Всеки електронен уред, който използваме в ежедневието си, като мобилни телефони, лаптопи, хладилници, компютри, телевизори и всички други електрически и електронни устройства, се произвежда с някои прости или сложни схеми. Електронните схеми се реализират с помощта на множество електрически и електронни компоненти свързани помежду си чрез свързване на проводници или провеждане на проводници за протичане на електрически ток през множеството компоненти на веригата, като напр резистори , кондензатори , индуктори, диоди, транзистори и т.н. Веригите могат да бъдат класифицирани в различни типове въз основа на различни критерии, като например въз основа на връзки: последователни вериги и паралелни схеми въз основа на размера и производствения процес на веригата: интегрални схеми и дискретни схеми и въз основа на сигнала, използван във веригата : аналогови схеми и цифрови схеми. Тази статия разглежда общ преглед на различните видове интегрални схеми и техните приложения.

Какво е интегрална схема?

Интегрална схема или IC или микрочип или чип е микроскопичен електронна схема масив, образуван от производството на различни електрически и електронни компоненти (резистори, кондензатори, транзистори и т.н.) върху полупроводников материал (силициева) пластинка, която може да извършва операции, подобни на големите дискретни електронни схеми, направени от дискретни електронни компоненти.

Интегрални схеми

Тъй като всички тези масиви от компоненти, микроскопичните схеми и полупроводниковата пластинна основа са интегрирани заедно, за да образуват един чип, следователно той се нарича интегрална схема или интегриран чип или микрочип.

Електронните схеми са разработени с помощта на отделни или дискретни електронни компоненти с различни размери, така че цената и размерът на тези дискретни схеми се увеличават с броя на компонентите, използвани във веригата. За да победи този негативен аспект, е разработена технологията на интегралната схема - Джак Килби от Texas Instruments разработва първата интегрална схема или интегрална схема през 50-те години, а след това Робърт Нойс от Fairchild Semiconductor решава някои практически проблеми на тази интегрална схема.

История на интегралните схеми

Историята на интегралните схеми е стартирана с твърдотелни устройства. Изобретяването на първата вакуумна тръба е направено от Джон Амброуз (J.A) Флеминг през 1897 г., наречен вакуумен диод. За двигателите той изобретил правилото отляво. След това през 1906 г. е изобретен нов вакуум, а именно Triode и той се използва за усилване.

След това транзисторът е изобретен в Bell Labs през 1947 г., за да замени частично вакуумните тръби, тъй като транзисторите са малки компоненти, които използват по-малко енергия за работа. Различните схеми са проектирани с използване на дискретни компоненти чрез разделяне един през друг, както и подредени върху печатните платки чрез управление чрез ръце, известни като неинтегрални схеми. Тези интегрални схеми консумират много енергия и пространство и изходът им не е толкова гладък.

През 1959 г. е разработена интегрална схема, където няколко електронни и електрически компонента са произведени върху една силиконова пластина. Интегралните схеми използват ниска мощност за работа, както и осигуряват плавен изход. Освен това подобрението на транзисторите по интегрална схема също може да бъде увеличено.

Еволюция на интегралната схема от различни технологии

Класификацията на интегралните схеми може да се направи въз основа на размерите на чипа и скалата за интеграция. Тук интеграционната скала определя броя на електронните компоненти, поставени в типична интегрална схема.
От 1961 до 1965 г. технологията за малка интеграция (SSI) се използва за производството на 10 до 100 транзистора на един чип, за да се правят джапанки и логически порти.

От 1966 до 1970 г. се използва технология за средна интеграция (MSI) за производство на 100 до 1000 транзистора на един чип, за да се направят мултиплексори, декодери и броячи.

От 1971 до 1979 г. е използвана широкомащабна технология за интегриране (LSI) за производството на 1000 до 20000 транзистора на един чип, за да се направи RAM, микропроцесор, ROM

От 1980 до 1984 г. технологията за много мащабна интеграция (VLSI) се използва за производството на 20000 до 50000 транзистора на един чип, за да се направят RISC микропроцесори, DSP и mi16-битови и 32-битови микропроцесори.

От 1985 г. до сега, технологията за ултра широкомащабна интеграция (ULSI) се използва за производство на 50000 до милиарди транзистори на един чип, за да се направят 64-битови микропроцесори.

Ограничения на различните типове интегрални схеми

Ограничението на различните видове интегрални схеми включва следното.

“arduino mega 2560 диаграма на изваждане ”

Номиналната мощност е ограничена
Функционира при ниско напрежение
Той генерира шум, докато работи
Не е вероятно висок рейтинг на PNP
Неговите компоненти са зависими от напрежението като резистори и кондензатори
Това е деликатно
Изработването на интегрална схема чрез ниско ниво на шум е трудно
Трудно е да се постигне температурният коефициент.
Сглобяването на висококачествен PNP не е постижимо.
В IC всеки com
В интегрална схема различни компоненти не могат да бъдат заменени, премахнати, следователно, ако някой компонент в интегралната схема повреди, тогава пълната интегрална схема трябва да се промени с новата.
Номиналната мощност е ограничена, тъй като производството на интегрални схеми над 10 вата не е възможно

Различни видове интегрални схеми

Има различни видове интегрални схеми, класификацията на интегралните схеми се извършва въз основа на различни критерии. Няколко типа интегрални схеми в системата са показани на фигурата по-долу с имената им в дървовиден формат.

Различни видове ICS

Въз основа на предвиденото приложение IC се класифицира като аналогови интегрални схеми, цифрови интегрални схеми и смесени интегрални схеми.

Цифрови интегрални схеми

Интегралните схеми, които работят само на няколко определени нива, вместо да работят общите нива на амплитуда на сигнала, се наричат цифрови интегрални схеми и те са проектирани чрез използване на множество номера на цифрови логически порти , мултиплексори, джапанки и други електронни компоненти на вериги. Тези логически порти работят с двоични входни данни или цифрови входни данни, като 0 (ниска или невярна или логическа 0) и 1 (висока или вярна или логическа 1).

Цифрови интегрални схеми

Горната фигура показва стъпките, свързани с проектирането на типични цифрови интегрални схеми. Тези цифрови интегрални схеми често се използват в компютри, микропроцесори , цифрови сигнални процесори, компютърни мрежи и честотни броячи. Съществуват различни видове цифрови интегрални схеми или типове цифрови интегрални схеми, като програмируеми интегрални схеми, чипове с памет, логически интегрални схеми, интегрални схеми за управление на захранването и интерфейсни интегрални схеми.

Аналогови интегрални схеми

Интегралните схеми, които работят в непрекъснат диапазон от сигнали, се наричат аналогови интегрални схеми. Те се подразделят на линейни интегрални схеми (линейни интегрални схеми) и Радио честота Интегрални схеми (RF интегрални схеми). Всъщност връзката между напрежението и тока може да бъде нелинейна в някои случаи в дълъг обхват на непрекъснатия аналогов сигнал.

Аналогови интегрални схеми

Често използваният аналогов IC е операционен усилвател или просто наречен op-amp, подобно на диференциалния усилвател, но притежава много високо напрежение. Състои се от много по-малък брой транзистори в сравнение с цифровите интегрални схеми и за разработване на аналогови специфични интегрални схеми (аналогови ASIC) се използват компютъризирани инструменти за симулация.

Линейни интегрални схеми

В аналогова интегрална схема, ако съществува линейна връзка между нейното напрежение, както и ток, тогава тя е известна като линейна интегрална схема. Най-добрият пример за този линеен IC е 741 IC, е 8-пинов DIP (двоен вграден пакет) операционен усилвател,

Радиочестотни интегрални схеми

В аналоговата интегрална схема, ако съществува нелинейна връзка между нейното напрежение и ток, тя се нарича радиочестотна интегрална схема. Този вид интегрална схема е известна също като радиочестотна интегрална схема.

Смесени интегрални схеми

Интегралните схеми, които се получават чрез комбинацията от аналогови и цифрови интегрални схеми на един чип, се наричат смесени интегрални схеми. Тези интегрални схеми функционират като цифрово-аналогови преобразуватели, Аналогово-цифрови преобразуватели (D / A и A / D преобразуватели) и интегрални схеми за часовник / синхронизация. Схемата, изобразена на горната фигура, е пример за смесената интегрална схема, която е снимка на 8 до 18 GHz самолечещ радар приемник.

Смесени интегрални схеми

Тази система със смесен сигнал на чип е резултат от напредъка в интеграционната технология, която позволи интегрирането на цифрови, множество аналози и радиочестотни функции в един чип.

Общите типове интегрални схеми (IC) включват следното:

Логически схеми

Тези интегрални схеми са проектирани с помощта на логически порти, които работят с двоични входове и изходи (0 или 1). Те се използват най-вече като лица, вземащи решения. Въз основа на логическата таблица или таблицата на истината на логическите порти, всички логически порти, свързани в интегралната схема, дават изход въз основа на веригата, свързана вътре в интегралната схема, така че този изход се използва за изпълнение на конкретна предвидена задача. Няколко логически интегрални схеми са показани по-долу.

Логически схеми

Компаратори

Сравнителните интегрални схеми се използват като сравнителни устройства за сравняване на входовете и след това за създаване на изход въз основа на сравнението на интегралните схеми.

“преобразувател на напрежение към честота ic ”

Компаратори

Превключване на интегрални схеми

Превключвателите или превключващите интегрални схеми са проектирани с помощта на транзисторите и се използват за изпълнение на превключващи операции . Горната фигура е пример, показващ SPDT IC превключвател.

Превключване на интегрални схеми

Аудио усилватели

Аудиото усилватели са един от многото видове интегрални схеми, които се използват за усилване на аудиото. Те обикновено се използват в аудио високоговорители, телевизионни схеми и т.н. Горната схема показва IC с нисковолтов аудио усилвател.

Аудио усилватели

Интегрална схема CMOS

Интегралните схеми CMOS се използват изключително в различни приложения в сравнение с полевите транзистори поради техните възможности като ниско прагово напрежение, ниска консумация на енергия. IC CMOS включва P-MOS и N-MOS устройства, които са произведени съвместно на подобен чип. Структурата на тази интегрална схема е полисилициева порта, която помага да се намали праговото напрежение на устройството, като по този начин позволява процес при ниски нива на напрежение.

ИС на регулатора на напрежението

Този вид интегрална схема осигурява стабилен DC изход, въпреки промените в рамките на DC вход. Често използваните тип регулатори са интегрални схеми LM309, uA723, LM105 и 78XX.

Операционни усилватели

The операционни усилватели са често използвани интегрални схеми, подобни на аудио усилвателите, които се използват за аудио усилване. Тези операционни усилватели се използват за усилване и тези интегрални схеми работят подобно на транзистор усилвателни вериги. Конфигурацията на щифтовете на интегралната схема с усилвател 741 е показана на горната фигура.

Операционни усилватели

ИС на таймера

Таймери са интегрални схеми със специално предназначение, използвани с цел преброяване и за следене на времето в предвидените приложения. Блоковата схема на вътрешната верига на LM555 таймер IC е показано в горната схема. Въз основа на броя на използваните компоненти (обикновено въз основа на броя на използваните транзистори) те са както следва

ИС на таймера

Малка интеграция се състои само от няколко транзистора (десетки транзистори на чип), тези интегрални схеми изиграха критична роля в ранните аерокосмически проекти.

Интеграция в среден мащаб се състои от около стотици транзистори на IC чипа, разработен през 60-те години и постигнал по-добра икономичност и предимства в сравнение със SSI IC.

Мащабна интеграция се състои от хиляди транзистори на чипа с почти същата икономичност като интегрални схеми за интеграция от среден мащаб. Първият микропроцесор, чипс за калкулатор и RAM от 1Kbit, разработен през 70-те години, имаше под четири хиляди транзистора.

Много мащабна интеграция се състои от транзистори от стотици до няколко милиарда. (Период на разработка: от 80-те до 2009 г.)

Ултрамащабна интеграция се състои от транзистори, надвишаващи повече от един милион, и по-късно са разработени интегрални мащаби (WSI), система на чип (SoC) и триизмерна интегрална схема (3D-IC).

Всичко това може да се третира като поколения интегрирани технологии. ИС също се класифицират въз основа на производствения процес и технологията на опаковане. Има многобройни видове интегрални схеми, сред които интегрална схема ще функционира като таймер, брояч, регистрирам , усилвател, осцилатор, логическа порта, суматор, микропроцесор и т.н.

Видове интегрални схеми въз основа на класове

Интегралните схеми се предлагат в три класа въз основа на техниките, използвани при тяхното производство.

Тънки и дебели филмови интегрални схеми
Монолитни интегрални схеми
Хибридни или многочипови интегрални схеми

Тънки и дебели интегрални схеми

В тези видове интегрални схеми се използват пасивни компоненти като кондензатори и резистори, но транзисторите и диодите са свързани като отделни компоненти, за да проектират схема. Тези интегрални схеми са просто комбинация от интегрирани, както и отделни компоненти и тези интегрални схеми имат свързани характеристики и външен вид, освен начина на отлагане на филма. От ICS може да се реши отлагането на тънки ICs филми.

Тези интегрални схеми са проектирани чрез провеждане на отлагащи филми материали върху повърхността на стъклото, иначе върху керамична стойка. Чрез промяна на дебелината на филмите върху материалите ще има различно съпротивление и може да се направи производство на пасивни електронни компоненти.

При този тип интегрална схема методът на печатане на коприна се използва за направата на необходимия модел на веригата върху керамична основа. Понякога този вид интегрални схеми се наричат печатни тънкослойни интегрални схеми.

Монолитни интегрални схеми

В този вид интегрални схеми могат да се формират взаимовръзките на активния, пасивния и дискретния компоненти на силициев чип. Както подсказва името, то произлиза от гръцката дума като mono не е нищо друго освен единично, докато Lithos означава камък. В момента тези интегрални схеми се използват най-често поради по-ниски разходи, както и надеждност. Интегралните схеми, които се произвеждат в търговската мрежа, се използват като регулатори на напрежение, усилватели, компютърни схеми и AM приемници. Въпреки това, изолацията сред монолитните компоненти на IC е лоша, но също така има по-малка мощност,

IC с двоен ред (DIP)

DIP (двоен вграден пакет) или DIPP (двоен вграден опаковъчен пакет) е пакет от електронни компоненти по отношение на микроелектрониката или електрониката с правоъгълна платка и два успоредни реда с електрически свързващи щифтове.

Хибридни или многочипови интегрални схеми

Както подсказва името, multi означава над един отделен чип, който е взаимосвързан. Активните компоненти като диоди или дифузни транзистори включват тези интегрални схеми, докато пасивните компоненти са дифузните кондензатори или резистори на един чип. Свързването на тези компоненти може да се осъществи чрез метализирани прототипи. Многочиповите интегрални схеми се използват широко за приложенията на усилвател с висока мощност от 5W до 50W. В сравнение с монолитните интегрални схеми, хибридните интегрални схеми са по-добри.

Видове IC пакети

IC пакетите са категоризирани в два вида, като опаковка чрез монтаж през отвор и повърхностно монтиране.

Пакети за монтиране през отвори

Проектирането им може да се извърши там, където оловните щифтове са фиксирани през едната страна на дъската и затопени от другата страна. В сравнение с други видове, размерът на тези пакети е по-голям. Те се използват главно в електронни устройства за балансиране на платката, както и ограничения на разходите. Най-добрият пример за пакети за монтиране през отвори са двойните вградени пакети, тъй като те са най-използваните. Тези опаковки се предлагат в два вида, като керамика и пластмаса.

В ATmega328 28-пиновете са разположени успоредно един на друг чрез разширяване вертикално и разположени върху черна пластмасова дъска с правоъгълна форма. Пространството между щифтовете се поддържа с 0,1 инча. В допълнение, пакетът се променя по размер поради разликата в не. на щифтове в различни пакети. Разположението на тези щифтове може да бъде направено по такъв начин, че да може да се регулира до средата на макет, така че да не може да се получи късо съединение.

Различните IC пакети за монтиране през отвори са PDIP, DIP, ZIP, PENTAWATT, T7-TO220, TO2205, TO220, TO99, TO92, TO18, TO03.

Опаковка за повърхностно монтиране

Този вид опаковка следва основно технологията на монтиране, в противен случай разположението на компонентите е направо върху печатната платка. Въпреки че методите му за производство ще помогнат да се правят нещата бързо, това също така подобрява шансовете за неизправности поради малките компоненти и те са разположени много близо един до друг. Този вид опаковка използва пластмасово или керамично формоване. Различните видове опаковки за повърхностно монтиране, в които се използват пластмасови форми, са L-оловен пакет с малък контур и BGA (Ball Grid Array).

Различните IC пакети за повърхностно монтиране са SOT23, SOT223, TO252, TO263, DDPAK, SOP, TSOP, TQFP, QFN и BGA.

Предимства

Предимствата на типовете интегрални схеми са разгледани по-долу.

Консумацията на енергия е ниска

Интегралните схеми използват по-малко енергия, за да работят правилно поради по-малкия си размер и конструкция.

Размерът е компактен

Малка верига, използваща интегрални схеми, може да бъде получена за дадена функционалност в сравнение с дискретната верига.

По-малко разходи

В сравнение с дискретни схеми, интегралните схеми се предлагат на по-ниска цена поради техните технологии за производство, както и използването на нисък материал.

По-малко тегло

Схемите, които използват интегрални схеми, са с по-малко тегло в сравнение с дискретни схеми

Подобрена е работната скорост

Интегралните схеми работят при високи скорости поради техните скорости на превключване, както и ниската консумация на енергия.

Висока надеждност

След като схемата използва ниски връзки, тогава интегралните схеми ще осигурят висока надеждност в сравнение с цифровите схеми.

“каква е ползата от моста в мрежата ”

Размерът на интегралната схема е малък, но хиляди компоненти могат да бъдат произведени на този чип.
Чрез използване на един чип се проектират различни сложни електронни схеми
Поради масовото производство те се предлагат с по-ниски разходи
Работната скорост е висока поради липсата на ефект на паразитен капацитет.
От майчината верига тя може лесно да бъде променена

Недостатъци

Недостатъците на различните видове интегрални схеми включват следното.

Топлината не може да се разсейва с необходимата скорост поради малкия си размер и преливането на ток може да причини повреда на интегралната схема
В интегралните схеми трансформаторите, както и индукторите, не могат да бъдат вградени
Той се справя с ограничен диапазон на мощност
Сглобяването на висококачествен PNP не е постижимо.
Не може да се постигне нискотемпературен коефициент
Диапазонът на разсейване на мощността е до 10 вата
Не може да се получи работа с високо напрежение и ниско ниво на шум

По този начин става въпрос за преглед на различни видове интегрални схеми. Конвенционалните интегрални схеми са намалени в практическа употреба, тъй като изобретението на нано-електрониката и миниатюризацията на интегралните схеми се продължават от това Нано-електронна технология . Въпреки това, конвенционалните интегрални схеми все още не са заменени от наноелектроника, но използването на конвенционалните интегрални схеми намалява частично. За да подобрите технически тази статия, моля, публикувайте вашите запитвания, идеи и предложения като коментари в раздела по-долу.

Кредити за снимки: