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Circuiti integrati

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Figura 1: I circuiti integrati sono disponibili in numerosi pacchetti con spaziatura dei pin standardizzata. Possono essere montati su un circuito stampato o inseriti in prese IC (grafica per gentile concessione di Mouser Electronics).

Vengono esplorati la storia, l'applicazione e la manutenzione di questi importanti componenti di microelettronica.

Nel continuum della microelettronica, i circuiti integrati (IC) sono probabilmente vicini al loro punto medio di sviluppo. Sono progrediti molto dal loro inizio intorno alla metà del secolo scorso, ma per la teoria "più piccolo è meglio", non c'è un punto finale in vista. Per iniziare questa indagine, scruteremo nel passato per vedere come la tecnologia IC è emersa da un ambiente di semiconduttori più primitivo. Naturalmente, i più primitivi di questi dispositivi precursori erano i diodi (ELEVATOR WORLD, agosto 2014), perché era coinvolta una sola giunzione.

obiettivi formativi

Dopo aver letto questo articolo, dovresti aver appreso:
♦ L'emergere della tecnologia IC
♦ In che modo la legge di Moore influenza lo sviluppo dei circuiti integrati
♦ Limiti allo sviluppo di circuiti integrati
♦ L'importanza degli amplificatori differenziali nelle applicazioni IC
♦ Come risolvere e riparare i circuiti integrati nei controller degli ascensori

Il dispositivo ha funzionato meglio del tubo a vuoto a diodo del vecchio mondo e, con l'emergere di metodi di produzione sempre più raffinati, il costo per l'utente finale è diminuito drasticamente. Contemporaneamente, è apparso un dispositivo a due giunzioni con tre derivazioni. Il transistor ha reso possibili le radio tubeless e le TV sono diventate molto più compatte ed efficienti dal punto di vista energetico. Questa era la situazione di fondo quando la tecnologia IC, molto limitata e di forma provvisoria per gli standard odierni, è apparsa per la prima volta.

Nel 1949, un ingegnere della Siemens, Werner Jacobi, ha depositato un brevetto per un importante precursore di circuiti integrati: un amplificatore a tre stadi, i cinque transistor che occupano un substrato comune. L'obiettivo era quello di miniaturizzare l'apparecchio acustico precedentemente goffo. Il dispositivo DC, così come concepito all'epoca, non andò in produzione, ma l'idea di base divenne parte del supporto intellettuale che rese possibili ulteriori sviluppi.

Nel 1952, Geoffrey Dummer, uno scienziato radar presso il Royal Radar Establishment del Ministero della Difesa britannico, scrisse un documento che esponeva l'idea di base dell'IC, ma non era in grado di costruire effettivamente il dispositivo. A metà del 1958, Jack Kirby, che lavorava per la Texas Instruments, ottenne un importante passo avanti. Propose l'IC come lo conosciamo e più tardi quell'anno ne costruì il primo modello funzionante. Il dispositivo di Kirby è stato costruito su un substrato di germanio. Meno di un anno dopo, Robert Royce progettò un chip con un substrato di silicio. È stato prodotto da Fairchild Semiconductor e ha rappresentato un sostanziale passo avanti.

Lo sviluppo dei circuiti integrati negli anni successivi è stato caratterizzato dalla capacità di posizionare un numero sempre crescente di transistor su un singolo chip. "Integrazione su piccola scala" è il termine dato per la prima fase di questa progressione. Si riferisce alla tecnologia prevalente nei primi anni, quando il numero di transistor che potevano essere integrati su un singolo substrato era inferiore a 100. Questi chip costituivano i cervelli elettronici per i programmi Minuteman Missile e Apollo, in cui il peso era a un premio.

Le successive densità di chip erano "integrazione su media scala", "integrazione su larga scala", "integrazione su scala molto ampia" e "integrazione su scala ultra ampia". I confini tra questi livelli non sono significativi in ​​alcun senso definitivo, tranne per suggerire quella che può essere descritta solo come un'esplosione nella nostra capacità di creare un numero enorme di porte logiche digitali in pacchetti sempre più piccoli. Questo progresso è descritto dalla Legge di Moore, che afferma che il numero di transistor che possiamo inserire in un singolo chip raddoppia ogni due anni, o, in un'altra versione, ogni 18 mesi. Pur essendo una descrizione accurata dello stato attuale dell'integrazione, questa affermazione (che è più un'osservazione che una legge reale) è alquanto fantasiosa, perché suggerisce che tra non molto ci saranno più dispositivi nei microchip più densi di quante particelle elementari nei il nostro universo.

Nonostante ciò, il livello di integrazione raggiunto è sorprendente. Attualmente, vengono prodotti singoli circuiti integrati che contengono dispositivi con una numerazione di decine di miliardi. Questo fatto è stato reso possibile dallo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori ad ossido di metallo complementare (CMOS). Questa tecnologia si riferisce non a un singolo dispositivo, ma a un circuito composto, nella sua forma più elementare, da due transistor ad effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo (MOSFET), uno di tipo P e uno di tipo N, collegati in serie rispetto al bias applicato (EW, ottobre 2014). Poiché uno di essi è spento mentre l'altro è acceso, non c'è flusso di corrente, se non molto brevemente durante le transizioni. Di conseguenza, c'è una generazione di calore minima, anche nelle configurazioni dense in VLSI e oltre. Senza CMOS, non ci sarebbe la Stazione Spaziale Internazionale come la conosciamo.

Ci sono altri "muri di mattoni" che possono neutralizzare la Legge di Moore, forse ostacolando la nostra capacità di migrare oltre questo sistema solare temporalmente finito. Per prima cosa, la miniaturizzazione non può che andare così lontano prima che vengano avvicinati i limiti teorici, pratici ed economici. L'ultimo pensiero sembra essere che la legge di Moore si evolverà. Sta diventando evidente che circuiti delle dimensioni di singole molecole sono realizzabili grazie all'uso di nanomateriali. Si tratta di metalli, ceramiche e materiali polimerici che assomigliano agli organismi viventi, perché hanno la capacità di progettarsi e replicarsi.

Il valore di questa miniaturizzazione va ben oltre l'idea di creare dispositivi consumer sempre più compatti, anche se questo è un vantaggio. Chip più piccoli con una maggiore densità del circuito significano che le tracce dei supporti di connessione necessarie per il cablaggio interno diventano più corte e sottili, aumentando notevolmente la velocità del dispositivo e riducendo i costi. Un materiale teorizzato chiamato stanene, composto da un foglio di stagno dello spessore di un atomo, potrebbe agire in modo molto simile a un superconduttore a temperatura ambiente.[1] Questa e altre innovazioni spianeranno la strada a circuiti integrati ad alte prestazioni.

Come la maggior parte degli altri semiconduttori, i circuiti integrati sono costruiti utilizzando processi planari su wafer di silicio microcristallino. Le fasi essenziali sono film sottile, litografia, incisione e drogaggio. Per cominciare, SiO2 e film policristallini sono legati al substrato di silicio. Lo strato successivo è uno strato fotoresistivo o fotosensibile esposto alla luce attraverso una maschera. Il prodotto viene quindi inserito in uno sviluppatore, provocando la dissoluzione delle aree che erano state esposte alla luce. Ciò lascia intatte le aree che non erano state esposte alla luce.

La litografia consiste nella duplicazione del motivo della maschera a livello di fotoresist, che diventa la maschera per il processo di incisione. Lo strato di fotoresist viene quindi eliminato mediante l'applicazione di idonei prodotti chimici, preparando il materiale semiconduttore al drogaggio. In questo processo vengono aggiunte piccolissime quantità di impurezze specifiche. Alle giunzioni PN sono disponibili portatori di carica, elettroni e lacune, in modo che la conduzione possa avvenire quando necessario e non aver luogo quando non necessaria, in risposta alla quantità e alla polarità della polarizzazione applicata.

Il doping è un'impresa sottile. Tipicamente, un gas viene fatto passare sul substrato per un periodo inferiore a 12 ore. A seconda delle proprietà elettroniche desiderate, il doping sarà leggero o pesante. Per il drogaggio leggero la concentrazione è dell'ordine di un atomo dell'impurezza per 100 milioni di atomi del materiale di tipo P o N, mentre per il drogaggio pesante il rapporto è di 1:10,000. Queste concentrazioni molto leggere convertono lastre poco interessanti di sabbia da spiaggia fusa negli elementi costitutivi di macchine intelligenti.

Il flusso di lavoro sopra descritto viene ripetuto secondo necessità per costruire l'IC sul suo substrato. Potrebbero essere necessari più di 600 passaggi per produrre un tipico circuito integrato. In qualsiasi fase, un granello di polvere o una temperatura, tempistica o allineamento imprecisi possono invalidare l'intero processo. Pertanto, sono necessari test approfonditi in ogni fase. I test possono rappresentare fino al 25% dei costi di produzione.

Poiché miliardi di transistor possono abitare un singolo chip, è ovvio che nessun singolo individuo (e nemmeno un comitato di lavoro) potrebbe comprendere l'architettura in tutta la sua complessità. Per questo motivo, la fase di progettazione di queste entità miracolose è diventata in gran parte automatizzata.

La teoria del design dei circuiti integrati differisce a seconda che il chip sia digitale o analogico. Esempi di componenti digitali sono la memoria ad accesso casuale, la memoria di sola lettura, le memorie flash per computer, gli array di porte programmabili sul campo e tutti i tipi di circuiti integrati specifici per l'applicazione. Esempi di circuiti integrati analogici sono amplificatori operazionali (operazionali), regolatori lineari, anelli ad aggancio di fase, oscillatori e filtri attivi. Poiché la fedeltà del segnale nei circuiti integrati analogici è l'obiettivo (a differenza dei digitali su o giù), i dispositivi analogici sono generalmente più grandi con una minore densità di circuiti. Di conseguenza, gli obiettivi e le procedure di progettazione differiscono nettamente.

L'automazione della progettazione elettronica (EDA) si riferisce a numerosi strumenti software che funzionano sia per i circuiti stampati (PCB) che per i circuiti integrati. L'obiettivo è simulare e testare accuratamente i circuiti integrati prima della produzione. Poiché la tecnologia dei semiconduttori si è evoluta fino al punto in cui un numero immenso di dispositivi è racchiuso in circuiti integrati sempre più piccoli, l'EDA è diventato l'unico mezzo praticabile per raggiungere gli obiettivi di progettazione, che sono numerosi. Dopo che i circuiti sono stati progettati, simulati, testati e verificati, gli ingegneri passano alla progettazione fisica. Anche qui le complessità abbondano.

La sistemazione strutturale lorda è la prima all'ordine del giorno. L'analisi del livello di trasferimento del registro (RTL) si applica al flusso di segnali tra i registri, che sono assegnati a posizioni all'interno dell'IC. Vengono assegnati core e array e vengono determinati i pin di input/output. Quindi, viene generata una netlist (un elenco di tutti i terminali dei componenti che dovrebbero essere collegati elettricamente affinché il circuito funzioni) delle porte richieste. Gli orologi vengono aggiunti per cronometrare il flusso di lavoro e il cablaggio è collegato. (Tutto questo è a livello concettuale e il piano è creare un progetto finito che funzioni prima dell'implementazione fisica.) Dopo un completamento e una verifica soddisfacenti, è necessario fare un passo indietro e accertare se il chip, così concepito, può effettivamente essere fabbricato. Gli obiettivi elettrici, fisici ed economici devono essere considerati prima che l'IC possa entrare in produzione.

La scelta dell'imballaggio è fondamentale durante il processo di progettazione in modo che il chip funzioni correttamente nei contesti dei vari tipi di apparecchiature elettroniche contemplate. Una buona conoscenza dell'imballaggio dei circuiti integrati è importante anche per i tecnici che intendono risolvere i problemi e riparare le macchine.

In passato le confezioni di circuiti integrati erano in ceramica o in metallo, ma ora prevale la plastica. Ogni tipo di pacco è designato da una lettera o da una combinazione lettera/numero. Le confezioni sono di varie dimensioni e forme con diversi numeri e configurazioni di pin. All'interno della confezione c'è il chip vero e proprio, noto come die, con terminazioni troppo piccole per essere saldate a mano. (Inoltre, il calore friggerebbe istantaneamente il chip sensibile.) Attaccati al dado ci sono cavi placcati in oro che sono, a loro volta, collegati ai pin conduttivi all'esterno della confezione. Questi possono essere saldati, ma occorre prestare attenzione per evitare che il calore o l'elettricità statica penetrino nel materiale semiconduttore. A meno che non siano sopraffatti dalla curiosità, i tecnici non avranno occasione di rompere questi pacchetti, poiché il chip non è riparabile.

I pin servono a due scopi: montare fisicamente il chip e collegarlo elettricamente al mondo esterno. Ovviamente i pin devono essere installati correttamente. Molti semiconduttori vengono inceneriti se la polarità dell'alimentatore viene inavvertitamente invertita, sebbene a volte un diodo di blocco o un fusibile protettivo possano prevenire danni.

I circuiti integrati di solito hanno un punto e/o una tacca in qualche punto lungo il loro perimetro. Questo segna il punto in cui inizia la numerazione dei pin, iniziando da uno e procedendo in senso antiorario guardando verso il basso nella parte superiore dell'IC. Le connessioni dei pin sono identificate da un numero nella scheda tecnica del produttore, disponibile come download gratuito su Internet. Inoltre, ci sono siti archivistici, sui quali si possono trovare schede tecniche per circuiti integrati obsoleti o fuori produzione.

Questi chip sono disponibili in due categorie, in base a come si montano sul circuito. I pacchetti a foro passante sono più grandi e più facili da usare se il dispositivo deve essere sostituito o rimosso dal circuito a scopo di test: è sufficiente inserire i pin attraverso i fori nella scheda, capovolgerlo e saldare sul lato posteriore, quindi tagliare l'eccesso. I pacchetti a montaggio superficiale sono molto piccoli e più difficili da sostituire o rimuovere per i test. Sono posizionati su un lato della scheda e saldati in posizione. Sono necessari strumenti e tecniche speciali.

Sebbene l'IC 555 di base sia noto come "timer", è in grado di svolgere anche altre funzioni. Oltre a fornire ritardi temporali di varie durate e intervalli (comprendenti insieme il ciclo di lavoro), il 555 può funzionare come oscillatore, dispositivo flip-flop, liberare un interruttore a pulsante e funzionare come sensore, tra numerose altre applicazioni, mezzo di circuiti esterni.

La maggior parte delle apparecchiature con un LED lampeggiante, come molti telefoni e stampanti, utilizza 555 circuiti integrati. Questi circuiti, insieme ai LED di accompagnamento e alle reti di resistori-condensatori (RC), possono essere raccolti da unità ritirate, ma con 555 a un prezzo inferiore a US $ 1, non ne vale la pena.

Signetics (in seguito acquisita da Philips) ha introdotto il 555 nel 1971. Ora è realizzato da numerosi produttori con alcune variazioni interne e caratteristiche operative e numeri di parte leggermente diversi ma pinout identici. Con piccole variazioni, il 555 contiene solo 25 transistor, 15 resistori e due diodi. È disponibile in un pacchetto dual in-line a otto pin. Esistono altre versioni, come il 556, che consiste in un singolo chip contenente due 555 in un doppio pacchetto in linea a 14 pin. Altre varianti sono il 558 e il 559, costituiti da doppi pacchetti in linea a 16 pin contenenti quattro 555. La tecnologia CMOS viene invocata per creare il TLC 555 a bassa potenza.

Il 555 a otto pin standard in un doppio pacchetto in linea illustra la semplicità e le molteplici funzioni di questo straordinario dispositivo. Come sempre, i pin sono numerati consecutivamente dal punto/tacca, iniziando dal pin 1 e procedendo in senso antiorario:

  • Pin 1, GROUND: fornisce il riferimento di basso livello
  • Pin 2, TRIGGER: inizia un intervallo di temporizzazione e il pin 3, OUT, diventa alto quando questo ingresso scende al di sotto della metà della tensione applicata al pin 5, CONTROL.
  • Pin 3, OUT: questa uscita va a 1.7 V sotto il Pin 1, GROUND, quando viene attivata.
  • Pin 4, RESET: L'intervallo di temporizzazione si ripristina quando questo ingresso è collegato al pin 1, GROUND.
  • Pin 5, CONTROL: Varia i tempi della rete RC
  • Pin 6, SOGLIA: rileva i due terzi della tensione del binario, rendendo l'USCITA bassa se il pin 6, TRIGGER, è alto.
  • Pin 7, DISCHARGE: diventa basso quando il pin 6, THRESHOLD, vede i due terzi della tensione del binario.
  • Pin 8, SUPPLY: deve essere collegato alla tensione di alimentazione positiva affinché l'IC funzioni: l'intervallo accettabile è 4.5-15 VDC. Per le applicazioni digitali, utilizzare +5 VDC.

Il 555 ha tre modalità di funzionamento: monostabile, astabile (funzionamento libero) e bistabile (trigger Schmitt). Nella modalità monostabile, il 555 è un generatore di impulsi one-shot. Quando il pin di attivazione vede una tensione inferiore a un terzo della tensione di alimentazione, inizia l'impulso. La durata dipende dai valori della resistenza e del condensatore nella rete RC. Dopo questo singolo impulso, l'IC rimane inattivo fino a quando non viene riattivato.

In modalità astabile, il 555 diventa un oscillatore. A basse velocità, può far lampeggiare un LED o può funzionare come un orologio logico. Può anche essere usato per creare toni udibili.

Nella modalità bistabile, il 555 diventa un flip-flop. Il pin 7, DISCHARGE, non è collegato e il condensatore esterno non è presente. Un'applicazione importante è l'interruttore antirimbalzo, reso possibile dall'azione latch del 555, che opera in modalità bistabile.

Grazie alla sua semplicità, tolleranza di un'ampia gamma di tensioni di alimentazione, molteplicità di applicazioni e basso costo, il 555 è una buona introduzione al mondo dei circuiti integrati. Con un numero di pin basso, l'attrezzatura in cui viene utilizzata è facile da risolvere e riparare. È richiesta un po' più di esperienza nel trattare con l'opamp, ma a causa della sua frequente occorrenza, dovrebbe far parte della base di conoscenza dei tecnici.

I primi computer analogici contenenti operazionali consistevano in enormi array di tubi a vuoto con alimentatori ad alta tensione. C'era molto calore da dissipare e lo spazio dedicato per farlo era notevole, quindi le macchine erano per lo più viste nelle università e nei grandi centri di ricerca. Oggi, con l'elettronica a stato solido e l'onnipresente IC, gli operazionali sono abbastanza comuni da essere trovati in quasi ogni home. Hanno anche un ruolo di primo piano nelle attrezzature commerciali e industriali pesanti. A causa del loro ampio utilizzo, meritano un'occhiata da vicino.

L'opamp è uno (ma non l'unico) tipo di amplificatore differenziale. Assomiglia all'amplificatore completamente differenziale, che differisce per avere due uscite. L'amplificatore operazionale ha un'uscita e due ingressi. Gli ingressi sono V+ e V-, quindi uno è l'inverso dell'altro. L'IC, grazie ai circuiti interni, amplifica solo la differenza di tensione tra i due. Il grado di amplificazione è conforme a questa formula:

VOUT = AOL (V+ - V-)

dove VOUT è la tensione di uscita, V+ è un ingresso non invertente, V- sta invertendo l'ingresso e AOL è il guadagno ad anello aperto.

Il guadagno ad anello aperto è rilevante nei casi in cui non vi è alcuna connessione di feedback tra uscita e ingresso. A causa dell'enorme guadagno di un opamp in modalità ad anello aperto (spesso circa 100,000), il grado di amplificazione è fenomenale. Ma il vero vantaggio di questo circuito integrato si vede quando viene utilizzato in modalità ad anello chiuso. Qui, l'amplificazione è molto minore, data da questa equazione:

VOUT = VIN (1+Rf/Rg)

dove Rf e Rg sono i valori mostrati in Figura 4.

L'amplificatore operazionale in questo circuito è molto più stabile rispetto all'amplificatore operazionale ad anello aperto o agli amplificatori precedenti senza feedback negativo. L'amplificatore operazionale, così configurato, è stato progettato per risolvere i problemi di stabilità e rumore che esistevano nei primi anni della trasmissione radio e via cavo. Questo è il motivo per cui i chiamanti a lunga distanza non devono urlare per sentirsi a vicenda.

La risoluzione dei problemi e la riparazione di apparecchiature elettroniche commerciali e industriali su larga scala, come i controller degli ascensori, di solito comportano l'analisi dei sintomi e (con l'aiuto della documentazione e degli schemi del produttore) l'isolamento della sezione, del circuito e del componente difettosi. Non di rado, il colpevole è un cattivo IC. A volte, avrà un aspetto bruciato o distorto, o sarà anormalmente caldo. Più probabilmente, non ci sarà alcuna indicazione dall'aspetto esteriore.

Se il costo non è un fattore e l'obiettivo è far funzionare rapidamente l'apparecchiatura, la riparazione può consistere nella sostituzione di un intero circuito stampato. Il problema con questa soluzione è che le singole schede possono essere molto costose e un inventario di backup completo sarebbe piuttosto grande.            

In una certa misura, è possibile testare un IC utilizzando un multimetro, soprattutto se ha la funzione "test diodi". Questa procedura è utile ma non definitiva. In esso, il tecnico consulterebbe la scheda tecnica del produttore e vedrebbe dove dovrebbe e non dovrebbe essere prevista la continuità. Se tutti i pin sono in cortocircuito verso il substrato, l'IC è difettoso. Non dovrebbe mai esserci un cortocircuito tra alimentazione e massa. Spesso, la scheda tecnica del produttore contiene uno schema di un circuito di prova che può essere costruito per testare l'IC su base "go, no-go". Un buon piano sarebbe sostituire la scheda difettosa, quindi riportarla al negozio e sostituire l'IC difettoso in modo che una scheda di ricambio sia a disposizione per un uso futuro.

Domande sul rinforzo dell'apprendimento

Utilizzare le seguenti domande di rinforzo dell'apprendimento per studiare per l'esame di valutazione della formazione continua disponibile online su www.elevatorbooks.com oa pag. 149 di questo fascicolo.
♦ Chi ha costruito il primo circuito integrato funzionante?
♦ Che cos'è l'integrazione su piccola scala?
♦ Cosa afferma la legge di Moore?
♦ Cosa significa "CMOS"?
♦ Come viene utilizzata la litografia nella produzione di circuiti integrati?

Referenze
[1] Charles Q. Choi. "Potrebbe lo stagno atomicamente sottile trasformare l'elettronica?" Scientific American, 4 dicembre 2013 (www.scientificamerican.com/article/could-atomically-thin-tin-transform-electronics).
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David Herres è titolare di una licenza di maestro elettricista del New Hampshire e ha lavorato come elettricista nella parte settentrionale di quello stato per molti anni. Si è concentrato sulla scrittura dal 2006, avendo scritto per riviste come ELEVATOR WORLD, Electrical Construction and Maintenance, Cabling Business, Electrical Business, Nuts and Volts, PV Magazine, Electrical Connection, Solar Connection, Solar Industry Magazine, Fine HomeBuilding Magazine e Engineering News.

Mondo Ascensore | Copertina di marzo 2015

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