Get best of the week

ننظر داخل الدائرة المتكاملة السوفيتية مع TTL

ترجمة مقال من مدونة Ken Shirriff

في هذه المقالة سنفحص شريحة الثمانينيات المستخدمة في ساعات مركبة الفضاء Soyuz. تظهر الصورة من خلال المجهر بلورة من السيليكون داخل العلبة بتصميم هندسي واضح. يبدو السيليكون في الصورة بنفسجيًا ورديًا ، والطبقة ذات الموصلات المعدنية - بيضاء. على طول حواف الشريحة ، تقوم موصلات التوصيل (السوداء) بتوصيل منصات الشريحة مع جهات الاتصال الخاصة بها. الهياكل الصغيرة هي المقاومات والترانزستورات. IS 134LA8 على البوابات المنطقية وليس الرقاقة تستخدم على مدار الساعة في الصورة أدناه. في الآونة الأخيرة ، جاءت هذه الساعة التي تطير إلى الفضاء على متن مركبة فضائية سويوز (من غير المعروف أي رحلة - بناءً على العلامة ، تم تصنيع الساعة في عام 1984) جاءت إلى متحفنا




. تعرض الشاشة العلوية اليسرى الوقت ، والمؤقت السفلي. تقوم وظيفة "التنبيه" بتنشيط الدائرة الخارجية في الوقت المحدد. اعتقدت في البداية أن هذه الساعة ستحتوي على شريحة واحدة في الداخل ، ولكن تبين أنها معقدة بشكل غير متوقع ، تحتوي على أكثر من 100 ICs على عشرة لوحات.



تفتح لوحات الدوائر المطبوعة للساعة بطريقة كتاب ، وبعد ذلك يصبح IC والمكونات الأخرى مرئية - وهذا يسمح لك بعمل مثبتات مرنة للأسلاك التي تربط الألواح. من بين الدوائر المتكاملة ، الأكثر شيوعًا هي الرقائق المسطحة ذات 14 دبوسًا في غلاف معدني مع تركيب على السطح. كنت أرغب في معرفة المزيد عن هذه الدوائر المتكاملة ، لذلك فتحت أحدها ، والتقطت صورة وهندست دائرتها العكسية (لا تقلق ، لم نتلف الرقائق من الساعة - لقد اشترينا للتو مماثلة على eBay ؛ كان من السهل العثور عليها بشكل غير متوقع).


يتم ترتيب أحزمة الأسلاك بحيث يمكن فتح الألواح. يمكن رؤية بلورة كوارتز تعمل كمؤقت في أعلى الوسط. تقع الطاقة على الألواح على اليمين ، مع العديد من المحاثات المستديرة.

الدوائر المتكاملة السوفيتية


يتم تجميع الساعة على IC مع TTL - كان هذا المنطق الرقمي شائعًا من السبعينيات إلى التسعينيات ، حيث كان موثوقًا وغير مكلف وسهل الاستخدام (إذا كنت منخرطًا في إلكترونيات الهواة في ذلك الوقت ، فمن المحتمل أنك تعرف سلسلة 7400 ). تحتوي أبسط شرائح TTL على عدد قليل فقط من البوابات المنطقية - على سبيل المثال ، 4 بوابات NAND أو 6 محولات ، ويمكن أن تقوم الرقائق الأكثر تعقيدًا بتنفيذ وحدات وظيفية مثل عداد 4 بت. ونتيجة لذلك ، أعطت TTLs المجال لرقائق CMOS المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر الحديثة التي تستهلك طاقة أقل وكثافة أعلى.

توضح الصورة أدناه الشريحة مع إزالة الغطاء المعدني. في الوسط ، تظهر بلورة السيليكون الصغيرة وتربطها بموصلات الموصل. هذا هو IP صغير إلى حد ما - أبعاد الصندوق هي 9.5 مم × 6.5 مم ، وهي أصغر بشكل ملحوظ من الظفر. لفتح مثل هذه الرقاقة ، عادة ما أضعها في الرذيلة ثم أضغط على المفصل بإزميل. ومع ذلك ، في هذه الحالة ، فتحت الشريحة نفسها - بينما كنت أبحث عن مطرقة ، انبثق الغطاء فجأة بسبب الضغط الذي يمارسه الرذيلة. إزالة


IC بغطاء معدني

. تمييز رقاقة - 134LA8 0684 (134 - رقاقة منخفضة الطاقة ، L - منطق ، A - NAND بوابة ، 8 - نوع فرعي من هذه الفئة ، 0684 - تم تصنيعها في الشهر السادس من 1984). تطبق أربعة صمامات NAND متعددة الفتحات.. بوابة NAND هي بوابة منطقية قياسية ترجع 0 إذا كان كلا المدخلين 1 ، وإلا 1. يختلف خرج المجمّع المفتوح قليلاً عن المعيار.
في الحالة 0 ، سيكون الجهد عند جهة اتصال الإخراج منخفضًا ، وفي الحالة 1 ، سيكون عائمًا ("حالة مقاومة عالية"). مطلوب مقاوم سحب خارجي لتشديد الخرج في حالة النتيجة 1. يتم استخدام ثلاث رقائق من هذا القبيل في الساعة: واحدة في الدائرة مع مذبذب كوارتز واثنان في دور المحولات في أجزاء أخرى من الساعة.


المنطق 134LA8

وفقًا لوكالة المخابرات المركزية ، تخلف الاتحاد السوفييتي عن الولايات المتحدة في تطوير الملكية الفكرية بنحو 9 سنوات. وسيكون الفارق أكبر بكثير لو لم يقم الاتحاد السوفييتي بنسخ العديد من عناوين IP الغربية. ونتيجة لذلك ، فإن معظم رقائق TTL السوفيتية لها مكافئات غربية. ومع ذلك ، تختلف رقاقة 134LA8 التي درستها عن تلك الغربية في ميزتين. أولاً ، لتقليل عدد المقاومات الخارجية على الشريحة ، هناك مقاومان قابلين للتوصيل يمكن توصيلهما كما تريد. ثانيًا ، تحتوي الشريحة على دبابيس إدخال مشتركة ، والتي تحرر الدبابيس التي تستخدمها المقاومات. لذا ، على الرغم من أن الاتحاد السوفياتي نسخ IP ، إلا أنه طور رقائقه الخاصة بشكل خلاق.

مكونات IP


تحت المجهر ، تكون مكونات IC والترانزستورات والمقاومات مرئية. أقسام من بلورة السيليكون ، حسب الشوائب ، لها ظلال من اللون الوردي أو الأرجواني أو الأخضر. من خلال خلط المواد الأخرى بالسيليكون ، من الممكن تغيير خصائص أشباه الموصلات للحصول على السيليكون من النوع n و p. الخطوط البيضاء في الأعلى هي مسارات معدنية تربط بين مكونات طبقة السليكون.

تظهر الصورة أدناه المقاوم على ركيزة السيليكون. يتكون المقاوم عن طريق إضافة الشوائب إلى السيليكون ، مما يولد مسارًا بمقاومة عالية - وهذا خط محمر في الصورة. كلما كان المسار أطول ، زادت المقاومة ، لذلك غالباً ما تصنع المقاومات على شكل زجزاج للحصول على المقاومة المطلوبة. يتم توصيل المقاوم بطبقة معدنية على كلا الجانبين ، ويمر المسار الآخر فوقه.


المقاوم

رقاقة IC هذه الشريحة ، مثل رقائق TTL الأخرى ، تستخدم الترانزستورات ثنائية القطب npn. تحتوي هذه الترانزستورات على باعث من النوع n وقاعدة من النوع p وجامع من النوع n. في IC الترانزستورات مصنوعة عن طريق إضافة الشوائب إلى السيليكون ، وتشكيل طبقات ذات خصائص مختلفة. في الجزء السفلي من المكدس ، يشكل المجمع ، بمساعدة الإضافات المحولة إلى سيليكون من النوع n ، غالبية الترانزستور (منطقة خضراء كبيرة). فوقها منطقة سيليكون رقيقة من النوع p تشكل القاعدة ؛ هذه رقعة حمراء في المنتصف. وأخيرًا ، يتم تشكيل مستطيل باعث صغير من النوع n فوق القاعدة. تشكل هذه الطبقات بنية npn. لاحظ أن التوصيل المعدني للمجمع والقاعدة موجود على جانب الجزء الرئيسي من الترانزستور.



عادة ما تستخدم دوائر TTL ترانزستورات بعدة بواعث ، واحدة لكل ناتج ، والتي يمكن رؤيتها أعلاه. قد يبدو مثل هذا الترانزستور غريبًا ، ولكن من السهل جدًا القيام به في IC. يحتوي الترانزستور أعلاه على اثنين من أجهزة البث المتصلة. إذا نظرت عن كثب ، يمكنك أن ترى أن هناك أربعة بواعث ، والغير مستخدمة يتم اختصارها إلى القاعدة.

تنبعث الترانزستورات الناتجة على الشريحة إشارة خارجية من الشريحة ، لذلك يجب أن تدعم تيارات أعلى بكثير مقارنة بالآخرين. نتيجة لذلك ، هم أنفسهم أكبر من الترانزستورات الأخرى. كما كان من قبل ، يحتوي الترانزستور على منطقة تجميع كبيرة من النوع n (أخضر) مع قاعدة أعلى (وردي) وباعث في الأعلى. يحتوي الترانزستور الناتج على اتصالات طويلة تربط الطبقة المعدنية والسيليكون ، بدلاً من الاتصالات المربعة الصغيرة ، مثل السابقة. الباعث (مع موصل على شكل U) أكبر أيضًا. هذا يسمح بمرور تيار أكثر. في الصورة أدناه ، لا يحتوي الترانزستور على اليسار على طبقة معدنية ، لذلك من السهل النظر في تفاصيله. يظهر الترانزستور الموجود على اليمين موصلات معدنية.



كيف صمام TTL AND-NOT


يوضح الرسم البياني أدناه إحدى بوابات منطق NAND بمجمع مفتوح. لفهم كيفية عمل الدائرة (يمكن العثور على أكثر وصف تفصيلي للعمل هنا) ، لنفترض أولاً أنه يتلقى 0. يتدفق عبر المقاوم R1 وقاعدة الترانزستور Q1 يخرج من خلال باعث الترانزستور. سيتم إيقاف تشغيل الترانزستور Q2 ، لذلك يسحب R3 قاعدة Q3 لأسفل ويوقف تشغيله. وبالتالي ، سيكون الناتج عائمًا (أي ، إخراج جامع مفتوح 1). لنفترض الآن أن 1. يتم تغذية كل من المدخلات ، والآن ، لا يمكن أن يمر التيار المتدفق عبر R1 من خلال الإدخال ، لذلك سوف يخرج من خلال المجمع Q1 (في الاتجاه المعاكس) وإلى القاعدة Q2 ، والتي ستعطل Q2. Q2 سيسحب قاعدة Q3 للأعلى ، بما في ذلك Q3 وسحب جهد الخرج المنخفض. وبالتالي ، تقوم الدائرة بتنفيذ صمام AND-NOT ، مع إعطاء 0 إذا تم تطبيق الجهد العالي على كل من المدخلات. لاحظ أن Q1 لا يعمل مثل الترانزستور العادي - وبدلاً من ذلك ، فإنه "يتحكم في التيار" ، ويوجه التيار من R1 في اتجاه أو آخر.



يوضح الرسم البياني أدناه مكونات إحدى بوابات NAND التي تم وضع علامة عليها وفقًا للرسم التخطيطي أعلاه (البوابات الثلاثة الأخرى NAND على الشريحة تشبه هذه البوابة). أسلاك الصمام بسيطة مقارنة بمعظم الدوائر المتكاملة ؛ يمكن مقارنة المسارات المعدنية (البيضاء) مع الموصلات في الرسم التخطيطي. انتبه إلى مسار اللف من الأرض إلى Q3. يحتوي Q1 على بواعث ، و Q3 لديه ترانزستور إخراج كبير. يوجد ترانزستورات غير مستخدمة أقل من Q2.



استنتاج


الرقاقة السوفييتية في 1984 بسيطة بما يكفي لفهم تشغيل الدائرة التي توضح تصميم صمام TTL وليس. الجانب السلبي للرقائق البسيطة هو أن الساعة من Soyuz استغرقت أكثر من 100 شريحة لتنفيذ أبسط وظائف الساعة. حتى في ذلك الوقت ، كانت هناك رقائق بالفعل نفذت بشكل كامل عمل الساعات وأجهزة الإنذار. اليوم ، يمكن أن تحتوي الرقائق على مليارات الترانزستورات ، ولهذا السبب لديها مجموعة كبيرة من الوظائف ، ولكن لا يمكن فهم عملها ببساطة من خلال النظر إليها.

فيديو يقوم فيه CuriousMarc بتحليل ساعة فضائية:

More articles:


All Articles