A meno che non siate appena atterrati qui dalla metà del secolo precedente, avrete quasi sicuramente sentito parlare di circuiti integrati o circuiti integrati. Ma potresti aver sentito fare riferimento a questi costrutti con uno dei loro nomi alternativi, come microchip, chip per computer o persino IC patata fritta. Se hai mai acquistato un laptop o un computer desktop, probabilmente hai visto le informazioni sul microprocessore di ciascun modello elencate in modo prominente tra le caratteristiche principali della macchina; questi dispositivi funzionano utilizzando uno o al massimo pochissimi circuiti integrati distinti. E se non hai mai sentito parlare di circuiti integrati, tu ne ho sicuramente fatto uso ea questo punto non sarei in grado di navigare nella tua quotidianità senza il loro Aiuto. A meno che tu non stia leggendo queste parole su un foglio di carta stampata, stai godendo dei vantaggi dei circuiti integrati proprio in questo momento.
I circuiti integrati hanno contribuito a rivoluzionare la tecnologia dell'informazione, le telecomunicazioni e altri settori, quindi non è sorprendente che sono disponibili in una varietà di gusti, ognuno su misura per le esigenze specializzate della loro elettronica ambienti. Non è necessario essere esperti di elettronica per capire come funzionano questi diversi tipi di circuiti integrati e apprezzare il loro multiforme valore per la società.
Che cos'è un circuito integrato?
Un circuito integrato è un minuscolo, in effetti microscopico, array di circuiti elettronici. Un circuito elettronico contiene una varietà di parti su misura per affrontare in qualche modo il flusso, la diffusione e la trasmissione dell'elettricità. Allo stesso modo un sistema di piscine d'acqua interconnesse potrebbe avere canali, cancelli, serbatoi di tracimazione, pompe e altri dispositivi per mantenere lo stato desiderato dell'array in ciascuno dei pool in qualsiasi momento, i componenti IC includono transistor, resistori, condensatori e altri elementi che svolgono queste funzioni con gli elettroni anziché fluidi.
Se hai mai preso un computer, un telefono cellulare o un altro dispositivo elettronico moderno con potenza di calcolo a parte o ne hai visto uno smontato, probabilmente hai visto un circuito integrato da vicino. I loro vari componenti sono fissati su una superficie costituita da un materiale semiconduttore (solitamente silicio o principalmente silicio). Questa superficie "wafer", che funge da base dell'IC, è tipicamente colorata di verde o di qualche altra tonalità che rende più facile visualizzare i singoli pezzi dell'IC.
L'assemblaggio di un circuito elettrico da parti di componenti raccolte da varie fonti è estremamente costoso rispetto alla costruzione di un circuito del genere tutto in una volta, con ciascuno dei suoi componenti richiesti acceso mano. (Immagina la differenza di costo tra un'auto acquistata nel modo consueto e una realizzata con pneumatici ordinati separatamente, un motore, un sistema di navigazione e così via. Pensa a un'auto acquistata da un affare come un "veicolo integrato" nel gergo dei circuiti integrati.) L'idea per questi dispositivi è nata negli anni '50, poco dopo l'avvento dei primi transistor.
Tipi di circuiti integrati
CI digitali sono disponibili in una varietà di sottotipi, tra cui circuiti integrati programmabili, "chip di memoria", circuiti integrati logici, circuiti integrati di gestione dell'alimentazione e circuiti integrati di interfaccia. Loro caratteristica distintiva da un punto di vista elettrofisico è che operano con un piccolo numero di ampiezza di segnale specificata livelli. Funzionano utilizzando le cosiddette porte logiche, che sono punti in cui possono essere introdotte modifiche all'attività del circuito in modo "sì/no" o "on/off". Ciò si ottiene utilizzando il vecchio computer in standby, i dati binari, che nei circuiti integrati digitali utilizzano solo "0" (logica bassa o assente) e "1" (logica alta o completa) come valori consentiti.
Circuiti integrati analogici operano su una gamma continua di segnali piuttosto che sui segnali discreti presenti nei circuiti integrati digitali. Il il concetto di rendere "digitale" significa essenzialmente collocare tutte le sue parti in categorie distinte; anche se sono moltissimi, come per i colori dei singoli pixel nei display di immagini digitali, offrono solo l'apparenza di una vera continuità. Sebbene le persone tendano a sentire "analogico" come "obsoleto" e "digitale" come "stato dell'arte", questo è infondato. Ad esempio, un tipo di IC analogico è IC a radiofrequenza, o RFIC, che è un elemento cruciale delle reti wireless. Un altro tipo di circuito integrato analogico è il circuito integrato lineare, così chiamato perché la tensione e la corrente in queste disposizioni variano nel stessa proporzione attraverso la gamma di segnali che trasportano (cioè, V e I sono correlati da un moltiplicativo costante fattore).
CI misti analogico-digitali includere aspetti di entrambi i tipi di CI. Nei sistemi che convertono i dati analogici in dati digitali o viceversa, troverai questi circuiti integrati misti. L'intero concetto di integrazione di componenti digitali e analogici sullo stesso chip è molto più recente della tecnologia IC si. Questi circuiti integrati sono utilizzati anche negli orologi e in altri dispositivi di temporizzazione.
Inoltre, i circuiti integrati possono essere collocati in categorie diverse dalla distinzione digitale-analogico.
CI logici, che come accennato utilizzano dati binari (0s e 1s), vengono utilizzati in sistemi che richiedono processi decisionali. Questo viene fatto usando "porte" nel circuito che consentono o negano il passaggio di un segnale in base al suo valore. Queste porte sono assemblate in modo tale che una data combinazione di segnali dia un risultato specifico e previsto basato sulla somma degli eventi a più porte. Se si considera che il numero di diverse combinazioni di 0 e 1 in un IC logico con n porte è 2 elevato alla potenza di n (2n), si vede subito che questi circuiti integrati, sebbene in linea di principio squisitamente semplici, possono gestire informazioni molto complesse.
Puoi pensare al segnale in un circuito integrato logico come a un mouse insolitamente intelligente che affronta un labirinto. Ad ogni possibile diramazione il mouse deve decidere se entrare nella porta aperta ("0") o continuare a camminare ("1"). In questo schema, solo la corretta sequenza di valori 0 e 1 risulterà in un percorso dall'ingresso del labirinto alla sua uscita; tutte le altre combinazioni finiranno in un vicolo cieco all'interno delle pareti del labirinto.
CI di commutazione fare ampio uso di transistor, descritti in dettaglio più avanti. Sono usati proprio come suggerisce il loro nome: come parti di interruttori, o nel gergo dei circuiti, in "operazioni di commutazione". In un interruttore elettrico, l'interruzione della corrente o l'introduzione di una corrente che prima non era presente può innescare un interruttore, che di per sé non è altro che un cambiamento in una data condizione che può durare due o più forme. Ad esempio, alcuni ventilatori elettrici hanno impostazioni basse, medie e alte. Alcuni interruttori possono partecipare a più di un circuito.
IC timer Time sono in grado di tenere traccia del tempo trascorso. Un esempio ovvio è un cronometro digitale, che mostra il tempo in modo esplicito, ma vari dispositivi devono essere in grado di farlo tieni traccia del tempo in background anche quando non è necessario che venga visualizzato dagli utenti o quando il display lo è opzionale; un computer di tutti i giorni ne è un esempio, sebbene alcuni di questi ora si basino sull'input satellitare per monitorare e regolare il tempo secondo necessità.
CI amplificatori sono di due tipi: audio e operativo. I circuiti integrati audio sono ciò che rende la musica più forte o più morbida su un sistema audio di fantasia o aumenta o diminuisce il volume in dispositivi che incorporano suoni di qualsiasi tipo, come un televisore, uno smartphone o un dispositivo personale computer. Questi fanno uso di cambiamenti di tensione per controllare l'uscita del suono. I circuiti integrati operativi funzionano in modo simile in quanto risultano in un'amplificazione audio, ma con i circuiti integrati operativi l'ingresso e l'uscita sono entrambi in tensione, mentre l'ingresso dei circuiti integrati audio è l'audio stesso.
Comparatori fanno ciò a cui suggerisce il loro nome piuttosto imbarazzante: confrontano gli ingressi simultanei di segnali in più punti e determinano un segnale di uscita per ciascuno. Le uscite in corrispondenza di ciascuno di questi punti di ingresso vengono quindi sommate in modo opportuno per determinare l'uscita totale del circuito. Questi sono vagamente simili ai circuiti integrati logici ma senza il rigoroso componente di dati sì/no (binario).
Scale di integrazione
I tipi di circuiti integrati possono essere determinati in base a quanto sono integrati, che è approssimativamente equivalente a quante parti hanno al massimo. (In teoria, un dato IC non ha assolutamente componenti extra. Ciascuno rappresenta il più piccolo sistema in grado di svolgere un determinato compito elettronico.) Il numero di transistor in particolare è particolarmente conveniente per questo scopo.
L'integrazione su piccola scala, che un tempo occupava un posto di rilievo nell'ingegneria aeronautica, presenta decine di transistor su un singolo chip IC. L'integrazione su media scala, iniziata negli anni '60, consiste in alcune centinaia di transistor su un chip, mentre l'integrazione su larga scala, iniziata negli anni '70, ne comprende migliaia. L'integrazione su scala molto ampia, un prodotto della tecnologia nel corso dei circa 30 anni tra il 1980 e il 2010, può avere solo alcune centinaia e fino a qualche miliardo di transistor sullo stesso chip. Nell'integrazione ultra larga, il numero supera sempre il milione. Poiché la tecnologia ha continuato ad espandersi, il mondo dei circuiti integrati ha assistito all'avvento dell'integrazione su scala wafer (WSI), del sistema su un chip (SoC) e del circuito integrato tridimensionale (3D-IC).
Che cos'è un codice IC?
Se osservi attentamente un circuito stampato, vedrai stampata una "parola" alfanumerica. Questo va sotto vari nomi, incluso il codice IC, il numero di parte IC o semplicemente il numero IC. Il codice IC fornisce informazioni sul produttore dell'IC, il tipo di dispositivo a cui è adatto, la serie di cui fa parte (molti anche le auto aderiscono a questa convenzione), la temperatura alla quale il circuito può funzionare correttamente, informazioni in uscita e altro dati. Non esiste un formato fisso per il codice IC in termini di numero di caratteri, ma chiunque abbia familiarità con essi può mettere insieme ciò di cui ha bisogno separando il codice in parti diverse. Ciò è reso più semplice dalla spaziatura inclusa tra gruppi di lettere e numeri, come avviene con i trattini in un numero di previdenza sociale o numero di telefono degli Stati Uniti.
Quanti tipi di transistor esistono?
Un transistor viene utilizzato per aumentare la corrente in un circuito elettrico. Il mezzo con cui ciò avviene deve essere trattato in un'altra discussione, ma il tipo di transistor utilizzato nei circuiti integrati è chiamato BJT, che sta per transistor a giunzione bipolare. Questi sono disponibili in due costrutti di base: il pnp e il npn, che sta per "positivo-negativo-positivo" e "negativo-positivo-negativo". I transistor sono costituiti da tre elementi principali: un emettitore, una base e un collettore. Le interfacce tra p e n porzioni di transistor sono chiamate giunzioni np e ce ne sono due per transistor. Questi sono anche chiamati giunzioni base-emettitore e base-collettore, poiché la base si trova nel mezzo.
Qual è la regione attiva in un BJT?
La regione attiva di questo tipo di transistor si riferisce alla regione su un grafico di corrente vs. tensione in cui la tensione può essere aumentata in modo significativo senza modificare molto la corrente all'interno del transistor. La regione immediatamente precedente è la regione di saturazione, in cui la corrente aumenta rapidamente con l'aumentare della tensione; la regione appena oltre è indicata come la regione di rottura, in cui la corrente aumenta di nuovo bruscamente con tensione aggiuntiva e supera la capacità del circuito.