Iga elektroonikaseade, mida igapäevases elus kasutame, näiteks mobiiltelefonid, sülearvutid, külmikud, arvutid, telerid ja kõik muud elektri- ja elektroonikaseadmed, on valmistatud mõningate lihtsate või keeruliste vooluringidega. Elektroonilised ahelad realiseeritakse mitme abil elektrilised ja elektroonilised komponendid omavahel ühendatud juhtmete ühendamise või juhtmete juhtimisega elektrivoolu voolamiseks läbi vooluahela mitme komponendi, näiteks takistid , kondensaatorid , induktiivpoolid, dioodid, transistorid jne. Vooluahelaid saab liigitada erinevateks kriteeriumideks, näiteks ühenduste põhjal: seeria- ja paralleelahelad vastavalt ahela suurusele ja tootmisprotsessile: integraallülitused ja diskreetsed ahelad ning põhineb vooluahelas kasutataval signaalil : analoog- ja digitaalahelad. Selles artiklis käsitletakse ülevaadet erinevat tüüpi integraallülitustest ja nende rakendustest.

Mis on integreeritud vooluahel?

Integreeritud vooluring või mikrokiip või kiip on mikroskoopiline elektrooniline vooluahel massiivi, mis on moodustatud mitmesuguste elektriliste ja elektrooniliste komponentide (takistid, kondensaatorid, transistorid ja nii edasi) pooljuhtmaterjal (räni) vahvel, mis suudab teha toiminguid, mis on sarnased diskreetsetest elektroonikakomponentidest valmistatud suurte diskreetsete elektrooniliste vooluahelatega.

Integraallülitused

Kuna kõik need komponentide massiivid, mikroskoopilised ahelad ja pooljuhtplaatide materjalibaas on integreeritud, moodustades ühe kiibi, nimetatakse seda seetõttu integreeritud vooluringiks või integreeritud kiibiks või mikrokiibiks.

Elektroonilisi vooluringe arendatakse kasutades erineva suurusega üksikuid või diskreetseid elektroonilisi komponente, nii et nende diskreetsete ahelate maksumus ja suurus suurenevad koos ahelas kasutatavate komponentide arvuga. Selle negatiivse aspekti vallutamiseks töötati välja integraallülituse tehnoloogia - Jack Kilby Texas Instrumentsist arendas 1950ndatel välja esimese mikrolülituse või integraallülituse ning seejärel lahendas Fairchild Semiconductor Robert Noyce selle integraallülituse mõned praktilised probleemid.

Integreeritud vooluahelate ajalugu

Integreeritud vooluahelate ajalugu alustati tahkiseadmetega. Esimese vaakumtoru leiutas John Ambrose (J.A) Fleming aastal 1897, mida nimetatakse vaakumdioodiks. Mootorite jaoks leiutas ta vasaku käe reegli. Pärast seda leiutati aastal 1906 uus vaakum, nimelt Triode ja seda kasutatakse võimenduseks.

Pärast seda leiutati 1947. aastal Bell Labsis transistor, et vaakumtorud osaliselt välja vahetada, kuna transistorid on väikesed komponendid, mis kasutavad töötamiseks vähem energiat. Erinevad vooluahelad kujundati diskreetsete komponentide abil üksteise kaudu eraldades, samuti paigutati need trükkplaatidele, integreeritud vooluringidena tuntud käte abil. Need IC-d tarbivad palju energiat ja ruumi ning nende väljund pole nii sujuv.

Aastal 1959 töötati välja integraallülitus, kus ühe räniploki abil valmistati mitu elektroonilist ja elektrilist komponenti. Integreeritud vooluahelad kasutavad nii tööks madalat energiat kui ka sujuvat väljundit. Lisaks saab suurendada transistoride võimendust integreeritud vooluahelal.

Integreeritud vooluringide evolutsioon erinevatest tehnoloogiatest

IC-de klassifitseerimine võib toimuda kiibi suuruste ja integreerimisskaala põhjal. Siin täpsustab integreerimisskaala tavalisse integraallülitusse paigutatud elektrooniliste komponentide arvu.
Aastatel 1961–1965 kasutati väikesemahulist integreerimise (SSI) tehnoloogiat, et valmistada ühele kiibile 10–100 transistorit, tehes klapid ja loogikaväravad.

Aastatel 1966–1970 kasutati keskmise ulatusega integreerimise (MSI) tehnoloogiat 100–1000 transistori valmistamiseks ühele kiibile multiplekserite, dekoodrite ja loendurite valmistamiseks.

Aastatel 1971–1979 kasutati suuremahulist integreerimistehnoloogiat (LSI) 1000–20000 transistori valmistamiseks ühele kiibile, et saada RAM, mikroprotsessor, ROM

Aastatel 1980-1984 kasutati väga laiaulatusliku integreerimise (VLSI) tehnoloogiat, et valmistada 20000 kuni 50000 transistorit ühele kiibile RISC mikroprotsessorite, DSP-de ning mi16- ja 32-bitiste mikroprotsessorite valmistamiseks.

Aastast 1985 kuni praeguseni kasutati ülisuure integreerimise (ULSI) tehnoloogiat, et valmistada 50000 kuni miljardeid transistore ühele kiibile 64-bitiste mikroprotsessorite valmistamiseks.

Erinevat tüüpi integraallülituste piirangud

Erinevat tüüpi IC-de piirangud hõlmavad järgmist.

“toiteallika ülepingekaitse ahel ”

Võimsus on piiratud
See töötab madalal pingel
See tekitab töötamise ajal müra
PNP kõrge reiting pole tõenäoline
Selle komponendid sõltuvad pingest nagu takistid ja kondensaatorid
See on delikaatne
IC valmistamine madala mürataseme abil on keeruline
Temperatuurikoefitsienti on raske saavutada.
Kõrgekvaliteedilise PNP kokkupanek pole võimalik.
IC-s on mis tahes kom
Mikrolaineahjus ei saa erinevaid komponente asendada ega eemaldada. Seega, kui mõni mikrolaineahjus olev komponent kahjustub, peab kogu mikrolaineahi uuega asenduma.
Võimsus on piiratud, kuna üle 10-vatise võimsusega IC-de tootmine pole võimalik

Erinevat tüüpi integraallülitused

Integreeritud vooluahelate klassifitseerimine toimub erinevat tüüpi kriteeriumide alusel. Mõni tüüpi IC-d süsteemis on toodud allpool toodud joonisel koos nende nimedega puuvormingus.

Erinevad ICS-i tüübid

Kavandatud rakenduse põhjal klassifitseeritakse mikropiir analoog-integraallülituste, digitaalsete integraallülituste ja segaintegraallülituste hulka.

Digitaalsed integraallülitused

Integraallülitusi, mis töötavad signaali amplituudi üldtaseme töötamise asemel ainult mõnel määratletud tasemel, nimetatakse digitaalseteks IC-deks ja need on kavandatud mitme arvu digitaalse loogika väravad , multiplekserid, plätud ja muud vooluahelate elektroonilised komponendid. Need loogikaväravad töötavad binaarsete sisendandmete või digitaalsete sisendandmetega, näiteks 0 (madal või vale või loogika 0) ja 1 (kõrge või tõene või loogika 1).

Digitaalsed integraallülitused

Ülaltoodud joonisel on kujutatud tüüpiliste digitaalsete integraallülituste kujundamise etapid. Neid digitaalseid IC-sid kasutatakse sageli arvutites, mikroprotsessorid , digitaalsignaali protsessorid, arvutivõrgud ja sagedusloendurid. Digitaalseid IC-sid või digitaalsete integraallülituste tüüpe on erinevaid, näiteks programmeeritavad IC-d, mälukiibid, loogika IC-d, toitehalduse IC-d ja liidese IC-d.

Analoog-integraallülitused

Integreeritud vooluahelaid, mis töötavad pidevas signaalivahemikus, nimetatakse analoog-IC-deks. Need jagunevad lineaarseteks integreeritud vooluahelateks (Linear ICs) ja Raadiosagedus Integreeritud vooluringid (RF IC-d). Tegelikult võib pinge ja voolu suhe olla mittelineaarne mõnel juhul pideva analoogsignaali pikas vahemikus.

Analoog-integraallülitused

Sageli kasutatav analoog-IC on operatiivvõimendi või nimetatakse seda lihtsalt op-võimendiks, sarnane diferentsiaalvõimendiga, kuid sellel on väga suur pingetõus. See koosneb digitaalsete IC-dega võrreldes väga vähemast transistoridest ja analoograkenduspõhiste integreeritud vooluahelate (analoog-ASIC-de) väljatöötamiseks kasutatakse arvutipõhiseid simulatsioonivahendeid.

Lineaarsed integraallülitused

Kui analoog-integraallülituses on olemas nii lineaarne seos pinge kui ka voolu vahel, on see tuntud kui lineaarne IC. Selle lineaarse mikropiirkonna parim näide on 741 IC, 8-pin DIP (Dual In-line Package) op-amp,

Raadiosageduslikud integraallülitused

Kui analoog-IC-s on selle pinge ja voolu vahel mittelineaarne seos, nimetatakse seda raadiosageduslikeks IC-deks. Sellist IC-d tuntakse ka raadiosagedusliku integraallülitusena.

Integreeritud mikroskeemid

Integreeritud vooluringe, mis saadakse analoog- ja digitaalsete IC-de kombineerimisel ühel kiibil, nimetatakse segatud IC-deks. Need IC-d toimivad digitaal-analoogmuunduritena, Analoog-digitaalmuundurid (D / A ja A / D muundurid) ning kella / aja IC-d. Ülaltoodud joonisel kujutatud vooluahel on näide segatud integraallülitusest, mis on foto 8–18 GHz iseparanevast radarivastuvõtjast.

Integreeritud mikroskeemid

See kiibis olev segasignaaliga süsteem on integreerimistehnoloogia edusammude tulemus, mis võimaldas integreerida digitaalsed, mitmed analoogid ja RF-funktsioonid ühte kiibi.

Integreeritud vooluahelate (IC) üldtüübid hõlmavad järgmist:

Loogikalülitused

Need IC-d on loodud loogikaliste väravate abil, mis töötavad binaarse sisendi ja väljundiga (0 või 1). Neid kasutatakse enamasti otsustajatena. Loogikaväravate loogika- või tõetabeli põhjal annavad kõik IC-sse ühendatud loogikaväravad väljundi, mis põhineb IC-s ühendatud vooluahelal - nii, et seda väljundit kasutatakse konkreetse kavandatud ülesande täitmiseks. Allpool on toodud mõned loogika IC-d.

Loogikalülitused

Võrdlejad

Võrdlus IC-sid kasutatakse võrdlustena sisendite võrdlemiseks ja seejärel IC-de võrdluse põhjal väljundi tootmiseks.

Võrdlejad

IC-de vahetamine

Lülitid või lülitussüsteemid on konstrueeritud transistoride abil ja neid kasutatakse ümberlülitamistoimingud . Ülaltoodud joonis on näide SPDT IC lülitist.

IC-de vahetamine

Helivõimendid

Heli võimendid on üks paljudest IC-de tüüpidest, mida kasutatakse heli võimendamiseks. Neid kasutatakse tavaliselt helikõlarites, televisiooniringides ja nii edasi. Ülaltoodud vooluring näitab madalpinge helivõimendi IC-d.

Helivõimendid

CMOS-i integreeritud vooluring

CMOS-integraallülitusi kasutatakse erinevates rakendustes võrreldes FET-idega äärmiselt nende võimete tõttu, nagu madalama läve pinge, madal energiatarve. CMOS IC sisaldab P-MOS ja N-MOS seadmeid, mis on valmistatud koos sarnasel kiibil. Selle IC struktuur on polüsiidist värav, mis aitab vähendada seadme lävipinget, võimaldades seeläbi protsessi madalal pingel.

Pinge regulaatori IC-d

Selline integreeritud vooluahel tagab stabiilse alalisvoolu väljundi vaatamata alalisvoolu sisendi muutustele. Tavaliselt kasutatavad tüübiregulaatorid on LM309, uA723, LM105 ja 78XX IC-d.

Operatiivvõimendid

The operatiivvõimendid on sageli kasutatavad IC-d, sarnaselt helivõimenditega, mida kasutatakse helivõimenduseks. Neid op-ampreid kasutatakse amplifitseerimise eesmärgil ja need IC-d töötavad sarnaselt transistor võimendi ahelad. 741 op-amp IC IC tihvtide konfiguratsioon on näidatud ülaltoodud joonisel.

Operatiivvõimendid

Taimeri IC-d

Taimerid on eriotstarbelised integraallülitused, mida kasutatakse loendamiseks ja ettenähtud rakenduste aja jälgimiseks. Ploki sisemise vooluahela plokkskeem LM555 taimer IC on näidatud ülaltoodud vooluringis. Kasutatavate komponentide arvu põhjal (tavaliselt kasutatavate transistoride arvu põhjal) on need järgmised

Taimeri IC-d

Väikesemahuline integratsioon koosneb ainult vähestest transistoridest (kümned transistorid kiibil), mängisid need IC-d kriitilist rolli varases kosmoseprojektis.

Keskmise ulatusega integratsioon koosneb sadadest 1960. aastatel välja töötatud IC-kiibi transistoridest, mis saavutasid SSI IC-dega võrreldes parema ökonoomsuse ja eelised.

