כל מכשיר אלקטרוני בו אנו משתמשים בחיי היום יום שלנו, כגון טלפונים ניידים, מחשבים ניידים, מקררים, מחשבים, טלוויזיות וכל שאר המכשירים החשמליים והאלקטרוניים מיוצרים בכמה מעגלים פשוטים או מורכבים. מעגלים אלקטרוניים ממומשים באמצעות מספר רב רכיבים חשמליים ואלקטרוניים מחוברים זה לזה על ידי חיבור חוטים או חוטים מוליכים לזרימת זרם חשמלי דרך הרכיבים המרובים של המעגל, כגון נגדים , קבלים , משרנים, דיודות, טרנזיסטורים, וכן הלאה. ניתן לסווג את המעגלים לסוגים שונים על סמך קריטריונים שונים, כגון, בהתבסס על חיבורים: מעגלים סדרתיים ומעגלים מקבילים בהתבסס על גודל ותהליך הייצור של המעגל: מעגלים משולבים ומעגלים בדידים ועל סמך האות המשמש במעגל. : מעגלים אנלוגיים ומעגלים דיגיטליים. מאמר זה דן בסקירה כללית על סוגים שונים של מעגלים משולבים ויישומיהם.

מהו מעגל משולב?

מעגל משולב או IC או שבב או שבב הם מיקרוסקופיים מעגל חשמלי מערך שנוצר על ידי ייצור רכיבים חשמליים ואלקטרוניים שונים (נגדים, קבלים, טרנזיסטורים וכו ') על חומר מוליך למחצה רקיק (סיליקון), שיכול לבצע פעולות הדומות למעגלים אלקטרוניים נפרדים גדולים העשויים מרכיבים אלקטרוניים נפרדים.

מעגלים משולבים

מכיוון שכל מערכי הרכיבים הללו, מעגלים מיקרוסקופיים ובסיס חומר רקיק מוליכים למחצה משולבים יחד ליצירת שבב יחיד, ומכאן שהוא נקרא מעגל משולב או שבב משולב או מיקרו-שבב.

מעגלים אלקטרוניים מפותחים באמצעות רכיבים אלקטרוניים בודדים או בדידים בגדלים שונים, כך שהעלות והגודל של מעגלים בדידים אלה עולים עם מספר הרכיבים המשמשים במעגל. כדי לכבוש את ההיבט השלילי הזה, פותחה טכנולוגיית המעגלים המשולבים - ג'ק קילבי מטקסס אינסטרומנטס פיתח את ה- IC הראשון או את המעגל המשולב בשנות החמישים, ולאחר מכן פיתח רוברט נויס מ- Fairchild Semiconductor כמה בעיות מעשיות במעגל משולב זה.

היסטוריה של מעגלים משולבים

היסטוריית המעגלים המשולבים החלה עם התקני מצב מוצק. המצאת צינור הוואקום הראשון נעשתה על ידי ג'ון אמברוז (ג'יי.איי) פלמינג בשנת 1897, המכונה דיודת ואקום. עבור מנועים, הוא המציא את הכלל השמאלי. לאחר מכן בשנת 1906, הומצא ואקום חדש שהוא טריודה והוא משמש להגברה.

לאחר מכן הטרנזיסטור הומצא במעבדות בל בשנת 1947 כדי להחליף את צינורות הוואקום באופן חלקי מכיוון שהטרנזיסטורים הם רכיבים קטנים המשתמשים בפחות כוח לעבודה. מעגלים שונים תוכננו באמצעות רכיבים נפרדים על ידי הפרדה זה בזה וכן הונחו על גבי המעגלים המודפסים על ידי שליטה באמצעות הידיים המכונות מעגלים שאינם משולבים. מכשירי IC אלה צורכים הרבה כוח ומרחב והתפוקה שלהם אינה חלקה כל כך.

בשנת 1959 פותח מעגל משולב, בו יוצרו כמה רכיבים אלקטרוניים וחשמליים על רקיק סיליקון יחיד. מעגלים משולבים משתמשים בהספק נמוך להפעלה וכן מספקים תפוקה חלקה. יתר על כן, ניתן גם להגביר את שיפור הטרנזיסטורים על גבי מעגל משולב.

אבולוציה של מעגלים משולבים מטכנולוגיות שונות

ניתן לבצע את סיווג ה- IC על סמך גדלי השבב וסולם האינטגרציה. כאן, סולם אינטגרציה מציין את מספר הרכיבים האלקטרוניים המונחים במעגל משולב טיפוסי.
משנת 1961 עד 1965, נעשה שימוש בטכנולוגיית שילוב בקנה מידה קטן (SSI) לייצור 10 עד 100 טרנזיסטורים על שבב יחיד כדי ליצור כפכפי אצבע ושערי לוגיקה.

משנת 1966 ועד 1970, נעשה שימוש בטכנולוגיית שילוב בקנה מידה בינוני (MSI) לייצור 100 עד 1000 טרנזיסטורים על שבב יחיד לייצור מולטיפקסרים, מפענחים ומונים.

בין השנים 1971 ל 1979, נעשה שימוש בטכנולוגיית שילוב בקנה מידה גדול (LSI) לייצור 1000 עד 20000 טרנזיסטורים על שבב יחיד לייצור זיכרון RAM, מעבד, ROM

משנת 1980 עד 1984, נעשה שימוש בטכנולוגיית אינטגרציה בקנה מידה גדול מאוד (VLSI) לייצור 20000 עד 50000 טרנזיסטורים על שבב יחיד לייצור מעבדי RISC, DSP ומיקרו-מעבדים mi16 סיביות ו -32 סיביות.

משנת 1985 ועד עכשיו, נעשה שימוש בטכנולוגיית אינטגרציה בקנה מידה גדול במיוחד (ULSI) לייצור 50000 עד מיליארדי טרנזיסטורים על שבב יחיד לייצור מעבדים של 64 סיביות.

מגבלות על סוגים שונים של מעגלים משולבים

המגבלה על סוגים שונים של מכשירי IC כוללת את הדברים הבאים.

“דוגמאות מוצלחות לפרויקט טכנולוגיות מידע ”

דירוג ההספק מוגבל
זה מתפקד במתח נמוך
זה מייצר רעש בזמן ההפעלה
דירוג גבוה של PNP אינו סביר
מרכיביו תלויי מתח כמו נגדים וקבלים
זה עדין
ייצור של IC באמצעות רעש נמוך הוא קשה
קשה להשיג את מקדם הטמפרטורה.
הרכבה של PNP בדרגה גבוהה אינה ניתנת להשגה.
ב- IC, כל com
ב- IC, לא ניתן להחליף, להסיר רכיבים שונים, ולכן, אם רכיב כלשהו בתוך IC נזק, אז ה- IC השלם צריך להשתנות עם החדש.
דירוג ההספק מוגבל מכיוון שלא ניתן לייצר מכשירי IC מעל 10 וואט

סוגים שונים של מעגלים משולבים

ישנם סוגים שונים של סיווג IC של מעגלים משולבים נעשה על פי קריטריונים שונים. כמה סוגים של ICs במערכת מוצגים באיור שלהלן עם שמותיהם בפורמט עץ.

סוגים שונים של ICS

בהתבסס על היישום המיועד, ה- IC מסווג כמעגלים משולבים אנלוגיים, מעגלים משולבים דיגיטליים ומעגלים משולבים מעורבים.

מעגלים משולבים דיגיטליים

המעגלים המשולבים הפועלים רק בכמה רמות מוגדרות במקום להפעיל רמות כולל של משרעת האות נקראים ICs דיגיטלי ואלה מתוכננים באמצעות מספר רב של שערי לוגיקה דיגיטליים , מרבב, כפכפים ורכיבים אלקטרוניים אחרים של מעגלים. שערי לוגיקה אלה עובדים עם נתוני קלט בינאריים או נתוני קלט דיגיטליים, כגון 0 (נמוך או לא נכון או לוגיקה 0) ו- 1 (גבוה או נכון או לוגיקה 1).

