Circuite integrate-tipuri si generatii

Circuite integrate-tipuri si generatii

Productia de componente electronice discrete a fost revolutionata in momentul aparitiei primelor circuite integrate. Aceste noi componente au revolutionat atat productia de bunuri de larg consum de lunga durata, precum si cea industriala, strecurandu-se astazi in cele mai neinchipuite domenii ale vietii noastre cotidiene.

Sa ne aducem aminte de primele aparate de radio, care au fost echipate cu circuite integrate in etajul audio, aparitia primelor receptoare TV echipate cu circuite integrate, radiocasetofoane si multe altele, patrunderea automatizarii in procesele de productie, aparitia robotilor industriali.

Dupa etapa mecanizarii, omul indeplineste in principal functia de conducere a proceselor tehnologice de productie. Operatiile de conducere necesita un efort fizic neglijabil, in schimb necesita un efort intelectual important. Pe de alta parte unele procese tehnice se desfasoara rapid, incat viteza de reactie a unui operator uman este insuficienta pentru a transmite o comanda necesara in timp util.

Se constata astfel ca la un anumit stadiu de dezvoltare a proceselor de productie devine necesar ca o parte din functiile de conducere sa fie transferate unor echipamente si aparate destinate special acestui scop, reprezentand echipamente si aparate de automatizare. Omul ramane insa cu supravegherea generala a functionarii instalatiilor automatizate si cu adoptarea deciziilor si solutiilor de perfectionare si optimizare.

Prin automatizarea proceselor de productie se urmareste asigurarea tuturor conditiilor de desfasurare a acestora fara interventia operatorului uman. Aceasta etapa presupune crearea acelor mijloace tehnice capabile sa asigure evolutia proceselor intr-un sens prestabilit, asigurandu-se productia de bunuri materiale la parametri doriti.

Etapa automatizarii presupune existenta proceselor de productie astfel concepute incat sa permita implementarea mijloacelor de automatizare, capabile sa intervina intr-un sens dorit asupra proceselor asigurand conditiile de evolutie a acestora in deplina concordanta cu cerintele optime.

Totul a fost motivat si demonsrtat prin cresterea performantelor tehnici, a fiabilitatii produselor si in scaderea pretului de cost.

Ce este de fapt un circuit integrat? Un ansamblu de componente discrete ( diode, tranzistoare, rezistente, condensatoare si chiar bobine ) montate pe un suport de siliciu miniatural numit "cip". Acest ansamblu a fost standardizat si a capatat forme de capsule cu diferite dimensiuni si numar de terminale. Numarul componentelor a crescut de la cateva sute, la cateva mii sau chiar zeci de mii in cazul microprocesoarelor.

Cele mai simple circuite integrate, sunt cele logice fabricate si in tara noastra si sunt din seria CDB incepand cu 400, 402, 403, 404, care contineau maxim 4 trazistoare, 2 diode, si 4 rezistente, ele putand fi construite usor si din componente discrete. Aceste porti au fost folosite la fabricarea de calculatoare si in automatizari unde numarul lor erau cu sutele si chiar cu miile. Sigur, gama de produse din seria CDB nu s-a oprit la aceste cateva tipuri, numarul lor fiind cateva sute.

Circuitele integrate TTL s-au culminat in cele mai simple microprocesoare de fabricatie romaneasca ca: procesorul de 1 bit PC 14500, numaratorul de program de 4 biti PC 14104 sau demultiplexor 1:8 cu memorie.

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

Circuitele integrate au fost proiectate si perfectionate pe diferite domenii de utilizare: asa s-au nascut cele logice, cele analogice, ori lineare etc. In functie de caracteristicile functionale si de domeniul de aplicatii cele analogice au fost grupate pe familii: amplificatoare operationale (AO), circuite de uz industrial, circuite de audio, radio si TV, arii de diode si tranzistoare. Si totusi, ele nu pot fi clasificate foarte exact dupa niste criterii prestabilite deoarece, au domenii de aplicare foarte largi.

In tara noastra, incepand din anul 1974 au fost produse primele circuite integrate analogice-liniare cu aplicatii in domeniul audio, radioreceptoare si televizoare. Asa a devenit imperios necesara preluarea si asimilarea circuitelor integrate liniare, care sa preia functiile etajelor clasice cu tuburi electronice sau cu tranzistoare. S-au nascut primele aparate de radioreceptoare cu circuite integrate cu etajele de radiofrecventa si frecventa intermediara integrata intr-un cip de TBA 570, cu decodor stereo de tip A758 si cu etajul final audio de tip TCA 150, care la vremea aceea situau produsele la nivelul de varf al tehnicii mondiale.

Principalul producator de circuite integrate si alte componente, a fost IPRS Baneasa, o fabrica unde au fost produse alte circuite integrate liniare, ca alimentatorul stabilizat pentru tunere cu varicap TAA 550, amplificatorul de frecventa intermediara sunet si imagine la TV (TDA 440), sincroprocesorul TV (TBA 950), C.I. pentru baleiaj vertical (TDA , amplificatoare operationale (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 as mentiona ca amplifictorul operational A 741, care se gaseste in capsula cu 8 sau 14 terminale, are domenii largi de aplicatii ca: receptor de tensiune, amplificator neinversor sau inversor, integrator ori amplificator de putere cu viteza de variatie mare. Toate acestea si altele in domenii ca robotizarea industriala, masini unelte semiautomate sau automate, productia de echipamente audio- video. Din familia lui A 741 fac parte si amplificatorul operational cuadruplu M 324 si cel dual de tip M 358, care si-au gasit aplicatiile in sisteme de control industrial si ca ampilficatoare de curent continuu.

Circuitul de temporizare E 555, care se gaseste incapsulata in cipuri de plastic, sau metal, cu 8 sau 14 terminale, este un CI monolitic bipolar care realizeaza temporizari de la 1- si cateva sute de secunde, sau oscilatii libere prin incarcarea si descarcarea unui condensator extern. Avand alimentarea cu tensiune in gama de 4,5- 18 volti, iar iesirea suportand curenti mari de pana la 200 mA, il recomanda ca sa aiba plicatii in prelucrarea semnalelor TTL si pana in cele mai diverse domenii. Aria de aplicatii este foarte vasta, s-au scris carti intregi despre el, dintre care as mentiona doar cateva: monostabil sau astabil, circuit de intarziere, din care deriva folosirea ca divizor de frecventa, modulator de impulsuri in durata, oscilator, generator de rampa liniara, temporizator fotografic, comanda temporizata a stergatorului de parbriz, lectura optica a unei benzi perforate, incarcator de acumulatoare, alarma cu automentinere, releu de intarziere, turometru electronic, buton senzorial si multe altele.

Mai mult pentru aplicatii industriale au fost proiectate senzorul magnetic de tip SM 240, 241,242 care si-au gasit locul in limitatoare de cap de cursa la masini-unelte, masini de cusut si de tricotat, periferice de calculatoare, roboti industriali. Se regasesc de asemenea in magnetofoane, casetofoane, videopleyere si altele, ca stabilizatoare de turatie, in sistemele de aprindere electronica a autovechiculelor, in turometre si vitezometre. Cu ele se construiesc traductoare de curent, detectori de pozitie, micrometre si alte dispozitive de masurat lungimi, numaratoare pentru piesele lucrate pe banda. E aproape imposibil de enumerat lista completa de aplicatii.

Circuitul integrat TBA 315 face parte din familia oscilatoarelor de relaxare, avand aria de aplicatii in domeniul autovechiculelor ca semnalizator de directie, temporizarea reglabila a stergatoarelor de parbriz si se extinde in aplicatii industriale de larg consum care implica folosirea unui temporizator de putere ca la automate de scara etc.

Din familia circuitelor integrate analogice, fac parte si cele audio, radio si TV. Asa cum am amintit si mai inainte, ele echipau aparatura de amplificare de medie putere, radioreceptoare, tunere, televizoare alb negru si color. Aparitia decodorului pentru semnalul multiplex stereo A 758, a simplificat receptionarea emisiunulor stereofonice, sau M 3189 care este un bloc complex de frecventa intermediara pentru un receptor de radio de inalta fidelitate, impreuna cu amplificatoarele finale audio ca TBA 790 sau TCA 150, au pus la dispozitia constructorilor de radioreceptoare componente ieftine, fiabile, care au putut fabrica, la preturi scazute, receptoare si alte echipamente de inalta tehnicitate.

In domeniul fabricarii receptoarelor de televiziune, circuitele integrate au simplificat foarte mult numarul componentelor, ajungand ca un receptor TV alb-negru sa fie compus din 4-7 circuite. Cele color, aveau in componenta circuite ca TBA 120 amplificator-limitator de frecventa intermediara si demodulator MF, matricea RGB TBA 530, circuitul pentru refacerea subpurtatoarei PAL, demodulatoarele de crominanta TCA 640- 650, ori TCA 660 care controleaza stralucirea si saturatia in TV color, impreuna 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 rapida a industriei electronice la nivel mondial a dus la aparitia microprocesoarelor care sunt niste circuite integrate inteligente, cu memorie, avand functii multiple in receptoarele TV si radio, echipamente audio si video, precum si in industria fabricarii calculatoarelor personale.

Uitandu-ne putin prin istoria calculatorului electronic digital, observam ca abia au trecut 60 de ani de la ENIAC si pana la ultimul tip de Pentium IV cu frecventa care depaseste 3 GHz. In acest rastimp s-a impus sistemul de numeratie binar, memorarea programelor si s-a crisralizat o structura logica a unui calculator electronic digital cu unitatea centrala, memorii si dispozitive de intrare/iesire.

Unitatea centrala cunoaste o serie de instructiuni codificate binar, pe care le citeste din memorie, le decodifica si executa, apoi trece controlul instructiunii urmatoare. Iata aceasta este masina de referinta pana in zilele noastre.

Aparut in anii 1970, microprocesorul este un circuit capabil sa efectueze functiile aritmetice si de control ale unui calculator. Pe atunci un microprocesor era un circuit integrat pe scara larga (LSI), continand cateva mii de tranzistoare, pe o suprafata de aproximativ 5 mm². Dezvoltarea microprocesoarelor a urmat dezvoltarii circuitelor integrate, complexitatea acestora dublandu-se practic in fiecare an. In prezent s-a ajuns la cateva milioane de tranzistoare (6-9 milioane: Pentium II, AMD K6-2, Cyrix MII) pe o suprafata de cativa milimetri patrati.

Z80 este un procesor care nu se mai foloseste in nici un calculator actual, iar viteza lui este foarte mica (5 MHz), comparativa cu frecventele procesoarelor actuale (trecute peste 3 GHz). Totusi, mai este folosit si acum, in concurenta cu microcontrolerele, la realizarea unor sisteme de automatizare simple si fara necesitati prea mari de viteza. Z80 este un microprocesor pe 8 biti, cu 16 linii de adresa.

Pe plan mondial s-au impus mai multe firme producatoare de microprocesoare printre care si Intel cu I8080, I8082, I8083, I8084, procesoare care echipau calculatoare personale cu frecventa ceasului de pana la 100 MHz, avand circuite integrate de memorie incepand cu 4, 8, ori16 Mb. Aceasta dezvoltare rapida a microprocesoarelor a dus la aparitia pe piata, anual a doua, 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 biti si care lucreaza la frecvente mari, inregistreaza performante superioare fata de modelele precedente.

Noua microarhitectura a acestor procesoare a fost denumita de catre Intel, NetBurst, in spatele acestei tehnologii aflandu-se mai multe noi facilitati:

Busul sistemului la 400MHz - utilizand noua tehnologie ,quad pumped' cu o latime a magistralei de 64 biti si ceas de 100MHz, se ajunge la o rata de transfer intre procesor si 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 frecventa de 133MHz. Pentium IV lucreaza prin intermediul a doua canale de transmisie cu RDRAM, la o viteza de 3.2G/s.

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

Prezentand o arhitectura cu totul noua, Pentium IV este destinat aplicatiilor multimedia si Internet, cum ar fi editare video, encodare si incarcare de materiale in format video pe Internet, encodare MP3 si aplicatii de vizualizare 3D. Pentru a rula astfel de programe, noua arhitectura a procesorului Pentium IV (NetBurst) contine o magistrala de date la 400 MHz, noi tehnologii de realizare a memoriei cache si a canalului de date, alaturi de un set imbunatatit de instructiuni interne si un coprocesor matematic optimizat pentru aplicatii multimedia. Modificarile de arhitectura care au dus la imbunatatirea performantelor obtinute in aplicatiile de tip Internet (viteza superioara, canal de comunicatie mai mare, set nou de instructiuni SSE2, dimensiune redusa a memoriei cache, magistrala de date marita) nu se dovedesc la fel de benefice in cazul aplicatiilor uzuale. Astfel de programe obisnuiesc sa depuna mari cantitati de date in memoria cache si in plus, marirea magistralei de memorie la 3.2 GB pe secunda nu este atat de semnificativa pt aplicatiile de birou, acestea accesand de foarte multe ori memoria cache si nu memoria principala.

Pe masura ce dispozitivele microelectronice devin mai integrate, cu functii marite si niveluri de performanta mai ridicate, complexitatea solutiilor de impachetare creste proportional.

Ca rezultat al maririi caracteristicilor de integrare, frecventelor ridicate si al cerintelor de alimentare ale ultimei generatii de microprocesoare, densitatea de interconectari intre cipul procesorului si substrat a crescut remarcabil. Un nou tip de tehnologie cu un nou substrat de impachetare (factor de forma) este necesar pentru a beneficia din plin de progresele tehnologiilor pe silicon. Acest lucru a creat o serie de provocari in designul factorului de forma, dezvoltarea designului de substrat si a procesului de asamblare.

Pentru a asigura un factor de forma de inalta integrare si un cost redus, a fost propus Flip Chip Pin Grid Array (FCPGA) ca solutie inovativa de impachetare. Acest factor de forma a fost proiectat ca o solutie socket. Factorul de forma FCPGA ofera nu numai o impachetare de inalta performanta, pe un substrat eficient din punct de vedere al costurilor ci si    foloseste in mod inteligent echipamentele de asamblare pentru a minimiza, per ansamblu, costurile de productie.

Cu aceasta inchei succinta trecere in revista a istoriei circuitelor integrate, microprocesoare si memorii, cu mentiunea ca nu am spus mai nimic despre ele, fiindca aceasta gama de produse sunt foarte variate, iar unele inlocuiesc pe altele.