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什么是集成电路(IC)?

2021-11-24 09:21:27 韦克威科技

01现代集成电路:设计与构建

在过去的半个世纪里,IC 以更快的速度、更大的容量和更小的尺寸取得了巨大的进步。

与早期相比,今天的 IC 复杂得令人难以置信,能够在单个小块材料上容纳数十亿个晶体管和其他组件。现代 IC 都是一体的,各个组件直接嵌入硅晶体中,而不是简单地安装在硅晶体上。

一个 IC 依赖于多个抽象层次。构成 IC 的半导体晶片很脆弱,并且在其许多层之间包含许多复杂的连接。这些晶片的组合称为裸片。

由于单个芯片上有数百万或数十亿个组件,因此无法单独定位和连接每个组件。芯片太小,无法焊接和连接。取而代之的是,设计人员使用专用编程语言来创建小型电路元件并将它们组合起来,从而逐步增加芯片上组件的尺寸和密度,以满足应用需求。

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这些 IC 被“封装”起来,将精致而微小的芯片变成一个黑色芯片,现在构成了数百种设备的基础,包括:

  • 电脑

  • 手机和 智能手机

  • 汽车和飞机

  • 放大器

  • 网络交换机

  • 其他电子设备:洗衣机、烤面包机、微波炉、电视机等。

02集成电路的种类

IC 可以是线性(模拟)、数字或两者的某种组合,具体取决于它们的预期应用。

模拟或线性 IC 具有连续可变的输出,具体取决于输入信号电平。理论上,这样的 IC 可以达到无限多个状态。对于这种 IC 类型,输出信号电平是输入信号电平的线性函数。理想情况下,当瞬时输出与瞬时输入作图时,该图显示为一条直线。

模拟 IC 通常只使用很少的组件并且非常简单。

线性 IC 用作音频 ( AF ) 和射频 ( RF ) 放大器。运算放大器(op amp)是这些应用中的常见器件。模拟 IC 的另一个常见应用是温度传感器。可以对线性 IC 进行编程,以便在信号达到特定值时打开或关闭各种设备。这些包括:

  • 空调

  • 加热器

  • 烤箱

与模拟 IC 不同,数字 IC 不能在连续的信号幅度范围内工作。相反,它们仅在几个定义的(离散的)级别或状态下运行。数字 IC 的基本构建块是逻辑门,它处理二进制数据,即只有两种不同状态的信号,称为低(逻辑 0)和高(逻辑 1)。

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数字 IC 现在用于越来越多的应用,包括:

  • 电脑

  • 企业网络

  • 调制解调器

  • 频率计数器

甲混合IC既包括模拟和数字设计原则。它可以用作:

  • 数模转换器

  • 模数转换器

  • 时钟/定时器IC

03微处理器和集成电路

微处理器是最复杂的 IC 类型,每秒能够执行数十亿次操作。在计算设备中,微处理器包含运行计算机的中央处理单元 (CPU) 或专门用于渲染图像和视频的图形处理单元 ( GPU )。单个微处理器包含数十亿个互连的晶体管,每个晶体管都根据时钟指令执行特定的逻辑功能。

当时钟改变状态时,晶体管执行它们被编程执行的逻辑功能(例如,计算)。时钟的频率决定了这些功能的速度。

微处理器还包含不同类型的预定存储位置或存储信息的寄存器:

  • 永久寄存器:存储各种操作的预编程指令。

  • 临时寄存器:存储要操作的数字和操作的结果。

  • 计数器:包含下一条指令的内存地址。

  • 堆栈指针:包含放入堆栈内存的最后一条指令的地址。

  • 内存地址寄存器:包含要处理的数据的位置(地址)。

IC让我们的生活无限美好。与 1940 年代开发的第一台计算机相比,现代笔记本电脑的功能强大数千倍,体积约小 100 倍。的ENIAC约为作为大3至4的双层巴士和RAN 18000真空管。

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