Физические основы действия современных компьютеров (стр. 3 из 6)
Где h11 – входное сопротивление при коротком замыкании на выходе
h12 – коэффициент обратной передачи при холостом ходе на входе
h21 – коэффициент усиления по току при коротком замыкании на выходе
h22 – выходная проводимость при холостом ходе на входе.
К физическим параметрам транзисторов относятся: rэ – сопротивление эмиттерного перехода с учетом объемного сопротивления эмиттерной области (обычно – несколько десятков Ом); rк – сопротивление коллекторного перехода (от нескольких сотен килоом до мегаома); rб – объемно сопротивление базы (несколько сот Ом).
Также любой транзистор обладает т.н. предельным характеристиками: предельной температурой переходов (для кремниевых транзисторов до 200 градусов по Цельсию, для германиевых – до 100) и максимальная мощность, рассеиваемая транзистором:
где Tокр – температура окружающей среды, RTокр – тепловое сопротивление, Tnmax – предельная температура переходов.
От температуры зависят и другие характеристики транзисторов, как то, например, при повышении температуры на 10 градусов ток Iкбо возрастает в 2 раза, что нарушает режим работы транзистора в сторону больших токов. Поэтому в промышленности применяются транзисторы из более термостойких материалов (кремниевые) и различные методы охлаждения схемы.
Однако, биполярные транзисторы обладают весьма небольшим входным сопротивлением и высокой инерционностью. Поэтому в компьютерах используются в основном полевые транзисторы, которые (к тому же) гораздо легче поддаются миниатюризации. Биполярные транзисторы дают большее быстродействие.
Полевые транзисторы бывают двух типов – канальные и с изолированным затвором. Последние и применяются в компьютерах, их мы и рассмотрим.
(здесь и далее серым цветом обозначается окисел кремния SiO2).
Металлический электрод затвора изолирован от канала тонким слоем диэлектрика (двуокисью кремния SiO2). Концентрация примеси в областях стока и истока значительно больше, чем в канале. Основанием для транзистора служит полупроводник p-типа. Исток, сток и затвор имеют металлические выводы, с помощью которых транзистор и подключается к схеме. Такой транзистор также называется МОП-транзистором (металл-окисел-полупроводник).
МОП-транзисторы характеризуются следующими статическими параметрами режима насыщения:
при Uc=const,где S – крутизна характеристик, DIc – изменение тока стока, DUзи – изменение напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке.
при Uзи=const,где Ri – внутренне сопротивление, DUc – изменение напряжения на стоке, DIc – изменение тока стока при постоянном напряжении на затворе.
при Iс=const,где m – коэффициент усиления, показывающий, во сколько раз сильнее влияет на ток стока изменение напряжения на затворе, чем изменение напряжения на стоке.
Uзи отс – обратное напряжение на затворе (напряжение отсечки), при котором токопроводящий канал оказывается перекрытым.
Входное напряжение между затвором и истоком определяется при максимально допустимом напряжении между этими электродами.
На высоких частотах также очень важными являются междуэлектродные емкости: входная, проходная и выходная.
К важнейшим достоинствам полевых транзисторов относятся:
1) Высокое входное сопротивление (до 1015 Ом).
2) Малый уровень собственных шумов
3) Высокая устойчивость против температурных и радиоактивных воздействий
4) Высокая плотность элементов при использовании в интегральных схемах
5) Низкая инерционность.
Реализация других полупроводниковых приборов в интегральных схемах.
Конденсатор (используется барьерная емкость обратно включенного p-n перехода)
Резистор (базовые – высокоомные, эмиттерные – низкоомные. В качестве переменного резистора можно использовать униполярый транзистор).
Индуктивности обычно не используются, т.к. схемы проектируют так, чтобы избежать их использования, однако, если все же возникает необходимость введения в схему отдельной индуктивности, на поверхность окисла кремния металлической спирали.
Диоды b и e – на основе коллекторного перехода имеют наибольшее обратное напряжение. На основе эмиттерного перехода (a, d) – имеют наибольшее быстродействие и наименьший обратный ток. На основе параллельного включения переходов (с) – наименьшее быстродействие и наибольший прямой ток..
Таким образом, с помощью транзисторов в микросхемах исполняются практически все необходимые радиоэлементы. Далее мы рассмотрим, где и как они применяются.
Оперативная память является полупроводниковым устройством, и выполнена в виде матрицы. Как легко догадаться, полупроводниковые запоминающие устройства, в отличие от вышеописанных – энергозависимы, т.е. нуждаются в постоянной подпитке энергией или обновлении. В самом примитивном подходе элемент памяти состоит из триггера (статическая память) или конденсатора (динамическая). Соответственно, элемент памяти хранит только один бит информации. Расположены они, как уже упоминалось, в виде матрицы, на пересечении строк и столбцов. Для обращения к нужному элементу памяти необходимо возбудить адресные шины (выходы) нужных строки и столбца, на пересечении которых находится необходимый элемент. На всех других адресных шинах должен быть сигнал нулевого уровня. Такая схема адресации называется двухкоординатной. Сигналы выборки формируются внешним либо внутренним дешифратором кода адреса.
Как было уже сказано, в элемент памяти записывается (или считывается с него) 0 или 1. Запись и считывание производится по информационным (разрядным) шинам, которые соединены с усилителями записи и считывания, которые в свою очередь, формируют сигналы с требуемыми параметрами. Поскольку для считывания и записи используется одни и те же разрядные шины, соединенные со всеми элементами памяти, то операции считывания и записи на каждый элемент памяти разделены по времени как между собой, так и между считыванием и записью в другие элементы памяти данной микросхемы.
Схема устройства статического ОЗУДля хранения четырехразрядного числа необходимо иметь 4 матрицы накопителя (понятное дело, что обычно используются восьмиразрядные числа, но описание его хранения слишком сложно для восприятия, хотя от четырехразрядного варианта отличается только лишь количеством элементов). Адресные входы матриц-накопителей соединяются параллельно и подключаются к дешифратору.
Схем включения блоков памятиТак как матрица-накопитель одной рассматриваемой микросхемы содержит 16 элементов памяти, то при параллельном включении четырех таких микросхем получается запоминающее устройство, которое может одновременно хранить 16 четырехразрядных чисел (заметим в скобках, что современные устройства памяти оперируют 64-разрядными числами). Для адресации этих чисел необходимо иметь 16 различных адресных сигналов, что можно получить при четырехэлементном коде адреса. Например, при коде адреса 0000 сигналы единичного уровня появятся на шинах с номерами 1, которые на всех схемах выбирают элемента памяти с адресом 1.1. Таким образом, в первой схеме запишется 1й разряд числа, во второй – второй и т.д. Часть запоминающего устройства, предназначенная для хранения многоразрядного числа, называется ячейкой памяти.
Как уже отмечалось, в статическом ЗУ роль элемента памяти выполняет триггер. Возьмем матрицу из 16*16=256 элементов, т.е. организация накопителя будет 256*1 бит. Для обращения к такому ОЗУ необходимо подвести к нему сигнал,. разрешающий работу (ВМС – выборка микросхемы), к информационным входу и выходу, и восьмиразрядный код адреса к адресным входа дешифраторов.
Дешифратор управляет ключами выборки строк и столбцов, которые, в свою очередь вырабатывают сигналы, соединяющий выбранный элемент памяти и шину ввода-вывода. Сигналом запись-считывание (ЗС) устанавливается режим работы микросхемы.
При поступлении единичного уровня сигналов ЗС и ВМС открывается схема ввода информации. Через шину ввода-вывода и открытый ключ выборки столбца информация через вход поступает на выбранный элемент памяти.
При нулевом сигнале ЗС и сигнале ВМС открывается схема вывода информации на выход. При отсутствии сигналов ЗС и ВМС выход микросхемы отключается от внешней шины.
Схема работы статической памяти. Динамическому ОЗУ нужна периодическая перезапись (регенерация) информации для ее хранения. Возьмем, например схему с емкостью 4096*1 бит с матрицей 64*64=4096 элементов памяти. В ней необходимо иметь 64 усилителя считывания, и два шестиразрядных регистра для хранения кода адреса, дешифраторы строк столбцов с 64 выходами каждый, устройство ввода-вывода и устройство управления и синхронизации, которое будет формировать управляющие сигналы. Элементом память в данном случае будет конденсатор, который с помощью ключевой схемы на транзисторе будет подключаться к разрядной шине. При совпадении выходного сигнала дешифратора столбца и управляющего сигнала F3 открываются ключи выборки столбцов, шины ввода-вывода соединяются с выбранной разрядной шиной – производится считывание или запись информации.