Erilaisia ​​integroituja piirejä IC-tyypit

Kokeile Instrumenttia Ongelmien Poistamiseksi





Jokainen jokapäiväisessä elämässämme käytettävä elektroninen laite, kuten matkapuhelimet, kannettavat tietokoneet, jääkaapit, tietokoneet, televisiot ja kaikki muut sähkö- ja elektroniikkalaitteet, on valmistettu yksinkertaisilla tai monimutkaisilla piireillä. Elektroniset piirit toteutetaan käyttämällä useita sähköiset ja elektroniset komponentit kytketty toisiinsa kytkemällä johtoja tai johtimien avulla sähkövirtaa piirin useiden komponenttien, kuten vastukset , kondensaattorit , induktorit, diodit, transistorit ja niin edelleen. Piirit voidaan luokitella erityyppisiin eri kriteerien perusteella, kuten esimerkiksi yhteyksien perusteella: sarjapiirit ja rinnakkaispiirit piirin koon ja valmistusprosessin perusteella: integroidut piirit ja erilliset piirit ja piirissä käytetyn signaalin perusteella : analogiset piirit ja digitaaliset piirit. Tässä artikkelissa käsitellään yleiskatsaus erityyppisiin integroituihin piireihin ja niiden sovelluksiin.

Mikä on integroitu piiri?

Integroitu piiri tai IC tai mikrosiru tai siru on mikroskooppi elektroninen piiri joukko, joka muodostuu valmistamalla erilaisia ​​sähköisiä ja elektronisia komponentteja (vastukset, kondensaattorit, transistorit ja niin edelleen) puolijohdemateriaali (pii) kiekko, joka voi suorittaa samanlaisia ​​toimintoja kuin suuret erilliset elektronisista komponenteista valmistetut erilliset elektroniset piirit.




Integroidut piirit

Integroidut piirit

Kun kaikki nämä komponenttiryhmät, mikroskooppiset piirit ja puolijohdekiekkomateriaalipohja on integroitu yhteen muodostamaan yksi siru, siis sitä kutsutaan integroiduksi piiriksi tai integroiduksi siruksi tai mikrosiruksi.



Elektronisia piirejä kehitetään käyttämällä erikokoisia yksittäisiä tai erillisiä elektronisia komponentteja siten, että näiden erillisten piirien hinta ja koko kasvavat piirissä käytettyjen komponenttien määrän kanssa. Tämän negatiivisen puolen voittamiseksi kehitettiin integroidun piirin tekniikka - Jack Kilby Texas Instrumentsista kehitti ensimmäisen IC: n tai integroidun piirin 1950-luvulla, ja sen jälkeen Robert Noyce Fairchild Semiconductor -ratkaisusta ratkaisi tämän integroidun piirin käytännön ongelmia.

Integroitujen piirien historia

Integroitujen piirien historia aloitettiin Solid State -laitteilla. Ensimmäisen tyhjiöputken keksi John Ambrose (J.A.) Fleming vuonna 1897, nimeltään tyhjiödiodi. Moottoreille hän keksi vasemman käden säännön. Sen jälkeen vuonna 1906 keksittiin uusi tyhjiö, nimittäin Triode, ja sitä käytetään monistukseen.

Sen jälkeen transistori keksittiin Bell Labsissa vuonna 1947 korvaamaan alipaineputket osittain, koska transistorit ovat pieniä komponentteja, jotka käyttävät vähemmän virtaa työskentelyyn. Eri piirit suunniteltiin käyttämällä erillisiä komponentteja erottamalla ne toistensa läpi, ja ne järjestettiin painetuille piirilevyille ohjaamalla käsillä, joita kutsutaan integroimattomiksi piireiksi. Nämä IC: t kuluttavat paljon virtaa ja tilaa, eikä niiden lähtö ole niin sujuvaa.


Vuonna 1959 kehitettiin integroitu piiri, jossa useita elektronisia ja sähköisiä komponentteja valmistettiin yhdellä piikiekolla. Integroidut piirit käyttävät vähän virtaa toimiakseen ja tuottavat sujuvan ulostulon. Lisäksi transistoreiden tehostamista integroidulla piirillä voidaan lisätä.

