Каждое электронное устройство, которое мы используем в повседневной жизни, например, мобильные телефоны, ноутбуки, холодильники, компьютеры, телевизоры и все другие электрические и электронные устройства, производятся с использованием простых или сложных схем. Электронные схемы реализованы с использованием нескольких электрические и электронные компоненты соединены друг с другом путем соединения проводов или проводящих проводов для прохождения электрического тока через несколько компонентов схемы, таких как резисторы , конденсаторы , катушки индуктивности, диоды, транзисторы и так далее. Схемы можно классифицировать по различным типам на основе различных критериев, например, на основе соединений: последовательные схемы и параллельные схемы на основе размера и производственного процесса схемы: интегральные схемы и дискретные схемы и на основе сигнала, используемого в схеме. : аналоговые схемы и цифровые схемы. В этой статье обсуждается обзор различных типов интегральных схем и их приложений.

Что такое интегральная схема?

Интегральная схема или ИС, или микрочип, или чип - это микроскопический Электронная схема массив, образованный изготовлением различных электрических и электронных компонентов (резисторов, конденсаторов, транзисторов и т. д.) на полупроводниковый материал (кремниевая) пластина, которая может выполнять операции, аналогичные большим дискретным электронным схемам, состоящим из дискретных электронных компонентов.

Интегральные схемы

Поскольку все эти массивы компонентов, микроскопические схемы и материальная основа полупроводниковой пластины объединены вместе, образуя единый чип, он называется интегральной схемой, или интегральным чипом, или микрочипом.

Электронные схемы разрабатываются с использованием отдельных или дискретных электронных компонентов различных размеров, так что стоимость и размер этих дискретных схем возрастают с количеством компонентов, используемых в схеме. Чтобы преодолеть этот негативный аспект, была разработана технология интегральных схем - Джек Килби из Texas Instruments разработал первую ИС или интегральную схему в 1950-х годах, а затем Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor решил некоторые практические проблемы этой интегральной схемы.

История интегральных схем

История интегральных схем началась с твердотельных устройств. Изобретение первой вакуумной лампы было сделано Джоном Амброузом (Дж.А.) Флемингом в 1897 году. Она получила название вакуумный диод. Для моторов он изобрел правило левой руки. После этого в 1906 году был изобретен новый вакуум, а именно триод, который используется для усиления.

После этого транзистор был изобретен в Bell Labs в 1947 году, чтобы частично заменить электронные лампы, потому что транзисторы - это небольшие компоненты, которые потребляют меньше энергии для работы. Различные схемы были разработаны с использованием дискретных компонентов, разделенных друг на друга, а также размещены на печатных платах путем управления руками, известными как неинтегральные схемы. Эти микросхемы потребляют много энергии и места, и их выход не такой плавный.

В 1959 году была разработана интегральная схема, в которой несколько электронных и электрических компонентов были изготовлены на одной кремниевой пластине. Интегральные схемы используют низкую мощность для работы, а также обеспечивают плавный выход. Кроме того, можно увеличить количество транзисторов по сравнению с интегральной схемой.

Эволюция интегральных схем на основе различных технологий

Классификация ИС может быть сделана на основе размеров кристалла и масштаба интеграции. Здесь шкала интеграции указывает количество электронных компонентов, помещенных в типичную интегральную схему.
С 1961 по 1965 год технология малой интеграции (SSI) использовалась для изготовления от 10 до 100 транзисторов на одном кристалле для изготовления триггеров и логических вентилей.

С 1966 по 1970 год технология средней интеграции (MSI) использовалась для изготовления от 100 до 1000 транзисторов на одном кристалле для создания мультиплексоров, декодеров и счетчиков.

С 1971 по 1979 год технология крупномасштабной интеграции (LSI) использовалась для изготовления от 1000 до 20000 транзисторов на одном кристалле для создания RAM, микропроцессора, ROM.

С 1980 по 1984 год технология очень крупномасштабной интеграции (СБИС) использовалась для изготовления от 20000 до 50000 транзисторов на одном кристалле для создания микропроцессоров RISC, DSP, а также 16-разрядных и 32-разрядных микропроцессоров.

С 1985 года по настоящее время технология сверхбольшой интеграции (ULSI) использовалась для изготовления от 50000 до миллиардов транзисторов на одном кристалле для создания 64-разрядных микропроцессоров.

Ограничения различных типов интегральных схем

Ограничения различных типов ИС включают следующее.

“что такое драйвер шагового двигателя ”

Номинальная мощность ограничена
Работает при низком напряжении
Во время работы генерирует шум
Высокий рейтинг PNP маловероятен.
Его компоненты зависят от напряжения, такие как резисторы и конденсаторы.
Это деликатно
Изготовление ИС с низким уровнем шума затруднено
Температурный коэффициент достичь сложно.
Сборка полноценного ПНП невозможна.
В ИС любой com
В ИС различные компоненты не могут быть заменены или удалены, поэтому, если какой-либо компонент в ИС повреждается, то вся ИС должна быть заменена на новую.
Номинальная мощность ограничена, потому что производство ИС мощностью более 10 Вт невозможно.

Различные типы интегральных схем

Существуют разные типы ИС. Классификация интегральных схем производится на основе различных критериев. Несколько типов микросхем в системе показаны на рисунке ниже с их именами в древовидном формате.

Различные типы ICS

Исходя из предполагаемого применения, ИС классифицируется как аналоговые интегральные схемы, цифровые интегральные схемы и смешанные интегральные схемы.

Цифровые интегральные схемы

Интегральные схемы, которые работают только на нескольких определенных уровнях вместо работы с общими уровнями амплитуды сигнала, называются цифровыми ИС, и они разработаны с использованием нескольких количеств цифровые логические вентили , мультиплексоры, триггеры и другие электронные компоненты схем. Эти логические элементы работают с двоичными входными данными или цифровыми входными данными, такими как 0 (низкий или ложный или логический 0) и 1 (высокий или истинный или логическая 1).

Цифровые интегральные схемы

На приведенном выше рисунке показаны этапы проектирования типичных цифровых интегральных схем. Эти цифровые ИС часто используются в компьютерах, микропроцессоры , цифровые сигнальные процессоры, компьютерные сети и частотомеры. Существуют различные типы цифровых ИС или типы цифровых интегральных схем, такие как программируемые ИС, микросхемы памяти, логические ИС, ИС управления питанием и интерфейсные ИС.

Аналоговые интегральные схемы

Интегральные схемы, которые работают с непрерывным диапазоном сигналов, называются аналоговыми ИС. Они подразделяются на линейные интегральные схемы (Linear ICs) и Радиочастота Интегральные схемы (ИС РФ). Фактически, зависимость между напряжением и током в некоторых случаях может быть нелинейной в большом диапазоне непрерывного аналогового сигнала.

Аналоговые интегральные схемы

Часто используемая аналоговая ИС представляет собой операционный усилитель или просто операционный усилитель, похожий на дифференциальный усилитель, но обладает очень высоким коэффициентом усиления по напряжению. Он состоит из гораздо меньшего количества транзисторов по сравнению с цифровыми ИС, и для разработки аналоговых интегральных схем для конкретных приложений (аналоговые ASIC) используются компьютеризированные инструменты моделирования.

Линейные интегральные схемы

Если в аналоговой интегральной схеме существует линейная зависимость между напряжением и током, то она называется линейной ИС. Лучшим примером этой линейной ИС является 741 IC, это 8-контактный операционный усилитель DIP (Dual In-Line Package),

Радиочастотные интегральные схемы

В аналоговой ИС, если существует нелинейная зависимость между ее напряжением и током, то она называется радиочастотной ИС. Этот вид ИС также известен как радиочастотная интегральная схема.

Смешанные интегральные схемы

Интегральные схемы, полученные путем объединения аналоговых и цифровых ИС на одном кристалле, называются смешанными ИС. Эти ИС функционируют как цифро-аналоговые преобразователи, Аналого-цифровые преобразователи (Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи) и микросхемы синхронизации. Схема, изображенная на рисунке выше, является примером смешанной интегральной схемы, которая представляет собой фотографию самовосстанавливающегося радиолокационного приемника с частотой 8–18 ГГц.

Смешанные интегральные схемы

“Адаптер с 3-х фазного на однофазный ”

Эта система смешанных сигналов на кристалле является результатом достижений в технологии интеграции, которая позволила интегрировать цифровые, несколько аналоговых и радиочастотных функций на одном кристалле.

Общие типы интегральных схем (ИС) включают следующее:

Логические схемы

Эти ИС разработаны с использованием логических вентилей, которые работают с двоичными входами и выходами (0 или 1). Они в основном используются в качестве лиц, принимающих решения. Основываясь на логике или таблице истинности логических вентилей, все логические вентили, подключенные к ИС, дают выход, основанный на схеме, подключенной внутри ИС, так что этот выход используется для выполнения определенной намеченной задачи. Ниже показаны несколько логических ИС.

Логические схемы

Компараторы

ИС компаратора используются в качестве компараторов для сравнения входов, а затем для получения выходных данных на основе сравнения ИС.

Компараторы

Коммутационные ИС

Коммутаторы или коммутационные ИС разработаны с использованием транзисторов и используются для выполнения коммутационные операции . На приведенном выше рисунке показан пример переключателя SPDT IC.

Коммутационные ИС

Усилители звука

Аудио усилители являются одним из многих типов ИС, которые используются для усиления звука. Обычно они используются в аудиоколонках, телевизионных схемах и т. Д. На приведенной выше схеме показана ИС низковольтного усилителя звука.

Усилители звука

CMOS интегральная схема

Интегральные схемы CMOS широко используются в различных приложениях по сравнению с полевыми транзисторами из-за их возможностей, таких как более низкое пороговое напряжение и низкое энергопотребление. КМОП-микросхема включает в себя устройства P-MOS и N-MOS, которые изготавливаются совместно на одном чипе. Структура этой ИС представляет собой затвор из поликристаллического кремния, который помогает снизить пороговое напряжение устройства, тем самым обеспечивая возможность обработки при низких уровнях напряжения.

ИС регулятора напряжения

Этот вид интегральной схемы обеспечивает стабильный выход постоянного тока, несмотря на изменения на входе постоянного тока. Чаще всего используются регуляторы типа LM309, uA723, LM105 и 78XX.

Операционные усилители

В операционные усилители часто используются ИС, похожие на усилители звука, которые используются для усиления звука. Эти операционные усилители используются для целей усиления, и эти микросхемы работают аналогично транзистор схемы усилителя. Конфигурация выводов микросхемы ОУ 741 показана на рисунке выше.

Операционные усилители

ИС таймера

Таймеры представляют собой интегральные схемы специального назначения, используемые для подсчета и отслеживания времени в предполагаемых приложениях. Блок-схема внутренней схемы LM555 таймер IC показан в приведенной выше схеме. В зависимости от количества используемых компонентов (обычно в зависимости от количества используемых транзисторов) они следующие:

ИС таймера

Малая интеграция состоит всего из нескольких транзисторов (десятков транзисторов на микросхеме), эти ИС сыграли решающую роль в ранних аэрокосмических проектах.

Среднемасштабная интеграция состоит из нескольких сотен транзисторов на микросхеме IC, разработанной в 1960-х годах и обеспечившей лучшую экономичность и преимущества по сравнению с микросхемами SSI.

Масштабная интеграция состоит из тысяч транзисторов на кристалле с почти такой же экономией, как и интегральные микросхемы среднего размера. Первый микропроцессор, микросхемы калькулятора и оперативная память объемом 1 Кбит, разработанные в 1970-х годах, содержали менее четырех тысяч транзисторов.

Очень крупномасштабная интеграция состоит из транзисторов от сотен до нескольких миллиардов (период разработки: с 1980-х по 2009 год).

Ультра-крупномасштабная интеграция состоит из более чем одного миллиона транзисторов, а позже были разработаны интеграция в масштабе пластины (WSI), система на кристалле (SoC) и трехмерная интегральная схема (3D-IC).

Все это можно рассматривать как поколения интегрированных технологий. ИС также классифицируются на основе процесса изготовления и технологии упаковки. Существует множество типов ИС, среди которых ИС будет функционировать как таймер, счетчик, регистр , усилитель, генератор, логический вентиль, сумматор, микропроцессор и т. д.

Типы интегральных схем по классам

Интегральные схемы доступны в трех классах в зависимости от технологий, используемых при их производстве.

Тонкие и толстопленочные ИС
Монолитные ИС
Гибридные или многокристальные ИС

Тонкие и толстые ИС

В этих типах интегральных схем используются пассивные компоненты, такие как конденсаторы и резисторы, однако транзисторы и диоды соединены как отдельные компоненты для создания схемы. Эти ИС представляют собой просто комбинацию как интегрированных, так и отдельных компонентов, и эти ИС имеют связанные характеристики и внешний вид, помимо способа нанесения пленки. От ICS можно принять решение о нанесении тонкой пленки на ИС.

Эти ИС созданы путем нанесения пленок из проводящего материала на поверхность стекла, иначе на керамической подставке. Путем изменения толщины пленок материалы будут иметь разное удельное сопротивление, и можно будет производить пассивные электронные компоненты.

В этом типе интегральных схем метод шелкографии используется для изготовления требуемой модели схемы на керамической подложке. Иногда такие ИС называют печатными тонкопленочными ИС.

Монолитные ИС

В этом виде интегральных схем могут быть сформированы соединения активного, пассивного и дискретного компонентов на кремниевом кристалле. Как следует из названия, оно происходит от греческого слова, например, моно - не что иное, как одиночный, тогда как Lithos означает камень. В настоящее время эти ИС используются чаще всего из-за меньшей стоимости, а также надежности. Промышленные ИС используются в качестве регуляторов напряжения, усилителей, компьютерных схем и АМ-приемников. Однако изоляция между монолитными компонентами ИС плохая, но они также имеют меньшую номинальную мощность,

Двухрядный корпус (DIP) IC

DIP (корпус с двойным расположением выводов) или DIPP (корпус с двумя выводами в линию) - это корпус электронных компонентов с точки зрения микроэлектроники или электроники с прямоугольной платой и двумя параллельными рядами с электрическими соединительными контактами.

Гибридные или многочиповые ИС

Как следует из названия, multi означает над одним отдельным чипом, который соединен между собой. Активные компоненты, такие как диоды или рассеянные транзисторы, включают эти ИС, тогда как пассивные компоненты представляют собой рассеянные конденсаторы или резисторы на одном кристалле. Соединение этих компонентов может быть выполнено через металлизированные прототипы. Многокристальные интегральные схемы широко используются в усилителях высокой мощности от 5 Вт до 50 Вт. По сравнению с монолитными интегральными схемами гибридные ИС обладают более высокими характеристиками.

Типы пакетов IC

Корпуса ИС делятся на два типа, например, для монтажа в сквозное отверстие и для поверхностного монтажа.

Пакеты для монтажа в сквозное отверстие

Их можно сконструировать, когда выводные штифты закреплены через одну сторону платы и тлеют на другой стороне. По сравнению с другими типами, размер этих пакетов больше. В основном они используются в электронных устройствах для уравновешивания места на плате, а также ограничения стоимости. Лучшим примером пакетов для сквозного монтажа являются двухрядные пакеты, потому что они наиболее часто используются. Эти пакеты доступны в двух типах: керамические и пластиковые.

В ATmega328 28 контактов расположены параллельно друг другу, расширяются по вертикали и размещаются на черной пластиковой плате прямоугольной формы. Расстояние между штырями составляет 0,1 дюйма. Кроме того, упаковка меняется в размере из-за разницы в количестве. контактов в разнородных упаковках. Расположение этих штырей может быть выполнено таким образом, чтобы их можно было отрегулировать по центру макета, чтобы не могло произойти короткое замыкание.

Различные пакеты микросхем для монтажа в сквозное отверстие: PDIP, DIP, ZIP, PENTAWATT, T7-TO220, TO2205, TO220, TO99, TO92, TO18, TO03.

Упаковка для поверхностного монтажа

Этот вид упаковки в основном соответствует технологии монтажа, в противном случае компоненты размещаются прямо на печатной плате. Несмотря на то, что его методы изготовления помогут делать вещи быстро, они также увеличивают вероятность неисправностей из-за крошечных компонентов, поскольку они расположены очень близко друг к другу. В этой упаковке используется пластик или керамическое литье. Различные виды корпусов для поверхностного монтажа, в которых используются пластиковые формы, - это небольшие корпуса с L-выводами и BGA (Ball Grid Array).

Различные корпуса ИС для поверхностного монтажа: SOT23, SOT223, TO252, TO263, DDPAK, SOP, TSOP, TQFP, QFN и BGA.

Преимущества

Преимущества типов интегральных схем обсуждаются ниже.

Потребляемая мощность низкая

Интегральные схемы потребляют меньше энергии для правильной работы из-за их меньшего размера и конструкции.

Размер компактный

Небольшая схема с использованием ИС может быть получена для заданной функциональности по сравнению с дискретной схемой.

Меньше затрат

По сравнению с дискретными схемами, интегральные схемы доступны по более низкой цене благодаря технологиям их изготовления, а также использованию небольшого количества материалов.

Меньший вес

“разница между комбинационной и последовательной логикой ”

Схемы, в которых используются интегральные схемы, имеют меньший вес по сравнению с дискретными схемами.

Скорость работы улучшена

Интегральные схемы работают на высоких скоростях из-за их скоростей переключения, а также низкого энергопотребления.

Высокая надежность

Если в схеме используются низкие соединения, интегральные схемы будут обеспечивать высокую надежность по сравнению с цифровыми схемами.

Размер ИС невелик, но на этом кристалле могут быть изготовлены тысячи компонентов.
Используя один чип, создаются различные сложные электронные схемы.
Из-за массового производства они доступны с меньшими затратами.
Скорость работы высокая из-за отсутствия эффекта паразитной емкости.
От материнской схемы его можно легко заменить

Недостатки

К недостаткам различных типов интегральных схем можно отнести следующее.

Тепло не может рассеиваться с необходимой скоростью из-за его небольшого размера, а перетекание тока может вызвать повреждение ИС.
В интегральных схемах трансформаторы, а также катушки индуктивности не могут быть включены.
Он справляется с ограниченным диапазоном мощности
Сборка полноценного ПНП невозможна.
Невозможно добиться низкотемпературного коэффициента
Диапазон рассеиваемой мощности до 10 Вт.
Невозможно получить высокое напряжение и низкий уровень шума.

Таким образом, речь идет об обзоре различных типов интегральных схем. Обычные интегральные схемы сокращаются в практическом использовании из-за изобретения наноэлектроники и миниатюризации ИС, продолжающейся этим. Наноэлектроника . Однако традиционные ИС еще не заменены наноэлектроникой, но использование обычных ИС частично сокращается. Чтобы улучшить эту статью технически, отправляйте свои запросы, идеи и предложения в виде комментариев в разделе ниже.

Фото: