Soorten geïntegreerde schakelingen

Tenzij je hier net vanaf het midden van de vorige eeuw bent beland, heb je vrijwel zeker gehoord van geïntegreerde schakelingen of IC's. Maar je hebt misschien gehoord dat deze constructies worden genoemd met een van hun alternatieve namen, zoals microchip, computerchip of zelfs IC chippen. Als je ooit een laptop of desktopcomputer hebt gekocht, heb je waarschijnlijk informatie over de microprocessor van elk model op een prominente plaats gezien als een van de belangrijkste kenmerken van de machine; deze apparaten werken met één of hoogstens weinig verschillende IC's. En als je nog nooit van IC's hebt gehoord, kun je hebben er zeker gebruik van gemaakt en zouden op dit moment niet in uw dagelijks leven kunnen navigeren zonder hun helpen. Tenzij u deze woorden op een vel bedrukt papier leest, geniet u op dit moment van de voordelen van IC's.

IC's hebben een revolutie teweeggebracht in de informatietechnologie, telecommunicatie en andere industrieën, dus het is niet verwonderlijk dat ze in verschillende smaken verkrijgbaar zijn, elk afgestemd op de gespecialiseerde behoeften van hun elektronische their omgevingen. U hoeft niet goed thuis te zijn in elektronica om te begrijpen hoe deze verschillende soorten IC's werken en om hun veelzijdige waarde voor de samenleving te waarderen.

Een geïntegreerde schakeling is een kleine – in feite microscopisch kleine – elektronische circuitarray. Een elektronisch circuit bevat een verscheidenheid aan onderdelen die zijn aangepast om op de een of andere manier om te gaan met de stroom, verspreiding en doorgifte van elektriciteit. Op dezelfde manier kan een systeem van onderling verbonden waterbassins kanalen, poorten, overlooptanks, pompen en andere apparaten hebben om de gewenste status van de array in elk van de pools op elk moment, IC-componenten omvatten transistors, weerstanden, condensatoren en andere items die deze functies uitvoeren met elektronen in plaats van vloeistoffen.

Als je ooit een computer, mobiele telefoon of ander modern elektronisch apparaat met rekenkracht uit elkaar hebt gehaald of een gedemonteerd hebt gezien, heb je waarschijnlijk een IC van dichtbij gezien. Hun verschillende componenten zijn bevestigd op een oppervlak dat bestaat uit een halfgeleidermateriaal (meestal silicium of meestal silicium). Dit "wafel"-oppervlak, dat dient als de basis van het IC, is meestal groen gekleurd of een andere tint die het gemakkelijker maakt om de afzonderlijke delen van het IC te visualiseren.

Het samenstellen van een elektrisch circuit uit onderdelen die zijn verzameld uit verschillende bronnen is extreem duur in vergelijking met het in één keer bouwen van zo'n circuit, met elk van de vereiste componenten aan hand. (Stel je het verschil in kosten voor tussen een auto die op de gebruikelijke manier is gekocht en een auto die is gemaakt van afzonderlijk bestelde banden, een motor, een navigatiesysteem enzovoort. Zie een auto die bij een deal is gekocht als een "geïntegreerd voertuig" in IC-taal.) Het idee voor deze apparaten ontstond in de jaren vijftig, kort na de komst van de eerste transistors.

Digitale IC's zijn er in verschillende subtypes, waaronder programmeerbare IC's, "geheugenchips", logische IC's, energiebeheer-IC's en interface-IC's. Hun definiërend kenmerk vanuit een elektrofysisch standpunt is dat ze werken bij een klein aantal gespecificeerde signaalamplitude niveaus. Ze werken met behulp van zogenaamde logische poorten, dit zijn punten waarop veranderingen in de circuitactiviteit kunnen worden geïntroduceerd op een "ja/nee" of "aan/uit"-manier. Dit wordt bereikt met behulp van de oude computer standby, binaire gegevens, die in digitale IC's alleen "0" (lage of afwezige logica) en "1" (hoge of volledige logica) als toegestane waarden gebruiken.

Analoge IC's werken over een continu bereik van signalen in plaats van de discrete signalen in digitale IC's. De concept van iets "digitaal" maken betekent in wezen dat alle onderdelen in verschillende categorieën worden geplaatst; zelfs als het er heel veel zijn, zoals bij de kleuren van individuele pixels in digitale beeldweergaven, bieden ze slechts de schijn van echte continuïteit. Hoewel mensen de neiging hebben om "analoog" als "verouderd" en "digitaal" als "state of the art" te horen, is dit ongegrond. Een soort analoog IC is bijvoorbeeld radiofrequentie-IC of RFIC, een cruciaal element van draadloze netwerken. Een ander type analoog IC is het lineaire IC, zo genoemd omdat de spanning en stroom in deze opstellingen variëren in de dezelfde verhouding over het bereik van signalen die ze dragen (dat wil zeggen, V en I zijn gerelateerd door een constante multiplicatieve factor).

Gemengde analoog-digitale IC's aspecten van beide typen IC's omvatten. In systemen die analoge gegevens omzetten in digitale gegevens of andersom, vindt u: deze gemengde IC's. Het hele concept van het integreren van digitale en analoge componenten op dezelfde chip is veel nieuwer dan IC-technologie zelf. Deze IC's worden ook gebruikt in klokken en andere timingapparaten.

Bovendien kunnen IC's in categorieën worden geplaatst, afgezien van het onderscheid tussen digitaal en analoog.

Logische IC's, die zoals vermeld binaire gegevens (0s en 1s) gebruiken, worden gebruikt in systemen die besluitvorming vereisen. Dit wordt gedaan met behulp van "poorten" in het circuit die de doorgang van een signaal toestaan ​​of weigeren op basis van zijn waarde. Deze poorten zijn zo samengesteld dat een bepaalde combinatie van signalen een specifiek, bedoeld resultaat geeft op basis van de optelling van gebeurtenissen bij meerdere poorten. Als je bedenkt dat het aantal verschillende combinaties van 0 en 1 in een logisch IC met n poorten 2 is verheven tot de macht n (2^nee), zie je al snel dat deze IC's, hoewel in principe buitengewoon eenvoudig, zeer complexe informatie aankunnen.

Je kunt het signaal in een logische IC zien als een ongewoon slimme muis die door een doolhof gaat. Bij elk mogelijk vertakkingspunt moet de muis beslissen of hij de open deur binnengaat ("0") of blijft lopen ("1"). In dit schema zal alleen de juiste volgorde van 0 en 1 waarden resulteren in een pad van de ingang van het doolhof naar de uitgang; alle andere combinaties eindigen uiteindelijk in doodlopende wegen binnen de muren van het doolhof.

IC's wisselen maak ruimschoots gebruik van transistoren, die later in detail worden beschreven. Ze worden gebruikt zoals hun naam al doet vermoeden - als onderdelen van schakelaars, of in circuittaal, bij 'schakelbewerkingen'. In een elektrische schakelaar, de onderbreking van de stroom of de introductie van stroom die voorheen niet aanwezig was, kan een schakelaar activeren, die op zichzelf niets meer is dan een verandering in een bepaalde toestand die twee of meer kan duren vormen. Sommige elektrische ventilatoren hebben bijvoorbeeld lage, gemiddelde en hoge instellingen. Sommige schakelaars kunnen deelnemen aan meer dan één circuit.

Timer-IC's zijn in staat om de verstreken tijd bij te houden. Een voor de hand liggend voorbeeld is een digitale stopwatch, die de tijd expliciet weergeeft, maar verschillende apparaten moeten dat wel kunnen houd de tijd op de achtergrond bij, zelfs wanneer deze niet aan gebruikers hoeft te worden weergegeven of wanneer weergave is optioneel; een alledaagse computer is daar een voorbeeld van, hoewel sommige daarvan nu afhankelijk zijn van satellietinvoer om de tijd te bewaken en aan te passen indien nodig.

Versterker IC's zijn er in twee soorten: audio en operationeel. Audio-IC's maken muziek luider of zachter op een chique geluidssysteem of verhogen of verlagen de volume in apparaten die geluid van welke soort dan ook bevatten, zoals een televisie, smartphone of persoonlijke computer. Deze maken gebruik van spanningsveranderingen om de geluidsuitvoer te regelen. Operationele IC's werken op dezelfde manier omdat ze resulteren in audioversterking, maar met operationele IC's zijn de invoer en uitvoer beide spanning, terwijl de invoer van audio-IC's de audio zelf is.

vergelijkers doen waar hun nogal onhandige naam naar verwijst: ze vergelijken gelijktijdige invoer van signalen op meerdere punten en bepalen voor elk een uitgangssignaal. De uitgangen op elk van deze ingangspunten worden vervolgens op een geschikte manier opgeteld om de totale output van de schakeling te bepalen. Deze lijken losjes op logische IC's, maar zonder de strikte ja/nee (binaire) gegevenscomponent.

IC-typen kunnen worden bepaald op basis van hoe geïntegreerd ze zijn, wat ongeveer overeenkomt met het aantal onderdelen dat ze maximaal uitgekleed hebben. (In theorie heeft een bepaald IC absoluut geen extra componenten. Elk vertegenwoordigt het kleinste systeem dat in staat is een bepaalde elektronische taak uit te voeren.) Vooral het aantal transistors is hiervoor bijzonder geschikt.

Kleinschalige integratie, ooit prominent aanwezig in de luchtvaarttechniek, bestaat uit tientallen transistors op een enkele IC-chip. Middelgrote integratie, die in de jaren zestig van de grond kwam, bestaat uit enkele honderden transistors op één chip, terwijl grootschalige integratie, die in de jaren zeventig begon, duizenden omvat. Zeer grootschalige integratie, een product van technologie gedurende de 30 jaar of zo tussen ongeveer 1980 en 2010, kan slechts enkele honderden tot een paar miljard transistors op dezelfde chip hebben. Bij ultragrootschalige integratie is het aantal altijd meer dan een miljoen. Naarmate de technologie zich verder uitbreidde, is de IC-wereld getuige geweest van de opkomst van wafer-scale integratie (WSI), het systeem op een chip (SoC) en de driedimensionale geïntegreerde schakeling (3D-IC).

Als je goed naar een printplaat kijkt, zie je daar een alfanumeriek "woord" afgedrukt. Dit gaat onder verschillende namen, waaronder IC-code, IC-onderdeelnummer of gewoon IC-nummer. De IC-code geeft informatie over de fabrikant van het IC, het type apparaat waarvoor het geschikt is, de serie waar het deel van uitmaakt (veel auto's houden zich ook aan deze conventie), de temperatuur waarbij het circuit goed kan functioneren, informatie geven en andere gegevens. Er is geen vast formaat voor de IC-code in termen van aantal tekens, maar iedereen die ermee bekend is, kan samenvoegen wat hij moet weten door de code in verschillende delen te splitsen. Dit wordt gemakkelijker gemaakt door de spatiëring tussen groepen letters en cijfers, zoals wordt gedaan met de streepjes in een Amerikaans burgerservicenummer of telefoonnummer.

Een transistor wordt gebruikt om de stroom in een elektrisch circuit te verhogen. De manier waarop dit gebeurt, moet worden besproken in een andere discussie, maar het type transistor dat in IC's wordt gebruikt, wordt een BJT genoemd, wat staat voor bipolaire junctietransistor. Deze komen in twee basisconstructies - de pnp en de npn, wat staat voor "positief-negatief-positief" en "negatief-positief-negatief." Transistors bestaan ​​uit drie hoofdelementen: een emitter, een basis en a verzamelaar. De interfaces tussen p- en n-gedeelten van transistors worden np-juncties genoemd en er zijn er twee per transistor. Dit worden ook basis-emitter- en basis-collectorovergangen genoemd, omdat de basis in het midden zit.

Het actieve gebied van dit type transistor verwijst naar het gebied in een grafiek van stroom vs. spanning waarin de spanning aanzienlijk kan worden opgevoerd zonder de stroom in de transistor veel te veranderen. Het gebied net daarvoor is het verzadigingsgebied, waarin de stroom sterk stijgt met toenemende spanning; het gebied net daarbuiten wordt het doorslaggebied genoemd, waarin de stroom weer sterk stijgt met extra spanning en de capaciteit van het circuit overschrijdt.