Get best of the week

Miramos dentro del circuito integrado soviético con TTL

Traducción de un artículo del blog de Ken Shirriff

En este artículo examinaremos el chip de la década de 1980 utilizado en los relojes de la nave espacial Soyuz. La foto muestra a través de un microscopio un cristal de silicio dentro de la caja con un diseño geométrico claro. El silicio en la foto se ve de color rosado-púrpura, y la capa con conductores de metal - blanco. A lo largo de los bordes del chip, los conductores de conexión (negro) conectan las almohadillas del chip con sus contactos. Pequeñas estructuras son resistencias y transistores. IS 134LA8 en puertas lógicas Y NO El chip se usa en el reloj de la foto de abajo. Recientemente, este reloj volando al espacio en una nave espacial Soyuz (no se sabe qué vuelo, a juzgar por la marca, el reloj se hizo en 1984) llegó a nuestro museo




. La pantalla superior izquierda muestra la hora y el temporizador inferior. La función de "alarma" activa el circuito externo a la hora establecida. Al principio pensé que este reloj tendría un solo chip adentro, pero resultó ser inesperadamente complejo, con más de 100 circuitos integrados en diez placas.



Las placas de circuito impreso del reloj se abren en forma de libro, después de lo cual el CI y otros componentes se hacen visibles, esto le permite hacer sujetadores flexibles para los cables que conectan las placas. Entre los circuitos integrados, los más comunes son chips planos de 14 pines en una carcasa de metal con montaje en superficie. Quería obtener más información sobre estos circuitos integrados, así que abrí uno de ellos, tomé una foto y realicé una ingeniería inversa de su circuito (no se preocupe, no destruimos los chips del reloj, solo compramos otros similares en eBay; fue inesperadamente fácil de encontrar).


Los arneses de cableado están dispuestos de modo que las placas puedan abrirse. Un cristal de cuarzo que sirve como temporizador es visible en el centro superior. La potencia se encuentra en los tableros de la derecha, con varios inductores redondos.

Circuitos integrados soviéticos


El reloj está ensamblado en un IC con TTL : esta lógica digital fue popular desde la década de 1970 hasta la década de 1990, ya que era confiable, económica y fácil de usar (si estaba involucrado en electrónica amateur en ese momento, probablemente conozca la serie 7400 ). El chip TTL más simple contenía solo unas pocas puertas lógicas, por ejemplo, 4 puertas NAND o 6 inversores, y los chips más complejos podrían implementar módulos funcionales como un contador de 4 bits. Como resultado, los TTL dieron paso a los chips CMOS utilizados en las computadoras modernas que consumen menos energía y tienen una mayor densidad.

La foto a continuación muestra el chip con la cubierta metálica retirada. En el medio, se ve un pequeño cristal de silicio y se conecta con los contactos del conductor. Esta es una IP bastante pequeña: las dimensiones de la caja son 9.5 mm x 6.5 mm, notablemente más pequeñas que el clavo. Para abrir ese chip, generalmente lo coloco en un tornillo de banco y luego golpeo la junta con un cincel. Sin embargo, en este caso, el chip se abrió solo, mientras buscaba un martillo, la tapa se desprendió repentinamente debido a la presión ejercida por el vicio.


CI con una cubierta de metal

retirada. Marca de chip - 134LA8 0684 (134 - chip de baja potencia, L - lógica, A - compuerta NAND, 8 - subtipo de esta categoría, 0684 - fabricado en el sexto mes de 1984). Implementa cuatro válvulas de colector abierto NAND.. La compuerta NAND es una compuerta lógica estándar, que emite 0 si ambas entradas son 1, de lo contrario - 1. La salida del colector abierto es ligeramente diferente del estándar.
En el caso 0, el voltaje en el contacto de salida será bajo, y en el caso 1, será flotante ("estado de alta impedancia"). Se requiere una resistencia pull-up externa para ajustar la salida en el caso del resultado 1. Se utilizan tres chips de este tipo en el reloj: uno en el circuito con un oscilador de cuarzo y dos en el papel de los inversores en otras partes del reloj.


Lógica 134LA8

Según la CIA, la URSS se quedó atrás de los Estados Unidos en el desarrollo de la propiedad intelectual en aproximadamente 9 años. Y el retraso sería mucho mayor si la URSS no hubiera copiado muchas IP occidentales. Como resultado, la mayoría de los chips TTL soviéticos tienen equivalentes occidentales. Sin embargo, el chip 134LA8 que estudié difiere de los occidentales en dos características. En primer lugar, para reducir la cantidad de resistencias externas en el chip, hay dos resistencias pull-up que se pueden conectar a su gusto. En segundo lugar, el chip tiene dos pines de entrada comunes, lo que libera los dos pines utilizados por las resistencias. Entonces, aunque la URSS copió IP, también desarrolló creativamente sus propios chips.

Componentes IP


Bajo el microscopio, los componentes del CI, los transistores y las resistencias son visibles. Las secciones de un cristal de silicio, dependiendo de las impurezas, tienen tonos de rosa, morado o verde. Al mezclar otros materiales con silicio, es posible cambiar sus propiedades de semiconductores para obtener silicio tipo n y tipo p. Las líneas blancas en la parte superior son caminos de metal que conectan los componentes de la capa de silicio.

La foto a continuación muestra una resistencia en un sustrato de silicio. La resistencia se forma mediante la adición de impurezas al silicio, generando un camino con alta resistencia: esta es una línea rojiza en la foto. Cuanto más larga sea la pista, mayor será la resistencia, por lo que las resistencias a menudo se hacen en forma de zigzag para obtener la resistencia deseada. La resistencia está conectada a la capa de metal en ambos lados, y la otra pista pasa sobre ella.


Resistencia de

chip IC Este chip, como otros chips TTL, utiliza transistores bipolares npn. Estos transistores tienen un emisor de tipo n, una base de tipo p y un colector de tipo n. En IC, los transistores se hacen agregando impurezas al silicio, formando capas con diferentes propiedades. En la parte inferior de la pila, el colector, con la ayuda de aditivos convertidos en silicio tipo n, forma la mayoría del transistor (área verde grande). Arriba hay una delgada región de silicio tipo p que forma la base; Este es un parche rojizo en el medio. Finalmente, se forma un pequeño rectángulo emisor de tipo n sobre la base. Estas capas forman la estructura npn. Tenga en cuenta que la conexión metálica del colector y la base está en el lado de la parte principal del transistor.



Los circuitos TTL generalmente usan transistores con varios emisores, uno por salida, que se puede ver arriba. Tal transistor puede parecer extraño, pero es bastante simple de hacer en el CI. El transistor anterior tiene dos emisores conectados. Si observa de cerca, puede ver que hay cuatro emisores, y los no utilizados están en cortocircuito a la base.

Los transistores de salida en el chip emiten una señal externa desde el chip, por lo que deben soportar corrientes mucho más altas en comparación con otras. Como resultado, ellos mismos son más grandes que otros transistores. Como antes, el transistor tiene un área grande de colector tipo n (verde) con la base más alta (rosa) y con un emisor en la parte superior. El transistor de salida tiene contactos largos que conectan la capa metálica y el silicio, en lugar de pequeños contactos cuadrados, como el anterior. El emisor (con un conductor en forma de U) también es más grande. Esto permite que pase más corriente a través de él. En la foto de abajo, el transistor de la izquierda no tiene una capa de metal, por lo que sus detalles son más fáciles de considerar. El transistor de la derecha muestra conductores de metal.



¿Cómo funciona una válvula TTL AND-NOT?


El siguiente diagrama muestra una de las puertas lógicas NAND con un colector abierto. Para entender cómo funciona el circuito (la descripción más detallada del trabajo se puede encontrar aquí), primero suponga que recibe 0. Fluye a través de la resistencia R1 y la base del transistor Q1 sale a través del emisor del transistor. El transistor Q2 se apagará, por lo que R3 tira de la base Q3 hacia abajo y la apaga. Por lo tanto, la salida será flotante (es decir, salida de colector abierto 1). Ahora suponga que se suministra 1. a ambas entradas: ahora, la corriente que fluye a través de R1 no puede pasar a través de la entrada, por lo que saldrá a través del colector Q1 (en la dirección opuesta) y hacia la base Q2, que desconectará Q2. Q2 tirará de la base Q3 hacia arriba, incluyendo Q3 y la tensión de salida baja. Por lo tanto, el circuito implementa la válvula AND-NOT, dando 0 si se aplica alto voltaje a ambas entradas. Tenga en cuenta que Q1 no funciona como un transistor normal, sino que "controla la corriente", dirigiendo la corriente desde R1 en una dirección u otra.



El siguiente diagrama muestra los componentes de una de las puertas NAND marcadas de acuerdo con el diagrama anterior (las otras tres puertas NAND en el chip son similares a esta). El cableado de la válvula es simple en comparación con la mayoría de los circuitos integrados; Las pistas de metal (blanco) se pueden comparar con los conductores del diagrama. Presta atención al camino sinuoso desde el suelo hasta la Q3. Q1 tiene dos emisores, y Q3 tiene un transistor de salida grande. Dos transistores no utilizados están por debajo de Q2.



Conclusión


El chip soviético en 1984 es lo suficientemente simple como para comprender el funcionamiento del circuito que ilustra el diseño de la válvula TTL Y NO. La desventaja de los chips simples es que el reloj de Soyuz tomó más de 100 chips para implementar la funcionalidad de reloj más simple. Incluso en ese momento, ya había chips que implementaban completamente el trabajo de relojes y alarmas. Hoy en día, los chips pueden contener miles de millones de transistores, razón por la cual tienen una amplia gama de funciones, pero su trabajo no se puede entender simplemente con mirarlos.

Video en el que CuriousMarc analiza un reloj espacial:

More articles:


All Articles