Suuremahuline integreerimine koosneb tuhandetest kiibil olevatest transistoridest, mis on peaaegu sama ökonoomsed kui keskmise ulatusega integreeritud IC-d. Esimesel 1970. aastatel välja töötatud mikroprotsessoril, kalkulaatori kiipidel ja 1Kbit RAM-idel oli alla nelja tuhande transistori.

Väga ulatuslik integreerimine koosneb sadadest kuni mitme miljardini ulatuvatest transistoridest. (Arendusperiood: 1980. – 2009. a.)

Eriti suuremahuline integreerimine koosneb enam kui miljoni transistorist ja hiljem töötati välja vahvel-skaala integreerimine (WSI), kiibil olev süsteem (SoC) ja kolmemõõtmeline integraallülitus (3D-IC).

Kõiki neid saab käsitleda integreeritud tehnoloogia põlvkondadena. IC-d liigitatakse ka valmistamisprotsessi ja pakkimistehnoloogia alusel. On mitmeid IC-de tüüpe, mille hulgas IC töötab taimerina, loendurina, Registreeri , võimendi, ostsillaator, loogikavärav, liitja, mikroprotsessor jne.

Klassidel põhinevad integraallülituste tüübid

Integreeritud vooluahelad on saadaval kolmes klassis, lähtudes nende valmistamisel kasutatud tehnikatest.

Õhukesed ja paksud kile IC-d
Monoliitsed IC-d
Hübriid- või mitme kiibiga IC-d

Õhukesed ja paksud IC-d

Seda tüüpi integraallülitustes kasutatakse passiivseid komponente nagu kondensaatorid ja takistid, kuid transistorid ja dioodid on ahela kujundamiseks ühendatud nagu eraldi komponendid. Need IC-d on lihtsalt nii integreeritud kui ka eraldi komponentide kombinatsioon ning neil IC-del on seotud omadused ja välimus peale filmi sadestamise viisi. ICS-i põhjal saab otsustada õhukeste IC-de kile ladestumise üle.

“lülitusrežiimi toiteallika tõrkeotsing ”

Need mikroskeemid on loodud läbi materjali ladestamise kilede klaasipinnale, muidu keraamilisele alusele. Materjalide kilede paksuse muutmisega on erinev takistus ja saab teha passiivseid elektroonilisi komponente.

Seda tüüpi integraallülituses kasutatakse siiditrükimeetodit, et teha keraamilisele aluspinnale vajalik vooluahela mudel. Mõnikord nimetatakse seda tüüpi IC-d trükitud õhukese kilega IC-deks.

Monoliitsed IC-d

Sellistes integreeritud vooluahelates saab moodustada ränikiibil olevate aktiivsete, passiivsete ja diskreetsete komponentide ühendused. Nagu nimigi ütleb, on see tuletatud kreekakeelsest sõnast nagu mono pole midagi muud kui üksik, Lithos aga kivi. Praegu kasutatakse neid IC-sid kõige vähem kulude ja usaldusväärsuse tõttu. Kaubanduslikult toodetud IC-sid kasutatakse nagu pinge regulaatorid, võimendid, arvutilülitused ja AM-vastuvõtjad. Kuid monoliitsete mikrokomponentide isolatsioon on halb, kuid sellel on ka vähem võimsust,

Dual-in-line package (DIP) IC

DIP (topelt-line-pakett) või DIPP (dual-line-pin-pakett) on mikroelektroonika või elektroonika osas elektrooniliste komponentide pakett, millel on ristkülikukujuline laud ja kaks paralleelset rida elektriliste ühendustihvtidega.

Hübriid- või mitme kiibiga IC-d

Nagu nimigi ütleb, tähendab multi ühe ühendatud kiibi kohal. Aktiivsed komponendid, nagu dioodid või hajutatud transistorid, hõlmavad neid IC-sid, samas kui passiivsed komponendid on hajutatud kondensaatorid või takistid ühel kiibil. Nende komponentide ühendamine toimub metalliseeritud prototüüpide kaudu. Mitmekiibilisi integreeritud vooluahelaid kasutatakse laialdaselt 5–50 W võimsusega võimendi rakendusteks. Võrreldes monoliitsete integraallülitustega on hübriid-IC-de jõudlus parem.

IC-pakettide tüübid

IC-paketid on liigitatud kahte tüüpi, näiteks läbiva auku ja pinnale kinnitatavad pakendid.

Läbi aukude kinnitatavad paketid

Neid saab kavandada juhul, kui pliitihvtid on fikseeritud läbi tahvli ühe näo ja teisel pool hõõgunud. Võrreldes teiste tüüpidega on nende pakendite suurus suurem. Neid kasutatakse peamiselt elektroonikaseadmetes, et tasakaalustada nii plaadi ruumi kui ka kulude piiranguid. Parim näide läbivast kinnituspakettidest on Dual inline paketid, kuna need on kõige enam kasutatavad paketid. Neid pakendeid on saadaval kahte tüüpi nagu keraamika ja plastik.

