Pokiaľ ste tu práve nepristáli z polovice minulého storočia, takmer určite ste počuli o integrovaných obvodoch alebo integrovaných obvodoch. Možno ste už počuli tieto konštrukty, na ktoré odkazuje jeden z ich alternatívnych mien, ako napríklad mikročip, počítačový čip alebo dokonca IC čip. Ak ste niekedy kupovali prenosný alebo stolový počítač, pravdepodobne ste medzi primárnymi vlastnosťami stroja zreteľne videli informácie o mikroprocesore každého modelu; tieto zariadenia pracujú s použitím jedného alebo najviac niekoľkých samostatných integrovaných obvodov. A ak ste o IC v skutočnosti ešte nepočuli, tak áno ste ich určite využili a v tomto okamihu by ste sa bez nich nedokázali orientovať v každodennom živote Pomoc. Pokiaľ tieto slová nečítate na hárku potlačeného papiera, práve v tejto chvíli si užívate výhody integrovaných obvodov.
Integrované obvody pomohli urobiť revolúciu v oblasti informačných technológií, telekomunikácií a iných priemyselných odvetví, takže to nie je prekvapujúce že majú rôzne príchute, každá z nich je šitá na mieru špecializovaným potrebám ich elektroniky prostrediach. Nemusíte sa dobre orientovať v elektronike, aby ste pochopili, ako tieto rôzne typy integrovaných obvodov fungujú, a ocenili ich mnohostrannú hodnotu pre spoločnosť.
Čo je integrovaný obvod?
Integrovaný obvod je malé - mikroskopické, v skutočnosti - pole elektronických obvodov. Elektronický obvod obsahuje rôzne časti šité na mieru, aby sa nejakým spôsobom vyrovnali s tokom, šírením a prenosom elektrickej energie. Rovnakým spôsobom môže mať systém vzájomne prepojených vodných bazénov kanály, brány, nádrže na preplnenie, čerpadlá a ďalšie zariadenia na udržiavanie požadovaného stavu sústavy v každý z poolov v ktoromkoľvek okamihu, komponenty IC zahŕňajú tranzistory, rezistory, kondenzátory a ďalšie prvky, ktoré vykonávajú tieto funkcie skôr elektrónmi ako tekutín.
Ak ste niekedy zobrali počítač, mobilný telefón alebo iné moderné elektronické zariadenie s výpočtovým výkonom od seba alebo ste videli jeden rozobraný, pravdepodobne ste videli IC zblízka. Ich rôzne komponenty sú pripevnené na povrchu pozostávajúcom z polovodičového materiálu (zvyčajne kremík alebo väčšinou kremík). Tento povrch „oblátky“, ktorý slúži ako základňa integrovaného obvodu, je zvyčajne sfarbený do zelena alebo do iného odtieňa, ktorý uľahčuje vizualizáciu jednotlivých častí integrovaného obvodu.
Zostavenie elektrického obvodu z komponentov zhromaždených z rôznych zdrojov je mimoriadne náročné nákladné v porovnaní s výstavbou takého obvodu naraz, so zapnutou každou z jeho požadovaných súčastí ruka. (Predstavte si rozdiel v cene medzi autom zakúpeným obvyklým spôsobom a autom vyrobeným zo samostatne objednaných pneumatík, motora, navigačného systému atď.) Automobil kúpený na základe dohody si v jazyku IC povieme ako „integrované vozidlo“.) Myšlienka týchto zariadení vznikla v 50. rokoch 20. storočia, krátko po nástupe prvých tranzistorov.
Typy integrovaných obvodov
Digitálne integrované obvody prichádzajú v rôznych podtypoch, medzi nimi napríklad programovateľné integrované obvody, „pamäťové čipy“, logické integrované obvody, integrované obvody riadenia napájania a integrované obvody rozhrania. Ich charakteristikou z elektrofyzikálneho hľadiska je to, že pracujú pri malom počte špecifikovanej amplitúdy signálu úrovniach. Pracujú pomocou takzvaných logických brán, čo sú body, v ktorých je možné zaviesť zmeny v činnosti obvodu spôsobom „áno / nie“ alebo „zapnúť / vypnúť“. Toto je dosiahnuté použitím binárnych dát starého počítača v pohotovostnom režime, ktoré v digitálnych integrovaných obvodoch používajú ako prípustné hodnoty iba „0“ (nízka alebo absentujúca logika) a „1“ (vysoká alebo úplná logika).
Analógové integrované obvody pracujú skôr v spojitom rozsahu signálov ako v samostatných signáloch obsiahnutých v digitálnych integrovaných obvodoch. The koncept výroby niečoho „digitálneho“ v podstate znamená zaradenie všetkých jeho častí do samostatných kategórií; aj keď ich je veľmi veľa, rovnako ako pri farbách jednotlivých pixelov na displejoch digitálneho obrazu, ponúkajú iba zdanie skutočnej kontinuity. Aj keď ľudia majú tendenciu počuť „analógový“ ako „zastaraný“ a „digitálny“ ako „najmodernejší“, je to nepodložené. Napríklad jedným typom analógového IC je rádiofrekvenčný IC alebo RFIC, ktorý je rozhodujúcim prvkom bezdrôtových sietí. Ďalším typom analógového IC je lineárny IC, ktorý je pomenovaný preto, lebo napätie a prúd v týchto usporiadaniach sa líšia v rovnaký podiel v celom rozsahu signálov, ktoré prenášajú (to znamená, že V a I sú spojené konštantnou multiplikatívou faktor).
Zmiešané analógovo-digitálne integrované obvody zahŕňajú aspekty oboch typov integrovaných obvodov. V systémoch, ktoré prevádzajú analógové dáta na digitálne údaje alebo naopak, nájdete tieto zmiešané integrované obvody. Celá koncepcia integrácie digitálnych a analógových komponentov na rovnakom čipe je oveľa novšia ako technológia IC sám. Tieto integrované obvody sa používajú aj v hodinách a iných časovacích zariadeniach.
Okrem toho možno integrované obvody zaradiť do iných kategórií, ako je rozdiel medzi digitálnym a analógovým rozlíšením.
Logické integrované obvody, ktoré, ako už bolo spomenuté, používajú binárne údaje (0 s a 1 s), používajú sa v systémoch vyžadujúcich rozhodovanie. To sa deje pomocou „brán“ v obvode, ktoré buď umožňujú alebo odmietajú priechod signálu na základe jeho hodnoty. Tieto brány sú zostavené tak, aby daná kombinácia signálov poskytla konkrétny zamýšľaný výsledok na základe súčtu udalostí vo viacerých bránach. Keď uvážime, že počet rôznych kombinácií 0 a 1 v logickom IC s bránami n je 2 zvýšený na mocninu n (2n), rýchlo uvidíte, že tieto integrované obvody, aj keď sú v princípe mimoriadne jednoduché, dokážu spracovať aj veľmi zložité informácie.
Signál v logickom IC si môžete predstaviť ako neobvykle inteligentnú myš, ktorá vyjednáva bludisko. V každom možnom bode vetvy sa myš musí rozhodnúť, či vstúpi do otvorených dverí („0“), alebo kráča ďalej („1“). V tejto schéme bude mať iba správna postupnosť hodnôt 0 a 1 za následok cestu od vchodu do bludiska k jeho východu; všetky ostatné kombinácie nakoniec skončia v slepých uličkách medzi stenami bludiska.
Spínacie integrované obvody dostatočne využiť tranzistory, ktoré sú podrobne opísané neskôr. Používajú sa presne tak, ako naznačuje ich názov - ako súčasť spínačov alebo v reči obvodov pri „spínacích operáciách“. V elektrickom vypínači prerušenie prúdu resp zavedenie prúdu, ktorý predtým nebol prítomný, môže spustiť prepínač, ktorý sám o sebe nie je ničím iným ako zmenou daného stavu, ktorá môže trvať dva alebo viac formy. Napríklad niektoré elektrické ventilátory majú nízke, stredné a vysoké nastavenie. Niektoré prepínače sa môžu zúčastniť viac ako jedného obvodu.
Integrované obvody časovača sú schopní sledovať uplynulý čas. Zrejmým príkladom sú digitálne stopky, ktoré ukazujú čas výslovne, musia však byť schopné rôzne zariadenia sledovať čas na pozadí, aj keď sa nemusí zobrazovať používateľom alebo keď je voliteľné; príkladom je každodenný počítač, aj keď niektoré z nich sa pri monitorovaní a nastavovaní času podľa potreby spoliehajú na satelitný vstup.
Integrované obvody zosilňovača existujú dva typy: zvukový a prevádzkový. Audio IC sú prvky, ktoré robia hudbu hlasnejšou alebo jemnejšou na luxusnom zvukovom systéme alebo ju zvyšujú alebo znižujú hlasitosť v zariadeniach, ktoré obsahujú akýkoľvek zvuk, napríklad televízny prijímač, smartphone alebo osobný počítač počítač. Tieto využívajú zmeny napätia na riadenie zvukového výstupu. Prevádzkové integrované obvody fungujú podobne v tom, že vedú k zosilneniu zvuku, ale pri prevádzkových integrovaných obvodoch sú vstup aj výstup napäťové, zatiaľ čo vstupom zvukových integrovaných obvodov je samotný zvuk.
Komparátory urobte to, čo naznačuje ich dosť trápne meno: Porovnávajú simultánne vstupy signálov vo viacerých bodoch a pre každý určujú výstupný signál. Výstupy v každom z týchto vstupných bodov sa potom vhodným spôsobom sčítajú, aby sa určil celkový výkon obvodu. Sú voľne podobné logickým integrovaným obvodom, ale bez prísnej (binárnej) dátovej zložky áno / nie.
Stupnice integrácie
Typy IC možno určiť na základe toho, ako sú integrované, čo je zhruba ekvivalentné počtu ich častí, ktoré majú najviac odizolované. (Teoreticky daný IC nemá absolútne žiadne ďalšie komponenty. Každý z nich predstavuje najmenší systém schopný vykonať danú elektronickú úlohu.) Na tento účel je zvlášť vhodný počet tranzistorov.
Integrácia v malom meradle, ktorá sa kedysi stala významnou v leteckom inžinierstve, obsahuje desiatky tranzistorov na jednom IC čipe. Stredná integrácia, ktorá sa rozbehla v 60. rokoch, pozostáva z niekoľkých stoviek tranzistorov na jednom čipe, zatiaľ čo rozsiahla integrácia, ktorá sa začala v 70. rokoch, obsahuje tisíce. Veľmi rozsiahla integrácia, produkt technológie za približne 30 rokov medzi rokmi 1980 a 2010, môže mať na rovnakom čipe iba niekoľko stoviek až niekoľko miliárd tranzistorov. Pri ultra rozsiahlej integrácii ich počet vždy presahuje milión. Ako sa technológia neustále rozširovala, svet IC bol svedkom príchodu integrácie v doštičkách (WSI), systému na čipu (SoC) a trojrozmerného integrovaného obvodu (3D-IC).
Čo je kód IC?
Ak sa pozriete pozorne na dosku s plošnými spojmi, uvidíte tam vytlačené alfanumerické „slovo“. Toto sa nazýva rôznymi názvami, vrátane kódu IC, čísla časti IC alebo jednoducho čísla IC. Kód IC poskytuje informácie o výrobcovi IC, type zariadenia, pre ktoré je vhodný, sérii, ktorej je súčasťou (veľa automobily tiež dodržiavajú túto konvenciu), teplotu, pri ktorej môže obvod správne fungovať, výstupné informácie a ďalšie údaje. Pre kód IC neexistuje pevný formát, pokiaľ ide o počet znakov, ale každý, kto je s ním oboznámený, môže zostaviť to, čo potrebuje, rozdelením kódu do rôznych častí. Toto je uľahčené tým, že medzery medzi skupinami písmen a číslic sú rovnaké, ako je to v prípade pomlčiek na americkom čísle alebo telefónnom čísle sociálneho zabezpečenia.
Koľko typov tranzistorov existuje?
Na zvýšenie prúdu v elektrickom obvode sa používa tranzistor. Prostriedky, pomocou ktorých k tomu dôjde, musia byť predmetom inej diskusie, ale typ tranzistora používaného v integrovaných obvodoch sa nazýva BJT, čo znamená bipolárny spojovací tranzistor. Prichádzajú v dvoch základných konštruktoch - pnp a npn, čo znamená „pozitívne-negatívne-pozitívne“ a „negatívne-pozitívne-negatívne“. Tranzistory pozostávajú z troch hlavných prvkov: vysielač, základňa a zberateľ. Rozhrania medzi časťami p a n tranzistorov sa nazývajú križovatky np a na jeden tranzistor sú dve. Tiež sa nazývajú križovatky báza-emitor a báza-kolektor, pretože základňa sedí v strede.
Čo je aktívny región v BJT?
Aktívna oblasť tohto typu tranzistora sa týka oblasti na grafe prúd vs. napätie, pri ktorom je možné výrazne zvýšiť napätie bez toho, aby sa podstatne zmenil prúd vo vnútri tranzistora. Oblasťou tesne pred touto oblasťou je oblasť nasýtenia, v ktorej prúd prudko stúpa so zvyšujúcim sa napätím; oblasť tesne za ňou sa označuje ako oblasť prerušenia, v ktorej prúd opäť prudko stúpa s ďalším napätím a presahuje kapacitu obvodu.