Eri tekniikoiden integroitu piiri

IC: n luokitus voidaan tehdä sirun koon ja integraatioasteikon perusteella. Tässä integraatioasteikko määrittää tyypilliseen integroituun piiriin sijoitettujen elektronisten komponenttien lukumäärän.
Vuosina 1961 - 1965 pienimuotoista integraatiotekniikkaa (SSI) käytettiin 10 - 100 transistorin valmistamiseen yhdelle sirulle varvassandaalien ja logiikkaporttien valmistamiseksi.

Vuosina 1966–1970 käytettiin keskisuuren integraation (MSI) tekniikkaa 100 - 1000 transistorin valmistamiseksi yhdelle sirulle multiplekserien, dekooderien ja laskureiden valmistamiseksi.

Vuosina 1971-1979 laajamittaista integraatiotekniikkaa (LSI) käytettiin 1000-20000 transistorin valmistamiseen yhdelle sirulle RAM: n, mikroprosessorin, ROM: n valmistamiseksi.

Vuosina 1980-1984 VLSI-tekniikkaa käytettiin 20000-50000 transistorin valmistamiseen yhdelle sirulle RISC-mikroprosessorien, DSP: n sekä mi16- ja 32-bittisten mikroprosessorien valmistamiseksi.

Vuodesta 1985 tähän päivään asti ULSI-tekniikkaa (ultra large scale Integration) käytettiin 50000 miljardin transistorin valmistamiseen yhdelle sirulle 64-bittisten mikroprosessorien valmistamiseksi.

Erilaisten integroitujen piirien rajoitukset

Erityyppisten IC: ien rajoitukset sisältävät seuraavat.

  • Teho on rajoitettu
  • Se toimii matalalla jännitteellä
  • Se tuottaa melua käytön aikana
  • Korkea PNP-luokitus ei ole todennäköistä
  • Sen komponentit ovat jännitteestä riippuvia, kuten vastukset ja kondensaattorit
  • Se on herkkä
  • IC: n valmistus matalan melun kautta on vaikeaa
  • Lämpötilakerrointa on vaikea saavuttaa.
  • Korkealaatuisen PNP: n kokoaminen ei ole mahdollista.
  • IC: ssä mikä tahansa com
  • IC: ssä eri komponentteja ei voida korvata, poistaa, joten jos mikään IC: n sisällä oleva komponentti vaurioituu, koko IC: n on vaihdettava uuteen.
  • Teholuokitus on rajallinen, koska yli 10 watin teholuokan piirikorttien valmistus ei ole mahdollista

Erilaisia ​​integroituja piirejä

Integroitujen piirien luokittelu on erityyppistä, ja se perustuu eri kriteereihin. Muutama järjestelmän IC-tyyppi on esitetty alla olevassa kuvassa ja niiden nimet puumuodossa.

Erilaiset IC-tyypit

Erilaiset ICS-tyypit

Suunnitellun sovelluksen perusteella IC luokitellaan analogisiksi integroiduiksi piireiksi, digitaalisiksi integroiduiksi piireiksi ja yhdistetyiksi integroiduiksi piireiksi.

Digitaaliset integroidut piirit

Integroiduja piirejä, jotka toimivat vain muutamalla määritetyllä tasolla signaalin amplitudin yleisen tason sijasta, kutsutaan digitaalisiksi IC :eiksi, ja ne suunnitellaan käyttämällä useita digitaalisen logiikan portit , multiplekserit, varvastossut ja muut piirien elektroniset komponentit. Nämä logiikkaportit toimivat binäärisen syötetiedon tai digitaalisen syötetiedon kanssa, kuten 0 (matala tai väärä tai looginen 0) ja 1 (korkea tai tosi tai looginen 1).

Digitaaliset integroidut piirit

Digitaaliset integroidut piirit

Yllä oleva kuva esittää vaiheet tyypillisten digitaalisten integroitujen piirien suunnittelussa. Näitä digitaalisia mikropiirejä käytetään usein tietokoneissa, mikroprosessorit , digitaaliset signaaliprosessorit, tietokoneverkot ja taajuuslaskurit. On olemassa erityyppisiä digitaalisia IC: itä tai digitaalisten integroitujen piirien tyyppejä, kuten ohjelmoitavat IC: t, muistisirut, logiikka IC: t, virranhallinta IC: t ja liitäntä IC: t.

