Kiekvienas elektroninis prietaisas, kurį naudojame kasdieniame gyvenime, pvz., Mobilieji telefonai, nešiojamieji kompiuteriai, šaldytuvai, kompiuteriai, televizoriai ir visi kiti elektriniai bei elektroniniai prietaisai, gaminamas naudojant paprastas arba sudėtingas grandines. Elektroninės grandinės realizuojamos naudojant kelias elektriniai ir elektroniniai komponentai sujungtos viena su kita sujungiant laidus arba laidus elektros srovei tekėti per kelis grandinės komponentus, pvz rezistoriai , kondensatoriai , induktoriai, diodai, tranzistoriai ir pan. Grandines galima suskirstyti į skirtingus tipus pagal skirtingus kriterijus, pavyzdžiui, remiantis jungtimis: nuoseklios ir lygiagrečios grandinės, atsižvelgiant į grandinės dydį ir gamybos procesą: integrinės grandinės ir diskrečiosios grandinės ir pagal grandinėje naudojamą signalą : analoginės ir skaitmeninės grandinės. Šiame straipsnyje aptariama įvairių tipų integrinių grandynų ir jų taikymo apžvalga.

Kas yra integruota grandinė?

Integrinis grandynas arba mikroschema, arba mikroschema yra mikroskopinė elektroninė grandinė matrica, suformuota gaminant įvairius elektrinius ir elektroninius komponentus (rezistorius, kondensatorius, tranzistorius ir pan.) puslaidininkinė medžiaga (silicio) plokštelė, kuri gali atlikti panašias operacijas kaip ir didelės atskiros elektroninės grandinės, pagamintos iš atskirų elektroninių komponentų.

Integriniai grandynai

Kadangi visi šie komponentų matricos, mikroskopinės grandinės ir puslaidininkių plokštelių medžiagos pagrindas yra sujungtos kartu ir sudaro vieną mikroschemą, vadinasi, tai vadinama integruota grandine arba integruota mikroschema arba mikroschema.

Elektroninės grandinės yra kuriamos naudojant atskirus arba atskirus elektroninius komponentus, kurių dydis yra skirtingas, todėl šių diskrečiųjų grandinių kaina ir dydis didėja priklausomai nuo grandinėje naudojamų komponentų skaičiaus. Norint įveikti šį neigiamą aspektą, buvo sukurta integrinių grandynų technologija - Jackas Kilby iš „Texas Instruments“ sukūrė pirmąjį IC arba integrinį grandyną 1950-aisiais, o vėliau Robertas Noyce'as iš „Fairchild Semiconductor“ išsprendė kai kurias praktines šios integrinės grandinės problemas.

Integruotų grandinių istorija

Integruotų grandinių istorija buvo pradėta naudojant kietojo kūno įrenginius. Pirmojo vakuuminio vamzdžio išradimas buvo John Ambrose (J. A.) Flemingas 1897 metais, vadinamas vakuuminiu diodu. Varikliams jis išrado kairės rankos taisyklę. Po to, 1906 metais, buvo išrastas naujas vakuumas, būtent „Triode“, ir jis naudojamas stiprinimui.

Po to 1947 m. „Bell Labs“ buvo išrastas tranzistorius, kuris iš dalies pakeitė vakuuminius vamzdžius, nes tranzistoriai yra maži komponentai, kurie darbui sunaudoja mažiau energijos. Skirtingos grandinės buvo suprojektuotos naudojant atskirus komponentus, atskiriant vienas kitą, taip pat išdėstyti ant spausdintinių plokščių valdant rankomis, vadinamomis neintegruotomis grandinėmis. Šie IC sunaudoja daug energijos ir vietos, o jų išvestis nėra tokia sklandi.

1959 m. Buvo sukurta integruota grandinė, kurioje per vieną silicio plokštelę buvo pagaminti keli elektroniniai ir elektriniai komponentai. Integruotos grandinės naudoja mažai energijos, kad veiktų, taip pat užtikrina sklandų išėjimą. Be to, galima padidinti tranzistorių patobulinimą per integruotą grandinę.

