Każde urządzenie elektroniczne, którego używamy na co dzień, takie jak telefony komórkowe, laptopy, lodówki, komputery, telewizory i wszystkie inne urządzenia elektryczne i elektroniczne, są produkowane z prostymi lub złożonymi obwodami. Układy elektroniczne są realizowane za pomocą wielu komponenty elektryczne i elektroniczne połączone ze sobą za pomocą przewodów łączących lub przewodzących przewody do przepływu prądu elektrycznego przez wiele elementów obwodu, takich jak rezystory , kondensatory , cewki, diody, tranzystory i tak dalej. Obwody można podzielić na różne typy w oparciu o różne kryteria, takie jak na podstawie połączeń: obwody szeregowe i obwody równoległe w oparciu o rozmiar i proces produkcyjny obwodu: układy scalone i obwody dyskretne oraz, w oparciu o sygnał używany w obwodzie : układy analogowe i cyfrowe. W tym artykule omówiono przegląd różnych typów układów scalonych i ich zastosowań.

Co to jest układ scalony?

Układ scalony lub układ scalony, mikroczip lub chip jest mikroskopijny obwód elektryczny tablica utworzona przez wytworzenie różnych elementów elektrycznych i elektronicznych (rezystorów, kondensatorów, tranzystorów itp.) na materiał półprzewodnikowy (krzemowa) płytka, która może wykonywać operacje podobne do dużych dyskretnych obwodów elektronicznych zbudowanych z dyskretnych elementów elektronicznych.

Obwody scalone

Ponieważ wszystkie te układy komponentów, mikroskopijne obwody i podstawa z materiału półprzewodnikowego płytki są zintegrowane razem, tworząc jeden chip, dlatego nazywa się to układem scalonym lub chipem scalonym lub mikroczipem.

Obwody elektroniczne są opracowywane przy użyciu pojedynczych lub dyskretnych elementów elektronicznych o różnych rozmiarach, tak że koszt i rozmiar tych obwodów dyskretnych rośnie wraz z liczbą elementów stosowanych w obwodzie. Aby pokonać ten negatywny aspekt, opracowano technologię układów scalonych - Jack Kilby z Texas Instruments opracował pierwszy układ scalony lub układ scalony w latach pięćdziesiątych, a następnie Robert Noyce z Fairchild Semiconductor rozwiązał kilka praktycznych problemów tego układu scalonego.

Historia układów scalonych

Historia układów scalonych rozpoczęła się od urządzeń półprzewodnikowych. Wynalazku pierwszej lampy próżniowej dokonał John Ambrose (J.A) Fleming w 1897 roku, zwany diodą próżniową. W przypadku silników wynalazł regułę lewej ręki. Następnie, w 1906 roku, wynaleziono nową próżnię, mianowicie Triode, która służy do wzmacniania.

Następnie tranzystor został wynaleziony w Bell Labs w 1947 roku, aby częściowo zastąpić lampy próżniowe, ponieważ tranzystory to małe elementy, które zużywają mniej energii do pracy. Poszczególne obwody zostały zaprojektowane przy użyciu dyskretnych komponentów, oddzielając je od siebie, a także rozmieszczone na płytkach drukowanych za pomocą rąk, zwanych obwodami niezintegrowanymi. Te układy scalone zużywają dużo energii i miejsca, a ich wyjście nie jest tak płynne.

W 1959 roku opracowano układ scalony, w którym kilka elementów elektronicznych i elektrycznych zostało wytworzonych na jednej płytce krzemowej. Układy scalone wykorzystują małą moc do działania, a także zapewniają płynne wyjście. Ponadto można również zwiększyć wzmocnienie tranzystorów w układzie scalonym.

Ewolucja układów scalonych z różnych technologii

Klasyfikację układów scalonych można przeprowadzić na podstawie rozmiarów chipa i skali integracji. Tutaj skala integracji określa liczbę komponentów elektronicznych umieszczonych w typowym układzie scalonym.
Od 1961 do 1965 roku, technologia integracji na małą skalę (SSI) była wykorzystywana do wytwarzania od 10 do 100 tranzystorów w jednym układzie scalonym do produkcji przerzutników i bramek logicznych.

Od 1966 do 1970 roku, technologia integracji średniej skali (MSI) była używana do wytwarzania od 100 do 1000 tranzystorów w jednym układzie scalonym do tworzenia multiplekserów, dekoderów i liczników.

Od 1971 do 1979 roku zastosowano technologię integracji na dużą skalę (LSI) do wytworzenia od 1000 do 20000 tranzystorów w jednym chipie, aby stworzyć pamięć RAM, mikroprocesor, ROM

W latach 1980-1984 technologia integracji na bardzo dużą skalę (VLSI) była wykorzystywana do wytwarzania od 20000 do 50000 tranzystorów w jednym układzie scalonym w celu wykonania mikroprocesorów RISC, układów DSP oraz mikroprocesorów mi16- i 32-bitowych.

Od 1985 do chwili obecnej technologia ultra dużej integracji (ULSI) była używana do wytwarzania od 50000 do miliardów tranzystorów w jednym układzie scalonym, aby stworzyć 64-bitowe mikroprocesory.

Ograniczenia różnych typów układów scalonych

Ograniczenia różnych typów układów scalonych obejmują następujące elementy.

“co to jest kwadraturowa modulacja amplitudy? ”

Moc znamionowa jest ograniczona
Działa przy niskim napięciu
Podczas pracy generuje hałas
Wysoka ocena PNP nie jest prawdopodobna
Jego elementy są zależne od napięcia, takie jak rezystory i kondensatory
To jest delikatne
Wykonanie układu scalonego z niskim poziomem szumów jest trudne
Trudno jest osiągnąć współczynnik temperaturowy.
Montaż wysokogatunkowego PNP nie jest możliwy.
W IC każdy com
W układzie scalonym różnych elementów nie można wymienić, usunąć, więc jeśli którykolwiek element w układzie scalonym ulegnie uszkodzeniu, cały układ musi zostać wymieniony na nowy.
Moc znamionowa jest ograniczona, ponieważ produkcja układów scalonych o mocy znamionowej powyżej 10 W nie jest możliwa

Różne typy układów scalonych

Istnieją różne typy klasyfikacji układów scalonych, które są klasyfikowane na podstawie różnych kryteriów. Na poniższym rysunku przedstawiono kilka typów układów scalonych w systemie wraz z ich nazwami w formacie drzewa.

Różne typy systemów ICS

Na podstawie zamierzonego zastosowania układ scalony klasyfikuje się jako analogowe układy scalone, cyfrowe układy scalone i mieszane układy scalone.

Cyfrowe układy scalone

Układy scalone, które działają tylko na kilku zdefiniowanych poziomach, zamiast obsługiwać ogólne poziomy amplitudy sygnału, nazywane są cyfrowymi układami scalonymi i są zaprojektowane przy użyciu wielu liczb cyfrowe bramki logiczne , multipleksery, przerzutniki i inne elektroniczne elementy obwodów. Te bramki logiczne działają z binarnymi danymi wejściowymi lub cyfrowymi danymi wejściowymi, takimi jak 0 (niski lub fałsz lub logiczne 0) i 1 (wysoki lub prawda lub logiczne 1).

Cyfrowe układy scalone

Powyższy rysunek przedstawia etapy projektowania typowych cyfrowych układów scalonych. Te cyfrowe układy scalone są często używane w komputerach, mikroprocesory , cyfrowe procesory sygnałowe, sieci komputerowe i liczniki częstotliwości. Istnieją różne typy cyfrowych układów scalonych lub typy cyfrowych układów scalonych, takich jak programowalne układy scalone, układy pamięci, układy logiczne, układy zarządzania zasilaniem i układy scalone interfejsów.

Analogowe układy scalone

Układy scalone działające w ciągłym zakresie sygnałów nazywane są analogowymi układami scalonymi. Są one podzielone na liniowe układy scalone (liniowe układy scalone) i Częstotliwość radiowa Układy scalone (układy scalone RF). W rzeczywistości zależność między napięciem a prądem może być w niektórych przypadkach nieliniowa w dużym zakresie ciągłego sygnału analogowego.

Analogowe układy scalone

Często używanym analogowym układem scalonym jest wzmacniacz operacyjny lub po prostu nazywany wzmacniaczem operacyjnym, podobnie jak wzmacniacz różnicowy, ale ma bardzo duże wzmocnienie napięcia. Składa się z bardzo mniejszej liczby tranzystorów w porównaniu z cyfrowymi układami scalonymi, a do opracowywania analogowych układów scalonych specyficznych dla aplikacji (analogowe ASIC) wykorzystuje się komputerowe narzędzia symulacyjne.

Liniowe układy scalone

W analogowym układzie scalonym, jeśli istnieje liniowa zależność między jego napięciem i prądem, jest on nazywany liniowym układem scalonym. Najlepszym przykładem tego liniowego układu scalonego jest układ 741, to 8-pinowy wzmacniacz operacyjny DIP (pakiet podwójny w linii),

Układy scalone o częstotliwości radiowej

W analogowych układach scalonych, jeśli istnieje nieliniowa zależność między jego napięciem i prądem, nazywa się to układami scalonymi o częstotliwości radiowej. Ten rodzaj układu scalonego jest również znany jako układ scalony o częstotliwości radiowej.

Mieszane układy scalone

Układy scalone, które są uzyskiwane przez połączenie analogowych i cyfrowych układów scalonych na jednym chipie, nazywane są układami mieszanymi. Te układy scalone działają jako konwertery cyfrowo-analogowe, Przetworniki analogowo-cyfrowe (Przetworniki D / A i A / D) oraz układy scalone zegara / taktowania. Obwód przedstawiony na powyższym rysunku jest przykładem mieszanego układu scalonego, który jest zdjęciem samonaprawiającego się odbiornika radaru 8 do 18 GHz.

Mieszane układy scalone

Te systemy na chipie z mieszanym sygnałem są wynikiem postępu w technologii integracji, która umożliwiła integrację funkcji cyfrowych, wielu analogów i RF na jednym chipie.

Ogólne typy układów scalonych (IC) obejmują:

“Bruce Depalma przyczyną śmierci ”

Obwody logiczne

Te układy scalone są zaprojektowane przy użyciu bramek logicznych, które działają z wejściem i wyjściem binarnym (0 lub 1). Są oni najczęściej wykorzystywani jako decydenci. Opierając się na tablicy logiki lub prawdy bramek logicznych, wszystkie bramki logiczne podłączone w układzie scalonym dają wyjście oparte na obwodzie podłączonym wewnątrz układu scalonego - tak, że to wyjście jest wykorzystywane do wykonywania określonego zamierzonego zadania. Poniżej przedstawiono kilka układów logicznych.

Obwody logiczne

Komparatory

Układy scalone komparatorów są używane jako komparatory do porównywania danych wejściowych, a następnie do generowania wyniku opartego na porównaniu układów scalonych.

Komparatory

Przełączanie układów scalonych

Przełączniki lub przełączające układy scalone są zaprojektowane przy użyciu tranzystorów i służą do wykonywania operacji operacje przełączania . Powyższy rysunek jest przykładem przełącznika SPDT IC.

Przełączanie układów scalonych

Wzmacniacze audio

Dźwięk wzmacniacze to jeden z wielu typów układów scalonych, które są używane do wzmacniania dźwięku. Są one zwykle używane w głośnikach audio, obwodach telewizyjnych i tak dalej. Powyższy obwód przedstawia układ scalony wzmacniacza audio niskiego napięcia.

Wzmacniacze audio

Układ scalony CMOS

Układy scalone CMOS są niezwykle wykorzystywane w różnych zastosowaniach w porównaniu z tranzystorami FET ze względu na ich możliwości, takie jak niższe napięcie progowe, niski pobór mocy. Układ scalony CMOS zawiera urządzenia P-MOS i N-MOS, które są wykonane wspólnie na podobnym chipie. Struktura tego układu scalonego to bramka polikrzemowa, która pomaga zmniejszyć napięcie progowe urządzenia, umożliwiając tym samym proces przy niskim poziomie napięcia.

Układy scalone regulatorów napięcia

Ten rodzaj układu scalonego zapewnia stabilne wyjście DC pomimo zmian na wejściu DC. Powszechnie stosowanymi regulatorami typu są układy scalone LM309, uA723, LM105 i 78XX.

Wzmacniacze operacyjne

Plik wzmacniacze operacyjne są często używanymi układami scalonymi, podobnymi do wzmacniaczy audio używanych do wzmacniania dźwięku. Te wzmacniacze operacyjne są używane do celów wzmocnienia, a te układy scalone działają podobnie do tranzystor obwody wzmacniacza. Konfiguracja styków układu scalonego wzmacniacza operacyjnego 741 jest pokazana na powyższym rysunku.

Wzmacniacze operacyjne

Układy scalone timera

Timery są specjalnymi układami scalonymi używanymi do celów zliczania i śledzenia czasu w zamierzonych zastosowaniach. Schemat blokowy obwodu wewnętrznego Układ scalony timera LM555 pokazano na powyższym obwodzie. Biorąc pod uwagę liczbę użytych komponentów (zazwyczaj na podstawie liczby użytych tranzystorów), są one następujące

Układy scalone timera

Integracja na małą skalę składa się tylko z kilku tranzystorów (dziesiątki tranzystorów na chipie), te układy scalone odegrały kluczową rolę we wczesnych projektach lotniczych.

Integracja na średnią skalę składa się z setek tranzystorów w układzie scalonym opracowanym w latach sześćdziesiątych XX wieku i zapewnia lepszą ekonomię i korzyści w porównaniu z układami scalonymi SSI.

Integracja na dużą skalę składa się z tysięcy tranzystorów w układzie scalonym o prawie takiej samej ekonomiczności, jak układy scalone integracji średniej skali. Pierwszy mikroprocesor, chipy kalkulatora i pamięci RAM 1Kbit opracowane w latach 70. miały poniżej czterech tysięcy tranzystorów.

Integracja na bardzo dużą skalę składa się z tranzystorów w liczbie od setek do kilku miliardów. (okres rozwoju: od lat 80. do 2009)

Integracja na bardzo dużą skalę składa się z ponad miliona tranzystorów, a później opracowano integrację w skali płytki (WSI), układ na chipie (SoC) i trójwymiarowy układ scalony (3D-IC).

Wszystko to można traktować jako generacje zintegrowanej technologii. Układy scalone są również klasyfikowane na podstawie procesu produkcji i technologii pakowania. Istnieje wiele typów układów scalonych, wśród których układ scalony będzie działał jako zegar, licznik, zarejestrować , wzmacniacz, oscylator, bramka logiczna, sumator, mikroprocesor i tak dalej.

Rodzaje układów scalonych opartych na klasach

Układy scalone są dostępne w trzech klasach w oparciu o techniki użyte przy ich wytwarzaniu.

Cienkie i grubowarstwowe układy scalone
Monolityczne układy scalone
Układy scalone hybrydowe lub wielochipowe

Cienkie i grube układy scalone

W tego typu układach scalonych stosowane są elementy bierne, takie jak kondensatory i rezystory, jednak tranzystory i diody są połączone jak oddzielne elementy w celu zaprojektowania obwodu. Te układy scalone są po prostu połączeniem zintegrowanych, jak również oddzielnych elementów, a te układy scalone mają powiązane właściwości i wygląd, niezależnie od sposobu osadzania błony. Na podstawie ICS można zdecydować o osadzaniu cienkiej warstwy ICs.

Te układy scalone są zaprojektowane poprzez osadzanie warstw materiału przewodzącego na powierzchni szkła, w przeciwnym razie na stojaku ceramicznym. Zmieniając grubość warstw na materiałach będą miały różną rezystywność i można będzie wytwarzać pasywne elementy elektroniczne.

W tego typu układzie scalonym metoda drukowania jedwabiu jest wykorzystywana do wykonania wymaganego modelu obwodu na podłożu ceramicznym. Czasami tego rodzaju układy scalone są nazywane drukowanymi cienkowarstwowymi układami scalonymi.

Monolityczne układy scalone

W tego rodzaju układach scalonych można tworzyć połączenia między elementami czynnymi, pasywnymi i dyskretnymi na chipie krzemowym. Jak sama nazwa wskazuje, pochodzi od greckiego słowa, jak mono jest niczym innym jak pojedynczym, podczas gdy Lithos oznacza kamień. Obecnie te układy scalone są najczęściej używane ze względu na niższy koszt, a także niezawodność. Układy scalone, które są produkowane komercyjnie, są używane jako regulatory napięcia, wzmacniacze, obwody komputerowe i odbiorniki AM. Jednak izolacja między monolitycznymi komponentami IC jest słaba, ale ma również mniejszą moc znamionową,

Układ scalony podwójnej linii (DIP)

DIP (pakiet podwójny w linii) lub DIPP (pakiet z dwoma pinami w linii) to pakiet komponentów elektronicznych w zakresie mikroelektroniki lub elektroniki z prostokątną płytką i dwoma równoległymi rzędami z elektrycznymi pinami połączeniowymi.

Układy scalone hybrydowe lub wieloukładowe

Jak sama nazwa wskazuje, multi oznacza powyżej jednego pojedynczego chipa, który jest ze sobą połączony. Elementy aktywne, takie jak diody lub tranzystory rozproszone, obejmują te układy scalone, podczas gdy elementy pasywne to kondensatory rozproszone lub rezystory na pojedynczym chipie. Połączenie tych komponentów można wykonać za pomocą metalizowanych prototypów. Wieloukładowe układy scalone są szeroko wykorzystywane do zastosowań we wzmacniaczach dużej mocy od 5W do 50W. W porównaniu z monolitycznymi układami scalonymi, wydajność hybrydowych układów scalonych jest lepsza.

Rodzaje pakietów IC

Pakiety IC są podzielone na dwa typy, takie jak montaż przelotowy i opakowanie do montażu powierzchniowego.

Pakiety montażu przelotowego

Projektowanie ich można wykonać, gdy szpilki prowadzące są mocowane przez jedną stronę płytki i tlone po drugiej stronie. W porównaniu z innymi typami rozmiar tych opakowań jest większy. Są one głównie wykorzystywane w urządzeniach elektronicznych, aby zrównoważyć przestrzeń na płycie, a także ograniczenia kosztów. Najlepszym przykładem pakietów do montażu przelotowego są pakiety Dual inline, ponieważ są one najczęściej używane. Te opakowania są dostępne w dwóch typach, takich jak ceramika i plastik.

W ATmega328 28 pinów jest umieszczonych równolegle do siebie poprzez rozszerzenie w pionie i ułożenie na czarnej plastikowej prostokątnej płycie. Przestrzeń między pinami jest utrzymywana na poziomie 0,1 cala. Ponadto pakiet zmienia rozmiar z powodu różnicy w nr. szpilek w różnych opakowaniach. Umiejscowienie tych kołków może być wykonane w taki sposób, że można je regulować na środku płytki stykowej, aby nie doszło do zwarcia.

Różne pakiety układów scalonych do montażu przelotowego to PDIP, DIP, ZIP, PENTAWATT, T7-TO220, TO2205, TO220, TO99, TO92, TO18, TO03.

Opakowanie do montażu powierzchniowego

Ten rodzaj opakowania jest zgodny głównie z technologią montażu, w przeciwnym razie elementy są umieszczane bezpośrednio na PCB. Mimo, że jego metody produkcji pomagają w szybkim wykonywaniu zadań, zwiększa to również prawdopodobieństwo wystąpienia usterek spowodowanych małymi komponentami i są one rozmieszczone bardzo blisko siebie. Ten rodzaj opakowania wykorzystuje formowanie z tworzywa sztucznego lub ceramiki. Różne rodzaje opakowań do montażu powierzchniowego, w których stosuje się plastikowe formy, to małe obrysy ołowianych w kształcie litery L i BGA (ang. Ball Grid Array).

Różne pakiety układów scalonych do montażu powierzchniowego to SOT23, SOT223, TO252, TO263, DDPAK, SOP, TSOP, TQFP, QFN i BGA.

Zalety

Zalety typów układów scalonych omówiono poniżej.

Zużycie energii jest niskie

Układy scalone zużywają mniej energii do prawidłowego działania ze względu na ich mniejszy rozmiar i konstrukcję.

Rozmiar jest kompaktowy

Dla danej funkcji można uzyskać mały obwód wykorzystujący układy scalone w porównaniu z obwodem dyskretnym.

Niższy koszt

W porównaniu z obwodami dyskretnymi, układy scalone są dostępne po niższych kosztach ze względu na technologie ich wytwarzania, a także użycie niewielkiej ilości materiału.

Mniej wagi

Obwody wykorzystujące układy scalone mają mniejszą wagę w porównaniu z układami dyskretnymi

Poprawiona prędkość robocza

“zastosowanie kontrolera pid w przemyśle ”

Układy scalone pracują z dużymi prędkościami ze względu na ich szybkości przełączania, a także niski pobór mocy.

Wysoka niezawodność

Gdy obwód wykorzysta niskie połączenia, układy scalone będą zapewniać wysoką niezawodność w porównaniu z układami cyfrowymi.

Rozmiar układu scalonego jest mały, ale na tym chipie można wyprodukować tysiące komponentów.
Używając jednego chipa, projektuje się różne złożone układy elektroniczne
Ze względu na masową produkcję są one dostępne po niższych kosztach
Prędkość robocza jest wysoka z powodu braku pasożytniczego efektu pojemności.
Z obwodu macierzystego można go łatwo zmienić

Niedogodności

Wady różnych typów układów scalonych są następujące.

Ciepło nie może być rozproszone w wymaganym tempie ze względu na jego mały rozmiar, a przepełnienie prądu może spowodować uszkodzenie układu scalonego
W układach scalonych nie można wbudować transformatorów ani cewek
Obsługuje ograniczony zakres mocy
Montaż wysokogatunkowego PNP nie jest możliwy.
Nie można osiągnąć współczynnika niskotemperaturowego
Zakres rozpraszania mocy wynosi do 10 watów
Nie można uzyskać pracy przy wysokim napięciu i niskim poziomie hałasu

A zatem chodzi o przegląd różnych typów układów scalonych. Konwencjonalne układy scalone są ograniczone w praktycznym zastosowaniu, ze względu na wynalezienie nanoelektroniki i miniaturyzację układów scalonych kontynuowaną przez to Technologia nanoelektroniczna . Jednak konwencjonalne układy scalone nie są jeszcze zastępowane przez nanoelektronikę, ale wykorzystanie konwencjonalnych układów scalonych jest częściowo zmniejszane. Aby technicznie ulepszyć ten artykuł, prześlij swoje zapytania, pomysły i sugestie jako komentarze w poniższej sekcji.

Kredyty fotograficzne: