Typy integrovaných obvodů

Pokud jste zde právě nepřistáli od poloviny minulého století, téměř jistě jste slyšeli o integrovaných obvodech neboli integrovaných obvodech. Možná jste ale slyšeli, že tyto konstrukty jsou označovány jedním z jejich alternativních jmen, jako je mikročip, počítačový čip nebo dokonce IC čip. Pokud jste někdy nakupovali notebook nebo stolní počítač, pravděpodobně jste viděli informace o mikroprocesoru každého modelu, které jsou prominentně uvedeny mezi primárními funkcemi stroje; tato zařízení fungují pomocí jednoho nebo maximálně několika málo odlišných integrovaných obvodů. A pokud jste ve skutečnosti o ICs ještě neslyšeli, ano určitě je využili a v tomto okamžiku by bez nich nebyli schopni se orientovat ve vašem každodenním životě Pomoc. Pokud tato slova nečtete na listu potištěného papíru, užíváte si v tuto chvíli výhody integrovaných obvodů.

Integrované obvody pomohly revoluci v oblasti informačních technologií, telekomunikací a dalších průmyslových odvětví, takže to není překvapující že přicházejí v různých příchutích, z nichž každá je přizpůsobena specializovaným potřebám jejich elektroniky prostředí. Nemusíte se dobře orientovat v elektronice, abyste pochopili, jak tyto různé typy integrovaných obvodů fungují, a ocenili jejich mnohostrannou hodnotu pro společnost.

Integrovaný obvod je malé - mikroskopické, ve skutečnosti - pole elektronických obvodů. Elektronický obvod obsahuje různé části šité na míru, aby se nějakým způsobem vypořádaly s tokem, šířením a přenosem elektřiny. Stejným způsobem může mít systém propojených vodních bazénů kanály, brány, přeplňovací nádrže, čerpadla a další zařízení k udržení požadovaného stavu soustavy v každý z fondů v kteroukoli dobu, komponenty IC zahrnují tranzistory, rezistory, kondenzátory a další položky, které vykonávají tyto funkce spíše elektrony než tekutiny.

Pokud jste někdy vzali počítač, mobilní telefon nebo jiné moderní elektronické zařízení s výpočetním výkonem od sebe nebo jste viděli jeden rozebraný, pravděpodobně jste viděli IC zblízka. Jejich různé součásti jsou upevněny na povrchu sestávajícím z polovodičového materiálu (obvykle křemíku nebo většinou křemíku). Tento povrch „oplatky“, který slouží jako základna integrovaného obvodu, je obvykle zbarven zeleně nebo jiným odstínem, který usnadňuje vizualizaci jednotlivých částí integrovaného obvodu.

Sestavení elektrického obvodu ze součástek shromážděných z různých zdrojů je extrémní nákladné ve srovnání s budováním takového obvodu najednou, s každou z jeho požadovaných součástí ruka. (Představte si rozdíl v ceně mezi automobilem zakoupeným obvyklým způsobem a vozidlem vyrobeným ze samostatně objednaných pneumatik, motoru, navigačního systému atd. Představte si auto zakoupené na základě dohody jako „integrované vozidlo“ v jazyce IC.) Myšlenka těchto zařízení vznikla v 50. letech, krátce po příchodu prvních tranzistorů.

Digitální integrované obvody přicházejí v různých podtypech, mezi nimi programovatelné integrované obvody, „paměťové čipy“, logické integrované obvody, integrované obvody pro správu napájení a integrované obvody. Jejich charakteristikou z elektrofyzikálního hlediska je to, že pracují s malým počtem specifikovaných amplitud signálu úrovně. Pracují pomocí takzvaných logických bran, což jsou body, ve kterých mohou být změny v činnosti obvodu zavedeny způsobem „ano / ne“ nebo „zapnuto / vypnuto“. Toho lze dosáhnout pomocí binárních dat starého počítače v pohotovostním režimu, která v digitálních integrovaných obvodech používají jako přípustné hodnoty pouze „0“ (nízká nebo chybějící logika) a „1“ (vysoká nebo úplná logika).

Analogové integrované obvody pracují v kontinuálním rozsahu signálů spíše než v diskrétních signálech obsažených v digitálních integrovaných obvodech. The koncept výroby něčeho „digitálního“ v zásadě znamená zařazení všech jeho částí do různých kategorií; i když je jich mnoho, stejně jako barvy jednotlivých pixelů na digitálních obrazovkách, nabízejí pouze zdání skutečné kontinuity. I když lidé mají tendenci slyšet „analogový“ jako „zastaralý“ a „digitální“ jako „nejmodernější“, je to neopodstatněné. Například jedním druhem analogového IC je radiofrekvenční IC nebo RFIC, který je klíčovým prvkem bezdrátových sítí. Dalším typem analogového IC je lineární IC, pojmenovaný proto, že napětí a proud v těchto uspořádáních se liší v stejný podíl v celém rozsahu signálů, které přenášejí (tj. V a I jsou spojeny konstantní multiplikativou faktor).

Smíšené analogově-digitální integrované obvody zahrnují aspekty obou typů integrovaných obvodů. V systémech, které převádějí analogová data na digitální data nebo naopak, najdete tyto smíšené integrované obvody. Celá koncepce integrace digitálních a analogových komponent na stejném čipu je mnohem novější než technologie IC sám. Tyto integrované obvody se používají také v hodinách a jiných časovacích zařízeních.

Kromě toho mohou být integrované obvody zařazeny do kategorií kromě rozlišení digitální versus analog.

Logické integrované obvody, které, jak již bylo zmíněno, používají binární data (0 s a 1 s), se používají v systémech, které vyžadují rozhodování. To se provádí pomocí „bran“ v obvodu, které buď povolují, nebo odepírají průchod signálu na základě jeho hodnoty. Tyto brány jsou sestaveny tak, aby daná kombinace signálů poskytla konkrétní zamýšlený výsledek na základě součtu událostí u více bran. Když vezmeme v úvahu, že počet různých kombinací 0 a 1 v logickém IC s n branami je 2 zvýšen na mocninu n (2ⁿ), rychle zjistíte, že tyto integrované obvody, i když jsou v zásadě mimořádně jednoduché, zvládnou velmi složité informace.

Signál v logickém integrovaném obvodu si můžete představit jako neobvykle chytrou myš vyjednávající o bludišti. V každém možném bodě větvení se myš musí rozhodnout, zda vstoupí do otevřených dveří („0“) nebo bude pokračovat v chůzi („1“). V tomto schématu bude mít pouze správná posloupnost hodnot 0 a 1 za následek cestu od vchodu do bludiště k jeho východu; všechny ostatní kombinace nakonec skončí ve slepých uličkách uvnitř stěn bludiště.

Spínací integrované obvody dostatečně využívat tranzistory, které jsou podrobně popsány dále. Používají se přesně tak, jak naznačuje jejich název - jako součást spínačů nebo v řečech obvodů při „spínacích operacích“. V elektrickém spínači je přerušení proudu nebo zavedení proudu, který nebyl dříve přítomen, může spustit spínač, což samo o sobě není nic jiného než změna dané podmínky, která může trvat dva nebo více formuláře. Například některé elektrické ventilátory mají nízké, střední a vysoké nastavení. Některé přepínače se mohou účastnit více než jednoho obvodu.

Integrované obvody časovače jsou schopni sledovat uplynulý čas. Zřejmým příkladem jsou digitální stopky, které ukazují čas výslovně, ale různá zařízení musí být schopna sledovat čas na pozadí, i když se nemusí zobrazovat uživatelům nebo když je zobrazen volitelný; příkladem je každodenní počítač, ačkoli některé z nich se nyní spoléhají na satelitní vstup, aby sledovaly a upravovaly čas podle potřeby.

Integrované obvody zesilovače přicházejí ve dvou typech: audio a provozní. Zvukové integrované obvody zvyšují nebo zjemňují hudbu na efektním zvukovém systému nebo zvyšují nebo snižují hlasitost hlasitost v zařízeních, která obsahují zvuk jakéhokoli druhu, například v televizi, smartphonu nebo osobním telefonu počítač. Ty využívají změny napětí k ovládání zvukového výstupu. Provozní integrované obvody fungují podobně v tom, že vedou k zesílení zvuku, ale u provozních integrovaných obvodů jsou vstup i výstup oba napěťové, zatímco vstup zvukových integrovaných obvodů je samotný zvuk.

Komparátory dělat to, co naznačuje jejich poněkud nepříjemné jméno: Porovnávají současné vstupy signálů ve více bodech a pro každý určují výstupní signál. Výstupy v každém z těchto vstupních bodů jsou poté vhodným způsobem přidány k určení celkového výkonu obvodu. Jsou volně podobné logickým integrovaným obvodům, ale bez přísné (binární) datové komponenty ano / ne.

Typy IC lze určit na základě toho, jak jsou integrované, což je zhruba ekvivalentní tomu, kolik částí mají nejvíce odizolovaných. (Teoreticky daný IC nemá absolutně žádné další komponenty. Každý z nich představuje nejmenší systém schopný provádět daný elektronický úkol.) Zejména počet tranzistorů je pro tento účel zvlášť vhodný.

Integrace v malém měřítku, kdysi prominentně v leteckém inženýrství, obsahuje desítky tranzistorů na jednom IC čipu. Středně velká integrace, která začala fungovat v 60. letech, se skládá z několika stovek tranzistorů na jednom čipu, zatímco rozsáhlá integrace, která začala v 70. letech, zahrnuje tisíce. Velmi rozsáhlá integrace, produkt technologie za přibližně 30 let mezi lety 1980 a 2010, může mít na stejném čipu několik stovek až několik miliard tranzistorů. V ultra rozsáhlé integraci počet vždy přesahuje milion. Jak se technologie neustále rozšiřovala, svět IC byl svědkem příchodu integrace na čipu (WSI), systému na čipu (SoC) a trojrozměrného integrovaného obvodu (3D-IC).

Pokud se podrobně podíváte na desku plošných spojů, uvidíte tam vytištěné alfanumerické „slovo“. Jedná se o různá jména, včetně kódu IC, čísla dílu IC nebo jednoduše čísla IC. Kód IC poskytuje informace o výrobci integrovaného obvodu, typu zařízení, pro které je vhodný, o řadě, do které je součástí (mnoho automobily dodržují také tuto konvenci), teplotu, při které může obvod správně fungovat, výstupní informace a další data. Neexistuje žádný pevný formát IC kódu, pokud jde o počet znaků, ale každý, kdo je s nimi obeznámen, může sestavit to, co potřebuje, rozdělením kódu do různých částí. To usnadňuje mezera mezi skupinami písmen a čísel, jak je tomu u pomlček v americkém čísle sociálního zabezpečení nebo telefonním čísle.

Tranzistor se používá ke zvýšení proudu v elektrickém obvodu. Prostředky, kterými k tomu dochází, musí být zahrnuty do jiné diskuse, ale typ tranzistoru použitého v integrovaných obvodech se nazývá BJT, což znamená bipolární spojovací tranzistor. Přicházejí ve dvou základních konstrukcích - pnp a npn, což znamená „pozitivní-negativní-pozitivní“ a „negativní-pozitivní-negativní.“ Tranzistory se skládají ze tří hlavních prvků: emitor, základna a kolektor. Rozhraní mezi částmi p a n tranzistorů se nazývají np křižovatky a na tranzistor jsou dvě. Tito se také nazývají spojení základna-emitor a základna-kolektor, protože základna sedí uprostřed.

Aktivní oblast tohoto typu tranzistoru odkazuje na oblast na grafu proudu vs. napětí, při kterém lze výrazně zvýšit napětí, aniž by se změnil proud uvnitř tranzistoru. Oblast těsně před touto oblastí je oblast nasycení, ve které proud prudce stoupá se zvyšujícím se napětím; oblast těsně za ní se označuje jako oblast poruchy, ve které proud opět prudce stoupá s dalším napětím a překračuje kapacitu obvodu.