INTRODUCCIÓN
El presente trabajo trata sobre la estructura y función de los Circuitos Integrados.
En el desarrollo del presente trabajo se hizo uso de una Investigación bibliográfica en libros, revistas, obras generales o Enciclopedias, Tesis e Internet. También se utilizó la elaboración de Mapas Conceptuales, figuras. Tablas, imágenes, etc.
Este proyecto de Investigación tiene como contenido los antecedentes históricos de los Circuitos Integrados, su definición, la forma en que son fabricados, el material del cual están hechos, clasificación de acuerdo a su estructura y función; funciones de los circuitos integrados, el uso de estos y las ramas que abarca el uso de los circuitos integrados.
La importancia de este trabajo radica en la gran utilización que presentan los Circuitos Integrados en la electrónica y en la fabricación de cualquier aparato nuevo. Otro detalle muy importante es que los Circuitos Integrados son uno de los dispositivos mas importantes en la electrónica ya que si no fuera por ellos; no contaríamos con la tecnología que actualmente poseemos. La razón de su uso es por su tamaño; ya que estos circuitos pueden contener miles de transistores y otros componentes como resistencias, diodos, resistores, capacitadotes, etc; y medir solamente unos centímetros.
Los ordenadores comúnmente llamados computadoras o PCs utilizan esta característica de los Circuitos Integrados ya que todas las funciones lógicas y aritméticas de una computadora pueden ser procesadas por un solo chip a gran escala llamado Microprocesador o cerebro de la computadora.
Los objetivos logrados con el desarrollo de este trabajo fueron Conocer la historia de los circuitos integrados, como y cuando surgieron, saber los materiales del cual están hechos, conocer un poco sobre como se construyen, saber para que sirven, donde son utilizados, conocer las funciones que realizan en los aparatos y/o sistemas.
INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS INTEGRADOS
Como todos sabemos los Circuitos Integrados son unos pequeños circuitos electrónicos fabricados con una función específica como pueden ser: Operaciones Aritméticas, funciones lógicas, amplificación, codificación, decodificación, controladores, etc.
Estos Circuitos Integrados por lo general se combinan para formar sistemas mucho mas complejos que pueden ser desde una calculadora, un reloj digital, un videojuego, hasta una computadora, etc
Se fabrican mediante la difusión de impurezas en silicio monocristalino, que sirve como material semiconductor, o mediante la soldadura del silicio con un haz de flujo de electrones.
La característica más notable de un Circuito Integrado es su tamaño; ya que puede contener 275, 000 transistores, además de una multitud de otros componentes como son transistores, diodos, resistencias, condensadores y alambres de conexión, y medir desde menos de un centímetro a poco mas de tres centímetros.
Otra de las características de los circuitos integrados es que rara vez se pueden reparar; es decir si un solo componente de un circuito integrado llegara a fallar, se tendría que cambiar la estructura completa; esto se debe al tamaño diminuto y los miles de componentes que poseen.
Que son los Circuitos Integrados
Un circuito integrado o ( ci ) es aquel en el cual todos los componentes, incluyendo transistores, diodos, resistencias, condensadores y alambres de conexión, se fabrican e interconectan completamente sobre un chip o pastilla semiconductor de silicio.
Una vez procesado, el chip se encierra en una cápsula plástica o de cerámica que contiene los pines de conexión a los circuitos externos.
Los chips digitales mas pequeños contienen varios componentes sencillos como compuertas, inversores y flip-tops. los mas grandes contienen circuitos y sistemas completos como contadores, memorias, microprocesadores, etc. La mayoría de los circuitos integrados digitales vienen en presentación tipo dip (dual in-line package ) o de doble hilera. Los ci mas comunes tipo dip son los de 8,14,16,24, 40 y 64 pines.
En la cápsula trae impresa la información respecto al fabricante, la referencia del dispositivo y la fecha de fabricación.
Además del tipo dip, existen otras presentaciones comunes de los circuitos integrados digitales como la cápsula metálica, la plana y la " chip carrier". Existen circuitos integrados que utilizan cápsulas smt o de montaje superficial , smt son casi 4 veces mas pequeños que los dip .
La tecnología smt (surface-mount technology ) es la que ha permitido obtener calculadoras del tamaño de una tarjeta de crédito.
Historia de los Circuitos Integrados.
La introducción de los tubos de vacío a comienzos del siglo XX propició el rápido crecimiento de la electrónica moderna. Con estos dispositivos se hizo posible la manipulación de señales, algo que no podía realizarse en los antiguos circuitos telegráficos y telefónicos, ni con los primeros transmisores que utilizaban chispas de alta tensión para generar ondas de radio. Por ejemplo, con los tubos de vacío pudieron amplificarse las señales de radio y de sonido débiles, y además podían superponerse señales de sonido a las ondas de radio. El desarrollo de una amplia variedad de tubos, diseñados para funciones especializadas, posibilitó el rápido avance de la tecnología de comunicación radial antes de la II Guerra Mundial, y el desarrollo de las primeras computadoras, durante la guerra y poco después de ella.
Hoy día, el transistor, inventado en 1948, ha reemplazado casi completamente al tubo de vacío en la mayoría de sus aplicaciones. Al incorporar un conjunto de materiales semiconductores y contactos eléctricos, el transistor permite las mismas funciones que el tubo de vacío, pero con un costo, peso y potencia más bajos, y una mayor fiabilidad. Los progresos subsiguientes en la tecnología de semiconductores, atribuible en parte a la intensidad de las investigaciones asociadas con la iniciativa de exploración del espacio, llevó al desarrollo, en la década de 1970, del circuito integrado. Estos dispositivos pueden contener centenares de miles de transistores en un pequeño trozo de material, permitiendo la construcción de circuitos electrónicos complejos, como los de los microordenadores o microcomputadoras, equipos de sonido y vídeo, y satélites de comunicaciones.
El primer circuito Integrado fue creado por Jack Kilby en la empresa Texas Instruments en el año de 1959; poco mas de una década después de la invención del transistor en los laboratorios Bell en 1947.
A partir de 1966 los Circuitos Integrados comenzaron a fabricarse por millones y en la actualidad se considera una pieza esencial en los aparatos electrónicos.
ESTRUCTURA DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS
En este capitulo se dará a conocer la forma en que los circuitos integrados son fabricados, así como los materiales de los cuales están constituidos; también veremos la clasificación de dichos circuitos de acuerdo a su estructura y la clasificación de acuerdo a su función.
Como se fabrican los Circuitos Integrados.
Los Circuitos Integrados digitales disponibles se fabrican a partir de pastillas de silicio. el procesamiento del silicio para obtener CI o chips es relativamente complicado .
El silicio utilizado para la fabricación de chips es de una pureza de orden del 99.9999999% . una vez sintetizado, el silicio se funde en una atmósfera inerte y se cristaliza en forma de barras cilíndricas de hasta 10cm de diámetro y 1 m de largo .
Cada barra se corta en pastillas de 0.25 a 0.50 mm de espesor y las superficies de estas ultimas se pulen hasta quedar brillantes. dependiendo de su tamaño, se obtienen varios cientos de circuitos idénticos (chips) sobre ambas superficies mediante un proceso llamado planar, el mismo utilizado para producir transistores en masa..
Para fabricar un chip, las pastillas de silicio se procesan primero para hacer transistores. una pastilla de silicio por si misma es aislante y no conduce corriente. los transistores se crean agregando impurezas como fósforo o arsénico a determinadas regiones de la pastilla. las conexiones se realizan a través de líneas metálicas.
Cada rasgo de forma sobre la pastilla rociando en las regiones seleccionadas un químico protector sensible a la luz llamado photoresist, el cual forma una película muy delgada sobre la superficie de la pastilla. la pastilla es entonces bombardeada con luz, mediante un proyector deslizante muy preciso llamado alineador óptico.
El alineador posee un dispositivo muy pequeño llamado mascara, que evita que la luz incida sobre puntos específicos de la pastilla, cuando la luz alcanza un área determinada de la pastilla elimina el photoresist presente en esa zona. a este proceso se le denomina fotolitografía.
Mediante un proceso de revelado, el químico se deposita en las regiones descubiertas por la luz e ignora las encubiertas por la mascara. estas ultimas zonas aun permanecen recubiertas de " photoresist".
La precisión del alineador óptico determina que tan fino puede hacerse un rasto. A comienzos de los 70´s, era difícil hacer transistores de menos de 10 micras de tamaño. Ahora, los transistores alcanzan tamaños inferiores a una velocidad de respuesta de los dispositivos.
A continuación, la pastilla se calienta a altas temperaturas; esto origina que el silicio no procesado de la superficie se convierta en oxido de silicio (SiO2). El SiO2 se esparce sobre la superficie de la pastilla y forma sobre la misma una delgada película aislante de unas pocas micras de espesor.
De este modo se obtiene el primer nivel de metalización de chips. Para obtener una nueva capa de metalización, el SiO2 se trata nuevamente con "photoresist" y se expone al alineador óptico, repitiéndose el mismo procedimiento seguido con el silicio del primer nivel.
Las diferentes capas van creciendo una sobre otra formando una estructura parecida a un sandwich, con el SiO2 como el pan y el metal o el silicio dopado como la salchicha, la mayoría de Circuitos Integrados no se hacen con mas de tres capas de metalización.
De que están hechos los Circuitos Integrados.
Los Circuitos Integrados están hechos por silicio que sirve como base donde se fabrican transistores, diodos y resistencias. Los circuitos Integrados contienen cientos de estos componentes distribuidos de manera ordenada; esto se logra por medio de la técnica llamada fotolitografía la cual permite ordenar miles de componentes en una pequeña placa de silicio.
Clasificación de los Circuitos Integrados de acuerdo a su estructura.
La clasificación de los Circuitos Integrados de acuerdo a su estructura puede ser de acuerdo a la cantidad de compuertas utilizadas para implementar la función propia del chip (llamado Escalas de Integración) como sabemos, las compuertas son los bloques constructivos básicos de todos los circuitos digitales.
Las escalas de Integración son 4: SSI, MSI, LSI, VLSI; a continuación veremos cada una de ellas.
SSI.- Significa Small Scale Integration ( integración en pequeña escala)y comprende los chips que contienen menos de 13 compuertas. ejemplos: compuertas y flip flops. los Circuitos Integrados SSI se fabrican empleando tecnologías ttl, cmos y ecl. los primeros Circuitos Integrados eran SSI .
MSI.- Significan Medium Scale Integration ( integración en mediana escala), y comprende los chips que contienen de 13 a 100 compuertas . ejemplos: codificadores, registros, contadores , multiplexores, de codificadores y de multiplexores. los Circuitos Integrados MSI se fabrican empleando tecnologías ttl, cmos, y ecl.
LSI.- significa Large-Scale Integration ( integración en alta escala) y comprende los chips que contienen de 100 a 1000 compuertas. ejemplos: memorias, unidades aritméticas y lógicas (alu's), microprocesadores de 8 y 16 bits . los Circuitos Integrados LSI se fabrican principalmente empleando tecnologías i2l, nmos y pmos.
VLSI.- Significa Very Large Scale Integration ( integración en muy alta escala) y comprende los chips que contienen mas de 1000 compuertas ejemplos: micro-procesadores de 32 bits, micro-controladores, sistemas de adquisición de datos. los Circuitos Integrados VSLI se fabrican también empleando tecnologías ttl, cmos y pmos.
Clasificación de los circuitos Integrados de acuerdo a su función.
Los Circuitos Integrados se clasifican en CI analógicos, digitales, de interfase y de consumo. A continuación veremos cada uno de estos.
Circuitos Integrados Analógicos.
Los Circuitos Integrados analógicos se fabrican usado gran variedad de tecnologías de semiconductores, como bipolar, efecto de campo, óxidos metálicos y combinaciones de estas tres. En la mayoría de los casos el usuario no esta interesado en este aspecto de los Circuitos Integrados, ya que únicamente puede basar su trabajo en las especificaciones del fabricante. La tecnología empleada en la fabricación de los Circuitos Integrados digitales es importante para el usuario, debido a que estos se emplean en "familias lógicas", con características eléctricas comunes que garantizan su compatibilidad. Los Circuitos Integrados analógicos se seleccionan normalmente siguiendo criterios individuales, y solo es importante su compatibilidad con los requisitos de alimentación. Incluso en este aspecto, la mayoría de los Circuitos Integrados analógicos están disponibles con amplios márgenes de alimentación, por lo que su empleo no suele estar condicionado por su compatibilidad.
A continuación describiremos distintas clases de Circuitos Integrados analógicos:
2.2.2.1.1.- Amplificador Clase A (lineal)
En este amplificador, la señal de entrada es reproducida, aumentada en amplitud, exactamente con la misma forma de onda a la salida. Para ello, el punto de reposo (Q) se sitúa en el centro de la curva de corriente del colector (Ic), de forma que tanto la señal de entrada como la señal amplificada de salida trabajan solamente en la zona lineal de la misma. Ic es siempre saliente (fig.1) Los amplificadores Clase A se emplean siempre que la forma de onda de salida haya de ser la misma, con una distorsión mínima, que la de la señal de entrada. Los amplificadores operacionales y los amplificadores "de pequeña señal", como por ejemplo amplificadores de radio frecuencia, amplificadores de frecuencia intermedia, preamplificadores, etc., son básicamente amplificadores en Clase A.
'Circuitos integrados'
Figura 1.- Amplificador clase A
Amplificador Clase AB
En este tipo de amplificador el punto de trabajo (Q) se sitúa por debajo del punto central de la zona lineal de la curva Ic. Como resultado se ello se tiene que una mitad de la salida será una reproducción lineal de una mitad de la entrada, pero la segunda mitad de la salida estará parcialmente suprimida. Existen dos versiones Clase AB1 y Clase AB2. En Clase AB2 el punto Q esta muy cerca del punto de corte; en Clase AB1 este se sitúa aproximadamente un 20% o 30% por encima del punto de corte. Ambas versiones de usan en circuitos push-pull minimizándose la distorsión de cruce mediante, compensación mutua. Los amplificadores Clase AB1 y AB2 son ampliamente utilizados en la excitación de altavoces y motores de servomecanismos, aplicaciones en las que se requiere una amplificación sinusoidal lineal con potencias moderadas.
Amplificador Clase B
En este tipo de amplificador, el punto de trabajo (Q) se sitúa exactamente en el punto de corte de la curva del circuito integrado, teniendo esto como resultado la amplificación de solo medio ciclo de la señal sinusoidal de entrada. Los amplificadores Clase B son sistemáticamente empleados en configuraciones complementarias push-pull. En esta configuración, uno de los amplificadores trabaja sobre los semiciclos positivos de la señal de entrada, mientras que el otro lo hace sobre el semiciclo negativo de la señal sinusoidal de entrada. Ampliamente utilizado como amplificadores de audio, amplificadores para servomecanismos y aplicaciones similares en las que es esencial una alta linealidad en la seña sinusoidal de salida, los amplificadores en Clase B gozan de una excelente eficiencia y un buen comportamiento en lo relativo a la presencia de armónicos de segundo y tercer orden. Aparece cierta distorsión en el punto de cruce debido a la ligera alinealidad de la curva Ic en este punto. El componente representativo de estos amplificadores es ek Fairchild TBA 810S.
Amplificador Clase C.
En los amplificadores Clase C, el punto de trabajo (Q) se sitúa al doble del punto de corte de la curva Ic . Solo una mitad de un semiciclo de señal sinusoidal es amplificada a la salida. Los amplificadores Clase C son utilizados usualmente en osciladores de radio frecuencia y, en algunos casos en transmisores de radio frecuencia. En estas aplicaciones el efecto del circuito resonante proporciona la otra mitad del ciclo. Alta eficiencia es la característica esencial para los amplificadores Clase C en circuitos de radio frecuencia adecuadamente diseñados y ajustados.
Los parámetros fundamentales son:
a) Ganancia. En la mayoría de las aplicaciones, una ganancia en tensión de 20 es adecuada.
b) Frecuencia. Para aplicaciones como osciladores o amplificadores la salida de transmisores RF, el límite de frecuencia del dispositivo deberá estar situado al menos un 10% por encima de la frecuencia de resonancia esperada.
c) Potencia de salida. La potencia de salida puede variar en función con la frecuencia de trabajo, pero es un criterio básico de diseño.
d) Disipación de potencia. Los amplificadores en Clase C trabajan normalmente cerca de sus límites especificados para la disipación de potencia, por lo que resulta critico el acoplo mecánico de sus características técnicas.
Amplificador de corriente (seguidor lineal).
Los amplificadores de corriente son básicamente amplificadores Clase A que tienen usualmente una ganancia en tensión de 1 y funcionan efectivamente como en transformadores de impedancias*. Su característica principal es su capacidad de manejar importantes corrientes de salida. Algunas veces se denominan seguidores lineales por similitud con los circuitos seguidores de emisor con transistores. Los amplificadores de corriente son frecuentemente utilizados, conjuntamente con amplificadores operacionales, dentro del lazo de realimentación para proporcionar una corriente de salida adicional.
Amplificador diferencial.
Los amplificadores diferenciales tienen dos terminales de entrada, aislados ambos respecto de masa a través de la misma impedancia como se muestra en la figura 2. Básicamente similar a los amplificadores de tensión Clase A, el amplificador diferencial amplifica solamente la diferencia de tensión entre sus dos terminales de entrada. Las señales que aparecen en ambos terminales no son amplificadas, permitiendo el amplificador diferencial extraer pequeñas señales en presencia de fuertes interferencias electromagnéticas. Esta capacidad de rechazar señales comunes a ambos terminales de entrada se especifica en la relación de rechazo al modo común. El componente representativo es el Sprague ULN-2047.
'Circuitos integrados'
Figura 2.- Amplificador Diferencial
Amplificador de aislamiento.
Consistente en varias etapas de amplificación, el amplificador de entrada está, bien eléctricamente bien ópticamente aislado de la salida (fig.3). El amplificador de entrada es usualmente de tipo diferencial, modulándose en radio frecuencia su salida, que se lleva a través de un transformador de RF hasta la segunda etapa, en la que se demodula y filtra. La fuente de alimentación para la sección del amplificador de entrada también debe estar aislada de forma que no exista conexión en bajas frecuencias o en continua entre las secciones de entada y salida del amplificador . El funcionamiento de los amplificadores por aislamiento óptico es similar, sustituyéndose en transformador de RF por un opto-acoplador. Los amplificadores de aislamiento están generalmente encapsulados en una unidad y se emplean en aquellas aplicaciones que requieren muy bajos niveles de conducta en continúa o a través de alimentación. Los amplificadores de aislamiento siempre requieren fuentes de alimentación aisladas así como cables convenientemente aislados entre la fuente alimentación y el amplificador. En algunos casos se emplean baterías para evadir el problema de aislamiento de la fuente de alimentación. El componente representativo es el Analog Devices AD293.
'Circuitos integrados'
Circuitos Integrados de Consumo
Los circuitos integrados englobados en esta categoría son aquellos que ofrecen los fabricantes para uso en equipos clasificados como de <>. Obviamente, los CI utilizados en los relojes de pulsera, detectores de humos, televisores y calculadoras quedan dentro de esta categoría. Los circuitos integrados utilizados en temporizadores de electrodomésticos son los mismos que los empleados en los relojes industriales, y el microprocesador empleado para el control de un horno de microondas o un juego electrónico también estará englobado como CI de consumo. Este problema de clasificación viene marcado por el hecho de que para cualquier función dada, como por ejemplo el CI de un reloj, de una calculadora o un CI para un juego electrónico, hay muchos modelos diferentes, algunos vendidos únicamente al fabricante del producto de consumo y otros disponibles para los distribuidores de electrónica. Algunos de estos CI son tan exclusivos que ni siquiera se han publicado nunca las especificaciones y algunos otros han sido desarrollados en exclusividad para una calculadora, reloj o juego. Los circuitos integrados diseñados para las cámaras automáticas, por ejemplo, parecen pertenecer mayoritariamente a esta categoría.
Solo unos cuantos fabricantes publican los datos de sus circuitos integrados personalizados y solo para unos pocos tipos. La inmensa mayoría de los circuitos integrados utilizados en el mercado de gran consumo son aparentemente diseños personalizados y en el caso de necesidad de repuestos solo el fabricante original del equipo los tiene en stock.
Los CI de consumo son prácticamente siempre circuitos de gran escala de integración y contienen frecuentemente tanto los circuitos analógicos como digitales. En esta sección se relacionaran los circuitos integrados de consumo conforme a los equipos de consumo en que se emplean. Cada uno de ellos es un ejemplo representativo tato aquellos de carácter estándar como de los diseños personalizado que realizan una función determinada. En los casos en que su función se combina con otras, pueden encontrarse diferencias en cuanto a sus características u otras diferencias mínimas, pero la funcionalidad esencial aquí descrita es la propia de cada tipo de circuito integrado.
CIRCUITO DE ALARMA
Este circuito proporciona todas las funciones necesarias para alarmas antirrobo, de temperatura, de humedad y para otros tipos de sistemas de seguridad. Se incluyen entradas positivas como negativas junto a una señal de supresión de ruido como se muestra en la figura 4. Una de las características de este CI es su capacidad para detectar la descarga de la batería. La corriente de salida puede ajustarse para la excitación de bocinas altavoces o cualquier otro tipo de indicador sonoro o visual. Dispone de entradas separadas para los interruptores de conexión y desconexión de alarma. Estos interruptores generalmente trabajan alimentados a baterías, los requerimientos de consumo de este tipo de circuito integrado deberán ser mínimos posibles.
Figura 4.-Circuito de Alarma
Los parámetros fundamentales son:
a) Consumo de corriente en reposo. Es la máxima corriente consumida cuando no se produce una señal de alarma. Entre 5 y 7 micro amperes es un valor típico.
b) Consumo de corriente en funcionamiento. Es la máxima corriente consumida por el CI cuando se produce la alarma. Valores típicos desde 5 a 15 mA.
c) Umbral de la tensión de entrada. Es el nivel de la señal de entrada tanto negativa como positiva que disparara la alarma. Valores típicos desde 3,0 a 3,4 V.
d) Umbral de detección de batería descargada. Es la tensión a la cual la alarma por batería baja comenzara para indicar ese hecho. Valores típicos entre 1,7 y 2,0 V.
e) Corriente máxima de salida. La corriente máxima en este tipo de CI es ajustable para asegurar la interconexión correcta con circuitos lógicos o indicadores externos. La corriente máxima de salida típica es de 15mA.
El Componente representativo de este tipo de circuitos es el AMI S2561.
AMPLIFICADOR DE POTENCIA DE AUDIO
Estos dispositivos son amplificadores de potencia de baja frecuencia (generalmente desde 40Hz a 20.000Hz). internamente están diseñados como amplificadores de potencia en clase B y ofrecen una ganancia de potencia razonable (entre 5 y 10 W típicamente), así como bajos niveles de distorsión. Para manejar las potencias digitales, la mayoría de los integrados poseen varios terminales planos y grandes que se conectan a masa y actúan como radiadores térmicos. Estos integrados ofrecen además funciones adicionales, como por ejemplo shut-down térmico, protección contra sobre tensiones y compensaciones en frecuencia. La salida esta diseñada para trabajar sobre bajas impedancias (un altavoz de 4 ohmios es típico).
Parámetros fundamentales
a) Potencia de salida. Es la potencia de salida especificada del dispositivo. La potencia se da para una carga y frecuencia especificada. La potencia de salida disminuye al hacerlo la tensión fuente.
b) Distorsión armónica total. La distorsión armónica total es la distorsión causada por el funcionamiento alineal del amplificador. Este parámetro se expresa como un porcentaje de la salida total, siendo el 0,3 % el valor normal.
c) Consideraciones térmicas. Desde el momento que estos dispositivos están diseñados para la entrega de una potencia significativa a la carga, los efectos del calor producido por el integrado son un criterio primario para la construcción y funcionamiento de los circuitos integrados situados en la alrededores del amplificador de potencia. Los puntos de atención prioritaria incluyen los detalles físicos del montaje y los datos de potencia térmica. Los terminales anchos del integrado se emplean para la conducción del calor fuera del integrado y serán muy eficaces si se utilizan con propiedad. El fabricante entrega generalmente información mostrando la disipación de potencia frente a la temperatura indican como debe reducirse la disipación de potencia al aumentar la temperatura ambiente. La disipación de potencia especificada para un integrado lo es para temperatura ambiente (25 grados Celsius).
SISTEMA DE RADIO AM/FM
Un integrado de este tipo combina la mayoría de los circuitos necesarios para un sistema completo de recepción de radio AM/FM. Los bloques internos que contiene el citado sistema incluyen un amplificador de potencia, un conversor AM (mezclador y oscilador local), la etapa de FI de AM, el detector, la etapa de FI de FM y el detector de FM. Son necesarios componentes externos tales como resistencias, bobinas y resistencias para hacer completamente funcional el receptor. Estos componentes externos determinan algunas de las características funcionales del sistema, como pueden ser el ancho de banda y la ganancia. Además, los componentes externos son necesarios para construir los circuitos tanque necesarios para la sintonía de las etapas de FI. Funciones que pueden también estar incluidas en el integrado son la fuente de alimentación regulada, el medidor de salida y el silenciamiento de audio.
Los parámetros fundamentales son:
a) Margen de tensiones de alimentación del funcionamiento. Especifica el margen de tensiones posibles de alimentación. Un amplio margen permite su uso en equipos portátiles con las baterías descargadas. Un típico margen de tensiones de alimentación cubre desde 4 a 15 V.
b) Disipación del encapsulado. Esta es la especificación a temperatura ambiente de la disipación de potencia. Un valor no muy inusual con el amplificador de potencia incluido es 1,6 W.
c) Potencia de salida. La potencia típica de salida sobre 8 ohmios a 1 kHz es de 325 mW, con una distorsión armónica igual al 10%.
El componente representativo es el National Semiconductor EM1868.
SISTEMA DE RECEPCIÓN AM
Como muestra en la figura siguiente (fig. 5), todos los componentes activos de un receptor de AM típico están integrados en un solo CI. Solamente las redes de resonancia tienen que disponerse en el exterior. Este circuito integrado incluye el conversor de RF, el amplificador de FI, el detector y el circuito de control automático de ganancia (AGC), el diodo regulador zener integrado y la etapa de preamplificación de audio. En algunos sistemas de recepción integrados de AM se incluyen también el amplificador de RF, excluyéndose el medidor de sintonía o el preamplificador de audio.
Los parámetros fundamentales son:
a) Sensibilidad. Es la sensibilidad total del receptor, basada en una selección particular de bobinas de RF Y FI, usualmente a 1 MHz, con ondulación AM del 30%, a una frecuencia de audio de 400Hz y para un nivel de salida especificado. Una sensibilidad típica para un nivel de salida de 10 mV podría ser de 10 microV.
b) Relación señal de ruido. Medida en las mismas condiciones que para el parámetro (a) anterior; un valor típico seria 4,5dB.
c) Disipación máxima de potencia. Medida generalmente a temperatura ambiente. Un sistema de recepción AM integrado puede disipar típicamente 600 mV.
Figura 5.- Sistema de Recepción AM
El componente representativo es el National Semiconductor LM3820.
Temporizador de control para electrodomésticos
Aunque los temporizadores de control difieren en su flexibilidad de aplicación, el temporizador típico, como el circuito integrado mostrado en la figura siguiente (fig. 6), puede emplearse con líneas tanto de 50 como de 60 Hz trabajando tanto sobre una base horaria de doce como de veinticuatro horas. Si se emplea una línea de alimentación, es necesario disponer de una entrada de reloj externo. Los terminales de control externo se emplean para inicializar los minutos y horas y poner en marcha o detener el temporizador. Existe además un control de <>, que provocara el retorno del temporizador a su hora original; un control de <>, que permitirá al temporizador la repetición de la operación tantas veces como este control se active, y un control de <>, que cancelara la alarma.
Los parámetros fundamentales son:
a) Niveles de control. Son los niveles para los estados lógicos 0 y 1 necesarios en cualquiera de las entradas y salidas de control. Valores típicos son + 0,3 V para el nivel lógico 0 y -6 V para el nivel lógico 1. esto se basa en una tensión de alimentación de -12V.
b) Nivel de salida para el visualizador. Son los niveles de tensión necesarios para conectar o desconectar el visualizador de segmentos. Depende del tipo de visualizador empleado, estando los valores típicos en el margen de 0 a +5V para LED y entre -2 y 0 V para visualizadores flouresentes.
c) Potencia máxima disipada. Dependiendo de la familia lógica, los calores típicos están en torno a 100 mW.
Figura 6.- Temporizador de Control
Procesador de recuccion de ruido dolby
Este circuito integrado ha sido diseñado específicamente para llevar a cabo la reducción de ruido según la norma Dolby-B para monocanales de audio. Además de un regulador interno de alimentación. Contiene un conjunto de amplificadores y precisa de algunas redes RC externas. Una de estas redes, que contiene cinco condensadores y tres resistencias, se conecta a cuatro terminales externos, mientras que la segunda, que constituye la vía de realimentación, esta formada por tres resistencias y tres condenadores trabajando conjuntamente con un circuito rectificador interno. Estas redes RC están detalladamente especificadas por el fabricante para garantizar la obtención del sistema de reducción de ruido Dolby-B deseado.
Los parámetros fundamentales son:
a) Distorsión. La máxima distorsión provocada por este CI esta especificada en un 0,05% para 1 kHz y un nivel de entrada de 0 dB, pasando a ser de un 0,1% para 10kHz y 10 dB de un nivel de entrada.
b) Margen dinámico de señal. Determina el margen de entrada de la señal para obtener una distorsión del 0,3% a 1 kHz. Un valor típico serian 14 dB.
c) Relación señal/ruido. En el modo de codificación, un valor típico es de 70 dB, pasando a 80 dB cuando esta en el modo de decodificación.
d) Resistencia de entrada. Valor típico 65 kiloohmios.
e) Resistencia de salida. Valores típicos desde 80 a 100 ohmios.
El componente representativo es el Fairchild uA 7300.
Calculadora de cinco funciones
Este circuito integrado lleva acabo las cuatro funciones básicas de calculo, así como el cargo y descargo de porcentajes. Funciona con un teclado simple que consta de las teclas C-CE, las diez teclas numéricas y las seis teclas de función mas el punto decimal. Es el típico de las calculadoras de bolsillo económicas y contiene todas las funciones lógicas y de memoria en un único integrado de 28 terminales. En muchas calculadoras avanzadas se emplean muchos otros circuitos integrados mas complejos que proporcionan mas de ocho dígitos en visualizador, mas funciones que las cinco básicas y cierta cantidad limitada de memoria, pero sus características básicas son las mismas.
Como se muestra en la figura siguiente, las nueve conexiones para los dígitos están compartidas entre el teclado y el visualizador. Tres líneas procedentes del teclado indican al integrado que columna de teclas ha sido pulsada. Combinándose esta información con la de digito. Cuando se pulsa una tecla del teclado, el mismo conjunto de nueve líneas valida uno de los ocho dígitos del visualizador, iluminándose l digito de siete segmentos correspondiente. El resto de entradas son el oscilador externo y la señal de validación del oscilador.
Los parámetros fundamentales son:
a) Tensión de alimentación. Depende del tipo de visualizador para el que se ha diseñado el circuito integrado. Para visualizadores fluorescentes, la tensión típica es de -15V, siendo de -7,5V para tipos con visualizador de diodos electro luminiscentes.
b) Niveles de entrada. Para circuitos integrados de -15 V, el margen del nivel lógico 1 va desde -15 hasta -6 V, y para el nivel lógico 0 desde -1,5 a 0 V. Para circuitos integrados alimentados a -7,5 V, el nivel lógico 0 ca desde -0,5 a 0 V.
c) Resistencia de entrada del teclado. El valor típico es de 1.000 ohmios para todo tipo de calculadoras.
d) Consumo en reposo. Es la potencia consumida por el CI cuando todos los dígitos del visualizador están apagados. Para CI de -15 V, el valor típico es de 75 uW para los alimentados a -7,5 mW.
e) Potencia disipada máxima. A temperatura ambiente + 25 grados Celsius, la potencia máxima en cualquier tipo de calculadora puede disipar es de 500 mW.
El componente representativo es el Texas Instruments TMS1018.
Circuitos de reloj
Este circuito integrado proporciona todas las funciones necesarias en un reloj electrónico alimentado tanto desde la red AC como desde la bateria de un automóvil, barco o avión. Dependiendo de la aplicación, puede funcionar a partir de un cristal de sintonía de color de TV de 3,58 MHz o de los 60Hz de la línea de alimentación. Estas señales se emplean en la cuanta de minutos, decenas de minutos y horas del visualizador. Se dispone de una salida de 3,75 Hz para el parpadeo de gigitos específicos o de mensajes. En este circuito integrado se han dispuesto salidas independientes para los excitadores de segmentos del visualizador LED o indicadores numéricos fluorescentes. Solo son necesarias tres entradas de control. La entrada de <> permite seleccionar cualquier digito en particular, bien sea el de horas, decenas de minutos o minutos, o la puesta en marcha de reloj. Una vez seleccionado el estado deseado, puede incrementarse el digito proporcionado un impulso mediante el cierre del pulsador. La entrada de <> provoca el retorno a 1:00 del reloj.
Los parámetros fundamentales son:
a) Tensión de alimentación. Una tensión nominal de +5 es un valor típico.
b) Niveles de control lógico. Para el nivel 1, entre 2,0 y 5,0 V es un margen típico. Para el nivel 0, el margen típico suele ir desde 0 a 0,3 V.
c) Potencia máxima disipada. Se disipan aproximadamente 500mW cuando están iluminados todos los segmentos.
El componente representativo es el Intersil ICM7223.
Generador de sonidos múltiples
Los generadores de sonidos múltiples combinan ruido generado internamente y tonos para producir efectos sonoros especiales. El integrado contiene diversos tipos de osciladores que se seleccionan y controlan desde terminales externos como se muestra en la figura 7. A través de estas terminales y bajo control de señales digitales, se pueden seleccionar diferentes combinaciones de señales de salida procedentes de osciladores controlados por tensión (VCO), osciladores de súper baja frecuencia (SLF) y generadores de ruido que se mezclaran entre si. Las frecuencias de los osciladores se determinan por los valores de resistencias y condensadores conectados en terminales al efecto. El sonido resultante puede simular el de trenes de vapor, pistolas y otros sonidos propios de juegos.
Los parámetros fundamentales son:
a) Corriente de alimentación. Para Vcc igual a 9 V, 19 mA es un valor típico.
b) Potencia del amplificador de audio. Estos circuitos pueden incluir un pequeño amplificador integrado para trabajar sobre carga de 8 0hmios. La potencia de salida es de 125 mW.
Figura 7.- Generador de Sonidos Múltiples
El componente representativo es el Texas Instruments SN94281.
Circuitos Integrados Digitales.
Los circuitos Digitales trabajan con señales que solo pueden tomar uno de dos valores posibles. Inicialmente, en circuitos digitales discretos con transistores, este tomaba o bien el estado de corte, en el que la tensión de salida de colector era próxima a la de alimentación, o el de saturación, en el que dicha tensión de colector pasaba a tener un nivel próximo al del emisor, usualmente tierra. En sistemas de lógica positiva, el nivel próximo a tierra se considera el nivel lógico (0), y el nivel próximo a la tensión de alimentación se considera como nivel lógico (1). Consideraciones inversas se hacen por sistemas de lógica negativa. En las próximas explicaciones y ejemplos se utiliza la lógica positiva, y el termino nivel lógico (1) hará referencia al nivel de tensión alto, mientras que el termino nivel (0) lo hará el nivel de tensión bajo.
Las funciones digitales esenciales de todos los CI digitales son iguales independientemente de la familia de que se trate. Una puerta OR, un flip-flop o un registro de desplazamiento funcionan exactamente de la misma forma tanto si el CI pertenece a la familia ECL o se ha empleado tecnología CMOS en su fabricación.
Microcomputador de 8 bits.
El microcomputador que se muestra en la figura 8. Constituye un sistema computador completo integrado en un único dispositivo. Contiene una memoria ROM/EPROM, una RAM y un microprocesador, que a su vez incluye el controlador, el programa de control, la ALU y algunos registros. El uso de un microcomputador de 8 bits en lugar de uno de 4 permite escribir el programa de control con el uso de un número menor de instrucciones. Además, un microcomputador integrado de 8 bits permite procesar números más grandes. Una vez escrito y depurado el programa de control se programa en la ROM o en la EPROM. Si se utiliza un microcomputador integrado con ROM, esta programación debe efectuarla el fabricante del CI. Si se emplea una EPROM, la programación puede hacerla el usuario con el dispositivo al efecto. La decisión relativa a que tipo emplear se basa en criterios de velocidad, costo, flexibilidad, etc.
'Circuitos integrados'
Figura 8 .-Microcomputador de 8 bits.
Microprocesador de 32 BITS
La potencia de procesamiento que puede obtenerse de un microprocesador de 32 bits es muy similar a la de los grandes ordenadores. Estos integrados están diseñados para obtener altas prestaciones y su uso en entornos operativos multitarea. El funcionamiento de un microprocesador de 32 bits es demasiado complejo como para presentarlo aquí. Si desea saber mas deberá dirigirse a los catálogos de datos del fabricante. El componente representativo es el Intel 80386.
Microprocesador de 16 BITS.
El microprocesador que se muestra en la figura 9 es similar en cuanto a su estructura a los de 4 u 8 bits, pero existen algunas diferencias:
a) Pueden manipularse números mayores en un único ciclo de instrucción. Pueden procesarse valores numéricos de hasta 65 000 en un ciclo de suma, mientras que un microprocesador de 8 bits tiene limitados sus valores numéricos en un máximo de 256 un un ciclo de suma.
b) La mayoría de las instrucciones precisan de ciclos de búsqueda, pero en un MP de 8 bits son necesarios dos ciclos de búsqueda para leer una instrucción de 16 bits.
c) En los microprocesadores de 16 bits se utilizan las más recientes técnicas de diseño digital, como por ejemplo operaciones memoria a memoria, cola de instrucciones, permitiendo así una ejecución más rápida de los programas.
'Circuitos integrados'
Figura 9 .-Microprocesador de 16 bits.
Circuitos Integrados de Interfase
Algunos textos consideran a los excitadores y receptores de línea, integrados empleados en aplicaciones de interconexión a través de buses, como dispositivos de interfase. Estos circuitos integrados se utilizan en general como parte de un controlador digital u ordenador, o bien de un periférico. El termino Interfase se refiere a que estos circuitos sirven de enlace entre otros componentes de un sistema.
Conversor Analógico-Digital.
Existen en el mercado un gran numero de conversores analógicos-digitales (ADC) específicos para un gran variedad de aplicaciones. Prácticamente todos ellos trabajan en base a uno de los principios que se describirán a continuación, y si bien muchos están disponibles como circuitos integrados monolíticos, frecuentemente se utilizan módulos híbridos para aplicaciones de propósito especial de alta precisión.
El método de conversión por comparación se ilustra en la fig.10. El diagrama de bloques muestra un contador que ataca a una red resistiva en escalera. Obsérvese que la relación entre los valores resistivos en esta red sigue una secuencia de tipo binaria. La señal en escalera que demuestra la figura11 ilustra la comparación entre la señal analógica de entrada y la señal de salida generada a partir del contador en la red resistiva en escalera. Mientras la señal de entrada sea superior al nivel de la señal en escalera, los pulsos de salida, correspondientes a los pulsos de entrada de reloj, pasan a través de los comparadores 1 y 2 y de las puertas NAND hacia el terminal de salida digital serie.
'Circuitos integrados'
Figura 10.- Diagrama de bloques de un conversor A/D por aproximaciones
En numero de pulsos de salida representa, pues, el nivel de tensión de señal de entrada lógica. La mayoría de los conversores A/D por comparaciones poseen una circuitería más sofisticada que la mostrada en la figura 11.
'Circuitos integrados'
Figura 11.- Señal en escalera.
El segundo método de conversión analógico digital utiliza una rampa lineal para relacionar la tensión de entrada de la señal analógica con intervalos de tiempo. Como muestra el esquema de bloques del conversor de doble rampa de la figura 12. Para la generación de esta rampa se utiliza un integrador.
'Circuitos integrados'
En el método de comparación, la exactitud del sistema viene limitada por el número de bits del contador y la exactitud de las referencias de tensión (fig. 13). En el conversor por integración, la precisión está limitada por la precisión de la tensión de referencia y la frecuencia de la señal interna de reloj.
Figura 12.- Esquema de bloques de un conversor A/D de doble rampa.
'Circuitos integrados'
Figura 13.- Señales de doble rampa
FUNCIONES DE LOS CIRCUITOS INTEGADOS
Las funciones de los circuitos integrados son muy variadas; ya que son utilizados en la mayoría de los aparatos electrónicos que existen y estas pueden variar mucho de acuerdo con la finalidad con la que fueron creados dichos circuitos. A continuación se presentaran algunos de los usos de los circuitos integrados.
El uso de los Circuitos Integrados.
Los Circuitos Integrados tienen una infinidad de usos; sin embargo veremos los usos de los Circuitos Integrados que hemos explicado anteriormente.
Los Amplificadores en Clase A se utilizan como amplificadores de bajo nivel en circuitos de audio, en las etapas de radiofrecuencia y de frecuencia intermedia de receptores de todo tipo y en las etapas de video de receptores de televisión y monitores. Los Amplificadores Clase C se encuentran usualmente en osciladores a frecuencias superiores a los 100 kHz. Los Amplificadores de corriente se emplean como excitadores de cables coaxiales, servomotores, registradores de precisión y transformadores elevadores de alta tensión, siendo también útiles como amplificadores de salida de audio y en circuitos reguladores de fuentes de alimentación. Los Amplificadores lineales son empleados en todo tipo de amplificadores para cabezas de registro magnético, en gran cantidad de instrumentación industrial, laboratorios científicos y aplicaciones médicas donde deben amplificarse pequeñas señales en presencia de interferencias externas. Los Amplificadores de Aislamiento son utilizados como amplificadores de entrada en electrocardiogramas, electroencefalogramas y cualquier otra monitorización fisiológica. Los amplificadores de aislamiento son utilizados también en la instrumentación de las plantas de energía nuclear y en el control de procesos industriales, en cualquier punto donde exista un problema de seguridad eléctrica.
Entre los circuitos integrados de consumo que explicamos anteriormente se encuentran los circuitos de alarma que pueden utilizarse en diversos sistemas de seguridad y en otros sistemas donde deben monitorizarse continuamente diversos parámetros físicos, como por ejemplo temperatura, flujo de aire, presión, iluminación, etc. Un cambio sustancial en el parámetro analógico externo que esta siendo monitorizado activara el dispositivo de alarma. Debido al sistema de detección de descarga de la bateria, este circuito es especialmente útil en aplicaciones alimentadas a baterías. El Amplificador de potencia de audio se usan en auto-radios, equipos domésticos de audio económicos y parte de la sección de audio de receptores de televisión.
Los Sistemas de Radio AM/FM se emplea como receptor en radios portátiles de FM y AM de baja potencia, autoradios y otros tipos similares.
El sistema de recepción AM se emplea típicamente en receptores miniatura y subminiatura de AM de radiodifusión, del tiempo y de otros tipos. El temporizador de control para electrodomésticos puede encontrarse en hornos de microondas, videos, cocinas eléctricas, lavadoras, etc. El procesador de recucción de ruido dolby se usa en todo tipo de sistemas de audio HI-FI, dispositivos de grabación, receptores FM, etc., donde se desee disponer del sistema de reducción de ruido Dolby.
El circuito de reloj se emplea en relojes de todo tipo. El generador de sonidos múltiples se emplean para producir sonido en video-juegos, alarmas, muñecas e indicadores de control.
Entre los circuitos digitales que vimos anteriormente se encuentra el microcomputador de 8 bits; este al igual que los microprocesadores de 4, 8 y 16 bits, y los microcomputadores de 4 bits, estos de 8 bits pueden emplearse en hornos microondas, juegos de televisión, calculadoras, etc.
Los Microprocesadores de 32 bits se emplean en el diseño de ordenadores con altas prestaciones y en sistemas controlados por ordenador. Los Microprocesador de 16 bits poseen unas prestaciones operativas superiores a las de los 4 y 8 bits. Sus actuales aplicaciones cubren los juegos de TV, sistemas de control de acondicionadores, aplicaciones de control de procesos, ordenadores personales y de pequeños ordenadores de gestión.
Unos de los Circuitos Integrados de Interfase que explicamos anteriormente son los conversores analógico-digitales; los cuales se usan en instrumentación, telemetría, utillaje controlado por ordenador y otros sistemas en los que una señal analógica de entrada debe emplearse en un dispositivo digital. La mayoría de las magnitudes físicas como temperatura, presión, iluminación, radiación, etc., pueden medirse mediante su conversión a señales eléctricas analógicas y posteriormente en valores digitales para su uso en procesos digitales.
Ramas que abarca el uso de los Circuitos Integrados.
Los Circuitos Integrados actualmente son utilizados en casi todas las ramas como son la medicina, la industria, el comercio, etc. A diferencia de cuando surgieron; ya que eran utilizados principalmente en la astronáutica y en el ejercito.
Funciones principales de los Circuitos Integrados.
Las funciones principales de los circuitos integrados son mejorar las funciones de los aparatos tanto electrónicos como electrodomésticos; así como reducir el tamaño, complejidad y por lo tanto el costo también disminuye.
CONCLUSIONES
Como Conclusión podemos mencionar que los Circuitos Integrados son pequeños circuitos electrónicos que han ido evolucionando con el paso del tiempo; ya que su funciones han crecido y su tamaño a disminuido considerablemente; la llamada "Miniaturización".
Estos circuitos están formados por una delgada oblea de silicio sobre la cual se fabrican los transistores; la técnica llamada fotolitografía ha permitido a los diseñadores crear centenares de miles de transistores en un solo chip situando de forma adecuada las numerosas regiones tipo n y p.
Durante la fabricación, estas regiones son interconectadas mediante conductores minúsculos, a fin de producir circuitos especializados complejos. Estos circuitos integrados son llamados monolíticos por estar fabricados sobre un único cristal de silicio. Los chips requieren mucho menos espacio y potencia, y su fabricación es más barata que la de un circuito equivalente compuesto por transistores individuales.
En la actualidad, los pasos para fabricar un circuito integrado han cambiado, ya que han surgido nuevas industrias que han asumido la responsabilidad de introducir los últimos avances tecnológicos en el equipo de procesamiento. El resultado es que el fabricante puede concentrarse en el diseño, el control de calidad, en el mejoramiento de las características de funcionamiento y confiabilidad y en una todavía mayor miniaturización haciendo de esta forma a los circuitos integrados cada vez mas confiables y con una menor complejidad física y por lo tanto un menor costo.
Los circuitos integrados han hecho posible el desarrollo de muchos nuevos productos, como computadoras y calculadoras personales, relojes digitales y videojuegos. Se han utilizado también para mejorar y rebajar el costo de muchos productos existentes, como los televisores, los receptores de radio y los equipos de alta fidelidad.
El desarrollo de los circuitos integrados ha revolucionado los campos de las comunicaciones, la gestión de la información y la informática. Los circuitos integrados han permitido reducir el tamaño de los dispositivos con el consiguiente descenso de los costes de fabricación y de mantenimiento de los sistemas. Al mismo tiempo, ofrecen mayor velocidad y fiabilidad. Los relojes digitales, las computadoras portátiles y los juegos electrónicos son sistemas basados en microprocesadores.
Tirso G. Ramirez S.
C.I.: 18392099
Obtenido de:
http://html.rincondelvago.com/circuitos-integrados_2.html
