Diferentes tipos de circuitos integrados | Tipos de CI

Todos los aparatos electrónicos que utilizamos en nuestro día a día, como los teléfonos móviles, los ordenadores portátiles, los frigoríficos, los ordenadores, los televisores y todos los demás dispositivos eléctricos y electrónicos están fabricados con algunos circuitos simples o complejos. Los circuitos electrónicos se realizan utilizando múltiples componentes eléctricos y electrónicos conectados entre sí mediante cables de conexión o conductores para el flujo de la corriente eléctrica a través de los múltiples componentes del circuito, como resistencias, condensadores, inductores, diodos, transistores, etc. Los circuitos pueden clasificarse en diferentes tipos en función de distintos criterios, como por ejemplo, en función de las conexiones: circuitos en serie y circuitos en paralelo; en función del tamaño y el proceso de fabricación del circuito: circuitos integrados y circuitos discretos; y, en función de la señal utilizada en el circuito: circuitos analógicos y circuitos digitales. En este artículo se presenta una visión general de los diferentes tipos de circuitos integrados y sus aplicaciones.


¿Qué es un circuito integrado?

El circuito integrado o CI o microchip o chip es un conjunto de circuitos electrónicos microscópicos formado por la fabricación de varios componentes eléctricos y electrónicos (resistencias, condensadores, transistores, etc.) en una oblea de material semiconductor (silicio), que puede realizar operaciones similares a las de los grandes circuitos electrónicos discretos hechos de componentes electrónicos discretos.

Circuitos integrados

Como todos estos conjuntos de componentes, circuitos microscópicos y base de material semiconductor de las obleas se integran juntos para formar un único chip, de ahí que se llame circuito integrado o chip integrado o microchip.

Los circuitos electrónicos se desarrollan utilizando componentes electrónicos individuales o discretos con diferentes tamaños, de modo que el coste y el tamaño de estos circuitos discretos aumentan con el número de componentes utilizados en el circuito. Para superar este aspecto negativo, se desarrolló la tecnología de los circuitos integrados: Jack Kilby, de Texas Instruments, desarrolló el primer CI o circuito integrado en la década de 1950, y posteriormente, Robert Noyce, de Fairchild Semiconductor, resolvió algunos problemas prácticos de este circuito integrado.

Historia de los circuitos integrados

La historia de los circuitos integrados se inició con los dispositivos de estado sólido. La invención del primer tubo de vacío fue realizada por John Ambrose (J.A) Fleming en el año 1897, llamado diodo de vacío. Para los motores, inventó la regla de la mano izquierda. Posteriormente, en el año 1906, se inventó un nuevo vacío llamado triodo, que se utiliza para la amplificación.

Después se inventó el transistor en los Laboratorios Bell en el año 1947 para sustituir a los tubos de vacío, en parte porque los transistores son componentes pequeños que utilizan menos energía para funcionar. Se diseñaron diferentes circuitos utilizando componentes discretos separándose unos de otros, así como dispuestos en las placas de circuitos impresos controlando a través de las manos, conocidos como circuitos no integrados. Estos circuitos integrados consumen mucha energía y espacio y su salida no es tan suave.

En 1959 se desarrollaron los circuitos integrados, en los que se fabricaban varios componentes electrónicos y eléctricos sobre una única oblea de silicio. Los circuitos integrados utilizan poca energía para funcionar y proporcionan una salida suave. Además, el aumento de transistores sobre un circuito integrado también puede ser mayor.

Evolución de los circuitos integrados a partir de diferentes tecnologías

La clasificación de los CI puede hacerse en función del tamaño del chip y de la escala de integración. En este caso, la escala de integración especifica el número de componentes electrónicos colocados en un Circuito Integrado típico.
De 1961 a 1965, la tecnología de integración a pequeña escala (SSI) se utilizó para fabricar de 10 a 100 transistores en un solo chip para hacer flip flops y puertas lógicas.

De 1966 a 1970, se utilizó la tecnología de integración a media escala (MSI) para fabricar de 100 a 1000 transistores en un solo chip para hacer multiplexores, decodificadores y contadores.

De 1971 a 1979, se utilizó la tecnología de integración a gran escala (LSI) para fabricar de 1000 a 20000 transistores en un solo chip para hacer RAM, microprocesadores, ROM

De 1980 a 1984, se utilizó la tecnología de integración a muy gran escala (VLSI) para fabricar de 20000 a 50000 transistores en un solo chip para hacer microprocesadores RISC, DSP y microprocesadores de 16 y 32 bits.

Desde 1985 hasta ahora, la tecnología de integración a ultra gran escala (ULSI) se utilizó para fabricar de 50000 a miles de millones de transistores en un solo chip para hacer microprocesadores de 64 bits.

Limitaciones de los distintos tipos de circuitos integrados

Las limitaciones de los distintos tipos de circuitos integrados son las siguientes

  • La potencia nominal es limitada
  • Funciona a baja tensión
  • Genera ruido durante su funcionamiento
  • No es probable que se produzca un alto grado de PNP
  • Sus componentes dependen de la tensión, como las resistencias y los condensadores
  • Es delicado
  • La fabricación de un CI con poco ruido es difícil
  • El coeficiente de temperatura es difícil de conseguir.
  • No se puede conseguir el montaje de PNP de alto grado.
  • En el CI, cualquier com
  • En un CI, los diferentes componentes no pueden ser sustituidos, eliminados, por lo tanto, si algún componente dentro de un CI se daña, entonces el CI completo tiene que cambiar con el nuevo.
  • La potencia nominal es limitada porque no es posible fabricar CI con una potencia nominal superior a 10 vatios
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Diferentes tipos de circuitos integrados

Existen diferentes tipos de CI; la clasificación de los circuitos integrados se realiza en función de varios criterios. En la siguiente figura se muestran algunos tipos de CI en un sistema con sus nombres en forma de árbol.

Diferentes tipos de CI
Diferentes tipos de CI

En función de la aplicación prevista, los CI se clasifican en circuitos integrados analógicos, circuitos integrados digitales y circuitos integrados mixtos.

Circuitos integrados digitales

Los circuitos integrados que funcionan sólo a unos niveles definidos en lugar de funcionar a niveles globales de amplitud de señal se denominan CI digitales y se diseñan utilizando múltiples números de puertas lógicas digitales, multiplexores, flip flops y otros componentes electrónicos de los circuitos. Estas puertas lógicas funcionan con datos binarios de entrada o datos digitales de entrada, como 0 (bajo o falso o lógico 0) y 1 (alto o verdadero o lógico 1).

Circuitos integrados digitales
Circuitos integrados digitales

La figura anterior muestra los pasos que se siguen en el diseño de los típicos circuitos integrados digitales. Estos CI digitales se utilizan frecuentemente en ordenadores, microprocesadores, procesadores de señales digitales, redes informáticas y contadores de frecuencia. Hay diferentes tipos de CI digitales o tipos de circuitos integrados digitales, como los CI programables, los chips de memoria, los CI lógicos, los CI de gestión de la energía y los CI de interfaz.

Circuitos integrados analógicos

Los circuitos integrados que funcionan en un rango continuo de señales se denominan CI analógicos. Se dividen en circuitos integrados lineales (CI lineales) y en circuitos integrados de radiofrecuencia (CI de RF). De hecho, la relación entre la tensión y la corriente puede ser no lineal en algunos casos en un rango largo de la señal analógica continua.

Circuitos integrados analógicos
Circuitos integrados analógicos

El circuito integrado analógico más utilizado es un amplificador operacional o simplemente llamado op-amp, similar al amplificador diferencial, pero que posee una ganancia de tensión muy elevada. Consta de un número muy inferior de transistores en comparación con los CI digitales y, para desarrollar circuitos integrados analógicos de aplicación específica (ASIC analógicos), se utilizan herramientas de simulación por ordenador.

Circuitos integrados lineales

En un circuito integrado analógico, si existe una relación lineal entre su tensión y su corriente, se conoce como CI lineal. El mejor ejemplo de este circuito integrado lineal es el circuito integrado.741, que es un op-amp de 8 patillas DIP (Dual In-line Package),

Circuitos integrados de radiofrecuencia

En los CI analógicos, si existe una relación no lineal entre su tensión y su corriente, se denominan CI de radiofrecuencia. Este tipo de CI también se conoce como circuito integrado de radiofrecuencia.

Circuitos integrados mixtos

Los circuitos integrados que se obtienen mediante la combinación de CI analógicos y digitales en un solo chip se denominan CI mixtos. Estos CI funcionan como convertidores de digital a analógico, convertidores de analógico a digital (convertidores D/A y A/D) y CI de reloj/temporización. El circuito representado en la figura anterior es un ejemplo de circuito integrado mixto que es una fotografía del receptor de radar autorreparable de 8 a 18 GHz.

Circuitos integrados mixtos
Circuitos integrados mixtos

Los sistemas en un chip de señal mixta son el resultado de los avances en la tecnología de integración, que han permitido la integración de funciones digitales, analógicas múltiples y de RF en un solo chip.

Los tipos generales de circuitos integrados (CI) son los siguientes

Circuitos lógicos

Estos circuitos integrados están diseñados con puertas lógicas que funcionan con entrada y salida binarias (0 ó 1). Se utilizan sobre todo como tomadores de decisiones. Basándose en la lógica o tabla de verdad de las puertas lógicas, todas las puertas lógicas conectadas en el CI dan una salida basada en el circuito conectado dentro del CI, de forma que esta salida se utiliza para realizar una tarea específica prevista. A continuación se muestran algunos CI lógicos.

Circuitos lógicos
Circuitos lógicos

Comparadores

Los CI comparadores se utilizan como comparadores para comparar las entradas y luego producir una salida basada en la comparación de los CI.

Comparadores
Comparadores

Circuitos integrados de conmutación

Los interruptores o circuitos integrados de conmutación se diseñan utilizando los transistores y se utilizan para realizar las operaciones de conmutación. La figura anterior es un ejemplo que muestra un interruptor IC SPDT.

Circuitos integrados de conmutación
Circuitos integrados de conmutación

Amplificadores de audio

Los amplificadores de audio son uno de los muchos tipos de circuitos integrados que se utilizan para la amplificación del audio. Suelen utilizarse en altavoces de audio, circuitos de televisión, etc. El circuito anterior muestra el CI amplificador de audio de bajo voltaje.

Amplificadores de audio
Amplificadores de audio

Circuito integrado CMOS

Los circuitos integrados CMOS se utilizan mucho en diferentes aplicaciones, en comparación con los FET, debido a sus capacidades, como una tensión de umbral más baja y un bajo consumo de energía. Un CI CMOS incluye dispositivos P-MOS y N-MOS que se fabrican conjuntamente en un chip similar. La estructura de este CI es una puerta de polisilicio que ayuda a reducir la tensión de umbral del dispositivo, lo que permite procesarlo a niveles de baja tensión.

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Circuitos integrados reguladores de tensión

Este tipo de circuito integrado proporciona una salida de CC estable a pesar de los cambios en la entrada de CC. Los reguladores más utilizados son los CI LM309, uA723, LM105 y 78XX.

Amplificadores operacionales

Los amplificadores operacionales son circuitos integrados de uso frecuente, similares a los amplificadores de audio que se utilizan para la amplificación de audio. Estos amplificadores operacionales se utilizan con fines de amplificación, y estos circuitos integrados funcionan de forma similar a los circuitos amplificadores de transistores. La configuración de las patillas del CI de amplificador óptico 741 se muestra en la figura anterior.

Amplificadores operacionales
Amplificadores operacionales

Circuitos integrados de temporizadores

Los temporizadores son circuitos integrados de propósito especial que se utilizan para contar y llevar la cuenta del tiempo en las aplicaciones previstas. El diagrama de bloques del circuito interno del CI temporizador LM555 se muestra en el circuito anterior. Según el número de componentes utilizados (normalmente basado en el número de transistores utilizados), son los siguientes

Circuitos integrados de temporizadores
Circuitos integrados de temporizadores

Integración a pequeña escala consta de sólo unos pocos transistores (decenas de transistores en un chip), estos CI desempeñaron un papel fundamental en los primeros proyectos aeroespaciales.

Integración a media escala consiste en unos cientos de transistores en el chip de CI desarrollado en la década de 1960 y logró una mayor economía y ventajas en comparación con los CI de SSI.

Integración a gran escala consiste en miles de transistores en el chip con casi la misma economía que los CI de integración a media escala. Los primeros microprocesadores, chips de calculadora y memorias RAM de 1Kbit desarrollados en los años 70 tenían menos de cuatro mil transistores.

Integración a muy gran escala consiste en transistores de cientos a varios miles de millones de unidades (Periodo de desarrollo: desde la década de 1980 hasta 2009)

Integración a gran escala consiste en transistores de más de un millón, y posteriormente se desarrollaron la integración a escala de oblea (WSI), el sistema en un chip (SoC) y el circuito integrado tridimensional (3D-IC).

Todas ellas pueden considerarse generaciones de tecnología integrada. Los CI también se clasifican según el proceso de fabricación y la tecnología de empaquetado. Existen numerosos tipos de CI, entre los que un CI puede funcionar como temporizador, contador, registro, amplificador, oscilador, puerta lógica, sumador, microprocesador, etc.

Tipos de circuitos integrados según las clases

Los circuitos integrados se dividen en tres clases en función de las técnicas utilizadas en su fabricación.

  • Circuitos integrados de película fina y gruesa
  • CIs monolíticos
  • CI híbridos o multichip

CI finos y gruesos

En estos tipos de circuitos integrados, se utilizan componentes pasivos como condensadores y resistencias, pero los transistores y diodos se conectan como componentes separados para diseñar un circuito. Estos CI son simplemente la combinación de componentes integrados y separados y estos CI tienen características y apariencia relacionadas, aparte de la forma de deposición de la película. A partir del ICS, se puede decidir la deposición de la película de los CI finos.

Estos CI se diseñan mediante la deposición de películas de material conductor en la superficie del vidrio o en un soporte de cerámica. Cambiando el grosor de las películas sobre los materiales se obtendrá una resistividad diferente y se podrá realizar la fabricación de componentes electrónicos pasivos.

En este tipo de circuito integrado, se utiliza el método de serigrafía para realizar el modelo requerido del circuito sobre un soporte cerámico. A veces, este tipo de CI se denomina CI de película fina impresa.

Circuitos integrados monolíticos

En este tipo de circuitos integrados se pueden formar las interconexiones de los componentes activos, pasivos y discretos en un chip de silicio. Como su nombre indica, se deriva de la palabra griega como mono no es más que simple mientras que Lithos significa piedra. En la actualidad, estos CI son los más utilizados debido a su menor coste y a su fiabilidad. Los CI que se fabrican comercialmente se utilizan como reguladores de tensión, amplificadores, circuitos informáticos y receptores de AM. Sin embargo, el aislamiento entre los componentes de los CI monolíticos es pobre, pero también tienen menos potencia,

CI de paquete doble en línea (DIP)

Un paquete DIP (dual in-line package) o DIPP (dual in-line pin package) es un paquete de componentes electrónicos en términos de microelectrónica o electrónica con una placa rectangular y dos filas paralelas con pines de conexión eléctrica.

CI híbridos o multichip

Como su nombre indica, multi significa por encima de un chip individual que está interconectado. Los componentes activos, como los diodos o los transistores difusos, incluyen estos CI, mientras que los componentes pasivos son los condensadores o resistencias difusas en un solo chip. La conexión de estos componentes puede hacerse mediante prototipos metalizados. Los circuitos integrados multichip se utilizan mucho para las aplicaciones de amplificadores de alta potencia de 5 a 50 W. En comparación con los circuitos integrados monolíticos, el rendimiento de los CI híbridos es superior.

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Tipos de paquetes de CI

Los embalajes de CI se clasifican en dos tipos: los de montaje pasante y los de montaje superficial.

Envases de montaje en agujero pasante

El diseño de estos paquetes se puede realizar cuando las clavijas se fijan a través de una cara de la placa y se sueldan en el otro lado. En comparación con otros tipos, el tamaño de estos paquetes es mayor. Se utilizan principalmente en dispositivos electrónicos para equilibrar el espacio de la placa y los límites de coste. El mejor ejemplo de los paquetes de montaje con orificios pasantes son los paquetes dobles en línea, ya que son los más utilizados. Estos paquetes están disponibles en dos tipos: cerámica y plástico.

En el ATmega328, los 28 pines están situados en paralelo entre sí expandiéndose verticalmente y dispuestos en una placa de plástico negro de forma rectangular. El espacio entre pines se mantiene con 0,1 pulgadas. Además, el paquete cambia de tamaño debido a la diferencia en el número de pines en paquetes distintos. La disposición de estas patillas se puede hacer de forma que se puedan regular en el centro de una placa para que no se produzcan cortocircuitos.

Los diferentes encapsulados de CI de montaje pasante son PDIP, DIP, ZIP, PENTAWATT, T7-TO220, TO2205, TO220, TO99, TO92, TO18, TO03.

Embalaje de montaje superficial

Este tipo de embalaje sigue principalmente la tecnología de montaje que, por lo demás, sitúa los componentes directamente en la placa de circuito impreso. Aunque sus métodos de fabricación ayudan a hacer las cosas con rapidez, también aumentan las posibilidades de que se produzcan fallos debido a que los componentes son muy pequeños y están dispuestos muy cerca unos de otros. Este tipo de embalaje utiliza el moldeado de plástico o cerámica. Los distintos tipos de envases de montaje superficial que emplean moldes de plástico son el envase de contorno pequeño con forma de L y el BGA (Ball Grid Array).

Los diferentes embalajes de CI de montaje superficial son SOT23, SOT223, TO252, TO263, DDPAK, SOP, TSOP, TQFP, QFN y BGA.

Ventajas

A continuación se exponen las ventajas de los tipos de circuitos integrados.

El consumo de energía es bajo

Los circuitos integrados utilizan menos energía para funcionar correctamente debido a su menor tamaño y construcción.

El tamaño es compacto

Se puede obtener un circuito pequeño utilizando CIs para una funcionalidad determinada en comparación con el circuito discreto.

Menor coste

En comparación con los circuitos discretos, los circuitos integrados tienen un coste menor debido a sus tecnologías de fabricación y al uso de poco material.

Menos peso

Los circuitos que utilizan circuitos integrados pesan menos que los circuitos discretos

Se mejora la velocidad de funcionamiento

Los circuitos integrados funcionan a gran velocidad gracias a su velocidad de conmutación y a su bajo consumo de energía.

Alta fiabilidad

Una vez que el circuito utiliza bajas conexiones, los circuitos integrados proporcionarán una alta fiabilidad en comparación con los circuitos digitales.

  • El tamaño del CI es pequeño, pero se pueden fabricar miles de componentes en este chip.
  • Utilizando un solo chip, se diseñan diferentes circuitos electrónicos complejos
  • Debido a la producción a gran escala, estos están disponibles con menos coste
  • La velocidad de funcionamiento es alta debido a la ausencia de efecto de capacitancia parásita.
  • Desde el circuito madre, se puede cambiar fácilmente

Desventajas

Las desventajas de los distintos tipos de circuitos integrados son las siguientes

  • El calor no se puede disipar a la velocidad necesaria debido a su pequeño tamaño y el desbordamiento de la corriente puede provocar daños en el CI
  • En los circuitos integrados, los transformadores, así como los inductores, no pueden incorporarse
  • Maneja un rango limitado de potencia
  • No es posible el montaje de PNP de alto grado.
  • No se puede conseguir un coeficiente de baja temperatura
  • El rango de disipación de potencia es de hasta 10 vatios
  • No se puede obtener un funcionamiento de alta tensión y bajo ruido

Así pues, se trata de una visión general de los diferentes tipos de circuitos integrados. Los circuitos integrados convencionales se han reducido en su uso práctico, debido a la invención de la nanoelectrónica y a la miniaturización de los circuitos integrados que continúa esta tecnología nanoelectrónica. Sin embargo, los circuitos integrados convencionales aún no han sido sustituidos por la nanoelectrónica, pero el uso de los circuitos integrados convencionales está disminuyendo parcialmente. Para mejorar este artículo técnicamente, por favor, publica tus preguntas, ideas y sugerencias como comentarios en la sección de abajo.

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