Typer af integrerede kredsløb

Medmindre du lige er landet her fra midten af ​​det forrige århundrede, har du næsten helt sikkert hørt om integrerede kredsløb eller IC'er. Men du har måske hørt disse konstruktioner henvist til med et af deres alternative navne, såsom mikrochip, computerchip eller endda IC chip. Hvis du nogensinde har handlet efter en bærbar computer eller en stationær computer, har du sandsynligvis set oplysninger om hver modells mikroprocessor anført fremtrædende blandt maskinens primære funktioner; disse enheder fungerer ved hjælp af en eller højst meget få forskellige IC'er. Og hvis du faktisk ikke har hørt om IC'er, dig har bestemt brugt dem og ville på dette tidspunkt ikke være i stand til at navigere i din hverdag uden deres Hjælp. Medmindre du læser disse ord på et ark papir, nyder du fordelene ved IC'er lige nu.

IC'er har hjulpet med at revolutionere informationsteknologi, telekommunikation og andre industrier, så det er ikke overraskende at de kommer i en række forskellige smagsvarianter, som hver er skræddersyet til deres elektroniske behov miljøer. Du behøver ikke at være velbevandret i elektronik for at forstå, hvordan disse forskellige typer IC'er fungerer og værdsætter deres mangesidede værdi for samfundet.

Et integreret kredsløb er et lille - mikroskopisk, faktisk - elektronisk kredsløbsarray. Et elektronisk kredsløb indeholder en række forskellige dele, der er skræddersyet til at håndtere strømmen, spredningen og relæet på en eller anden måde. På samme måde kan et system af sammenkoblede vandbassiner have kanaler, porte, overløbstanke, pumper og andre enheder for at opretholde den ønskede status for arrayet i hver af puljerne til enhver tid inkluderer IC-komponenter transistorer, modstande, kondensatorer og andre genstande, der udfører disse funktioner med elektroner i stedet for væsker.

Hvis du nogensinde har taget en computer, mobiltelefon eller anden moderne elektronisk enhed med computerkraft fra hinanden eller set en adskilt, har du sandsynligvis set en IC tæt på. Deres forskellige komponenter er fastgjort på en overflade, der består af et halvledermateriale (normalt silicium eller for det meste silicium). Denne "wafer" -overflade, der tjener som bunden af ​​IC'en, er typisk farvet grøn eller en anden farvetone, der gør det lettere at visualisere de enkelte stykker af IC'en.

At samle et elektrisk kredsløb fra komponentdele indsamlet fra forskellige kilder er ekstremt dyrt i forhold til at opbygge et sådant kredsløb på én gang, med hver af de krævede komponenter tændt hånd. (Forestil dig forskellen i omkostninger mellem en bil købt på den sædvanlige måde og en lavet af separat bestilte dæk, en motor, et navigationssystem og så videre. Tænk på en bil købt fra en aftale som et "integreret køretøj" i IC-sprog.) Ideen til disse enheder opstod i 1950'erne kort efter fremkomsten af ​​de første transistorer.

Digitale IC'er findes i en række undertyper, blandt dem programmerbare IC'er, "hukommelseschips", logiske IC'er, strømstyrings-IC'er og interface-IC'er. Deres definerende karakteristisk fra et elektrofysisk synspunkt er, at de fungerer ved et lille antal specificeret signalamplitude niveauer. De fungerer ved hjælp af såkaldte logiske porte, som er punkter, hvor ændringer i kredsløbsaktiviteten kan indføres på en "ja / nej" eller "til / fra" måde. Dette opnås ved hjælp af den gamle computerstandby, binære data, som i digitale IC'er kun bruger "0" (lav eller fraværende logik) og "1" (høj eller komplet logik) som tilladte værdier.

Analoge IC'er fungerer over et kontinuerligt signalområde snarere end de diskrete signaler, der findes i digitale IC'er. Det begrebet at gøre noget "digitalt" betyder i det væsentlige at placere alle dets dele i forskellige kategorier; selvom der er mange af dem, som med farverne på de enkelte pixels i digitale billedskærme, giver de kun et ægte kontinuitetstilstand. Selvom folk har tendens til at høre "analog" som "forældet" og "digital" som "state of the art", er dette ubegrundet. For eksempel er en slags analog IC radiofrekvens IC eller RFIC, som er et afgørende element i trådløse netværk. En anden type analog IC er den lineære IC, så navngivet, fordi spændingen og strømmen i disse arrangementer varierer i samme forhold på tværs af signalområdet, de bærer (dvs. V og I er relateret med en konstant multiplikativ faktor).

Blandet analog-digitale IC'er inkluderer aspekter af begge typer IC'er. I systemer, der konverterer analoge data til digitale data eller omvendt, finder du disse blandede IC'er. Hele konceptet med at integrere digitale og analoge komponenter på den samme chip er langt nyere end IC-teknologi sig selv. Disse IC'er bruges også i ure og andre timing-enheder.

Derudover kan IC'er placeres i kategorier bortset fra den digitale versus analoge skelnen.

Logiske IC'er, som som nævnt bruger binære data (0s og 1s), bruges i systemer, der kræver beslutningstagning. Dette gøres ved hjælp af "porte" i kredsløbet, der enten tillader eller nægter passage af et signal baseret på dets værdi. Disse porte er samlet, så en given kombination af signaler giver et specifikt, tilsigtet resultat baseret på opsummeringen af ​​begivenheder ved flere porte. Når man tænker på, at antallet af forskellige kombinationer af 0 og 1 i en logisk IC med n porte er hævet til kraften af ​​n (2ⁿ), ser du hurtigt, at disse IC'er, selvom de i princippet er meget enkle, kan håndtere meget komplekse oplysninger.

Du kan tænke på signalet i en logisk IC som en usædvanlig smart mus, der forhandler en labyrint. Ved hvert muligt forgreningspunkt skal musen beslutte, om den skal gå ind i den åbne dør ("0") eller fortsætte med at gå ("1"). I dette skema vil kun den korrekte rækkefølge på 0 og 1-værdier resultere i en sti fra labyrintens indgang til dens udgang; alle andre kombinationer vil i sidste ende ende i blindgange inden for labyrintets vægge.

Skifte IC gør rigelig brug af transistorer, beskrevet i detaljer senere. De bruges lige som deres navn antyder - som dele af afbrydere eller i kredsløbssprog i "skifteoperationer". I en elektrisk kontakt afbrydes strømmen eller introduktionen af ​​strøm, der ikke tidligere var til stede, kan udløse en switch, som i sig selv ikke er andet end en ændring i en given tilstand, der kan tage to eller flere formularer. For eksempel har nogle elektriske blæsere lave, mellemstore og høje indstillinger. Nogle afbrydere kan deltage i mere end et kredsløb.

Timer-IC'er er i stand til at holde styr på den forløbne tid. Et indlysende eksempel er et digitalt stopur, der viser tiden eksplicit, men forskellige enheder skal kunne holde styr på tiden i baggrunden, selv når den ikke behøver at blive vist for brugerne, eller når skærmen er valgfri; en dagligdags computer er et eksempel, selvom nogle af disse nu er afhængige af satellitindgang for at overvåge og justere tiden efter behov.

Forstærker IC'er findes i to typer: lyd og operationel. Audio IC'er er det, der gør musikken højere eller blødere på et fancy lydsystem eller øger eller formindsker lydstyrke i enheder, der indeholder lyd af enhver art, såsom et fjernsynsapparat, smartphone eller personlig computer. Disse gør brug af spændingsændringer til styring af lydoutput. Operationelle IC'er fungerer på samme måde, fordi de resulterer i lydforstærkning, men med operationelle IC'er er input og output begge spændinger, hvorimod input af audio IC'er er selve lyden.

Komparatorer gør hvad deres ret akavede navn antyder: De sammenligner samtidige indgange af signaler på flere punkter og bestemmer et udgangssignal for hver. Udgangene ved hvert af disse indgangspunkter tilføjes derefter på en passende måde til at bestemme den samlede udgang af kredsløbet. Disse svarer løst til logiske IC'er, men uden den strenge ja / nej (binære) datakomponent.

IC-typer kan bestemmes på basis af, hvor integrerede de er, hvilket omtrent svarer til, hvor mange dele de har, når de er mest strippet ned. (I teorien har en given IC absolut ingen ekstra komponenter. Hver enkelt repræsenterer det mindste system, der er i stand til at udføre en given elektronisk opgave.) Især antallet af transistorer er særlig praktisk til dette formål.

Integration i mindre skala, når den først er fremtrædende i luftfartsingeniør, har snesevis af transistorer på en enkelt IC-chip. Mellemstor integration, der kom af banen i 1960'erne, består af nogle hundreder af transistorer på en chip, mens storstilet integration, der startede i 1970'erne, inkluderer tusinder. Meget storstilet integration, et produkt af teknologi i de omkring 30 år mellem omkring 1980 og 2010, kan have så få som flere hundrede og op til et par milliarder transistorer på den samme chip. I ultra-stor integration overstiger antallet altid en million. Da teknologien fortsatte med at ekspandere, har IC-verdenen været vidne til fremkomsten af ​​wafer-skala integration (WSI), systemet på en chip (SoC) og det tredimensionelle integrerede kredsløb (3D-IC).

Hvis du ser nøje på et printkort, vil du se et alfanumerisk "ord" der er trykt der. Dette går under forskellige navne, herunder IC-kode, IC-delnummer eller blot IC-nummer. IC-koden giver oplysninger om producenten af ​​IC, typen af ​​enhed, den er egnet til, serien den er en del af (mange biler overholder også denne konvention), temperaturen, hvor kredsløbet kan fungere korrekt, outputinformation og andet data. Der er ikke noget fast format for IC-koden med hensyn til antal tegn, men enhver, der er fortrolig med dem, kan sammensætte det, de har brug for at vide, ved at adskille koden i forskellige dele. Dette gøres lettere ved at afstanden inkluderer mellem grupper af bogstaver og tal, som det gøres med bindestregerne i et amerikansk socialsikringsnummer eller telefonnummer.

En transistor bruges til at øge strømmen i et elektrisk kredsløb. Midlerne, hvormed dette sker, skal dækkes af en anden diskussion, men den type transistor, der anvendes i IC'er, kaldes en BJT, som står for bipolar junction transistor. Disse kommer i to grundlæggende konstruktioner - pnp og npn, som står for "positiv-negativ-positiv" og "negativ-positiv-negativ." Transistorer består af tre hovedelementer: en emitter, en base og en samler. Grænsefladerne mellem p- og n-dele af transistorer kaldes np-forbindelser, og der er to pr. Transistor. Disse kaldes også base-emitter og base-collector kryds, da basen sidder i midten.

Den aktive region af denne type transistor henviser til regionen på en graf over strøm vs. spænding, hvor spændingen kan styrkes markant uden at ændre strømmen meget inde i transistoren. Regionen lige før dette er mætningsområdet, hvor strømmen stiger kraftigt med stigende spænding; regionen lige ud over det kaldes nedbrydningsområdet, hvor strømmen igen stiger kraftigt med yderligere spænding og overstiger kredsløbets kapacitet.