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Wir schauen mit TTL in die sowjetische integrierte Schaltung

Übersetzung eines Artikels aus Ken Shirriffs Blog

In diesem Artikel untersuchen wir den Chip der 1980er Jahre, der in Uhren für das Sojus-Raumschiff verwendet wurde. Das Foto zeigt durch ein Mikroskop einen Siliziumkristall im Inneren des Gehäuses mit einem klaren geometrischen Layout. Das Silizium auf dem Foto sieht rosa-lila aus und die Schicht mit Metallleitern - weiß. Entlang der Kanten des Chips verbinden Verbindungsleiter (schwarz) die Chip-Pads mit ihren Kontakten. Winzige Strukturen sind Widerstände und Transistoren. IS 134LA8 auf logischen Gattern UND NICHT Der Chip wird in der Uhr auf dem Foto unten verwendet. Kürzlich kam diese Uhr, die mit einem Sojus-Raumschiff in den Weltraum flog (es ist nicht bekannt, welcher Flug - gemessen an der Markierung, die Uhr wurde 1984 hergestellt) in unser Museum




. Das obere linke Display zeigt die Uhrzeit und den unteren Timer an. Die Alarmfunktion aktiviert den externen Stromkreis zur eingestellten Zeit. Zuerst dachte ich, dass diese Uhr einen einzigen Chip enthalten würde, aber es stellte sich heraus, dass sie unerwartet komplex war und mehr als 100 ICs auf zehn Platinen enthielt.



Die Leiterplatten der Uhr öffnen sich wie ein Buch, woraufhin der IC und andere Komponenten sichtbar werden. Auf diese Weise können Sie flexible Befestigungselemente für die Drähte herstellen, die die Leiterplatten verbinden. Unter den ICs sind 14-polige flache Chips in einem Metallgehäuse mit Oberflächenmontage am häufigsten. Ich wollte mehr über diese ICs erfahren, also öffnete ich einen von ihnen, machte ein Foto und konstruierte seine Schaltung zurück (keine Sorge, wir haben die Chips nicht von der Uhr zerstört - wir haben nur ähnliche bei eBay gekauft; es war unerwartet leicht zu finden).


Die Kabelbäume sind so angeordnet, dass sich die Platinen öffnen können. Oben in der Mitte ist ein Quarzkristall sichtbar, der als Timer dient. Die Stromversorgung befindet sich auf den Platinen rechts mit mehreren runden Induktivitäten.

Sowjetische integrierte Schaltkreise


Die Uhr ist auf einem IC mit TTL montiert - diese digitale Logik war in den 1970er bis 1990er Jahren beliebt, da sie zuverlässig, kostengünstig und einfach zu bedienen war (wenn Sie sich zu dieser Zeit mit Amateurelektronik beschäftigten, kennen Sie wahrscheinlich die 7400-Serie ). Der einfachste TTL-Chip enthielt nur wenige Logikgatter - zum Beispiel 4 NAND-Gatter oder 6 Inverter, und komplexere Chips könnten solche Funktionsmodule als 4-Bit-Zähler implementieren. Infolgedessen machten TTLs CMOS- Chips Platz, die in modernen Computern verwendet werden, die weniger Energie verbrauchen und eine höhere Dichte aufweisen.

Das Foto unten zeigt den Chip mit entfernter Metallabdeckung. In der Mitte ist ein winziger Siliziumkristall sichtbar, der ihn mit den Kontakten des Leiters verbindet. Dies ist eine ziemlich kleine IP - die Gehäuseabmessungen betragen 9,5 mm x 6,5 mm und sind deutlich kleiner als der Nagel. Um einen solchen Chip zu öffnen, stecke ich ihn normalerweise in einen Schraubstock und schlage dann mit einem Meißel auf die Verbindung. In diesem Fall öffnete sich der Chip jedoch von selbst - während ich nach einem Hammer suchte, sprang der Deckel plötzlich aufgrund des vom Schraubstock ausgeübten Drucks ab.


IC mit

entfernter Metallabdeckung. Chipmarkierung - 134LA8 0684 (134 - Niedrigenergie-Chip, L - Logik, A - NAND-Gatter, 8 - Subtyp dieser Kategorie, 0684 - hergestellt im 6. Monat 1984). Es werden vier NAND-Ventile mit offenem Verteiler implementiert .. Das NAND-Gatter ist ein Standard-Logikgatter, das 0 ausgibt, wenn beide Eingänge 1 sind, andernfalls - 1. Der Ausgang des offenen Kollektors unterscheidet sich geringfügig vom Standard.
Im Fall 0 ist die Spannung am Ausgangskontakt niedrig und im Fall 1 schwebend („hochohmiger Zustand“). Im Fall von Ergebnis 1 ist ein externer Pull-up-Widerstand erforderlich, um den Ausgang zu straffen. Drei solcher Chips werden in der Uhr verwendet: einer in der Schaltung mit einem Quarzoszillator und zwei in der Rolle von Wechselrichtern in anderen Teilen der Uhr.


Logik 134LA8

Nach Angaben der CIA blieb die UdSSR bei der Entwicklung des geistigen Eigentums etwa 9 Jahre hinter den USA zurück. Und die Verzögerung wäre viel größer, wenn die UdSSR nicht viele westliche IPs kopiert hätte. Infolgedessen haben die meisten sowjetischen TTL-Chips westliche Äquivalente. Der von mir untersuchte 134LA8-Chip unterscheidet sich jedoch in zwei Merkmalen von dem westlichen. Um die Anzahl der externen Widerstände auf dem Chip zu verringern, gibt es zwei Pull-up-Widerstände, die nach Belieben angeschlossen werden können. Zweitens hat der Chip zwei gemeinsame Eingangspins, wodurch die beiden von den Widerständen verwendeten Pins frei werden. Obwohl die UdSSR IP kopierte, entwickelte er auch kreativ seine eigenen Chips.

IP-Komponenten


Unter dem Mikroskop sind die Komponenten des IC, der Transistoren und der Widerstände sichtbar. Abschnitte eines Siliziumkristalls weisen je nach Verunreinigungen Schattierungen von Rosa, Lila oder Grün auf. Durch Mischen anderer Materialien mit Silizium ist es möglich, seine Halbleitereigenschaften zu ändern, um Silizium vom n-Typ und p-Typ zu erhalten. Die weißen Linien oben sind Metallpfade, die die Komponenten der Siliziumschicht verbinden.

Das Foto unten zeigt einen Widerstand auf einem Siliziumsubstrat. Der Widerstand wird durch Zugabe von Verunreinigungen zu Silizium gebildet, wodurch ein Pfad mit hohem Widerstand erzeugt wird - dies ist eine rötliche Linie auf dem Foto. Je länger die Spur ist, desto größer ist der Widerstand. Daher werden Widerstände häufig in Form von Zickzacklinien hergestellt, um den gewünschten Widerstand zu erhalten. Der Widerstand ist auf beiden Seiten mit der Metallschicht verbunden, und die andere Spur verläuft darüber.


IC-

Chip- Widerstand Dieser Chip verwendet wie andere TTL-Chips bipolare npn-Transistoren. Diese Transistoren haben einen n-Typ-Emitter, eine p-Typ-Basis und einen n-Typ-Kollektor. In IC werden Transistoren durch Zugabe von Verunreinigungen zu Silizium hergestellt, wobei Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften gebildet werden. Am unteren Ende des Stapels bildet der Kollektor mit Hilfe von Additiven, die in Silizium vom n-Typ umgewandelt wurden, den größten Teil des Transistors (große grüne Fläche). Darüber befindet sich ein dünner Siliziumbereich vom p-Typ, der die Basis bildet; Dies ist ein rötlicher Fleck in der Mitte. Schließlich wird über der Basis ein kleines Emitterrechteck vom n-Typ gebildet. Diese Schichten bilden die npn-Struktur. Beachten Sie, dass sich die Metallverbindung von Kollektor und Basis an der Seite des Hauptteils des Transistors befindet.



TTL-Schaltungen verwendeten normalerweise Transistoren mit mehreren Emittern, einen pro Ausgang, wie oben zu sehen ist. Ein solcher Transistor mag seltsam erscheinen, ist aber im IC recht einfach. Der obige Transistor hat zwei angeschlossene Emitter. Wenn Sie genau hinschauen, können Sie sehen, dass es vier Emitter gibt und unbenutzte mit der Basis kurzgeschlossen sind.

Die Ausgangstransistoren auf dem Chip senden ein externes Signal vom Chip aus, sodass sie im Vergleich zu anderen viel höhere Ströme unterstützen müssen. Infolgedessen sind sie selbst größer als andere Transistoren. Wie zuvor hat der Transistor eine große Kollektorfläche vom n-Typ (grün) mit einer höheren Basis (rosa) und einem Emitter ganz oben. Der Ausgangstransistor hat lange Kontakte, die die Metallschicht und Silizium verbinden, anstelle kleiner quadratischer Kontakte wie der vorherige. Der Emitter (mit einem Leiter in Form von U) ist ebenfalls größer. Dadurch kann mehr Strom durchfließen. Auf dem Foto unten hat der Transistor auf der linken Seite keine Metallschicht, sodass die Details leichter zu berücksichtigen sind. Der Transistor rechts zeigt Metallleiter.



Wie funktioniert ein TTL AND-NOT-Ventil?


Das folgende Diagramm zeigt eines der NAND-Logikgatter mit offenem Kollektor. Um zu verstehen, wie die Schaltung funktioniert (die detaillierteste Beschreibung der Arbeit finden Sie hier), nehme zunächst an, dass es 0 empfängt. Es fließt durch den Widerstand R1 und die Basis des Transistors Q1 tritt durch den Emitter des Transistors aus. Der Transistor Q2 wird ausgeschaltet, also zieht R3 die Q3-Basis nach unten und schaltet sie aus. Somit ist der Ausgang schwebend (d. H. Ausgang mit offenem Kollektor 1). Nehmen wir nun an, dass 1. beiden Eingängen zugeführt wird. Nun kann der durch R1 fließende Strom nicht durch den Eingang fließen, sodass er durch den Kollektor Q1 (in entgegengesetzter Richtung) in die Basis Q2 austritt, wodurch Q2 getrennt wird. Q2 zieht die Q3-Basis einschließlich Q3 nach oben und zieht die niedrige Ausgangsspannung. Somit implementiert die Schaltung das UND-NICHT-Ventil und gibt 0 aus, wenn an beide Eingänge Hochspannung angelegt wird. Beachten Sie, dass Q1 nicht wie ein normaler Transistor funktioniert, sondern „den Strom steuert“ und den Strom von R1 in die eine oder andere Richtung leitet.



Das folgende Diagramm zeigt die Komponenten eines der NAND-Gatter, die gemäß dem obigen Diagramm markiert sind (die anderen drei NAND-Gatter auf dem Chip sind diesem ähnlich). Die Verkabelung des Ventils ist im Vergleich zu den meisten ICs einfach. Metallschienen (weiß) können mit den Leitern im Diagramm verglichen werden. Achten Sie auf den gewundenen Weg vom Boden zum dritten Quartal. Q1 hat zwei Emitter und Q3 hat einen großen Ausgangstransistor. Zwei nicht verwendete Transistoren liegen unter Q2.



Fazit


Der sowjetische Chip von 1984 ist einfach genug, um die Funktionsweise der Schaltung zu verstehen, die den Aufbau des TTL-Ventils AND-NOT veranschaulicht. Der Nachteil einfacher Chips ist, dass die Uhr von Sojus mehr als 100 Chips benötigte, um die einfachste Taktfunktionalität zu implementieren. Schon zu dieser Zeit gab es Chips, die die Arbeit von Uhren und Alarmen vollständig umsetzten. Heutzutage können Chips Milliarden von Transistoren enthalten, weshalb sie einen großen Funktionsumfang haben, aber ihre Arbeit kann nicht einfach durch Betrachten verstanden werden.

Video, in dem CuriousMarc eine Raumuhr analysiert:

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