מעגלים משולבים דיגיטליים

האיור לעיל מראה את השלבים המעורבים בתכנון מעגלים דיגיטליים משולבים. מכשירים דיגיטליים דיגיטליים אלה משמשים לעתים קרובות במחשבים, מעבדים , מעבדי אותות דיגיטליים, רשתות מחשבים ומוני תדרים. ישנם סוגים שונים של ICs דיגיטלי או סוגים של מעגלים משולבים דיגיטליים, כגון ICs ניתנים לתכנות, שבבי זיכרון, ICs לוגיים, ICs ניהול צריכת חשמל וממשקי IC.

מעגלים משולבים אנלוגיים

המעגלים המשולבים הפועלים בטווח רציף של אותות נקראים ICs אנלוגיים. אלה מחולקים למעגלים משולבים ליניאריים (ICs Linear) ו- תדר רדיו מעגלים משולבים (RF IC). למעשה, הקשר בין המתח והזרם עשוי להיות לא ליניארי בחלק מהמקרים בטווח ארוך של האות האנלוגי הרציף.

מעגלים משולבים אנלוגיים

ה- IC האנלוגי המשמש לעתים קרובות הוא מגבר תפעולי או פשוט נקרא מגבר אופ, בדומה למגבר הדיפרנציאלי, אך בעל רווח מתח גבוה מאוד. הוא מורכב ממספר פחות מאוד של טרנזיסטורים בהשוואה לממשקים הדיגיטליים, ולפיתוח מעגלים משולבים ספציפיים ליישומים (ASIC אנלוגיים) משתמשים בכלי סימולציה ממוחשבים.

מעגלים משולבים לינאריים

במעגל משולב אנלוגי, אם קיים קשר לינארי בין המתח שלו לבין הזרם, הוא מכונה IC ליניארי. הדוגמה הטובה ביותר ל- IC ליניארי זה היא 741 IC, היא מגבר DIP (Package In-line Package) בעל 8 פינים,

מעגלים משולבים בתדר רדיו

ב- IC אנלוגי, אם קיים קשר לא לינארי בין המתח והזרם שלו, זה נקרא ICs בתדר רדיו. סוג זה של IC ידוע גם כמעגל משולב בתדרי רדיו.

מעגלים משולבים מעורבים

המעגלים המשולבים המתקבלים בשילוב של ICs אנלוגיים ודיגיטליים על שבב יחיד נקראים ICs מעורבים. מכשירי IC אלה מתפקדים כממירים דיגיטליים לאנלוגיים, ממירים אנלוגיים לדיגיטליים (ממירי D / A ו- A / D), ו- ICs שעון / תזמון. המעגל המתואר באיור לעיל הוא דוגמה למעגל המשולב המעורב המהווה תצלום של מקלט הרדאר המרפא העצמי 8 עד 18 ג'יגה הרץ.

מעגלים משולבים מעורבים

מערכות על גבי שבב בעלות אות מעורב זה היא תוצאה של התקדמות בטכנולוגיית האינטגרציה, שאפשרה שילוב של אנלוגים דיגיטליים, מרובים ופונקציות RF על שבב יחיד.

סוגים כלליים של מעגלים משולבים (IC) כוללים את הדברים הבאים:

מעגלים לוגיים

מכשירי IC אלה מתוכננים באמצעות שערי לוגיקה - העובדים עם קלט ופלט בינארי (0 או 1). אלה משמשים בעיקר כמקבלי החלטות. בהתבסס על טבלת ההיגיון או האמת של שערי הלוגיקה, כל שערי הלוגיקה המחוברים ב- IC נותנים פלט על בסיס המעגל המחובר בתוך ה- IC - כך שפלט זה משמש לביצוע משימה ספציפית המיועדת. להלן כמה ICs הגיוני.

מעגלים לוגיים

משווים

ICs המשווים משמשים כמשווים להשוואת התשומות ואז לייצור תפוקה על בסיס השוואת ה- ICs.

משווים

החלפת מכשירי IC

מתגים או מתגי IC מתוכננים באמצעות הטרנזיסטורים ומשמשים לביצוע ה- פעולות מיתוג . האיור לעיל הוא דוגמה המציגה מתג SPDT IC.

החלפת מכשירי IC

“פנס ארנק איך זה עובד ”

מגברי שמע

האודיו מגברים הם אחד מסוגי ה- IC רבים הרבים המשמשים להגברת האודיו. אלה משמשים בדרך כלל ברמקולי שמע, במעגלי טלוויזיה וכו '. המעגל לעיל מציג את מגבר השמע במתח נמוך IC.

מגברי שמע

מעגל משולב CMOS

מעגלים משולבים ב- CMOS משמשים במיוחד ביישומים שונים בהשוואה ל- FET בגלל יכולותיהם כמו מתח סף נמוך יותר, צריכת חשמל נמוכה. CMOS IC כולל מכשירי P-MOS ו- N-MOS אשר מיוצרים במשותף על שבב דומה. המבנה של IC זה הוא שער Polysilicon המסייע להפחתת מתח הסף של המכשיר, ולכן מאפשר תהליך ברמות מתח נמוך.

ICs של רגולטור מתח

סוג זה של מעגל משולב מספק פלט DC יציב למרות השינויים בכניסת DC. ויסות הסוגים הנפוצים הם ICs LM309, uA723, LM105 ו- 78XX.

מגברים תפעוליים

ה מגברים תפעוליים משמשים ICs לעתים קרובות, בדומה למגברי השמע המשמשים להגברת השמע. מגברי אופ אלה משמשים למטרות הגברה, והמכשירים האלו פועלים באופן דומה ל- טרָנזִיסטוֹר מעגלי מגבר. תצורת הסיכה של 741 מגבר ה- OP מוצגת באיור לעיל.

מגברים תפעוליים

ICs טיימר

טיימרים הם מעגלים משולבים למטרות מיוחדות המשמשים לצורך ספירה וכדי לעקוב אחר זמן ביישומים המיועדים. תרשים הבלוקים של המעגל הפנימי של טיימר IC LM555 מוצג במעגל שלעיל. בהתבסס על מספר הרכיבים המשמשים (בדרך כלל מבוסס על מספר הטרנזיסטורים המשמשים), הם כדלקמן

ICs טיימר

שילוב בקנה מידה קטן מורכב ממספר טרנזיסטורים בודדים (עשרות טרנזיסטורים על שבב), לממ'דים אלה היה תפקיד קריטי בפרויקטים מוקדמים של חלל.

שילוב בקנה מידה בינוני מורכב ממאות טרנזיסטורים על שבב ה- IC שפותח בשנות ה -60 והשיג חסכונות ויתרונות טובים יותר בהשוואה ל- ICS IC.

שילוב בקנה מידה גדול מורכב מאלפי טרנזיסטורים על השבב עם כמעט כלכלה זהה לממשקי אינטגרציה בקנה מידה בינוני. המעבד הראשון, שבבי מחשבון ו- RAM של 1Kbit שפותחו בשנות השבעים היו מתחת לארבעת אלפים טרנזיסטורים.

שילוב בקנה מידה גדול מאוד מורכב ממספר טרנזיסטורים ממאות לכמה מיליארדים (תקופת הפיתוח: משנות השמונים עד 2009)

אינטגרציה בקנה מידה גדול במיוחד מורכב מטרנזיסטורים העולים על יותר ממיליון, ואחר כך פותחו שילוב בקנה מידה רקיק (WSI), מערכת על שבב (SoC) ומעגל משולב תלת מימדי (3D-IC).

ניתן להתייחס לכל אלה כאל דורות של טכנולוגיה משולבת. ICs מסווגים גם על פי תהליך הייצור וטכנולוגיית האריזה. ישנם סוגים רבים של מכשירי IC, ביניהם, IC ישמש כטיימר, מונה, להירשם , מגבר, מתנד, שער לוגיקה, מוסף, מעבד וכו '.

סוגי מעגלים משולבים המבוססים על שיעורים

מעגלים משולבים זמינים בשלוש שיעורים על בסיס הטכניקות המשמשות לייצורם.

ICs סרטים דקים ועבים
ICs מונוליטי
IC- היברידי או רב-שבב

ICs עבה ועבה

בסוגים אלה של מעגלים משולבים, משתמשים ברכיבים פסיביים כמו קבלים ונגדים אולם הטרנזיסטורים והדיודות מחוברים כמו רכיבים נפרדים לעיצוב מעגל. מכשירי IC אלה הם פשוט שילוב של רכיבים משולבים כמו גם נפרדים, ולמכשירים אלה יש מאפיינים ומראה קשורים מלבד הדרך לתצהיר הסרט. מ- ICS, ניתן להחליט על התצהיר דק של סרטי IC.

מכשירי IC אלה מתוכננים באמצעות סרטי הפקדה של חומר המוליכים על פני הזכוכית אחרת על גבי מעמד קרמי. על ידי שינוי עובי הסרטים על החומרים יהיה התנגדות שונה וניתן לבצע ייצור של רכיבים אלקטרוניים פסיביים.

בסוג זה של מעגלים משולבים, נעשה שימוש בשיטת הדפסת המשי כדי ליצור את המודל הנדרש של המעגל על מצע קרמי. לפעמים, סוג זה של מכשירי IC נקרא ICs של סרט דק מודפס.

ICs מונוליטי

בסוג זה של מעגלים משולבים, ניתן ליצור את חיבורי ההרכב הפעילים, הפסיביים והנפרדים על שבב סיליקון. כפי שהשם מרמז, הוא נגזר מהמילה היוונית כמו מונו אינו אלא יחיד ואילו ליתוס פירושו אבן. נכון לעכשיו, מכשירי IC אלה משמשים לרוב בגלל עלויות נמוכות יותר ואמינות. ICs המיוצרים מסחרית משמשים כמו וסת מתח, מגברים, מעגלי מחשב ומקלטים AM. עם זאת, הבידוד בין רכיבי ה- IC המונוליטיים ירוד אך גם בעל דירוג הספק נמוך יותר,

חבילת כפול בשורה (DIP) IC

DIP (חבילת שורה כפולה) או DIPP (חבילת סיכות כפולות בשורה) היא חבילת רכיבים אלקטרונית במונחים של מיקרואלקטרוניקה או אלקטרוניקה עם לוח מלבני ושתי שורות מקבילות עם סיכות חיבור חשמליות.

ICs היברידיים או Multi-Chip

כפי שהשם מרמז, רב פירושו מעל שבב בודד אחד המחובר ביניהם. הרכיבים הפעילים כמו דיודות או טרנזיסטורים מפוזרים כוללים ICs אלה ואילו הרכיבים הפסיביים הם הקבלים או הנגדים המפוזרים על שבב יחיד. חיבור הרכיבים הללו יכול להיעשות באמצעות אבות טיפוס מתכתיים. מעגלים משולבים מרובי שבבים מנוצלים באופן נרחב ליישומים של מגבר הספק גבוה מ -5 וולט עד 50 וואט. בהשוואה למעגלים משולבים מונוליטיים, ביצועי ICs היברידיים עדיפים.

סוגי חבילות IC

חבילות ה- IC מסווגות לשני סוגים כמו הרכבה דרך חור ואריזות השטח.

חבילות הר מעבר לחור

העיצוב של אלה יכול להיעשות כאשר סיכות העופרת מקובעות דרך פנים אחד של הלוח ומונחות בצד השני. בהשוואה לסוגים אחרים, גודל החבילות הללו גדול יותר. אלה משמשים בעיקר במכשירים אלקטרוניים כדי לאזן את שטח הלוח כמו גם את מגבלות העלות. הדוגמה הטובה ביותר לחבילות הרכבה דרך החור היא חבילות מוטבעות כפולות מכיוון שאלו המשמשים בצורה המשמעותית ביותר. חבילות אלה זמינות בשני סוגים כמו קרמיקה ופלסטיק.

ב- ATmega328, 28 הפינים ממוקמים במקביל זה לזה על ידי התרחבות אנכית ומונחת על לוח צורה מלבני שחור. המרווח בין הפינים נשמר עם 0.1 אינץ '. בנוסף, החבילה משתנה בגודלה בגלל ההבדל במספר. של סיכות בחבילות שונות. סידור הפינים הללו יכול להיעשות בצורה כזו שניתן יהיה לווסת אותם על אמצע קרש הלחם כך שקצר המעגל לא יכול להתרחש.

חבילות ה- IC הרותות דרך החור הן PDIP, DIP, ZIP, PENTAWATT, T7-TO220, TO2205, TO220, TO99, TO92, TO18, TO03.

אריזות על פני השטח

סוג זה של אריזה עוקב בעיקר אחר טכנולוגיית ההרכבה, אחרת מאתר את הרכיבים ישירות על גבי ה- PCB. למרות ששיטות הייצור שלו יעזרו לעשות דברים במהירות, זה גם משפר את הסיכויים לתקלות בגלל הרכיבים הזעירים והם מסודרים קרוב מאוד אחד לשני. אריזות מסוג זה משתמשות בעיצוב פלסטיק או קרמיקה. הסוגים השונים של אריזות צמודות על פני השטח המשתמשות בתבניות פלסטיק הן חבילה קטנה המתארת עם L ו- BGA (Ball Grid Array).

חבילות IC השונות על פני השטח הן SOT23, SOT223, TO252, TO263, DDPAK, SOP, TSOP, TQFP, QFN ו- BGA.

יתרונות

היתרונות של סוגי מעגלים משולבים נדון להלן.

צריכת החשמל נמוכה

מעגלים משולבים משתמשים בפחות כוח לעבודה תקינה בגלל גודלם ובנייתם.

הגודל הוא קומפקטי

ניתן להשיג מעגל קטן המשתמש ב- IC עבור פונקציונליות נתונה בהשוואה למעגל הנפרד.

פחות עלות

בהשוואה למעגלים בדידים, מעגלים משולבים זמינים בעלות נמוכה יותר בגלל טכנולוגיות הייצור שלהם, כמו גם שימוש בחומר נמוך.

פחות משקל

המעגלים המשתמשים במעגלים משולבים הם בעלי משקל נמוך יותר בהשוואה למעגלים בדידים

מהירות ההפעלה משופרת

מעגלים משולבים פועלים במהירויות גבוהות בשל מהירויות המיתוג שלהם וכן בצריכת חשמל נמוכה.

אמינות גבוהה

ברגע שהמעגל משתמש בחיבורים נמוכים, אז מעגלים משולבים יספקו אמינות גבוהה בהשוואה למעגלים דיגיטליים.

גודלו של ה- IC קטן אך ניתן לייצר אלפי רכיבים על גבי שבב זה.
באמצעות שבב יחיד, מתוכננים מעגלים אלקטרוניים מורכבים שונים
בגלל הייצור בכמויות גדולות, אלה זמינים בעלות נמוכה יותר
מהירות ההפעלה גבוהה בגלל היעדר אפקט הקיבול הטפילי.
ממעגל האם ניתן לשנותו בקלות

חסרונות

החסרונות בסוגים שונים של מעגלים משולבים כוללים את הדברים הבאים.

לא ניתן לפזר את החום בקצב הכרחי בגלל גודלו הקטן והצפת הזרם עלולה לגרום נזק ל- IC
במעגלים משולבים, לא ניתן לשלב את השנאים, כמו גם את המשרנים
הוא מטפל במגוון כוח מוגבל
הרכבה של PNP בדרגה גבוהה אינה ניתנת להשגה.
לא ניתן להשיג מקדם בטמפרטורה נמוכה
טווח פיזור ההספק הוא עד 10 וואט
לא ניתן להשיג פעולת מתח גבוה ורעש נמוך

לפיכך, מדובר בסך הכל בסקירה של סוגים שונים של מעגלים משולבים. המעגלים המשולבים הקונבנציונליים מצטמצמים בשימוש מעשי, בגלל המצאת הננו-אלקטרוניקה והמזעור של מכשירי חשמל ממשיכים בכך. טכנולוגיית ננו-אלקטרוניקה . עם זאת, ה- IC הקונבנציונאלי עדיין לא מוחלף על ידי ננו-אלקטרוניקה, אך השימוש במכשירים ה- IC הקונבנציונליים הולך ופוחת חלקית. לשיפור מאמר זה מבחינה טכנית, אנא פרסם את השאילתות, הרעיונות וההצעות שלך כהערותיך בסעיף שלהלן.

נקודות זיכוי: