Да погледнем какво има вътре в една съветска интегрална схема с TTL логика

В тази материал ще се спрем на чип от 1980-те години, използван в часовника на космическия кораб Союз. На направената с микроскоп снимка се вижда силициевия кристал в корпуса със съвсем ясна геометрия. Силицият в тази фотография е с розово-виолетов цвят, а слоят с металните проводници е с бял цвят. По периметъра на чипа се виждат контактните площадки със запоените на тях изводи на интегралната схема, а малките зеленикави структури са резистори и транзистори.

Този чип се използва в часовника, показан малко по-горе. Наскоро този часовник, която е летял в космоса с космическия кораб Союз попадна в нашия музей. Не е известно с кой точно полет е летял този часовник, но според маркировката, той е произведен през 1984 година. Дисплеят в горния ляв ъгъл показва часа, а дисплеят под него е за таймера. Функцията за „задаване на аларма“ в точно определено време може да задейства една електрическа верига. Аз първоначално мислех, че в този часовник има само един чип, но устройството се оказа сложно, включващо над 100 интегрални схеми, разположени върху 10 печатни платки.

Печатните платки се разгръщат подобно на страници на книга и по този начин става възможно да се видят чиповете и другите компоненти. По този начин става възможно да се направи гъвкаво окабеляване на платките. Сред чиповете най-много са малките и плоски интегрални схеми с 14 крачета, при които е използван повърхностен монтаж. Реших да разбера малко повече за тези чипове и отворих един от тях, заснех го най-внимателно и приложих обратно инженерство на неговата схема. Не, не, ние не унищожавахме чиповете на това устройство, а купихме аналогични интегрални схеми от eBay – оказа се, че те се намират неочаквано лесно.

Съветските интегрални схеми

В този часовник се използват TTL чипове – тази цифрова логика бе популярна от 1970-те до 1990-те години, понеже бе надеждна, евтина и лесна за използване (ако сте се занимавали с любителска електроника по това време, навярно знаете чиповете от серия 7400 или може би К155). В най-опростения TTL чип има само няколко логически елемента – например 4 И-НЕ (NAND) елемента или 6 инвертора, а по-сложните имат 4-битов брояч. В крайна сметка TTL интегралните схеми отстъпиха през CMOS, които се използват в съвременните компютри и консумират много по-малко енергия и имат много висока плътност.

По-долу е показан един от тези чипове с премахната металическа капачка. В средата се вижда мъничкият силициев кристал и малките проводници, които го съединяват с изводите на интегралната схема. Това е доста малък чип с размер на корпуса 9,5 х 6,5 мм и е много по-малък от размера на човешкия нокът например. За да отворя този чип мислех да го стисна с менгемето и с помощта на чукче и малко длето да махна капачката. Но чипът самичък се отвори – докато търсех чукчето, капачката внезапно се отдели и изскочи от натиска, създаван от менгемето.

Името на този чип е 134ЛА8 0684 и се разшифрова по следния начин: 134 – чип с ниска консумация, Л – логическа интегрална схема, А означава логически елемент И-НЕ, 8 – подтип на на тази категория чипове и 0684 означава, че той е изготвен на 6-тата седмица от 1984 година (доста смело изказване на автора). В него са реализирани четири И–НЕ логически елемента с отворен колектор. Логическият елемент И-НЕ е стандартен, който на изхода си дава 0, ако и двата входа са равни на 1, а в противоположен случай – дава 1. Изходът с отворен колектор е малко по-различен от стандартния.

При 0 на изхода, напрежението на този изход ще бъде ниско, а при 1 ще бъде в състояние с висок импеданс и трябва да се използва допълнителен резистор. По принцип при управление на товари с по-голяма мощност се използват елементи с отворен колектор, при които товарът се включва между изхода на схемата и захранващия източник. В този часовник се използват три подобни логически елемента – един в платката с кварцовия генератор и два в ролята на инвертори в други места на цялостната схема на часовника.

Според мнението на ЦРУ, СССР е изоставал от САЩ в разработката на интегрални схеми, с около 9 години. Изоставането е можело да бъде дори още по-голямо, ако СССР не е копирал редица западни чипове. По този начин, редица съветски TTL чипове имат западни аналози, като съвпадат и крачетата. Но изследваната от мен интегрална схема 134ЛА8 се различава от западните по две неща. Първо, за намаляване броя на външните резистори в самия чип са поставени два резистора, които могат да се свържат към захранването и по този начин не се налага използването на външен резистор. Второ, чипът има два общи входни И-НЕ логически елементи, което освобождава две крачета. Да, може СССР да е копирал някои западни чипове, но той е развивал и творчески разработвал собствени интегрални схеми за свои специфични нужди.

Компонентите на интегралната схема

Под микроскоп се виждат компонентите на тази интегрална схема – транзисторите и резисторите. Различните зони на силициевия кристал, в зависимост от примесите, имат розов, виолетов или зелен цвят. Чрез специални добавки към силиция е възможно да се променят неговите полупроводникови свойства и да се получава силиций от n-тип и p-тип. Белите линии, които се виждат отгоре, са метални пътечки, съединяващи компонентите върху силициевия слой.

Снимката по-долу показва как се прави резистор върху силициевия кристал. Резисторът се формира от силиций с примеси, от който е направена пътечка с високо електрическо съпротивление. Колкото по-дълга е тази пътечка, толкова е по-голямо съпротивление – ето защо резисторите имат зигзагообразен вид, за да може да се получи необходимото съпротивление. Двата извода на показания тук резистор са съединени с металния слой и се вижда как над него минава друга пътечка.

В този чип, както и другите TTL интегрални схеми, се използват биполярни n-p-n транзистори. При тях емитерът е направен от n-тип полупроводник, базата е p-тип и колекторът – n-тип. В тези интегрални схеми транзисторите се изготвят чрез добавянето на специални примеси, формиращи слоеве с различни свойства. Отдолу и отстрани се вижда колекторът, който с помощта на легиране е превърнат в силиций от n-тип, формиращ по-голямата част от транзистора (голямата зелена област). Над него е поставен тънък слой от силиций от p-тип, който формира базата – това е червеникавият участък в средата. И накрая, малкият правоъгълник от n-тип над базата, който образува емитера. Тези три слоя формират n-p-n структурата. Добре се вижда, че металните връзки на колектора и базата са встрани от основаната част на транзистора.

В TTL интегралните схеми се използват транзистори с няколко емитера. Този транзистор може да изглежда доста странно, но се прави много лесно в тези чипове. Показаният по-горе транзистор има два емитера. А ако се вгледаме по-внимателно, ще видим, че емитерите всъщност са четири емитера, но неизползваните са съединени директно с базата,

Изходните транзистори в чипа, които формират външния сигнал, трябва да издържат много по-голям ток в сравнение с другите транзистори. Това е и причината те да се по-големи в сравнение с другите. Както и в предишния случай, този транзистор има голяма зона за колектора от n-тип със зелен цвят, базата на транзистора е с розов цвят, а най-отгоре се намира емитерът. Това е изходен транзистор, който има дълги метални контакти, съединяващи металния слой със силиция, докато предишният транзистор имаше малки квадратни контакти. Емитерът с U-образен проводник, също е по-голям и това дава възможност през него да преминава по-силен ток. Лявото изображение на снимката по-долу няма метален слой и неговото разглеждане е по-лесно. Десният транзистор има метални проводници.

Работата на TTL И–НЕ логическия елемент

Изображението по-долу показва един И–НЕ (NAND) логически елемент с отворен колектор. За да разберем как работи тази схема (изключително подробно описание на нейната работа е дадена в специална интернет страница), ни само ще кажем няколко думи. Нека да предположим, че на нейния вход пристига логическа 0. Токът, преминаващ през резистора R1 и базата на транзистора Q1, ще премине през емитера на този транзистор. Транзисторът Q2 ще бъде запушен и резисторът R3 ще съединява базата на транзистора Q3 с общия проводник и той също ще бъде запушен, като на колектора е възможно да има логическа единица.

Нека сега си представим, че и на двата входа имаме 1. Този път токът преминаващ през резистора R1 ще премине през колектора на Q2, което ще го отпуши. Транзисторът Q2 ще подаде положителен потенциал на базата на Q3, ще отпуши Q3 и на изхода ще имаме ниско напрежение. По този начин се реализира И–НЕ логиката, при която на изхода имаме 0, когато на на двата входа са подадени 1-ци. Особеното тук е, че входният транзистор Q1 не работи като обикновен транзистор, а само разпределя тока от R1 в една или друга посока.

Илюстрацията по-долу показва компонентите на един от И–НЕ логическите елементи, които са отбелязани в съответствие с горната схема. Останалите три логически И–НЕ елемента на тази интегрална схема са идентични. Лесно се вижда съответствието на интегралната схема с електрическата схема. Белите метални пътечки могат да се сравнят с проводниците от електрическата схема. Транзисторът Q1 има два емитера, а Q3 е големият транзистор на изхода. А под Q2 има два неизползвани транзистора.

Заключение

Съветският чип от 1984 година не е особено сложен и лесно може да се разбере работата на интегралната схема с TTL И–НЕ логически елементи. Минусът в използването на подобни несложни чипове е, че трябва да се използва голям брой от тях. Часовникът на Союз съдържа над 100 подобни чипа. Всъщност, тогава вече е имало чипове, които изцяло реализират работата на електронен ръчен часовник и най-различни будилници, Само че те не отговарят на изискванията на космическата индустрия. Днешните чипове вече имат милиарди транзистори, с които са реализирани огромен брой функции и начинът на тяхната работа не може да се разбере чрез разглеждането на снимки на техните кристали.

Ето го и видеото, на което CuriousMarc разглобява този космически часовник.