Перевод статьи из блога Кена Ширриффа
В данной статье мы изучим чип 1980-х годов, использовавшийся в часах для космического корабля «Союз». На фото через микроскоп видно кремниевый кристалл внутри корпуса с чёткой геометрической планировкой. Кремний на фотографии выглядит розовато-фиолетовым, а слой с металлическими проводниками – белым. По краям чипа соединительные провода (чёрные) соединяют площадки чипа с его контактами. Крохотные структуры – это резисторы и транзисторы.
ИС 134ЛА8 на логических вентилях И-НЕ
Чип используется в часах на фото ниже. Недавно эти часы, летавшие в космос на корабле «Союз» (неизвестно, на каком из рейсов – судя по маркировке, часы изготовлены в 1984 году), попали в наш музей. Левый верхний дисплей показывает время, а нижний – таймер. Функция «будильника» в заданное время активирует внешний контур. Сначала я думал, что у этих часов внутри окажется единственный чип, однако они оказались неожиданно сложными, содержащими более 100 ИС на десяти платах.
Печатные платы часов открываются на манер книги, после чего становится видно ИС и другие компоненты – это позволяют сделать гибкие крепежи для проводов, соединяющих платы. Среди ИС больше всего встречаются 14-контактные плоские чипы в металлическом корпусе с поверхностным монтажом. Мне захотелось узнать побольше об этих ИС, так что я вскрыл один из них, сфотографировал и провёл обратный инжиниринг его схемы (не волнуйтесь, мы не стали уничтожать чипы из часов – мы просто купили на eBay аналогичные; их было неожиданно просто найти).
Пучки проводов расположены так, чтобы платы могли раскрываться. Кварцевый кристалл, служащий таймером, виден вверху в центре. Питание расположено на платах справа, с несколькими круглыми индукторами.
Советские интегральные схемы
Часы собраны на ИС с ТТЛ – эта цифровая логика была популярной с 1970-х по 1990-е, поскольку была надёжной, недорогой и простой в использовании (если вы занимались любительской электроникой в то время, вам наверняка знакомы модели серии 7400). В простейшем ТТЛ-чипе содержалось лишь несколько логических вентилей – к примеру, 4 И-НЕ вентиля или 6 инвертеров, а более сложные чипы могли реализовывать такие функциональные модули, как 4-битный счётчик. В итоге ТТЛ уступили место чипам КМОП, использующимся в современных компьютерах, которые потребляют меньше энергии и имеют большую плотность.
На фото ниже показан чип со снятой металлической крышкой. В середине виден крохотный кремниевый кристалл, и соединяющие его с контактами провода. Это довольно мелкая ИС – размеры корпуса составляют 9,5 мм х 6,5 мм, заметно меньше ногтя. Чтобы вскрыть подобный чип я обычно помещаю его в тиски и затем бью по стыку долотом. Однако в данном случае чип открылся сам – пока я искал молоток, крышка внезапно соскочила, из-за давления, оказываемого тисками.
ИС со снятой металлической крышкой
Маркировка чипа — 134ЛА8 0684 (134 – чип с низким энергопотреблением, Л – логический, А – вентиль И-НЕ, 8 – подтип данной категории, 0684 – изготовлен на 6-й неделе 1984 года). Он реализует четыре вентиля И-НЕ с открытым коллектором. Вентиль И-НЕ – стандартный логический вентиль, выдающий 0 если оба входа равны 1, а в противном случае – 1. Выход открытого коллектора немного отличается от стандартного.
В случае 0 напряжение на выходном контакте будет низким, а в случае 1 – плавающим («высокоимпедансное состояние»). Требуется внешний подтягивающий резистор, чтобы подтянуть выход в случае результата 1. В часах используется три таких чипа: один в схеме с кварцевым осциллятором, и два в роли инверторов в других частях часов.
Логическая схема 134ЛА8
По мнению ЦРУ, СССР отставал от США в вопросе разработки ИС примерно на 9 лет. И отставание было бы гораздо большим, если бы СССР не скопировал множество западных ИС. В итоге у большей части советских ТТЛ-чипов имеются западные эквиваленты. Однако исследованный мною чип 134ЛА8 отличается от западных двумя особенностями. Во-первых, для уменьшения количества внешних резисторов на чипе располоено два подтягивающих резистора, которые можно подключить как угодно. Во-вторых, у чипа две общих входных вентиля И-НЕ, что освобождает два контакта, используемые резисторами. Так что, хотя СССР и копировал ИС, он также творчески разрабатывал собственные чипы.
Компоненты ИС
Под микроскопом видны компоненты ИС, транзисторы и резисторы. Участки кремниевого кристалла, в зависимости от примесей, имеют оттенки розового, фиолетового или зелёного. Примешивая к кремнию загрязнения можно менять его полупроводниковые свойства, получая кремний n-типа и p-типа. Расположенные сверху белые линии – это металлические дорожки, соединяющие компоненты кремниевого слоя.
На фото ниже видно резистор на кремниевой подложке. Резистор формируется загрязнением кремния, порождающим дорожку с высоким сопротивлением – это красноватая линия на фото. Чем длиннее дорожка, тем больше сопротивление, поэтому резисторы часто выполняются в виде зигзагов, чтобы получить требуемое сопротивление. Резистор подсоединяется к металлическому слою с обоих сторон, а другая дорожка проходит над ним.
Резистор на кристалле ИС
Этот чип, как и другие ТТЛ-чипы, использует биполярные n-p-n-транзисторы. У этих транзисторов эмиттер n-типа, база p-типа и коллектор n-типа. В ИС транзисторы изготовляются путём добавления в кремний примесей, формирующих слои с различными свойствами. В низу стопки коллектор, при помощи добавок превращённый в кремний n-типа, формирует большую часть транзистора (большая зелёная область). Над ним находится тонкий участок кремния p-типа, формирующий базу; это красноватый участок в середине. Наконец, небольшой прямоугольник эмиттера n-типа формируется над базой. Эти слои формируют структуру n-p-n. Заметьте, что металлическое соединение коллектора и базы находится сбоку от основной части транзистора.
ТТЛ-схемы обычно использовали транзисторы с несколькими эмиттерами, по одному на вывод, что можно видеть выше. Такой транзистор может показаться странным, однако его довольно просто сделать в ИС. У транзистора выше подключено два эмиттера. Если присмотреться, видно, что эмиттеров четыре, и неиспользуемые закорочены на базу.
Выводные транзисторы на чипе выдают внешний сигнал с чипа, поэтому они должны поддерживать гораздо большие токи по сравнению с другими. В итоге они и сами крупнее других транзисторов. Как и ранее, у транзистора есть большая область коллектора n-типа (зелёная) с базой выше (розовая) и с эмиттером на самом верху. У выходного транзистора есть длинные контакты, соединяющие металлический слой и кремний, вместо небольших квадратных контактов, как у предыдущего. Эмиттер (с проводником в виде U) тоже крупнее. Это позволяет пропускать через него больше тока. На фото ниже у транзистора слева нет металлического слоя, поэтому его подробности легче рассмотреть. У транзистора справа видны металлические провода.
Как работает ТТЛ И-НЕ вентиль
На диаграмме ниже показан один из логических вентилей И-НЕ с открытым коллектором. Чтобы понять, как работает схема (самое подробное описание работы можно найти по ссылке), сначала предположим, что на вход ей приходит 0. Ток, идущий через резистор R1 и базу транзистора Q1 выйдет через эмиттер транзистора. Транзистор Q2 будет выключен, поэтому R3 притягивает базу Q3 вниз и выключает его. Таким образом выход будет плавающим (то есть, выход открытого коллектора 1). Теперь представим, что на оба входа подаётся 1. Теперь ток, идущий через R1, не может пройти через вход, поэтому он выйдет через коллектор Q1 (в обратном направлении) и в базу Q2, что отключит Q2. Q2 притянет базу Q3 вверх, включая Q3 и вытягивая низкое напряжение выхода. Таким образом схема реализует вентиль И-НЕ, выдавая 0, если на оба входа идёт высокое напряжение. Заметьте, что Q1 работает не как нормальный транзистор – вместо этого он «управляет током», направляя ток от R1 в ту или иную сторону.
На диаграмме ниже показаны компоненты одного из вентилей И-НЕ, размеченные в соответствии со схемой выше (три остальных вентиля И-НЕ на чипе похожи на этот). Разводка вентиля проста по сравнению с большинством ИС; металлические дорожки (белые) можно сопоставить с проводами на схеме. Обратите внимание на извилистую дорожку от земли к Q3. У транзистора Q1 два эмиттера, а Q3 – большой выходной транзистор. Два неиспользуемых транзистора находятся ниже Q2.
Заключение
Советский чип 1984 года достаточно прост, чтобы разобраться в работе схемы, иллюстрирующей конструкцию ТТЛ вентиля И-НЕ. Минус простых чипов в том, что часам с «Союза» потребовалось более 100 чипов для реализации простейшей функциональности часов. Даже в то время уже существовали чипы, целиком реализующие работу наручных часов и будильников. Сегодня на чипах могут содержаться миллиарды транзисторов, из-за чего они обладают огромным набором функций, однако их работу невозможно понять, просто разглядывая.
Видео, на котором CuriousMarc разбирает космические часы:
Автор: Вячеслав Голованов
