Každé elektronické zariadenie, ktoré používame v každodennom živote, ako napríklad mobilné telefóny, notebooky, chladničky, počítače, televízory a všetky ostatné elektrické a elektronické zariadenia sú vyrobené s využitím jednoduchých alebo zložitých obvodov. Elektronické obvody sú realizované pomocou viacerých elektrické a elektronické komponenty vzájomne prepojené pripojením vodičov alebo vedením vodičov na tok elektrického prúdu cez viaceré komponenty obvodu, ako napr rezistory , kondenzátory , tlmivky, diódy, tranzistory atď. Obvody možno rozdeliť do rôznych typov na základe rôznych kritérií, napríklad na základe pripojení: sériové obvody a paralelné obvody na základe veľkosti a výrobného procesu obvodu: integrované obvody a diskrétne obvody a na základe signálu použitého v obvode : analógové obvody a digitálne obvody. Tento článok pojednáva o prehľade rôznych typov integrovaných obvodov a ich aplikácií.
Čo je integrovaný obvod?
Integrovaný obvod alebo integrovaný obvod alebo mikročip alebo čip je mikroskopický elektronický obvod pole tvorené výrobou rôznych elektrických a elektronických komponentov (rezistory, kondenzátory, tranzistory atď.) na polovodičový materiál (kremíková) oblátka, ktorá môže vykonávať operácie podobné veľkým diskrétnym elektronickým obvodom vyrobeným z diskrétnych elektronických súčiastok.
Integrované obvody
Pretože sú všetky tieto polia komponentov, mikroskopické obvody a základňa polovodičových doštičiek integrované do jedného čipu, nazýva sa preto integrovaný obvod alebo integrovaný čip alebo mikročip.
Elektronické obvody sú vyvíjané s použitím jednotlivých alebo diskrétnych elektronických súčiastok s rôznymi veľkosťami, takže náklady a veľkosť týchto diskrétnych obvodov stúpajú s počtom komponentov použitých v obvode. Na prekonanie tohto negatívneho aspektu bola vyvinutá technológia integrovaných obvodov - Jack Kilby z Texas Instruments vyvinul prvý integrovaný obvod alebo integrovaný obvod v 50. rokoch a potom Robert Noyce z Fairchild Semiconductor vyriešil niektoré praktické problémy tohto integrovaného obvodu.
História integrovaných obvodov
História integrovaných obvodov bola zahájená polovodičovými zariadeniami. Vynález prvej vákuovej elektrónky uskutočnil John Ambrose (J.A) Fleming v roku 1897, ktorý sa nazýval vákuová dióda. Pre motory vymyslel pravidlo ľavej ruky. Potom v roku 1906 bolo vynájdené nové vákuum, konkrétne trioda, ktoré sa používa na zosilnenie.
Potom bol tranzistor vynájdený v laboratóriách Bell v roku 1947, aby čiastočne nahradil elektrónky, pretože tranzistory sú malé súčasti, ktoré na svoju prácu spotrebujú menej energie. Rôzne obvody boli navrhnuté s použitím diskrétnych komponentov vzájomným oddeľovaním, ako aj usporiadaných na doskách plošných spojov ovládaním prostredníctvom rúk známych ako neintegrované obvody. Tieto integrované obvody spotrebúvajú veľa energie a priestoru a ich výstup nie je taký plynulý.
V roku 1959 bol vyvinutý integrovaný obvod, v ktorom bolo vyrobených niekoľko elektronických a elektrických komponentov na jednej kremíkovej doštičke. Integrované obvody využívajú na svoju prácu nízky výkon a tiež plynulý výstup. Ďalej možno tiež zvýšiť vylepšenie tranzistorov cez integrovaný obvod.
Evolúcia integrovaného obvodu z rôznych technológií
Klasifikáciu integrovaných obvodov možno vykonať na základe veľkostí čipu a integračnej škály. Tu integračná stupnica určuje počet elektronických komponentov umiestnených do typického integrovaného obvodu.
V rokoch 1961 až 1965 sa na výrobu 10 až 100 tranzistorov z jedného čipu na výrobu žabiek a logických brán používala technológia malého rozsahu integrácie (SSI).
V rokoch 1966 až 1970 sa na výrobu 100 až 1 000 tranzistorov na jednom čipe na výrobu multiplexerov, dekodérov a počítadiel používala technológia stredného stupňa integrácie (MSI).
V rokoch 1971 až 1979 sa na výrobu 1 000 až 2 000 tranzistorov na jednom čipe používala veľká integračná technológia (LSI) na výrobu RAM, mikroprocesora, ROM
V rokoch 1980 až 1984 sa na výrobu 20000 až 50 000 tranzistorov na jednom čipe používala technológia veľmi rozsiahlej integrácie (VLSI) na výrobu mikroprocesorov RISC, DSP a mikroprocesorov mi16 a 32 bitov.
Od roku 1985 do súčasnosti sa na výrobu 50000 až miliárd tranzistorov na jednom čipe na výrobu 64-bitových mikroprocesorov používala technológia ultra veľkej mierky (ULSI).
Obmedzenia rôznych typov integrovaných obvodov
Obmedzenie rôznych typov integrovaných obvodov zahŕňa nasledujúce.
- Výkon je obmedzený
- Funguje pri nízkom napätí
- Počas prevádzky vytvára šum
- Vysoké hodnotenie PNP nie je pravdepodobné
- Jeho komponenty sú závislé od napätia, ako napríklad rezistory a kondenzátory
- Je to jemné
- Výroba IC cez nízky šum je zložitá
- Je ťažké dosiahnuť teplotný koeficient.
- Montáž vysoko kvalitného PNP nie je možné.
- V IC akýkoľvek com
- V IC nemôžu byť rôzne komponenty vymenené, odstránené, takže ak niektorý komponent v IC poškodí, musí sa kompletný IC vymeniť za nový.
- Výkon je obmedzený, pretože výroba integrovaných obvodov nad 10 W nie je možná
Rôzne typy integrovaných obvodov
Existujú rôzne typy integrovaných obvodov. Klasifikácia integrovaných obvodov sa vykonáva na základe rôznych kritérií. Na nasledujúcom obrázku je zobrazených niekoľko typov integrovaných obvodov v systéme s ich názvami v stromovom formáte.
Rôzne typy ICS
Na základe zamýšľanej aplikácie je IC klasifikovaný ako analógové integrované obvody, digitálne integrované obvody a zmiešané integrované obvody.
Digitálne integrované obvody
Integrované obvody, ktoré fungujú iba na niekoľkých definovaných úrovniach namiesto prevádzkovania celkových úrovní amplitúdy signálu, sa nazývajú digitálne integrované obvody a sú navrhnuté pomocou viacerých digitálne logické brány , multiplexory, žabky a ďalšie elektronické súčasti obvodov. Tieto logické brány pracujú s binárnymi vstupnými údajmi alebo digitálnymi vstupnými údajmi, ako napríklad 0 (nízka alebo nepravdivá alebo logická 0) a 1 (vysoká alebo skutočná alebo logická 1).
Digitálne integrované obvody
Vyššie uvedený obrázok zobrazuje kroky spojené s návrhom typických digitálnych integrovaných obvodov. Tieto digitálne integrované obvody sa často používajú v počítačoch, mikroprocesory , procesory digitálneho signálu, počítačové siete a čítače kmitočtov. Existujú rôzne typy digitálnych integrovaných obvodov alebo typy digitálnych integrovaných obvodov, ako sú programovateľné integrované obvody, pamäťové čipy, logické integrované obvody, integrované obvody riadenia napájania a integrované obvody rozhrania.
Analógové integrované obvody
Integrované obvody pracujúce v nepretržitom rozsahu signálov sa nazývajú analógové integrované obvody. Tieto sa ďalej delia na lineárne integrované obvody (lineárne integrované obvody) a Rádiofrekvencia Integrované obvody (RF IC). V skutočnosti môže byť vzťah medzi napätím a prúdom v niektorých prípadoch nelineárny pri dlhom rozsahu spojitého analógového signálu.
Analógové integrované obvody
Často používaným analógovým integrovaným obvodom je operačný zosilňovač alebo sa mu hovorí operačný zosilňovač, podobne ako diferenciálny zosilňovač, ale má veľmi vysoký zosilnenie napätia. Skladá sa z veľmi menšieho počtu tranzistorov v porovnaní s digitálnymi integrovanými obvodmi a na vývoj analógových integrovaných obvodov špecifických pre aplikácie (analógové ASIC) sa používajú počítačové simulačné nástroje.
Lineárne integrované obvody
V prípade analógového integrovaného obvodu, ak existuje lineárny vzťah medzi jeho napätím a prúdom, potom je známy ako lineárny IC. Najlepším príkladom tohto lineárneho integrovaného obvodu je 741 IC, je 8-kolíkový operačný zosilňovač DIP (Dual In-line Package),
Vysokofrekvenčné integrované obvody
Ak v analógovom IC existuje nelineárny vzťah medzi jeho napätím a prúdom, nazýva sa to rádiofrekvenčné integrované obvody. Tento druh integrovaného obvodu je tiež známy ako vysokofrekvenčný integrovaný obvod.
Zmiešané integrované obvody
Integrované obvody, ktoré sa získajú kombináciou analógových a digitálnych integrovaných obvodov na jednom čipe, sa nazývajú zmiešané integrované obvody. Tieto integrované obvody fungujú ako digitálno-analógové prevodníky, Analógovo-digitálne prevodníky (D / A a A / D prevodníky) a integrované obvody hodín a časovania. Obvod znázornený na vyššie uvedenom obrázku je príkladom zmiešaného integrovaného obvodu, ktorým je fotografia 8 až 18 GHz samoliečebného radarového prijímača.
Zmiešané integrované obvody
Tento zmiešaný signál Systems-on-a-chip je výsledkom pokroku v integračnej technológii, ktorá umožnila integráciu digitálnych, viacerých analógových a RF funkcií do jedného čipu.
Medzi všeobecné typy integrovaných obvodov (IC) patria:
Logické obvody
Tieto integrované obvody sú navrhnuté pomocou logických brán - ktoré pracujú s binárnym vstupom a výstupom (0 alebo 1). Väčšinou sa používajú ako osoby s rozhodovacími právomocami. Na základe tabuľky logiky alebo pravdy logických brán, všetky logické brány pripojené k IC poskytujú výstup na základe obvodu pripojeného vo vnútri IC-, takže tento výstup sa používa na vykonávanie konkrétnej zamýšľanej úlohy. Ďalej je uvedených niekoľko logických integrovaných obvodov.
Logické obvody
Komparátory
Komparačné integrované obvody sa používajú ako komparátory na porovnávanie vstupov a potom na produkciu výstupu na základe porovnania integrovaných obvodov.
Komparátory
Spínacie integrované obvody
Prepínače alebo spínacie integrované obvody sú navrhnuté tak, že používajú tranzistory a používajú sa na vykonávanie spínacie operácie . Vyššie uvedený obrázok je príkladom ukazujúcim prepínač SPDT IC.
Spínacie integrované obvody
Audio zosilňovače
Zvuk zosilňovače sú jedným z mnohých typov integrovaných obvodov, ktoré sa používajú na zosilnenie zvuku. Spravidla sa používajú v audioreproduktoroch, televíznych okruhoch atď. Vyššie uvedený obvod zobrazuje nízkonapäťový audio zosilňovač IC.
Audio zosilňovače
CMOS integrovaný obvod
Integrované obvody CMOS sa v porovnaní s FET veľmi používajú v rôznych aplikáciách kvôli ich schopnostiam, ako je nižšie prahové napätie, nízka spotreba energie. CMOS IC obsahuje zariadenia P-MOS a N-MOS, ktoré sú vyrobené spoločne na podobnom čipe. Štruktúra tohto integrovaného obvodu je polysilikónová brána, ktorá pomáha znižovať prahové napätie zariadenia, a tým umožňuje proces pri nízkonapäťových úrovniach.
Integrované obvody regulátora napätia
Tento druh integrovaného obvodu poskytuje stabilný jednosmerný výstup napriek zmenám v jednosmernom vstupe. Bežne používanými regulátormi typu sú integrované obvody LM309, uA723, LM105 a 78XX.
Operačné zosilňovače
The operačné zosilňovače sú často používané integrované obvody podobné zvukovým zosilňovačom, ktoré sa používajú na zosilnenie zvuku. Tieto operačné zosilňovače sa používajú na účely zosilnenia a tieto integrované obvody fungujú podobne ako zosilňovače tranzistor zosilňovacie obvody. Konfigurácia kolíkov integrovaného obvodu zosilňovača 741 je zobrazená na obrázku vyššie.
Operačné zosilňovače
Integrované obvody časovača
Časovače sú účelové integrované obvody používané na účely počítania a na sledovanie času v určených aplikáciách. Bloková schéma vnútorného obvodu IC časovač LM555 sa zobrazuje vo vyššie uvedenom obvode. Na základe počtu použitých komponentov (zvyčajne na základe počtu použitých tranzistorov) sú nasledujúce
Integrované obvody časovača
Integrácia malého rozsahu sa skladá iba z niekoľkých tranzistorov (desiatky tranzistorov na čipe), tieto integrované obvody hrali rozhodujúcu úlohu v raných leteckých projektoch.
Stredná integrácia pozostáva z niekoľkých stoviek tranzistorov na čipu IC vyvinutých v 60. rokoch 20. storočia a v porovnaní s integrovanými obvodmi SSI dosiahli lepšiu ekonomiku a výhody.
Integrácia vo veľkom meradle pozostáva z tisícov tranzistorov na čipu s takmer rovnakou ekonomikou ako integrované integrované obvody stredného rozsahu. Prvý mikroprocesor, čipy kalkulačky a pamäte RAM s rýchlosťou 1 kBit vyvinuté v 70. rokoch 20. storočia mali menej ako štyri tisíce tranzistorov.
Veľmi rozsiahla integrácia pozostáva z tranzistorov v počte stoviek až niekoľkých miliárd. (Obdobie vývoja: od 80. rokov do roku 2009)
Integrácia vo veľkom meradle Skladá sa z tranzistorov viac ako jeden milión a bola vyvinutá neskoršia integrácia v doštičkovej mierke (WSI), systém na čipu (SoC) a trojrozmerný integrovaný obvod (3D-IC).
To všetko možno považovať za generácie integrovanej technológie. Integrované obvody sa tiež klasifikujú na základe výrobného procesu a technológie balenia. Existuje mnoho typov integrovaných obvodov, medzi ktorými bude integrovaný obvod fungovať ako časovač, Registrovať , zosilňovač, oscilátor, logická brána, sčítačka, mikroprocesor atď.
Typy integrovaných obvodov založené na triedach
Integrované obvody sú k dispozícii v troch triedach na základe techník použitých pri ich výrobe.
- Integrované obvody tenkého a hrubého filmu
- Monolitické integrované obvody
- Hybridné alebo viacčipové integrované obvody
Tenké a silné IC
V týchto typoch integrovaných obvodov sa používajú pasívne súčiastky ako kondenzátory a odpory, avšak tranzistory a diódy sú na vytvorenie obvodu pripojené ako samostatné súčasti. Tieto integrované obvody sú jednoducho kombináciou integrovaných aj samostatných komponentov a tieto integrované obvody majú súvisiace vlastnosti a vzhľad okrem spôsobu nanášania filmu. Z ICS možno rozhodnúť o ukladaní tenkých ICs filmov.
Tieto integrované obvody sú navrhnuté tak, že vedú vodivé materiály ukladajúce filmy na povrch skla, inak na keramický stojan. Zmenou hrúbky fólií na materiáloch bude mať rozdielny odpor a je možné vyrobiť pasívne elektronické súčiastky.
V tomto type integrovaného obvodu sa na vytvorenie požadovaného modelu obvodu na keramickom podklade používa metóda hodvábnej tlače. Niekedy sa tento druh integrovaných obvodov nazýva integrované obvody s potlačou v tenkom filme.
Monolitické integrované obvody
V tomto druhu integrovaných obvodov je možné vytvoriť prepojenie aktívnych, pasívnych a diskrétnych komponentov na kremíkovom čipe. Ako už názov napovedá, je odvodený z gréckeho slova, keďže mono nie je nič iné ako jediné, zatiaľ čo Lithos znamená kameň. V súčasnosti sa tieto integrované obvody najčastejšie používajú kvôli nižším nákladom a spoľahlivosti. Integrované obvody, ktoré sa vyrábajú komerčne, sa používajú ako regulátory napätia, zosilňovače, počítačové obvody a prijímače AM. Izolácia medzi monolitickými komponentmi IC je však zlá, ale má aj nižší výkon,
Integrovaný obvod Dual-in-line package (DIP)
DIP (balíček s dvojitým radom) alebo DIPP (balíček s dvojitým radom) je balík elektronických komponentov z hľadiska mikroelektroniky alebo elektroniky s obdĺžnikovou doskou a dvoma paralelnými radmi s elektrickými spojovacími kolíkmi.
Hybridné alebo viacčipové integrované obvody
Ako naznačuje názov, multi znamená nad jedným samostatným čipom, ktorý je vzájomne prepojený. Aktívne zložky ako diódy alebo rozptýlené tranzistory zahŕňajú tieto integrované obvody, zatiaľ čo pasívne zložky sú rozptýlené kondenzátory alebo odpory na jednom čipe. Spojenie týchto komponentov je možné vykonať pomocou metalizovaných prototypov. Viacčipové integrované obvody sa vo veľkej miere využívajú na aplikácie zosilňovačov vysokého výkonu od 5 W do 50 W. V porovnaní s monolitickými integrovanými obvodmi je výkon hybridných integrovaných obvodov vynikajúci.
Typy IC balíkov
Balíky IC sú rozdelené do dvoch typov, ako sú obaly pre montáž cez povrch a povrchová montáž.
Balíky pre montáž cez priezor
Ich projektovanie je možné vykonať tak, že vodiace kolíky sú pripevnené cez jednu stranu dosky a doutnajú na druhej strane. V porovnaní s inými typmi je veľkosť týchto balíkov väčšia. Používajú sa hlavne v elektronických zariadeniach na vyváženie priestoru na doske, ako aj nákladových limitov. Najlepším príkladom balíkov na pripojenie cez priechodné otvory sú balíčky Dual inline, pretože sú to tie najvýznamnejšie používané. Tieto balenia sú dostupné v dvoch typoch, ako je keramika a plast.
V modeli ATmega328 sú 28 piny umiestnené paralelne k sebe rozťahovaním zvisle a rozložené na čiernej plastovej doske obdĺžnikového tvaru. Priestor medzi kolíkmi je udržiavaný na 0,1 palcoch. Okrem toho sa veľkosť balenia mení z dôvodu rozdielu medzi č. špendlíkov v rozdielnych obaloch. Usporiadanie týchto kolíkov je možné vykonať tak, aby sa dali regulovať do stredu nepájivej dosky, aby nemohlo dôjsť ku skratu.
Rôzne obaly IC pre montáž cez priechodný otvor sú PDIP, DIP, ZIP, PENTAWATT, T7-TO220, TO2205, TO220, TO99, TO92, TO18, TO03.
Balenie na povrchovú montáž
Tento druh balenia sleduje hlavne montážnu technológiu, inak sa komponenty nachádzajú priamo na DPS. Aj keď jeho výrobné metódy pomôžu robiť veci rýchlo, zvyšuje tiež pravdepodobnosť porúch v dôsledku drobných súčastí a sú usporiadané veľmi blízko seba. Tento druh obalov používa tvarovanie z plastu alebo keramiky. Rôzne druhy povrchovo montovaných obalov, ktoré využívajú plastové formy, sú malé obrysy v tvare L a BGA (Ball Grid Array).
Rôzne balíčky IC pre povrchovú montáž sú SOT23, SOT223, TO252, TO263, DDPAK, SOP, TSOP, TQFP, QFN a BGA.
Výhody
Výhody typov integrovaných obvodov sú uvedené nižšie.
Spotreba energie je nízka
Integrované obvody na svoju správnu prácu spotrebujú menej energie kvôli svojej menšej veľkosti a konštrukcii.
Veľkosť je kompaktná
Malý obvod využívajúci integrované obvody možno získať pre danú funkčnosť v porovnaní s diskrétnym obvodom.
Menej nákladov
V porovnaní s diskrétnymi obvodmi sú integrované obvody k dispozícii za nižšiu cenu vďaka ich technológiám výroby a použitiu malého množstva materiálu.
Menej váhy
Obvody, ktoré používajú integrované obvody, majú menšiu hmotnosť v porovnaní s diskrétnymi obvodmi
Prevádzková rýchlosť je vylepšená
Integrované obvody pracujú pri vysokých rýchlostiach vďaka svojim spínacím rýchlostiam, ako aj nízkej spotrebe energie.
Vysoká spoľahlivosť
Akonáhle obvod používa nízke pripojenie, potom integrované obvody poskytnú vysokú spoľahlivosť v porovnaní s digitálnymi obvodmi.
- Veľkosť integrovaného obvodu je malá, ale na tomto čipe je možné vyrobiť tisíce komponentov.
- Použitím jedného čipu sa navrhujú rôzne zložité elektronické obvody
- Z dôvodu hromadnej výroby sú tieto k dispozícii s nižšími nákladmi
- Prevádzková rýchlosť je vysoká kvôli nedostatku parazitného kapacitného efektu.
- Z materského obvodu sa dá ľahko zmeniť
Nevýhody
Medzi nevýhody rôznych typov integrovaných obvodov patria nasledujúce.
- Teplo nemôže byť odvádzané potrebnou rýchlosťou kvôli svojej malej veľkosti a pretečenie prúdu môže spôsobiť poškodenie IC
- Do integrovaných obvodov nemožno zahrnúť transformátory ani tlmivky
- Zvláda obmedzený rozsah výkonu
- Montáž vysoko kvalitného PNP nie je možné.
- Nízkoteplotný koeficient nie je možné dosiahnuť
- Rozsah stratového výkonu je až 10 wattov
- Nie je možné dosiahnuť prevádzku s vysokým napätím a nízkou hlučnosťou
Jedná sa teda o prehľad rôznych typov integrovaných obvodov. Praktické využitie konvenčných integrovaných obvodov je obmedzené, pretože vynález nanoelektroniky a miniaturizácia integrovaných obvodov týmto pokračujú. Nanoelektronická technológia . Konvenčné integrované obvody však ešte nie sú nahradené nanoelektronikou, ale využitie konvenčných integrovaných obvodov sa čiastočne znižuje. Aby ste technicky vylepšili tento článok, pošlite svoje dotazy, nápady a návrhy ako svoje komentáre v nasledujúcej časti.
Fotografické úvery:
- Integrované obvody podľa úžasné inžinierstvo
- rôzne typy integrovaných obvodov ty
- Digitálne integrované obvody od wikimedia
- Analógové integrované obvody podľa cloudfront
- Zmiešané integrované obvody od darpa
- Logické obvody podľa prenhall
- Porovnávače podľa blogspot
- Prepínanie integrovaných obvodov o imgur
- Audio zosilňovače od aliimg
- Operačné zosilňovače o datasheetoo