ATmega328-s paiknevad 28-tihvtid üksteisega paralleelselt, laienedes vertikaalselt ja asetatuna mustale plastist ristkülikukujulisele plaadile. Tihvtide vahelist ruumi hoitakse 0,1 tolliga. Lisaks muutub pakendi suurus, kuna erinevus nr. tihvtidest erinevates pakendites. Nende tihvtide paigutus võib toimuda nii, et neid saab reguleerida leiva keskele nii, et lühis ei tekiks.

Erinevad läbimõõduga monteeritud IC paketid on PDIP, DIP, ZIP, PENTAWATT, T7-TO220, TO2205, TO220, TO99, TO92, TO18, TO03.

Pinnakinnitusega pakendid

Selline pakend järgib peamiselt paigaldustehnoloogiat, muidu paigutatakse komponendid otse trükkplaadile. Kuigi tema valmistamismeetodid aitavad asju kiiresti teha, parandab see ka pisikeste komponentide tõttu tekkivate vigade võimalust ja need on üksteisele väga lähedal. Sellises pakendis kasutatakse plastist või keraamilist vormimist. Plastvorme kasutavateks erinevateks pinnakinnitusteks pakenditeks on väikesed L-pliidiga pakendid ja BGA (Ball Grid Array).

Erinevad pinnale paigaldatavad IC-paketid on SOT23, SOT223, TO252, TO263, DDPAK, SOP, TSOP, TQFP, QFN ja BGA.

Eelised

Integreeritud vooluahelate tüüpide eeliseid käsitletakse allpool.

Energiatarve on madal

Integreeritud vooluahelad kasutavad väiksema suuruse ja konstruktsiooni tõttu vähem energiat, et korralikult töötada.

Suurus on kompaktne

Konkreetse funktsionaalsuse jaoks võib eraldiseisvaid vooluahelaid kasutades saada väikese vooluringi, võrreldes diskreetse vooluringiga.

“ühine anood 7 segmendi kuvaleht ”

Vähem kulusid

Võrreldes diskreetsete vooluahelatega on integreeritud vooluahelad saadaval madalama hinnaga nii nende valmistamise tehnoloogia kui ka madala materjali kasutamise tõttu.

Vähem kaalu

Integreeritud vooluahelaid kasutavad ahelad on väiksemad kui diskreetsed ahelad

Töökiirus on paranenud

Integreeritud vooluahelad töötavad suurel kiirusel nii nende lülituskiiruse kui ka väikese energiatarbimise tõttu.

Suur töökindlus

Kui vooluahel kasutab madalaid ühendusi, tagavad integreeritud vooluahelad suure usaldusväärsuse võrreldes digitaalsete vooluahelatega.

IC suurus on väike, kuid sellel kiibil saab valmistada tuhandeid komponente.
Ühe kiibi abil kujundatakse erinevad keerukad elektroonilised ahelad
Hulgitoodangu tõttu on need saadaval väiksemate kuludega
Töökiirus on suur, kuna puudub parasiitide mahtuvusefekt.
Ema ringkonnast saab seda hõlpsasti muuta

Puudused

Erinevat tüüpi integraallülituste puudused hõlmavad järgmist.

Soojust ei saa vajaliku kiirusega hajutada, kuna see on väike ja voolu ülevool võib põhjustada IC kahjustusi
Integreeritud vooluahelates ei saa trafosid ega ka induktiivpoole integreerida
See tegeleb piiratud võimsusega
Kõrgekvaliteedilise PNP kokkupanek pole võimalik.
Madala temperatuuri koefitsienti ei ole võimalik saavutada
Võimsuse hajumise vahemik on kuni 10 vatti
Kõrgepinge ja madala müratasemega töötamist ei saa saavutada

Seega on see kõik ülevaade erinevat tüüpi integraallülitustest. Tavapäraseid integraallülitusi vähendatakse praktikas, kuna sellega jätkatakse nanoelektroonika leiutamist ja mikrolülituste miniatuurimist Nanoelektroonika tehnoloogia . Kuid tavapäraseid IC-sid pole veel nanoelektroonikaga asendatud, kuid tavapäraste IC-de kasutamine väheneb osaliselt. Selle artikli tehniliseks täiustamiseks postitage oma päringud, ideed ja ettepanekud oma kommentaaridena allpool olevasse jaotisesse.

Foto autorid: