Якщо ви тільки що не приземлилися тут із середини минулого століття, ви майже напевно чули про інтегральні схеми або мікросхеми. Але ви, можливо, чули ці конструкції, на які посилається одна з альтернативних назв, наприклад мікрочіп, комп'ютерний чіп або навіть ІС чіп. Якщо ви коли-небудь купували ноутбук або настільний комп’ютер, ви, мабуть, бачили інформацію про мікропроцесор кожної моделі, яка помітна серед основних функцій машини; ці пристрої працюють за допомогою однієї або не більше декількох різних ІС. І якщо ви насправді не чули про ІС, ви безумовно скористалися ними і в цей момент не змогли б орієнтуватися у вашому повсякденному житті без них допомогти. Якщо ви не читаєте ці слова на аркуші друкованого паперу, ви насолоджуєтеся перевагами ІС саме в цей момент.
ІС допомогли здійснити революцію в інформаційних технологіях, телекомунікаціях та інших галузях, тому це не дивно що вони мають різноманітні смаки, кожен з них з урахуванням спеціалізованих потреб їх електронної техніки середовищах. Вам не потрібно добре розбиратися в електроніці, щоб зрозуміти, як працюють ці різні типи ІС, і оцінити їх багатогранну цінність для суспільства.
Що таке інтегральна схема?
Інтегральна схема - це крихітна - мікроскопічна, насправді - електронна схема. Електронна схема містить різноманітні деталі, спеціально розроблені, щоб якимось чином справлятись з потоком, розповсюдженням та реле електрики. Таким же чином система взаємопов'язаних водних басейнів може мати канали, затвори, переливні баки, насоси та інші пристрої для підтримання бажаного стану масиву в кожного з пулів у будь-який момент часу компоненти ІС включають транзистори, резистори, конденсатори та інші елементи, які виконують ці функції з електронами, а не рідини.
Якщо ви коли-небудь брали комп’ютер, мобільний телефон чи інший сучасний електронний пристрій з обчислювальною потужністю, або бачили його в розібраному вигляді, ви, мабуть, бачили мікросхему зблизька. Різні їх компоненти закріплені на поверхні, що складається з напівпровідникового матеріалу (зазвичай кремнію або переважно кремнію). Ця "вафельна" поверхня, яка служить основою мікросхеми, як правило, забарвлена в зелений або інший відтінок, що полегшує візуалізацію окремих частин мікросхеми.
Складання електричного кола з складових частин, зібраних з різних джерел, надзвичайно дорого в порівнянні з побудовою такої схеми одночасно, при включенні кожного з необхідних компонентів рука. (Уявіть різницю у вартості між автомобілем, придбаним звичайним способом, та автомобілем, виготовленим із окремо замовлених шин, двигуна, навігаційної системи тощо. Подумайте про автомобіль, придбаний за угодою, як про «інтегрований транспортний засіб», якщо говорити мовою IC.) Ідея цих пристроїв виникла в 1950-х роках, незабаром після появи перших транзисторів.
Типи інтегральних схем
Цифрові ІС бувають різних підтипів, серед них програмовані мікросхеми, "мікросхеми пам'яті", логічні мікросхеми, мікросхеми управління живленням та інтерфейсні мікросхеми. Їх визначальною характеристикою з електрофізичної точки зору є те, що вони працюють при невеликій кількості заданої амплітуди сигналу рівнів. Вони працюють, використовуючи так звані логічні затвори, які є точками, в яких зміни активності ланцюга можуть бути внесені "так / ні" або "ввімкнено / вимкнено". Це досягається за допомогою старих комп'ютерних режимів очікування, двійкових даних, які в цифрових ІС використовують як допустимі значення лише "0" (низька або відсутня логіка) та "1" (висока або повна логіка).
Аналогові ІС працюють у безперервному діапазоні сигналів, а не на дискретних сигналах, представлених у цифрових ІС. Концепція створення чогось "цифрового" по суті означає розміщення всіх його частин у різних категоріях; навіть якщо їх дуже багато, як із кольорами окремих пікселів на цифрових дисплеях, вони пропонують лише вигляд справжньої безперервності. Хоча люди, як правило, чують "аналог" як "застарілий", а "цифровий" як "сучасний рівень", це необгрунтовано. Наприклад, одним із видів аналогових ІС є радіочастотна ІС, або RFIC, яка є вирішальним елементом бездротових мереж. Іншим типом аналогової ІС є лінійна ІС, названа так тому, що напруга і сила струму в цих пристроях змінюються в межах однакова частка в діапазоні сигналів, які вони несуть (тобто V і I пов'язані постійною мультиплікацією фактор).
Змішані аналого-цифрові мікросхеми включати аспекти обох типів ІС. У системах, які перетворюють аналогові дані в цифрові дані, або навпаки, ви знайдете ці змішані мікросхеми. Вся концепція інтеграції цифрових та аналогових компонентів на одному чіпі набагато новіша, ніж технологія IC себе. Ці мікросхеми також використовуються в годинниках та інших приладах синхронізації.
Крім того, ІС можна класифікувати за категоріями, крім розрізнення цифрових та аналогових.
Логічні мікросхеми, які, як уже згадувалося, використовують двійкові дані (0s та 1s), використовуються в системах, які потребують прийняття рішень. Це робиться за допомогою "затворів" в ланцюзі, які дозволяють або забороняють проходження сигналу на основі його значення. Ці ворота зібрані таким чином, що дана комбінація сигналів дасть конкретний, передбачуваний результат на основі підсумовування подій на декількох воротах. Якщо врахувати, що кількість різних комбінацій 0 і 1 в логічній мікросхемі з n воротами дорівнює 2 до рівня n (2п), ви швидко бачите, що ці ІС, хоч і надзвичайно прості в принципі, можуть обробляти дуже складну інформацію.
Ви можете сприймати сигнал в логічному ІС як надзвичайно розумну мишу, яка веде переговори про лабіринт. У будь-якій можливій точці відгалуження миша повинна вирішити, чи входити у відчинені двері ("0"), чи йти далі ("1"). У цій схемі лише правильна послідовність значень 0 і 1 призведе до шляху від входу в лабіринт до його виходу; всі інші комбінації зрештою закінчаться тупиковими ситуаціями в стінах лабіринту.
Перемикання ІС широко використовувати транзистори, докладно описані далі. Вони використовуються так само, як випливає з назви - як частини комутаторів, або, якщо говорити простою мовою, в "операціях комутації". В електричному вимикачі переривання струму або введення струму, якого раніше не було, може викликати перемикач, який сам по собі є не що інше, як зміна даного стану, яка може зайняти два або більше форми. Наприклад, деякі електричні вентилятори мають низькі, середні та високі налаштування. Деякі комутатори можуть брати участь у декількох ланцюгах.
ІС таймера здатні вести облік минулого часу. Очевидним прикладом є цифровий секундомір, який чітко показує час, але різні пристрої повинні мати можливість стежте за часом у фоновому режимі, навіть коли його не потрібно відображати користувачам або коли дисплей є необов’язково; щоденний комп’ютер - один із прикладів, хоча деякі з них зараз покладаються на супутниковий вхід для моніторингу та регулювання часу за необхідності.
Схеми підсилювача бувають двох типів: аудіо та операційні. Аудіосхеми - це те, що робить музику голоснішою або м'якшою на вишуканій звуковій системі або збільшує або зменшує гучність на пристроях, які включають будь-який звук, наприклад телевізор, смартфон або особистий комп'ютер. Вони використовують зміни напруги для контролю вихідного звуку. Операційні мікросхеми працюють подібно до того, що вони призводять до посилення звуку, але в операційних мікросхемах вхід і вихід є напругою, тоді як вхід аудіо ІС - це сам звук.
Компаратори роблять те, на що натякає їх досить незручна назва: Вони порівнюють одночасні входи сигналів у декількох точках і визначають вихідний сигнал для кожного. Потім виходи в кожній з цих точок входу додаються відповідним чином для визначення загальної потужності схеми. Вони слабо схожі на логічні мікросхеми, але без чіткого компонента даних так / ні (двійкові).
Ваги інтеграції
Типи мікросхем можна визначити, виходячи з того, наскільки вони інтегровані, що приблизно еквівалентно тому, скільки деталей у них найбільше знято. (Теоретично дана ІС абсолютно не має зайвих компонентів. Кожен із них представляє найменшу систему, здатну виконувати певне електронне завдання.) Особливо зручна для цього кількість транзисторів.
Маломасштабна інтеграція, яка колись займала важливе місце в авіаційній техніці, містить десятки транзисторів на одному мікросхемі. Середньомасштабна інтеграція, яка розпочалася в 1960-х роках, складається із сотень транзисторів на одному мікросхемі, тоді як широкомасштабна інтеграція, розпочата в 1970-х, включає тисячі. Дуже широкомасштабна інтеграція, продукт технології протягом 30-ти років між 1980 і 2010 роками, може мати на одному чипі від декількох сотень до декількох мільярдів транзисторів. При надзвичайно масштабній інтеграції їх кількість завжди перевищує мільйон. Оскільки технологія продовжує розширюватися, у світі ІС спостерігається поява вафельної інтеграції (WSI), системи на мікросхемі (SoC) та тривимірної інтегральної схеми (3D-IC).
Що таке IC-код?
Якщо ви уважно подивитесь на друковану плату, то побачите там буквено-цифрове «слово», надруковане. Це називається різними назвами, включаючи код IC, номер частини IC або просто номер IC. Код ІС дає інформацію про виробника ІС, тип пристрою, для якого він підходить, серію, до якої він входить (багато автомобілі також дотримуються цієї норми), температури, при якій ланцюг може нормально функціонувати, виводити інформацію та інше даних. Не існує фіксованого формату коду IC за кількістю символів, але будь-хто знайомий з ними може скласти все, що їм потрібно знати, розділивши код на різні частини. Це полегшується завдяки відстані між групами літер і цифр, як це робиться з тире в американському номері соціального страхування або телефонному номері.
Скільки типів транзисторів?
Транзистор використовується для посилення струму в електричному ланцюзі. Засоби, за допомогою яких це відбувається, повинні бути розглянуті в іншому обговоренні, але тип транзистора, що використовується в ІС, називається BJT, що означає біполярний транзистор переходу. Вони мають дві основні конструкції - pnp та npn, що означає "позитив-негатив-позитив" і "негативний-позитивний-негативний". Транзистори складаються з трьох основних елементів: випромінювача, основи та а колектор. Інтерфейси між p і n частинами транзисторів називаються np-переходами, і на транзистор їх припадає два. Вони також називаються переходами випромінювач бази та колектор підставою, оскільки основа розташована посередині.
Що таке активний регіон у BJT?
Активна область цього типу транзисторів відноситься до області на графіку струму проти. напруга, при якій напруга може бути значно збільшена, не змінюючи сили струму всередині транзистора. Областю безпосередньо перед цим є область насичення, в якій струм стрімко зростає зі збільшенням напруги; область, що знаходиться за її межами, називається областю пробою, в якій струм знову різко зростає з додатковою напругою і перевищує потужність схеми.