Visas elektroniskās ierīces, kuras mēs izmantojam ikdienas dzīvē, piemēram, mobilie tālruņi, klēpjdatori, ledusskapji, datori, televizori un visas citas elektriskās un elektroniskās ierīces, tiek ražotas ar vienkāršām vai sarežģītām shēmām. Elektroniskās shēmas tiek realizētas, izmantojot vairākas elektriskie un elektroniskie komponenti savienoti viens ar otru, savienojot vadus vai vadot vadus elektriskās strāvas plūsmai caur ķēdes vairākām sastāvdaļām, piemēram, rezistori , kondensatori , induktori, diodes, tranzistori utt. Ķēdes var klasificēt dažādos veidos, pamatojoties uz dažādiem kritērijiem, piemēram, pamatojoties uz savienojumiem: virknes ķēdes un paralēlās shēmas, pamatojoties uz ķēdes lielumu un ražošanas procesu: integrālās shēmas un diskrētās shēmas un, pamatojoties uz ķēdē izmantoto signālu : analogās un digitālās shēmas. Šajā rakstā ir apskatīts dažādu veidu integrēto shēmu un to pielietojuma pārskats.

Kas ir integrētā shēma?

Integrētā shēma vai mikroshēma vai mikroshēma vai mikroshēma ir mikroskopiska elektroniskā shēma masīvs, ko veido dažādu elektrisko un elektronisko komponentu (rezistoru, kondensatoru, tranzistoru un tā tālāk) izgatavošana pusvadītāju materiāls (silīcija) vafele, kas var veikt darbības, kas līdzīgas lielajām diskrētajām elektroniskajām shēmām, kas izgatavotas no diskrētiem elektroniskiem komponentiem.

Integrētās shēmas

Tā kā visi šie komponentu bloki, mikroskopiskās shēmas un pusvadītāju plātņu materiāla bāze ir integrēti kopā, veidojot vienu mikroshēmu, līdz ar to to sauc par integrēto shēmu vai integrēto mikroshēmu vai mikroshēmu.

Elektroniskās shēmas tiek izstrādātas, izmantojot atsevišķus vai atsevišķus elektroniskus komponentus ar dažādu izmēru, tā ka šo diskrēto shēmu izmaksas un izmēri pieaug līdz ar ķēdē izmantoto komponentu skaitu. Lai iekarotu šo negatīvo aspektu, tika izstrādāta integrētās shēmas tehnoloģija - Džeks Kilbijs no Texas Instruments 50. gados izstrādāja pirmo IC vai integrēto shēmu, un pēc tam Roberts Noyce no Fairchild Semiconductor atrisināja dažas šīs integrētās shēmas praktiskās problēmas.

Integrēto shēmu vēsture

Integrēto shēmu vēsture tika sākta ar cietvielu ierīcēm. Pirmās vakuuma caurules izgudrošanu Džons Ambrozs (J.A.) Flemings izdarīja 1897. gadā, ko sauc par vakuuma diode. Motoriem viņš izgudroja kreisās rokas likumu. Pēc tam 1906. gadā tika izgudrots jauns vakuums, proti, Triode, un to izmanto pastiprināšanai.

Pēc tam tranzistors tika izgudrots Bell Labs 1947. gadā, lai daļēji nomainītu vakuuma caurules, jo tranzistori ir mazi komponenti, kas darbam izmanto mazāk enerģijas. Dažādas shēmas tika projektētas, izmantojot atsevišķus komponentus, savstarpēji atdalot, kā arī izvietojot uz iespiedshēmas plates, vadot caur rokām, kas pazīstamas kā neintegrētas shēmas. Šīs mikroshēmas patērē daudz enerģijas un vietas, un to izlaide nav tik vienmērīga.

1959. gadā tika izstrādāta integrētā shēma, kur vienā silīcija plāksnē tika izgatavoti vairāki elektroniskie un elektriskie komponenti. Integrētās shēmas darbībai izmanto mazu jaudu, kā arī nodrošina vienmērīgu izvadi. Turklāt var palielināt tranzistoru uzlabošanu integrētajā shēmā.

Integrēto shēmu attīstība no dažādām tehnoloģijām

IC klasifikāciju var veikt, pamatojoties uz mikroshēmas izmēriem un integrācijas skalu. Šeit integrācijas skala norāda elektronisko komponentu skaitu, kas ievietoti tipiskā integrētajā shēmā.
Laikā no 1961. līdz 1965. gadam neliela mēroga integrācijas (SSI) tehnoloģija tika izmantota, lai izgatavotu 10 līdz 100 tranzistorus vienā mikroshēmā, lai izgatavotu flip flops un loģiskos vārtus.

No 1966. līdz 1970. gadam vidēja mēroga integrācijas (MSI) tehnoloģija tika izmantota 100 līdz 1000 tranzistoru izgatavošanai vienā mikroshēmā, lai izgatavotu multiplekserus, dekoderus un skaitītājus.

Laikā no 1971. līdz 1979. gadam liela mēroga integrācijas tehnoloģija (LSI) tika izmantota, lai izgatavotu 1000 līdz 20000 tranzistorus vienā mikroshēmā, lai izveidotu RAM, mikroprocesoru, ROM

Laikā no 1980. līdz 1984. gadam ļoti liela mēroga integrācijas (VLSI) tehnoloģija tika izmantota, lai izgatavotu 20000 līdz 50000 tranzistorus vienā mikroshēmā, lai izgatavotu RISC mikroprocesorus, DSP un mi16 un 32 bitu mikroprocesorus.

Laikā no 1985. gada līdz šim ļoti liela mēroga integrācijas (ULSI) tehnoloģija tika izmantota, lai vienā mikroshēmā izgatavotu 50000 līdz miljardus tranzistoru, lai izveidotu 64 bitu mikroprocesorus.

Dažādu integrēto shēmu tipu ierobežojumi

Dažādu veidu IC ierobežojums ietver sekojošo.

“kas ir sprieguma regulators ”

Jauda ir ierobežota
Tas darbojas ar zemu spriegumu
Darbības laikā tas rada troksni
Augsts PNP vērtējums nav ticams
Tās sastāvdaļas ir atkarīgas no sprieguma, piemēram, rezistori un kondensatori
Tas ir smalks
IC izgatavošana ar zemu trokšņa līmeni ir sarežģīta
Temperatūras koeficientu ir grūti sasniegt.
Augstas kvalitātes PNP montāža nav iespējama.
IC, jebkura kom
Mikroshēmā dažādus komponentus nevar aizstāt, noņemt, tādējādi, ja kāds komponents mikroshēmā sabojājas, tad pilnīgajam mikroshēmam ir jāmainās ar jauno.
Jaudas vērtējums ir ierobežots, jo nav iespējams izgatavot mikroshēmas, kuru jauda pārsniedz 10 vatu

Dažādi integrēto shēmu veidi

Ir dažādi IC integrēto shēmu klasifikācijas veidi, pamatojoties uz dažādiem kritērijiem. Daži sistēmas veidu veidi ir parādīti zemāk redzamajā attēlā ar to nosaukumiem koka formātā.

Dažādi ICS veidi

Pamatojoties uz paredzēto lietojumu, IC tiek klasificēts kā analogās integrētās shēmas, digitālās integrētās shēmas un jauktās integrētās shēmas.

Digitālās integrētās shēmas

Integrētās shēmas, kas darbojas tikai dažos noteiktos līmeņos, nevis kopējo signāla amplitūdas līmeni, sauc par digitālajām IC, un tās ir izstrādātas, izmantojot vairākus skaitļus digitālās loģikas vārti , multiplekseri, flip flops un citi ķēžu elektroniskie komponenti. Šie loģiskie vārti darbojas ar bināro ievades datiem vai digitālajiem ievades datiem, piemēram, 0 (zems vai nepatiess vai loģisks 0) un 1 (augsts vai patiess vai loģisks 1).

Digitālās integrētās shēmas

Iepriekš minētajā attēlā parādīti tipisku digitālo integrēto shēmu projektēšanas posmi. Šīs digitālās IC bieži lieto datoros, mikroprocesori , ciparu signālu procesori, datortīkli un frekvenču skaitītāji. Ir dažādi digitālo IC vai digitālo integrēto shēmu veidi, piemēram, programmējamie IC, atmiņas mikroshēmas, loģiskās IC, enerģijas pārvaldības IC un saskarnes IC.

Analogās integrētās shēmas

Integrētās shēmas, kas darbojas nepārtrauktā signālu diapazonā, sauc par analogajām IC. Tie ir sadalīti lineārajās integrālajās shēmās (lineārās IC) un Radio frekvences Integrētās shēmas (RF IC). Patiesībā attiecība starp spriegumu un strāvu dažos gadījumos var būt nepārtraukta analogā signāla lielā diapazonā.

Analogās integrētās shēmas

Bieži lietotais analogais IC ir operatīvs pastiprinātājs vai vienkārši saukts par op-amp, līdzīgs diferenciālajam pastiprinātājam, taču tam ir ļoti augsts sprieguma pieaugums. Tas sastāv no ļoti mazāka tranzistoru skaita, salīdzinot ar digitālajām IC, un, lai izstrādātu analogām lietojumprogrammām specifiskas integrētās shēmas (analogās ASIC), tiek izmantoti datorizēti simulācijas rīki.

Lineārās integrētās shēmas

Analogajā integrētajā shēmā, ja pastāv lineāra attiecība starp tā spriegumu, kā arī strāvu, to sauc par lineāro IC. Labākais šī lineārā IC piemērs ir 741 IC, kas ir 8 kontaktu DIP (Dual In-line Package) op-amp,

Radiofrekvenču integrētās shēmas

Analogajā IC gadījumā, ja starp spriegumu un strāvu pastāv nelineāra sakarība, to sauc par radiofrekvences IC. Šis IC veids ir pazīstams arī kā integrēta radiofrekvenču shēma.

Jauktas integrētās shēmas

Integrētās shēmas, kuras iegūst, apvienojot analogās un digitālās IC vienā mikroshēmā, sauc par jauktajiem IC. Šīs mikroshēmas darbojas kā digitālie līdz analogie pārveidotāji, Analogie ciparu pārveidotāji (D / A un A / D pārveidotāji) un pulksteņa / laika IC. Iepriekšējā attēlā attēlotā shēma ir jauktas integrētās shēmas piemērs, kas ir 8 līdz 18 GHz pašdziedinoša radara uztvērēja fotogrāfija.

Jauktas integrētās shēmas

Šī jauktā signāla sistēmas mikroshēmā ir integrācijas tehnoloģijas attīstības rezultāts, kas ļāva vienā mikroshēmā integrēt digitālās, vairākas analogas un RF funkcijas.

Integrēto shēmu (IC) vispārējie veidi ietver:

“kā izveidot radio raidītāju un uztvērēju ”

Loģiskās shēmas

Šie IC ir veidoti, izmantojot loģiskos vārtus, kas darbojas ar bināro ievadi un izvadi (0 vai 1). Tos galvenokārt izmanto kā lēmumu pieņēmējus. Pamatojoties uz loģisko vārtu loģikas vai patiesības tabulu, visi IC savienotie loģiskie vārti dod izeju, pamatojoties uz IC iekšpusē savienoto ķēdi - tādu, ka šo izeju izmanto konkrēta paredzētā uzdevuma veikšanai. Daži loģiskie IC ir parādīti zemāk.

Loģiskās shēmas

Salīdzinātāji

Salīdzinošos IC izmanto kā salīdzinātājus, lai salīdzinātu ievadi un pēc tam ražotu izvadi, pamatojoties uz IC salīdzinājumu.

Salīdzinātāji

IC pārslēgšana

Slēdži vai komutācijas IC ir izstrādāti, izmantojot tranzistorus, un tos izmanto pārslēgšanas operācijas . Šis attēls ir piemērs, kas parāda SPDT IC slēdzi.

IC pārslēgšana

Audio pastiprinātāji

Audio pastiprinātāji ir viens no daudzajiem IC veidiem, ko izmanto audio pastiprināšanai. Tos parasti izmanto skaļruņos, televīzijas ķēdēs utt. Iepriekš minētajā shēmā parādīts zemsprieguma audio pastiprinātāja IC.

Audio pastiprinātāji

CMOS integrētā shēma

CMOS integrētās shēmas tiek ārkārtīgi izmantotas dažādās lietojumprogrammās, salīdzinot ar FET, to spēju dēļ, piemēram, zemāka sliekšņa spriegums, mazs enerģijas patēriņš. CMOS IC ietver P-MOS un N-MOS ierīces, kas kopīgi izgatavotas uz līdzīgas mikroshēmas. Šīs IC struktūra ir polisilīcija vārti, kas palīdz samazināt ierīces sliekšņa spriegumu, tādējādi ļaujot veikt procesu zemā sprieguma līmenī.

Sprieguma regulatora IC

Šāda veida integrētā shēma nodrošina stabilu līdzstrāvas izeju, neskatoties uz izmaiņām līdzstrāvas ieejā. Parasti izmantotie tipa regulatori ir LM309, uA723, LM105 un 78XX IC.

Operatīvie pastiprinātāji

The operatīvie pastiprinātāji tiek bieži izmantoti IC, līdzīgi kā audio pastiprinātājiem, kurus izmanto audio pastiprināšanai. Šie op-ampēri tiek izmantoti pastiprināšanas nolūkos, un šie IC darbojas līdzīgi kā tranzistors pastiprinātāju shēmas. 741 op-amp IC kontaktdakšu konfigurācija ir parādīta iepriekš redzamajā attēlā.

Operatīvie pastiprinātāji

Taimera IC

Taimeri ir īpaša mērķa integrētās shēmas, kuras izmanto skaitīšanai un laika uzskaitei paredzētajās lietojumprogrammās. Bloka iekšējās ķēdes blokshēma LM555 taimera IC ir parādīts iepriekš minētajā ķēdē. Pamatojoties uz izmantoto komponentu skaitu (parasti pamatojoties uz izmantoto tranzistoru skaitu), tie ir šādi

Taimera IC

Maza mēroga integrācija sastāv tikai no dažiem tranzistoriem (desmitiem tranzistoru mikroshēmā), šiem IC bija izšķiroša loma agrīnā kosmosa projektā.

Vidēja mēroga integrācija sastāv no dažiem simtiem tranzistoru uz mikroshēmas mikroshēmas, kas izstrādāta 1960. gados un ir sasniegusi labāku ekonomiku un priekšrocības salīdzinājumā ar SSI IC.

Liela mēroga integrācija sastāv no tūkstošiem mikroshēmā esošu tranzistoru ar gandrīz tādu pašu ekonomiju kā vidēja mēroga integrācijas IC. Pirmajam pagājušā gadsimta 70. gados izstrādātajam mikroprocesoram, kalkulatora mikroshēmām un RAM 1Kbit bija zem četriem tūkstošiem tranzistoru.

Ļoti liela mēroga integrācija sastāv no tranzistoriem no simtiem līdz vairākiem miljardiem. (Izstrādes periods: no 1980. līdz 2009. gadam)

Īpaši liela mēroga integrācija sastāv no tranzistoriem, kas pārsniedz vairāk nekā vienu miljonu, un vēlāk tika izveidota vafeļu mēroga integrācija (WSI), sistēma mikroshēmā (SoC) un trīsdimensiju integrētā shēma (3D-IC).

To visu var uzskatīt par integrētu tehnoloģiju paaudzēm. IC arī klasificē, pamatojoties uz ražošanas procesu un iepakošanas tehnoloģiju. Ir daudz veidu IC, starp kuriem IC darbosies kā taimeris, skaitītājs, reģistrēties , pastiprinātājs, oscilators, loģiskie vārti, papildinātājs, mikroprocesors utt.

Integrēto shēmu veidi, kuru pamatā ir klases

Integrētās shēmas ir pieejamas trīs klasēs, pamatojoties uz paņēmieniem, kas izmantoti to ražošanā.

Plānas un biezas plēves IC
Monolītās IC
Hibrīdas vai daudzšipu mikroshēmas

Plānas un biezas IC

Šāda veida integrētajās shēmās tiek izmantoti pasīvie komponenti, piemēram, kondensatori un rezistori, tomēr tranzistori un diodes ir savienotas kā atsevišķas sastāvdaļas, lai izveidotu ķēdi. Šīs mikroshēmas ir vienkārši integrētu, kā arī atsevišķu komponentu kombinācija, un šīm IC ir saistītas īpašības un izskats, izņemot filmas nogulsnēšanās veidu. No ICS var izlemt plānas IC plēves nogulsnēšanos.

Šīs mikroshēmas ir izstrādātas, novadot materiāla plēves uz stikla virsmas, citādi uz keramikas statīva. Mainot filmu biezumu uz materiāliem, būs atšķirīga pretestība, un var izgatavot pasīvos elektroniskos komponentus.

Šāda veida integrētajā shēmā tiek izmantota zīda drukāšanas metode, lai izgatavotu vajadzīgo ķēdes modeli uz keramikas pamatnes. Dažreiz šāda veida mikroshēmas tiek sauktas par drukātām plānplēves mikroshēmām.

Monolītās IC

Šāda veida integrētajās shēmās var izveidot aktīvo, pasīvo un diskrēto komponentu savstarpējos savienojumus uz silīcija mikroshēmas. Kā norāda nosaukums, tas ir atvasināts no grieķu vārda, piemēram, mono nav nekas cits kā viens, bet Lithos nozīmē akmens. Pašlaik šīs mikroshēmas visbiežāk tiek izmantotas zemāku izmaksu, kā arī uzticamības dēļ. Komerciāli ražotās mikroshēmas tiek izmantotas, piemēram, sprieguma regulatori, pastiprinātāji, datoru shēmas un AM uztvērēji. Tomēr monolītā IC komponentu izolācija ir slikta, bet tai ir arī mazāka jauda,

Dual-in-line package (DIP) IC

DIP (dual-line-line package) vai DIPP (dual-in-line pin package) ir elektronisko komponentu pakete mikroelektronikas vai elektronikas izteiksmē ar taisnstūra plāksni un divām paralēlām rindām ar elektriskām savienotājtapām.

Hibrīdas vai vairāku mikroshēmu mikroshēmas

Kā norāda nosaukums, multi nozīmē virs vienas atsevišķas mikroshēmas, kas ir savstarpēji savienota. Aktīvie komponenti, piemēram, diodes vai izkliedētie tranzistori, ietver šos IC, bet pasīvie komponenti ir izkliedētie kondensatori vai rezistori vienā mikroshēmā. Šo komponentu savienojumu var veikt, izmantojot metalizētus prototipus. Vairāku mikroshēmu integrētās shēmas tiek plaši izmantotas lieljaudas pastiprinātāja lietošanai no 5W līdz 50W. Salīdzinot ar monolītajām integrālajām shēmām, hibrīdu mikroshēmu veiktspēja ir labāka.

IC paku veidi

IC paketes ir iedalītas divos veidos, piemēram, caurumu un virsmu montāžas iepakojumi.

Caurumoto stiprinājumu paketes

To projektēšanu var veikt, ja svina tapas ir piestiprinātas caur dēļa vienu seju un gruzdētas otrā pusē. Salīdzinot ar citiem veidiem, šo iepakojumu izmērs ir lielāks. Tos galvenokārt izmanto elektroniskajās ierīcēs, lai līdzsvarotu tāfeles vietu, kā arī izmaksu ierobežojumus. Labākais caurumu montāžas pakotņu piemērs ir Dual inline paketes, jo tās ir visizplatītākās. Šie iepakojumi ir pieejami divu veidu, piemēram, keramikas un plastmasas.

Ierīcē ATmega328 28 tapas atrodas paralēli viena otrai, vertikāli izplešoties un izliekot uz melnas plastmasas taisnstūra formas plāksnes. Vieta starp tapām tiek uzturēta ar 0,1 collu. Turklāt iepakojuma lielums mainās, jo starpība ir nr. no tapām atšķirīgos iepakojumos. Šīs tapas var izkārtot tā, lai tās varētu regulēt līdz maizes dēļa vidum, lai nevarētu rasties īssavienojums.

Dažādas caurumu stiprinājuma IC paketes ir PDIP, DIP, ZIP, PENTAWATT, T7-TO220, TO2205, TO220, TO99, TO92, TO18, TO03.

Virsmas stiprinājuma iepakojums

Šāda veida iepakojums galvenokārt atbilst montāžas tehnoloģijai, citādi komponentus izvietojot tieši uz PCB. Kaut arī viņa ražošanas metodes palīdzēs ātri paveikt lietas, tas arī uzlabo kļūdu iespējamību, pateicoties sīkiem komponentiem, un tie ir izvietoti ļoti tuvu viens otram. Šāda veida iepakojumā tiek izmantota plastmasas vai keramikas liešana. Dažādi uz virsmas montējami iepakojumi, kuros izmanto plastmasas veidnes, ir maza kontūra ar L vadītu iepakojumu un BGA (lodveida režģa masīvs).

Dažādas virsmas stiprinājuma IC paketes ir SOT23, SOT223, TO252, TO263, DDPAK, SOP, TSOP, TQFP, QFN un BGA.

Priekšrocības

Integrēto shēmu veidu priekšrocības ir aplūkotas turpmāk.

Enerģijas patēriņš ir mazs

Integrētās shēmas, lai tās darbotos pareizi, patērē mazāk enerģijas, jo tām ir mazāks izmērs un uzbūve.

Izmērs ir kompakts

Noteiktai funkcionalitātei var iegūt nelielu ķēdi, izmantojot IC, salīdzinot ar diskrēto ķēdi.

Mazākas izmaksas

Salīdzinot ar diskrētajām shēmām, integrētās shēmas ir pieejamas ar zemākām izmaksām to ražošanas tehnoloģiju, kā arī zemu materiālu izmantošanas dēļ.

Mazāks svars

Kontūrām, kurās tiek izmantotas integrētās shēmas, ir mazāks svars nekā diskrētajām shēmām

Darbības ātrums ir uzlabots

“atšķirība starp maiņstrāvas ģeneratoru un līdzstrāvas ģeneratoru ”

Integrētās shēmas darbojas lielā ātrumā, pateicoties to pārslēgšanās ātrumam, kā arī zemam enerģijas patēriņam.

Augsta uzticamība

Kad ķēde izmanto zemus savienojumus, integrētās shēmas nodrošinās augstu uzticamību, salīdzinot ar digitālajām shēmām.

IC izmērs ir mazs, taču uz šīs mikroshēmas var izgatavot tūkstošiem komponentu.
Izmantojot vienu mikroshēmu, tiek izstrādātas dažādas sarežģītas elektroniskās shēmas
Lielapjoma ražošanas dēļ tie ir pieejami ar mazākām izmaksām
Darbības ātrums ir liels, jo trūkst parazītu kapacitātes efekta.
No mātes ķēdes to var viegli mainīt

Trūkumi

Dažādu veidu integrēto shēmu trūkumi ir šādi.

Siltumu nevar izkliedēt vajadzīgā ātrumā, jo tas ir mazs, un strāvas pārplūde var izraisīt IC bojājumus
Integrētajās shēmās transformatorus, kā arī induktorus nevar iestrādāt
Tas apstrādā ierobežotu jaudas diapazonu
Augstas kvalitātes PNP montāža nav iespējama.
Zemas temperatūras koeficientu nevar sasniegt
Jaudas izkliedes diapazons ir līdz 10 vatiem
Augsta sprieguma un zema trokšņa līmeni nevar iegūt

Tādējādi tas viss attiecas uz dažādu veidu integrēto shēmu pārskatu. Parastās integrētās shēmas praktiski tiek samazinātas, jo tiek turpināta nanoelektronikas izgudrošana un mikroshēmu miniaturizācija Nanoelektronikas tehnoloģija . Tomēr parastās mikroshēmas vēl nav aizstātas ar nanoelektroniku, bet parasto mikroshēmu izmantošana daļēji samazinās. Lai tehniski uzlabotu šo rakstu, lūdzu, ievietojiet savus jautājumus, idejas un ieteikumus kā komentārus zemāk esošajā sadaļā.

Foto kredīti: