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Nous regardons à l'intérieur du circuit intégré soviétique avec TTL

Traduction d'un article du blog de Ken Shirriff

Dans cet article, nous examinerons la puce des années 1980 utilisée dans les montres du vaisseau spatial Soyouz. La photo montre à travers un microscope un cristal de silicium à l'intérieur du boîtier avec une disposition géométrique claire. Le silicium sur la photo semble violet rosâtre et la couche avec des conducteurs métalliques - blanche. Le long des bords de la puce, des conducteurs de connexion (noirs) relient les plots de puce à ses contacts. Les petites structures sont des résistances et des transistors. EST 134LA8 sur les portes logiques ET NON La puce est utilisée dans l'horloge sur la photo ci-dessous. Récemment, cette montre volant dans l'espace sur un vaisseau spatial Soyouz (on ne sait pas quel vol - à en juger par le marquage, la montre a été faite en 1984) est venue à notre musée




. L'affichage supérieur gauche indique l'heure et la minuterie inférieure. La fonction «alarme» active le circuit externe à l'heure réglée. Au début, je pensais que cette montre aurait une seule puce à l'intérieur, mais elle s'est avérée être d'une complexité inattendue, contenant plus de 100 circuits intégrés sur dix cartes.



Les cartes de circuits imprimés de l'horloge s'ouvrent à la manière d'un livre, après quoi l'IC et d'autres composants deviennent visibles - cela vous permet de fabriquer des attaches flexibles pour les fils reliant les cartes. Parmi les circuits intégrés, les plus courants sont les puces plates à 14 broches dans un boîtier métallique avec montage en surface. Je voulais en savoir plus sur ces circuits intégrés, j'ai donc ouvert l'un d'entre eux, pris une photo et procédé à la rétro-ingénierie de son circuit (ne vous inquiétez pas, nous n'avons pas détruit les puces de l'horloge - nous venons d'en acheter des similaires sur eBay; c'était incroyablement facile à trouver).


Les faisceaux de câbles sont disposés de sorte que les cartes puissent s'ouvrir. Un cristal de quartz servant de minuterie est visible en haut au centre. La puissance est située sur les cartes à droite, avec plusieurs inductances rondes.

Circuits intégrés soviétiques


L'horloge est assemblée sur un circuit intégré avec TTL - cette logique numérique était populaire des années 1970 aux années 1990, car elle était fiable, peu coûteuse et facile à utiliser (si vous étiez engagé dans l'électronique amateur à cette époque, vous connaissez probablement la série 7400 ). La puce TTL la plus simple ne contenait que quelques portes logiques - par exemple, 4 portes NAND ou 6 onduleurs, et des puces plus complexes pouvaient implémenter des modules fonctionnels comme un compteur 4 bits. En conséquence, les TTL ont cédé la place aux puces CMOS utilisées dans les ordinateurs modernes qui consomment moins d'énergie et ont une densité plus élevée.

La photo ci-dessous montre la puce avec le couvercle métallique retiré. Au milieu, un minuscule cristal de silicium est visible et le connecte aux contacts du conducteur. Il s'agit d'une IP assez petite - les dimensions du boîtier sont de 9,5 mm x 6,5 mm, sensiblement plus petites que l'ongle. Pour ouvrir une telle puce, je la mets généralement dans un étau, puis je frappe le joint avec un ciseau. Cependant, dans ce cas, la puce s'est ouverte - alors que je cherchais un marteau, le couvercle s'est soudainement détaché en raison de la pression exercée par l'étau.


IC avec un couvercle métallique

retiré. Marquage de la puce - 134LA8 0684 (134 - puce basse consommation, L - logique, A - porte NAND, 8 - sous-type de cette catégorie, 0684 - fabriqué au 6ème mois de 1984). Il met en œuvre quatre vannes NAND à collecteur ouvert.. La porte NAND est une porte logique standard, émettant 0 si les deux entrées sont 1, sinon - 1. La sortie du collecteur ouvert est légèrement différente de la norme.
Dans le cas 0, la tension au contact de sortie sera faible et dans le cas 1, elle sera flottante («état haute impédance»). Une résistance de rappel externe est nécessaire pour resserrer la sortie en cas de résultat 1. Trois de ces puces sont utilisées dans la montre: une dans le circuit avec un oscillateur à quartz et deux dans le rôle d'onduleurs dans d'autres parties de la montre.


Logique 134LA8

Selon la CIA, l'URSS a pris du retard sur les États-Unis dans le développement de la propriété intellectuelle d'environ 9 ans. Et le décalage serait beaucoup plus important si l'URSS n'avait pas copié de nombreuses adresses IP occidentales. En conséquence, la plupart des puces TTL soviétiques ont des équivalents occidentaux. Cependant, la puce 134LA8 que j'ai étudiée diffère des puces occidentales par deux caractéristiques. Tout d'abord, pour réduire le nombre de résistances externes sur la puce, deux résistances de pull-up peuvent être connectées à votre guise. Deuxièmement, la puce a deux broches d'entrée communes, ce qui libère les deux broches utilisées par les résistances. Ainsi, bien que l'URSS ait copié IP, il a également développé de manière créative ses propres puces.

Composants IP


Au microscope, les composants du CI, les transistors et les résistances sont visibles. Les sections d'un cristal de silicium, selon les impuretés, ont des nuances de rose, de violet ou de vert. En mélangeant d'autres matériaux avec du silicium, il est possible de modifier ses propriétés semi-conductrices pour obtenir du silicium de type n et de type p. Les lignes blanches en haut sont des chemins métalliques reliant les composants de la couche de silicium.

La photo ci-dessous montre une résistance sur un substrat de silicium. La résistance est formée par l'ajout d'impuretés au silicium, générant un chemin à haute résistance - il s'agit d'une ligne rougeâtre sur la photo. Plus la piste est longue, plus la résistance est grande, donc les résistances sont souvent fabriquées sous forme de zigzags pour obtenir la résistance souhaitée. La résistance est connectée à la couche métallique des deux côtés et l'autre piste passe dessus.


Résistance de la

puce IC Cette puce, comme les autres puces TTL, utilise des transistors bipolaires npn. Ces transistors ont un émetteur de type n, une base de type p et un collecteur de type n. Dans les transistors IC sont fabriqués en ajoutant des impuretés au silicium, formant des couches avec différentes propriétés. Au bas de l'empilement, le collecteur, à l'aide d'additifs convertis en silicium de type n, forme la majorité du transistor (grande zone verte). Au-dessus se trouve une mince région de silicium de type p formant la base; c'est une tache rougeâtre au milieu. Enfin, un petit rectangle émetteur de type n est formé au-dessus de la base. Ces couches forment la structure npn. Notez que la connexion métallique du collecteur et de la base se trouve du côté de la partie principale du transistor.



Les circuits TTL utilisaient généralement des transistors avec plusieurs émetteurs, un par sortie, comme on peut le voir ci-dessus. Un tel transistor peut sembler étrange, mais il est assez simple à faire dans le circuit intégré. Le transistor ci-dessus a deux émetteurs connectés. Si vous regardez attentivement, vous pouvez voir qu'il y a quatre émetteurs et que ceux qui ne sont pas utilisés sont court-circuités à la base.

Les transistors de sortie sur la puce émettent un signal externe de la puce, ils doivent donc supporter des courants beaucoup plus élevés que les autres. En conséquence, ils sont eux-mêmes plus gros que les autres transistors. Comme précédemment, le transistor a une grande zone de collecteur de type n (verte) avec la base plus haute (rose) et avec un émetteur tout en haut. Le transistor de sortie a de longs contacts reliant la couche métallique et le silicium, au lieu de petits contacts carrés, comme le précédent. L'émetteur (avec un conducteur en forme de U) est également plus grand. Cela permet à plus de courant de le traverser. Sur la photo ci-dessous, le transistor à gauche n'a pas de couche métallique, donc ses détails sont plus faciles à considérer. Le transistor à droite montre des conducteurs métalliques.



Comment fonctionne une valve TTL AND-NOT


Le diagramme ci-dessous montre l'une des portes logiques NAND avec un collecteur ouvert. Pour comprendre le fonctionnement du circuit (la description la plus détaillée de l'œuvre se trouve ici), supposons tout d'abord qu'il reçoit 0. Il traverse la résistance R1 et la base du transistor Q1 sort par l'émetteur du transistor. Le transistor Q2 s'éteindra, donc R3 tire la base Q3 vers le bas et l'éteint. Ainsi, la sortie sera flottante (c'est-à-dire la sortie du collecteur ouvert 1). Supposons maintenant que 1. soit fourni aux deux entrées. Maintenant, le courant traversant R1 ne peut pas passer par l'entrée, donc il sortira par le collecteur Q1 (dans la direction opposée) et dans la base Q2, ce qui déconnectera Q2. Q2 tirera la base Q3 vers le haut, y compris Q3 et tirant la basse tension de sortie. Ainsi, le circuit implémente la vanne ET-NON, donnant 0 si une haute tension est appliquée aux deux entrées. Notez que Q1 ne fonctionne pas comme un transistor normal - au lieu de cela, il «contrôle le courant», dirigeant le courant de R1 dans une direction ou une autre.



Le diagramme ci-dessous montre les composants de l'une des portes NAND marqués conformément au diagramme ci-dessus (les trois autres portes NAND sur la puce sont similaires à celle-ci). Le câblage de la vanne est simple par rapport à la plupart des circuits intégrés; les pistes métalliques (blanches) peuvent être comparées aux conducteurs du schéma. Faites attention au chemin sinueux du sol au Q3. Q1 a deux émetteurs et Q3 a un grand transistor de sortie. Deux transistors inutilisés sont inférieurs à Q2.



Conclusion


La puce soviétique de 1984 est assez simple pour comprendre le fonctionnement du circuit illustrant la conception de la valve TTL ET-NON. L'inconvénient des puces simples est que l'horloge de Soyouz a pris plus de 100 puces pour implémenter la fonctionnalité d'horloge la plus simple. Même à cette époque, il existait déjà des puces qui mettaient pleinement en œuvre le travail des montres et des alarmes. Aujourd'hui, les puces peuvent contenir des milliards de transistors, c'est pourquoi elles ont une vaste gamme de fonctions, mais leur travail ne peut pas être compris simplement en les regardant.

Vidéo dans laquelle CuriousMarc analyse une horloge spatiale:

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