Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

Рис. 6.1. Изобретатели микросхемы Роберт Нойс(Robert Noyce, 1927–1990, слева) и Джек Килби(Jack St. Clair Kilby, 1923–2005)

Что же дало внедрение интегральных микросхем, кроме очевидных преимуществ, таких как миниатюризация схем и сокращение числа операций при проектировании и изготовлении электронных устройств?

Рассмотрим прежде всего экономический аспект. Первым производителям чипов это было еще не очевидно, но экономически производство микросхем отличается от других производств. Если вы закажете архитектору проект загородного дома, то стоимость этого проекта будет сравнима со стоимостью самого дома. Даже если вы по этому проекту построите сто домов, то не так уж сильно выгадаете на стоимости каждого. Стоимость проекта поделится на сто, но выгода ваша будет измеряться процентами, потому что построить дом дешевле, чем стоят материалы и оплата труда рабочих нельзя, а они-то и составляют значительную часть затрат на строительство.

В производстве же микросхем картина меняется. Цена материалов, из которых они изготовлены, в пересчете на каждый чип настолько мала, что она составляет лишь несколько процентов от стоимости конечного изделия. Поэтому основная часть себестоимости микросхемы складывается из стоимости ее проектирования и производства, на котором она изготавливается (фабрика для производства полупроводниковых компонентов может обойтись в сумму порядка 2–4 млрд долл.). Ясно, что в этой ситуации определяющим фактором конечной стоимости микросхемы будет количество, которое вы заказываете: если вам нужно меньше миллиона экземпляров, то с вами даже разговаривать не станут, а если вы будете продолжать настаивать, то один экземпляр обойдется вам во столько же, сколько и весь миллион. Именно массовость производства приводит к тому, что сложнейшие схемы, которые в дискретном виде занимали бы целые шкафы ценой в десятки тысяч долларов, продаются дешевле томика технической документации к ним.

Вторая особенность экономики производства микросхем — то, что их цена мало зависит от сложности. Микросхема операционного усилителя содержит несколько десятков транзисторов, а микросхема микроконтроллера (рис. 6.2) — несколько десятков и сотен тысяч, однако их стоимости по меньшей мере сравнимы. Эта особенность тоже не имеет аналогов в дискретном мире, т. к. с увеличением сложности обычной схемы ее цена растет пропорционально количеству использованных деталей.

Рис. 6.2. Кристалл микропроцессора (двойное поле слева — область встроенной памяти)

Фактически единственный фактор, кроме стоимости проектирования, который ведет к увеличению себестоимости сложных микросхем по сравнению с более простыми — это процент выхода годных изделий, который снижается при увеличении размеров и числа элементов на кристалле. Если бы не это обстоятельство, то стоимость Pentium не намного бы превышала стоимость того же операционного усилителя. Однако в Pentium, извините, несколько десятков миллионов транзисторов! Все это позволило проектировщикам без увеличения стоимости и габаритов реализовать в микросхемах такие функции, которые в дискретном виде было бы осуществить просто невозможно или крайне дорого.

Заметки на полях

Кстати, выход годных — одна из причин того, что кристаллы микросхем такие маленькие. В некоторых случаях разработчики даже рады были бы увеличить размеры, но тогда резко снижается и выход. Типичный пример — многолетняя борьба производителей цифровых фотоаппаратов за увеличение размера светочувствительной матрицы. Если бы удалось наладить массовый выпуск матриц размером с пленочный кадр (24x36 мм), то это одним махом решило бы множество проблем, но на момент написания этой книги только самые лучшие (и наиболее дорогие) любительские камеры имеют такие матрицы.

Еще одна особенность микросхем — высокая надежность. Дискретный аналог устройства типа аналого-цифрового преобразователя содержал бы столько паек, что какая-нибудь в конце концов обязательно вышла бы из строя. Между тем, если вы эксплуатируете микросхему в штатном режиме, то вероятность ее выхода из строя измеряется миллионными долями процента. Это настолько редкое явление, что его можно вообще не учитывать на практике. Если у вас сломался какой-то электронный прибор, ищите причину в контактах переключателей, в пайках внешних выводов, в заделке проводов в разъемах, но про возможность выхода из строя микросхемы забудьте. Разумеется, это, повторяю, относится к случаю эксплуатации в штатном режиме, если вы подали на микрофонный вход звуковой карты напряжение 220 В, то конечно, в первую очередь пострадает именно микросхема. Но сами по себе они практически не выходят из строя никогда.

Наконец, для схемотехников микросхемы обладают еще одним бесценным свойством: все компоненты в них изготавливаются в едином технологическом процессе и находятся в строго одинаковых температурных условиях. Это совершенно недостижимо для дискретных приборов — например, пары транзисторов, для которых желательно иметь идентичные характеристики, ранее приходилось подбирать вручную (такие уже подобранные пары специально выпускались промышленно) и иногда даже ставить их на медную пластину, чтобы обеспечить одинаковый температурный режим.

Рассмотрим типичный пример — так называемое токовое зеркало (рис. 6.3). Эта схема работает следующим образом. Левый по схеме транзистор представляет собой фактически диод, т. к. у него коллектор соединен с базой.

Рис. 6.3. Токовое зеркало

Из характеристики диода (см. рис. 3.1) видно, что при изменении прямого тока на нем несколько меняется и напряжение (оно не равно точно 0,6 В). Это напряжение без изменений передается на базу второго, ведомого транзистора, в результате чего он выдает точно такой же ток — но только при условии, если характеристики транзисторов согласованы с высокой степенью точности. Мало того, это соответствие должно сохраняться во всем диапазоне рабочих температур! Естественно, столь высокая идентичность характеристик практически недостижима для дискретных приборов, а для транзисторов, входящих в состав микросхемы, она получается сама по себе, без дополнительных усилий со стороны разработчиков.

Подробности

Схемы подобных токовых зеркал получили широкое распространение в интегральных операционных усилителях в качестве нагрузки входного дифференциального каскада, что значительно лучше простых резисторов. Их применение вместо резисторов гарантирует повторяемость характеристик ОУ в широком диапазоне питающих напряжений. Отметим также, что ведомых транзисторов может быть много (на рис. 6.3 второй такой транзистор показан серым цветом), их число ограничивается только тем обстоятельством, что базовые токи вносят погрешность в работу схемы, отбирая часть входного тока на себя. Впрочем, и с этим можно успешно бороться.