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Observamos o interior do circuito integrado soviético com TTL

Tradução de um artigo do blog de Ken Shirriff

Neste artigo, examinaremos o chip dos anos 80 usado em relógios para a sonda Soyuz. A foto mostra através de um microscópio um cristal de silício dentro da caixa com um layout geométrico claro. O silício na foto parece roxo-rosado, e a camada com condutores de metal - branco. Ao longo das bordas do chip, os condutores de conexão (pretos) conectam os chips pads com seus contatos. Estruturas minúsculas são resistores e transistores. É 134LA8 nos portões lógicos E NÃO O chip é usado no relógio da foto abaixo. Recentemente, este relógio voando para o espaço em uma espaçonave Soyuz (não se sabe qual vôo - a julgar pela marcação, o relógio foi feito em 1984) chegou ao nosso museu




. O visor superior esquerdo mostra a hora e o cronômetro inferior. A função "alarme" ativa o circuito externo no horário definido. No começo, pensei que este relógio tivesse um único chip, mas acabou sendo inesperadamente complexo, contendo mais de 100 CIs em dez placas.



As placas de circuito impresso do relógio abrem como um livro, após o qual o IC e outros componentes se tornam visíveis - isso permite que você faça fixadores flexíveis para os fios que conectam as placas. Entre os CIs, os mais comuns são os chips planos de 14 pinos em uma carcaça de metal com montagem na superfície. Eu queria aprender mais sobre esses CIs, então abri um deles, tirei uma foto e fiz a engenharia reversa de seu circuito (não se preocupe, não destruímos os chips com o relógio - acabamos de comprar chips semelhantes no eBay; era inesperadamente fácil de encontrar).


As cablagens estão dispostas de modo que as placas possam ser abertas. Um cristal de quartzo que serve como temporizador é visível no centro superior. A energia está localizada nas placas à direita, com vários indutores redondos.

Circuitos integrados soviéticos


O relógio é montado em um IC com TTL - essa lógica digital era popular entre as décadas de 1970 e 1990, pois era confiável, barata e fácil de usar (se você estava envolvido em eletrônicos amadores na época, provavelmente conhece a série 7400 ). O chip TTL mais simples continha apenas algumas portas lógicas - por exemplo, 4 portas NAND ou 6 inversores, e chips mais complexos poderiam implementar módulos funcionais como um contador de 4 bits. Como resultado, os TTLs deram lugar aos chips CMOS usados ​​em computadores modernos que consomem menos energia e têm uma densidade mais alta.

A foto abaixo mostra o chip com a tampa de metal removida. No meio, um minúsculo cristal de silício é visível e o conecta aos contatos do condutor. Este é um IP relativamente pequeno - as dimensões da caixa são 9,5 mm x 6,5 mm, visivelmente menores que a unha. Para abrir esse chip, eu geralmente o coloco no torno e depois bato na articulação com um cinzel. No entanto, nesse caso, o chip se abriu - enquanto eu procurava um martelo, a tampa se abriu repentinamente devido à pressão exercida pelo vício.


IC com uma tampa de metal

removida Marcação do chip - 134LA8 0684 (134 - chip de baixa potência, L - lógica, A - porta NAND, 8 - subtipo desta categoria, 0684 - fabricado no 6º mês de 1984). Ele implementa quatro válvulas de coletor aberto NAND.. A porta NAND é uma porta lógica padrão, emitindo 0 se ambas as entradas forem 1, caso contrário - 1. A saída do coletor aberto é um pouco diferente da padrão.
No caso 0, a tensão no contato de saída será baixa e, no caso 1, estará flutuando ("estado de alta impedância"). Um resistor de pull-up externo é necessário para apertar a saída no caso do resultado 1. Três desses chips são usados ​​no relógio: um no circuito com um oscilador de quartzo e dois no papel de inversores em outras partes do relógio.


Lógica 134LA8

Segundo a CIA, a URSS ficou para trás dos Estados Unidos no desenvolvimento da PI em cerca de 9 anos. E o atraso seria muito maior se a URSS não tivesse copiado muitos IPs ocidentais. Como resultado, a maioria dos chips TTL soviéticos possui equivalentes ocidentais. No entanto, o chip 134LA8 que estudei difere do ocidental em dois recursos. Primeiramente, para reduzir o número de resistores externos no chip, existem dois resistores pull-up que podem ser conectados conforme desejado. Em segundo lugar, o chip possui dois pinos de entrada comuns, o que libera os dois pinos usados ​​pelos resistores. Portanto, embora a URSS tenha copiado o IP, ele também desenvolveu criativamente seus próprios chips.

Componentes IP


Sob o microscópio, os componentes do CI, transistores e resistores são visíveis. Seções de um cristal de silício, dependendo das impurezas, têm tons de rosa, roxo ou verde. Ao misturar outros materiais com silício, é possível alterar suas propriedades de semicondutores para obter silício do tipo n e do tipo p. As linhas brancas na parte superior são caminhos metálicos que conectam os componentes da camada de silício.

A foto abaixo mostra um resistor em um substrato de silicone. O resistor é formado pela adição de impurezas ao silício, gerando um caminho com alta resistência - essa é uma linha avermelhada na foto. Quanto maior a faixa, maior a resistência, de modo que os resistores geralmente são fabricados em zigue-zague para obter a resistência desejada. O resistor é conectado à camada de metal dos dois lados e a outra trilha passa por ela.


Resistor de

chip IC Este chip, como outros chips TTL, usa transistores bipolares npn. Esses transistores possuem um emissor do tipo n, uma base do tipo p e um coletor do tipo n. Nos transistores IC, são feitos adicionando impurezas ao silício, formando camadas com propriedades diferentes. No fundo da pilha, o coletor, com a ajuda de aditivos convertidos em silício do tipo n, forma a maioria do transistor (grande área verde). Acima, há uma fina região de silício do tipo p que forma a base; este é um patch avermelhado no meio. Finalmente, um pequeno retângulo emissor do tipo n é formado acima da base. Essas camadas formam a estrutura npn. Observe que a conexão de metal do coletor e da base está do lado da parte principal do transistor.



Os circuitos TTL geralmente usavam transistores com vários emissores, um por saída, o que pode ser visto acima. Esse transistor pode parecer estranho, mas é bastante simples de fazer no IC. O transistor acima tem dois emissores conectados. Se você olhar atentamente, poderá ver que existem quatro emissores, e os não utilizados estão em curto até a base.

Os transistores de saída no chip emitem um sinal externo do chip, portanto, eles devem suportar correntes muito mais altas em comparação com outras. Como resultado, eles próprios são maiores que outros transistores. Como antes, o transistor possui uma grande área de coletor do tipo n (verde) com a base mais alta (rosa) e um emissor no topo. O transistor de saída possui contatos longos conectando a camada de metal e silício, em vez de pequenos contatos quadrados, como o anterior. O emissor (com um condutor na forma de U) também é maior. Isso permite que mais corrente passe por ele. Na foto abaixo, o transistor à esquerda não possui uma camada de metal; portanto, seus detalhes são mais fáceis de considerar. O transistor à direita mostra condutores de metal.



Como uma válvula TTL AND-NOT


O diagrama abaixo mostra uma das portas lógicas da NAND com um coletor aberto. Para entender como o circuito funciona (a descrição mais detalhada do trabalho pode ser encontrada aqui), primeiro suponha que 0. chegue à entrada do mesmo .. A corrente que flui através do resistor R1 e a base do transistor Q1 sai pelo emissor do transistor. O transistor Q2 será desligado, então R3 puxa a base Q3 para baixo e a desliga. Assim, a saída será flutuante (ou seja, saída do coletor aberto 1). Agora, suponha que 1. seja fornecido a ambas as entradas.Agora, a corrente que flui através de R1 não pode passar pela entrada, portanto ela sai pelo coletor Q1 (na direção oposta) e na base Q2, que desconecta Q2. Q2 puxará a base Q3 para cima, incluindo Q3 e puxará a baixa tensão de saída. Assim, o circuito implementa a válvula AND-NOT, emitindo 0 se alta tensão for aplicada às duas entradas. Observe que Q1 não funciona como um transistor normal - em vez disso, "controla a corrente", direcionando a corrente de R1 em uma direção ou outra.



O diagrama abaixo mostra os componentes de uma das portas NAND marcadas de acordo com o diagrama acima (as outras três portas NAND no chip são semelhantes a esta). A fiação da válvula é simples em comparação com a maioria dos CIs; faixas de metal (brancas) podem ser comparadas com os condutores no diagrama. Preste atenção ao caminho sinuoso do chão até o terceiro trimestre. Q1 possui dois emissores e Q3 possui um transistor de saída grande. Dois transistores não utilizados estão abaixo do Q2.



Conclusão


O chip soviético em 1984 é simples o suficiente para entender a operação do circuito que ilustra o design da válvula TTL AND-NOT. A desvantagem dos chips simples é que o relógio da Soyuz levou mais de 100 chips para implementar a funcionalidade mais simples do relógio. Mesmo naquela época, já havia chips que implementavam totalmente o trabalho de relógios e alarmes. Hoje, os chips podem conter bilhões de transistores, e é por isso que eles têm uma enorme variedade de funções, mas seu trabalho não pode ser entendido simplesmente olhando para eles.

Vídeo no qual o CuriousMarc analisa um relógio espacial:

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