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我们用TTL观察苏联集成电路内部

Ken Shirriff博客的文章翻译

在本文中，我们将研究联盟号飞船手表中使用的1980年代的芯片。该照片通过显微镜显示了表壳内部具有清晰几何布局的硅晶体。照片中的硅看起来带粉红色紫色，金属导体层为白色。沿着芯片的边缘，连接导体（黑色）将芯片焊盘与其触点相连。微小的结构是电阻器和晶体管。逻辑门上的IS 134LA8 ，且非该 芯片在下图中的时钟中使用。最近，这只手表乘坐联盟号飞船飞入太空（不知道哪个飞行-根据标记，该手表是1984年制造的）来到我们的博物馆




。左上方的显示屏显示时间，而下方的计时器。 “警报”功能在设置的时间激活外部电路。起初，我以为这款手表内部只有一个芯片，但结果却异常复杂，在十块板上包含100多个IC。



时钟的印刷电路板以书本的方式打开，此后可以看到IC和其他组件-这使您可以为连接这些板的电线制作柔性紧固件。在IC中，最常见的是金属外壳中具有表面安装功能的14引脚扁平芯片。我想了解更多关于这些IC的信息，所以我打开了其中的一个，拍照并对其电路进行了逆向工程（不要担心，我们没有从时钟上破坏芯片-我们只是在eBay上购买了类似的芯片;这出乎意料的容易找到）。


线束的布置使电路板可以打开。在顶部中央可以看到用作计时器的石英晶体。电源位于右侧板上，带有多个圆形电感器。

苏联集成电路


时钟组装在带TTL的IC上-这种数字逻辑在1970年代至1990年代很流行，因为它可靠，便宜且易于使用（如果您当时从事业余电子产品，您可能知道7400系列）。最简单的TTL芯片仅包含几个逻辑门-例如，4个NAND门或6个反相器，而更复杂的芯片可以将这些功能模块实现为4位计数器。结果，TTL取代了现代计算机中使用的CMOS芯片，这些芯片消耗较少的能量并具有较高的密度。

下图显示了去除了金属盖的芯片。在中间，可以看到一个微小的硅晶体，并将其与导体的触点相连。这是一个相当小的IP-外壳尺寸为9.5 mm x 6.5 mm，明显小于指甲。要打开这种芯片，我通常将其放在虎钳中，然后用凿子敲打接头。但是，在这种情况下，切屑会自行张开-当我在寻找锤子时，由于虎钳施加的压力，盖子突然弹出。 除去


金属盖的IC

芯片标记-134LA8 0684（134-低功耗芯片，L-逻辑，A-NAND门，8-此类的子类型，0684-于1984年第6个月制造）。它实现了四个NAND开式歧管阀。。 NAND门是标准逻辑门，如果两个输入均为1，则发出0，否则-1。集电极开路的输出与标准输出略有不同。
在情况0下，输出触点上的电压将较低，在情况1下，它将处于浮动状态（“高阻抗状态”）。在结果为1的情况下，需要一个外部上拉电阻来上紧输出。手表中使用了三个这样的芯片：一个在带有石英振荡器的电路中，而两个在逆变器的其他部分中起到了反相器的作用。


逻辑134LA8

据中央情报局称，苏联在知识产权发展方面落后于美国约9年。如果苏联不复制许多西方知识产权，则滞后将更大。结果，大多数苏联TTL芯片都具有西方同类产品。但是，我研究的134LA8芯片在两个方面不同于西方芯片。首先，为了减少芯片上的外部电阻器数量，可以根据需要连接两个上拉电阻器。其次，芯片具有两个公共输入引脚，从而释放了电阻器使用的两个引脚。因此，尽管苏联复制了IP，但他也创造性地开发了自己的芯片。

IP组件


在显微镜下，可以看到IC，晶体管和电阻器的组件。取决于杂质，硅晶体的截面具有粉红色，紫色或绿色的阴影。通过将其他材料与硅混合，可以改变其半导体性质以获得n型和p型硅。顶部的白线是连接硅层组件的金属路径。

下图显示了硅基板上的电阻器。电阻是通过向硅中添加杂质而形成的，从而产生了一条具有高电阻的路径-这是照片中的红线。轨道越长，电阻越大，因此通常以之字形形式制造电阻器以获得所需的电阻。电阻器的两侧都连接到金属层，另一条走线通过该电阻器。


IC

芯片电阻器该芯片与其他TTL芯片一样，使用双极npn晶体管。这些晶体管具有n型发射极，p型基极和n型集电极。在IC晶体管中，通过向硅中添加杂质，形成具有不同特性的层来制造晶体管。在堆叠的底部，集电极在添加剂转化为n型硅的帮助下，形成了晶体管的大部分（绿色区域较大）。在其上方是形成基极的薄p型硅区域；这是中间的红色区域。最后，在基座上方形成一个小的n型发射器矩形。这些层形成npn结构。注意，集电极和基极的金属连接在晶体管主要部分的侧面。



TTL电路通常使用带有多个发射极的晶体管，每个输出一个发射极，如上所示。这种晶体管可能看起来很奇怪，但是在IC中做起来却很简单。上面的晶体管有两个连接的发射极。如果仔细观察，您会发现有四个发射器，而未使用的发射器则短路到基极。

芯片上的输出晶体管从芯片发出外部信号，因此与其他晶体管相比，它们必须支持更高的电流。结果，它们本身比其他晶体管大。如前所述，晶体管具有较大的n型集电极面积（绿色），基极较高（粉红色），发射极位于顶部。输出晶体管具有连接金属层和硅的长触点，而不是像前一个那样的小方形触点。发射器（U形导体）也较大。这允许更多的电流通过。在下面的照片中，左侧的晶体管没有金属层，因此更容易考虑其细节。右边的晶体管显示金属导体。



TTL AND-NOT阀如何工作


下图显示了集电极开路的NAND逻辑门之一。了解电路的工作原理（有关此工作的最详细说明，请参见此处），首先假定它接收到0。它流经电阻R1，并且晶体管Q1的基极通过晶体管的发射极引出。晶体管Q2将关闭，因此R3将Q3的基极下拉并关闭。因此，输出将是浮动的（即，集电极1的开路输出）。现在假设向两个输入端都提供了1.现在，流过R1的电流无法通过输入端，因此它将通过集电极Q1（反方向）进入基极Q2，从而断开Q2。 Q2将上拉Q3的基极，包括Q3并拉低低输出电压。因此，该电路实现了AND-NOT阀，如果在两个输入端都施加了高压，则给出0。请注意，Q1不能像普通晶体管那样工作-而是“控制电流”，将来自R1的电流引向一个方向或另一个方向。



下图显示了根据上图标记的NAND门之一的组件（芯片上的其他三个NAND门与此相似）。与大多数IC相比，该阀的接线简单。金属走线（白色）可以与图中的导体进行比较。注意从地面到Q3的绕组路径。Q1具有两个发射极，Q3具有较大的输出晶体管。Q2以下有两个未使用的晶体管。



结论


1984年的苏联芯片非常简单，足以理解说明TTL阀AND-NOT设计的电路操作。简单芯片的缺点是，联盟号的时钟使用了100多个芯片来实现最简单的时钟功能。即使在那时，也已经有一些芯片可以完全实现手表和警报器的工作。如今，芯片可以包含数十亿个晶体管，这就是为什么它们具有众多功能的原因，但是仅凭看一看就无法理解它们的工作。

CuriousMarc解析空间时钟的视频：

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