Integrierte Schaltkreise erklärt: Der vollständige Leitfaden für Ingenieure

Ohne Diskussion verstehen wir richtig, wie wichtig Atmen für den Erhalt des Lebens ist. Genau so verhält sich der integrierte Schaltkreis zum Fortschritt dieses Jahrhunderts.

Der integrierte Schaltkreis hat viele Verbesserungen durchlaufen, die für die PCB-Fertigung notwendig waren und ihn zu dem gemacht haben, was er heute ist. Die ersten Transistoren waren groß und unansehnlich.

Zwar erfassten viele Erfinder die Idee von Anfang an, aber ein Plan bleibt nur einer, wenn er nicht umgesetzt wird. Diese Kette durchbrachen Jack Kilby von Texas Instruments und Robert Noyce von Fairchild Semiconductor.

Die Vorteile des integrierten Schaltkreises können für die Verbesserung unseres Lebens nicht genug betont werden. Was meine ich damit?

Als ich erstmals von der Geschichte des integrierten Schaltkreises erfuhr, hoffte ich intensiv für die Erfinder – ich konnte mir nicht vorstellen, mit einer trommelgroßen Elektronik herumzulaufen, die sich zu einem handflächengroßen Gerät verkleinern ließe.

Betrachtet man Größe, Reaktionsgeschwindigkeit und Kapazität des Chips, haben weitere Verbesserungen diese Faktoren von ihren Anfängen bis heute erreicht.

Die ursprünglich entworfenen integrierten Schaltkreise basierten auf Verfahren zur Montage von Transistorclustern auf halbleitendem Material – Silizium, wie wir wissen, da der Transistor die wichtigste Komponente im elektronischen Schaltkreis ist.

Was ist ein integrierter Schaltkreis?

1.1 Definition

Das Wort „integriert“ bedeutet das Zusammensetzen oder Koordinieren zu einem Ganzen; ein integrierter Schaltkreis ist ein miniaturisierter Halbleiter, meist Silizium, der konstruierte Widerstände, Transistoren und Kondensatoren beherbergt.

Der integrierte Schaltkreis ist ein elektronisches Bauelement, das digital, analog oder eine Mischung aus beidem sein kann und als Rahmen oder Vorlage für elektronische Geräte und Werkzeuge dient.

Er wird mit dem Ziel gebaut, viele Transistoren, Kondensatoren oder Widerstände auf nur einem Halbleiterstück unterzubringen. Oft wird der integrierte Schaltkreis als Mikrochip oder einfach Chip bezeichnet.

Die Anzahl der Transistoren, Widerstände oder Kondensatoren kann auf dem integrierten Schaltkreis in Tausenden, Millionen oder sogar Milliarden variieren. Seit der Erfindung hat der integrierte Schaltkreis im Laufe der Zeit erhebliche Verbesserungen erfahren.

Chips, die nur von wenigen bis zu hunderten Transistoren aufnehmen, bezeichnet man als Small-Scale Integration (SSI).

Chips mit bis zu Tausenden Transistoren nennt man Medium-Scale Integration (MSI).

Chips mit bis zu einer Million Transistoren heißen Very Large-Scale Integration (VLSI). Schließlich gibt es Ultra Large-Scale Integration (ULSI) für integrierte Schaltkreise, die bis zu Milliarden Transistoren auf einem einzigen Chip unterbringen.

1.2 Design analoger CMOS-integrierter Schaltkreise

„CMOS“ steht für Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, auch „COS-MOS“ (Complementary-Symmetry Metal-Oxide-Semiconductor) genannt. CMOS wird in digitalen und analogen Anwendungen eingesetzt.

Im analogen CMOS-Bereich gibt es z. B. CMOS-Operationsverstärker-integrierte Schaltkreise. Statt Signalrelais können Transmission Gates als analoge Multiplexer dienen.

Hier betrachten wir die einzelne CMOS-Einheit, den MOSFET (Metal-Oxide-Silicon Field-Effect-Transistor). Die Kombination komplementärer MOSFETs wird als CMOS-Schaltungen bezeichnet.

Ein wesentlicher Vorteil: Strom fließt nur, wenn das Logikgatter seinen Logikzustand ändert. Daher fehlt die leistungsbezogene Verschwendung um den Faktor 10, da zu einem gegebenen Zeitpunkt nur etwa eines von 10 Gattern eines Logikschaltkreises umschaltet.

1.3 Arten integrierter Schaltkreise

Betrachtet man die Arten integrierter Schaltkreise, haben wir:

• Analoger integrierter Schaltkreis: Führt Funktionen wie Verstärkung, Filterung und Signalmodifikation aus. Wegen geringer Bauteilanzahl gelten sie als einfachste Art integrierter Schaltkreise. Häufig in Geräten zur Signalübertragung und -empfang sowie in Geräten, die auf kontinuierliche Schwankungen reagieren.
• Digitaler integrierter Schaltkreis: Steuert Datenfluss und führt mathematische Operationen mit Binärwerten 0 und 1 aus. Digitale ICs bauen Computersysteme. Im Gegensatz zum analogen IC empfangen sie nur präzise Werte.
• Mikroprozessorschaltkreise: Hier sprechen wir von Millionen oder Milliarden Transistoren, perfekt ausgerichtet als Tausende einzelner digitaler Schaltkreise, jeder mit spezifischer Funktion. Sie führen Milliarden Operationen pro Sekunde aus – eine sehr anspruchsvolle Art integrierter Schaltkreise.

Analyse und Design eines integrierten Schaltkreises

2.1 Design und Analyse analoger integrierter Schaltkreise

Im analogen IC-Design und -Analyse geht man davon aus, dass „Standard“-Modelle für zusammengesetzte Schaltungsteile verwendet werden. Betrachten wir zwei Analysen: die Handanalyse.

Bei der Handanalyse ist die obige Annahme optimistisch oder präzise aufgrund natürlich unterschiedlicher Modelle. Die andere Analyse ist technischer und heißt Computeranalyse.

Aus wichtigen Gründen ist es entscheidend, dass der Planer oder Designer tiefgehendes Wissen über die Quellen der häufig verwendeten Modelle und den Approximationsgrad jedes einzelnen besitzt.

Moderne Halbleiterbauelemente für integrierte Schaltkreise

3.1 Moderne Halbleiterbauelemente für integrierte Schaltkreise

3.1.1 Was sind Halbleiterbauelemente?

Halbleiter sind elektronische Elemente, die Elektrizität zwischen der eines Leiters (der unter bestimmten Bedingungen leitet, aber nicht in allen Zuständen) leiten. Aufgrund dieser Eigenschaft gelten sie als geeignete Stromleiter.

3.1.2 Halbleiterindustrie

Wie die 5 zur 6, sind Halbleiterbauelemente essenzielle Materialien in elektrischen und elektronischen Geräten, die wir täglich nutzen: MP3-Player, Automobile, Flachbildfernseher, Computer, Videospiele, Waschmaschinen, Radios usw.

Bewusst oder unbewusst hängen wir von ihnen ab, um unsere täglichen Aktivitäten auszuführen. Betrachten wir die Diskussion aus der Perspektive von Computern.

Angenommen, Sie besitzen einen Laptop, den Sie vor 3–5 Jahren gekauft haben und ersetzen möchten: Sie werden feststellen, dass der Tauschwert für den zurückzugebenden Computer gering ist.

Warum? Weil mit der Zeit Komplexität, Geschwindigkeit und Gesamtleistung steigen – selbst bei gleichem Preis. Ein letztes Jahr produzierter Computer mit 150 Mops/s wird dieses Jahr durch einen mit 1500 Mops/s abgelöst – solches Wachstum ist realistisch.

Wir schließen: Der Erfolg dieser Branche beruht auf kontinuierlichen Produktverbesserungen und sinkenden Produktionskosten durch kleinere Bauteile wie Transistoren.

3.2 Halbleiterbauelemente für integrierte Schaltkreise

Halbleiterbauelemente für integrierte Schaltkreise umfassen:

• Transistoren: Weit verbreitet und komplex. Der BJT (Bipolar Junction Transistor) war das erste Transistordesign und besitzt im Gegensatz zu anderen drei Anschlüsse: Basis, Kollektor, Emitter. Eine Hauptanwendung: als Schalter.
• Dioden: Halbleiterbauelemente, die Stromfluss verhindern, solange der Spannungsabfall unter einem bestimmten Schwellenwert liegt. Übersteigt er den Schwellenwert, steigt der Strom stark an. Dioden variieren in ihren Charakteristika.

Digitale integrierte Schaltkreise

4.1 Beschreibung digitaler integrierter Schaltkreise

Bei der Diskussion digitaler integrierter Schaltkreise sind Werkzeuge wie Mikroprozessor und Mikrocontroller essenziell.

Ein grundlegender Typ digitaler ICs ist der Mikroprozessor. Er basiert auf der Kombination von Logikfunktionen. Wie werden Logikfunktionen überhaupt konstruiert?

Logikfunktionen werden mittels elektronischer Bauelemente konstruiert – z. B. Transistoren.

Wie zuvor zu digitalen Schaltkreisen besprochen: Diese IC-Art nutzt Binärwerte, im Gegensatz zu analogen ICs mit kontinuierlichen Wertänderungen.

Digitale Schaltkreise nutzen Konstanten wie EIN/AUS, WAHR/FALSCH, 0/1 für ihre Logikfunktionen. Dieser digitale Typ nutzt ICs mit multiplen Komponentenverbindungen auf einem einzelnen Halbleiterstück und kann Milliarden Transistoren enthalten.

Wegen des aufwendigen Prozesses, Komponenten zu digitalen ICs zusammenzufügen, nutzt man ICs, die viele oder wenige elektronische Komponenten auf Halbleitermaterial oder Chip aufnehmen.

Der Logikschaltkreis (auch Gatter genannt) ist das Grundelement digitaler Systeme.

Integrierte Schaltkreise in PCBA

5.1 Integrierte Schaltkreise in PCBA und ihre Anwendung

Vor Rapid Prototyping und 3D-PCB-Druck fertigt man die PCB und führt die Printed Circuit Board Assembly (PCBA) durch.

Bevor wir ICs in PCBA behandeln, Notiz zur PCBA: Die Leiterplattenmontage besteht aus Kupfer, kombiniert mit anderen Materialien zu Leiterbahnen und Pads. Die PCB hält elektronische Bauteile an Ort und Stelle.

Integrierte Schaltkreise nutzen Halbleitermaterial (Silizium) kombiniert mit Transistoren. Die PCB nimmt den Chip bequem auf.

5.2 Anwendungen integrierter Schaltkreise

Anwendungen umfassen:

• Personal Computer
• Fernseher
• Speicherbausteine

5.3 Auswahl

Integrierte Schaltkreise sind bei WellPCB erhältlich. Da individuelle Bedürfnisse variieren, sind wir bestens ausgestattet. Wir bieten verschiedene ICs passend zu Ihren Interessen bei PCBA-Bestellung.

Fazit

Der integrierte Schaltkreis wirkt wie ein Durchbruch bei unseren täglichen Schwierigkeiten. Von den Erfindern, die nur die Idee hatten, bis zu denen, die die Praxis einführten – er markiert den Ursprung integrierter Schaltkreise. Faktoren wie Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit haben sich drastisch verbessert – sonst wäre Ihr Mobilgerät nicht handflächengroß, sondern ein großes Kästchen.

Kurz gesagt: Der integrierte Schaltkreis hat uns Lebensverbesserung und eine schnellere, verbesserte, stabile Welt gebracht.

Da ICs stark variieren, liefern wir nicht nur Ihre Wahl, sondern auch Originalität. Sie können ein Angebot für Montage anfordern. Bei Fragen oder Vorschlägen – gerne an uns wenden.