Analogiset integroidut piirit

Integroiduja piirejä, jotka toimivat jatkuvalla signaalialueella, kutsutaan analogisiksi IC: ksi. Nämä on jaettu lineaarisiin integroituihin piireihin (Linear ICs) ja Radiotaajuus Integroidut piirit (RF-piirit). Itse asiassa jännitteen ja virran suhde voi olla joissakin tapauksissa epälineaarinen pitkällä jatkuvan analogisen signaalin alueella.

Analogiset integroidut piirit

Analogiset integroidut piirit

Usein käytetty analoginen IC on operatiivinen vahvistin tai yksinkertaisesti nimeltään op-amp, samanlainen kuin differentiaalivahvistin, mutta sillä on erittäin suuri jännitevahvistus. Se koostuu hyvin pienestä määrästä transistoreita verrattuna digitaalisiin IC: iin, ja analogisten sovelluskohtaisten integroitujen piirien (analogisten ASIC-piirien) kehittämiseksi käytetään tietokoneistettuja simulointityökaluja.

Lineaariset integroidut piirit

Analogisessa integroidussa piirissä, jos sen jännitteen ja virran välillä on lineaarinen suhde, se tunnetaan lineaarisena IC: nä. Paras esimerkki tästä lineaarisesta IC: stä on 741 IC, on 8-napainen DIP (Dual In-line Package) -op-amp,

Radiotaajuiset integroidut piirit

Jos analogisessa IC: ssä jännitteen ja virran välillä on epälineaarinen suhde, sitä kutsutaan radiotaajuuksisiksi IC: ksi. Tällainen IC tunnetaan myös radiotaajuisena integroiduna piirinä.

Integroidut piirit

Integroiduja piirejä, jotka saadaan yhdistämällä analogisia ja digitaalisia IC: itä yhdelle sirulle, kutsutaan Mixed ICiksi. Nämä piirit toimivat digitaalimuunnoksina muuntimiksi, Analogisista digitaalimuuntimiin (D / A- ja A / D-muuntimet) ja kello / ajoitus-IC: t. Yllä olevassa kuvassa kuvattu piiri on esimerkki integroidusta sekapiiristä, joka on valokuva 8-18 GHz: n itseparantuvasta tutkavastaanottimesta.

Integroidut piirit

Integroidut piirit

Tämä mikrosignaalijärjestelmä sirulla on tulos integraatioteknologian kehityksestä, joka mahdollisti digitaalisten, useiden analogien ja RF-toimintojen integroinnin yhdelle sirulle.

Integroitujen piirien yleisiä tyyppejä ovat seuraavat:

Logiikkapiirit

Nämä IC: t on suunniteltu käyttämällä logiikkaportteja, jotka toimivat binäärisen tulon ja lähdön kanssa (0 tai 1). Näitä käytetään enimmäkseen päätöksentekijöinä. Loogisten porttien logiikka- tai totetaulukon perusteella kaikki IC: ään kytketyt logiikkaportit antavat lähdön IC: n sisään kytketyn piirin perusteella - siten, että tätä lähtöä käytetään tietyn tarkoitetun tehtävän suorittamiseen. Muutama looginen IC on esitetty alla.

Logiikkapiirit

Logiikkapiirit

Vertailijat

Vertailu-IC: itä käytetään vertailijoina tulojen vertailussa ja sitten tuotoksen tuottamiseksi IC: n vertailun perusteella.

Vertailijat

Vertailijat

IC: n vaihtaminen

Kytkimet tai kytkentäpiirit on suunniteltu käyttämällä transistoreita ja niitä käytetään vaihtotoiminnot . Yllä oleva kuva on esimerkki SPDT IC -kytkimestä.

IC: n vaihtaminen

IC: n vaihtaminen

Äänivahvistimet

Ääni vahvistimet ovat yksi monista IC-tyypeistä, joita käytetään äänen vahvistamiseen. Näitä käytetään yleensä äänikaiuttimissa, televisiopiireissä ja niin edelleen. Yllä oleva piiri näyttää matalajännitteisen äänivahvistimen IC: n.

Äänivahvistimet

Äänivahvistimet

CMOS-integroitu piiri

CMOS-integroituja piirejä käytetään erittäin eri tavoin FET-laitteisiin verrattuna niiden ominaisuuksien, kuten matalampi kynnysjännite, pieni virrankulutus, takia. CMOS IC sisältää P-MOS- ja N-MOS-laitteet, jotka on valmistettu yhdessä samanlaisella sirulla. Tämän IC: n rakenne on monikiteinen piiportti, joka auttaa vähentämään laitteen kynnysjännitettä, mikä mahdollistaa prosessin matalalla jännitteellä.

Jännitteen säätimen IC: t

Tällainen integroitu piiri tarjoaa vakaan DC-lähdön DC-tulon muutoksista huolimatta. Yleisesti käytetyt tyyppisäätimet ovat LM309, uA723, LM105 & 78XX ICs.

Operatiiviset vahvistimet

operatiiviset vahvistimet ovat usein käytettyjä IC: itä, samanlaisia ​​kuin äänivahvistimia, joita käytetään äänen vahvistamiseen. Näitä op-vahvistimia käytetään monistustarkoituksiin, ja nämä IC: t toimivat samalla tavalla kuin transistori vahvistinpiirit. 741 op-amp IC: n nastakokoonpano on esitetty yllä olevassa kuvassa.

Operatiiviset vahvistimet

Operatiiviset vahvistimet

Ajastinpiirit

Ajastimet ovat erityiskäyttöisiä integroituja piirejä, joita käytetään laskentaan ja ajan seurantaan tarkoitetuissa sovelluksissa. Lohkokaavio sisäisestä piiristä LM555-ajastimen IC näkyy yllä olevassa piirissä. Käytettyjen komponenttien lukumäärän perusteella (tyypillisesti käytettyjen transistorien lukumäärän perusteella) ne ovat seuraavat

Ajastinpiirit

Ajastinpiirit

Pienimuotoinen integraatio koostuu vain muutamista transistoreista (kymmeniä siruja olevista transistoreista), näillä IC: llä oli kriittinen rooli varhaisissa ilmailu- ja avaruushankkeissa.

Keskitason integraatio koostuu sadoista transistoreista 1960-luvulla kehitetyssä IC-sirussa ja saavutti paremman taloudellisuuden ja edut verrattuna SSI-piiriin.

Laajamittainen integraatio koostuu tuhansista sirun transistoreista, joiden taloudellisuus on lähes sama kuin keskisuurten integraatio-IC: iden. Ensimmäisellä 1970-luvulla kehitetyllä 1 kt: n mikroprosessorilla, laskinpiireillä ja RAM-muistilla oli alle neljä tuhatta transistoria.

Erittäin laaja integraatio koostuu transistoreista, joiden lukumäärä on satoja - useita miljardeja (kehitysjakso: 1980-luvulta 2009)

Erittäin laajamittainen integraatio koostuu yli miljoonan transistorista, ja myöhemmin kehitettiin kiekkojen integrointi (WSI), sirujärjestelmä (SoC) ja kolmiulotteinen integroitu piiri (3D-IC).

Kaikkia näitä voidaan pitää integroidun tekniikan sukupolvina. IC: t luokitellaan myös valmistusprosessin ja pakkaustekniikan perusteella. On olemassa useita IC-tyyppejä, joista IC toimii ajastimena, laskurina, rekisteröidy , vahvistin, oskillaattori, logiikkaportti, summain, mikroprosessori ja niin edelleen.

Luokkiin perustuvat integroitujen piirien tyypit

Integroituja piirejä on saatavana kolmessa luokassa perustuen niiden valmistuksessa käytettyihin tekniikoihin.

  • Ohut ja paksu kalvo IC
  • Monoliittiset IC: t
  • Hybridi- tai monisiruiset IC: t

Ohut ja paksu IC

Tämän tyyppisissä integroiduissa piireissä käytetään passiivisia komponentteja, kuten kondensaattoreita ja vastuksia, mutta transistorit ja diodit on kytketty erillisinä komponentteina piirin suunnittelemiseksi. Nämä IC: t ovat yksinkertaisesti sekä integroitujen että erillisten komponenttien yhdistelmä, ja näillä IC: llä on samankaltaisia ​​ominaisuuksia ja ulkonäköä kuin kalvon kerrostustapa. ICS: stä voidaan päättää ohut IC-kalvon laskeuma.

Nämä piirit on suunniteltu johtamalla materiaalin kerrostumiskalvot lasin pinnalle muuten keraamiselle alustalle. Muuttamalla kalvojen paksuutta materiaaleilla on erilainen resistanssi ja passiivisten elektronisten komponenttien valmistus voidaan tehdä.

Tämän tyyppisessä integroidussa piirissä käytetään silkkipainomenetelmää tarvittavan piirin mallin valmistamiseksi keraamiselle alustalle. Joskus tällaista IC: tä kutsutaan painetuksi ohutkalvo-IC: ksi.

Monoliittiset IC: t

Tällaisissa integroiduissa piireissä voidaan muodostaa piipiirin aktiivisten, passiivisten ja erillisten komponenttien yhteenliitännät. Kuten nimestä voi päätellä, se on johdettu kreikkalaisesta sanasta, kuten mono ei ole muuta kuin yksittäinen, kun taas Lithos tarkoittaa kiveä. Tällä hetkellä näitä mikropiirejä käytetään yleisimmin alhaisempien kustannusten ja luotettavuuden vuoksi. Kaupallisesti valmistettuja IC: itä käytetään kuten jännitteen säätimiä, vahvistimia, tietokonepiirejä ja AM-vastaanottimia. Monoliittisten IC-komponenttien eristys on kuitenkin heikko, mutta sillä on myös pienempi teho,

DIP-linjapaketti (DIP) IC

DIP (dual in-line -paketti) tai DIPP (dual in-line pin -paketti) on mikroelektroniikan tai elektroniikan kannalta elektroninen komponenttipaketti, jossa on suorakulmainen levy ja kaksi rinnakkaista riviä, joissa on sähköiset liitintapit.

Hybridi- tai monisiruiset IC: t

Kuten nimestä voi päätellä, multi tarkoittaa yhden yksittäisen sirun yläpuolella, joka on kytketty toisiinsa. Aktiiviset komponentit, kuten diodit tai hajautetut transistorit, sisältävät nämä IC: t, kun taas passiiviset komponentit ovat hajautettuja kondensaattoreita tai vastuksia yhdellä sirulla. Näiden komponenttien liittäminen voidaan tehdä metalloitujen prototyyppien avulla. Monisiruisia integroituja piirejä käytetään laajasti suuritehoisten vahvistimien sovelluksiin 5 - 50 W. Monoliittisiin integroituihin piireihin verrattuna hybridi-IC: n suorituskyky on parempi.

IC-pakettien tyypit

IC-paketit on luokiteltu kahteen tyyppiin, kuten läpivienti- ja pinta-asennuspaketit.

Läpireikäkiinnityspaketit

Näiden suunnittelu voidaan tehdä silloin, kun lyijytapit kiinnitetään levyn yhden pinnan läpi ja hehkutetaan toisella puolella. Verrattuna muihin tyyppeihin näiden pakettien koko on suurempi. Näitä käytetään pääasiassa elektronisissa laitteissa tasapainottamaan levytilaa ja kustannusrajoituksia. Paras esimerkki läpireikäkiinnityspaketeista on Dual inline -paketit, koska nämä ovat eniten käytettyjä paketteja. Näitä paketteja on saatavana kahta tyyppiä, kuten keraamisia ja muovisia.

ATmega328: ssa 28-nastaiset sijoittuvat rinnakkain toistensa kanssa laajenemalla pystysuunnassa ja asettamalla mustalle muoviselle suorakulmaiselle levylle. Nastojen välinen tila pidetään 0,1 tuumalla. Lisäksi paketin koko muuttuu numeronumeron eron takia. nastoja erilaisissa pakkauksissa. Näiden tapien järjestely voidaan tehdä siten, että niitä voidaan säätää keskelle leipälautaa, jotta oikosulku ei onnistu.

Eri läpireikäkiinnitteiset IC-paketit ovat PDIP, DIP, ZIP, PENTAWATT, T7-TO220, TO2205, TO220, TO99, TO92, TO18, TO03.

Pinta-asennettava pakkaus

Tällainen pakkaus noudattaa pääasiassa kiinnitystekniikkaa, muuten sijoittamalla komponentit suoraan piirilevylle. Vaikka hänen valmistusmenetelmänsä auttavat tekemään asioita nopeasti, se parantaa myös pienten komponenttien aiheuttamien vikojen mahdollisuutta ja ne on järjestetty hyvin lähelle toisiaan. Tällaisissa pakkauksissa käytetään muovi- tai keraamisia muovausmenetelmiä. Erilaisia ​​pinta-asennettavia pakkauksia, joissa käytetään muovimuotteja, ovat pienikokoiset L-lyijypakkaukset ja BGA (Ball Grid Array).

Eri pinta-asennettavat IC-paketit ovat SOT23, SOT223, TO252, TO263, DDPAK, SOP, TSOP, TQFP, QFN ja BGA.

Edut

Integroidun piirin tyyppien etuja käsitellään jäljempänä.

Virrankulutus on pieni

Integroidut piirit käyttävät vähemmän virtaa toimiakseen kunnolla niiden pienemmän koon ja rakenteen vuoksi.

Koko on kompakti

Pieni piiri, joka käyttää IC: itä, voidaan saada tietylle toiminnallisuudelle erilliseen piiriin verrattuna.

Vähemmän kustannuksia

Erillisiin piireihin verrattuna integroituja piirejä on saatavana edullisemmin niiden valmistustekniikoiden ja matalan materiaalin käytön vuoksi.

Vähemmän painoa

Integroiduja piirejä käyttävät piirit ovat vähemmän painavia kuin erilliset piirit

Toimintanopeutta parannetaan

Integroidut piirit toimivat suurilla nopeuksilla kytkentänopeuden ja pienen virrankulutuksen vuoksi.

Korkea luotettavuus

Kun piiri käyttää matalia yhteyksiä, integroidut piirit tarjoavat suuren luotettavuuden verrattuna digitaalisiin piireihin.

  • IC: n koko on pieni, mutta tuhansia komponentteja voidaan valmistaa tällä sirulla.
  • Yhden sirun avulla suunnitellaan erilaisia ​​monimutkaisia ​​elektronisia piirejä
  • Suurtuotannon vuoksi näitä on saatavana halvemmalla
  • Toimintanopeus on suuri, koska loiskapasitanssivaikutus puuttuu.
  • Äitipiiristä se voidaan vaihtaa helposti

Haitat

Erityyppisten integroitujen piirien haittoja ovat seuraavat.

  • Lämpöä ei voida hävittää tarvittavalla nopeudella sen pienen koon vuoksi, ja virran ylivuoto voi aiheuttaa IC-vaurioita
  • Integroiduissa piireissä muuntajia, kuten myös induktoreita, ei voida sisällyttää
  • Se käsittelee rajoitettua tehoaluetta
  • Korkealaatuisen PNP: n kokoaminen ei ole mahdollista.
  • Matalan lämpötilan kerrointa ei voida saavuttaa
  • Tehohäviöalue on enintään 10 wattia
  • Suurjännitettä ja hiljaista toimintaa ei voida saavuttaa

Näin ollen kyse on yleiskatsauksesta erityyppisistä integroiduista piireistä. Tavanomaisia ​​integroituja piirejä käytännössä vähennetään, koska nanoelektroniikan keksintö ja IC: n pienentäminen jatkuvat tällä Nanoelektroniikan tekniikka . Tavanomaisia ​​mikropiirejä ei kuitenkaan vielä ole korvattu nanoelektroniikalla, mutta perinteisten mikropiirien käyttö vähenee osittain. Jos haluat parantaa tätä artikkelia teknisesti, lähetä kyselysi, ideosi ja ehdotuksesi kommentteina alla olevaan osioon.

Valokuvahyvitykset: