Každé elektronické zařízení, které používáme v každodenním životě, jako jsou mobilní telefony, notebooky, chladničky, počítače, televizory a všechna ostatní elektrická a elektronická zařízení, jsou vyráběny s jednoduchými nebo složitými obvody. Elektronické obvody jsou realizovány pomocí více elektrické a elektronické součásti vzájemně propojeny připojením vodičů nebo vedením vodičů pro tok elektrického proudu více složkami obvodu, jako např rezistory , kondenzátory , induktory, diody, tranzistory atd. Obvody lze rozdělit do různých typů na základě různých kritérií, například na základě připojení: sériové obvody a paralelní obvody na základě velikosti a výrobního procesu obvodu: integrované obvody a diskrétní obvody a na základě signálu použitého v obvodu : analogové obvody a digitální obvody. Tento článek pojednává o přehledu různých typů integrovaných obvodů a jejich aplikacích.

Co je integrovaný obvod?

Integrovaný obvod nebo IC nebo mikročip nebo čip je mikroskopický elektronický obvod pole tvořené výrobou různých elektrických a elektronických součástek (rezistory, kondenzátory, tranzistory atd.) na polovodičový materiál (křemíková) destička, která může provádět operace podobné velkým diskrétním elektronickým obvodům vyrobeným z diskrétních elektronických součástek.

Integrované obvody

Protože všechna tato pole komponent, mikroskopické obvody a základna polovodičových destiček jsou integrovány dohromady, aby vytvořily jediný čip, proto se nazývá integrovaný obvod nebo integrovaný čip nebo mikročip.

Elektronické obvody jsou vyvíjeny s použitím jednotlivých nebo diskrétních elektronických součástek s různými velikostmi, takže náklady a velikost těchto samostatných obvodů rostou s počtem komponent použitých v obvodu. K překonání tohoto negativního aspektu byla vyvinuta technologie integrovaných obvodů - Jack Kilby z Texas Instruments vyvinul první IC nebo integrovaný obvod v padesátých letech minulého století a poté Robert Noyce z Fairchild Semiconductor vyřešil některé praktické problémy tohoto integrovaného obvodu.

Historie integrovaných obvodů

Historie integrovaných obvodů byla zahájena polovodičovými zařízeními. Vynález první vakuové trubice provedl John Ambrose (J.A) Fleming v roce 1897, který se nazývá vakuová dioda. Pro motory vymyslel pravidlo levé ruky. Poté, v roce 1906, bylo vynalezeno nové vakuum, konkrétně trioda, které se používá pro zesílení.

Poté byl tranzistor vynalezen v laboratořích Bell v roce 1947, aby částečně nahradil vakuové trubice, protože tranzistory jsou malé součásti, které k práci spotřebují méně energie. Různé obvody byly navrženy pomocí diskrétních komponentů oddělením navzájem a také uspořádány na deskách plošných spojů ovládáním pomocí rukou známých jako neintegrované obvody. Tyto integrované obvody spotřebovávají hodně energie a prostoru a jejich výstup není tak plynulý.

V roce 1959 byl vyvinut integrovaný obvod, kde bylo vyrobeno několik elektronických a elektrických součástek přes jednu křemíkovou destičku. Integrované obvody využívají k provozu nízký výkon a plynulý výstup. Dále lze také zvýšit vylepšení tranzistorů přes integrovaný obvod.

Evoluce integrovaného obvodu z různých technologií

Klasifikaci integrovaných obvodů lze provést na základě velikostí čipu a integrační stupnice. Zde integrační stupnice určuje počet elektronických součástek umístěných do typického integrovaného obvodu.
V letech 1961 až 1965 byla technologie malého rozsahu (SSI) používána k výrobě 10 až 100 tranzistorů na jednom čipu k výrobě klopných obvodů a logických bran.

V letech 1966 až 1970 byla k výrobě 100 až 1 000 tranzistorů na jednom čipu pro výrobu multiplexorů, dekodérů a čítačů použita technologie středně velké integrace (MSI).

Od roku 1971 do roku 1979 byla k výrobě 1 000 až 2 000 tranzistorů na jednom čipu použita velká integrační technologie (LSI) k výrobě paměti RAM, mikroprocesoru a ROM

Od roku 1980 do roku 1984 byla k výrobě 20000 až 50 000 tranzistorů na jednom čipu použita technologie velmi rozsáhlé integrace (VLSI), která umožňovala výrobu mikroprocesorů RISC, DSP a mikroprocesorů mi16 a 32 bitů.

Od roku 1985 až do současnosti byla k výrobě 6400bitových mikroprocesorů na jednom čipu použita technologie ultra velkého měřítka (ULSI) z 50000 až miliard tranzistorů.

Omezení různých typů integrovaných obvodů

Omezení různých typů integrovaných obvodů zahrnuje následující.

“co je regulátor napětí ”

Jmenovitý výkon je omezený
Funguje při nízkém napětí
Během provozu generuje hluk
Vysoké hodnocení PNP není pravděpodobné
Jeho komponenty jsou závislé na napětí, jako jsou rezistory a kondenzátory
Je to delikátní
Výroba IC prostřednictvím nízkého šumu je obtížná
Je obtížné dosáhnout teplotního koeficientu.
Sestavení vysoce kvalitního PNP není možné.
V IC, jakákoli kom
V IC nelze různé komponenty vyměnit, odstranit, takže pokud některá součást v IC poškodí, musí se kompletní IC změnit s novou.
Jmenovitý výkon je omezen, protože výroba integrovaných obvodů nad 10 W není možná

Různé typy integrovaných obvodů

Existují různé typy integrovaných obvodů klasifikace integrovaných obvodů se provádí na základě různých kritérií. Na následujícím obrázku je uvedeno několik typů integrovaných obvodů v systému s názvy ve stromovém formátu.

Různé typy ICS

Na základě zamýšlené aplikace je IC klasifikován jako analogové integrované obvody, digitální integrované obvody a smíšené integrované obvody.

Digitální integrované obvody

Integrované obvody, které fungují pouze na několika definovaných úrovních namísto provozování celkových úrovní amplitudy signálu, se nazývají digitální integrované obvody a jsou navrženy pomocí více čísel digitální logické brány , multiplexory, klopné obvody a další elektronické součásti obvodů. Tato logická hradla pracují s binárními vstupními daty nebo digitálními vstupními daty, například 0 (nízká nebo nepravdivá nebo logická 0) a 1 (vysoká nebo pravdivá nebo logická 1).

Digitální integrované obvody

Výše uvedený obrázek ukazuje kroky při navrhování typických digitálních integrovaných obvodů. Tyto digitální integrované obvody se často používají v počítačích, mikroprocesory , procesory digitálního signálu, počítačové sítě a čítače kmitočtů. Existují různé typy digitálních integrovaných obvodů nebo typy digitálních integrovaných obvodů, jako jsou programovatelné integrované obvody, paměťové čipy, logické integrované obvody, integrované obvody řízení napájení a integrované obvody rozhraní.

Analogové integrované obvody

Integrované obvody, které pracují v nepřetržitém rozsahu signálů, se nazývají analogové integrované obvody. Ty se dále dělí na lineární integrované obvody (lineární integrované obvody) a Rádiová frekvence Integrované obvody (RF IC). Ve skutečnosti může být vztah mezi napětím a proudem v některých případech nelineární v dlouhém rozsahu spojitého analogového signálu.

Analogové integrované obvody

Často používaným analogovým IC je operační zesilovač nebo jednoduše nazývaný operační zesilovač, podobný diferenciálnímu zesilovači, ale má velmi vysoký zisk napětí. Skládá se z velmi malého počtu tranzistorů ve srovnání s digitálními integrovanými obvody a pro vývoj analogových aplikačně specifických integrovaných obvodů (analogové ASIC) se používají počítačové simulační nástroje.

Lineární integrované obvody

V analogovém integrovaném obvodu, pokud existuje lineární vztah mezi jeho napětím i proudem, pak je známý jako lineární IC. Nejlepším příkladem tohoto lineárního integrovaného obvodu je 741 IC, je 8kolíkový operační zesilovač DIP (Dual In-line Package),

Vysokofrekvenční integrované obvody

V analogovém integrovaném obvodu, pokud existuje nelineární vztah mezi jeho napětím a proudem, nazývá se radiofrekvenční integrované obvody. Tento druh IC je také známý jako vysokofrekvenční integrovaný obvod.

Smíšené integrované obvody

Integrované obvody, které se získají kombinací analogových a digitálních integrovaných obvodů na jednom čipu, se nazývají smíšené integrované obvody. Tyto integrované obvody fungují jako digitální na analogové převaděče, Analogově-digitální převaděče (Převodníky D / A a A / D) a integrované obvody hodin / časování. Obvod zobrazený na výše uvedeném obrázku je příkladem smíšeného integrovaného obvodu, což je fotografie samoléčebného radarového přijímače 8 až 18 GHz.

Smíšené integrované obvody

Tento systém smíšeného signálu Systems-on-a-chip je výsledkem pokroku v integrační technologii, která umožnila integraci digitálních, více analogových a RF funkcí do jednoho čipu.

Mezi obecné typy integrovaných obvodů (IC) patří:

Logické obvody

Tyto integrované obvody jsou navrženy pomocí logických bran - které pracují s binárním vstupem a výstupem (0 nebo 1). Většinou se používají jako osoby s rozhodovací pravomocí. Na základě logické nebo pravdivé tabulky logických hradel poskytují všechna logická hradla připojená v integrovaném obvodu výstup založený na obvodu připojeném uvnitř integrovaného obvodu - takový, že tento výstup se používá k provádění konkrétního zamýšleného úkolu. Níže je uvedeno několik logických integrovaných obvodů.

Logické obvody

Komparátory

Komparátorové integrované obvody se používají jako komparátory pro porovnávání vstupů a poté pro vytváření výstupu na základě porovnání integrovaných obvodů.

Komparátory

Spínací integrované obvody

Přepínače nebo spínací integrované obvody jsou navrženy pomocí tranzistorů a jsou používány k provádění spínací operace . Výše uvedený obrázek je příkladem ukazujícím SPDT IC přepínač.

Spínací integrované obvody

Audio zesilovače

Zvuk zesilovače jsou jedním z mnoha typů integrovaných obvodů, které se používají k zesílení zvuku. Obvykle se používají v audioreproduktorech, televizních obvodech atd. Výše uvedený obvod ukazuje nízkonapěťový audio zesilovač IC.

Audio zesilovače

Integrovaný obvod CMOS

Integrované obvody CMOS se extrémně používají v různých aplikacích ve srovnání s FET kvůli jejich schopnostem, jako je nižší prahové napětí, nízká spotřeba energie. CMOS IC zahrnuje zařízení P-MOS a N-MOS, která jsou vyráběna společně na podobném čipu. Struktura tohoto integrovaného obvodu je polysilikonová brána, která pomáhá snižovat prahové napětí zařízení, což umožňuje proces na nízkonapěťových úrovních.

Integrované obvody regulátoru napětí

Tento druh integrovaného obvodu poskytuje stabilní stejnosměrný výstup navzdory změnám uvnitř stejnosměrného vstupu. Běžně používanými regulátory typu jsou integrované obvody LM309, uA723, LM105 a 78XX.

Operační zesilovače

The operační zesilovače jsou často používané integrované obvody, podobné audio zesilovačům, které se používají pro zesílení zvuku. Tyto operační zesilovače se používají pro účely zesílení a tyto integrované obvody fungují podobně jako tranzistor zesilovací obvody. Konfigurace kolíků integrovaného zesilovače 741 je zobrazena na obrázku výše.

Operační zesilovače

Integrované obvody časovače

Časovače jsou speciální integrované obvody používané pro účely počítání a pro sledování času v zamýšlených aplikacích. Blokové schéma vnitřního obvodu IC časovač LM555 je zobrazen ve výše uvedeném obvodu. Na základě počtu použitých komponent (obvykle na základě počtu použitých tranzistorů) jsou následující

Integrované obvody časovače

“jak vyrobit vysílač a přijímač ”

Integrace malého rozsahu skládá se pouze z několika tranzistorů (desítky tranzistorů na čipu), tyto integrované obvody hrály zásadní roli v raných leteckých projektech.

Středně velká integrace Skládá se z několika stovek tranzistorů na čipu IC vyvinutých v šedesátých letech 20. století a ve srovnání s integrovanými obvody SSI dosáhlo lepší ekonomiky a výhod.

Integrace ve velkém měřítku se skládá z tisíců tranzistorů na čipu s téměř stejnou ekonomikou jako integrované integrované obvody středního rozsahu. První mikroprocesor, čipy kalkulačky a RAM 1Kbit vyvinuté v 70. letech měly méně než čtyři tisíce tranzistorů.

Velmi rozsáhlá integrace sestává z tranzistorů v počtu stovek až několika miliard. (Vývojové období: od 80. let do roku 2009)

Velmi rozsáhlá integrace Skládá se z tranzistorů přesahujících více než jeden milion a byla vyvinuta pozdější integrace wafer-scale (WSI), systém na čipu (SoC) a trojrozměrný integrovaný obvod (3D-IC).

To vše lze považovat za generace integrované technologie. Integrované obvody jsou také klasifikovány na základě výrobního procesu a technologie balení. Existuje mnoho typů integrovaných obvodů, mezi nimiž bude IC fungovat jako časovač, čítač, Registrovat , zesilovač, oscilátor, logická brána, sčítač, mikroprocesor atd.

Typy integrovaných obvodů založené na třídách

Integrované obvody jsou k dispozici ve třech třídách na základě technik použitých při jejich výrobě.

Integrované obvody tenkého a tlustého filmu
Monolitické integrované obvody
Hybridní nebo vícečipové integrované obvody

Tenké a silné IC

U těchto typů integrovaných obvodů se používají pasivní součásti, jako jsou kondenzátory a rezistory, avšak tranzistory a diody jsou k návrhu obvodu připojeny jako samostatné součásti. Tyto integrované obvody jsou jednoduše kombinací integrovaných i samostatných komponent a tyto integrované obvody mají kromě způsobu nanášení filmu související vlastnosti a vzhled. Z ICS lze rozhodnout o tenké vrstvě ICs filmu.

Tyto integrované obvody jsou navrženy vodivým ukládáním filmů na povrch skla, jinak na keramický stojan. Změnou tloušťky filmů na materiálech bude mít rozdílný měrný odpor a lze provést výrobu pasivních elektronických součástek.

U tohoto typu integrovaného obvodu se metoda hedvábného tisku používá k vytvoření požadovaného modelu obvodu na keramickém podkladu. Někdy se tento druh integrovaných obvodů nazývá integrované obvody tištěného tenkého filmu.

Monolitické integrované obvody

U tohoto druhu integrovaných obvodů lze vytvořit propojení aktivní, pasivní a diskrétní složky na křemíkovém čipu. Jak název napovídá, je odvozen z řeckého slova, jako mono není nic jiného než jediné, zatímco Lithos znamená kámen. V současné době se tyto integrované obvody nejčastěji používají kvůli nižším nákladům a spolehlivosti. Integrované obvody, které se vyrábějí komerčně, se používají jako regulátory napětí, zesilovače, počítačové obvody a přijímače AM. Izolace mezi monolitickými komponentami IC je však špatná, ale má také menší výkon,

Dual-in-line package (DIP) IC

DIP (balíček se dvěma in-line konektory) nebo DIPP (balíček se dvěma in-line konektory) je balíček elektronických součástek z hlediska mikroelektroniky nebo elektroniky s obdélníkovou deskou a dvěma paralelními řadami s elektrickými spojovacími kolíky.

Hybridní nebo vícečipové integrované obvody

Jak název napovídá, multi znamená nad jedním jednotlivým čipem, který je propojen. Aktivní složky, jako jsou diody nebo rozptýlené tranzistory, zahrnují tyto integrované obvody, zatímco pasivní složky jsou rozptýlené kondenzátory nebo odpory na jednom čipu. Spojení těchto komponent lze provést pomocí metalizovaných prototypů. Vícečipové integrované obvody jsou široce využívány pro aplikace zesilovače vysokého výkonu od 5 W do 50 W. Ve srovnání s monolitickými integrovanými obvody je výkon hybridních integrovaných obvodů lepší.

Druhy IC balíčků

Balíčky IC jsou rozděleny do dvou typů, jako jsou průchozí montáž a povrchová montáž.

Balíčky pro montáž skrz díru

Jejich navrhování lze provést tam, kde jsou vodicí kolíky připevněny přes jednu stranu desky a doutnány na druhé straně. Ve srovnání s jinými typy je velikost těchto balíčků větší. Ty se používají hlavně v elektronických zařízeních k vyrovnání prostoru desky a omezení nákladů. Nejlepším příkladem balíčků pro montáž skrz díru jsou balíčky Dual inline, protože se jedná o nejvýznamněji používané balíčky. Tyto balíčky jsou k dispozici ve dvou typech, jako je keramika a plast.

V ATmega328 jsou 28 piny umístěny paralelně k sobě tím, že se rozšiřují vertikálně a jsou rozloženy na černé plastové obdélníkové desce. Prostor mezi kolíky je udržován na 0,1 palce. Kromě toho se velikost balíčku mění kvůli rozdílu mezi číslem. kolíků v různých baleních. Uspořádání těchto kolíků může být provedeno takovým způsobem, že je lze regulovat do středu nepájivého pole, aby nemohlo dojít ke zkratu.

“aplikace řadiče pid v průmyslu ”

Různé balíčky IC pro montáž do průchozích otvorů jsou PDIP, DIP, ZIP, PENTAWATT, T7-TO220, TO2205, TO220, TO99, TO92, TO18, TO03.

Balení pro povrchovou montáž

Tento druh balení sleduje hlavně montážní technologii, jinak by byly komponenty umístěny přímo na desce plošných spojů. I když jeho výrobní metody pomohou věci dělat rychle, také to zvyšuje šance na chyby způsobené malými součástmi a jsou uspořádány velmi blízko u sebe. Tento druh obalů používá plastové nebo keramické výlisky. Různé druhy obalů pro povrchovou montáž, které používají plastové formy, jsou malé obrysové balení s olovnatým L a BGA (Ball Grid Array).

Různé balíčky IC pro povrchovou montáž jsou SOT23, SOT223, TO252, TO263, DDPAK, SOP, TSOP, TQFP, QFN a BGA.

Výhody

Níže jsou popsány výhody typů integrovaných obvodů.

Spotřeba energie je nízká

Integrované obvody využívají pro správnou funkci méně energie kvůli jejich menší velikosti a konstrukci.

Velikost je kompaktní

Malý obvod využívající integrované obvody lze získat pro danou funkčnost ve srovnání s diskrétním obvodem.

Méně nákladů

Ve srovnání s diskrétními obvody jsou integrované obvody k dispozici za nižší cenu díky jejich výrobním technologiím a použití malého množství materiálu.

Menší váha

Obvody, které používají integrované obvody, mají nižší hmotnost ve srovnání s diskrétními obvody

Provozní rychlost je vylepšena

Integrované obvody pracují při vysokých rychlostech díky své spínací rychlosti a nízké spotřebě energie.

Vysoká spolehlivost

Jakmile obvod používá nízké připojení, pak integrované obvody poskytnou vysokou spolehlivost ve srovnání s digitálními obvody.

Velikost integrovaného obvodu je malá, ale na tomto čipu lze vyrobit tisíce komponent.
Použitím jediného čipu jsou navrženy různé složité elektronické obvody
Z důvodu hromadné výroby jsou k dispozici s nižšími náklady
Provozní rychlost je vysoká kvůli nedostatku parazitního kapacitního efektu.
Z mateřského obvodu lze snadno změnit

Nevýhody

Mezi nevýhody různých typů integrovaných obvodů patří následující.

Teplo nemůže být odváděno potřebnou rychlostí kvůli své malé velikosti a přetečení proudu může způsobit poškození IC
Do integrovaných obvodů nelze zabudovat transformátory ani induktory
Zvládne omezený rozsah výkonu
Sestavení vysoce kvalitního PNP není možné.
Nelze dosáhnout nízkoteplotního koeficientu
Rozsah ztrátového výkonu je až 10 wattů
Nelze dosáhnout provozu s vysokým napětím a nízkou hlučností

Jedná se tedy o přehled různých typů integrovaných obvodů. Konvenční integrované obvody jsou v praktickém použití omezené, protože vynález nanoelektroniky a miniaturizace integrovaných obvodů tímto pokračují. Nanoelektronická technologie . Konvenční integrované obvody však ještě nejsou nahrazeny nanoelektronikou, ale využití konvenčních integrovaných obvodů se částečně snižuje. Chcete-li tento článek technicky vylepšit, pošlete své dotazy, nápady a návrhy jako své komentáře v níže uvedené části.

Fotografické kredity: