Mọi thiết bị điện tử chúng ta sử dụng trong cuộc sống hàng ngày, chẳng hạn như điện thoại di động, máy tính xách tay, tủ lạnh, máy tính, tivi và tất cả các thiết bị điện và điện tử khác đều được sản xuất với một số mạch điện đơn giản hoặc phức tạp. Các mạch điện tử được thực hiện bằng cách sử dụng nhiều linh kiện điện và điện tử được kết nối với nhau bằng cách kết nối dây dẫn hoặc dây dẫn cho dòng điện chạy qua nhiều thành phần của mạch, chẳng hạn như điện trở , tụ điện , cuộn cảm, điốt, bóng bán dẫn, v.v. Các mạch có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên các tiêu chí khác nhau, chẳng hạn như dựa trên kết nối: mạch nối tiếp và mạch song song dựa trên kích thước và quy trình sản xuất của mạch: mạch tích hợp và mạch rời rạc và dựa trên tín hiệu được sử dụng trong mạch : mạch tương tự và mạch số. Bài viết này thảo luận tổng quan về các loại mạch tích hợp khác nhau và ứng dụng của chúng.

Mạch tích hợp là gì?

Mạch tích hợp hoặc IC hoặc vi mạch hoặc chip là một vi mô mạch điện tử mảng được hình thành bằng cách chế tạo các thành phần điện và điện tử khác nhau (điện trở, tụ điện, bóng bán dẫn, v.v.) trên một vật liệu bán dẫn (silicon) wafer, có thể thực hiện các hoạt động tương tự như các mạch điện tử rời rạc lớn được làm bằng các linh kiện điện tử rời rạc.

Mạch tích hợp

Vì tất cả các mảng linh kiện, vi mạch siêu nhỏ và cơ sở vật liệu wafer bán dẫn này được tích hợp với nhau để tạo thành một chip duy nhất, do đó, nó được gọi là mạch tích hợp hoặc chip tích hợp hoặc vi mạch.

Các mạch điện tử được phát triển bằng cách sử dụng các thành phần điện tử riêng lẻ hoặc rời rạc với các kích thước khác nhau, do đó giá thành và kích thước của các mạch rời rạc này tăng lên cùng với số lượng linh kiện được sử dụng trong mạch. Để chinh phục khía cạnh tiêu cực này, công nghệ mạch tích hợp đã được phát triển - Jack Kilby của Texas Instruments đã phát triển IC hoặc mạch tích hợp đầu tiên vào những năm 1950, và sau đó, Robert Noyce của Fairchild Semiconductor đã giải quyết một số vấn đề thực tế của mạch tích hợp này.

Lịch sử của mạch tích hợp

Lịch sử của mạch tích hợp được bắt đầu với các thiết bị trạng thái rắn. John Ambrose (J.A) Fleming đã phát minh ra ống chân không đầu tiên vào năm 1897, được gọi là diode chân không. Đối với động cơ, ông đã phát minh ra quy tắc bàn tay trái. Sau đó vào năm 1906, một loại chân không mới được phát minh có tên là Triode và nó được sử dụng để khuếch đại.

Sau đó, bóng bán dẫn được phát minh tại Bell Labs vào năm 1947 để thay thế một phần các ống chân không vì bóng bán dẫn là thành phần nhỏ sử dụng ít năng lượng hơn để hoạt động. Các mạch khác nhau được thiết kế bằng cách sử dụng các thành phần rời rạc bằng cách tách rời nhau cũng như sắp xếp trên các bảng mạch in bằng cách điều khiển thông qua tay được gọi là mạch không tích hợp. Các vi mạch này tiêu thụ nhiều điện năng và không gian và đầu ra của chúng không được mượt mà.

Năm 1959, Mạch tích hợp được phát triển, nơi một số thành phần điện và điện được chế tạo trên một tấm silicon duy nhất. Mạch tích hợp sử dụng năng lượng thấp để hoạt động cũng như cung cấp đầu ra mượt mà. Hơn nữa, việc tăng cường các bóng bán dẫn trên một mạch tích hợp cũng có thể được tăng lên.

Tiến hóa vi mạch tích hợp từ các công nghệ khác nhau

Việc phân loại IC có thể được thực hiện dựa trên kích thước của chip và quy mô tích hợp. Ở đây, thang tích hợp xác định số lượng linh kiện điện tử được đặt vào một Mạch tích hợp điển hình.
Từ năm 1961 đến năm 1965, công nghệ tích hợp quy mô nhỏ (SSI) đã được sử dụng để chế tạo 10 đến 100 bóng bán dẫn trên một chip duy nhất để tạo ra flip flops và cổng logic.

Từ năm 1966 đến năm 1970, công nghệ tích hợp quy mô trung bình (MSI) được sử dụng để chế tạo 100 đến 1000 bóng bán dẫn trên một chip duy nhất để tạo ra bộ ghép kênh, bộ giải mã và bộ đếm.

Từ năm 1971 đến năm 1979, công nghệ tích hợp quy mô lớn (LSI) được sử dụng để chế tạo 1000 đến 20000 bóng bán dẫn trên một chip duy nhất để tạo ra RAM, bộ vi xử lý, ROM

Từ năm 1980 đến năm 1984, công nghệ tích hợp quy mô rất lớn (VLSI) đã được sử dụng để chế tạo 20000 đến 50000 bóng bán dẫn trên một chip duy nhất để tạo ra bộ vi xử lý RISC, DSP và vi xử lý mi16-bit và 32-bit.

Từ năm 1985 đến nay, công nghệ tích hợp quy mô cực lớn (ULSI) đã được sử dụng để chế tạo 50000 đến hàng tỷ bóng bán dẫn trên một chip duy nhất để tạo ra bộ vi xử lý 64 bit.

Hạn chế của các loại mạch tích hợp khác nhau

Hạn chế của các loại IC bao gồm những điều sau đây.

“bộ điều khiển phí cho các tấm pin mặt trời là gì ”

Đánh giá công suất bị hạn chế
Nó hoạt động ở điện áp thấp
Nó tạo ra tiếng ồn khi hoạt động
Xếp hạng PNP cao là không thể
Các thành phần của nó phụ thuộc vào điện áp như điện trở và tụ điện
Nó là tinh tế
Khó chế tạo một vi mạch thông qua tiếng ồn thấp
Hệ số nhiệt độ khó đạt được.
Việc lắp ráp PNP cao cấp là không thể thực hiện được.
Trong IC, bất kỳ com
Trong một vi mạch, không thể thay thế, tháo gỡ các thành phần khác nhau, do đó, nếu bất kỳ thành phần nào trong một vi mạch bị hư hỏng, thì vi mạch hoàn chỉnh phải thay thế bằng vi mạch mới.
Đánh giá công suất bị hạn chế vì không thể sản xuất IC công suất trên 10 Watt

Các loại mạch tích hợp khác nhau

Có nhiều kiểu phân loại IC khác nhau của Mạch tích hợp được thực hiện dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau. Một số loại IC trong hệ thống được thể hiện trong hình bên dưới với tên của chúng ở dạng cây.

Các loại ICS khác nhau

Dựa trên ứng dụng dự kiến, IC được phân loại thành mạch tích hợp tương tự, mạch tích hợp kỹ thuật số và mạch tích hợp hỗn hợp.

Mạch tích hợp kỹ thuật số

Các mạch tích hợp chỉ hoạt động ở một vài mức xác định thay vì hoạt động ở mức tổng thể của biên độ tín hiệu được gọi là IC kỹ thuật số và chúng được thiết kế bằng cách sử dụng nhiều số cổng logic kỹ thuật số , bộ ghép kênh, flip flops và các thành phần điện tử khác của mạch. Các cổng logic này hoạt động với dữ liệu đầu vào nhị phân hoặc dữ liệu đầu vào kỹ thuật số, chẳng hạn như 0 (thấp hoặc sai hoặc logic 0) và 1 (cao hoặc đúng hoặc logic 1).

Mạch tích hợp kỹ thuật số

Hình trên cho thấy các bước liên quan đến việc thiết kế các mạch tích hợp kỹ thuật số điển hình. Các IC kỹ thuật số này thường được sử dụng trong máy tính, bộ vi xử lý , bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số, mạng máy tính và bộ đếm tần số. Có nhiều loại IC kỹ thuật số hoặc các loại mạch tích hợp kỹ thuật số khác nhau, chẳng hạn như IC lập trình, chip nhớ, IC logic, IC quản lý nguồn và IC giao diện.

Mạch tích hợp tương tự

Các mạch tích hợp hoạt động trên một dải tín hiệu liên tục được gọi là IC Analog. Chúng được chia thành các Mạch tích hợp tuyến tính (IC tuyến tính) và Tần số vô tuyến Mạch tích hợp (IC RF). Trên thực tế, mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện có thể là phi tuyến tính trong một số trường hợp trên một phạm vi dài của tín hiệu tương tự liên tục.

Mạch tích hợp tương tự

IC tương tự thường được sử dụng là một bộ khuếch đại hoạt động hoặc đơn giản được gọi là op-amp, tương tự như bộ khuếch đại vi sai, nhưng sở hữu độ lợi điện áp rất cao. Nó bao gồm một số lượng rất ít bóng bán dẫn so với các IC kỹ thuật số và, để phát triển các mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng tương tự (ASIC tương tự), các công cụ mô phỏng máy tính được sử dụng.

Mạch tích hợp tuyến tính

Trong một mạch tích hợp tương tự, nếu tồn tại mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp cũng như dòng điện thì nó được gọi là IC tuyến tính. Ví dụ tốt nhất về IC tuyến tính này là IC.741, là một op-amp 8 chân DIP (Gói nội tuyến kép),

Mạch tích hợp tần số vô tuyến

Trong IC tương tự, nếu tồn tại mối quan hệ phi tuyến tính giữa điện áp và dòng điện của nó thì nó được gọi là IC tần số vô tuyến. Loại vi mạch này còn được gọi là mạch tích hợp tần số vô tuyến.

Mạch tích hợp hỗn hợp

Các mạch tích hợp có được bằng cách kết hợp các IC tương tự và kỹ thuật số trên một chip duy nhất được gọi là IC hỗn hợp. Các IC này hoạt động như bộ chuyển đổi Digital sang Analog, Bộ chuyển đổi Analog sang Digital (Bộ chuyển đổi D / A và A / D), và các IC đồng hồ / thời gian. Mạch được mô tả trong hình trên là một ví dụ của mạch tích hợp hỗn hợp, là một bức ảnh của bộ thu radar tự phục hồi 8 đến 18 GHz.

Mạch tích hợp hỗn hợp

Hệ thống tín hiệu hỗn hợp trên một chip này là kết quả của những tiến bộ trong công nghệ tích hợp, cho phép tích hợp các chức năng kỹ thuật số, nhiều chất tương tự và RF trên một chip duy nhất.

Các loại mạch tích hợp (IC) chung bao gồm:

Mạch logic

Các IC này được thiết kế bằng cách sử dụng các cổng logic-hoạt động với đầu vào và đầu ra nhị phân (0 hoặc 1). Những người này hầu hết được sử dụng như những người ra quyết định. Dựa trên bảng logic hoặc bảng sự thật của các cổng logic, tất cả các cổng logic được kết nối trong IC cho một đầu ra dựa trên mạch được kết nối bên trong IC- sao cho đầu ra này được sử dụng để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Một vài IC logic được hiển thị bên dưới.

Mạch logic

Người so sánh

Các IC so sánh được sử dụng làm bộ so sánh để so sánh các đầu vào và sau đó tạo ra đầu ra dựa trên sự so sánh của các IC.

Người so sánh

Chuyển mạch IC

Công tắc hoặc IC chuyển mạch được thiết kế bằng cách sử dụng các bóng bán dẫn và được sử dụng để thực hiện chuyển đổi hoạt động . Hình trên là một ví dụ cho thấy một công tắc IC SPDT.

“làm thế nào để giảm điện áp từ 12v xuống 5v ”

Chuyển mạch IC

Bộ khuếch đại âm thanh

Âm thanh bộ khuếch đại là một trong nhiều loại IC, được sử dụng để khuếch đại âm thanh. Chúng thường được sử dụng trong loa âm thanh, mạch truyền hình, v.v. Mạch trên hiển thị IC khuếch đại âm thanh điện áp thấp.

Bộ khuếch đại âm thanh

Mạch tích hợp CMOS

Các mạch tích hợp CMOS được sử dụng rất nhiều trong các ứng dụng khác nhau so với FET vì các khả năng của chúng như điện áp ngưỡng thấp hơn, tiêu thụ điện năng thấp. IC CMOS bao gồm các thiết bị P-MOS & N-MOS được chế tạo chung trên một chip tương tự. Cấu trúc của vi mạch này là một cổng Polysilicon hỗ trợ giảm điện áp ngưỡng của thiết bị, do đó cho phép xử lý ở mức điện áp thấp.

IC điều chỉnh điện áp

Loại mạch tích hợp này cung cấp đầu ra DC ổn định bất chấp những thay đổi trong đầu vào DC. Các bộ điều chỉnh loại thường được sử dụng là IC LM309, uA723, LM105 & 78XX.

Mổ nội soi

Các Mổ nội soi là các IC thường được sử dụng, tương tự như các bộ khuếch đại âm thanh được sử dụng để khuếch đại âm thanh. Các op-amps này được sử dụng cho mục đích khuếch đại và các IC này hoạt động tương tự như bóng bán dẫn các mạch khuếch đại. Cấu hình chân của IC op-amp 741 được hiển thị trong hình trên.

Mổ nội soi

IC hẹn giờ

Bộ hẹn giờ là các mạch tích hợp có mục đích đặc biệt được sử dụng cho mục đích đếm và theo dõi thời gian trong các ứng dụng dự kiến. Sơ đồ khối của mạch bên trong của IC hẹn giờ LM555 được hiển thị trong mạch trên. Dựa trên số lượng các thành phần được sử dụng (thường dựa trên số lượng bóng bán dẫn được sử dụng), chúng như sau

IC hẹn giờ

Tích hợp quy mô nhỏ chỉ bao gồm một vài bóng bán dẫn (hàng chục bóng bán dẫn trên một con chip), những vi mạch này đã đóng một vai trò quan trọng trong các dự án hàng không vũ trụ ban đầu.

Tích hợp quy mô vừa bao gồm hàng trăm bóng bán dẫn trên chip IC được phát triển vào những năm 1960 và đạt được hiệu quả kinh tế và lợi thế tốt hơn so với IC SSI.

Hội nhập quy mô lớn bao gồm hàng ngàn bóng bán dẫn trên chip với nền kinh tế gần như tương tự như các vi mạch tích hợp quy mô trung bình. Bộ vi xử lý, chip máy tính và RAM 1Kbit đầu tiên được phát triển vào những năm 1970 có dưới bốn nghìn bóng bán dẫn.

Tích hợp quy mô rất lớn bao gồm các bóng bán dẫn với số lượng từ hàng trăm đến vài tỷ. (Thời kỳ phát triển: từ những năm 1980 đến 2009)

Tích hợp quy mô cực lớn bao gồm hơn một triệu bóng bán dẫn, và sau này tích hợp quy mô wafer (WSI), hệ thống trên chip (SoC) và mạch tích hợp ba chiều (3D-IC) đã được phát triển.

Tất cả những thứ này có thể được coi là thế hệ công nghệ tích hợp. IC cũng được phân loại dựa trên quy trình chế tạo và công nghệ đóng gói. Có rất nhiều loại IC trong đó, một IC sẽ hoạt động như một bộ đếm thời gian, bộ đếm, Đăng ký , bộ khuếch đại, bộ dao động, cổng logic, bộ cộng, bộ vi xử lý, v.v.

Các loại mạch tích hợp dựa trên các lớp

Các mạch tích hợp có sẵn trong ba lớp dựa trên các kỹ thuật được sử dụng trong khi sản xuất chúng.

IC màng mỏng và dày
IC nguyên khối
IC lai hoặc đa kênh

IC mỏng & dày

Trong các loại mạch tích hợp này, các thành phần thụ động như tụ điện và điện trở được sử dụng tuy nhiên các bóng bán dẫn và điốt được kết nối giống như các thành phần riêng biệt để thiết kế một mạch. Các vi mạch này chỉ đơn giản là sự kết hợp của các thành phần tích hợp cũng như riêng biệt và các vi mạch này có các đặc điểm và hình thức liên quan ngoài cách lắng đọng màng. Từ ICS, có thể quyết định sự lắng đọng màng ICs mỏng.

Các vi mạch này được thiết kế thông qua việc dẫn các màng lắng đọng của vật liệu trên bề mặt thủy tinh, nếu không thì trên giá đỡ bằng sứ. Bằng cách thay đổi độ dày của màng trên vật liệu sẽ có điện trở suất khác nhau và có thể thực hiện chế tạo các linh kiện điện tử thụ động.

Trong loại mạch tích hợp này, phương pháp in lụa được sử dụng để tạo mô hình yêu cầu của mạch trên nền gốm. Đôi khi, loại IC này được gọi là IC màng mỏng in.

IC nguyên khối

Trong loại mạch tích hợp này, các liên kết của các thành phần tích cực, thụ động và rời rạc trên chip silicon có thể được hình thành. Như tên cho thấy, nó có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp như mono không là gì ngoài đơn trong khi Lithos có nghĩa là đá. Hiện nay, các IC này được sử dụng phổ biến nhất do chi phí thấp hơn cũng như độ tin cậy. Các IC được sản xuất thương mại được sử dụng như bộ điều chỉnh điện áp, bộ khuếch đại, mạch máy tính và máy thu AM. Tuy nhiên, độ cách điện giữa các thành phần IC nguyên khối kém nhưng cũng có mức công suất thấp hơn,

IC gói kép trong dòng (DIP)

DIP (gói kép trong dòng) hoặc DIPP (gói pin kép) là gói linh kiện điện tử về mặt vi điện tử hoặc điện tử có bảng hình chữ nhật & hai hàng song song có chân kết nối điện.

IC hỗn hợp hoặc nhiều chip

Như tên cho thấy, multi có nghĩa là trên một chip riêng lẻ được kết nối với nhau. Các thành phần tích cực như điốt hoặc bóng bán dẫn khuếch tán bao gồm các IC này trong khi các thành phần thụ động là các tụ điện hoặc điện trở khuếch tán trên một con chip. Việc kết nối các thành phần này có thể được thực hiện thông qua các nguyên mẫu được kim loại hóa. Các mạch tích hợp nhiều chip được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng của bộ khuếch đại công suất cao từ 5W đến 50W. So với các mạch tích hợp nguyên khối, hiệu suất của IC lai là cao hơn.

Các loại gói IC

Các gói vi mạch được phân loại thành hai loại như Bao bì lắp qua lỗ & Bao bì gắn trên bề mặt.

Gói gắn kết xuyên lỗ

Việc thiết kế những cái này có thể được thực hiện khi các chân chì được cố định qua một mặt của bảng và được dập lửa ở mặt còn lại. So với các loại khác, kích thước của các gói này lớn hơn. Chúng chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị điện tử để cân bằng không gian bảng cũng như giới hạn chi phí. Ví dụ tốt nhất về gói gắn kết xuyên lỗ là gói nội tuyến kép vì đây là những gói được sử dụng nhiều nhất. Các gói này có hai loại như gốm và nhựa.

Trong ATmega328, 28 chân cắm được đặt song song với nhau bằng cách mở rộng theo chiều dọc và đặt trên một bảng hình chữ nhật bằng nhựa màu đen. Khoảng cách giữa các chân được duy trì với 0,1 inch. Ngoài ra, gói thay đổi kích thước vì sự khác biệt trong số không. ghim trong các gói khác nhau. Việc sắp xếp các chân này có thể được thực hiện theo cách mà chúng có thể được điều chỉnh vào giữa bảng mạch để không thể xảy ra hiện tượng đoản mạch.

Các gói IC lắp thông qua lỗ khác nhau là PDIP, DIP, ZIP, PENTAWATT, T7-TO220, TO2205, TO220, TO99, TO92, TO18, TO03.

Bao bì bề mặt

Loại bao bì này chủ yếu tuân theo công nghệ lắp đặt, nếu không thì định vị các thành phần thẳng trên PCB. Mặc dù các phương pháp chế tạo của anh ấy sẽ giúp hoàn thành công việc nhanh chóng, nhưng nó cũng cải thiện khả năng xảy ra lỗi do các thành phần nhỏ và chúng được sắp xếp rất gần nhau. Loại bao bì này sử dụng nhựa hoặc gốm đúc. Các loại bao bì gắn trên bề mặt khác nhau sử dụng khuôn nhựa là bao bì chữ L có đường viền nhỏ và BGA (Mảng lưới bóng).

Các gói IC gắn kết bề mặt khác nhau là SOT23, SOT223, TO252, TO263, DDPAK, SOP, TSOP, TQFP, QFN và BGA.

Ưu điểm

Các ưu điểm của các loại mạch tích hợp được thảo luận dưới đây.

Mức tiêu thụ điện năng thấp

Các mạch tích hợp sử dụng ít năng lượng hơn để hoạt động bình thường do kích thước và cấu trúc của chúng nhỏ hơn.

Kích thước nhỏ gọn

Có thể thu được một mạch nhỏ sử dụng IC cho một chức năng nhất định so với mạch rời rạc.

Chi phí ít hơn

So với các mạch rời rạc, mạch tích hợp có sẵn với chi phí thấp hơn do công nghệ chế tạo cũng như sử dụng vật liệu thấp.

Nhẹ hơn

Các mạch sử dụng mạch tích hợp có trọng lượng nhẹ hơn so với mạch rời

Tốc độ vận hành được cải thiện

Các mạch tích hợp hoạt động ở tốc độ cao do tốc độ chuyển mạch cũng như tiêu thụ điện năng thấp.

Độ tin cậy cao

Một khi mạch sử dụng kết nối thấp, thì mạch tích hợp sẽ cung cấp độ tin cậy cao so với mạch kỹ thuật số.

Kích thước của vi mạch nhỏ nhưng hàng ngàn linh kiện có thể được chế tạo trên con chip này.
Bằng cách sử dụng một chip duy nhất, các mạch điện tử phức tạp khác nhau được thiết kế
Vì sản xuất số lượng lớn, chúng có sẵn với chi phí thấp hơn
Tốc độ hoạt động cao vì không có hiệu ứng điện dung ký sinh.
Từ mạch mẹ, nó có thể được thay đổi dễ dàng

Nhược điểm

Những nhược điểm của các loại mạch tích hợp khác nhau bao gồm những điều sau đây.

Không thể tản nhiệt ở tốc độ cần thiết do kích thước nhỏ và dòng điện tràn có thể làm hỏng vi mạch
Trong mạch tích hợp, không thể kết hợp máy biến áp cũng như cuộn cảm
Nó xử lý một phạm vi công suất hạn chế
Việc lắp ráp PNP cao cấp là không thể thực hiện được.
Hệ số nhiệt độ thấp không thể đạt được
Phạm vi tiêu tán công suất lên đến 10 watt
Không thể thu được hoạt động điện áp cao và tiếng ồn thấp

Vì vậy, đây là tất cả về tổng quan về các loại mạch tích hợp khác nhau. Các mạch tích hợp thông thường bị giảm sử dụng trong thực tế, do việc phát minh ra điện tử nano và quá trình thu nhỏ các vi mạch được tiếp tục bởi điều này Công nghệ điện tử nano . Tuy nhiên, các vi mạch thông thường vẫn chưa được thay thế bằng điện tử nano nhưng việc sử dụng các vi mạch thông thường đang giảm đi một phần. Để cải thiện bài viết này về mặt kỹ thuật, vui lòng đăng các truy vấn, ý tưởng và đề xuất của bạn dưới dạng nhận xét của bạn trong phần bên dưới.