Rodzaje układów scalonych

Jeśli nie wylądowałeś tu z połowy ubiegłego wieku, prawie na pewno słyszałeś o układach scalonych, czy też układach scalonych. Ale być może słyszeliście, że te konstrukcje są określane jedną z ich alternatywnych nazw, takich jak mikrochip, chip komputerowy lub nawet IC żeton. Jeśli kiedykolwiek kupowałeś laptopa lub komputer stacjonarny, prawdopodobnie widziałeś informacje o mikroprocesorach każdego modelu, które znajdują się w widocznym miejscu wśród głównych funkcji urządzenia; urządzenia te działają przy użyciu jednego lub co najwyżej kilku odrębnych układów scalonych. A jeśli tak naprawdę nie słyszałeś o układach scalonych, to na pewno z nich korzystałem i na tym etapie nie byłbym w stanie poruszać się bez nich w swoim codziennym życiu Wsparcie. O ile nie czytasz tych słów na kartce zadrukowanego papieru, w tej chwili cieszysz się z zalet układów scalonych.

Układy scalone pomogły zrewolucjonizować technologie informatyczne, telekomunikacyjne i inne branże, więc nie jest to zaskakujące że występują w różnych smakach, każdy dostosowany do specjalistycznych potrzeb ich elektroniki their środowiska. Nie trzeba być dobrze zorientowanym w elektronice, aby zrozumieć, jak działają te różne typy układów scalonych i docenić ich wieloaspektową wartość dla społeczeństwa.

Układ scalony to maleńka – wręcz mikroskopijna – tablica układów elektronicznych. Obwód elektroniczny składa się z różnych części dostosowanych do radzenia sobie w pewien sposób z przepływem, rozprzestrzenianiem się i przekaźnikiem energii elektrycznej. W ten sam sposób system połączonych basenów wodnych może mieć kanały, bramy, zbiorniki przelewowe, pompy i inne urządzenia, aby utrzymać pożądany stan tablicy w w każdej z pul w dowolnym momencie elementy układu scalonego obejmują tranzystory, rezystory, kondensatory i inne elementy, które wykonują te funkcje za pomocą elektronów, a nie płyny.

Jeśli kiedykolwiek zabrałeś komputer, telefon komórkowy lub inne nowoczesne urządzenie elektroniczne z mocą obliczeniową lub widziałeś je zdemontowane, prawdopodobnie widziałeś z bliska układ scalony. Ich różne elementy są zamocowane na powierzchni składającej się z materiału półprzewodnikowego (zwykle krzemu lub głównie krzemu). Ta powierzchnia „płytka”, która służy jako podstawa układu scalonego, jest zwykle zabarwiona na zielono lub w innym odcieniu, który ułatwia wizualizację poszczególnych elementów układu scalonego.

Montaż obwodu elektrycznego z części składowych zebranych z różnych źródeł jest niezwykle drogie w porównaniu z budowaniem takiego obwodu od razu, z włączonym każdym z wymaganych elementów components dłoń. (Wyobraźcie sobie różnicę w cenie samochodu kupionego w zwykły sposób, a wykonanego z oddzielnie zamawianych opon, silnika, systemu nawigacyjnego i tak dalej. Pomyśl o samochodzie kupionym w ramach umowy jako o „pojeździe zintegrowanym” w żargonie IC). Pomysł na te urządzenia zrodził się w latach 50., wkrótce po pojawieniu się pierwszych tranzystorów.

Cyfrowe układy scalone występują w różnych podtypach, między innymi programowalne układy scalone, „układy pamięci”, układy logiczne, układy do zarządzania energią i układy interfejsowe. Ich Cechą charakterystyczną z elektrofizycznego punktu widzenia jest to, że działają one przy małej liczbie określonej amplitudy sygnału poziomy. Działają one za pomocą tak zwanych bramek logicznych, czyli punktów, w których można wprowadzać zmiany w aktywności obwodu w sposób „tak/nie” lub „włącz/wyłącz”. Osiąga się to przy użyciu starego trybu gotowości komputera, danych binarnych, które w cyfrowych układach scalonych używają tylko „0” (niska lub nieobecna logika) i „1” (wysoka lub pełna logika) jako dopuszczalne wartości.

Analogowe układy scalone działają na ciągłym zakresie sygnałów, a nie na dyskretnych sygnałach występujących w cyfrowych układach scalonych. koncepcja uczynienia czegoś „cyfrowego” zasadniczo oznacza umieszczenie wszystkich jego części w odrębnych kategoriach; nawet jeśli jest ich bardzo dużo, tak jak w przypadku kolorów pojedynczych pikseli na wyświetlaczach cyfrowych, dają one jedynie pozory prawdziwej ciągłości. Chociaż ludzie słyszą „analog” jako „przestarzały”, a „cyfrowy” jako „najnowocześniejszy”, jest to bezpodstawne. Na przykład jeden rodzaj analogowego układu scalonego to układ scalony o częstotliwości radiowej lub RFIC, który jest kluczowym elementem sieci bezprzewodowych. Innym typem analogowego układu scalonego jest liniowy układ scalony, nazwany tak, ponieważ napięcie i prąd w tych układach różnią się w taka sama proporcja w całym zakresie sygnałów, które przenoszą (to znaczy, V i I są powiązane stałą mnożnikiem czynnik).

Mieszane analogowo-cyfrowe układy scalone obejmują aspekty obu typów układów scalonych. W systemach, które konwertują dane analogowe na dane cyfrowe lub odwrotnie, znajdziesz: te mieszane układy scalone. Cała koncepcja integracji komponentów cyfrowych i analogowych na tym samym chipie jest znacznie nowsza niż technologia IC samo. Te układy scalone są również używane w zegarach i innych urządzeniach do pomiaru czasu.

Ponadto układy scalone można podzielić na kategorie poza rozróżnieniem cyfrowo-analogowym.

Układy logiczne, które jak wspomniano wykorzystują dane binarne (0s i 1s), są wykorzystywane w systemach wymagających podejmowania decyzji. Odbywa się to za pomocą „bramek” w obwodzie, które umożliwiają lub uniemożliwiają przejście sygnału w oparciu o jego wartość. Bramki te montuje się tak, aby dana kombinacja sygnałów dawała konkretny, zamierzony wynik na podstawie sumowania zdarzeń na wielu bramkach. Biorąc pod uwagę, że liczba różnych kombinacji 0 i 1 w logicznym układzie scalonym z n bramkami wynosi 2 podniesione do potęgi n (2^nie), szybko widzisz, że te układy scalone, choć w zasadzie niezwykle proste, mogą obsługiwać bardzo złożone informacje.

Możesz myśleć o sygnale w układzie logicznym jako o niezwykle inteligentnej myszy pokonującej labirynt. W każdym możliwym punkcie rozgałęzienia mysz musi zdecydować, czy wejść przez otwarte drzwi („0”), czy iść dalej („1”). W tym schemacie tylko odpowiednia sekwencja wartości 0 i 1 da w wyniku ścieżkę od wejścia do labiryntu do jego wyjścia; wszystkie inne kombinacje ostatecznie kończą się ślepymi zaułkami w ścianach labiryntu.

Przełączanie układów scalonych korzystać z tranzystorów, szczegółowo opisanych w dalszej części. Są używane tak, jak sugeruje ich nazwa – jako części przełączników lub w żargonie obwodów, w „operacjach przełączania”. W przełączniku elektrycznym przerwanie prądu lub wprowadzenie prądu, który nie był wcześniej obecny, może wywołać przełącznik, który sam w sobie jest niczym innym jak zmianą w danym stanie, która może zająć dwa lub więcej formularze. Na przykład niektóre wentylatory elektryczne mają ustawienia niskie, średnie i wysokie. Niektóre przełączniki mogą uczestniczyć w więcej niż jednym obwodzie.

Układy scalone timera są w stanie śledzić upływ czasu. Oczywistym przykładem jest stoper cyfrowy, który wprost pokazuje czas, ale różne urządzenia muszą być w stanie śledź czas w tle, nawet jeśli nie musi być wyświetlany użytkownikom lub gdy wyświetlacz jest opcjonalny; Jednym z przykładów jest zwykły komputer, chociaż niektóre z nich opierają się teraz na wejściu satelitarnym do monitorowania i dostosowywania czasu w razie potrzeby.

Układy scalone wzmacniacza występują w dwóch rodzajach: audio i operacyjne. Układy scalone audio sprawiają, że muzyka jest głośniejsza lub cichsza w fantazyjnym systemie dźwiękowym albo zwiększają lub zmniejszają głośność w urządzeniach, które zawierają dźwięk dowolnego rodzaju, takich jak telewizor, smartfon lub urządzenie osobiste komputer. Wykorzystują one zmiany napięcia do sterowania dźwiękiem. Operacyjne układy scalone działają podobnie, ponieważ powodują wzmocnienie dźwięku, ale w przypadku operacyjnych układów scalonych wejście i wyjście są napięciowe, podczas gdy wejście układów audio jest samym dźwiękiem.

Komparatory rób to, na co wskazuje ich dość niezręczna nazwa: Porównują jednoczesne wejścia sygnałów w wielu punktach i określają sygnał wyjściowy dla każdego z nich. Wyjścia w każdym z tych punktów wejściowych są następnie dodawane w odpowiedni sposób, aby określić całkowitą moc wyjściową obwodu. Są one luźno podobne do układów logicznych, ale bez ścisłego komponentu danych tak/nie (binarnych).

Typy układów scalonych można określić na podstawie tego, jak są zintegrowane, co w przybliżeniu odpowiada liczbie części, które mają najbardziej zdemontowane. (Teoretycznie dany układ scalony nie ma absolutnie żadnych dodatkowych elementów. Każdy z nich reprezentuje najmniejszy układ zdolny do wykonania danego zadania elektronicznego. Szczególnie dogodna do tego celu jest liczba tranzystorów.

Integracja na małą skalę, która niegdyś odgrywała znaczącą rolę w inżynierii lotniczej, obejmuje dziesiątki tranzystorów w jednym układzie scalonym. Integracja na średnią skalę, która rozpoczęła się w latach sześćdziesiątych, składa się z kilkuset tranzystorów na jednym chipie, podczas gdy integracja na dużą skalę, która rozpoczęła się w latach siedemdziesiątych, obejmuje tysiące. Integracja na bardzo dużą skalę, produkt technologii z około 30 lat między około 1980 a 2010 rokiem, może mieć od kilkuset do kilku miliardów tranzystorów na tym samym chipie. W integracji na bardzo dużą skalę liczba ta zawsze przekracza milion. W miarę rozwoju technologii świat układów scalonych był świadkiem pojawienia się integracji w skali płytki (WSI), systemu na chipie (SoC) i trójwymiarowego układu scalonego (3D-IC).

Jeśli przyjrzysz się uważnie płytce drukowanej, zobaczysz tam wydrukowane alfanumeryczne „słowo”. To idzie pod różnymi nazwami, w tym kod IC, numer części IC lub po prostu numer IC. Kod układu scalonego zawiera informacje o producencie układu scalonego, typie urządzenia, do którego jest przeznaczony, serii, do której należy (wiele samochody również trzymają się tej konwencji), temperaturę, w której obwód może prawidłowo funkcjonować, informacje wyjściowe i inne dane. Nie ma ustalonego formatu kodu IC pod względem liczby znaków, ale każdy, kto się z nimi zna, może poskładać to, co musi wiedzieć, dzieląc kod na różne części. Jest to łatwiejsze dzięki odstępom między grupami liter i cyfr, tak jak w przypadku myślników w amerykańskim numerze ubezpieczenia społecznego lub numerze telefonu.

Tranzystor służy do zwiększania prądu w obwodzie elektrycznym. Sposób, w jaki to się dzieje, musi zostać objęty inną dyskusją, ale typ tranzystora używany w układach scalonych nazywa się BJT, co oznacza tranzystor bipolarny. Występują one w dwóch podstawowych konstrukcjach – pnp i npn, co oznacza „dodatni-ujemny-dodatni” i „negatywny-pozytywny-negatywny”. Tranzystory składają się z trzech głównych elementów: emitera, podstawy i kolektor. Interfejsy między częściami p i n tranzystorów nazywane są złączami np i są dwa na tranzystor. Są one również nazywane złączami baza-emiter i baza-kolektor, ponieważ podstawa znajduje się pośrodku.

Aktywny region tego typu tranzystora odnosi się do regionu na wykresie prądu vs. napięcie, w którym napięcie można znacznie zwiększyć bez znacznej zmiany prądu wewnątrz tranzystora. Obszar tuż przed tym to obszar nasycenia, w którym prąd rośnie stromo wraz ze wzrostem napięcia; obszar tuż za nim jest określany jako obszar przebicia, w którym prąd ponownie gwałtownie wzrasta wraz z dodatkowym napięciem i przekracza pojemność obwodu.