LOS CIRCUITO INTEGRADOS

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LOS CIRCUITO INTEGRADOS

  1. 1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO FACULTAD DE CIENCIAS DE LA EDUCACIÓN, HUMANAS Y TECNOLOGÍAS ESCUELA DE EDUCACIÓN TÉCNICA LOS CIRCUITOS INTEGRADOS COMPILADOR: GONZALO ERNESTO PINTO GUEVARA CUARTO AÑO ELECTRICIDAD – ELECTRÓNICA
  2. 2. CIRCUITO INTEGRADO 2011 – 2012 INTRODUCCIÓN En el desarrollo del presente trabajo se hizo uso de una Investigación bibliográfica en libros, revistas, sitios web, obras generales o Enciclopedias, Tesis y monografías de la Internet. También se utilizó la elaboración de Tablas, e imágenes. Este proyecto de Investigación tiene como contenido los antecedentes históricos de los Circuitos Integrados, su definición, la forma en que son fabricados paso a paso un pequeño ejemplo, el material del cual están hechos, clasificación de acuerdo a su estructura y función; funciones de los circuitos integrados, los circuitos integrados en la tercera generación de la historia de un computador, el uso de estos y las ramas que abarca el uso de los circuitos integrados, los avances de los circuitos integrados, etc. 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 más 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, detalladamente lo explicaremos más abajo, 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 lo veremos en la cuarta y quita generación. 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, GONZALO PINTO UNACH
  3. 3. CIRCUITO INTEGRADO 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. Además otros de los objetivo de el presente proyecto de investigación es el de mantener activos los concimientos sobre los circuitos integrado y estar actualizado con el mundo debido a que la tecnología avanza día a día, con la única finalidad de que este proyecto sirva como un medio de apoyo pedogógico, para los estudiantes de la Escuela de Educación Técnica, de la Facultad Ciencias de la Educación Humanas y Tecnologías de la Universidad Nacional de Chimborazo. Con este documento mantener el renombre y prestigio de la institución, en la formación de profesionales críticos con una responsabilidad social, desarrollando valores hunisticos, morales y culturales, de esta manera constituirmos un aporte para el desarrollo sostenible de nuestra socidad, de esta manera que nuestra institución pueda acreditar. GRACIAS HISTORIA DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS Geoffrey Dummer en los años 1950. GONZALO PINTO UNACH
  4. 4. CIRCUITO INTEGRADO En abril de 1949, el ingeniero alemán Werner Jacobi1 (Siemens AG) completa la primera solicitud de patente para circuitos integrados con dispositivos amplificadores de semiconductores. Jacobi realizó una típica aplicación industrial para su patente, la cual no fue registrada. Más tarde, la integración de circuitos fue conceptualizada por el científico de radares Geoffrey W.A. Dummer (1909-2002), que estaba trabajando para laRoyal Radar Establishment del Ministerio de Defensa Británico, a finales de la década de 1940 y principios de la década de 1950. El primer circuito integrado fue desarrollado en 1959 por el ingeniero Jack Kilby1 (1923- 2005) pocos meses después de haber sido contratado por la firmaTexas Instruments. Se trataba de un dispositivo de germanio que integraba seis transistores en una misma base semiconductora para formar un oscilador de rotación de fase. En el año 2000 Kilby fue galardonado con el Premio Nobel de Física por la enorme contribución de su invento al desarrollo de la tecnología.2 Los circuitos integrados se encuentran en todos los aparatos electrónicos modernos, como automóviles, televisores, reproductores de CD, reproductores de MP3, teléfonos móviles, computadoras, etc. El desarrollo de los circuitos integrados fue posible gracias a descubrimientos experimentales que demostraron que los semiconductores pueden realizar algunas de las funciones de las válvulas de vacío. La integración de grandes cantidades de diminutos transistores en pequeños chips fue un enorme avance sobre el ensamblaje manual de los tubos de vacío (válvulas) y en la fabricación de circuitos electrónicos utilizando componentes discretos. La capacidad de producción masiva de circuitos integrados, su confiabilidad y la facilidad de agregarles complejidad, llevó a su estandarización, reemplazando diseños que utilizaban transistores discretos, y que pronto dejaron obsoletas a las válvulas o tubos de vacío. Son tres las ventajas más importantes que tienen los circuitos integrados sobre los circuitos electrónicos construidos con componentes discretos: su menorcosto; su mayor eficiencia energética y su reducido tamaño. El bajo costo es debido a que los CI son fabricados siendo GONZALO PINTO UNACH
  5. 5. CIRCUITO INTEGRADO impresos como una sola pieza porfotolitografía a partir de una oblea, generalmente de silicio, permitiendo la producción en cadena de grandes cantidades, con una muy baja tasa de defectos. La elevada eficiencia se debe a que, dada la miniaturización de todos sus componentes, el consumo de energía es considerablemente menor, a iguales condiciones de funcionamiento que un homólogo fabricado con componentes discretos. Finalmente, el más notable atributo, es su reducido tamaño en relación a los circuitos discretos; para ilustrar esto: un circuito integrado puede contener desde miles hasta varios millones detransistores en unos pocos centímetros cuadrados. HISTORIA DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS TOMADO DE OTRO DOCUMENTO. 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. GONZALO PINTO UNACH
  6. 6. CIRCUITO INTEGRADO 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 más 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. LA HISTORIA DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS TOMADO DE OTRO ARTÍCULO GONZALO PINTO UNACH
  7. 7. CIRCUITO INTEGRADO Nuestro mundo está lleno de circuitos integrados. Encontrar varios de ellos en las computadoras. Por ejemplo, la mayoría de la gente ha oído hablar del microprocesador. El microprocesador es un circuito integrado que procesa toda la información en el ordenador.Se rastrea qué presionas si el ratón ya se movía se. Cuenta los números y ejecuta programas, juegos y el sistema operativo. Los circuitos integrados también se encuentran en casi todos los aparatos eléctricos modernos tales como automóviles, televisores, reproductores de CD, teléfonos celulares, etc, pero lo que es un circuito integrado y lo que es la historia detrás de esto? Foto: Nobelprize.org El circuito integrado no es más que un circuito eléctrico muy avanzado. Un circuito eléctrico está compuesto de diferentes componentes eléctricos, tales como transistores, resistencias, condensadores y diodos, que están conectados entre sí de diferentes maneras. Estos componentes tienen comportamientos diferentes. El transistor actúa como un interruptor. Puede dar vuelta a la electricidad dentro o fuera, o se puede amplificar corriente. Se utiliza por ejemplo en las computadoras para almacenar información, o en los amplificadores estéreo para hacer la señal de sonido más fuerte. La resistencia limita el flujo de la electricidad y nos da la posibilidad de controlar la cantidad de corriente que se permite el paso. Resistencias se utilizan, entre otras cosas, para controlar el volumen de los televisores o radios. GONZALO PINTO UNACH
  8. 8. CIRCUITO INTEGRADO El condensador se acumula la electricidad y la libera en una sola ráfaga rápida, como por ejemplo en las cámaras, donde una pequeña batería puede proporcionar la energía suficiente para disparar el flash. El diodo deja de electricidad bajo ciertas condiciones y le permite pasar sólo cuando estas condiciones cambian. Esto se utiliza, por ejemplo, células fotoeléctricas, donde un rayo de luz que se ha roto provoca que el diodo para detener la electricidad fluya a través de él. Estos componentes son como los bloques de construcción de un kit de construcción eléctrica. Dependiendo de cómo los componentes se unen en la construcción del circuito, de todo, desde una alarma de robo a un microprocesador de computadora puede ser construido. EL TRANSISTOR FRENTE AL TUBO DE VACÍO De los componentes mencionados anteriormente, el transistor es el más importante para el desarrollo de las computadoras modernas. Antes de que el transistor, los ingenieros tuvieron que utilizar los tubos de vacío. Así como el transistor, el tubo de vacío puede cambiar de electricidad dentro o fuera, o amplificar una corriente. Así que ¿por qué el tubo de vacío reemplazado por el transistor? Hay varias razones. El tubo de vacío y el transistor. Foto: Nobelprize.org GONZALO PINTO UNACH
  9. 9. CIRCUITO INTEGRADO El tubo de vacío se ve y se comporta como una bombilla, sino que genera una gran cantidad de calor y tiene una tendencia a quemarse. Además, en comparación con el transistor es lento, grande y voluminoso. ENIAC, la primera computadora digital Foto: Ejército de los EE.UU. Cuando los ingenieros trataron de construir circuitos complejos utilizando el tubo de vacío, que rápidamente se dieron cuenta de sus limitaciones. La ENIAC primer ordenador digital, por ejemplo, era un monstruo enorme que pesaba más de treinta toneladas, y consume 200 kilovatios de energía eléctrica. Tenía alrededor de 18.000 tubos de vacío que constantemente quemado, lo que es muy poco fiable. Cuando el transistor fue inventado en 1947 se consideró una revolución. Pequeño, rápido, fiable y eficaz, rápidamente sustituido el tubo de vacío. Liberado de las limitaciones del tubo de vacío, los ingenieros pudieron finalmente comenzar a darse cuenta de las construcciones eléctricas de sus sueños, o podrían? LA TIRANÍA POR CONSTRUIR CURCUITOS INTEGRADOS Con el transistor pequeño y efectivo en sus manos, los ingenieros eléctricos de los años 50 vieron las posibilidades de construir circuitos mucho más avanzado que antes. Sin embargo, como la complejidad de los circuitos crecieron, empezaron los problemas que surjan. GONZALO PINTO UNACH
  10. 10. CIRCUITO INTEGRADO Cuando la construcción de un circuito, es muy importante que todas las conexiones están intactas. En caso contrario, la corriente eléctrica se detiene en su camino a través del circuito, por lo que el circuito no. Antes de que el circuito integrado, trabajadoras de la maquila tuvieron que construir los circuitos con la mano, para soldar cada componente en su lugar y su conexión con los cables de metal. Los ingenieros se dieron cuenta de que de forma manual el montaje de la gran cantidad de pequeños componentes necesarios, por ejemplo, un ordenador sería imposible, sobre todo, sin generar una conexión anormal. Otro problema fue el tamaño de los circuitos. Un circuito complejo, como una computadora, se depende de la velocidad. Si los componentes del equipo eran demasiado grandes o la interconexión de los cables demasiado largos, las señales eléctricas no pueden viajar con suficiente rapidez a través del circuito, con lo que el equipo demasiado lento para ser eficaz. Así que hubo un problema de números. Circuitos avanzados que figuran tantos componentes y conexiones que eran prácticamente imposibles de construir. Este problema se conoce como la tiranía de los números. LA IDEA MONOLÍTICA (CHIP) DE JACK KILBY Kilbys primer chip Foto: Texas Instruments En el verano de 1958 Jack Kilby en Texas Instruments encontrado una solución a este problema. Fue contratado recientemente y había sido puesto a trabajar en un proyecto para GONZALO PINTO UNACH
  11. 11. CIRCUITO INTEGRADO construir pequeños circuitos eléctricos. Sin embargo, el camino que Texas Instruments había elegido para su proyecto de miniaturización no parece ser el derecho a Kilby. Debido a que fue contratado recientemente, Kilby no de vacaciones como el resto del personal. Trabajar solo en el laboratorio, vio la oportunidad de encontrar una solución propia al problema de la miniaturización. Idea de Kilby fue para que todos los componentes y la salida del chip de la misma cuadra (monolito) de material semiconductor. Cuando el resto de los trabajadores de regresar de vacaciones, Kilby presentó su nueva idea a sus superiores.Se le permitió construir una versión de prueba de su circuito. En septiembre de 1958, tuvo su primer circuito integrado listo. Fue probado y funcionó a la perfección! Aunque el primer circuito integrado fue muy crudo y tuvo algunos problemas, la idea era innovadora. Al hacer que todas las partes del mismo bloque de material y la adición de los metales necesarios para conectarse como una capa en la parte superior de la misma, que no era necesario más para los distintos componentes discretos. No más cables y componentes tenían que ser ensambladas manualmente. Los circuitos pueden ser más pequeños y el proceso de fabricación puede ser automatizado. Jack Kilby es probablemente el más famoso por su invención del circuito integrado, por la que recibió el Premio Nobel de Física en el año 2000. Después de su éxito con el circuito integrado Kilby se quedó con Texas Instruments y, entre otras cosas, que dirigió el equipo que inventó la calculadora de mano. GONZALO PINTO UNACH
  12. 12. CIRCUITO INTEGRADO Robert Noyce Foto: Intel Archivos del Museo Robert Noyce vino para arriba con su propia idea para el circuito integrado. Lo hizo medio año después de Jack Kilby. Circuito Noyce resuelto varios problemas prácticos que el circuito de Kilby había, sobre todo el problema de la interconexión de todos los componentes en el chip.Esto se hizo mediante la adición del metal como una capa final y la eliminación de algunos de ellos a fin de que los cables necesarios para conectar los componentes se crearan. Esto hizo que el circuito integrado más adecuado para la producción en masa. Además de ser uno de los pioneros del circuito integrado, Robert Noyce también fue uno de los co- fundadores de Intel. Intel es uno de los mayores fabricantes de circuitos integrados en el mundo. DESCRIPCIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS La primera familia de circuitos integrados digitales comercialmente disponible fue la serie 900 de Fairchild Semiconductor, introducida en 1961. Los chips de esta familia, denominada RTL, operaban a 3.2 V y utilizaban internamente resistencias y transistores para realizar operaciones lógicas. En la figura 16 se muestra el circuito interno de un dispositivo RTL típico. RTL es un acrónimo de Resistor-Transitor Logic (lógica de resistencia a transistor). La familia RTL dio paso a otra familia de circuitos integrados digitales construidos a base de diodos y transistores. A esta nueva familia se le denomino DTL, un acrónimo de Diode- Transistor Logic (lógica de diodo a transistor). En la figura 17 se muestra el circuito de un dispositivo DTL típico. La siguiente familia en aparecer (1962) fue la TTL, que utilizaba sólo transistores y era más rápida que sus predecesoras. TTI, es un acrónimo de Transistor-Transistor Logic (lógica de transistor a transistor). GONZALO PINTO UNACH
  13. 13. CIRCUITO INTEGRADO Los primeros trabajos en TTL fueron realizados por James Buie de Pacific Semiconductors (ahora subsidiaria de TRW). Con el tiempo se impuso en el mercado la serie TTL 74XX, lanzada originalmente por Texas Instruments, la cual sigue siendo una de las más utilizadas y económicas. En la figura 18 se muestra el circuito de un dispositivo TTL típico. Mientras se desarrollaba la tecnología bipolar o TTL, algunos fabricantes. Especialmente RCA, concentraban sus esfuerzos en los transistores de efecto de campo (FETs) y sus aplicaciones. En 1957, John Wallmark de RCA patentó el FET. En 1962, Steven Hofstein y Frederic Heiman, también de RCA, desarrollaron el transistor MOS o MOSFET (FET de compuerta aislada). A finales de este año, Hofstein y Heiman lograron fabricar el primer circuito integrado MOS, el cual contenía 16 transistores MOSFET distribuidos sobre una pastilla de silicio de 0.063 mm de lado. Para 1963, RCA ya producía chips que contenían cientos de transistores MOSFET en una área muy reducida. http://grupos.emagister.com/documento/un_poco_de_historia_de_los_circuitos_integrados/ 1007-115958 ¿QUÉ ES UN CIRCUITO INTEGRADO O MICROCHIP? El Microchip, o también llamado circuito integrado (CI), es una pastilla o chip muy delgado en el que se encuentran una cantidad enorme de dispositivos microelectrónicos GONZALO PINTO UNACH
  14. 14. CIRCUITO INTEGRADO interactuados, principalmente diodos y transistores, además de componentes pasivos como resistencias o condensadores. El primer Circuito Integrado fue desarrollado en 1958 por el Ingeniero Jack St. Clair Kilby, justo meses después de haber sido contratado por la firmaTexas Instruments. Los elementos más comunes de los equipos electrónicos de la época eran los llamados "tubos al vacío". Las lámparas aquellas de la radio y televisión. Aquellas que calentaban como una estufa y se quemaban como una bombita. En el verano de 1958 Jack Kilby se propuso cambiar las cosas. Entonces concibió el primer circuito electrónico cuyos componentes, tanto los activos como los pasivos, estuviesen dispuestos en un solo pedazo de material, semiconductor, que ocupaba la mitad de espacio de un clip para sujetar papeles. El 12 de Septiembre de 1958, el invento de Jack Kilby se probó con éxito. El circuito estaba fabricado sobre una pastilla cuadrada de germanio, un elemento químico metálico y cristalino, que medía seis milímetros por lado y contenía apenas un transistor, tres resistencias y un condensador. El éxito de Kilby supuso la entrada del mundo en la microelectrónica, además de millones de doláres en regalías para la empresa que daba trabajo a Kilby. El aspecto del circuito integrado era tan nimio, que se ganó el apodo inglés que se le da a las astillas, las briznas, los pedacitos de algo: chip. En el año 2000 Jack Kilby fue galardonado con el Premio Nobel de Físicapor la contribución de su invento al desarrollo de la tecnología de la información. Los circuitos integrados fueron posibles gracias a descubrimientos experimentales que demostraron que los semiconductores pueden realizar las funciones de los tubos vacíos. La integración de grandes cantidades de diminutos transistores en pequeños chips fue un enorme avance sobre el ensamblaje manual de los tubos de vacío (válvulas) y circuitos utilizando componentes discretos. GONZALO PINTO UNACH
  15. 15. CIRCUITO INTEGRADO La capacidad de producción masiva de circuitos integrados, confiabilidad y facilidad de agregarles complejidad, impuso la estandarización de los circuitos integrados en lugar de diseños utilizando transistores que pronto dejaron obsoletas a las válvulas o tubos de vacío. Existen dos ventajas principales de los circuitos integrados sobre los circuitos convencionales: coste y rendimiento. El bajo coste es debido a que los chips, con todos sus componentes, son impresos como una sola pieza por fotolitografía y no construidos por transistores de a uno por vez. Algunos de los circuitos integrados más avanzados son losmicroprocesadores, que son usados en múltiples artefactos, desdecomputadoras hasta electrodomésticos, pasando por los teléfonos móviles. Los chips de memorias digitales son otra familia de circuitos integrados que son de importancia crucial para la moderna sociedad de la información. Mientras el costo del diseño y desarrollo de un cirtuido integrado complejo esbastante alto, cuando se reparte entre millones de unidades de producción el costo individual por lo general se reduce al mínimo. La eficiencia de los circuitos integrados es alto debido a que el pequeño tamaño de los chips permite cortas conexiones que posibilitan la utilización de lógica de bajo consumo (como es el caso de CMOS) en altas velocidades de conmutación. Las estructuras de los microchips se volvieron más y más pequeñas. Los fabricantes tuvieron éxito al duplicar el número de transistores en un chip cada 18 meses, tal como lo predijo la ley de Moore. Sin embargo, a medida que los tamaños se han reducido a escalas de átomos, los fabricantes se están acercando cada vez más a los límites de la miniaturización. Ha llegado el tiempo de probar acercamientos completamente nuevos. Para ésto, los investigadores están actualmente buscando soluciones tales como el uso de pequeños "mini tubos de carbón", los cuales esperan utilizar en los microchips del futuro. GONZALO PINTO UNACH
  16. 16. CIRCUITO INTEGRADO Tan sólo ha pasado medio siglo desde el inicio de su desarrollo y ya se han vuelto ubicuos. De hecho, muchos académicos creen que la revolución digitalimpulsada por los circuitos integrados es una de los sucesos más destacados de la historia de la humanidad. EXISTEN TRES TIPOS DE CIRCUITOS INTEGRADOS CIRCUITO MONOLÍTICO: La palabra monolítico viene del griego y significa "una piedra". La palabra es apropiada porque los componentes son parte de un chip. El Circuito monolítico es el tipo más común de circuito integrado. Ya que desde su intervención los fabricantes han estado produciendo loscircuitos integrados monolíticos para llevar a cabo todo tipo de funciones. Los tipos comercialmente disponibles se pueden utilizar como amplificadores, reguladores de voltaje, conmutadores, receptores de AM, circuito de televisión y circuitos de computadoras. Pero tienen limitantes de potencia. Ya que la mayoría de ellos son del tamaño de un transistor discreto de señal pequeña, generalmente tiene un índice de máxima potencia menor que 1 W. Están fabricados en un solo monocristal, habitualmente de silicio, pero también existen en germanio, arseniuro de galio, silicio-germanio, etc. CIRCUITO HÍBRIDO DE CAPA FINA: Son muy similares a los circuitos monolíticos, pero, además, contienen componentes difíciles de fabricar con tecnología monolítica. Muchos conversores A/D y conversores D/A se fabricaron en tecnología híbrida hasta que progresos en la tecnología permitieron fabricar resistencias precisas. CIRCUITO HÍBRIDO DE CAPA GRUESA: Se apartan bastante de los circuitos monolíticos. De hecho suelen contener circuitos monolíticos sin cápsula (dices), transistores, diodos, etc, sobre un sustrato dieléctrico, interconectados con pistas conductoras. Las resistencias se depositan porserigrafía y se ajustan haciéndoles cortes con láser. Todo ello se encapsula, tanto en cápsulas plásticas como metálicas, dependiendo de la disipación de potencia que necesiten. En muchos casos, la cápsula no está "moldeada", sino que simplemente consiste en una resina epoxi que protege el circuito. En el mercado se encuentran circuitos híbridos para módulos de RF, fuentes de alimentación, circuitos de encendido para automóvil, etc. http://www.cad.com.mx/historia_del_microchip.htm GONZALO PINTO UNACH
  17. 17. CIRCUITO INTEGRADO BIOGRAFÍA DE ALGUNOS CIENTÍFICOS QUE CREARON LOS CIRCUITOS INTEGRADOS BIOGRAFÍA ROBERT NOYCE Robert Noyce Foto: Intel Archivos del Museo Robert Noyce desarrolló en los laboratorios Fairchild la idea del circuito integrado casi al mismo tiempo que Jack St. Clair Kilby. De hecho, la patente de Noyce, de alcance más restringido y presentada con posterioridad, fue aprobada el 25 de abril de 1961, antes que la de Kilby, quien siempre reconoció el trabajo pionero de su colega. En 1968 Noyce y Gordon Moore fundaron Intel, actualmente la mayor compañía de semiconductores del mundo. BIOGRAFÍA JACK ST. CLAIR KILBY GONZALO PINTO UNACH
  18. 18. CIRCUITO INTEGRADO http://helmutsy.homestead.com/files/computacion/Historia/historia_computadores_6.htm#_ EL_PRIMER_CHIP_MICROPROCESADOR Jack Kilby se graduó de ingeniero eléctrico en 1947. Cursó algunas materias opcionales sobre tubos de vacío, en el momento en que la tecnología comenzaba a volverse obsoleta por la invención del transistor. A continuación obtuvo su maestría en la Universidad de Wisconsin, mientras trabajaba en Milwaukee a tiempo completo para la división Centralab de Globe Union, un fabricante de componentes electrónicos para productos de consumo masivo. En 1958, Kilby se mudó a Dallas para trabajar en TI (Texas Instruments) en la miniaturización de componentes. Allí logró construir el primer prototipo de un circuito integrado en germanio. Lo presentó el 12 de septiembre, patentando luego su invención. GONZALO PINTO UNACH
  19. 19. CIRCUITO INTEGRADO A continuación Kilby lideró la aplicación de su invento a equipos militares y al primer ordenador basado en microchips. También inventó la primera calculadora portatil y la primera impresora térmica, para ser usada junto a colectoras de datos. En 1970 aprovechó un permiso laboral para trabajar en forma independiente en la utilización de semiconductores para la generación de energía eléctrica a partir de la luz solar. Fue acreedor a más de 60 patentes. Desde 1978 hasta 1984 fue profesor distinguido de la Universidad A&M. Entre los numerosos premios y distinciones que recibió, en 2000 le fue otorgado el premio Nobel de Física. Kilby siempre reconoció el trabajo pionero de Robert Noyce, quien desarrolló una idea similar en los laboratorios Fairchild casi al mismo tiempo. NOTAS De hecho, la patente de Noyce, de alcance más restringido y presentada con posterioridad, fue aprobada antes que la de Kilby. OTRAS FUENTES DE INFORMACIÓN  Página sobre Jack Kilby en TI (en inglés)  Autobiografía Tomada de Les Prix Nobel. The Nobel Prizes 2000, Editor Tore Frängsmyr, [Nobel Foundation], Stockholm, 2001 (en inglés).  Patente US3138743 Circuito electrónico miniaturizado (en inglés).  Patente US3138747 Dispositivo semiconductor circuito integrado (en inglés).  Patente US3261081 Método de fabricación de circuitos electrónicos miniaturizados (en inglés).  Patente US3434015 Capacitor para circuitos electrónicos miniaturizados o similares. (en inglés). GONZALO PINTO UNACH
  20. 20. CIRCUITO INTEGRADO TEXAS INSTRUMENTS Texas Instruments (TI) es una compañía que se dedica al desarrollo y comercialización de semiconductores y tecnología informática en Texas (Estados Unidos). Texas Instruments fue fundada en diciembre de 1941 con el objetivo de proporcionar servicios sismológicos para la exploración petrolíferea. Durante la Segunda guerra mundial fabricó componentes electrónicos para la industria militar estadounidense. Algunos de sus inventos fueron la creación de la primera radio de transistores en 1954. En 1959 presentaron la primera patente para el circuito integrado que, posteriormente, se extendería a los circuitos de computación. Texas Instruments ha desarrollado su actividad en el mercado de electrónica de consumo durante las siguientes décadas. Por ejemplo, en los ochenta comercializó el ordenador personal TI99/4, que sería un competidor del ya clásico Commodore 64. Actualmente, es más conocida por sus calculadoras. En 1990 lanzaría una calculadora gráfica, la TI-81, cinco años después de que Casio comercializase la primera calculadora de estas características. ESTRUCTURA DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS GONZALO PINTO UNACH
  21. 21. CIRCUITO INTEGRADO 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. GONZALO PINTO UNACH
  22. 22. CIRCUITO INTEGRADO Mediante un proceso de revelado, el químico se deposita en las regiones descubiertas por la luz e ignora las encubiertas por la mascara. Estas últimas 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. GONZALO PINTO UNACH
  23. 23. CIRCUITO INTEGRADO ACTUALMENTE, LA PRODUCCIÓN DE CHIPS Hoy en día la producción de chips se basa en la fotolitografía. En la fotolitografía una alta energía de la radiación UV-luz a través de una máscara en un trozo de silicio cubierto con una película fotosensible. La máscara se describe las partes del chip y la luz UV sólo llegará a las zonas no cubiertas por la máscara. GONZALO PINTO UNACH
  24. 24. CIRCUITO INTEGRADO Cuando la película se desarrolla, las áreas afectadas por la luz se retiran. Ahora, el chip tiene áreas no protegidas y protegidas que forman un patrón que es el primer paso a la final de los componentes del chip. A continuación, las áreas no protegidas son procesadas por lo que sus propiedades eléctricas cambian. Una nueva capa de material, se añade, y todo el proceso se repite para construir el circuito, capa por capa. Cuando todos los componentes se han hecho y el circuito se completa una capa de metal, se añade. Al igual que antes, una capa de película fotosensible, se aplica y se expone a través de una máscara. Sin embargo, esta vez la máscara utilizada describe el diseño de los cables que conectan todas las partes del chip. La película se desarrolla y las partes no expuestas se eliminan. A continuación, el metal no protegido con una película se retira para formar los cables. Finalmente, el chip se ha probado y empaquetado. Cuando la fabricación de chips de hoy, un proceso llamado "paso" se utiliza a menudo. En una oblea de silicio grande, los chips se hacen uno al lado del otro. La oblea de silicio se mueve en pasos bajo la máscara y la luz UV para exponer la hostia. De esta manera, el chip después se puede hacer usando la misma máscara cada vez. A continuación se muestra una descripción más secuencial del proceso de hacer un circuito integrado moderno. Pero primero vamos a echar un vistazo en el lugar especial donde los circuitos integrados son producidos, como la sala limpia. GONZALO PINTO UNACH
  25. 25. CIRCUITO INTEGRADO La Sala Limpia - Niño frente a "traje de conejo"Foto: Intel Archivos del Museo Los tamaños de los componentes en los chips producidos en una planta de chips de fabricación modernos son extremadamente pequeños. Para una mejor comprensión de lo pequeños que son, recoger un pelo de la cabeza y cortar por la mitad. Ahora mira la sección transversal. En esta pequeña área, difícil de ver a simple vista, se puede incorporar a miles de transistores modernos. Con este pequeño tamaño, la producción de un chip exige precisión a nivel atómico. Partículas diminutas como un pelo, una mota de polvo, una célula de la piel muerta, bacterias o incluso las partículas individuales del humo del tabaco se convierten en objetos grandes que son lo suficientemente grandes como para arruinar un chip. Por lo tanto, la producción de chips se lleva a cabo en una sala limpia. Esta es una sala especialmente diseñada, donde los muebles se construyen a partir de materiales especiales que no emiten partículas, y en los filtros de aire extremadamente eficaz y los sistemas de circulación de aire cambia el aire por completo hasta diez veces por minuto. GONZALO PINTO UNACH
  26. 26. CIRCUITO INTEGRADO A fin de evitar la contaminación, los trabajadores usan trajes especiales llamados "trajes de conejo". Estos equipos de protección están hechos de material ultra limpio y, a veces tienen sus propios sistemas de aire filtrado. ACTUALMENTE, LA PRODUCCIÓN DE CHIPS - EN DETALLE La construcción de un circuito integrado como un chip de computadora es un proceso muy complejo. Se divide en dos partes principales, frontal y parte trasera. En la parte delantera, que hacen los componentes del circuito. En la parte final, se agrega de metal para conectar los componentes y luego la prueba y el paquete de chips. A continuación se muestra una descripción simplificada de los pasos. CONSTRUCCIÓN DE LOS COMPONENTES 1. Al igual que en la construcción de una casa, usted necesita un plan de construcción para la construcción de un chip. Los planes de construcción para el chip fabricado y probado con un ordenador. 2. De los planes de construcción, máscaras con el diseño de circuitos se realizan. 3. En condiciones de controlar con precisión, un cristal de silicio puro se cultiva. Fabricación de circuitos requiere el uso de cristales con un grado extremadamente alto de perfección. 4. El silicio se corta en finas obleas con una sierra de diamante. Las obleas son pulidas entonces en una serie de pasos hasta que su superficie tiene un perfecto acabado de espejo GONZALO PINTO UNACH
  27. 27. CIRCUITO INTEGRADO 5. La oblea de silicio se cubre con una capa aislante de óxido de silicio. 6. Una película de revestimiento de material de protección se coloca en la parte superior del aislante de óxido de silicio. Este material, un poco como la película en cualquier cámara común y corriente, es sensible a la luz. 7. UV-luz a través de una máscara y en el chip. En las partes del chip que se ven afectados por la luz, el material protector se rompe. 8. La oblea se desarrolla, lavados y cocidos. El proceso de desarrollo elimina las partes del material de protección a la luz. 9. La oblea es tratada con productos químicos en un proceso llamado "grabado". Esto elimina el material sin protección aislante, creando un patrón de las partes no protegidas de obleas de silicio rodeado de áreas protegidas por el óxido de silicio. 10. La oblea se ejecuta a través de un proceso que altera las propiedades eléctricas de las áreas no protegidas de la oblea. Este proceso se conoce como "dopaje". Pasos 5-10 se repiten para construir el circuito integrado, capa por capa. Otras capas de la realización o el aislamiento de las capas también se pueden añadir para que los componentes. Back End - La adición de los cables de conexión GONZALO PINTO UNACH
  28. 28. CIRCUITO INTEGRADO 11. Finalmente, cuando todos los componentes del chip están listas, el metal se añade para conectar los componentes entre sí en un proceso llamado metalización. Esto se hace de una manera similar a la fabricación de los componentes. En primer lugar la realización de un metal como el cobre se deposita sobre el chip. 12. En la parte superior del metal una capa de UV-fotosensible resistir, se añade. 13. A continuación, una máscara que describe la disposición deseada de los alambres de metal que conectan los componentes del chip se utiliza. UV-luz a través de esta máscara. La luz incide en la foto resistente que no está protegida por la máscara. 14. En el paso siguiente, se utilizan productos químicos para quitar la foto resistir afectada por la luz ultravioleta. 15. Otro paso de grabado remueve el metal que no están protegidos por la foto resistir. 16. Esto deja a un patrón de metal que es lo mismo que el descrito por la máscara. Ahora, el chip tiene una capa de hilos que conectan sus diferentes componentes. 17. Hoy en día, la mayoría de circuitos integrados necesitan más de una capa de cables. Circuitos avanzados pueden necesitar hasta cinco capas diferentes de metal para formar todas las conexiones necesarias. En la última imagen que hemos GONZALO PINTO UNACH
  29. 29. CIRCUITO INTEGRADO añadido una nueva capa de metal para nuestro ejemplo. Como puede ver, una capa de material aislante se coloca entre las dos capas de metal para evitar que los cables de conexión en los lugares equivocados. Por supuesto, para añadir la segunda capa que tenía que pasar por los mismos pasos que cuando se agrega la primera capa de metal. 18. Cuando la capa final de la conexión de cables de metal se han añadido, los chips en la oblea de silicio se ponen a prueba para ver si llevan a cabo según lo previsto. 19. Los chips en la oblea se separan con una sierra de diamante de forma individual los circuitos integrados. 2 0. Por último, cada chip se coloca en la caja de protección y sometidos a otra serie de pruebas. El chip ya está terminado y listo para ser enviado a los fabricantes de dispositivos digitales de todo el mundo. 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 GONZALO PINTO UNACH
  30. 30. CIRCUITO INTEGRADO 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 más 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. GONZALO PINTO UNACH
  31. 31. CIRCUITO INTEGRADO 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: 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. 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. GONZALO PINTO UNACH
  32. 32. CIRCUITO INTEGRADO 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-pullminimizándose 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. GONZALO PINTO UNACH
  33. 33. CIRCUITO INTEGRADO 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. GONZALO PINTO UNACH
  34. 34. CIRCUITO INTEGRADO 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. 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 GONZALO PINTO UNACH
  35. 35. CIRCUITO INTEGRADO entrada se especifica en la relación de rechazo al modo común. El componente representativo es el Sprague ULN-2047. Amplificador Diferencial AMPLIFICADOR DE AISLAMIENTO. Consistente en varias etapas de amplificación, el amplificador de entrada está, bien eléctricamente bien ópticamente aislado de la salida. 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. GONZALO PINTO UNACH
  36. 36. CIRCUITO INTEGRADO CIRCUITOS INTEGRADOS DE CONSUMO Los circuitos integrados englobados en esta categoría son aquellos que ofrecen los fabricantes para uso en equipos clasificados como de (electrónica de consumo). 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 su circuito integrado personalizado 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. GONZALO PINTO UNACH
  37. 37. CIRCUITO INTEGRADO 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. 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. 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. GONZALO PINTO UNACH
  38. 38. CIRCUITO INTEGRADO 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 GONZALO PINTO UNACH
  39. 39. CIRCUITO INTEGRADO 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 GONZALO PINTO UNACH
  40. 40. CIRCUITO INTEGRADO la ganancia. Además, los componentes externos son necesarios para construir los circuitos tanques 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 RECEPCIÓ 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: GONZALO PINTO UNACH
  41. 41. CIRCUITO INTEGRADO 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. 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 con el circuito integrado, 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 (inicialización), que provocara el retorno del temporizador a su hora original; un control de (repetición), que permitirá al temporizador la repetición de la operación tantas veces como este control se active, y un control de (cancelación), 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 GONZALO PINTO UNACH
  42. 42. CIRCUITO INTEGRADO 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. 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 seria 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. GONZALO PINTO UNACH
  43. 43. CIRCUITO INTEGRADO El componente representativo es el Fairchild uA 7300. CALCULADORA DE CINCO FUNCIONES Este circuito integrado lleva acabo las cuatro funciones básicas de cálculo, 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 más 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 más 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. GONZALO PINTO UNACH
  44. 44. CIRCUITO INTEGRADO 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 (incremento) 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 (reinicializacion) provoca el retorno a 1:00 del reloj. LOS PARÁMETROS FUNDAMENTALES SON: GONZALO PINTO UNACH
  45. 45. CIRCUITO INTEGRADO 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. 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. El componente representativo es el Texas Instruments SN94281. GONZALO PINTO UNACH
  46. 46. CIRCUITO INTEGRADO 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 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 GONZALO PINTO UNACH
  47. 47. CIRCUITO INTEGRADO usuario con el dispositivo al efecto. La decisión relativa a que tipo emplear se basa en criterios de velocidad, costo, flexibilidad, etc. 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 más deberá dirigirse a los catálogos de datos del fabricante. El componente representativo es el Intel 80386. MICROPROCESADOR DE 16 BITS. El microprocesador 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 GONZALO PINTO UNACH
  48. 48. CIRCUITO INTEGRADO 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. 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, GONZALO PINTO UNACH
  49. 49. CIRCUITO INTEGRADO o bien de un periférico. El término 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 número de conversores analógicos-digitales (ADC) específicos para una 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. 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 es 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. GONZALO PINTO UNACH
  50. 50. CIRCUITO INTEGRADO Diagrama de bloques de un conversor A/D por aproximaciones En número 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. Señal en escalera. GONZALO PINTO UNACH
  51. 51. CIRCUITO INTEGRADO 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. Para la generación de esta rampa se utiliza un integrador. Esquema de bloques de un conversor A/D de doble rampa. 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. 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. GONZALO PINTO UNACH
  52. 52. CIRCUITO INTEGRADO 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. 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. GONZALO PINTO UNACH
  53. 53. CIRCUITO INTEGRADO 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 usa 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 emplean 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 emplea para producir sonido en video-juegos, alarmas, muñecas e indicadores de control. GONZALO PINTO UNACH
  54. 54. CIRCUITO INTEGRADO 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 ejército. 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. GONZALO PINTO UNACH
  55. 55. CIRCUITO INTEGRADO TERCERA GENERACION TOMADO DE OTRO ARTÍCULO (1965-1975) La tercera generación de ordenadores se caracteriza por la utilización de circuitos integrados. El primer circuito integrado apareció en 1958 y su divulgación comercial empezó en 1961. Los circuitos integrados se basan en el encapsulamiento de gran cantidad de componentes elementales (resistencias, transistores, diodos, etc) interconectados entre sí. Esto supuso la minimización de los ordenadores, así como el aumento notable de la velocidad. http//1.bp.blogspot.com/_WF5ojAPJOZg/TGcir0_E7HI/circuito_integrado.jpg Circuito integrado LA LLEGADA DE LA CUARTA GENERACIÓN Como hemos podido observar, ya en los años 60 estaban sentadas las bases sobre las que descansan los diseños de las computadoras modernas. Apenas unos años después, en la década del 70, la invención del microprocesador contribuyó a la llegada de la cuarta generación, antecesoras casi directas, en cuanto a conceptos de diseño, de los equipos actuales. Además, comenzaban a aparecer las primeras computadoras hogareñas, con las que muchos de nosotros nos iniciamos, verdaderas responsables, en definitiva, de la universalización de las computadoras. http://estaciondetransito.com.ar/estaciondetransito/?cat=15&paged=2 GONZALO PINTO UNACH
  56. 56. CIRCUITO INTEGRADO Cuarta generación (1975-1990) Esta generación la componen los ordenadores que integran toda la CPU en un solo circuito integrado, es decir, aquellos que poseen un microprocesador como cerebro del ordenador. En esta generación empiezan a aparecer los ordenadores personales. Tambien se perfeccionaron las unidades de almacenamiento y se empezó a utizar el disquete o disco flexible. Comenzaron a proliferar las redes de ordenadores para la transmisión de datos. El primer microprocesador que se creó fue el Intel 4004 en 1971 aunque este no tenía una finalidad informática. Posteriormente aparecierón otros microprocesadores como el intel 8086, 80286, etc. Microprocesador IBM PC XT 5160 Quinta generación (1990 - 2000) Los avances en microelectrónica y computación junto con la gran competencia entre las principales empresas de informática han provocado la proliferación de un gran número de dispositivo electronicos de pequeño tamaño pero de gran capacidad de cálculo. Estos dispositivos permiten tener la capacidad de cálculo de un ordenador en la palma de la mano. GONZALO PINTO UNACH
  57. 57. CIRCUITO INTEGRADO http://mariateresacuart.blogspot.com/p/historia-de-la-computadora.html EL CIRCUITO INTEGRADO: EL BOOM DE LA MINIATURIZACIÓN A menudo descubrimientos clave han ocurrido de manera casi simultánea en distintos lugares del mundo, y lo mismo sucedió con la creación del circuito integrado. En 1952, el científico británico Geoffrey Dummer, especialista en radares, publicó un escrito en donde describía el concepto de circuito integrado. Sin embargo, nunca alcanzó a desarrollar un prototipo. En 1959, con apenas meses de diferencia, dos investigadores norteamericanos lograron construir prototipos funcionales de circuitos integrados y obtuvieron patentes por sus emprendimientos. Uno de ellos, Jack St. Clair Kilby, comenzó a trabajar en Texas Instruments en 1958, y, por ser un nuevo empleado, no contó con vacaciones. A Kilby se le pidió investigar un problema conocido como “Tyranny of numbers”, al que se dedicó, en soledad, durante todo el verano. Consistía, básicamente, en que la elevada cantidad de componentes que tenían las computadoras de la época (recordemos las 17.500 válvulas de ENIAC) habían aumentado exponencialmente la cantidad de conexiones que se requería entre los mismos a un nivel ingobernable. Cada una de estas conexiones, por lo general, eran puntos de soldadura manuales y, por lo tanto, potenciales fallas muy difíciles de diagnosticar. GONZALO PINTO UNACH
  58. 58. CIRCUITO INTEGRADO La solución que Kilby pensó constaba en fabricar todos los componentes necesarios para un circuito sencillo en masa, en una única pieza de material semiconductor. Para su prototipo utilizó Germanio montado sobre placas de vidrio. Al prototipo conectó un osciloscopio en el que se podía observar una onda senoidal, producto del correcto funcionamiento del circuito. Su idea gozó de aceptación entre los ejecutivos de TI, pero estos, habiendo aprendido la lección de Bell y su uso de la radio para popularizar los transistores, le pidieron a Kilby que desarrollara las primeras calculadoras miniaturizadas. La receta tuvo éxito nuevamente y tanto las minicalculadoras electrónicas de Texas Instruments como los circuitos integrados se vendieron como pan caliente. Kilby, quien también concibió las primeras impresoras térmicas que se comercializaron, obtuvo, en el año 2000, el premio Nobel de física por su vital invención. El otro investigador que, en 1959, logró fabricar un circuito integrado funcional fue Robert Noyce. Denominado como “el alcalde de Silicon Valley”, Noyce fue cofundador de dos empresas muy importantes: Fairchild Semiconductor y nada menos que de Intel. Noyce presentó, apenas seis meses después que Kilby, un prototipo de circuito integrado más complejo, conocido, en ese entonces, como “circuito unitario”. Su concepto era más similar al diseño de los integrados actuales que el prototipo de Kilby. Robert, además, (a diferencia de otros pioneros, que se atribuyeron ideas ajenas) dió crédito a su colega Kurt Lehovec, profesor de la USCLA, como autor de investigaciones fundamentales sobre el tema, de las que se sirvió para su trabajo. Lehovec todavía vive, está retirado hace años y se dedica a escribir poesía. Pero volviendo a Noyce, en 1968, junto a Gordon Moore (autor de la famosa ley que enuncia que la cantidad de transistores dentro de un integrado se duplica cada 24 meses) fundó Intel Corporation, la mayor empresa de fabricación de semiconductores del mundo. GONZALO PINTO UNACH
  59. 59. CIRCUITO INTEGRADO Primeros Equipos Con Ics Los circuitos integrados tardaron escasos años en ser adoptados por los grandes fabricantes de computadoras. Una de las primeras computadoras en utilizarlos fue la computadora de navegación del Apolo, el programa espacial que llevó al hombre a la Luna; también se los usó, inicialmente, en sistemas de navegación de misiles balísticos. En 1964, Digital Equipment Corporation (DEC) lanzó al mercado la primera minicomputadora, la PDP-8. Por cierto, el término “minicomputadora” se debía, naturalmente, a que el circuito integrado había permitido fabricar equipos mucho más poderosos, pero, sobre todo, más reducidos en tamaño y más eficientes en relación al consumo de energía con respecto a sus antecesores de la década del 50 (de la legendaria ENIAC se decía que, cuando se ponía en marcha, todas las luces de Filadelfia disminuían apreciablemente su brillo). La PDP-8 costaba unos módicos 16.000 dólares. Su memoria era de 4096 words de 12 bits, expandible a 32.768 words (equivalentes a 48 KB). Su memoria de núcleo magnético tenía tiempos de acceso de 1,5 microsegundos. La PDP-8 se vendió durante muchos años, en los cuales se la fue mejorando considerablemente, totalizando su venta las 300.000 unidades. GONZALO PINTO UNACH
  60. 60. CIRCUITO INTEGRADO En sus inicios, se programaba directamente en lenguaje máquina. Luego, se utilizó un ensamblador, y, años después, se fueron lanzando compiladores para distintos lenguajes, como FORTRAN y BASIC. El Sistema Operativo que usaba era OS/8, que podía bootear el equipo en medio segundo desde el disco rígido. IBM, en cambio, tardó en adoptar esta tecnología para sus equipos. Para empezar, a diferencia de casi todas las tecnologías incluidas en sus computadoras, la misma no había sido inventada por ellos. Por otro lado, a los ingenieros de IBM no les gustaba la idea de servirse de ICs como memoria, ya que estaban acostumbrados a la memoria de núcleo magnético, que retenía su contenido al apagar el equipo. Sin embargo, eventualmente, la System/370, lanzada al mercado en 1970, utilizó también memorias basadas en circuitos integrados. EL PRIMER CIRCUITO INTEGRADO DE LA HISTORIA http://estaciondetransito.com.ar/estaciondetransito/imagenes/20081002-Kilbyfirstcircuit.jpg La fotografía de arriba muestra el primer circuito integrado de la historia. Fue ideado por Jack Kilby, un ingeniero electrónico que a mediados de 1958 entró a trabajar en Texas Instruments y que, al no tener derecho a vacaciones, dedicó ese verano a tratar de hallar una solución para 'la tiranía de los números, un problema que por aquél entonces preocupaba sobremanera a sus colegas de profesión, que veían cómo los diseños GONZALO PINTO UNACH
  61. 61. CIRCUITO INTEGRADO que realizaban necesitaban cada vez de más y más componentes, lo que en la práctica los hacía muy complejos y provocaba que, entre otras cosas, se multiplicaran los fallos en algunas de las miles de soldaduras que en ocasiones se debían realizar. Finalmente, Kilby concluyó que la solución a todos los males pasaba por incluir los componentes de los circuitos en una única pieza de material semiconductor, ya que de esta manera se minimizarían considerablemente los errores que ocasionaban, por ejemplo, las malas conexiones. De inmediato se puso manos a la obra y el 12 de septiembre de ese mismo año ya tuvo listo un primer prototipo construido sobre una pieza de germanio que presentó a la dirección de la compañía. Tras mostrárselo, conectó al circuito integrado un osciloscopio y en la pantalla de éste último apareció una onda sinusoidal, demostrando que su invento funcionaba correctamente. Sólo unos meses después, consiguió la patente número 3.138.743 que reconocía su trabajo. Hubo de pasar más, mucho más tiempo, para que sus méritos se vieran recompensados como merecían: en el año 2000, cuando ya contaba con 77 años, Jack Kilby fue galardonado con el Premio Nobel de Física. http://www.abadiadigital.com/articulo/el-primer-circuito-integrado-de-la-historia/ CIRCUITOSINTEGRADOSTEMPORIZADORES INTRODUCCIÓN Ante la necesidad de obtener circuitos generadores de pulsos, multivibradores (temporizadores) se crearon circuitos basados en amplificadores operacionales en distintas aplicaciones. Sin embargo en 1972 la compañía Signetics introdujo en el mercado un nuevo componente, que no solo cumplía con estas necesidades, sino que mejoraba los resultados obtenidos por los circuitos basados en amplificadores operacionales en muchos aspectos. GONZALO PINTO UNACH
  62. 62. CIRCUITO INTEGRADO Hoy en día el 555 sigue siendo un componente básico en la construcción de circuitos multivibradores, generadores de pulsos, divisores de frecuencia... La principal ventaja del 555 radica en que consigue temporizaciones más precisas. Además, al ser un circuito integrado reduce el número de conexiones a la vez que el precio, factor que todo ingeniero debe tener en cuenta a la hora del diseño. Circuito Integrado 555 CONOCIMIENTOS PREVIOS DIODO RECTIFICADOR: El diodo rectificador esta constido por una union PN simple, de modo que la corriente solo puede atrvesarlo en un sentido, de anodo (+) a catodo (-); si se polariza inversamente circula una pequeña corriente de fugas despreciable en la mayoria de los casos. Se puede GONZALO PINTO UNACH
  63. 63. CIRCUITO INTEGRADO polarizar directa e inversamente: en la polarizacion directael positivo de la bateria esta conectado al anodo del diodo y en la inversa, mientras que en la inversa se conecta al catodo. Si la tension aplicada es directa el diodo conduce, mientras que si la tension es inversa, solo circula una pequeña corriente de fugas. Para los valores de intensidad habituales, la tension en bornes del diodo es de unos 0.7V, pasando a 1.1V para una corriente de 1 amperio. DIODO ZENER: Si preparamos una union PN de modo que trabaje en polarizacion inversa, nos encontramos con que a partir de una cierta intensidad la caida de tension es connstante. Asi pues un diodo zener devera polarizarse siempre inversamente, esto es, con el positivo conectado al catodo (-) del diodo. No se diferencia de los diodos rectificadores más que por su tamaño que es más pequeño. La tension de zener (Vz) depennde de la construccion del componente, Asi podemos encontrar ceners en el mercado de diversas tensiones, desde 0,7V hasta 100V sin ningun tipo de escala de valores normalizados. DIODO LED: Un tipo muy particular de unión PN preparada de tal manera que al circular una intensidad desprende energía luminosa; a estos diodos se les denomina diodos emisores de luz o LED abreviadamente. Se polarizan directamente, de anodo a catodo. Soporta tensiones inversas medias y es posible modularlo en frecuencia. En la mayoría de los casos, la caída de tension en el diodo led suele oscilar entre 1.7V y 2.2V, sugiriéndose intensidad de funcionamiento del orden de los 10mA. EL RELE: Es un componente electromagnetico de interconexion entre circuitos de control y circuitos a controlar. GONZALO PINTO UNACH
  64. 64. CIRCUITO INTEGRADO Un rele consiste en una bobina arrollada sobre un soporte metalico de modo que, al circular por las espiras de la bobina una cierta corriente, provoca la atraccion de una lamina sobre el soporte metalico que activada unos contactos electricos asociados. Debemos conocer dos prametros basicos. • Bobina: tension de alimentacion y consumo. • Contactos: corriente maxima admisible DESCRIPCIÓN El circuito integrado 555 presenta varios tipos de encapsulado: a. 8 patillas en MINIDIP en plástico b. Cápsula DIP de 14 patillas c. Encapsulado metálico TO-99 Estando las dos últimas casi en desuso (a lo largo de la práctica usaremos el DIP 8 patillas). FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO INTEGRADO NE 555: La tensión de funcionamiento del 555 va de 5V a 20V. Interiormente, en la patilla 8 va conectado un divisor de tensión mediante 3 resistencias. La patilla 6 es una de las importantes, sale del comparador superior y cuando la tension de referencia, en la patilla 6, sea mayor a dos tercios de Vcc, entonces este comienza a funcionar llegando al flip flop y sacando un uno, donde llega a un transistor que en este momento actua como un interruptor cerrado y tambien llega a la salida invirtiendo esta señal que entra y transformandola en 0. La patilla 5 es la entrada negativa del comparador superior. La patilla 2 es la entrada negativa del comparador inferior, cuando este tiene una tensión de referencia inferior a un tercio de Vcc, entonces el comparador inferior empieza a funcionar, dando un impulso al flip flop saliendo de el un 0, entonces llega al transistor que al no llegar tensión a la GONZALO PINTO UNACH
  65. 65. CIRCUITO INTEGRADO Base de este, funciona como interruptor cerrado, y llegando a la salida que invirtiéndolo saca un 1 ósea vcc. La patilla 1 va directamente a masa. La patilla 7 es la de descarga del condensador. La patilla 3 es la salida. La patilla 4 es el reset. La patilla 8 es +VCC. ESTRUCTURA INTERNA La circuitería interna del 555 según National Semiconductors, es la siguiente: GONZALO PINTO UNACH
  66. 66. CIRCUITO INTEGRADO El diagrama de conexión COMPARADORES: Ofrecen a su salida dos estados perfectamente diferenciados (alto y bajo)en función de las tensiones aplicadas a sus entradas(+ y -), de tal forma que : si V(+)>V(-), la salida toma un nivel alto GONZALO PINTO UNACH
  67. 67. CIRCUITO INTEGRADO si V(+)<V(-), la salida toma un nivel bajo No se contempla el caso V(+)=V(-), ya que una muy puqueña variación entre ambas haces que la salida adopte el nivel determinado por el sentido de dicha variación. Flip-flop (biestable RS): Su funcionamiento responde al de cualquier biestable, ofreciendo dos estados permanentes. Presenta dos entradas de activación R y S, que condicionan su salida Q : Si R pasa de nivel bajo a alto, hace que el biestable pase a nivel bajo.Si S pasa de nivel bajo a alto, el biestable pasa a nivel alto. El paso de R o S de estadoalto a bajo no influye al biestable Divisor de tensión: Está formado por tres resistencias iguales (valores típicos: 5kW). Su comportamiento caracteriza el estado de los comparadores. Sitúa 1/3Vcc en la entrada no inversora del comparador I, y 2/3 Vcc en la inversora del comparador II. Transistores : T1 descarga el condensador que se colocará externamente. T2 se encarga de resetear el flip-flop, poniéndolo a nivel alto independientemente de los niveles de R y S. Etapa de salida: La etapa de salida suele tener la siguiente forma: Vin=0 Þ Vout=1 Vin=1 Þ Vout=0 La patilla 5 "control" permite variar los niveles de comparación a valores distintos de los fijados por el divisor de tensión, lo que aumenta la versatilidad del circuito. En caso de no utilizar esta posibilidad es recomendable utilizar un condensador (valor típico: 0.01 m F) que aumenta la inmunidad al ruidoy disminuye el rizado de las tensiones de comparación. CARACTERÍSTICAS GENERALES GONZALO PINTO UNACH
  68. 68. CIRCUITO INTEGRADO • Elevada estabilidad térmica: variación del orden de 0.005 por 100ºC. • El 555 se alimenta entre +Vcc y masa (no +Vcc y -Vcc como estamos acostumbrados). El margen de tensiones se sitúa entre 4.5 y 18V, lo que le permite ser compatible con tecnología digital TTL, CMOS... • Corriente de salida de hasta 200 mA tanto entregada como absorbida, lo que en muchos casos hace necesario el uso de circuitos exteriores para excitar a la carga. • Impedancia de salida baja 10W. • Es un componente de rápida respuesta que puede trabajar a frecuencias mayores de 500 kHz. Con tiempo de subida y bajada del orden de 100 ns, independientemente de la tensión de salida. APLICACIONES EL MULTIVIBRADOR ASTABLE CON EL NE555: A continuación, se muestra el circuito para que el 555 funcione en modo astable: Este circuito funciona solo aplicándole una +Vcc sin necesidad de ningún impulso. Cuando se le aplique la alimentación el circuito en la salida nos alterna de nivel alto a nivel bajo continuamente y con una frecuencia constante que le dan los componentes externos del circuito. GONZALO PINTO UNACH

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