Co to jest układ scalony i jak działa?

Układ scalony to komponent elektroniczny, zawierający w swej strukturze tranzystory, diody, rezystory, kondensatory i inne podzespoły. Cechą wspólną dla wszystkich układów scalonych jest fakt, że ich elementy składowe są umieszczone na jednym kawałku krzemu.

Jak jest zbudowany układ scalony?

W środku relatywnie dużej obudowy jest umieszczony niewielki, czasem wręcz miniaturowy skrawek krzemu. Na nim, poprzez odpowiednie procesy technologiczne, zostały wykonane wszystkie potrzebne elementy oraz połączenia między nimi. Liczba tych elementów może być różna (od zaledwie kilku do nawet wielu miliardów) i zależy od przeznaczenia danego elementu.

Przylutowanie czegokolwiek do tak małego obiektu byłoby niemożliwe. Dlatego producenci układów scalonych zamykają je w obudowach, łącząc nóżki obudowy ze specjalnie przygotowanymi polami na strukturze przy użyciu bardzo cienkich drucików. Elektronicy podłączają wtedy swoje obwody do układów scalonych za pośrednictwem tych właśnie nóżek, co jest zdecydowanie wygodniejsze.

Bez obudowy?

W nowoczesnych, silnie zminiaturyzowanych układach elektronicznych, na przykład w telefonach komórkowych i smart watchach, stosowane są układy scalone w postaci gołej struktury przytwierdzonej wprost do płytki drukowanej. Zmniejsza to ilość potrzebnego miejsca, chociaż jest znacznie trudniejsze w produkcji, a naprawa czegoś takiego jest niemal niemożliwa.

Po co nam układy scalone?

We współczesnym świecie, bez układów scalonych wprost nie sposób się obyć. Komputery, telewizory, telefony - to są bardzo złożone układy elektroniczne, których tak mała cena i rozmiary są możliwe do uzyskania tylko dzięki upchnięciu większości elektroniki do niewielkiego układu scalonego.

Miniaturyzacja i niska cena

Przykładowo, polski komputer ZAM 41 nie zawierał układów scalonych i zajmował… kilka dużych pomieszczeń, generując podczas pracy sporo hałasu. Pobierana przez niego moc wystarczyłaby do zasilenia kilku domów, a o cenie nawet lepiej nie wspominać.

Dzisiejszy komputer mieści się nawet na dłoni, ma nieporównywalnie lepsze parametry od swojego “pradziadka” i kosztuje tyle co duża pizza, więc korzyści z użycia układów scalonych są widoczne gołym okiem.

Rozrzuty parametrów

Oprócz oszczędności energii i powierzchni, mamy jeszcze jedną, ważną zaletę: wszystkie elementy wykonane na powierzchni kawałeczka krzemu, zostały zrobione w jednym cyklu technologicznym. Ponadto, posiadają tę samą temperaturę podczas pracy.

Odpowiednio projektując topologię układu, możemy zapanować nad zmorą wszystkich inżynierów na całym świecie, czyli nad rozrzutami parametrów produkcyjnych. Elementy znajdujące się na wspólnym podłożu krzemowym mają (w przybliżeniu) takie same rozrzuty, co powoduje, że można z nich “zeskładać” obwód charakteryzujący się bardzo wysoką powtarzalnością. Trzeba tylko pogłówkować na etapie projektu.

Jakie mamy układy scalone?

Klasyfikacji jest kilka, ale najpopularniejszą jest podział na układy analogowe, cyfrowe i mieszane.

W takiej samej obudowie może być zamknięty zarówno układ analogowy, jak i cyfrowy, chociaż jest tutaj kilka wyjątków - szczegółów zawsze należy szukać w nocie katalogowej danego elementu. W większości przypadków, odróżnienie ich gołym okiem jest niemożliwe, a różnice wynikają z budowy wewnętrznej i zastosowań.

Analogowe...

Ta gałąź elektroniki nieco podupadła na początku XXI wieku, ale znów wraca do łask. Chodzi o takie struktury, które zajmują się przetwarzaniem informacji w postaci analogowej. Są to różnego rodzaju wzmacniacze, filtry i generatory - oczywiście, sygnałów analogowych, czyli takich, które mogą mieć dowolną wartość z zadanego przedziału. Cały otaczający nas świat jest analogowy, więc i pochodzące z niego informacje mają taki sam charakter.

Najpowszechniej stosowane układy analogowe to stabilizatory napięcia i wzmacniacze operacyjne. Również kontrolery zasilaczy impulsowych są najczęściej układami analogowymi. Poniższe zdjęcie przedstawia stabilizator, który ma w swojej strukturze kilkadziesiąt elementów, a sam wygląda dokładnie jak zwykły tranzystor dużej mocy.

...cyfrowe...

Na drugim końcu ringu są układy cyfrowe, czyli takie, które przetwarzają informacje zerojedynkowe: jest napięcie - nie ma napięcia. Znajdują się w nich niemal same tranzystory, najczęściej tranzystory polowe typu MOSFET. O takim układzie powiemy, że został wykonany w technologii CMOS.

Układy cyfrowe mają różną skalę integracji. Jeden układ może zawierać kilkanaście tranzystorów, które tworzą podstawowe funktory logiczne. Inny, na przykład blok pamięci statycznej, może ich mieć setki tysięcy i mieścić się w dokładnie takiej samej obudowie co pierwszy. Procesor komputerowy ma miliardy tranzystorów, ale o jego gabarytach decyduje głównie… liczba nóżek, których są setki.

Mamy w sprzedaży dostępne również układy cyfrowe, których strukturę konfigurujemy z poziomu klawiatury komputera. Układy FPGA, bo o nich mowa, to bardzo uniwersalne struktury zawierające bloki cyfrowe, sieć połączeń między którymi możemy modyfikować. Aby to zrobić, przy użyciu odpowiedniego programatora programuje się ich pamięć nieulotną, z której nastawy są każdorazowo odczytywane.

...i mieszane

Jednak dzisiejszy świat podbiły układy mieszane, czyli analogowo-cyfrowe. Wyobraźmy sobie pojedynczą strukturę, która potrafi zarówno zbierać informacje z naszego otoczenia (analogowe), przetwarzać je i obrabiać, po czym konwertować na wygodną dla siebie formę (cyfrową) i poddawać dalszej obróbce. We wnętrzu takiego układu mogą znaleźć się również nadajnik radiowy (analogowy), stabilizator napięcia (analogowy) i zaawansowany układ mnożący (cyfrowy).

Bajka? Nie, to tylko część wnętrza jednego z popularnych mikrokontrolerów, kosztujących tyle co hot-dog na stacji benzynowej. Tego typu układy podbijają świat, ponieważ są bardzo uniwersalne. W części z nich można programowo konfigurować nawet sieć połączeń między blokami, przez co obsługa zdarzeń przebiega jeszcze szybciej, bo bez udziału głównego procesora.

Do takiego grona z całą pewnością należą mikrokontrolery, na których bazuje cała współczesna elektronika. Mają:

  • pamięć programu (Flash),
  • operacyjną, w której zapisują bieżące dane (RAM),
  • procesor (CPU), niekiedy wielordzeniowy,
  • liczne peryferia, jak przetworniki analogowo-cyfrowe, liczniki czy układy radiowe.

Produkuje je wiele firm, w różnych wykonaniach i z różnymi peryferiami.

Jak działają układy scalone?

Wnętrze układu scalonego, czyli jego struktura, wymaga zasilenia. Dla przykładu, we wnętrzu pokazanego wcześniej stabilizatora napięcia typu 7805 znajduje się kilkanaście tranzystorów - każdy z nich trzeba “nakarmić” odpowiednią ilością prądu, aby działał prawidłowo.

To, co te tranzystory robią, zależy od ich konfiguracji. W pokazanym wyżej wypadku, mają redukować napięcie podane na wejście stabilizatora do stałej wartości. Ale mogą robić również inne rzeczy:

  • wzmacniać sygnał na głośnik albo z mikrofonu,
  • sterować diodami LED, aby migały
  • wzmacniać i demodulować sygnał radiowy
  • sterować sprzętem AGD

i wiele, wiele innych! Liczba typów układów scalonych idzie w grube tysiące, a każdy z nich ma swoje zastosowanie. Jeżeli układ scalony jest programowalny, to ma za zadanie wykonywać program zapisany w pamięci - jego funkcje nie są odgórnie określone przez producenta na linii produkcyjnej.

Podsumowanie

Układy scalone to alternatywa dla obwodów na płytkach drukowanych, która powoduje miniaturyzację układu, zmniejszenie jego ceny i zapotrzebowania na energię elektryczną. Niektóre współczesne układy scalone można programować, co umożliwia szybkie i tanie dopasowanie ich funkcjonalności do konkretnego zastosowania.