Что такое интегральная микросхема

Применение — интегральная схема

Применение интегральных схем повышает надежность и быстродействие машин, сокращает их габариты и массу.
 

Система изогнутых под прямым углом печатных проводников на подложке.

Применение интегральных схем дает возможность не только повысить надежность устройств ЭВМ, но за счет микроминиатюризации более широко применять различные методы резервирования машин и их элементов.
 

Применение интегральных схем требует коренного изменения методов компоновки и монтажа ЦВМ; плотность монтажа существенно увеличивается; должна быть обеспечена также высокая скорость распространения сигналов и хорошая защита от помех. В вычислительных машинах третьего поколения это решается путем применения многослойного печатного монтажа. Общее число слоев может превышать 10, хотя наибольшее распространение получил четырехслойныи печатный монтаж, при котором внутри плоского листа изоляционного материала располагаются слой земляных шин и слой шин питания, а снаружи-два слоя сигнальных проводников.
 

Применение интегральных схем позволяет повысить в 100 раз быстродействие цифровых систем управления. В цифровых системах управления в большинстве случаев применяются программы на перфолентах, однако промышленность стремится быстрее перейти к автоматическому управлению станками в реальном масштабе времени.
 

Применение интегральных схем, стоимость которых при массовом производстве оказывается ниже стоимости соответствующих схем на дискретных компонентах, существенно влияет на логическую организацию машин третьего поколения, Удешевление электронных схем позволяет применять так называемые 2 5-мерные оперативные памяти на ферритовых сердечниках ( см. гл. Хотя количество использованных электронных схем при этом возрастает, стэимость аппаратуры увеличивается незначительно из-за сравнительной дешевизны схем, а характеристики аппаратуры существенно улучшаются.
 

Применение интегральных схем ( включая тонкие пленки) особенно выгодно и вычислительной технике, где требуется большое количество однотипных элементов, а также в космонавтике, где необходимы особенно малые объем и вес аппаратуры. Использование таких схем перспективно и в фхтнч областях электроники.
 

Применение интегральных схем в корпусе дает возможность механизировать групповые методы сборки плат логики и применить высокопроизводительную пайку волной для монтажа печатных плат.
 

Применение интегральных схем позволяет сделать слож-ное простым и дорогое практичным. Интегральная микросхема — это миниатюрное электронное устройство, состоящее из большого числа простых схем. Благодаря этому сборка какой-либо сложной схемы из многочисленных компонентов ( транзисторов и других элементов) упрощается — радиолюбителю достаточно лишь выбрать необходимую микросхему. Объединение данной микросхемы с другими ИС позволяет радиолюбителю создавать устройства, которые ранее были для него недоступны ввиду их конструктивной сложности.
 

Применение интегральных схем позволяет резко сократить габариты приборов и их стоимость. Передняя панель его имеет размер 60X60 мм, глубина прибора 150 мм.
 

Что дает применение объемных интегральных схем СВЧ.
 

Книга посвящена применению интегральных схем ( ИС) в измерительных устройствах. В ней описаны разновидности логических ИС и триггеров в интегральном исполнении, приведены схемы комбинационных логических цепей, регистров и счетчиков на основе ИС и пояснен порядок их синтеза.
 

Хотя книга посвящена применению интегральных схем в измерительных приборах, она, по всей видимости, может быть полезна также и специалистам, работающим в смежных областях. С другой стороны, в ней нашли отражение далеко не все узлы приборов, которые могут быть построены на интегральных схемах. В частности, недостаточно широко и подробно рассмотрено применение линейных интегральных схем в измерительной технике. Тем не менее, автор надеется, что он в известной степени разумно распорядился тем небольшим объемом, который имеет эта книга.
 

Логический эле — г гт.

Более подробно об особенностях применения интегральных схем сообщается в специальных курсах.
 

Масштаб интеграции

Интеграция шкалы определяет количество логических элементов на единицу:

Фамилия	Имея в виду	Год выпуска	Количество транзисторов	Количество логических вентилей на коробку
SSI	мелкомасштабная интеграция	1964 г.	От 1 до 10	От 1 до 12
MSI	средняя интеграция	1968 г.	От 10 до 500	13–99
LSI	крупномасштабная интеграция	1971 г.	От 500 до 20 000	От 100 до 9 999
СБИС	очень крупномасштабная интеграция	1980 г.	От 20 000 до 1 000 000	От 10 000 до 99 999
ULSI	сверхбольшая интеграция	1984 г.	1,000,000 и более	100 000 и больше

Эти различия постепенно утратили свою полезность с экспоненциальным ростом числа ворот. Сегодня несколько сотен миллионов транзисторов (несколько десятков миллионов вентилей) представляют собой нормальную цифру (для микропроцессора или высокопроизводительной графической интегральной схемы ). Для достижения такого уровня интеграции используется сложный процесс проектирования .

ULSI, WSI, SOC

Чтобы отразить дальнейший рост сложности, термин ULSI что означает «Ультра-крупномасштабная интеграция»был предложен для микросхем сложностью более 1 миллиона транзисторов. Однако качественного скачка между VLSI и ULSI нет, поэтому обычно в технических текстах термин» VLSI «охватывает также ULSI, а термин» ULSI «зарезервирован только для случаев, когда необходимо подчеркнуть сложность микросхемы, например, в маркетинге.

Самый экстремальный метод интеграции — это интеграция в масштабе пластины (WSI), который использует целые неразрезанные пластины, содержащие целые компьютеры (как процессоры, так и память). Попытки сделать этот шаг на коммерческой основе в 1980-х годах (например, Джина Амдала) потерпели неудачу, в основном из-за проблем с производительностью без дефектов, и сейчас это не кажется приоритетным для промышленности.

Технология WSI потерпела коммерческую выгоду, но достижения в производстве полупроводников позволили предпринять еще одну атаку на сложность ИС, известную как Система на кристалле (SOC) дизайн. При таком подходе компоненты, традиционно изготавливаемые в виде отдельных микросхем, которые соединяются вместе на печатной плате, предназначены для размещения на одной микросхеме, содержащей память, микропроцессор (ы), периферийные интерфейсы, логическое управление ввода / вывода, преобразователи данных и другие компоненты. , вместе составляя всю электронную систему.

Что такое интегральная схема?

 1.1 Определение

От слова «интегрированный», которое означает составление или координацию для формирования целого, интегральная схема изображает мини-полупроводник, обычно кремний, в котором находятся спроектированные резисторы, транзисторы и конденсаторы.

Интегральная схема представляет собой электронное устройство, которое может быть цифровым или аналоговым или смесью как цифровых, так и аналоговых, служащих рамкой или шаблоном для некоторых электронных устройств и инструментов.

Он построен с единственной целью размещения большого количества транзисторов, конденсаторов или резисторов только на полупроводниковой детали. Часто интегральная схема называется микрочипом или просто чипом.

На интегральной схеме количество транзисторов, резисторов или конденсаторов может варьироваться от тысяч, миллионов или даже миллиардов. С пика изобретения интегральной схемы она со временем претерпела довольно много улучшений.

Существуют чипы, которые вмещают только от наименьшего до более чем сотни транзисторов, и их обычно называют мелкомасштабной интеграцией.

Кроме того, чипы, вмещающие только до тысяч транзисторов, обычно называют интеграцией среднего масштаба или MSI.

Чипы, вмещающие до миллиона транзисторов, называются обширной масштабной интеграцией или VLSI, и, наконец, у нас есть интеграция Ultra large scale, которая означает интегральные схемы, которые могут вместить до миллиардов транзисторов всего за один чип.

1.2 Проектирование аналоговых интегральных схем CMOS

«CMOS», который относится к комплементарному металлу-оксиду-полупроводнику, а также называемый «COS-MOS», то есть комплементарно-симметричный металл-оксид-полупроводник, используется как в цифровых, так и в аналоговых приложениях. 

Кроме того, при использовании CMOS в аналоговой форме у нас есть примеры, такие как интегральные схемы операционных усилителей CMOS. Вместо использования сигнальных реле, передающие ворота могут использоваться в качестве аналоговых мультиплексоров.

Здесь мы будем ссылаться на 1 единственную единицу CMOS, которая является MOSFET, MOSFET — это аббревиатура, изображающая металл-оксид-кремниевый полевой эффект-транзистор. Комбинация комплементарных МОП-транзисторов называется КМОП-схемами.

Отличительной особенностью CMOS является то, что она передает поток между устройствами только тогда, когда логическая схема чередует свой логический затвор. Следовательно, отсутствует связанный с ним силовой разврат в 10 раз, и это связано с тем, что ниже одного из 10 вентилей большой логической схемы чередуется в любой конкретный момент времени.

1.3 Типы интегральных схем

Принимая во внимание типы интегральных схем, мы имеем:

       • Аналоговая интегральная схема: аналоговая схема выполняет функции, включая усиление, фильтрацию и модификацию сигналов. Из-за использования небольших компонентов они считаются одними из простейших типов интегральных схем.

Они обычно используются в устройствах, которые отправляют и принимают сигналы. Аналоговая интегральная схема также используется в устройствах, которые реагируют на постоянные изменения.

       • Цифровая интегральная схема: цифровая схема помогает в направлении потока данных и выполнять математическую оценку с использованием двоичных 0 и 1. Цифровые интегральные схемы используются для построения компьютерных систем.

В отличие от аналоговой интегральной схемы, цифровая интегральная схема сконструирована так, чтобы получать только показания с точными значениями.

       • Микропроцессорные схемы: когда мы упоминаем микропроцессорные схемы, то мы говорим о миллионах или, в частности, миллиардах транзисторов, которые были идеально выровнены как тысячи одиночных цифровых схем, каждая из которых выполняет определенную функцию.

В дополнение к этому, они способны выполнять миллиарды задач в секунду, что делает их очень сложным типом интегральной схемы.

Цифровые микросхемы

Цифровые ИМС — это микроэлектронные схемы, которые используются для преобразования и обработки цифровых сигналов. Цифровые сигналы получают путем дискретизации (оцифровке) аналоговых. Так, если в аналоговой форме данные о температуре любого объекта подаются непрерывным электрическим сигналом с выхода термодатчика, то цифровой сигнал — это последовательность чисел, по значению уровня температуры, измеренной через определенные промежутки времени

При этом чрезвычайно важное значение имеет форма записи чисел

В быту мы пользуемся десятичными числами. При записи такого числа используется позиционная форма представления чисел, согласно которому мы называем не самое число, а только информацию о том, сколько единиц, десятков, сотен, тысяч и т.д. оно содержит. При формировании цифровых сигналов используется двоичная система счисления. При записи двоичного числа мы отмечаем, сколько единиц, двоек, четверок, восьмерок и разрядов высокого порядка, получаемые подъемом в степень числа 2, оно содержит. Так, например, двоичное число 101 содержит одну единицу, ноль двоек и одну четверку и равное десятичному числу 5, а десятичное число 10 в двоичной форме записывается в виде: 1010 — ноль единиц, одна двойка, ноль четверок, одна восьмерка.

Нетрудно увидеть, что для представления числа в двоичной системе счисления нужно больше разрядов, чем в десятичной системе, то есть двоичное число дольше десятичное. Но двоичное число имеет то преимущество, что для его записи необходимо всего два знака — 0 и 1. Поэтому при электронной записи цифровых сигналов можно ограничиться использованием только двухуровневых сигналов. Итак, цифровой электрический сигнал — это последовательность двухуровневых элементарных сигналов 0 и 1, которые называются логическими сигналами. Для их обработки, например, дешифрации или считывания, сложения или вычитания, хранения или задержки во времени, применяют так называемые логические схемы, а в случае микроэлектронных устройств — цифровые микросхемы.

Серии цифровых микросхем

Цифровые ИМС, как и аналоговые, выпускаются сериями. Микросхемы одной серии имеют одинаковые напряжения питания, электрические и эксплуатационные параметры и при совместном использовании не требуют дополнительных согласующих элементов. Среди большого количества цифровых ИМС можно выделить следующие группы: серии функционально полного состава, серии, специализированные по функциональному назначению и микропроцессорные комплекты ИМС.

Серии первой группы включают ИМС различного функционального назначения: логические схемы, триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы и др. Чем шире функциональный состав серии, тем в большей степени она обеспечивает выполнение требований к аппаратуре с точки зрения надежности, компактности, экономичности, технологичности, удобства эксплуатации и ремонта. Некоторые серии состоят из 100 и более типов ИМС. Примерами отечественных серий ИМС с развитым функциональным составом могут служить серии: К500, К155, К555, К176, К561, К564 и др. Такие серии можно называть универсальными с точки зрения широкого их применения.

Серии ИМС второй группы характеризуются более узкой специализацией. К ним относят серии ИМС памяти К537, К565, К556, К573, К1601 и др., Серии ИМС согласования с линиями передачи и управления устройствами (интерфейсные ИМС) К169, К170, К1102.

Серии ИМС третьей группы, которые называются микропроцессорными комплектами, включают ИМС, которые необходимы для построения микропроцессорных вычислительных и управляющих устройств. Сюда входят микропроцессоры, схемы ввода-вывода, таймеры, генераторы, различные вспомогательные ИМС. Примеры микропроцессорных комплектов: К580, К1810, К588, К1801, К1803, К1804 и др.

Полупроводниковые запоминающие устройства

Принципы организации памяти

Накопление данных включает: регистрацию (запись), постоянное запоминание (хранение данных в узком смысле), извлечение и вывод (чтение). В полупроводниковых запоминаю­щих устройствах используются физические процессы, «проводящий/непроводящий» или «заряженный/разряженный», позволяющие однозначно распознать одно из двух противо­положных состояний (информация в двоичном коде). В полупроводниковых устройствах па­мяти воспроизводятся состояния «проводя­щий» и «непроводящий» или «заряженный» и «разряженный»; последнее состояние осно­вывается на специальных свойствах перехода между кремнием и оксидом кремния или между нитридом кремния и металлом. Тех­нологией, активно использующейся сейчас, является флеш-память. Устройства памяти, работающие по данному принципу, электри­чески программируемые и стираемые.

В будущем также будут использоваться новые виды памяти: FRAM использует прин­цип магнитоэлектрического запоминающего устройства, MRAM использует магнитный эффект в качестве принципа запоминания, и РСМ (память на основе фазового перехода) для эффекта запоминания использует измене­ние состояния материала от кристаллического до аморфного и соответствующее изменение сопротивления.

Пример HTML-страницы

Классификация запоминающих устройств

Полупроводниковые запоминающие устрой­ства подразделяются на две основных кате­гории: энергозависимые и энергонезависи­мые — практически все они производятся по технологии CMOS.

Энергозависимые запоминающие устрой­ства могут считываться и перезаписываться любое количество раз и поэтому называются оперативным запоминающим устройством (RAM); объем информации стирается при от­ключении питания.

Энергонезависимые запоминающие устрой­ства сохраняют данные при отключении ис­точника питания; они также известны как постоянное запоминающее устройство (ROM).

В будущем MRAM и РСМ (не появятся в управлении двигателем раньше 2018 года), возможно, вытеснят флеш-память (энергоне­зависимую, но медленную) и RAM (быструю, но энергозависимую), используемые сегодня, поскольку они сохраняют данные после от­ключения питания и имеют очень короткое время доступа.

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Пример HTML-страницы

Как определить степень интеграции микросхемы?

Степень интеграции микросхемы отражает уровень ее сложности, определяемый количеством содержащихся в ней элементов.

Формула для определения степени интеграции:

K = lgN

где: * K — степень интеграции * N — число элементов в микросхеме

Классификация микросхем по степени интеграции:

• Малая интегральная схема (МСИ): 1-100 логических элементов
• Средняя интегральная схема (СИС): 100-1000 логических элементов
• Большая интегральная схема (БИС): 1000-100000 логических элементов
• Сверхбольшая интегральная схема (СБИС): более 100000 логических элементов

Чем выше степень интеграции, тем компактнее, экономичнее и эффективнее микросхема. Она может выполнять больше функций в меньшем корпусе, что делает ее идеальной для современных электронных устройств.

Классификация микросхем[править]

Микросхемы классифицируются по приведенным ниже признакам.

По степени интеграции

Степень интеграции для интегральной схемы — это показатель степени сложности, характеризующийся числом содержащихся в ней элементов. В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия типов микросхем:

• малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле;
• средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле;
• большая интегральная схема (БИС) — до 10 тыс. элементов в кристалле;
• сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тыс. элементов в кристалле.

Для интегральных схем с бо́льшим количеством элементов ранее применялись названия:

• ультрабольшая интегральная схема (УБИС), с количеством элементов в диапазоне от 1 млн до 1 млрд.
• гигабольшая интегральная схема (ГБИС), количество элементов в которой превышало 1 млрд.

В настоящее время эти названия не применяются. Типы, которые раньше относили к УБИС и ГБИС, сейчас определяются как СБИС. Это позволило сократить количество делений на группы, поскольку СБИС с количеством элементов свыше 1 млн обычно используются в специфических компьютерных системах, мощность которых измеряется в десятках и сотнях терабайт, и которыми, как правило, оснащены лишь большие научно-исследовательские центры.

По способу изготовления

• Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия или арсенида галлия).
• Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:
  • толстоплёночная интегральная схема;
  • тонкоплёночная интегральная схема.

Гибридная микросборка HP 1813-0091

• Микросборка (гибридная микросхема) — содержит бескорпусные диоды, транзисторы, в том числе и бескорпусные интегральные микросхемы. Пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) обычно изготавливаются методами тонкоплёночной или толстоплёночной технологий на общей (как правило, керамической) подложке гибридной микросхемы. Вся подложка с компонентами помещается в единый герметизированный корпус.
• В ряду гибридных микросхем можно выделить совмещённые микросхемы, которые кроме полупроводникового кристалла содержат тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла. Совмещённые микросхемы изготавливают в том случае, когда необходимы высокие номиналы и высокая стабильность резисторов и ёмкостей. Эти требования легче обеспечить посредством пленочных элементов, чем полупроводниковых.

По виду обрабатываемого сигнала

• аналоговые;
• цифровые;
• аналого-цифровые.

Аналоговые микросхемы делятся на две группы. К первой группе относятся микросхемы универсального назначения: операционные усилители, матрицы транзисторов, диодов и так далее, ко второй — специализированные аналоговые ИС.

Цифровые микросхемы предназначены для реализации логических функций и выполнения вычислительных операций. Входные и выходные сигналы таких микросхем имеют два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый уровень напряжения.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов, например, усилитель сигнала и аналого-цифровой преобразователь.

Состав

Коробка

Интегральные схемы DIP box .

DIP коробка микроконтроллер .

Интегральные схемы обычно защищены корпусом из пластика (иногда керамики) прямоугольной формы черного цвета. «Классические» интегральные схемы снабжены с двух противоположных сторон соединительными штырями (также называемыми ножками или штырями), позволяющими устанавливать электрические соединения с внешней стороной корпуса. Эти компоненты припаяны оловом (« припаяны » — неправильное название) на печатной плате или вставлены в целях разборки в опоры, которые сами припаяны к печатной плате. Из-за необходимости миниатюризации контакты были уменьшены до простых поверхностей для соединения непосредственно с корпусом, что позволяет устанавливать печатную плату на поверхность (корпуса SMD ).

На корпусе могут быть напечатаны: логотип производителя, ссылка, идентифицирующая компонент, код, соответствующий вариантам или модификациям, дата изготовления (4 цифры в кодировке AASS: год и неделя). Процесс интеграции таков, что интегральные схемы могут стать очень маленькими. Их размер вряд ли зависит от способности корпуса рассеивать тепло, производимое эффектом Джоуля, и, очень часто, от количества, размера выходных контактов схемы, а также от их расстояния.

Различные типы корпусов позволяют адаптировать интегральную схему к среде назначения.

• Самый старый формат называется Dual Inline Package (DIP или DIL), что примерно переводится как «коробка с двумя линиями».
• С помощью миниатюризации появились так называемые поверхностные схемы: формат SO .

Существует много других типов:

Смерть

СБИС интегральная схема матрицы

Матрица является элементарной частью, прямоугольной формы, идентично воспроизвести с использованием штампа на кремниевую пластине в процессе производства. Он соответствует интегральной схеме, которую затем разрезают и которая будет называться микросхемой, прежде чем она будет заключена в капсулу, чтобы получить полную интегральную схему , готовую к установке на карту.

Штампа интегральной схемы содержит в миниатюрных формах, в основном транзисторы , диоды , резисторы , конденсаторы , реже индукторов , потому что они являются более трудно миниатюризации.

Заключение

В эру, где технологические открытия следуют одно за другим, интегральные микросхемы (ИМС) стоят на переднем крае этой революции. Они вышли далеко за рамки простых кристаллов, став сердцем и мозгом устройств, которые определяют наш образ жизни. ИМС — это маленькие чудеса, способные усилить наши способности, расширить горизонты и создать будущее, которое раньше казалось недостижимым.

Неотъемлемая Часть Технологической Эволюции:

ИМС изменили облик нашего мира, делая его более соединенным и умным. Они сделали электронику доступной, мощной и удобной, преобразовав такие области, как медицина, коммуникации, промышленность и развлечения. Эти небольшие чипы стали катализаторами для инноваций, открывая новые возможности и переписывая правила игры.

ИМС: Сила Перемены в Будущем:

С новыми технологическими горизонтами, которые распространяются перед нами, ИМС будут продолжать быть стержнем, который поддерживает наше общество. Они будут играть ключевую роль в развитии смарт-технологий, интернета вещей (IoT), искусственного интеллекта (ИИ) и многих других областей. Миниатюрные чипы с максимальной производительностью будут стимулировать инновации, повышать эффективность и расширять наши горизонты.

В то время как мир находится в постоянном движении и технологическая эволюция не знает границ, интегральные микросхемы остаются основой этой эволюции. Они служат свидетельством нашей способности не только адаптироваться к переменам, но и активно формировать будущее. По мере того как технологии становятся все более утонченными и мощными, давайте не забывать, что в центре этого великого строения стоят незаметные, но могущественные интегральные микросхемы — истинные архитекторы нашего технологического мира.