Get best of the week

Kami melihat ke dalam sirkuit terintegrasi Soviet dengan TTL

Terjemahan sebuah artikel dari blog Ken Shirriff

Dalam artikel ini kita akan memeriksa chip tahun 1980-an yang digunakan dalam arloji untuk pesawat ruang angkasa Soyuz. Foto menunjukkan melalui mikroskop kristal silikon di dalam kasing dengan tata letak geometris yang jelas. Silikon dalam foto terlihat merah muda-ungu, dan lapisan dengan konduktor logam - putih. Di sepanjang tepi chip, menghubungkan konduktor (hitam) menghubungkan bantalan chip dengan kontaknya. Struktur kecil adalah resistor dan transistor. IS 134LA8 pada gerbang logis DAN BUKAN Chip digunakan dalam jam di foto di bawah ini. Baru-baru ini, arloji ini terbang ke luar angkasa di pesawat ruang angkasa Soyuz (tidak diketahui penerbangan mana - yang dinilai berdasarkan tanda, arloji itu dibuat tahun 1984) datang ke museum kami




. Tampilan kiri atas menunjukkan waktu, dan timer lebih rendah. Fungsi "alarm" mengaktifkan sirkuit eksternal pada waktu yang ditentukan. Pada awalnya saya berpikir bahwa arloji ini akan memiliki satu chip di dalamnya, tetapi ternyata menjadi sangat kompleks, berisi lebih dari 100 IC pada sepuluh papan.



Papan sirkuit tercetak dari jam terbuka dengan cara buku, setelah itu IC dan komponen lainnya menjadi terlihat - ini memungkinkan Anda untuk membuat pengencang fleksibel untuk kabel yang menghubungkan papan. Di antara IC, yang paling umum adalah chip datar 14-pin di rumah logam dengan pemasangan permukaan. Saya ingin belajar lebih banyak tentang IC ini, jadi saya membuka salah satunya, mengambil gambar, dan merekayasa balik sirkuitnya (jangan khawatir, kami tidak menghancurkan chip dari jam - kami hanya membeli yang serupa di eBay; tiba-tiba mudah ditemukan).


Memanfaatkan kabel diatur sehingga papan bisa terbuka. Kristal kuarsa yang berfungsi sebagai penghitung waktu terlihat di bagian tengah atas. Daya terletak di papan di sebelah kanan, dengan beberapa induktor bulat.

Sirkuit terpadu Soviet


Jam ini dirangkai pada IC dengan TTL - logika digital ini populer dari tahun 1970-an hingga 1990-an, karena dapat diandalkan, murah dan mudah digunakan (jika Anda terlibat dalam elektronik amatir pada waktu itu, Anda mungkin tahu seri 7400 ). Chip TTL yang paling sederhana hanya berisi beberapa gerbang logika - misalnya, 4 gerbang NAND atau 6 inverter, dan chip yang lebih kompleks dapat mengimplementasikan modul fungsional seperti penghitung 4-bit. Akibatnya, TTL memberi jalan pada chip CMOS yang digunakan pada komputer modern yang mengonsumsi lebih sedikit energi dan memiliki kepadatan yang lebih tinggi.

Foto di bawah ini menunjukkan chip dengan penutup logam dilepas. Di tengah, kristal silikon kecil terlihat, dan menghubungkannya dengan kontak konduktor. Ini adalah IP yang cukup kecil - dimensi casing 9,5 mm x 6,5 mm, terasa lebih kecil dari paku. Untuk membuka chip seperti itu, saya biasanya meletakkannya di wakil dan kemudian tekan bersama dengan pahat. Namun, dalam kasus ini, chip membuka sendiri - ketika saya sedang mencari palu, tutupnya tiba-tiba muncul karena tekanan yang diberikan oleh wakil.


IC dengan penutup logam

dilepas. Penandaan chip - 134LA8 0684 (134 - chip daya rendah, L - logic, A - NAND gate, 8 - subtipe dari kategori ini, 0684 - diproduksi pada bulan keenam tahun 1984). Ini mengimplementasikan empat katup manifold terbuka NAND.. Gerbang NAND adalah gerbang logika standar, mengeluarkan 0 jika kedua input adalah 1, jika tidak - 1. Output dari kolektor terbuka sedikit berbeda dari standar.
Dalam kasus 0, tegangan pada kontak keluaran akan rendah, dan dalam kasus 1, itu akan mengambang ("keadaan impedansi tinggi"). Resistor pull-up eksternal diperlukan untuk mengencangkan output jika hasilnya 1. Tiga chip tersebut digunakan di arloji: satu di sirkuit dengan osilator kuarsa, dan dua di peran inverter di bagian lain arloji.


Logika 134LA8

Menurut CIA, Uni Soviet tertinggal di belakang Amerika Serikat dalam pengembangan IP sekitar 9 tahun. Dan lag akan jauh lebih besar jika USSR tidak menyalin banyak IP Barat. Akibatnya, sebagian besar chip TTL Soviet memiliki setara Barat. Namun, chip 134LA8 yang saya pelajari berbeda dari yang barat dalam dua fitur. Pertama, untuk mengurangi jumlah resistor eksternal pada chip, ada dua resistor pull-up yang dapat dihubungkan sesuka Anda. Kedua, chip memiliki dua pin input umum, yang membebaskan dua pin yang digunakan oleh resistor. Jadi, meskipun USSR menyalin IP, ia juga secara kreatif mengembangkan chip sendiri.

Komponen IP


Di bawah mikroskop, komponen IC, transistor, dan resistor terlihat. Bagian dari kristal silikon, tergantung pada kotoran, memiliki nuansa merah muda, ungu atau hijau. Dengan mencampur bahan lain dengan silikon, dimungkinkan untuk mengubah sifat semikonduktornya untuk mendapatkan silikon tipe-n dan tipe-p. Garis putih di atas adalah jalur logam yang menghubungkan komponen lapisan silikon.

Foto di bawah ini menunjukkan resistor pada substrat silikon. Resistor dibentuk oleh penambahan kotoran ke silikon, menghasilkan jalur dengan resistansi tinggi - ini adalah garis kemerahan pada foto. Semakin panjang lintasan, semakin besar resistansi, sehingga resistor sering dibuat dalam bentuk zig-zag untuk mendapatkan resistansi yang diinginkan. Resistor terhubung ke lapisan logam di kedua sisi, dan jalur lain melewatinya.


IC

chip resistor Chip ini, seperti chip TTL lainnya, menggunakan transistor bipolar npn. Transistor ini memiliki emitor tipe-n, basis tipe-p dan kolektor tipe-n. Dalam IC transistor dibuat dengan menambahkan kotoran ke silikon, membentuk lapisan dengan sifat yang berbeda. Di bagian bawah tumpukan, kolektor, dengan bantuan aditif yang dikonversi menjadi silikon tipe-n, membentuk mayoritas transistor (area hijau besar). Di atasnya adalah daerah silikon tipe-p tipis yang membentuk dasar; ini adalah patch kemerahan di tengah. Akhirnya, sebuah persegi panjang emitor tipe-n dibentuk di atas dasar. Lapisan-lapisan ini membentuk struktur npn. Perhatikan bahwa sambungan logam dari kolektor dan alas berada di sisi bagian utama dari transistor.



Sirkuit TTL biasanya menggunakan transistor dengan beberapa emitor, satu per output, yang dapat dilihat di atas. Transistor semacam itu mungkin tampak aneh, tetapi cukup sederhana untuk dilakukan di IC. Transistor di atas memiliki dua emitor yang terhubung. Jika Anda melihat lebih dekat, Anda dapat melihat bahwa ada empat penghasil emisi, dan yang tidak terpakai terpendek ke pangkalan.

Transistor output pada chip memancarkan sinyal eksternal dari chip, sehingga mereka harus mendukung arus yang jauh lebih tinggi dibandingkan yang lain. Akibatnya, mereka sendiri lebih besar daripada transistor lainnya. Seperti sebelumnya, transistor memiliki area kolektor tipe-n besar (hijau) dengan basis lebih tinggi (merah muda) dan dengan emitor di bagian paling atas. Transistor output memiliki kontak panjang yang menghubungkan lapisan logam dan silikon, bukan kontak persegi kecil, seperti yang sebelumnya. Emitor (dengan konduktor dalam bentuk U) juga lebih besar. Ini memungkinkan lebih banyak arus untuk melewatinya. Pada foto di bawah, transistor di sebelah kiri tidak memiliki lapisan logam, sehingga detailnya lebih mudah untuk dipertimbangkan. Transistor di sebelah kanan menunjukkan konduktor logam.



Bagaimana katup TTL AND-NOT


Diagram di bawah ini menunjukkan salah satu gerbang logika NAND dengan kolektor terbuka. Untuk memahami cara kerja sirkuit (deskripsi pekerjaan yang paling terperinci dapat ditemukan di sini), pertama misalkan ia menerima 0. Ia mengalir melalui resistor R1 dan basis transistor Q1 keluar melalui emitor transistor. Transistor Q2 akan mati, sehingga R3 menarik basis Q3 ke bawah dan mematikannya. Dengan demikian, output akan mengambang (mis., Output kolektor 1 terbuka). Sekarang misalkan 1. disuplai ke kedua input. Sekarang, arus yang mengalir melalui R1 tidak dapat melewati input, sehingga akan keluar melalui kolektor Q1 (dalam arah yang berlawanan) dan ke basis Q2, yang akan memutuskan Q2. Q2 akan menarik basis Q3 ke atas, termasuk Q3 dan menarik tegangan output rendah. Dengan demikian, rangkaian mengimplementasikan katup AND-NOT, menghasilkan 0 jika tegangan tinggi diterapkan pada kedua input. Perhatikan bahwa Q1 tidak bekerja seperti transistor normal - sebagai gantinya, ia "mengontrol arus", mengarahkan arus dari R1 dalam satu arah atau lainnya.



Diagram di bawah ini menunjukkan komponen dari salah satu gerbang NAND yang ditandai sesuai dengan diagram di atas (tiga gerbang NAND lainnya pada chip serupa dengan yang ini). Kabel katup sederhana dibandingkan dengan kebanyakan IC; trek logam (putih) dapat dibandingkan dengan konduktor dalam diagram. Perhatikan jalan berliku dari tanah ke Q3. Q1 memiliki dua emitor, dan Q3 memiliki output transistor yang besar. Dua transistor yang tidak digunakan di bawah Q2.



Kesimpulan


Chip Soviet pada tahun 1984 cukup sederhana untuk memahami operasi rangkaian yang menggambarkan desain katup TTL DAN-TIDAK. Kelemahan dari chip sederhana adalah bahwa jam dari Soyuz mengambil lebih dari 100 chip untuk mengimplementasikan fungsi jam yang paling sederhana. Bahkan pada waktu itu, sudah ada chip yang sepenuhnya menerapkan pekerjaan jam tangan dan alarm. Saat ini, chip dapat berisi milyaran transistor, itulah sebabnya mereka memiliki sejumlah besar fungsi, tetapi pekerjaan mereka tidak dapat dipahami hanya dengan melihatnya.

Video tempat CuriousMarc mem-parsing jam ruang:

More articles:


All Articles