входа достаточно одного диода на входе элемента. В результате получается только схема защиты без функции "И".

Однако новая схема не может каскадироваться, так как вырабатывает только вытекающий ток, а для следующего каскада требуется втекающий выходной ток схемы. Поэтому к схеме диодного логического элемента "И" обычно подключается двухтактный усилитель на биполярных транзисторах. Схема такого элемента приведена на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7. Принципиальная схема базового элемента ДТЛ микросхемы

Усилитель, использованный в схеме на рисунке 3, позволяет вырабатывать как втекающий, так и вытекающий выходной ток. Тем не менее следует помнить, что это источник напряжения, и если не ограничить выходной ток микросхемы, то можно вывести ее из строя.

Приведенный на рисунке 3 логический элемент используется в таких современных сериях микросхем как 555, 533, 1531, 1533. В этих сериях микросхем для повышения быстродействия применяются транзисторы и диоды Шоттки.

Обратите внимание, что транзистор VT1 инвертирует сигнал на выходе элемента "И". То есть вместо логической 1 на выходе присутствует логический 0. И наоборот вместо логического нуля на выходе присутствует логическая единица, а схема в целом реализует функцию "2И-НЕ":

Условно-графическое изображение такого логического элемента показано на рисунке 4, а таблица истинности приведена в таблице 1.

Рисунок 2.8. Условно-графическое изображение элемента "2И-НЕ".

Таблица 2.1. Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию "2И-НЕ"

На основе базового элемента строится и инвертор. В этом случае на входе используется только один диод. Схема ДТЛ инвертора приведена на рисунке 5.

Рисунок 2.9. Принципиальная схема инвертора ДТЛ микросхемы

В состав современных серий микросхем кроме элементов "И" входят логические элементы "ИЛИ" транзисторы VT2 соединяются параллельно в точках "а" и "б", показанных на рисунке 3, а выходной каскад используется один. Схема логического элемента "2ИЛИ-НЕ" приведена на рисунке 6.

Рисунок 2.10. Принципиальная схема логического элемента "2ИЛИ-НЕ" ДТЛ микросхемы

Схемы "ИЛИ-НЕ" в этих сериях микросхем имеет обозначение ЛЕ. Например схема К555ЛЕ1 содержит в одном корпусе четыре элемента "2ИЛИ-НЕ". Таблица истинности, реализуемая этой схемой, приведена в таблице 2, а условно-графическое изображение такого элемента показано на рисунке 7.

Рисунок 2.11. Условно-графическое изображение элемента "2ИЛИ-НЕ"

Таблица 2.2 Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию "2ИЛИ-НЕ"

2.4 Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

В ТТЛ схемах вместо параллельного соединения диодов используется многоэмиттерный транзистор. Физика работы этого элемента не отличается от работы диодного элемента "2И". Высокий потенциал на выходе многоэмиттерного транзистора получается только в том случае, когда на обоих входах элемента (эмиттерах транзистора) присутствует высокий потенциал (то есть нет эмиттерного тока). Принципиальная схема типового элемента ТТЛ микросхемы приведена на рисунке 1.

Рисунок 2.12. Принципиальная схема типового элемента ТТЛ микросхемы

Умощняющий усилитель, как и в диодно-транзисторном элементе, инвертирует сигнал на выходе схемы. По такой схеме выполнены базовые элементы микросхем серий 155, 131, 155 и 531. Схемы "И-НЕ" в этих сериях микросхем обычно имеет обозначение ЛА. Например, схема К531ЛА3 содержит в одном корпусе четыре элемента "2И-НЕ". Таблица истинности, реализуемая этой схемой, приведена в таблице 1, а условно-графическое обозначение этих элементов приведено на рисунке 2.

Рисунок 2.13 Условно-графическое изображение элемента "2И-НЕ"

Таблица 2.3. Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию "2И-НЕ"