Тема 2.2. Интегральные схемы микроэлектроники

Интегральная схема – это изделие из микроэлементов с высокой миниатюризацией. Эти элементы преобразуют и обрабатывают сигналы. Сама схема имеет высокую плотность самих элементов. Такие элементы называются компонентами и выполняют ту или иную задачу. Эти схемы могут быть разной сложности и типов – от самых простых до сложнейших.

Используются ИС в создании компьютеров, различной вычислительной техники и другом оборудовании, в том числе промышленном и бытовом. Более подробно о строении, использовании, а также развитии интегральных схем будет рассказано в данной статье. В качестве информационного дополнения, в материале содержатся два подробных видеоролика и один скачиваемые файл о строении ИС.

По научному определению, интегральные микросхемы – это отдельные высокотехнологичные устройства (с огромным количеством электронных компонентов, заключенных в маленьком корпусе), которые выполняют какую-то функцию или действие. Этих функций может быть или одна или несколько. Вот список некоторых основных функций, которые выполняют интегральные микросхемы:

• Преобразование сигнала (например, из аналогового в цифровой и обратно).

• Обработка сигнала (например, усиление и очистка звука)

• Действия вычитания, сложения, умножения и деления сигнала (логические микросхемы)

Интегральные микросхемы представляют собой изделие, выполненное в герметизированном (металлическом, пластмассовом, керамическом, металлокерамическом и так лале) корпусе. Микросхемы бывают различного исполнения (прямоугольные, треугольные, круглые) с разным количеством выводов: от трех (например, на стабилизаторе LM7805, до нескольких сотен на процессорах).

Интегральные микросхемы (и аппаратура на них) обладают неоспоримыми преимуществами:

• Высокой технологичностью и надежностью. Ведь все микросхемы производят на специализированных заводах и фабриках с современной технологией производства. На линиях (полностью или частично) автоматизированных. При производстве микросхемы (особенно в юго-восточных странах) применяют и живую рабочую силу, так как это дешевле, чем покупать дорогостоящие линии. Интегральные компоненты позволяют снизить на два-три порядка затраты труда на производство, монтаж и сборку различной аппаратуры. При конструировании и создании такой аппаратуры уменьшается количество разных паяных соединений, которые зачастую являются причиной отказа аппаратуры. Микросхемы являются более надежными, чем дискретные элементы, так как ошибки при монтаже уменьшаются на 3-4 порядка. Легче и намного быстрее запаять интегральные компоненты (например, один логический элемент с 16 выводами), чем паять более 20 дискретных элементов (которые выполняют ту же функцию) с 60 выводами. Только микросхемы обеспечивают надежность систем управления в различных системах управления, в компьютерах, в околоземном пространстве на космических станциях и так далее.

• Интегральные компоненты (и аппаратура на них) малогабаритны и имеют маленький вес.

• Микросхемы намного сокращают процесс разработки нового изделия (аппарата), так как можно использовать готовые, уже опробованные, миниатюрные блоки и узлы. И поэтому внедрение нового изделия в производство резко сокращается.

• Многие интегральные элементы выпускаются массово (например, микросхемы в домашних звонках, в игрушках, в клавиатурах и мышках компьютеров и т. п.). Это намного снижает себестоимость микросхемы и всего изделия в целом.

• Интегральные элементы сокращают число комплектующих создаваемого изделия, уменьшают количество проводимых операций, что (в конечном счете) ведет к упрощению организации современного производства.

Интегральные микросхемы представляют собой изделия электронной техники, содержащие совокупность резисторов, конденсаторов, диодов и транзисторов, электрически связанных по определенной схеме. Интегральные микросхемы являются элементной базой современной электронной аппаратуры третьего поколения и предназначены для преобразования, обработки и хранения информации.

В зависимости от количества входящих в их состав элементов, интегральные микросхемы условно подразделяются на малые интегральные схемы (МИС — до 10² элементов на полупроводниковый кристалл), средние (СИС — до 10³), большие (БИС — до 10⁴), сверхбольшие (СБИС — до 10⁶), гига-большие (ГБИС — более 10⁹ элементов на кристалл).

По функциональному назначению выделяют аналоговые, цифровые и преобразовательные интегральные микросхемы.

Аналоговая интегральная схема — это микросхема, в которой прием, преобразование и выдача сигналов осуществляется посредством плавного (непрерывного) изменения напряжения. Эти микросхемы широко применяются в аудиоаппаратуре.

Цифровая интегральная схема - это микросхема, в которой происходит преобразование дискретных сигналов ("О", "1"). Цифровые интегральные схемы применяются в микропроцессорах, в ЭВМ, аппаратуре с цифровым программным управлением (пульты дистанционного управления).

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) представляют собой устройства, осуществляющие автоматическое преобразование непрерывно изменяющейся аналоговой величины в цифровой код и наоборот. АЦП и ЦАП широко применяются в аппаратуре цифровой записи и воспроизведения информации (CD-плееры, компьютеры).

Микропроцессоры представляют собой самостоятельные устройства, выполненные, как правило, в виде одной интегральной микросхемы, осуществляющие обработку информации по хранимой в их памяти программе. Микропроцессор может осуществлять включение и выключение аппаратуры в определенное время, автоматический поиск радиостанций, запоминать значения выбранных параметров и выводить их на экран.

Микропроцессор в компьютере предназначен для управления работой всех устройств ЭВМ и для выполнения всех арифметических и логических операций над информацией, т. е. — это мозг компьютера.