Was ist eine digital integrierte Schaltung?

In der schnellen Welt der modernen Elektronik,Digital integrierte Schaltkreise (ICs)sind die unbesungenen Helden, die alles von unseren Smartphones und Laptops bis hin zu komplexen Supercomputern und industriellen Kontrollsystemen anführen. Aber was genau ist eine digital integrierte Schaltung?

Eine digital integrierte Schaltung, auch als logisch integrierte Schaltung bezeichnet, ist eine elektronische Schaltung, die digitale Signale verarbeitet und manipuliert. Es basiert auf den Prinzipien der digitalen Logik, die Binärnummern (0s und 1s) verwendet, um Informationen darzustellen. Diese Schaltungen werden auf einem einzelnen Halbleitersubstrat hergestellt, das typischerweise aus Silizium besteht, und enthalten eine große Anzahl miteinander verbundener elektronischer Komponenten wie Transistoren, Widerstände, Kondensatoren und Dioden.

Logische Funktion digital integrierter Schaltungen

Digitale Logikkreisekann in zwei Kategorien unterteilt werden: Kombinationslogische Schaltungen und sequentielle Logikschaltungen. In einer Kombinationslogikschaltung hängt der Ausgang zu jedem Zeitpunkt ausschließlich von der Eingabe in diesem Moment und nicht vom vorherigen Arbeitszustand der Schaltung ab. Zu den am häufigsten verwendeten Kombinationslogikschaltungen gehören unter anderem Encoder, Decoder, Datenauswahl, Demultiplexer, numerische Komparatoren, vollständige Addierer und Paritätsprüfer.

Abbildung 1. Kombinationslogikkreislauf

In einer sequentiellen Logikschaltung hängt der Ausgang zu jedem Zeitpunkt nicht nur von der Eingabe in diesem Moment, sondern auch von dem ursprünglichen Zustand der Schaltung ab. Daher müssen sequentielle Logikschaltungen eine Speicherfunktion haben und Speichereinheitsschaltungen enthalten. Register, Schichtregister und Zähler sind die am häufigsten verwendeten sequentiellen Logikschaltungen.

Abbildung 2. Sequentielle Logikschaltung

Für die verschiedenen Anwendungen dieser beiden Arten von Logikkreisen gibt es standardisierte und serialisierte integrierte Schaltungsprodukte, die normalerweise als allgemeine integrierte Schaltkreise bezeichnet werden. Entsprechend werden die für bestimmten Zwecke entworfenen und hergestellten integrierten Schaltungen als anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs) bezeichnet.

Internes Design digital integrierter Schaltungen

Eine digitale Schaltungbesteht aus Kombinationslogik und Registern (Flip-Flops). Die Kombinationslogik, eine Funktion, die aus grundlegenden Gate -Schaltungen besteht, hat Ausgänge, die ausschließlich von den aktuellen Eingängen abhängen. Das erste Diagramm in Abbildung 3 zeigt die Kombinationslogik, die nur logische Operationen ausführt. Im Gegensatz dazu enthält eine sequentielle Schaltung nicht nur grundlegende Gate -Schaltungen, sondern auch Speicherelemente, mit denen frühere Informationen aufbewahrt werden. Die stationäre Ausgabe einer sequentiellen Schaltung bezieht sich sowohl mit dem Stromeingang als auch mit dem Status, der durch frühere Eingänge gebildet wird. Während der Durchführung logischer Operationen können die Verarbeitungsergebnisse für die Verwendung im nächsten Vorgang vorübergehend gespeichert werden, wie im zweiten Diagramm gezeigt.
Funktionell kann der Innenraum einer digitalen integrierten Schaltung in zwei Teile unterteilt werden: den Datenpfad und die Kontrolllogik. Beide Teile integrieren eine große Anzahl sequentieller Logikschaltungen, von denen die meisten synchronen sequonalen Schaltungen sind. Eine sequentielle Schaltung wird durch mehrere Register in mehrere Knoten unterteilt, und diese Register arbeiten unter der Kontrolle einer Uhr im selben Rhythmus, der den Entwurfsprozess vereinfacht.

Abbildung 3. Interne Struktur digitaler integrierter Schaltungen

Über langfristige Designpraktiken wurden viele Standardeinheiten im Allgemeinen entwickelt. Dazu gehören Selektoren (auch als Multiplexer bezeichnet, die einen Ausgang aus mehreren Eingangsdaten auswählen können), Komparatoren (verwendet, um die Größen von zwei Zahlen zu vergleichen), Addierer, Multiplikatoren, Verschiebungsregister usw. Diese Einheitsschaltungen haben regelmäßige Formen und sind einfach zu integrieren, weshalb digitale Schaltkreise in integrierten Schaltkreisen eine bessere Entwicklung erzielt haben.
Diese Einheiten sind gemäß den Entwurfsanforderungen an die Bildung eines Datenpfads verbunden. Die zu verarbeitenden Daten werden vom Eingangsende auf das Ausgangsende über diesen Pfad übertragen, und das endgültige Verarbeitungsergebnis wird erhalten. Gleichzeitig sollte die speziell entwickelte Steuerlogik und jede Komponente, die den Datenpfad steuert, gemäß ihren jeweiligen funktionalen Anforderungen und spezifischen Zeitverhältnissen funktionieren.

Modelle digital integrierter Chips

Das Modell von aDigital integrierter ChipIn der Regel besteht aus drei Teilen: ein Präfix, eine Seriennummer und ein Suffix, wobei jeweils bestimmte Informationen enthalten sind:

Präfix: Es repräsentiert hauptsächlich den Hersteller oder die Serie, zu der der Chip gehört. Beispielsweise ist die "74" -Serie ein häufiges Präfix für TTL -digitale Chips, die von mehreren Herstellern hergestellt werden. Die "CD40" -Serie ist ein typisches Präfix für CMOS -Chips, die von Herstellern wie Texas Instruments (TI) dominiert werden.

Seriennummer: Es wird verwendet, um das spezifische Funktionsmodell des Chips zu unterscheiden. Beispielsweise zeigt der "00" in 74LS00 an, dass der Chip ein Quad-2-Eingang-NAND-Tor ist, während das "595" in 74HC595 ein 8-Bit-Schaltregister darstellt.

Suffix: Es markiert normalerweise Parameter wie die Verpackungsform des Chips und den Temperaturbereich. Zum Beispiel steht "DIP" für ein Dual-In-Line-Paket "SMD" für das Oberflächen-Mount-Gerätepaket. "-40 ℃ ~ 85 ℃" zeigt den Betriebstemperaturbereich des Chips an.

Diese Modellbenennungsmethode bietet Desigern eine bequeme Identifikationsgrundlage und ermöglicht es ihnen, die Funktion des Chips, die anwendbaren Szenarien und die physikalischen Eigenschaften schnell zu beurteilen.

Arten von digitalen integrierten Chips

Basierend auf Schaltungsstruktur, Funktion und Anwendungsszenarien,Digital integrierte Chipskann in die folgenden Haupttypen unterteilt werden:

1. durch Schaltungsstruktur klassifiziert

TTL-Chips (Transistor-Transistor-Logik): Sie konzentrieren sich auf bipolare Transistoren und verlassen sich sowohl auf Elektronen als auch auf Löcher für die Leitung. Sie verfügen über schnelle Schaltgeschwindigkeiten und starke Fahrkapazitäten, haben jedoch einen relativ hohen Stromverbrauch. Gemeinsame 74 -Serien (wie der 74LS138 -Decoder) gehören zu TTL -Chips und wurden in frühen digitalen Systemen häufig verwendet.

CMOs (komplementäre Metalloxid-Sämiener-Chips): Sie bestehen aus einer komplementären Struktur von PMOS- und NMOS -Transistoren, die Elektrizität mit nur einer Trägertyp durchführen. Sie haben Vorteile wie geringer Stromverbrauch, hohe Eingangsimpedanz und einen Weitnetzteilspannungsbereich, wodurch sie derzeit zum Mainstream -Typ digitaler Chips sind. Beispiele sind die CD4000-Serie und die 74HC-Serie (wie der 74HC04-Wechselrichter), die in tragbaren Geräten und Low-Power-Systemen häufig verwendet werden.

2. Nach Funktion klassifiziert

Logik -Gate -Chips: Sie implementieren grundlegende logische Operationen und bilden die Grundlage komplexer Schaltungen. Dazu gehören und Tore (z. B. 74LS08) oder Gates (wie 74LS32), nicht Gates (wie 74LS04) und zusammengesetzte Logik -Tore (wie das Nand Gate 74LS00 und das Nor Gate 74LS02).

Sequentielle Logikchips: Sie enthalten Speichereinheiten, und ihre Ausgaben hängen sowohl von aktuellen Eingaben als auch von historischen Zuständen ab, die zur Implementierung von Funktionen wie Zählen und Speicher verwendet werden. Beispiele sind der 4-Bit-Zähler 74LS161, das 8-Bit-Register 74LS373 und das Schaltregister 74LS164.

Datenverarbeitungschips: Sie werden für bestimmte Operationen wie Datenauswahl, Codierung und Dekodierung verwendet. Beispielsweise der 8-zu-1-Datenauswahl 74LS151, 3-zu-8-Leitung Decoder 74LS138 und BCD-to-Seven-Segment-Display Decoder 74LS48.

1. Nach Anwendungsszenario eingestuft

Allgemeine integrierte Schaltkreise: Für standardisierte Funktionen sind sie für mehrere Szenarien geeignet und verfügen über Vielseitigkeit und Austauschbarkeit. Die oben genannten logischen Tore, Zähler, Register usw. fallen alle in diese Kategorie. Beispielsweise können die Chips der Serie 74 und der CD4000 -Serie in verschiedenen digitalen Systemen flexibel eingesetzt werden.

Anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs): Benutzerdefiniert für bestimmte Szenarien, wie z. B. Bildsignalverarbeitungschips in Smartphones undBord-Steuerchipsin der Automobilelektronik. ASICS kann die Leistung optimieren und den Stromverbrauch in maximalem Maße reduzieren, haben jedoch hohe Konstruktionskosten und lange Zyklen, wodurch sie für massenproduzierte dedizierte Geräte geeignet sind.

Programmierbare Logikgeräte (PLDs): Einschließlich FPGAs (feldprogrammierbare Gate-Arrays) und CPLDs (komplexe programmierbare Logikgeräte) ermöglichen es Benutzern, logische Funktionen durch Programmierung anzupassen. Beispielsweise kann die Spartaner-Serie von Xilinx in Prototypentwicklung oder Szenarien für kleine Batch-Anpassungen verwendet werden, die Flexibilität und Leistung ausbalancieren.

Diese verschiedenen Arten von digitalen integrierten Chips unterstützen gemeinsam die Konstruktion von einfacher Logikkontrolle bis hin zu komplexen digitalen Systemen und erfüllen verschiedene elektronische Designanforderungen.

Klassifizierung der digitalen integrierten Schaltung basierend auf der Integrationsskala

Kleine - Skala -Integration (SSI): SSI -Schaltkreise enthalten normalerweise bis zu 10 Tore oder ein paar Dutzend Komponenten. Diese Schaltungen werden häufig für grundlegende Logikfunktionen in einfachen digitalen Systemen verwendet. Beispielsweise ist ein 7400 -Chip, der vier zwei - Eingangs -NAND -Tore enthält, ein gemeinsames SSI -Gerät. Es kann in Anwendungen wie einfachen Logiksteuerungsschaltungen verwendet werden, bei denen grundlegende logische Operationen erforderlich sind.

Medium - Skala -Integration (MSI): MSI -Schaltungen haben zwischen 10 und 100 Toren oder einigen hundert Komponenten. Sie werden für komplexere Funktionen verwendet. Ein 74161 -Chip, der ein 4 -Bit -Synchronzisch ist, ist ein Beispiel für ein MSI -Gerät. Zähler werden in digitalen Systemen für Aufgaben wie das Zählen von Ereignissen, das Generieren von Zeitschriften und die Steuerung der Operationsabfolge häufig verwendet.

Large -Skala -Integration (LSI): LSI -Schaltkreise enthalten 100 bis 10.000 Tore oder Tausende von Komponenten. Speicherchips wie die frühen statischen Zufällungen - Zugriffserinnerungen (SRAMs) und einfache Mikroprozessoren sind Beispiele für LSI -Geräte. Ein 8 -Bit -Mikroprozessor könnte mithilfe der LSI -Technologie implementiert werden. Es kann eine Reihe von Anweisungen ausführen, arithmetische und logische Operationen ausführen und den Datenfluss innerhalb eines digitalen Systems steuern.

Sehr groß - Skala -Integration (VLSI): VLSI -Schaltkreise haben über 10.000 Tore oder Hunderttausende bis Millionen von Komponenten. Moderne Mikroprozessoren wie die in PCs gefundenen Computern und große Kapazitätsdynamik zufälliger Zugriffserinnerungen (DRAMS) sind klassische Beispiele für VLSI -Geräte. Eine hochkarätige Desktop -CPU kann Milliarden von Transistoren enthalten, die in komplexe Logikschaltungen organisiert sind, um extrem schnelle und anspruchsvolle Rechenaufgaben auszuführen.

Ultra - Large - Skala -Integration (ULSI) und Giga - Skala -Integration (GSI): ULSI bezieht sich auf Schaltkreise mit einem noch höheren Integrationsniveau, häufig in zehn Millionen von Komponenten. GSI, ein noch fortgeschritteneres Stadium, beinhaltet die Integration von über eine Milliarde Komponenten in einen einzelnen Chip. Status - der - Kunst -Mobiltelefonprozessoren und einige hochwertige Grafikverarbeitungseinheiten (GPUs) fallen in diese Kategorie. Diese Chips können massive Datenmengen umgehen und komplexe Vorgänge mit hohen Geschwindigkeiten durchführen, um Funktionen wie eine hohe Definitionsvideoverarbeitung, Real -Time -3D -Grafik -Rendering und erweiterte Algorithmen für künstliche Intelligenz zu ermöglichen.

Wie funktionieren digitale integrierte Schaltkreise?

Digital integrierte SchaltkreiseBasierend auf dem binären System arbeiten. Transistoren innerhalb der Schaltung wirken als Schalter. Wenn ein Transistor eingeschaltet ist, repräsentiert er eine Logik 1 (normalerweise eine Hochspannungsstufe), und wenn er ausgeschaltet ist, repräsentiert er eine Logik 0 (normalerweise eine niedrige Spannungsstufe). Der Strom des elektrischen Stroms durch diese Transistoren wird durch die auf den Schaltkreis angelegten Eingangssignale gesteuert.
In komplexeren digitalen integrierten Schaltungen wie Mikroprozessoren werden eine große Anzahl dieser grundlegenden logischen Elemente in hierarchischer Weise kombiniert und organisiert. Der Mikroprozessor ruft Anweisungen aus dem Speicher ab, entschlüsselt sie, um zu verstehen, welche Operation ausgeführt werden muss, und führt diese Anweisungen mit arithmetischen und logischen Einheiten (ALUs) und anderen Funktionsblöcken innerhalb des Chips durch. Die Daten werden in Registern gespeichert und manipuliert, die im Wesentlichen klein, schnelle Zugriffsspeicherelemente innerhalb des Mikroprozessors sind.

Verwendung und Anwendung von digitalen integrierten Schaltungen

Mikroprozessoren: Mikroprozessoren sind das Gehirn eines Computersystems. Sie führen eine Reihe von Anweisungen aus, die im Speicher gespeichert sind, um Aufgaben wie arithmetische Operationen, Datenmanipulation und Kontrolle anderer Komponenten im System auszuführen. Beispielsweise können die in Desktop- und Laptop -Computer verwendeten Intel Core -Serien -Prozessoren Milliarden von Anweisungen pro Sekunde ausführen. Sie sind so vielseitig ausgelegt und können so programmiert werden, dass sie eine breite Palette von Anwendungen bearbeiten, von Textverarbeitung und Webbrows bis hin zu komplexen wissenschaftlichen Simulationen und Spielen.

Speicher -ICS:Speicher integrierte Schaltungenwerden zum Speichern von Daten und Programmen verwendet. Es gibt zwei Haupttypen: Lesen Sie - nur Speicher (ROM) und zufälliger Zugriffsspeicher (RAM). ROM speichert Daten dauerhaft und wird verwendet, um das Basis -Eingangs-/Ausgangssystem (BIOS) in einem Computer zu halten, der die Startanweisungen enthält. RAM hingegen ist ein flüchtiger Speicher, der zum vorübergehenden Speichern von Daten verwendet wird, an denen der Computer derzeit arbeitet. Dynamic Random - Access Memory (DRAM) wird aufgrund seiner hohen Speicherkapazität und relativ geringen Kosten häufig in Computern verwendet, während der statische Zufallszugriffsspeicher (SRAM) schneller, aber teurer ist und häufig in Cache -Erinnerungen verwendet wird, um den Datenzugriff zu beschleunigen.

Logik ICs: Logik -ICs werden verwendet, um verschiedene logische Operationen auszuführen. Sie können einfache logische Gates sein, wie bereits erwähnt oder komplexere kombinations- und sequentielle Logikschaltungen. Kombinationale Logikschaltungen wie Multiplexer (die eines von mehreren Eingangssignalen auswählen, die an die Ausgabe weitergeleitet werden können) und Decoder (die einen Binärcode in einen Satz von Ausgangssignalen umwandeln) haben Ausgänge, die nur von den aktuellen Eingangswerten abhängen. Sequentielle Logikschaltungen wie Flip -Flops und Zähler haben Ausgänge, die nicht nur von den aktuellen Eingängen, sondern auch vom vorherigen Zustand der Schaltung abhängen. Diese Schaltungen sind für Aufgaben wie Datenspeicher, Abruf und Verarbeitung in digitalen Systemen von entscheidender Bedeutung.

Anwendung - Spezifische integrierte Schaltungen (ASICs): ASICs sind benutzerdefinierte integrierte Schaltkreise für eine bestimmte Anwendung. In einer Digitalkamera kann beispielsweise ein ASIC speziell für die Bildverarbeitung entworfen werden. Dieser Chip ist optimiert, um Aufgaben wie Bildsensorsteuerung, Farbkorrektur und Komprimierung auszuführen. ASICs bieten Vorteile wie kleinere Größe, geringere Stromverbrauch und höhere Leistung für die spezifische Anwendung, für die sie im Vergleich zur Verwendung allgemeiner ICS -Zwecke ausgelegt sind.

Feld - programmierbare Gate -Arrays (FPGAs): FPGAs sind programmierbare Logikgeräte, mit denen Benutzer nach seiner Herstellung die Logikfunktionen des Chips konfigurieren können. Sie enthalten eine große Anzahl programmierbarer Logikblöcke und Verbindungen. FPGAs werden in Anwendungen verwendet, bei denen Flexibilität erforderlich ist, z. B. neue digitale Designs. Zum Beispiel kann bei der Entwicklung eines neuen Kommunikationsprotokolls ein FPGA so programmiert werden, dass die Logik des Protokolls implementiert und im Zusammenhang mit dem Entwurf leicht neu konfiguriert werden kann. Sie werden auch in einigen hochwertigen Leistungsanwendungen verwendet, bei denen die Hardware in realer Zeit anpassen kann.

Die Bedeutung digital integrierter Schaltungen

Digital integrierte Schaltkreisehaben das Feld der Elektronik revolutioniert. Ihre geringe Größe, niedriger Stromverbrauch, hohe Zuverlässigkeit und Fähigkeit, komplexe Operationen mit hohen Geschwindigkeiten auszuführen, haben sie in der modernen Technologie unverzichtbar gemacht. Sie haben die Miniaturisierung elektronischer Geräte ermöglicht, von den winzigen tragbaren Fitness -Trackern an unseren Handgelenken bis zu den leistungsstarken Servern, die das Internet betreiben. Die Entwicklung digitaler integrierter Schaltkreise war auch ein wichtiger Treiber bei der Weiterentwicklung von Branchen wie Telekommunikation, Gesundheitswesen (z. B. in medizinischen Bildgebungsgeräten und Patientenüberwachungssystemen), Automobile (für Funktionen wie Motorkontrolle und Treiber -Assistenzsysteme) sowie Luft- und Raumfahrt (für Avionics und Satellite -Kommunikation). Kurz gesagt, digitale integrierte Schaltkreise sind der Eckpfeiler des digitalen Zeitalters und ermöglichen die Technologie - den Lebensstil, auf den wir uns verlassen müssen.

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