Ολοκληρωμένο κύκλωμα – Χαρακτηριστικά, τύποι σχεδίων.
Πριν από την εφεύρεση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, η τυπική προσέγγιση για τη δημιουργία μαθημάτων περιελάμβανε την επιλογή των εξαρτημάτων —όπως διόδους, τρανζίστορ, αντιστάσεις, επαγωγείς και πυκνωτές— και τη σύνδεσή τους. Ωστόσο, λόγω προβλημάτων με το μέγεθος και την κατανάλωση ενέργειας, ήταν απαραίτητο να κατασκευαστεί ένα κύκλωμα μικρού μεγέθους με χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας, αξιοπιστία και ανθεκτικό στους κραδασμούς.
Τα R, C, L, οι δίοδοι, τα τρανζίστορ και τα τρανζίστορ είναι μερικά από τα εξαρτήματα που μπαίνουν σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα. Είναι κατασκευασμένα σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα, το οποίο είναι ένα μικρό τσιπ ενιαίου ημιαγωγού (IC). Όλοι μαζί συνεργάζονται για να ολοκληρώσουν μια δεδομένη εργασία. Το IC συνήθως στεγάζεται σε ένα πλαστικό κουτί με μεταλλικές ακίδες, έτσι ώστε να μπορεί να στερεωθεί σε μια πλακέτα κυκλώματος ενώ μπορεί να σπάσει εύκολα.
Οι ρόλοι των ταλαντωτών, των ενισχυτών, των μικροεπεξεργαστών, ακόμη και της μνήμης του υπολογιστή μπορούν όλοι να εκτελούνται από ολοκληρωμένα κυκλώματα.
Πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα
Η ιδέα για το πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα δημιουργήθηκε σχεδόν ταυτόχρονα από δύο άτομα, όπως και με πολλές άλλες ανακαλύψεις. Τα τρανζίστορ χρησιμοποιούνταν ήδη ευρέως σε συσκευές όπως υπολογιστές, ραδιόφωνα και τηλέφωνα, και τώρα οι κατασκευαστές αναζητούσαν κάτι ακόμα καλύτερο. Αν και τα τρανζίστορ είναι λιγότερα από τους σωλήνες κενού, είναι αρκετά μικροσκοπικά για μερικά από τα νεότερα ηλεκτρονικά.
Ωστόσο, δεδομένου ότι κάθε τρανζίστορ έπρεπε να συνδεθεί σε καλώδια και άλλα ηλεκτρονικά μετά τη δημιουργία του, υπήρχε ένα όριο στο πόσο μικρό μπορούσαν να κατασκευαστούν. Τα τρανζίστορ ήταν ήδη πέρα από τις δυνατότητες σταθερών χεριών και τσιμπιδάκι. Ως εκ τούτου, οι μηχανικοί σκόπευαν να δημιουργήσουν ένα ολόκληρο κύκλωμα - συμπεριλαμβανομένων όλων των απαραίτητων τρανζίστορ, καλωδίων και άλλων εξαρτημάτων - σε ένα μόνο βήμα. Τα στοιχεία θα μπορούσαν να είναι όλα πολύ μικρότερα αν μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα μικροκύκλωμα σε ένα μόνο βήμα. Ο Τζακ Κίλμπι δούλευε μόνος του στην Texas Instruments μια μέρα στα τέλη Ιουλίου. Δεδομένου ότι μόλις πρόσφατα είχε ξεκινήσει να εργάζεται εκεί, δεν μπορούσε να κάνει διακοπές όπως σχεδόν όλοι οι άλλοι. Οι διάδρομοι ήταν άδειοι και είχε πολύ χρόνο να σκεφτεί. Κατάλαβε αμέσως ότι όλα τα εξαρτήματα του κυκλώματος, όχι μόνο το τρανζίστορ, θα μπορούσαν να είναι κατασκευασμένα από πυρίτιο.
Εκείνη την εποχή, οι ημιαγωγοί δεν χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία πυκνωτών ή αντιστάσεων. Εάν είναι δυνατόν, το κύκλωμα στο σύνολό του μπορεί να κατασκευαστεί από έναν μόνο κρύσταλλο, καθιστώντας το μικρότερο και πολύ πιο απλό στην κατασκευή του.
Ο εργοδότης του Kilby ενέκρινε το σχέδιο και έδωσε εντολή να αρχίσει να δουλεύει. Η Texas Instruments υπέβαλε αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στις 6 Φεβρουαρίου αφού η Kilby ολοκλήρωσε ένα λειτουργικό μοντέλο έως τις 12 Σεπτεμβρίου. Τον Μάρτιο, έκαναν το ντεμπούτο τους για το πρώτο "Solid Circuit", περίπου στο μέγεθος μιας μύτης μολυβιού.
Ωστόσο, ένα ξεχωριστό άτομο στην Καλιφόρνια είχε τις ίδιες ακριβώς ιδέες. Ο Robert Noyce, ένας νέος υπάλληλος της Fairchild Semiconductor, στις αρχές του 1959.
Ήξερε επίσης ποιος ήταν ικανός να δημιουργήσει ένα ολόκληρο κύκλωμα σε ένα μόνο τσιπ. Ο Kilby είχε καταλάβει πώς να φτιάξει κάθε μέρος με ακρίβεια, αλλά ο Noyce βρήκε έναν πολύ πιο αποτελεσματικό τρόπο για να τα συνδέσει. Εκείνο τον Απρίλιο, ο Fairchild άρχισε να αναπτύσσει αυτό που ανέφεραν ως «ενιαία κυκλώματα» και υπέβαλε αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας. Παρόλο που η Fairchild γνώριζε ότι η TI είχε ήδη υποβάλει αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για μια σχετική εφεύρεση, παρόλα αυτά ετοίμασε μια λεπτομερή αίτηση με την ελπίδα ότι δεν θα παραβίαζε αυτήν την τεχνολογία. Η προσπάθεια που καταβλήθηκε στις λεπτομέρειες απέδωσε καρπούς. Στις 25 Απριλίου 1961, το γραφείο διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας χορήγησε στον Robert Noyce το πρώτο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για ένα IC ενώ η αίτηση του Kilby ήταν ακόμη υπό εξέταση. Σήμερα, αναγνωρίζεται ότι οι δύο άνδρες είχαν διαφορετικές απόψεις σχετικά με την ιδέα του πρώτου ολοκληρωμένου κυκλώματος.
Σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων
Για τον σχεδιασμό Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων
χρησιμοποιούνται ειδικές τεχνικές λογικής και σχέδια κυκλωμάτωνΑκολουθούν οι τρεις τύποι σχεδιασμού ολοκληρωμένων κυκλωμάτων:
- Ψηφιακός σχεδιασμός
- Ηλεκτρονικός σχεδιασμός
- Μικτό σχέδιο
Ψηφιακός σχεδιασμός
Χρησιμοποιώντας την τεχνική του ψηφιακού σχεδιασμού, δημιουργούνται ολοκληρωμένα κυκλώματα (IC) που χρησιμοποιούνται ως μικροεπεξεργαστές και μνήμη υπολογιστή (RAM και ROM). Με αυτή τη σχεδιαστική προσέγγιση, η πυκνότητα του κυκλώματος και η συνολική απόδοση μεγιστοποιούνται. Αυτή η τεχνική παράγει ολοκληρωμένα κυκλώματα (IC) που δέχονται δυαδικά δεδομένα εισόδου, όπως 0 και 1. Η διαδικασία για την παραγωγή ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων απεικονίζεται στο παρακάτω διάγραμμα.
Ηλεκτρονικός σχεδιασμός
Η τεχνική αναλογικού σχεδιασμού χρησιμοποιείται σε τσιπ IC. Τα IC χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ταλαντωτών, φίλτρων και ρυθμιστών. Απαιτείται η καλύτερη αύξηση ισχύος, διάχυση και αντίσταση.
Μικτό σχέδιο
Οι ιδέες του ψηφιακού και αναλογικού σχεδιασμού συνδυάζονται σε ποικίλα σχέδια. Τα σήματα μετατρέπονται από αναλογικά σε ψηφιακά ή ψηφιακά σε αναλογικά χρησιμοποιώντας μικτά IC.
Δημιουργία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων
Ο χαλκός, οι ημιαγωγοί και άλλα στοιχεία στοιβάζονται περίπλοκα σε ένα τσιπ IC για να δημιουργήσουν αντιστάσεις, τρανζίστορ και άλλα εξαρτήματα. Αυτές οι γκοφρέτες κόβονται σε κομμάτια και στη συνέχεια σχηματίζονται σε μήτρα.
Τα IC είναι κατασκευασμένα από λεπτές γκοφρέτες ημιαγωγών με περίπλοκες συνδέσεις μεταξύ των στρωμάτων. Έτσι συσκευάζονται αντ' αυτού. Το μικρό, εύθραυστο καλούπι μετατρέπεται στο αναγνωρίσιμο μαύρο τσιπ από τη συσκευασία του τσιπ IC.
Τα IC είναι κατασκευασμένα από λεπτές γκοφρέτες ημιαγωγών με πολύπλοκες συνδέσεις μεταξύ των στρωμάτων.
Όλα τα τσιπ IC είναι πολωμένα και κάθε pin έχει μια συγκεκριμένη θέση και λειτουργία. Τα ενσωματωμένα τσιπ αναγνωρίζουν την πρώτη ακίδα χρησιμοποιώντας μια εγκοπή ή μια τελεία.
Τα ακόλουθα PIN ανεβαίνουν διαδοχικά γύρω από το τσιπ με αριστερόστροφο προσανατολισμό μόλις αναγνωριστεί η πρώτη ακίδα.
Δυνατότητες ολοκληρωμένων κυκλωμάτων
Κατασκευή και συσκευασία
Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή IC είναι πυρίτιο και άλλοι ημιαγωγοί ημιαγωγοί. Λόγω του μικρού μεγέθους και της υψηλής ευαισθησίας του IC, ένα δίκτυο από μικροσκοπικά σύρματα χρυσού και αλουμινίου ενώνονται και διαμορφώνονται σε ένα επίπεδο μπλοκ από πλαστικό ή κεραμικό. Οι μεταλλικοί πείροι έξω από το μπλοκ χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση καλωδίων στο εσωτερικό. Το συμπαγές μπλοκ διατηρεί το τσιπ παγωμένο και το προστατεύει από την υπερθέρμανση.
Ενσωμάτωση IC
Επειδή συνδύασαν πολλές συσκευές σε μία, τα ενσωματωμένα τσιπ κέρδισαν το όνομά τους. Ο μικροεπεξεργαστής, η μνήμη και η διεπαφή περιλαμβάνονται όλα σε ένα ενιαίο ολοκληρωμένο κύκλωμα μικροελεγκτή.
Φωτονικό ολοκληρωμένο κύκλωμα
Ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα, όπως αυτά στον υπολογιστή, το smartphone και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές σας, αποτελείται από ηλεκτρικά εξαρτήματα που σχηματίζουν λειτουργικά κυκλώματα. Τα φωτονικά συστατικά, από την άλλη πλευρά, είναι συστατικά που λειτουργούν με το φως. Μαζί, σχηματίζουν ένα φωτονικό ολοκληρωμένο κύκλωμα.
Σε αντίθεση με τον τρόπο με τον οποίο τα φωτόνια περνούν μέσω οπτικών στοιχείων όπως πολωτές, μετατοπιστές φάσης και κυματοδηγοί, που είναι συγκρίσιμοι με αντιστάσεις ή ηλεκτρικά καλώδια, η ροή ηλεκτρονίων σε ένα ηλεκτρονικό τσιπ κινείται μέσω αντιστάσεων, πηνίων, τρανζίστορ και πυκνωτών.
Ενσωμάτωση λειτουργικού ενισχυτή
Ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα ολοκλήρωσης είναι ο ολοκληρωτής λειτουργικού ενισχυτή. Ο λειτουργικός ενισχυτής (op-amp), στον οποίο βασίζεται, εκτελεί τη μαθηματική διαδικασία ολοκλήρωσης χρόνου, με αποτέλεσμα μια τάση εξόδου ανάλογη με την τάση εισόδου που ενσωματώνεται με την πάροδο του χρόνου.
Ενσωμάτωση κυκλώματος ενισχυτή λειτουργικού
Το Integrating Op Amp είναι ένα λειτουργικό κύκλωμα ενισχυτή που εκτελεί τη μαθηματική ενέργεια της Integrating, όπως υποδηλώνει το όνομά του. Η τάση εξόδου του ολοκληρωτή Op-amp είναι ανάλογη με την τάση εισόδου προς το ολοκλήρωμα της τάσης εισόδου, κατά συνέπεια, επιτρέποντάς μας να ανταποκρίνεται η έξοδος στις αλλαγές της τάσης εισόδου με την πάροδο του χρόνου.
Η ηλεκτρική πηγή είτε φορτίζει είτε αποφορτίζει το ρεύμα που ρέει μέσω του βρόχου ανάδρασης, ο οποίος χρησιμεύει επίσης ως το βασικό κανάλι αρνητικής ανάδρασης. Η διάρκεια της τάσης στην είσοδο καθορίζει το πλάτος του σήματος εξόδου.
Συχνές ερωτήσεις
1. Ποιο πρόβλημα επιλύεται από ένα φωτονικό ολοκληρωμένο κύκλωμα;
Παρόμοια με την περιστροφή ενός διακόπτη για την έγχυση ενέργειας που τροφοδοτεί ηλεκτρικά εξαρτήματα, ένα φωτονικό ολοκληρωμένο κύκλωμα χρησιμοποιεί μια πηγή λέιζερ για την έγχυση φωτός που ελέγχει τα εξαρτήματα. Η τεχνολογία Moore που συχνά αναφέρεται ως ολοκληρωμένη φωτονική τεχνολογία, χρησιμοποιεί φως αντί για ηλεκτρισμό για να ξεπεράσει ορισμένα από τα μειονεκτήματα των ηλεκτρονικών, όπως η παραγωγή θερμότητας και η ενσωμάτωση. Επιτρέποντας ταχύτερους και εκτενέστερους ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων, αυτή η τεχνολογία οδηγεί τα gadget στο επόμενο επίπεδο. Τα πλεονεκτήματα των φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων περιλαμβάνουν συρρίκνωση, πιο απίστευτη ταχύτητα, μειωμένα αποτελέσματα θερμότητας, τεράστια ικανότητα ολοκλήρωσης και συμβατότητα με υπάρχουσες τεχνικές επεξεργασίας που επιτρέπουν υψηλή απόδοση, μαζική κατασκευή και χαμηλότερες τιμές. Μεταξύ των διαφόρων ολοκληρωμένων εφαρμογών φωτονικής είναι η μετάδοση δεδομένων, η ανίχνευση, η αυτοκινητοβιομηχανία και η αστρονομία.
2. Τι είδους χρήσεις είναι κατάλληλες για φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα;
Τα PIC διαθέτουν πολλές υπηρεσίες, συμπεριλαμβανομένης της μεταφοράς δεδομένων. Άλλα κοινά οφέλη περιλαμβάνουν βιολογικές εφαρμογές όπως συσκευές εργαστηρίου σε τσιπ, εφαρμογές στην αμυντική και αεροδιαστημική βιομηχανία και εφαρμογές στον τομέα της αστρονομίας. Μια μελέτη σκοπιμότητας μπορεί να καθορίσει εάν η ολοκληρωμένη φωτονική έχει τη δυνατότητα να αποτελέσει λύση καθώς οι σχεδιαστές προσεγγίζουν νέα τεχνολογικά προβλήματα. Ως αποτέλεσμα, τα PIC γίνονται πάντα καλύτερα και βρίσκουν νέες χρήσεις. Στούντιο σχεδιασμού, κοινοπραξίες PIC, ακόμη και πολλά ιδρύματα σε όλο τον κόσμο παρέχουν τις δεξιότητές τους για αυτήν την έρευνα.
3. Τι χρησιμεύει στη δημιουργία φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων αυτή τη στιγμή;
Τα PIC έχουν τη δυνατότητα να αντικαταστήσουν τα ηλεκτρονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα ως την κυρίαρχη τεχνολογία για λύσεις επικοινωνίας δεδομένων για αυτόνομα οχήματα, αισθητήρες για την αεροδιαστημική και την αεροδιαστημική και αμέτρητες άλλες χρήσεις σε μια νέα τεχνολογική εποχή.
