Τύποι ολοκληρωμένων κυκλωμάτων

Αν δεν έχετε προσγειωθεί εδώ από τα μέσα του προηγούμενου αιώνα, έχετε σχεδόν σίγουρα ακούσει για ολοκληρωμένα κυκλώματα ή IC. Αλλά μπορεί να έχετε ακούσει αυτές τις κατασκευές που αναφέρονται από ένα από τα εναλλακτικά ονόματά τους, όπως μικροτσίπ, τσιπ υπολογιστή ή ακόμα και IC πατατακι. Εάν έχετε αγοράσει ποτέ φορητό υπολογιστή ή επιτραπέζιο υπολογιστή, πιθανότατα έχετε δει πληροφορίες σχετικά με τον μικροεπεξεργαστή κάθε μοντέλου που παρατίθενται εμφανώς μεταξύ των βασικών χαρακτηριστικών του μηχανήματος. Αυτές οι συσκευές λειτουργούν χρησιμοποιώντας ένα ή το πολύ λίγα ξεχωριστά IC. Και αν δεν έχετε ακούσει πραγματικά για IC, εσείς σίγουρα τα έχετε χρησιμοποιήσει και σε αυτό το σημείο δεν θα μπορέσετε να περιηγηθείτε στην καθημερινή σας ζωή χωρίς τη δική τους βοήθεια. Αν δεν διαβάζετε αυτές τις λέξεις σε ένα φύλλο έντυπου χαρτιού, απολαμβάνετε τα οφέλη των IC αυτήν τη στιγμή.

Τα IC έχουν βοηθήσει στην επανάσταση της τεχνολογίας της πληροφορίας, των τηλεπικοινωνιών και άλλων βιομηχανιών, οπότε δεν προκαλεί έκπληξη ότι έρχονται σε μια ποικιλία γεύσεων, κάθε μία προσαρμοσμένη στις εξειδικευμένες ανάγκες του ηλεκτρονικού τους περιβάλλοντα. Δεν χρειάζεται να είστε έμπειροι στα ηλεκτρονικά για να καταλάβετε πώς λειτουργούν αυτοί οι διαφορετικοί τύποι IC και εκτιμούν την πολύπλευρη αξία τους για την κοινωνία.

Ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα είναι ένας μικροσκοπικός, στην πραγματικότητα, ηλεκτρονικός πίνακας κυκλωμάτων. Ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα περιέχει μια ποικιλία εξαρτημάτων προσαρμοσμένων για να αντιμετωπίζουν κατά κάποιο τρόπο τη ροή, την εξάπλωση και το ρελέ ηλεκτρικής ενέργειας. Με τον ίδιο τρόπο ένα σύστημα διασυνδεδεμένων δεξαμενών νερού μπορεί να έχει κανάλια, πύλες, δεξαμενές υπερπλήρωσης, αντλίες και άλλες συσκευές για να διατηρήσει την επιθυμητή κατάσταση της συστοιχίας στο κάθε μία από τις δεξαμενές ανά πάσα στιγμή, τα εξαρτήματα IC περιλαμβάνουν τρανζίστορ, αντιστάσεις, πυκνωτές και άλλα αντικείμενα που εκτελούν αυτές τις λειτουργίες με ηλεκτρόνια και όχι υγρά.

Εάν έχετε πάρει ποτέ υπολογιστή, κινητό τηλέφωνο ή άλλη σύγχρονη ηλεκτρονική συσκευή με υπολογιστική ισχύ ή έχετε δει κάποια αποσυναρμολογημένη, πιθανότατα έχετε δει ένα IC από κοντά. Τα διάφορα συστατικά τους στερεώνονται σε μια επιφάνεια που αποτελείται από ένα υλικό ημιαγωγού (συνήθως πυρίτιο ή κυρίως πυρίτιο). Αυτή η επιφάνεια "γκοφρέτα", η οποία χρησιμεύει ως βάση του IC, έχει συνήθως πράσινο χρώμα ή κάποια άλλη απόχρωση που καθιστά ευκολότερη την απεικόνιση των μεμονωμένων κομματιών του IC.

Η συναρμολόγηση ενός ηλεκτρικού κυκλώματος από εξαρτήματα που συλλέγονται από διάφορες πηγές είναι εξαιρετικά ακριβό σε σύγκριση με την κατασκευή ενός τέτοιου κυκλώματος ταυτόχρονα, με καθένα από τα απαιτούμενα εξαρτήματά του χέρι. (Φανταστείτε τη διαφορά κόστους μεταξύ ενός αυτοκινήτου που αγοράστηκε με τον συνηθισμένο τρόπο και ενός από ελαστικά που έχουν παραγγελθεί ξεχωριστά, ενός κινητήρα, ενός συστήματος πλοήγησης και ούτω καθεξής. Σκεφτείτε ένα αυτοκίνητο που αγοράστηκε από μια συμφωνία ως «ενσωματωμένο όχημα» στο IC γλώσσα.) Η ιδέα για αυτές τις συσκευές προέκυψε τη δεκαετία του 1950, λίγο μετά την έλευση των πρώτων τρανζίστορ.

Ψηφιακά IC έρχονται σε μια ποικιλία υποτύπων, μεταξύ των οποίων προγραμματιζόμενα IC, "chip μνήμης", λογικά IC, IC διαχείρισης ισχύος και IC διασύνδεσης. Δικα τους ορίζοντας χαρακτηριστικό από ηλεκτροφυσική άποψη είναι ότι λειτουργούν σε μικρό αριθμό καθορισμένου πλάτους σήματος επίπεδα. Λειτουργούν χρησιμοποιώντας τις λεγόμενες λογικές πύλες, που είναι σημεία στα οποία οι αλλαγές στη δραστηριότητα του κυκλώματος μπορούν να εισαχθούν με τρόπο «ναι / όχι» ή «on / off». Αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας την παλιά κατάσταση αναμονής του υπολογιστή, δυαδικά δεδομένα, τα οποία σε ψηφιακά IC χρησιμοποιούν μόνο "0" (χαμηλή ή απουσία λογικής) και "1" (υψηλή ή πλήρη λογική) ως επιτρεπόμενες τιμές.

Αναλογικά IC λειτουργούν σε ένα συνεχές εύρος σημάτων παρά στα διακριτά σήματα που εμφανίζονται σε ψηφιακά IC. ο Η έννοια της δημιουργίας κάτι "ψηφιακού" σημαίνει ουσιαστικά την τοποθέτηση όλων των μερών της σε ξεχωριστές κατηγορίες. Ακόμα κι αν υπάρχουν πολλά από αυτά, όπως και με τα χρώματα των μεμονωμένων pixel σε οθόνες ψηφιακών εικόνων, προσφέρουν μόνο την εμφάνιση της πραγματικής συνέχειας. Αν και οι άνθρωποι τείνουν να ακούνε "αναλογικό" ως "ξεπερασμένο" και "ψηφιακό" ως "υπερσύγχρονο", αυτό είναι αβάσιμο. Για παράδειγμα, ένα είδος αναλογικού IC είναι το IC ραδιοσυχνοτήτων ή το RFIC, το οποίο είναι ένα κρίσιμο στοιχείο των ασύρματων δικτύων. Ένας άλλος τύπος αναλογικού IC είναι το γραμμικό IC, που ονομάζεται έτσι επειδή η τάση και το ρεύμα σε αυτές τις ρυθμίσεις ποικίλλουν στο ίδια αναλογία σε όλο το εύρος των σημάτων που μεταφέρουν (δηλαδή, τα V και I σχετίζονται με έναν σταθερό πολλαπλασιαστικό παράγοντας).

Μικτά αναλογικά-ψηφιακά IC περιλαμβάνουν πτυχές και των δύο τύπων IC. Σε συστήματα που μετατρέπουν αναλογικά δεδομένα σε ψηφιακά δεδομένα ή το αντίστροφο, θα βρείτε αυτά τα μικτά IC. Όλη η έννοια της ενσωμάτωσης ψηφιακών και αναλογικών στοιχείων στο ίδιο τσιπ είναι πολύ νεότερη από την τεχνολογία IC εαυτό. Αυτά τα IC χρησιμοποιούνται επίσης σε ρολόγια και σε άλλες συσκευές χρονισμού.

Επιπλέον, τα IC μπορούν να τοποθετηθούν σε κατηγορίες εκτός από την ψηφιακή-αναλογική διάκριση.

Λογικά IC, τα οποία όπως αναφέρθηκαν χρησιμοποιούν δυαδικά δεδομένα (0s και 1s), χρησιμοποιούνται σε συστήματα που απαιτούν λήψη αποφάσεων. Αυτό γίνεται χρησιμοποιώντας "πύλες" στο κύκλωμα που είτε επιτρέπουν είτε αρνούνται τη διέλευση ενός σήματος με βάση την τιμή του. Αυτές οι πύλες συναρμολογούνται έτσι ώστε ένας δεδομένος συνδυασμός σημάτων θα δώσει ένα συγκεκριμένο, επιδιωκόμενο αποτέλεσμα με βάση το άθροισμα των γεγονότων σε πολλαπλές πύλες. Όταν θεωρείτε ότι ο αριθμός των διαφορετικών συνδυασμών 0 και 1 σε λογικό IC με πύλες n αυξάνεται στη δύναμη του n (2^ν), βλέπετε γρήγορα ότι αυτά τα IC, αν και εξαιρετικά απλά στην αρχή, μπορούν να χειριστούν πολύ περίπλοκες πληροφορίες.

Μπορείτε να σκεφτείτε το σήμα σε ένα λογικό IC ως ασυνήθιστα έξυπνο ποντίκι που διαπραγματεύεται λαβύρινθο. Σε κάθε πιθανό σημείο διακλάδωσης, το ποντίκι πρέπει να αποφασίσει εάν θα εισέλθει στην ανοιχτή πόρτα ("0") ή θα συνεχίσει να περπατά ("1"). Σε αυτό το σχήμα, μόνο η σωστή ακολουθία των τιμών 0 και 1 θα οδηγήσει σε μια διαδρομή από την είσοδο του λαβυρίνθου μέχρι την έξοδο. όλοι οι άλλοι συνδυασμοί θα καταλήξουν τελικά σε αδιέξοδο εντός των τοιχωμάτων του λαβυρίνθου.

Εναλλαγή IC χρησιμοποιήστε άφθονα τρανζίστορ, που περιγράφονται λεπτομερώς αργότερα. Χρησιμοποιούνται όπως υποδηλώνει το όνομά τους - ως μέρη των διακοπτών, ή σε ομιλία κυκλώματος, σε "λειτουργίες μεταγωγής". Σε ηλεκτρικό διακόπτη, η διακοπή ρεύματος ή η εισαγωγή ρεύματος που δεν υπήρχε στο παρελθόν μπορεί να ενεργοποιήσει έναν διακόπτη, ο οποίος δεν είναι παρά μια αλλαγή σε μια δεδομένη κατάσταση που μπορεί να διαρκέσει δύο ή περισσότερα φόρμες. Για παράδειγμα, ορισμένοι ηλεκτρικοί ανεμιστήρες έχουν χαμηλές, μεσαίες και υψηλές ρυθμίσεις. Ορισμένοι διακόπτες μπορούν να συμμετέχουν σε περισσότερα από ένα κυκλώματα.

IC χρονοδιακόπτη είναι σε θέση να παρακολουθούν τον παρελθόν χρόνο. Ένα προφανές παράδειγμα είναι ένα ψηφιακό χρονόμετρο, το οποίο δείχνει με σαφήνεια τον χρόνο, αλλά πρέπει να είναι σε θέση διάφορες συσκευές να παρακολουθείτε το χρόνο στο παρασκήνιο ακόμα και όταν δεν χρειάζεται να εμφανίζεται στους χρήστες ή όταν είναι η οθόνη προαιρετικός; Ένας καθημερινός υπολογιστής είναι ένα παράδειγμα, αν και μερικοί από αυτούς βασίζονται τώρα σε δορυφορική είσοδο για παρακολούθηση και προσαρμογή του χρόνου, όπως απαιτείται.

Ενισχυτές IC διατίθενται σε δύο τύπους: ήχο και λειτουργικό. Τα ηχητικά IC είναι αυτά που κάνουν τη μουσική πιο δυνατή ή πιο απαλή σε ένα φανταχτερό σύστημα ήχου ή αυξάνει ή μειώνει το ένταση σε συσκευές που ενσωματώνουν ήχο οποιουδήποτε είδους, όπως τηλεόραση, smartphone ή προσωπικό υπολογιστή. Αυτά χρησιμοποιούν αλλαγές τάσης για τον έλεγχο της εξόδου ήχου. Τα λειτουργικά IC λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο που οδηγούν σε ενίσχυση ήχου, αλλά με λειτουργικά IC, η είσοδος και η έξοδος είναι και οι δύο τάσεις, ενώ η είσοδος των IC ήχου είναι η ίδια ο ήχος.

Συγκριτές Κάντε αυτό που υπονοεί το μάλλον περίεργο όνομα τους: Συγκρίνουν ταυτόχρονες εισόδους σημάτων σε πολλά σημεία και καθορίζουν ένα σήμα εξόδου για κάθε ένα. Οι έξοδοι σε καθένα από αυτά τα σημεία εισόδου προστίθενται στη συνέχεια με κατάλληλο τρόπο για τον προσδιορισμό της συνολικής εξόδου του κυκλώματος. Αυτά είναι χαλαρά παρόμοια με τα λογικά IC αλλά χωρίς το αυστηρό στοιχείο ναι / όχι (δυαδικό) στοιχείο.

Οι τύποι IC μπορούν να προσδιοριστούν με βάση το πόσο ενσωματωμένοι είναι, πράγμα που ισοδυναμεί περίπου με πόσα μέρη έχουν τα περισσότερα απογυμνωμένα. (Θεωρητικά, ένα δεδομένο IC δεν έχει καθόλου επιπλέον στοιχεία. Κάθε ένα αντιπροσωπεύει το μικρότερο σύστημα ικανό να εκτελεί μια δεδομένη ηλεκτρονική εργασία.) Ο αριθμός των τρανζίστορ είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για το σκοπό αυτό.

Η ενσωμάτωση μικρής κλίμακας, κάποτε εμφανής στην αεροναυτική μηχανική, διαθέτει δεκάδες τρανζίστορ σε ένα μόνο τσιπ IC. Μεσαίας κλίμακας ολοκλήρωση, η οποία ξεκίνησε τη δεκαετία του 1960, αποτελείται από εκατοντάδες τρανζίστορ σε ένα τσιπ, ενώ η μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωση, η οποία ξεκίνησε τη δεκαετία του 1970, περιλαμβάνει χιλιάδες. Πολύ μεγάλης κλίμακας ενσωμάτωση, ένα προϊόν τεχνολογίας για περίπου 30 χρόνια μεταξύ 1980 και 2010, μπορεί να έχει μόνο μερικές εκατοντάδες έως και μερικά δισεκατομμύρια τρανζίστορ στο ίδιο τσιπ. Στην ενσωμάτωση εξαιρετικά μεγάλης κλίμακας, ο αριθμός υπερβαίνει πάντα ένα εκατομμύριο. Καθώς η τεχνολογία συνέχισε να επεκτείνεται, ο κόσμος του IC έχει δει την έλευση της ενοποίησης κλίμακας γκοφρετών (WSI), του συστήματος σε ένα τσιπ (SoC) και του τρισδιάστατου ολοκληρωμένου κυκλώματος (3D-IC).

Εάν κοιτάξετε προσεκτικά μια πλακέτα κυκλώματος, θα δείτε μια αλφαριθμητική "λέξη" τυπωμένη εκεί. Αυτό πηγαίνει με διάφορα ονόματα, όπως κωδικός IC, αριθμός ανταλλακτικού IC ή απλά αριθμός IC. Ο κωδικός IC παρέχει πληροφορίες σχετικά με τον κατασκευαστή του IC, τον τύπο της συσκευής για τον οποίο είναι κατάλληλη, τη σειρά στην οποία ανήκει (πολλές τα αυτοκίνητα συμμορφώνονται επίσης με αυτήν τη σύμβαση), τη θερμοκρασία στην οποία το κύκλωμα μπορεί να λειτουργεί σωστά, πληροφορίες εξόδου και άλλα δεδομένα. Δεν υπάρχει σταθερή μορφή για τον κωδικό IC όσον αφορά τον αριθμό των χαρακτήρων, αλλά όποιος είναι εξοικειωμένος μπορεί να συγκεντρώσει αυτά που πρέπει να γνωρίζουν διαχωρίζοντας τον κώδικα σε διαφορετικά μέρη. Αυτό γίνεται ευκολότερο με την απόσταση μεταξύ ομάδων γραμμάτων και αριθμών, όπως γίνεται με τις παύλες σε έναν αριθμό κοινωνικής ασφάλισης ή αριθμό τηλεφώνου των ΗΠΑ.

Ένα τρανζίστορ χρησιμοποιείται για την αύξηση του ρεύματος σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Τα μέσα με τα οποία συμβαίνει αυτό πρέπει να καλυφθούν σε μια άλλη συζήτηση, αλλά ο τύπος τρανζίστορ που χρησιμοποιείται στα IC ονομάζεται BJT, που σημαίνει διπολικό τρανζίστορ διασταύρωσης. Αυτά έρχονται σε δύο βασικές κατασκευές - το pnp και το npn, που σημαίνει "θετικό-αρνητικό-θετικό" και "αρνητικό-θετικό-αρνητικό." Τα τρανζίστορ αποτελούνται από τρία κύρια στοιχεία: έναν πομπό, μια βάση και ένα συλλέκτης. Οι διεπαφές μεταξύ τμημάτων τρανζίστορ p και n ονομάζονται διασταυρώσεις np και υπάρχουν δύο ανά τρανζίστορ. Αυτά ονομάζονται επίσης συνδέσεις βασικής εκπομπής και συλλέκτη βάσης, καθώς η βάση κάθεται στη μέση.

Η ενεργή περιοχή αυτού του τύπου τρανζίστορ αναφέρεται στην περιοχή σε γράφημα ρεύματος έναντι τάση στην οποία η τάση μπορεί να αυξηθεί σημαντικά χωρίς να αλλάξει το ρεύμα πολύ μέσα στο τρανζίστορ. Η περιοχή λίγο πριν από αυτό είναι η περιοχή κορεσμού, στην οποία το ρεύμα αυξάνεται απότομα με αυξανόμενη τάση. Η περιοχή ακριβώς πέρα ​​από αυτό αναφέρεται ως περιοχή διακοπής, στην οποία το ρεύμα αυξάνεται και πάλι απότομα με πρόσθετη τάση και υπερβαίνει τη χωρητικότητα του κυκλώματος.