Circuite integrate, tipuri si generatii

Categoria: Referat Fizica

Descriere:

Să ne aducem aminte de primele aparate de radio, care au fost echipate cu circuite integrate în etajul audio, aparitia primelor receptoare TV echipate cu circuite integrate, radiocasetofoane ÅŸi multe altele, pătrunderea automatizării în procesele de producÅ£ie, apariÅ£ia roboÅ£ilor industriali...

            Din familia circuitelor integrate analogice, fac parte şi cele audio, radio şi TV. Aşa cum am amintit şi mai inainte, ele echipau aparatura de amplificare de medie putere, radioreceptoare, tunere, televizoare alb negru şi color. Aparitia decodorului pentru semnalul multiplex stereo A 758, a simplificat receptionarea emisiunulor stereofonice, sau M 3189 care este un bloc complex de frecvenţă intermediară pentru un receptor de radio de înalta fidelitate, împreună cu amplificatoarele finale audio ca TBA 790 sau TCA 150, au pus la dispoziţia constructorilor de radioreceptoare componente ieftine, fiabile, care au putut fabrica, la preţuri scăzute, receptoare şi alte echipamente de înaltă tehnicitate. 

              În domeniul fabricării receptoarelor de televiziune, circuitele integrate au simplificat foarte mult numărul componentelor, ajungând ca un receptor TV alb-negru să fie compus din 4-7 circuite. Cele color, aveau în componenţă circuite ca TBA 120 amplificator-limitator de frecvenţă intermediară şi demodulator MF, matricea RGB  TBA 530, circuitul pentru refacerea subpurtătoarei PAL, demodulatoarele de crominanţă TCA 640- 650, ori TCA 660 care controlează strălucirea şi saturaţia în TV color, împreună cu tasterele senzoriale de tip SAS 560-570 ori SAS 6800- 6804, au pus la dispozitia consrtuctorilor de la Uzinele Elecrtonica fabricarea primelor rerceptore TV Color. Asimilarea altor circuite integrate mai complexe a dus la realizarea unor receptoare TV cu un singu CI.

            Dezvoltarea foarte rapidă a industriei electronice la nivel mondial a dus la apariţia microprocesoarelor care sunt niste circuite integrate inteligente, cu memorie, având funcţii multiple în receptoarele TV şi radio, echipamente audio şi video, precum şi în industria fabricării calculatoarelor personale.

            Uitându-ne puţin prin istoria calculatorului electronic digital, observăm că abia au trecut 60 de ani de la ENIAC şi până la ultimul tip de Pentium IV cu frecvenţa care depăşeşte 3 GHz. În acest răstimp s-a impus sistemul de numeraţie binar, memorarea programelor şi s-a crisralizat o structură logică a unui calculator electronic digital cu unitatea centrală, memorii şi dispozitive de intrare/ieşire.

Unitatea centrală cunoaşte o serie de instrucţiuni codificate binar, pe care le citeşte din memorie, le decodifică şi execută, apoi trece controlul instrucţiunii următoare. Iată aceasta este masina de referinţă până în zilele noastre.

Apărut în anii 1970, microprocesorul este un circuit capabil să efectueze funcţiile aritmetice şi de control ale unui calculator. Pe atunci un microprocesor era un circuit integrat pe scară largă (LSI), conţinând câteva mii de tranzistoare, pe o suprafaţă de aproximativ 5 mm2. Dezvoltarea microprocesoarelor a urmat dezvoltării circuitelor integrate, complexitatea acestora dublându-se practic în fiecare an. În prezent s-a ajuns la câteva milioane de tranzistoare (6-9 milioane: Pentium II, AMD K6-2, Cyrix MII) pe o suprafaţă de câţiva milimetri pătraţi.

Z80 este un procesor care nu se mai foloseşte în nici un calculator actual, iar viteza lui este foarte mică (5 MHz), comparativă cu frecvenţele procesoarelor actuale (trecute peste 3 GHz). Totuşi, mai este folosit şi acum, în concurenţă cu microcontrolerele, la realizarea unor sisteme de automatizare simple şi fără necesităţi prea mari de viteză. Z80 este un microprocesor pe 8 biţi, cu 16 linii de adresă.

Pe plan mondial s-au impus mai multe firme producătoare de microprocesoare printre care şi Intel cu I8080, I8082, I8083, I8084, procesoare care echipau calculatoare personale cu frecvenţa ceasului de până la 100 MHz, având circuite integrate  de memorie începând cu 4, 8, ori16 Mb. Această dezvoltare rapidă a microprocesoarelor a dus la apariţia pe piaţă, anual a două, chiar trei produse noi : Pentium I Pentium II Pentim III Pentium IV care este cel mai nou model al familiei de microprocesoare Intel pe 32 de biţi şi care lucrează la frecvenţe mari, înregistrează performanţe superioare faţă de modelele precedente.

   Noua microarhitectură a acestor procesoare a fost denumită de către Intel, NetBurst, în spatele acestei tehnologii aflându-se mai multe noi facilităţi:

Busul sistemului la 400MHz – utilizând noua tehnologie ‚quad pumped’ cu o lăţime a magistralei de 64 biţi şi ceas de 100MHz, se ajunge la o rată de transfer între procesor şi memorie de 3200 MB/s, de 3 ori mai mare ca cea a procesoarelor Pentium III. Pentium III putea transfera doar 1.06G la o frecvenţă de 133MHz. Pentium IV lucrează prin intermediul a două canale de transmisie cu RDRAM, la o viteză de 3.2G/s.

A crescut simtitor şi memoria cache la 256 Kb, nemaivorbind de memoria RAM care depăşeşte valoarea de 1Gb şi altele.

Prezentând o arhitectură cu totul nouă, Pentium IV este destinat aplicaţiilor multimedia şi Internet, cum ar fi editare video, encodare  şi încărcare  de materiale în format video pe Internet, encodare MP3 şi aplicaţii de vizualizare 3D. Pentru a rula astfel de programe, noua arhitectură a procesorului Pentium IV (NetBurst) conţine o magistrală de date la 400 MHz, noi tehnologii de realizare a memoriei cache şi a canalului de date, alături de un set îmbunătăţit de instrucţiuni interne şi un coprocesor matematic optimizat pentru aplicaţii multimedia. Modificările de arhitectură care au dus la îmbunătăţirea performanţelor obţinute în aplicaţiile de tip Internet (viteza superioară, canal de comunicaţie mai mare, set nou de instrucţiuni SSE2, dimensiune redusă a memoriei cache, magistrala de date mărită) nu se dovedesc la fel de benefice în cazul aplicaţiilor uzuale. Astfel de programe obişnuiesc să depună mari cantităţi de date    în memoria cache şi în plus, mărirea magistralei de memorie la 3.2 GB pe secundă nu este atât de semnificativă pt aplicaţiile de birou, acestea accesând de foarte multe ori memoria cache şi nu memoria principală.

Pe măsură ce dispozitivele microelectronice devin mai integrate, cu funcţii mărite şi niveluri de performanţă mai ridicate, complexitatea soluţiilor de împachetare creşte proporţional.

Ca rezultat al măririi caracteristicilor de integrare, frecvenţelor ridicate şi al cerinţelor de alimentare ale ultimei generaţii de microprocesoare, densitatea de interconectări între cipul procesorului şi substrat a crescut remarcabil. Un nou tip de tehnologie cu un nou substrat de împachetare (factor de formă) este necesar pentru a beneficia din plin de progresele tehnologiilor pe silicon. Acest lucru a creat o serie de provocări în designul factorului de formă, dezvoltarea designului de substrat şi a procesului de asamblare.

Pentru a asigura un factor de formă de înaltă integrare şi un cost redus, a fost propus Flip Chip Pin Grid Array (FCPGA) ca soluţie inovativă de împachetare. Acest factor de formă a fost proiectat ca o soluţie socket. Factorul de formă FCPGA oferă nu numai o împachetare de înaltă performanţă, pe un substrat eficient din punct de vedere al costurilor ci şi   foloseşte în mod inteligent echipamentele de asamblare pentru a minimiza, per ansamblu, costurile de producţie.

Cu aceasta închei succinta trecere în revistă a istoriei circuitelor integrate, microprocesoare şi memorii, cu menţiunea că nu am spus mai nimic despre ele, fiindcă această gamă de produse sunt foarte variate, iar unele inlocuiesc pe altele.

 CIRCUITE INTEGRATE, TIPURI ŞI GENERAŢII DE C.I.

            Producţia de componente electronice discrete a fost revoluţionată în momentul apariţiei primelor circuite integrate. Aceste noi componente au revoluţionat atât producţia de bunuri de larg consum de lunga durată, precum şi cea industrială, strecurându-se astăzi în cele mai neinchipuite domenii ale vieţii noastre cotidiene.

            Să ne aducem aminte de primele aparate de radio, care au fost echipate cu circuite integrate în etajul audio, aparitia primelor receptoare TV echipate cu circuite integrate, radiocasetofoane şi multe altele, pătrunderea automatizării în procesele de producţie, apariţia roboţilor industriali.

După etapa mecanizării, omul îndeplineşte în principal funcţia de conducere a proceselor tehnologice de producţie. Operaţiile de conducere necesită un efort fizic neglijabil, în schimb necesită un efort intelectual important. Pe de altă parte unele procese tehnice se desfăşoară rapid, încât viteza de reacţie a unui operator uman este insuficientă pentru a transmite o comandă necesară în timp util.

Se constată astfel că la un anumit stadiu de dezvoltare a proceselor de producţie devine necesar ca o parte din funcţiile de conducere să fie transferate unor echipamente şi aparate destinate special acestui scop, reprezentând echipamente şi aparate de automatizare. Omul rămâne însă cu supravegherea generală a funcţionării instalaţiilor automatizate şi cu adoptarea deciziilor şi soluţiilor de perfecţionare şi optimizare.

Prin automatizarea proceselor de producţie se urmăreşte asigurarea tuturor condiţiilor de desfăşurare a acestora fără intervenţia operatorului uman. Această etapă presupune crearea acelor mijloace tehnice capabile să asigure evoluţia proceselor într-un sens prestabilit, asigurându-se producţia de bunuri materiale la parametri doriţi.

Etapa automatizării presupune existenţa proceselor de producţie astfel concepute încât să permită implementarea mijloacelor de automatizare, capabile să intervină într-un sens dorit asupra proceselor asigurând condiţiile de evoluţie a acestora în deplină concordanţă cu cerinţele optime.

             Totul a fost motivat şi demonsrtat prin cresterea performanţelor tehnici, a fiabilităţii produselor şi în scăderea preţului de cost.

            Ce este de fapt un circuit integrat? Un ansamblu de componente discrete ( diode, tranzistoare, rezistente, condensatoare şi chiar bobine ) montate pe un suport de siliciu miniatural numit “cip”. Acest ansamblu a fost standardizat şi a căpătat forme de capsule cu diferite dimensiuni şi număr de terminale. Numărul componentelor a crescut de la câteva sute, la câteva mii sau chiar zeci de mii în cazul microprocesoarelor.

            Cele mai simple circuite integrate, sunt cele logice fabricate şi în ţara noastră şi sunt din seria CDB începând cu 400, 402, 403, 404, care conţineau maxim 4 trazistoare, 2 diode, şi 4 rezistente, ele putând fi construite uşor şi din componente discrete. Aceste porţi au fost folosite la fabricarea de calculatoare şi în automatizări unde numărul lor erau cu sutele şi chiar cu miile. Sigur, gama de produse din seria CDB nu s-a oprit la aceste câteva tipuri, numărul lor fiind câteva sute.

Circuitele integrate TTL s-au culminat în cele mai simple microprocesoare de fabricaţie românească ca: procesorul de 1 bit PC 14500, numărătorul de program de 4 biţi PC 14104 sau demultiplexor 1:8 cu memorie.     

            Circuitele integrate logice, care au fost folosite cu zecile de mii în primele calculatoare, dar şi în alte aplicaţii industriale, de automatizare şi robotizare, au  netezit calea spre realizarea circuitelor integrate liniare, care puneau probleme noi, generate de complexitatea structurii, de particularităţile procesului tehnologic, de varietatea metodelor şi a aparaturii de testare.

            Circuitele integrate au fost proiectate şi perfecţionate pe diferite domenii de utilizare: asa s-au născut cele logice, cele analogice, ori lineare etc. În functie de caracteristicile funcţionale şi de domeniul de aplicaţii cele analogice au fost grupate pe familii: amplificatoare operationale (AO), circuite de uz industrial, circuite de audio, radio şi TV, arii de diode şi tranzistoare. Şi totusi, ele nu pot fi clasificate foarte exact după nişte criterii prestabilite deoarece, au domenii de aplicare  foarte largi.

             În ţara noastră, începând din anul 1974 au fost produse primele circuite integrate analogice-liniare cu aplicaţii în domeniul audio, radioreceptoare şi televizoare. Asa a devenit imperios necesară preluarea şi asimilarea circuitelor integrate liniare, care să preia funcţiile etajelor clasice cu tuburi electronice sau cu tranzistoare. S-au născut primele aparate de radioreceptoare cu circuite integrate cu etajele de radiofrecvenţă şi frecvenţă intermediară integrată într-un cip de TBA 570, cu decodor stereo de tip A758 şi cu etajul  final audio de tip TCA 150, care la vremea aceea situau produsele la nivelul de vârf al tehnicii mondiale.

Principalul producător de circuite integrate şi alte componente, a fost IPRS Băneasa, o fabrică unde au fost produse alte circuite integrate liniare, ca alimentatorul stabilizat pentru tunere cu varicap TAA 550, amplificatorul de frecvenţă intermediară  sunet şi imagine  la TV (TDA 440), sincroprocesorul TV (TBA 950), C.I.  pentru baleiaj vertical (TDA 1170 ), amplificatoare operaţionale (A 741, M 3900 ), stabilizatoare de tensuine (A 723), temporizator ca E 555, senzor magnetic M 230, comutator senzorial pentru tastaturile electronice la TV, seria SAS 560,561.    

            Spre exemplificare aş menţiona ca amplifictorul operaţional A 741, care se găseste în capsula cu 8 sau 14 terminale, are domenii largi de aplicaţii ca: receptor de tensiune, amplificator neinversor sau inversor, integrator ori amplificator de putere cu viteză de variaţie mare. Toate acestea şi altele în domenii ca robotizarea industrială, maşini unelte semiautomate sau automate, producţia de echipamente audio- video. Din familia lui A 741 fac parte si amplificatorul operational cuadruplu M 324 şi cel dual de tip M 358, care şi-au găsit aplicaţiile în sisteme de control industrial şi ca ampilficatoare de curent continuu.

            Circuitul de temporizare E 555, care se găseste încapsulată în cipuri de plastic, sau metal, cu 8 sau 14 terminale, este un CI monolitic bipolar care realizează temporizări de la 1- si câteva sute de secunde, sau oscilaţii libere prin încărcarea şi descărcarea unui condensator extern. Având alimentarea cu tensiune în gama de 4,5- 18 volţi, iar iesirea suportând curenţi mari de până la 200 mA, îl recomandă ca să aibă plicaţii în prelucrarea semnalelor TTL şi până în cele mai diverse domenii. Aria de aplicaţii este foarte vastă, s-au scris cărti întregi despre el, dintre care aş menţiona doar câteva: monostabil sau astabil, circuit de întârziere, din care derivă folosirea ca divizor de frecvenţă, modulator de impulsuri în durată, oscilator, generator de rampă liniară, temporizator fotografic, comandă temporizată a ştergătorului de parbriz, lectura optică a unei benzi perforate, încărcător de acumulatoare, alarmă cu automenţinere, releu de întârziere, turometru electronic, buton senzorial şi multe altele.      

             Mai mult pentru aplicaţii industriale au fost proiectate senzorul magnetic de tip SM 240, 241,242 care şi-au găsit locul în limitatoare de cap de cursă la maşini-unelte, maşini de cusut şi de tricotat, periferice de calculatoare, roboţi industriali. Se regăsesc de asemenea în magnetofoane, casetofoane, videopleyere şi altele, ca stabilizatoare de turaţie, în sistemele de aprindere electronică a autovechiculelor, în turometre şi vitezometre. Cu ele se construiesc traductoare de curent, detectori de poziţie, micrometre şi alte dispozitive de măsurat lungimi, numărătoare pentru piesele lucrate pe bandă. E aproape imposibil de enumerat lista completă de aplicaţii.