Интегральные схемы: Полное руководство для инженеров

Что такое интегральная схема?

Без лишних споров: важность дыхания для жизни неоспорима. Именно так интегральная схема (ИС) относится к прогрессу современной эры.

Интегральные схемы прошли долгий путь улучшений для производства ПП, став тем, что мы знаем сегодня. Первые транзисторы были громоздкими и неэстетичными. Многие изобретатели хватались за идею, но идея осталась бы идеей без реализации. Цепочку прервали Джек Килби (Texas Instruments) и Роберт Нойс (Fairchild Semiconductor).

Преимущества интегральных схем невозможно переоценить для качества жизни. Например, когда я впервые узнал историю ИС, я искренне благодарил изобретателей: не вообразил бы, что барабаноподобное электронное устройство можно превратить в ладошный чип.

Сегодня, благодаря размерам, скорости и емкости, чипы достигли невиданных высот с момента изобретения. Первые ИС строились на сборке кластеров транзисторов на полупроводнике — кремнии, ведь транзистор — ключевой компонент электронной схемы.

1.1 Определение

Слово «интегрированный» означает объединение в единое целое. Интегральная схема — миниатюрный полупроводник (обычно кремний), содержащий спроектированные резисторы, транзисторы и конденсаторы.

ИС — электронное устройство, которое может быть цифровым, аналоговым или смешанным, служащее основой (фреймворком) для электронных приборов. Создается для размещения тысяч, миллионов, миллиардов транзисторов, конденсаторов или резисторов на одном кристалле. Часто называют микросхемой или просто чипом.

Число транзисторов варьируется:

• До сотен — малое степени интеграции (SSI)
• До тысяч — средняя степень интеграции (MSI)
• До миллиона — большая степень интеграции (LSI)
• До миллиардов — очень большая степень интеграции (VLSI/ULSI)

1.2 Проектирование аналоговых CMOS интегральных схем

CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) — комплементарный металл-оксид-полупроводник, также COS-MOS. Используется в цифровых и аналоговых приложениях.

В аналоговом виде: операционные усилители на CMOS. Вместо сигнальных реле используют транзисторные ключи как аналоговые мультиплексоры.

Базовая единица CMOS — MOSFET (Metal-Oxide-Silicon Field-Effect Transistor). Комбинация комплементарных MOSFET образует CMOS-схемы.

Ключевое преимущество: ток течет только при переключении логического гейта. Отсутствует статическое потребление энергии — экономия в 10 раз, так как одновременно переключается менее 1 из 10 гейтов.

1.3 Типы интегральных схем

• Аналоговые ИС — усиление, фильтрация, модификация сигналов. Из-за малого числа компонентов считаются простейшими. Используются в устройствах передачи/приема сигналов и реагирующих на непрерывные изменения.
• Цифровые ИС — управление потоком данных, математические операции в двоичной системе (0 и 1). Основа компьютерных систем. Работают с дискретными точными значениями, в отличие от аналоговых.
• Микропроцессорные схемы — миллионы/миллиарды транзисторов, идеально выстроенных в тысячи цифровых схем, каждая со своей функцией. Выполняют миллиарды операций в секунду — самые сложные ИС.

Анализ и проектирование интегральных схем

2.1 Проектирование и анализ аналоговых ИС

Базируется на использовании «стандартных» моделей для составных частей схемы. Два подхода:

1. Ручной анализ (Hand analysis) — предположение об точности моделей оправдано естественными моделями.
2. Компьютерный анализ — более техничный подход.

Критично для проектировщика глубоко понимать источники используемых моделей и уровень аппроксимации в каждой.

Современные полупроводниковые приборы для интегральных схем

3.1 Что такое полупроводниковые приборы?

Полупроводники — электронные элементы с проводимостью между проводником и диэлектриком. Проводят ток при определенных условиях, не во всех состояниях. Именно это делает их удобными управляемыми проводниками.

3.2 Полупроводниковая промышленность

Как 5 к 6, полупроводниковые приборы — основа бытовых электроники: MP3, авто, плоские телевизоры, компьютеры, игровые консоли, стиральные машины, радио. Мы зависим от них сознательно или нет.

Пример с компьютерами: ноутбук 3-5 лет назад стоит копейки на трейд-ин. Почему? Со временем сложность, скорость и производительность растут, а стоимость производства падает за счет миниатюризации (транзисторов). Экономический рост отрасли высок: если в прошлом году ПК работал на 150 Мопс, в этом — уже на 1500 Мопс за те же деньги. Успех отрасли — в постоянных улучшениях и снижении себестоимости за счет уменьшения размеров.

3.3 Полупроводниковые приборы в составе ИС

• Транзисторы — широчайшее применение и сложность. Первый дизайн — биполярный транзистор (BJT) с тремя выводами: база, коллектор, эмиттер. Главное применение — ключ (переключатель).
• Диоды — полупроводниковые приборы, блокирующие ток при напряжении ниже порога, и пропускающие его при превышении. Характеристики диодов варьируются.

Цифровые интегральные схемы

4.1 Описание цифровых ИС

Ключевые инструменты: микропроцессор и микроконтроллер.

Базовый тип цифровой ИС — микропроцессор, построенный на комбинации логических функций. Логические функции реализуются через электронные компоненты, например, транзисторы.

Цифровые схемы используют бинарную логику (в отличие от непременных аналоговых): константы ВКЛ/ВЫКЛ, ИСТИНА/ЛОЖЬ, 0/1. Содержат множественные соединения компонентов на одном полупроводниковом кристалле — до миллиардов транзисторов.

Из-за трудоемкости сборки используют готовые ИС, размещающие большое или малое число компонентов на чипе.

Логический гейт (Logic gate) — атомарный элемент цифровых систем.

Интегральные схемы в сборке печатных плат (PCBA)

5.1 ИС в PCBA и применение

До быстрого прототипирования и 3D-печати ПП происходит монтаж печатной платы (PCBA — Printed Circuit Board Assembly). ПП из меди с другими материалами формирует трассы и контактные площадки. Плата удерживает электронные компоненты. Интегральные схемы используют кремний с транзисторами. Чип монтируется на плату.

5.2 Применение интегральных схем

• Персональные компьютеры
• Телевизоры
• Устройства памяти

5.3 Выбор интегральных схем

ИС доступны в WellPCB. Потребности разные — мы оснащены соответствующе. Предоставляем широкий ассортимент ИС для ваших нужд при заказе PCBA у нас.

Заключение

Интегральная схема — прорыв в бытовых сложностях. От идеи к практике — заложен фундамент ИС: скорость и надежность кардинально выросли. Иначе ваш мобильный был бы не миниатюрным, а громоздким корпусом. ИС дала человечеству лучшую жизнь, более быстрый, улучшенный и стабильный мир.

Поскольку ИС сильно варьируются по выбору, мы обеспечим не только ваш выбор, но и оригинальность. Запросите котировку для сборки, задавайте вопросы и предлагайте идеи — мы открыты для диалога.