Vsaka elektronska naprava, ki jo uporabljamo v vsakdanjem življenju, kot so mobilni telefoni, prenosniki, hladilniki, računalniki, televizorji in vse druge električne in elektronske naprave, je izdelana z nekaterimi preprostimi ali zapletenimi vezji. Elektronska vezja se realizirajo z uporabo več električne in elektronske komponente povezani med seboj s povezovanjem žic ali prevodnimi žicami za pretok električnega toka skozi več komponent vezja, kot npr upori , kondenzatorji , induktorji, diode, tranzistorji itd. Vezja lahko razvrstimo v različne tipe na podlagi različnih meril, na primer glede na povezave: serijska vezja in vzporedna vezja glede na velikost in postopek izdelave vezja: integrirana vezja in diskretna vezja ter na podlagi signala, uporabljenega v vezju : analogna vezja in digitalna vezja. Ta članek obravnava pregled različnih vrst integriranih vezij in njihove uporabe.

Kaj je integrirano vezje?

Integrirano vezje ali IC ali mikročip ali čip je mikroskopski elektronsko vezje matrika, izdelana z izdelavo različnih električnih in elektronskih komponent (uporov, kondenzatorjev, tranzistorjev itd.) na polprevodniški material (silicijev) rezin, ki lahko izvaja operacije, podobne velikim ločenim elektronskim vezjem iz diskretnih elektronskih komponent.

Integrirana vezja

Ker so vsi ti nizi komponent, mikroskopska vezja in osnova za polprevodniške rezine integrirani skupaj, da tvorijo en čip, se zato imenuje integrirano vezje ali integrirani čip ali mikročip.

Elektronska vezja so razvita z uporabo posameznih ali diskretnih elektronskih komponent z različnimi velikostmi, tako da se stroški in velikost teh diskretnih vezij povečujejo s številom komponent, uporabljenih v vezju. Da bi premagali ta negativni vidik, je bila razvita tehnologija integriranega vezja - Jack Kilby iz Texas Instruments je v petdesetih letih razvil prvo IC ali integrirano vezje, nato pa je Robert Noyce iz podjetja Fairchild Semiconductor rešil nekaj praktičnih problemov tega integriranega vezja.

Zgodovina integriranih vezij

Zgodovina integriranih vezij se je začela s polprevodniškimi napravami. John Ambrose (J.A) Fleming je leta 1897 izumil prvo vakuumsko cev, imenovano vakuumska dioda. Za motorje je izumil pravilo leve roke. Po tem je bil leta 1906 izumljen nov vakuum, in sicer Triode, ki se uporablja za ojačanje.

Po tem je bil v letu 1947 v Bell Labs izumljen tranzistor, ki je delno nadomestil vakuumske cevi, ker so tranzistorji majhne komponente, ki za delo porabijo manj energije. Različna vezja so bila zasnovana z ločenimi komponentami tako, da so se ločevala med seboj, pa tudi razporejena na tiskanih vezjih z nadzorom prek rok, znanih kot neintegrirana vezja. Ti IC-ji porabijo veliko energije in prostora, njihova izhodna moč pa ni tako gladka.

Leta 1959 so razvili integrirano vezje, kjer so več elektronskih in električnih komponent izdelali v eni silicijevi rezini. Integrirana vezja uporabljajo majhno moč za delovanje in zagotavljajo nemoten izhod. Nadalje je mogoče povečati tudi izboljšanje tranzistorjev preko integriranega vezja.

Razvoj integriranega vezja iz različnih tehnologij

Klasifikacijo IC lahko razvrstimo na podlagi velikosti čipa in lestvice integracije. Tu integracijska lestvica določa število elektronskih komponent, nameščenih v tipično integrirano vezje.
Od leta 1961 do 1965 je bila tehnologija majhnega povezovanja (SSI) uporabljena za izdelavo 10 do 100 tranzistorjev na enem čipu za izdelavo japonk in logičnih vrat.

Od leta 1966 do 1970 je bila tehnologija srednjega povezovanja (MSI) uporabljena za izdelavo 100 do 1000 tranzistorjev na enem čipu za izdelavo multiplekserjev, dekoderjev in števcev.

Od leta 1971 do 1979 se je za izdelavo 1000 do 20000 tranzistorjev na enem čipu uporabljala tehnologija obsežnega povezovanja (LSI) za izdelavo RAM-a, mikroprocesorja, ROM-a

Od leta 1980 do 1984 je bila tehnologija za obsežno integracijo (VLSI) uporabljena za izdelavo 20000 do 50000 tranzistorjev na enem čipu za izdelavo mikroprocesorjev RISC, DSP in mi16-bitnih in 32-bitnih mikroprocesorjev.

Od leta 1985 do danes je bila tehnologija ultra velikega povezovanja (ULSI) uporabljena za izdelavo 50000 do milijard tranzistorjev na enem čipu za izdelavo 64-bitnih mikroprocesorjev.

Omejitve različnih vrst integriranih vezij

Omejitve različnih vrst IC vključujejo naslednje.

“zgradi svoj fm radio ”

Moč je omejena
Deluje pri nizki napetosti
Med delovanjem ustvarja hrup
Visoka ocena PNP ni verjetna
Njegove komponente so odvisne od napetosti, kot so upori in kondenzatorji
Je občutljivo
Izdelava IC z nizkim hrupom je težka
Težko je doseči temperaturni koeficient.
Montaža visoko kakovostnega PNP ni dosegljiva.
V IC je kateri koli com
V integrirani vezju različnih komponent ni mogoče zamenjati, odstraniti, zato, če se katera koli komponenta znotraj IC poškoduje, se mora celotna IC zamenjati z novo.
Moč je omejena, ker izdelava IC več kot 10 W ni mogoča

Različne vrste integriranih vezij

Obstajajo različne vrste IC, klasifikacija integriranih vezij je narejena na podlagi različnih meril. Nekaj vrst IC v sistemu je na spodnji sliki prikazano z njihovimi imeni v drevesni obliki.

Različne vrste ICS

Na podlagi predvidene uporabe je IC razvrščen kot analogna integrirana vezja, digitalna integrirana vezja in mešana integrirana vezja.

Digitalna integrirana vezja

Integrirana vezja, ki delujejo le na nekaj določenih ravneh, namesto da bi delovala na celotni ravni amplitude signala, se imenujejo digitalne integrirane vezje in so zasnovane z uporabo več številk digitalna logična vrata , multiplekserji, natikači in druge elektronske komponente vezij. Ta logična vrata delujejo z binarnimi vhodnimi podatki ali digitalnimi vhodnimi podatki, na primer 0 (nizka ali napačna ali logična 0) in 1 (visoka ali resnična ali logična 1).

Digitalna integrirana vezja

Zgornja slika prikazuje korake pri načrtovanju tipičnih digitalnih integriranih vezij. Te digitalne IC se pogosto uporabljajo v računalnikih, mikroprocesorji , procesorji digitalnih signalov, računalniška omrežja in števci frekvenc. Obstajajo različne vrste digitalnih integriranih vezij ali vrste digitalnih integriranih vezij, kot so programibilne IC-je, pomnilniški čipi, logične IC-je, IC-ji za upravljanje napajanja in IC-vmesnike.

Analogna integrirana vezja

Integrirana vezja, ki delujejo v neprekinjenem obsegu signalov, se imenujejo analogne IC. Ti so razdeljeni na linearna integrirana vezja (linearne IC) in Radio frekvenca Integrirana vezja (RF IC). Pravzaprav je lahko razmerje med napetostjo in tokom v nekaterih primerih nelinearno v daljšem razponu neprekinjenega analognega signala.

Analogna integrirana vezja

Pogosto uporabljeni analogni IC je operacijski ojačevalnik ali preprosto imenovan op-amp, podoben diferencialnemu ojačevalniku, vendar ima zelo visoko napetostno ojačanje. Sestavljen je iz zelo manjšega števila tranzistorjev v primerjavi z digitalnimi IC, za razvoj analognih aplikacijskih integriranih vezij (analogni ASIC) pa se uporabljajo računalniška simulacijska orodja.

Linearna integrirana vezja

Če v analognem integriranem vezju obstaja linearna povezava med njegovo napetostjo in tokom, je znana kot linearna IC. Najboljši primer tega linearnega IC je 741 IC, 8-polni DIP (Dual In-Line Package) op-amp,

Radiofrekvenčna integrirana vezja

Če v analogni IC obstaja nelinearna povezava med napetostjo in tokom, se imenuje radiofrekvenčna IC. Ta vrsta IC je znana tudi kot radijsko frekvenčno integrirano vezje.

Mešana integrirana vezja

Integrirana vezja, ki jih dobimo s kombinacijo analognih in digitalnih IC na enem čipu, se imenujejo mešane IC. Te IC delujejo kot digitalno-analogni pretvorniki, Analogno digitalni pretvorniki (Pretvorniki D / A in A / D) ter IC / ure za merjenje časa / časa. Vezje, prikazano na zgornji sliki, je primer mešanega integriranega vezja, ki je fotografija samozdravilnega radarskega sprejemnika 8 do 18 GHz.

Mešana integrirana vezja

Ta sistem z mešanimi signali na čipu je rezultat napredka integracijske tehnologije, ki je omogočila integracijo digitalnih, več analognih in RF funkcij v en čip.

Splošne vrste integriranih vezij (IC) vključujejo naslednje:

Logična vezja

Te IC so zasnovane z uporabo logičnih vrat, ki delujejo z binarnimi vhodi in izhodi (0 ali 1). Ti se večinoma uporabljajo kot odločevalci. Na podlagi tabele logike ali resnice logičnih vhodov dajejo vsi logični vhodi, povezani v IC, izhod na podlagi vezja, priključenega znotraj IC, tako da se ta izhod uporablja za izvajanje določene predvidene naloge. Nekaj logičnih IC je prikazano spodaj.

Logična vezja

Primerjalniki

Primerjalne IC se uporabljajo kot primerjalniki za primerjavo vhodov in nato za izdelavo izhoda na podlagi primerjave IC.

Primerjalniki

Preklop IC

Stikala ali preklopne IC so zasnovane z uporabo tranzistorjev in se uporabljajo za izvajanje preklopne operacije . Zgornja slika je primer, ki prikazuje stikalo SPDT IC.

Preklop IC

Zvočni ojačevalniki

Zvok ojačevalniki so ena izmed mnogih vrst IC, ki se uporabljajo za ojačanje zvoka. Običajno se uporabljajo v zvočnikih, televizijskih vezjih itd. Zgornje vezje prikazuje nizkonapetostni IC ojačevalnik zvoka.

Zvočni ojačevalniki

Integrirano vezje CMOS

Integrirana vezja CMOS se izjemno uporabljajo v različnih aplikacijah v primerjavi s FET-ji zaradi svojih zmožnosti, kot so napetost nižjega praga in nizka poraba energije. IC CMOS vključuje naprave P-MOS in N-MOS, ki so izdelane skupaj na podobnem čipu. Struktura tega IC je polisilicijeva vrata, ki pomagajo zmanjšati mejno napetost naprave, kar omogoča postopek pri nizkonapetostnih nivojih.

IC napetostnega regulatorja

Tovrstno integrirano vezje zagotavlja stabilen enosmerni izhod kljub spremembam znotraj enosmernega vhoda. Pogosto uporabljeni regulatorji tipa so IC LM309, uA723, LM105 in 78XX.

Operacijski ojačevalniki

The operacijski ojačevalniki so pogosto uporabljene IC, podobno kot ojačevalniki zvoka, ki se uporabljajo za ojačanje zvoka. Ti op-ojačevalniki se uporabljajo za ojačanje in ti IC delujejo podobno kot tranzistor ojačevalna vezja. Konfiguracija nožic vmesnika 741 op-amp je prikazana na zgornji sliki.

Operacijski ojačevalniki

IC-ji časovnika

Časovniki so namenska integrirana vezja, ki se uporabljajo za štetje in za beleženje časa v predvidenih aplikacijah. Blokovni diagram notranjega vezja LM555 IC časovnik je prikazano v zgornjem vezju. Glede na število uporabljenih komponent (običajno glede na število uporabljenih tranzistorjev) so ti naslednji

IC-ji časovnika

Majhna integracija je sestavljen iz le nekaj tranzistorjev (na desetine tranzistorjev na čipu), so te IC imele ključno vlogo v zgodnjih letalskih projektih.

Integracija srednjega obsega je sestavljen iz nekaj sto tranzistorjev na čipu IC, razvitega v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, ki je dosegel boljšo ekonomičnost in prednosti v primerjavi s SSI IC.

Obsežna integracija je sestavljen iz tisoč tranzistorjev na čipu s skoraj enako ekonomičnostjo kot integrirane IC-je srednje velikosti. Prvi mikroprocesor, računski čipi in RAM 1Kbit, razviti v sedemdesetih letih, so imeli pod štiri tisoč tranzistorjev.

“induktorji in kondenzatorji v enosmernih tokokrogih ”

Zelo obsežna integracija je sestavljen iz tranzistorjev od sto do nekaj milijard (obdobje razvoja: od osemdesetih do leta 2009)

Izjemno obsežna integracija je sestavljen iz tranzistorjev, ki presegajo več kot milijon, kasneje pa so bili razviti tudi integracija rezin (WSI), sistem na čipu (SoC) in tridimenzionalno integrirano vezje (3D-IC).

Vse to lahko obravnavamo kot generacije integrirane tehnologije. IC so razvrščene tudi glede na postopek izdelave in tehnologijo pakiranja. Obstajajo številne vrste IC, med katerimi bo IC deloval kot časovnik, števec, register , ojačevalnik, oscilator, logična vrata, seštevalnik, mikroprocesor itd.

Vrste integriranih vezij glede na razrede

Integrirana vezja so na voljo v treh razredih glede na tehnike, ki se uporabljajo pri njihovi izdelavi.

Tanke in debele filmske kartice
Monolitne IC
Hibridne ali veččipne IC

Tanke in debele IC

V teh vrstah integriranih vezij se uporabljajo pasivne komponente, kot so kondenzatorji in upori, vendar so tranzistorji in diode kot ločene komponente povezani za načrtovanje vezja. Te IC so preprosto kombinacija integriranih in ločenih komponent, ki imajo poleg značilnosti odlaganja filma povezane značilnosti in videz. Na podlagi ICS se lahko odločimo za nanašanje tanke plasti ICS.

Te IC so zasnovane tako, da na površino stekla, sicer na keramično stojalo, odlagajo filme materiala. S spreminjanjem debeline folij na materialih bo drugačna upornost in izdelava pasivnih elektronskih komponent je mogoča.

Pri tej vrsti integriranega vezja se za izdelavo zahtevanega modela vezja na keramični podlagi uporablja metoda tiskanja s svilo. Včasih se tovrstne IC imenujejo tiskane tankoplastne IC.

Monolitne IC

V tovrstnih integriranih vezjih lahko na silicijevem čipu nastanejo medsebojne povezave aktivne, pasivne in diskretne komponente. Kot že ime pove, izhaja iz grške besede, kot mono ni nič drugega kot samski, medtem ko Lithos pomeni kamen. Trenutno se te IC-je najpogosteje uporabljajo zaradi manjših stroškov in zanesljivosti. IC, ki so komercialno izdelani, se uporabljajo kot napetostni regulatorji, ojačevalniki, računalniška vezja in AM sprejemniki. Vendar je izolacija med monolitnimi komponentami IC slaba, vendar ima tudi manjšo moč,

IC z dvojnim paketom (DIP)

DIP (dvojni in-line paket) ali DIPP (dvojni in-line paket pin) je paket elektronskih komponent v smislu mikroelektronike ali elektronike s pravokotno ploščo in dvema vzporednima vrstama z električnimi priključnimi zatiči.

Hibridne ali veččipne IC

Kot že ime pove, multi pomeni nad enim posameznim čipom, ki je medsebojno povezan. Aktivne komponente, kot so diode ali difuzni tranzistorji, vključujejo te IC, medtem ko so pasivne komponente difuzni kondenzatorji ali upori na enem čipu. Povezava teh komponent je možna prek metaliziranih prototipov. Integrirana vezja z več čipi se pogosto uporabljajo za uporabo močnostnih ojačevalnikov od 5W do 50W. V primerjavi z monolitnimi integriranimi vezji je zmogljivost hibridnih integriranih vezij boljša.

Vrste paketov IC

Paketi IC so razdeljeni v dve vrsti, kot sta Mount-Hole Mount in Surface Mount Packaging.

Paketi za pritrditev skozi luknje

Njihovo načrtovanje je mogoče izvesti tam, kjer so svinčeni zatiči pritrjeni skozi eno stran plošče in taljeni na drugi strani. V primerjavi z drugimi vrstami je velikost teh paketov večja. Te se v glavnem uporabljajo v elektronskih napravah za uravnoteženje prostora na plošči in omejitev stroškov. Najboljši primer paketov za pritrditev skozi luknje so dvojni vstavljeni paketi, ker so ti najpomembnejši. Ti paketi so na voljo v dveh vrstah, kot sta keramika in plastika.

V ATmega328 so 28-zatiči nameščeni vzporedno, tako da se navpično razširijo in položijo na črno plastično desko pravokotne oblike. Prostor med zatiči je ohranjen z 0,1 palca. Poleg tega se paket spremeni v velikosti zaradi razlike v št. zatičev v različnih embalažah. Te zatiče je mogoče razporediti tako, da jih je mogoče regulirati na sredino plošče, da ne pride do kratkega stika.

Različni paketi IC za pritrditev skozi luknje so PDIP, DIP, ZIP, PENTAWATT, T7-TO220, TO2205, TO220, TO99, TO92, TO18, TO03.

Embalaža za površinsko montažo

Tovrstna embalaža je v glavnem v skladu s tehnologijo pritrditve, sicer komponente locira naravnost na PCB. Čeprav bodo njegove metode izdelave pomagale pri hitrem početju, pa tudi izboljša možnosti napak zaradi drobnih komponent, ki so razporejene zelo blizu drug drugega. Tovrstna embalaža uporablja plastično ali keramično oblikovanje. Različne vrste embalaže za površinsko montažo, ki uporabljajo plastične kalupe, so majhna embalaža z L-vodilom in BGA (Ball Grid Array).

Različni paketi IC za površinsko montažo so SOT23, SOT223, TO252, TO263, DDPAK, SOP, TSOP, TQFP, QFN in BGA.

“arduino mega 2560 r3 shema izklopa ”

Prednosti

Prednosti vrst integriranih vezij so obravnavane v nadaljevanju.

Poraba energije je nizka

Integrirana vezja zaradi manjše velikosti in konstrukcije porabijo manj energije za pravilno delovanje.

Velikost je kompaktna

Za določeno funkcionalnost je mogoče dobiti majhno vezje z uporabo IC, v primerjavi z diskretnim vezjem.

Manj stroškov

V primerjavi z diskretnimi vezji so integrirana vezja na voljo z nižjimi stroški zaradi svojih tehnologij izdelave in nizke porabe materiala.

Manjša teža

Vezja, ki uporabljajo integrirana vezja, imajo v primerjavi z diskretnimi vezji manjšo težo

Izboljšana je hitrost delovanja

Integrirana vezja delujejo pri visokih hitrostih zaradi preklopnih hitrosti in nizke porabe energije.

Visoka zanesljivost

Ko vezje uporablja nizke povezave, bodo integrirana vezja zagotovila visoko zanesljivost v primerjavi z digitalnimi vezji.

Velikost IC je majhna, vendar je na tem čipu mogoče izdelati na tisoče komponent.
Z uporabo enega samega čipa se oblikujejo različna zapletena elektronska vezja
Zaradi obsežne proizvodnje so te na voljo z nižjimi stroški
Hitrost delovanja je velika zaradi pomanjkanja učinka parazitske kapacitivnosti.
Iz matičnega vezja ga je mogoče enostavno spremeniti

Slabosti

Pomanjkljivosti različnih vrst integriranih vezij vključujejo naslednje.

Zaradi majhnosti toplote ni mogoče odvajati s potrebno hitrostjo in prelivanje toka lahko povzroči škodo IC
V integrirana vezja transformatorjev in induktorjev ni mogoče vgraditi
Obvladuje omejen obseg moči
Montaža visoko kakovostnega PNP ni dosegljiva.
Koeficienta nizke temperature ni mogoče doseči
Razpon moči je do 10 vatov
Delo z visoko napetostjo in nizkim šumom ni mogoče doseči

Tu gre torej za pregled različnih vrst integriranih vezij. Konvencionalna integrirana vezja so praktično manjša, ker izum nanoelektronike in miniaturizacija IC nadaljuje s tem Nano-elektronska tehnologija . Vendar običajnih IC še ni nadomeščena z nanoelektroniko, vendar se uporaba običajnih IC delno zmanjšuje. Če želite tehnično izboljšati ta članek, objavite poizvedbe, ideje in predloge kot svoje komentarje v spodnjem razdelku.

Zasluge za fotografije: