סוגי מעגלים משולבים

אלא אם כן רק נחתת כאן מאמצע המאה הקודמת, כמעט בוודאות שמעת על מעגלים משולבים, או IC. אך אולי שמעתם את המבנים הללו המכונים באחד משמותיהם החלופיים, כמו שבב מיקרו, שבב מחשב או אפילו IC. שְׁבָב. אם חיפשתם אי פעם מחשב נייד או מחשב שולחני, כנראה שראיתם מידע אודות המעבד של כל דגם המופיע באופן בולט בין התכונות העיקריות של המכונה; מכשירים אלה פועלים באמצעות מכשיר IC אחד או לכל היותר מעט מאוד. ואם לא ממש שמעת על מכשירי IC, אתה בהחלט עשו בהם שימוש ובשלב זה לא היו יכולים לנווט בחיי היומיום שלך בלי שלהם עֶזרָה. אלא אם כן אתה קורא את המילים האלה על דף נייר מודפס, אתה נהנה מהיתרונות של מכשירי IC ברגע זה.

מכשירי IC עזרו לחולל מהפכה בטכנולוגיית המידע, בטלקומוניקציה ובתעשיות אחרות, ולכן זה לא מפתיע שהם מגיעים במגוון טעמים שכל אחד מהם מותאם לצרכים המיוחדים של האלקטרוניקה שלהם סביבות. אינך צריך להיות בקיא בתחום האלקטרוניקה כדי להבין כיצד סוגים שונים של מכשירי חשמל עובדים ומעריכים את ערכם הרב-גוני לחברה.

מעגל משולב הוא מערך מעגלים אלקטרוני זעיר - מיקרוסקופי, למעשה. מעגל אלקטרוני מכיל מגוון חלקים המותאמים לטפל בדרך כלשהי בזרימה, התפשטות וממסר של חשמל. באותו אופן מערכת של בריכות מים מקושרות עשויה לכלול תעלות, שערים, מיכלי גלישה, משאבות והתקנים אחרים כדי לשמור על הסטטוס הרצוי של המערך ב כל אחת מהבריכות בכל רגע של זמן, רכיבי IC כוללים טרנזיסטורים, נגדים, קבלים ופריטים אחרים המבצעים פונקציות אלה באמצעות אלקטרונים ולא עם נוזלים.

אם אי פעם פירקתם מחשב, טלפון סלולרי או מכשיר אלקטרוני מודרני אחר עם כוח מחשוב בנפרד או ראיתם אחד מפורק, סביר להניח שראיתם IC מקרוב. מרכיביהם השונים קבועים על משטח המורכב מחומר מוליך למחצה (בדרך כלל סיליקון או בעיקר סיליקון). משטח "רקיק" זה, המשמש כבסיס ה- IC, הוא בדרך כלל בצבע ירוק או בגוון אחר שמקל על הדמיון של החלקים הבודדים של ה- IC.

הרכבת מעגל חשמלי מחלקי רכיבים שנאספו ממקורות שונים היא מאוד יקר בהשוואה לבניית מעגל כזה בבת אחת, כשכל אחד מהרכיבים הנדרשים שלו פועל יד. (תארו לעצמכם את ההבדל בעלות בין מכונית שנקנתה בדרך הרגילה לזו המיוצרת מצמיגים שהוזמנו בנפרד, מנוע, מערכת ניווט וכן הלאה. תחשוב על מכונית שנקנתה מעסקה כ"רכב משולב "בעגת IC.) הרעיון למכשירים אלה עלה בשנות החמישים, זמן קצר לאחר הופעת הטרנזיסטורים הראשונים.

ICs דיגיטלי מגיעים במגוון סוגים של תת-סוגים, ביניהם ICs מתוכנתים, "שבבי זיכרון", ICs לוגיים, ICs לניהול חשמל וממשקי IC. שֶׁלָהֶם הגדרת המאפיין מנקודת מבט אלקטרופיזית היא שהם פועלים במספר קטן של משרעת האות שצוינה רמות. הם פועלים באמצעות מה שמכונה שערי לוגיקה, שהם נקודות בהן ניתן להכניס שינויים בפעילות המעגל בצורה "כן / לא" או "הפעלה / כיבוי". זה נעשה באמצעות המתנה הישנה של המחשב, נתונים בינאריים, אשר בממשקים דיגיטליים משתמשים רק "0" (לוגיקה נמוכה או נעדרת) ו- "1" (לוגיקה גבוהה או מלאה) כערכים מותרים.

ICs אנלוגיים פועלים על פני טווח רציף של אותות ולא על האותות הנפרדים המופיעים במכשירים דיגיטליים. ה מושג הפיכת משהו ל"דיגיטלי "פירושו למעשה להציב את כל חלקיו בקטגוריות נפרדות; גם אם יש הרבה מאוד כאלה, כמו בצבעים של פיקסלים בודדים בתצוגות תמונה דיגיטליות, הם רק מציעים מראה של המשכיות אמיתית. למרות שאנשים נוטים לשמוע "אנלוגי" כ"מיושן "ו"דיגיטלי" כ"מצב של אמנות ", זה אינו מבוסס. לדוגמה, סוג אחד של IC אנלוגי הוא IC Radiofrequency, או RFIC, שהוא מרכיב מכריע ברשתות אלחוטיות. סוג אחר של IC אנלוגי הוא ה- IC הליניארי, שנקרא כך מכיוון שהמתח והזרם בסידורים אלה משתנים ב- אותו פרופורציה על פני טווח האותות שהם נושאים (כלומר, V ו- I קשורים בכפל קבוע גורם).

ICs אנלוגי-דיגיטלי מעורב כוללים היבטים של שני סוגי מערכות ה- IC. במערכות הממירות נתונים אנלוגיים לנתונים דיגיטליים או להיפך, תמצא ICs מעורבים אלה. כל הרעיון של שילוב רכיבים דיגיטליים ואנלוגיים באותו שבב הוא חדש בהרבה מטכנולוגיית IC את עצמה. מכשירי IC אלה משמשים גם בשעונים ובמכשירי תזמון אחרים.

בנוסף, ניתן למקם ICs בקטגוריות מלבד ההבחנה הדיגיטלית לעומת האנלוגית.

ICs לוגיקה, שכאמור משתמשים בנתונים בינאריים (0s ו- 1s), משמשים במערכות הדורשות קבלת החלטות. זה נעשה באמצעות "שערים" במעגל המאפשרים או שוללים מעבר של אות על סמך ערכו. שערים אלה מורכבים כך ששילוב נתון של אותות ייתן תוצאה ספציפית ומיועדת בהתבסס על סיכום האירועים במספר שערים. כשאתה מחשיב שמספר הצירופים השונים של 0 ו- 1 בהיגיון IC עם n שערים מוגדל 2 לכוח של n (2^נ), אתה רואה במהירות כי מכשירי IC אלה, אם כי הם פשוטים באופן עקרוני להפליא, יכולים להתמודד עם מידע מורכב ביותר.

אתה יכול לחשוב על האות בהיגיון IC כעל עכבר חכם במיוחד שמנהל משא ומתן על מבוך. בכל נקודת הסתעפות אפשרית, על העכבר להחליט אם להיכנס לדלת הפתוחה ("0") או להמשיך ללכת ("1"). בתכנית זו, רק הרצף המתאים של ערכי 0 ו- 1 יביא לנתיב מהכניסה של המבוך ליציאתו; כל שאר הצירופים יסתיימו בסופו של דבר במבוי סתום בין כותלי המבוך.

החלפת ICs לעשות שימוש רב בטרנזיסטורים, שתואר בפירוט בהמשך. הם משמשים בדיוק כפי ששמם מרמז - כחלקים ממתגים, או בשפת המעגלים, ב"פעולות החלפה ". במתג חשמלי, הפרעת הזרם או הכנסת הזרם שלא היה קיים בעבר יכולה להפעיל מתג, שבעצמו אינו אלא שינוי במצב נתון שיכול לקחת שניים או יותר צורות. לדוגמא, יש מאווררים חשמליים בעלי הגדרות נמוכות, בינוניות וגבוהות. מתגים מסוימים יכולים להשתתף ביותר ממעגל אחד.

ICs טיימר מסוגלים לעקוב אחר הזמן שחלף. דוגמה מובהקת היא שעון עצר דיגיטלי, שמראה זמן במפורש, אך מכשירים שונים חייבים להיות מסוגלים עקוב אחר הזמן ברקע גם כאשר אין צורך להציגו למשתמשים או כאשר התצוגה אופציונאלי; מחשב יומיומי הוא דוגמה אחת, אם כי חלק מאלה מסתמכים כעת על קלט לוויני כדי לפקח ולהתאים את הזמן לפי הצורך.

מגברי IC מגיעים בשני סוגים: שמע ותפעולי. IC- אודיו הם שהופכים מוסיקה לקולנית או רכה יותר במערכת סאונד מהודרת או מגדילה או מקטינה את עוצמת קול במכשירים המשלבים צליל מכל סוג שהוא, כמו מכשיר טלוויזיה, טלפון חכם או אישי מַחשֵׁב. אלה משתמשים בשינויים במתח כדי לשלוט על פלט הקול. ICs תפעוליים פועלים באופן דומה בכך שהם גורמים להגברת שמע, אך עם ICs תפעולי הקלט והפלט שניהם מתח, ואילו הקלט של ICs שמע הוא שמע עצמו.

משווים לעשות מה שמרמז שמם המביך למדי: הם משווים קלט סימולטני בו זמנית בנקודות מרובות וקובעים אות פלט לכל אחד מהם. לאחר מכן מוסיפים את היציאות בכל אחת מנקודות הכניסה הללו בצורה מתאימה לקביעת התפוקה הכוללת של המעגל. אלה דומים באופן רופף ל- ICs לוגיים אך ללא רכיב הנתונים הקפדני של כן / לא (בינארי).

ניתן לקבוע סוגי IC על סמך מידת ההשתלבות שלהם, וזה בערך שווה ערך לכמה חלקים הם הופשטו לכל היותר. (בתיאוריה, ל- IC נתון אין שום רכיבים נוספים. כל אחת מהן מייצגת את המערכת הקטנה ביותר המסוגלת לבצע משימה אלקטרונית נתונה.) מספר הטרנזיסטורים במיוחד נוח במיוחד למטרה זו.

אינטגרציה בקנה מידה קטן, שהובילה פעם אחת באופן בולט בהנדסת אווירונאוטיקה, כוללת עשרות טרנזיסטורים על שבב IC יחיד. אינטגרציה בקנה מידה בינוני, אשר עלה על הקרקע בשנות השישים, מורכבת ממאות טרנזיסטורים על שבב אחד, ואילו אינטגרציה רחבת היקף, שהחלה בשנות השבעים, כוללת אלפים. אינטגרציה בקנה מידה גדול מאוד, תוצר של טכנולוגיה במשך כשלושים שנה בערך בין 1980 ל -2010, עשויה להכיל כמה מאות ועד כמה מיליארדי טרנזיסטורים על אותו שבב. בשילוב בקנה מידה אולטרה גדול המספר תמיד עולה על מיליון. ככל שהטכנולוגיה המשיכה להתרחב, עולם ה- IC היה עד להופעת השילוב בקנה מידה רקיק (WSI), המערכת על שבב (SoC) והמעגל המשולב התלת-ממדי (3D-IC).

אם תסתכל מקרוב על לוח מעגל, תראה שם "מילה" אלפאנומרית. זה נקרא בשמות שונים, כולל קוד IC, מספר חלק IC או פשוט IC. קוד ה- IC נותן מידע על היצרן של ה- IC, סוג המכשיר שהוא מתאים לו, הסדרה שהוא חלק ממנו (רבים מכוניות עומדות גם במוסכמה זו), הטמפרטורה שבה המעגל יכול לתפקד כראוי, פלט מידע ועוד נתונים. אין פורמט קבוע לקוד ה- IC מבחינת מספר התווים, אך כל מי שמכיר אותם יכול לחבר את מה שהוא צריך לדעת על ידי הפרדת הקוד לחלקים שונים. זה הופך להיות קל יותר על ידי הריווח כולל בין קבוצות של אותיות ומספרים, כפי שנעשה עם המקפים במספר ביטוח לאומי או מספר טלפון בארה"ב.

טרנזיסטור משמש להגברת הזרם במעגל חשמלי. יש לכסות את האמצעי לפיו זה קיים לדיון אחר, אך סוג הטרנזיסטור המשמש ב- IC נקרא BJT, המייצג טרנזיסטור צומת דו קוטבי. אלה מגיעים בשתי קונסטרוקציות בסיסיות - ה- pnp וה- npn, שמייצג "חיובי-שלילי-חיובי" ו "שלילי-חיובי-שלילי." טרנזיסטורים מורכבים משלושה אלמנטים עיקריים: פולט, בסיס ו- אַסְפָן. הממשקים בין חלקי p ו- n של טרנזיסטורים נקראים צומת np, ויש שניים לכל טרנזיסטור. אלה נקראים גם צומת בסיס פולט בסיס אספן, שכן הבסיס יושב באמצע.

האזור הפעיל של טרנזיסטור מסוג זה מתייחס לאזור בגרף של זרם לעומת מתח בו ניתן להגביר את המתח באופן משמעותי מבלי לשנות את הזרם הרבה בתוך הטרנזיסטור. האזור רגע לפני זה הוא אזור הרוויה, בו הזרם עולה בתלילות עם מתח הולך וגובר; האזור ממש מעבר לו מכונה אזור ההתמוטטות, שבו הזרם עולה שוב בחדות עם מתח נוסף ועולה על קיבולת המעגל.