Видове интегрални схеми

Освен ако просто не сте кацнали тук от средата на миналия век, почти сигурно сте чували за интегрални схеми или интегрални схеми. Но може би сте чували тези конструкции, посочени от едно от алтернативните им имена, като микрочип, компютърен чип или дори IC чип. Ако някога сте пазарували за лаптоп или настолен компютър, вероятно сте виждали информация за микропроцесора на всеки модел, изброена на видно място сред основните характеристики на машината; тези устройства работят с една или най-много много различни интегрални схеми. И ако всъщност не сте чували за интегрални схеми, вие със сигурност са се възползвали от тях и в този момент не биха могли да се ориентират във вашето ежедневие без тях помогне. Освен ако не четете тези думи на лист хартия, вие се наслаждавате на предимствата на интегралните схеми в този момент.

ИС са помогнали за революцията в информационните технологии, телекомуникациите и други индустрии, така че не е изненадващо че те се предлагат в разнообразни вкусове, всеки от които е съобразен със специализираните нужди на техния електроник среди. Не е нужно да сте добре запознати с електрониката, за да разберете как работят тези различни видове интегрални схеми и да оцените тяхната многостранна стойност за обществото.

Интегралната схема е малка - микроскопична, всъщност - електронна верига. Електронната схема съдържа разнообразни части, пригодени да се справят по някакъв начин с потока, разпространението и релето на електричеството. По същия начин система от взаимно свързани водни басейни може да има канали, порти, резервоари за преливане, помпи и други устройства, за да поддържа желаното състояние на масива в всеки от пуловете във всеки момент от време, IC компонентите включват транзистори, резистори, кондензатори и други елементи, които изпълняват тези функции с електрони, а не течности.

Ако някога сте отделяли компютър, мобилен телефон или друго модерно електронно устройство с изчислителна мощност или сте виждали такова разглобено, вероятно сте виждали IC отблизо. Различните им компоненти са фиксирани върху повърхност, състояща се от полупроводников материал (обикновено силиций или предимно силиций). Тази "вафлена" повърхност, която служи като основа на IC, обикновено е оцветена в зелено или някакъв друг оттенък, който прави по-лесно визуализирането на отделните парчета на IC.

Сглобяването на електрическа верига от съставни части, събрани от различни източници, е изключително скъпо в сравнение с изграждането на такава схема наведнъж, с включен всеки от необходимите компоненти ръка. (Представете си разликата в цената между автомобил, закупен по обичайния начин, и автомобил, направен от отделно поръчани гуми, двигател, навигационна система и т.н. Помислете за автомобил, закупен от сделка, като „интегрирано превозно средство“ на IC език.) Идеята за тези устройства възниква през 50-те години, малко след появата на първите транзистори.

Цифрови интегрални схеми Предлагат се в различни подтипове, сред които програмируеми интегрални схеми, „чипове с памет“, логически интегрални схеми, интегрални схеми за управление на захранването и интерфейсни интегрални схеми. Техен определяща характеристика от електрофизична гледна точка е, че те работят при малък брой определена амплитуда на сигнала нива. Те работят, използвайки така наречените логически портали, които са точки, в които промените в дейността на веригата могат да бъдат въведени по начин „да / не“ или „включване / изключване“. Това се постига с помощта на стария резервен компютър, двоични данни, които в цифровите интегрални схеми използват само "0" (ниска или липсваща логика) и "1" (висока или пълна логика) като допустими стойности.

Аналогови интегрални схеми работят в непрекъснат диапазон от сигнали, а не дискретни сигнали, представени в цифровите интегрални схеми. The концепцията за създаване на нещо „цифрово“ по същество означава поставяне на всички негови части в отделни категории; дори ако има много много от тях, както при цветовете на отделни пиксели в дисплеите за цифрови изображения, те предлагат само вид на истинска приемственост. Въпреки че хората са склонни да чуват „аналог“ като „остарял“ и „цифров“ като „състояние на техниката“, това е неоснователно. Например, един вид аналогови интегрални схеми са радиочестотните интегрални схеми или RFIC, които са ключов елемент на безжичните мрежи. Друг вид аналогова интегрална схема е линейната интегрална схема, наречена така, тъй като напрежението и токът в тези устройства варират в същата пропорция в обхвата на сигналите, които те носят (т.е. V и I са свързани с постоянен мултипликатив фактор).

Смесени аналогово-цифрови интегрални схеми включват аспекти на двата типа интегрални схеми. В системи, които преобразуват аналогови данни в цифрови данни или обратното, ще намерите тези смесени интегрални схеми. Цялата концепция за интегриране на цифрови и аналогови компоненти на един и същ чип е много по-нова от IC технологията себе си. Тези интегрални схеми се използват и в часовници и други устройства за синхронизация.

В допълнение, интегралните схеми могат да бъдат поставени в категории, различни от разликата между цифрово и аналогово.

Логически интегрални схеми, които, както споменахме, използват двоични данни (0s и 1s), се използват в системи, които изискват вземане на решение. Това се прави с помощта на "порти" във веригата, които разрешават или отказват преминаване на сигнал въз основа на неговата стойност. Тези порти са сглобени, така че дадена комбинация от сигнали ще даде конкретен, предвиден резултат въз основа на сумирането на събития при множество порти. Когато смятате, че броят на различните комбинации от 0 и 1 в логическа интегрална схема с n порти е 2 издигнат до степен n (2^н), бързо виждате, че тези интегрални схеми, макар и изключително прости по принцип, могат да обработват много сложна информация.

Можете да мислите за сигнала в логическа интегрална схема като за необичайно интелигентна мишка, договаряща лабиринт. Във всяка възможна точка на разклонение мишката трябва да реши дали да влезе в отворената врата ("0") или да продължи да върви ("1"). В тази схема само правилната последователност от стойности 0 и 1 ще доведе до път от входа на лабиринта до изхода му; всички останали комбинации в крайна сметка ще завършат в задънени улици в стените на лабиринта.

Превключване на интегрални схеми използвайте широко транзистори, описани подробно по-късно. Те се използват точно както подсказва името им - като части на превключватели или на езика на веригата, в „операции по превключване“. В електрически превключвател прекъсването на тока или въвеждането на ток, който не е присъствал преди това, може да задейства превключвател, който сам по себе си не е нищо повече от промяна в дадено състояние, което може да отнеме две или повече форми. Например, някои електрически вентилатори имат ниски, средни и високи настройки. Някои комутатори могат да участват в повече от една верига.

ИС на таймера са в състояние да следят изминалото време. Очевиден пример е цифров хронометър, който показва времето изрично, но различни устройства трябва да могат следете времето във фонов режим, дори когато не е необходимо да се показва на потребителите или когато дисплеят е по избор; ежедневният компютър е един пример, въпреки че някои от тях сега разчитат на сателитен вход за наблюдение и настройка на времето, ако е необходимо.

ИС на усилвателя идват в два вида: аудио и оперативни. Аудио IC са това, което прави музиката по-силна или по-мека на изискана звукова система или увеличава или намалява сила на звука в устройства, които включват звук от всякакъв вид, като телевизор, смартфон или личен компютър. Те използват промени в напрежението, за да контролират изхода на звука. Оперативните интегрални схеми работят по подобен начин, тъй като водят до усилване на звука, но при оперативните интегрални схеми входът и изходът са едновременно напрежение, докато входът на аудио интегралните схеми е самият звук.

Компаратори правят това, което намеква доста неудобното им име: Те сравняват едновременните входове на сигнали в множество точки и определят изходен сигнал за всяка. След това изходите във всяка от тези входни точки се добавят по подходящ начин, за да се определи общият изход на веригата. Те са слабо подобни на логическите интегрални схеми, но без строг компонент с данни да / не (двоични).

Типовете интегрални схеми могат да бъдат определени въз основа на това колко точно са интегрирани, което е приблизително еквивалентно на това колко части имат най-много от тях (На теория даден IC няма абсолютно никакви допълнителни компоненти. Всеки от тях представлява най-малката система, способна да изпълни дадена електронна задача.) Броят на транзисторите по-специално е особено удобен за тази цел.

Малкомащабната интеграция, след като се появи на видно място в авиационното инженерство, включва десетки транзистори на един интегрален чип. Средномащабната интеграция, която започна през 60-те години, се състои от стотици транзистори на един чип, докато мащабната интеграция, започнала през 70-те години, включва хиляди. Много мащабна интеграция, продукт на технологията през 30-те години между 1980 и 2010 г., може да има само няколкостотин и до няколко милиарда транзистора на един и същ чип. При свръхмащабна интеграция броят винаги надхвърля милион. Тъй като технологиите продължават да се разширяват, светът на IC е свидетел на появата на интеграция с вафли (WSI), системата на чип (SoC) и триизмерната интегрална схема (3D-IC).

Ако се вгледате внимателно в платка, ще видите буквено-цифрова "дума", отпечатана там. Това се състои от различни имена, включително IC код, номер на IC част или просто IC номер. IC кодът дава информация за производителя на IC, типа устройство, за което е подходящ, серията, от която е част (много автомобилите също се придържат към тази конвенция), температурата, при която веригата може да функционира правилно, извежда информация и други данни. Няма фиксиран формат за IC кода по отношение на броя символи, но всеки запознат може да събере на едно място онова, което трябва да знае, като разделя кода на различни части. Това се улеснява чрез разстоянието между групи от букви и цифри, както се прави с тиретата в американски социалноосигурителен номер или телефонен номер.

Транзисторът се използва за усилване на тока в електрическа верига. Средствата, чрез които това се случва, трябва да бъдат разгледани в друга дискусия, но типът транзистор, използван в интегралните схеми, се нарича BJT, което означава биполярен транзистор. Те се предлагат в две основни конструкции - pnp и npn, което означава „положително-отрицателно-положително“ и „отрицателно-положително-отрицателно“. Транзисторите се състоят от три основни елемента: емитер, основа и a колекционер. Интерфейсите между p и n части на транзисторите се наричат ​​np кръстовища и има два на транзистор. Те се наричат ​​също кръстовища на емитер на база и колектор на база, тъй като основата е разположена в средата.

Активната област на този тип транзистор се отнася до региона на графика на ток срещу. напрежение, при което напрежението може да се увеличи значително, без да се променя много тока вътре в транзистора. Районът непосредствено преди това е регионът на насищане, в който токът нараства стръмно с нарастващо напрежение; регионът непосредствено отвъд него се нарича регион на пробив, в който токът отново се повишава рязко с допълнително напрежение и надвишава капацитета на веригата.