Integruotų grandinių evoliucija iš skirtingų technologijų

IC klasifikavimas gali būti atliekamas pagal lusto dydį ir integravimo skalę. Čia integravimo skalė nurodo elektroninių komponentų, įdėtų į įprastą integrinę grandinę, skaičių.
1961–1965 m. Nedidelio masto integravimo (SSI) technologija buvo naudojama gaminant nuo 10 iki 100 tranzistorių vienoje mikroschemoje, kad būtų pagaminti šlepetės ir loginiai vartai.

Nuo 1966 iki 1970 m. Vidutinio masto integravimo (MSI) technologija buvo naudojama gaminant 100–1000 tranzistorių vienoje mikroschemoje, kad būtų pagaminti multiplekseriai, dekoderiai ir skaitikliai.

Nuo 1971 iki 1979 m. Didelio masto integravimo technologija (LSI) buvo naudojama gaminant 1000–20000 tranzistorius vienoje mikroschemoje, kad būtų galima gaminti RAM, mikroprocesorių, ROM.

Nuo 1980 iki 1984 m. Labai didelio masto integravimo (VLSI) technologija buvo naudojama 20000–50000 tranzistorių gamybai vienoje mikroschemoje, kad būtų galima pagaminti RISC mikroprocesorius, DSP ir mi16 bei 32 bitų mikroprocesorius.

Nuo 1985 m. Iki šiol itin didelio masto integravimo (ULSI) technologija buvo naudojama pagaminti 50000 - milijardus tranzistorių vienoje mikroschemoje, kad būtų pagaminti 64 bitų mikroprocesoriai.

Įvairių tipų integrinių grandynų apribojimai

Įvairių tipų IC apribojimas apima:

“kur naudojama nuolatinė srovė ”

Galingumas ribotas
Jis veikia esant žemai įtampai
Veikdamas jis kelia triukšmą
Aukštas PNP įvertinimas nėra tikėtinas
Jo komponentai priklauso nuo įtampos, pavyzdžiui, rezistoriai ir kondensatoriai
Tai subtilu
IC sunku pagaminti per mažą triukšmą
Temperatūros koeficientą sunku pasiekti.
Aukšto lygio PNP surinkti neįmanoma.
IC bet koks kom
IC skirtingi komponentai negali būti pakeisti, pašalinti, taigi, jei kuris nors IC komponentas sugadinamas, visas IC turi keistis nauju.
Galingumas yra ribotas, nes neįmanoma gaminti didesnio nei 10 vatų galios IC

Skirtingi integrinių grandynų tipai

Yra įvairių tipų IC, integruotų grandinių klasifikacija atliekama remiantis įvairiais kriterijais. Keli sistemos IC tipai parodyti žemiau esančiame paveikslėlyje su jų pavadinimais medžio formatu.

Skirtingi ICS tipai

Pagal numatomą taikymą IC yra klasifikuojamas kaip analoginiai integriniai grandynai, skaitmeniniai integruoti grandynai ir mišrūs integriniai.

Skaitmeniniai integruoti grandynai

Integriniai grandynai, veikiantys tik keliais apibrėžtais lygiais, o ne veikiantys bendru signalo amplitudės lygiu, vadinami skaitmeniniais IC ir jie yra sukurti naudojant kelis skaičius skaitmeninės logikos vartai , multiplekseriai, šlepetės ir kiti elektroniniai grandinių komponentai. Šie loginiai vartai veikia su dvejetainiais įvesties duomenimis arba skaitmeniniais įvesties duomenimis, tokiais kaip 0 (žemas arba klaidingas arba loginis 0) ir 1 (didelis arba teisingas arba loginis 1).

Skaitmeniniai integruoti grandynai

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodyti tipinių skaitmeninių integrinių grandynų projektavimo veiksmai. Šie skaitmeniniai IC dažnai naudojami kompiuteriuose, mikroprocesoriai , skaitmeninių signalų procesoriai, kompiuterių tinklai ir dažnių skaitikliai. Yra įvairių tipų skaitmeniniai IC arba skaitmeninių integrinių grandynų tipai, tokie kaip programuojami IC, atminties lustai, loginiai IC, energijos valdymo IC ir sąsajos IC.

Analoginiai integriniai grandynai

Integriniai grandynai, veikiantys ištisiniame signalų diapazone, vadinami analoginiais IC. Jie skirstomi į linijines integrines grandines (linijines IC) ir Radijo dažnis Integriniai grandynai (RF IC). Iš tikrųjų santykis tarp įtampos ir srovės kai kuriais atvejais gali būti netiesinis ilgame ištisinio analoginio signalo diapazone.

Analoginiai integriniai grandynai

Dažnai naudojamas analoginis IC yra operacinis stiprintuvas arba tiesiog vadinamas op-amp, panašus į diferencialinį stiprintuvą, tačiau turi labai didelę įtampą. Jį sudaro labai mažesnis tranzistorių skaičius, palyginti su skaitmeniniais IC, ir, norint sukurti analoginėms taikomosioms integruotoms grandinėms (analoginėms ASIC), naudojamos kompiuterizuotos modeliavimo priemonės.

Linijiniai integriniai grandynai

Analoginėje integrinėje grandinėje, jei yra tiesinis ryšys tarp įtampos ir srovės, jis žinomas kaip tiesinis IC. Geriausias šio linijinio IC pavyzdys yra 741 IC, yra 8 kontaktų DIP („Dual In-line Package“) stiprintuvas,

Radijo dažnio integriniai grandynai

Analoginiame IC, jei tarp jo įtampos ir srovės egzistuoja netiesinis ryšys, tai vadinama radijo dažnio IC. Šis IC taip pat žinomas kaip integruotas radijo dažnio grandynas.

Mišrios integrinės grandinės

Integriniai grandynai, kurie gaunami derinant analoginius ir skaitmeninius IC vienoje mikroschemoje, vadinami mišriomis IC. Šie IC veikia kaip skaitmeniniai – analoginiai keitikliai, Analoginiai - skaitmeniniai keitikliai (D / A ir A / D keitikliai) ir laikrodžio / laiko IC. Aukščiau pateiktame paveikslėlyje pavaizduota grandinė yra mišrios integrinės grandinės, kuri yra 8–18 GHz savaiminio radaro imtuvo nuotrauka, pavyzdys.

Mišrios integrinės grandinės

Ši mišraus signalo sistema mikroschemoje yra integracijos technologijos pažangos rezultatas, leidžiantis integruoti skaitmenines, kelis analogus ir RF funkcijas vienoje mikroschemoje.

Bendrieji integrinių grandynų (IC) tipai apima:

Loginės grandinės

Šie IC yra sukurti naudojant loginius vartus, kurie veikia su dvejetainiais įvestimis ir išvestimis (0 arba 1). Jie dažniausiai naudojami kaip sprendimų priėmėjai. Remiantis loginių vartų logikos arba tiesos lentele, visi IC prijungti loginiai vartai suteikia išvestį, pagrįstą grandine, prijungta IC viduje - tokia, kad ši išvestis naudojama konkrečiai numatytai užduočiai atlikti. Keli loginiai IC parodyti žemiau.

Loginės grandinės

Palygintojai

Palyginamieji IC naudojami kaip palyginimo įvestys, o tada gaunamos išvestys, pagrįstos IC palyginimu.

“kaip pasidaryti led lemputę ”

Palygintojai

IC perjungimas

Jungikliai arba perjungimo IC yra suprojektuoti naudojant tranzistorius ir naudojami atliekant perjungimo operacijos . Aukščiau pateiktas paveikslėlis yra pavyzdys, rodantis SPDT IC jungiklį.

IC perjungimas

Garso stiprintuvai

Garso įrašas stiprintuvai yra vienas iš daugelio IC tipų, kurie naudojami garso stiprinimui. Jie paprastai naudojami garso kolonėlėse, televizijos grandinėse ir pan. Pirmiau pateikta grandinė rodo žemos įtampos garso stiprintuvo IC.

Garso stiprintuvai

CMOS integruota grandinė

CMOS integriniai grandynai yra labai naudojami įvairiose programose, palyginti su FET, dėl jų galimybių, pavyzdžiui, žemesnės slenksčio įtampos, mažos energijos sąnaudos. CMOS IC apima „P-MOS“ ir „N-MOS“ įrenginius, kurie yra pagaminti kartu panašioje mikroschemoje. Šio IC struktūra yra polisilicio vartai, kurie padeda sumažinti prietaiso slenkstinę įtampą, todėl leidžia procesui esant žemai įtampai.

Įtampos reguliatoriaus IC

Nepaisant pokyčių nuolatinės srovės įvestyje, ši integruota grandinė užtikrina stabilų nuolatinės srovės išėjimą. Dažniausiai naudojami tipo reguliatoriai yra LM309, uA723, LM105 ir 78XX IC.

Operaciniai stiprintuvai

operaciniai stiprintuvai yra dažnai naudojami IC, panašūs į garso stiprintuvus, kurie naudojami garso stiprinimui. Šie op-stiprintuvai naudojami stiprinimo tikslams, o šie IC veikia panašiai kaip tranzistorius stiprintuvo grandinės. 741 op-amp IC IC kaiščių konfigūracija parodyta aukščiau pateiktame paveiksle.

Operaciniai stiprintuvai

Laikmačio IC

Laikmačiai yra specialios paskirties integriniai grandynai, naudojami skaičiavimui ir laiko stebėjimui numatytose programose. Bloko vidinės grandinės schema LM555 laikmačio IC yra parodyta aukščiau esančioje grandinėje. Remiantis naudojamų komponentų skaičiumi (paprastai atsižvelgiant į naudojamų tranzistorių skaičių), jie yra tokie

Laikmačio IC

Mažos apimties integracija susideda tik iš kelių tranzistorių (dešimtys tranzistorių ant lusto), šie IC atliko svarbų vaidmenį ankstyvuose kosminės erdvės projektuose.

Vidutinio masto integracija sudaro keli šimtai tranzistorių IC mikroschemoje, sukurtų 1960-aisiais ir pasiekę geresnę ekonomiką ir pranašumus, palyginti su SSI IC.

Plataus masto integracija susideda iš tūkstančių mikroschemoje esančių tranzistorių, kurių ekonomiškumas beveik toks pat kaip vidutinio masto integrinių IC. Pirmasis aštuntajame dešimtmetyje sukurtas 1Kbit mikroprocesorius, skaičiuoklės lustai ir RAM turėjo mažiau nei keturis tūkstančius tranzistorių.

Labai didelio masto integracija susideda iš tranzistorių nuo šimtų iki kelių milijardų. (Kūrimo laikotarpis: nuo 1980 iki 2009)

Itin didelio masto integracija susideda iš tranzistorių, viršijančių daugiau nei milijoną, o vėliau buvo sukurta plokštelių skalės integracija (WSI), lusto sistema (SoC) ir trimatis integruotasis grandynas (3D-IC).

Visa tai galima traktuoti kaip integruotų technologijų kartas. IC taip pat klasifikuojami pagal gamybos procesą ir pakavimo technologiją. Yra daugybė IC tipų, tarp kurių IC veiks kaip laikmatis, skaitiklis, Registruotis , stiprintuvas, osciliatorius, loginiai vartai, sumotuvas, mikroprocesorius ir kt.

Integruotų grandinių tipai pagal klases

Integruoti grandynai yra trijų klasių, atsižvelgiant į metodus, naudojamus juos gaminant.

Plonos ir storos plėvelės IC
Monolitiniai IC
Hibridiniai arba daugialypiai IC

Plonos ir storos IC

Tokio tipo integrinėse grandinėse naudojami pasyvūs komponentai, tokie kaip kondensatoriai ir rezistoriai, tačiau tranzistoriai ir diodai yra sujungti kaip atskiri komponentai, kad suprojektuotų grandinę. Šie IC yra tiesiog integruotų, taip pat atskirų komponentų derinys, ir šie IC turi panašių savybių ir išvaizdą, išskyrus filmo nusodinimo būdą. Pagal ICS galima nuspręsti dėl plonos IC plėvelės nusėdimo.

Šie IC yra suprojektuoti ant medžiagos, padengiančios plėveles ant stiklo paviršiaus, kitaip ant keramikos stovo. Keičiant plėvelių storį ant medžiagų, jų atsparumas bus skirtingas, todėl galima pasyvių elektroninių komponentų gamybą.

Šio tipo integrinėse schemose šilko spausdinimo būdas naudojamas norint pagaminti reikiamą grandinės modelį ant keramikos pagrindo. Kartais tokie IC vadinami spausdintais plonasluoksniais IC.

Monolitiniai IC

Tokio tipo integriniuose grandynuose gali būti sudaryti aktyviųjų, pasyviųjų ir diskrečiųjų komponentų sujungimai silicio mikroschemoje. Kaip rodo pavadinimas, jis yra kilęs iš graikų kalbos žodžio, kaip „mono“ yra ne kas kita, o „Lithos“ reiškia akmenį. Šiuo metu šie IC dažniausiai naudojami dėl mažesnių sąnaudų ir patikimumo. Komerciškai gaminami IC yra naudojami kaip įtampos reguliatoriai, stiprintuvai, kompiuterių grandinės ir AM imtuvai. Tačiau monolitinių IC komponentų izoliacija yra prasta, tačiau jų galia taip pat yra mažesnė,

„Dual-in-line package (DIP) IC“

DIP (dvigubas paketas vienoje linijoje) arba DIPP (dvigubas vienoje linijoje esantis kaiščių paketas) yra elektroninių komponentų paketas, kalbant apie mikroelektroniką ar elektroniką, su stačiakampe lenta ir dviem lygiagrečiomis eilėmis su elektriniais jungiamaisiais kaiščiais.

Hibridiniai arba „Multi-Chip“ IC

Kaip rodo pavadinimas, multi reiškia aukščiau vieną atskirą lustą, kuris yra tarpusavyje susijęs. Aktyvūs komponentai, tokie kaip diodai ar difuziniai tranzistoriai, apima šiuos IC, o pasyvieji komponentai yra difuziniai kondensatoriai arba rezistoriai vienoje mikroschemoje. Šiuos komponentus galima prijungti naudojant metalizuotus prototipus. Daugialypės integruotos grandinės yra plačiai naudojamos didelės galios stiprintuvams nuo 5W iki 50W pritaikyti. Palyginti su monolitinėmis integruotomis grandinėmis, hibridinių IC veikimas yra geresnis.

IC paketų tipai

IC paketai skirstomi į du tipus, pavyzdžiui, per skylę montuojami ir ant paviršiaus montuojami paketai.

Per skylę montuojamos pakuotės

Juos galima suprojektuoti tada, kai švino kaiščiai yra pritvirtinti per vieną lentos veidą ir sudegę kitoje pusėje. Palyginti su kitomis rūšimis, šių pakuočių dydis yra didesnis. Jie daugiausia naudojami elektroniniuose prietaisuose, siekiant subalansuoti plokštės erdvę ir išlaidų ribas. Geriausias per skylę montuojamų paketų pavyzdys yra „Dual inline“ paketai, nes tai yra labiausiai naudojami paketai. Šios pakuotės yra dviejų tipų, pavyzdžiui, keramikos ir plastiko.

„ATmega328“ modelyje 28 kaiščiai yra lygiagrečiai vienas kitam, išsiplečiant vertikaliai ir išdėstyti ant juodo plastikinio stačiakampio formos lentos. Tarpas tarp kaiščių išlaikomas 0,1 colio. Be to, pakuotės dydis keičiasi, nes skiriasi Nr. kaiščių skirtingose pakuotėse. Šiuos kaiščius galima išdėstyti taip, kad juos būtų galima reguliuoti iki duonos lentos vidurio, kad nebūtų trumpojo jungimo.

Skirtingi per skylę montuojami IC paketai yra PDIP, DIP, ZIP, PENTAWATT, T7-TO220, TO2205, TO220, TO99, TO92, TO18, TO03.

Ant paviršiaus montuojamos pakuotės

Tokio tipo pakuotėse daugiausia naudojama montavimo technologija, kitaip komponentai dedami tiesiai ant PCB. Nors jo gamybos metodai padės greitai atlikti darbus, tai taip pat padidina gedimų tikimybę dėl mažų komponentų ir jie yra išdėstyti labai arti vienas kito. Šioje pakuotėje naudojamas plastikinis arba keraminis liejimas. Skirtingos ant paviršiaus montuojamos pakuotės, kuriose naudojamos plastikinės liejimo formos, yra mažo kontūro pakuotė su L-švinu ir BGA („Ball Grid Array“).

Skirtingi paviršiaus tvirtinimo IC paketai yra SOT23, SOT223, TO252, TO263, DDPAK, SOP, TSOP, TQFP, QFN ir BGA.

Privalumai

Integruotų grandinių tipų pranašumai aptariami toliau.

Mažas energijos suvartojimas

Integruoti grandynai, norėdami tinkamai dirbti, naudoja mažiau energijos, nes jų dydis ir konstrukcija yra mažesni.

Dydis yra kompaktiškas

Tam tikrą funkciją, palyginti su diskrečiąja grandine, galima gauti mažą grandinę naudojant IC.

Mažiau išlaidų

Palyginti su atskiromis grandinėmis, integruotos grandinės yra pigesnės dėl jų gamybos technologijų ir mažos medžiagos naudojimo.

Mažesnis svoris

Grandinės, kuriose naudojami integriniai grandynai, yra mažesnio svorio, palyginti su diskrečiosiomis grandinėmis

Patobulintas veikimo greitis

Integruoti grandynai dirba dideliu greičiu dėl jų perjungimo greičio ir mažo energijos suvartojimo.

Didelis patikimumas

Kai grandinėje naudojamos žemos jungtys, integruotos grandinės užtikrins didelį patikimumą, palyginti su skaitmeninėmis grandinėmis.

“kaip veikia pjezoelektrinis jutiklis ”

IC dydis yra mažas, tačiau šioje mikroschemoje galima pagaminti tūkstančius komponentų.
Naudojant vieną lustą, suprojektuojamos skirtingos sudėtingos elektroninės grandinės
Dėl masinės gamybos jas galima įsigyti pigiau
Veikimo greitis yra didelis, nes trūksta parazitinės talpos efekto.
Iš motinos grandinės jį galima lengvai pakeisti

Trūkumai

Įvairių integruotų grandinių tipų trūkumai yra šie.

Šilumos negalima išsklaidyti reikiamu greičiu dėl mažo dydžio, o srovės perpildymas gali pakenkti IC
Integruotose grandinėse transformatoriai, taip pat induktoriai, negali būti integruoti
Jis valdo ribotą galios diapazoną
Aukšto lygio PNP surinkti neįmanoma.
Žemos temperatūros koeficiento pasiekti negalima
Galios išsklaidymo diapazonas yra iki 10 vatų
Negalima pasiekti aukštos įtampos ir mažo triukšmo

Taigi visa tai yra skirtingų tipų integrinių grandynų apžvalga. Dėl nanoelektronikos išradimo ir IC Nanoelektronikos technologija . Tačiau įprastų mikroschemų dar nepakeičia nanoelektronika, tačiau įprastų mikroschemų naudojimas iš dalies mažėja. Norėdami techniškai patobulinti šį straipsnį, žemiau esančiame skyriuje paskelbkite savo klausimus, idėjas ir pasiūlymus kaip komentarus.

Nuotraukų kreditai: