Los Circuitos Integrados (CI) se definen como el circuito que comprende elementos que son inseparables e interconectados eléctricamente de tal manera que el Circuito Integrado no se puede separar por motivos de comercio y construcción. Se pueden utilizar innumerables tecnologías para construir dicho circuito. Hoy en día, lo que llamamos CI, originalmente se conocía como Circuito Integrado Monolítico. Se cree que Kilby creó el primer Circuito Integrado en funcionamiento en 1958 y ganó el Premio Nobel de Física en el año 2000 por su arduo trabajo. El primer comprador de esta invención fue la Fuerza Aérea de EE. UU.
Conozcamos más de cerca los circuitos integrados y su funcionamiento.
¿Qué es un Circuito Integrado?
El Circuito Integrado (CI), a veces llamado chip integrado o microchip, es una oblea semiconductora (de silicio) en la que se fabrican miles o millones de componentes eléctricos y electrónicos como: resistores, condensadores, transistores y diodos. Un CI puede funcionar como amplificador, oscilador, temporizador, contador, compuerta lógica, memoria del ordenador, microcontrolador o microprocesador.
Un Circuito Integrado es el elemento fundamental de todos los dispositivos electrónicos modernos. Como su nombre indica, es un sistema integrado de múltiples componentes miniaturizados e interconectados y que a la vez están incrustados en un fino sustrato de material semiconductor (normalmente cristal de silicio).
Un solo Circuito Integrado puede contener miles o millones de:
- Transistores
- Resistores
- Condensadores
- Diodos
También puede contener otros componentes, todos ellos interconectados a través de una compleja red de obleas semiconductoras, silicio, cobre y otros materiales. Cada componente es pequeño, generalmente microscópico. El circuito resultante, un chip monolítico, también es minúsculo: a menudo lo suficiente como para ocupar unos pocos milímetros cuadrados o centímetros de espacio.
Un ejemplo común de Circuito Integrado moderno es el procesador de un ordenador, que suele contener millones o miles de millones de transistores, condensadores, compuertas lógicas, etc., conectados entre sí para formar un complejo circuito digital. Aunque el procesador es un CI, no todos los CI son procesadores.
Historia y Evolución de los Circuitos Integrados
La invención del transistor en 1947 sentó las bases de la era moderna de los ordenadores.
En los primeros días, cada transistor venía en un paquete de plástico separado y cada circuito estaba formado por transistores, condensadores y resistores discretos. Debido al gran tamaño de estos componentes, los primeros circuitos integrados sólo eran capaces de albergar unos pocos en la placa de circuito.
Con el tiempo, el desarrollo de la electrónica de estado-sólido facilitó la reducción del tamaño de los componentes.
A finales de los años 50, los inventores Jack Kilby, de Texas Instruments, Inc. y Robert Noyce, de Fairchild Semiconductor Corporation, encontraron la forma de colocar finos caminos de metal en los dispositivos y hacerlos funcionar como cables. Su solución al problema del cableado entre pequeños dispositivos eléctricos fue el inicio del desarrollo del CI moderno.
Diseño y Construcción
Durante el último medio siglo, los circuitos integrados han progresado enormemente con velocidades más rápidas, mayor capacidad y tamaños más pequeños.
En comparación con los primeros días, los circuitos integrados actuales son increíblemente complejos, capaces de albergar miles de millones de transistores y otros componentes en una única y pequeña pieza de material. El Circuito Integrado moderno es una sola pieza, con componentes individuales incrustados directamente en el cristal de silicio, en lugar de simplemente montados sobre él.
Un CI se basa en múltiples niveles de abstracción. La oblea de semiconductor que compone el CI es frágil y contiene numerosas e intrincadas conexiones entre sus numerosas capas. La combinación de estas obleas se conoce como matriz.
Con millones o miles de millones de componentes en un solo chip, no es posible colocar y conectar cada componente individualmente. Las matrices son demasiado pequeñas para soldarlas y conectarlas. En su lugar, los diseñadores utilizan un lenguaje de programación especial para crear pequeños elementos de circuito y combinarlos para aumentar progresivamente el tamaño y la densidad de los componentes en el chip y satisfacer los requisitos de la aplicación.
Los circuitos integrados se «empaquetan» para convertir el delicado y diminuto matriz en un chip negro que ahora constituye la base de cientos de dispositivos, entre ellos:
- ordenadores
- teléfonos móviles y smartphones
- coches y aviones
- amplificadores
- conmutadores de red
- otros dispositivos electrónicos: lavadoras, tostadoras, microondas, televisores, etc.
Tipos de Circuitos Integrados
Cada aparato electrónico que usamos en nuestra vida diaria, como teléfonos móviles, laptops, refrigeradores, computadoras, televisores y todos los demás dispositivos eléctricos y electrónicos, se fabrican con algunos circuitos simples o complejos.
Los circuitos integrados se clasifican en circuitos integrados analógicos, circuitos integrados digitales y circuitos integrados mixtos.
Circuitos Integrados Digitales
Este tipo de CI tiene dos niveles definidos: 1 y 0, lo que implica que funcionan en matemáticas binarias en las que 1 significa encendido y 0 apagado. Dichos circuitos integrados se logran con diligencia ya que contienen múltiples flip flops, multiplexores, puertas lógicas digitales y otros componentes electrónicos, todo incorporado en un solo chip. Los Ejemplos de Circuitos Integrados Digitales incluyen microcontroladores y microprocesadores.
La figura anterior muestra los pasos involucrados en el diseño de un circuito integrado digital típico. Estos circuitos integrados digitales se utilizan con frecuencia en las computadoras, microprocesadores, procesadores de señales digitales, redes de computadoras y contadores de frecuencia. Existen diferentes tipos de circuitos integrados digitales, como:
- Circuitos Integrados Programables
- Circuitos Integrados Lógicos
- Chips de Memoria
- Circuitos Integrados de Administración de Energía
- Circuitos Integrados de Interfaz.
Circuitos Integrados Analógicos
Los Circuitos Integrados Analógicos funcionan abordando señales continuas y son capaces de realizar tareas como filtrado, Amplificación, Demodulación y Modulación, etc. Los sensores OP-AMP son esencialmente circuitos integrados analógicos.
Estos se subdividen en Circuitos Integrados Lineales y Circuitos Integrados de Radiofrecuencia. De hecho, la relación entre el voltaje y la corriente puede no ser lineal en algunos casos en un rango largo de la señal analógica continua.
El CI Analógico de uso frecuente es un amplificador operacional, similar al amplificador diferencial, pero posee una ganancia de voltaje muy alta. Consta de un número muy inferior de transistores en comparación con los circuitos integrados digitales y, para desarrollar circuitos integrados de aplicaciones especificas analógicas (ASIC analógicas), se utilizan herramientas de simulación computarizadas.
Circuitos Integrados de Señal Mixta
Los circuitos integrados que se obtienen mediante la combinación de circuitos integrados analógicos y digitales en un solo chip se denominan Circuitos Integrados de Señal Mixta.
Sin embargo, debemos mencionar los dos dispositivos que forman la base de los circuitos de señal mixta: los convertidores de datos. Estos dispositivos hacen posible el procesamiento digital en un mundo analógico, ya que convierten los datos del reino analógico al digital y viceversa. Un convertidor analógico-digital (ADC) acepta una tensión de entrada que varía continuamente y aproxima repetidamente la tensión analógica mediante números binarios; un convertidor digital-analógico (DAC) acepta números binarios como datos de entrada y genera una forma de onda analógica correspondiente.
Otros Tipos de Circuitos Integrados
Circuitos Lógicos
Estos circuitos integrados están diseñados usando puertas lógicas que funcionan con entrada y salida binaria (0 o 1). Estos se utilizan principalmente como tomadores de decisiones. Según la lógica o la 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 modo que esta salida se utiliza para realizar una tarea específica. Algunos circuitos integrados lógicos se muestran arriba.
Comparadores
Los circuitos integrados de comparación se utilizan como comparadores para comparar las entradas y luego para producir una salida basada en la comparación de los circuitos integrados.
Circuitos Integrados de Conmutación
Los circuitos integrados de conmutación se diseñan mediante el uso de transistores y se utilizan para realizar las operaciones de conmutación. La figura anterior es un ejemplo que muestra un interruptor IC SPDT.
Amplificadores de Audio
Los amplificadores de audio son uno de los muchos tipos de circuitos integrados que se utilizan para la amplificación del audio. Estos se utilizan generalmente en los altavoces de audio, circuitos de televisión, etc. El circuito anterior muestra el CI del amplificador de audio de bajo voltaje.
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 manera similar a los circuitos amplificadores de transistores. La configuración de los pines del CI del amplificador operacional 741 se muestra en la figura anterior.
Circuitos Integrados de Temporizador
Los temporizadores son circuitos integrados de propósito especial que se utilizan para contar y realizar un seguimiento del tiempo en las aplicaciones previstas. El diagrama de bloques del circuito interno del temporizador IC LM555 se muestra en el circuito anterior.
Los circuitos integrados también se clasifican según el proceso de fabricación y la tecnología de embalaje. Existen numerosos tipos de circuitos integrados entre los cuales, un circuito integrado funcionará como temporizador, contador, registro, amplificador, oscilador, puerta lógica, sumador, microprocesador, etc.
Los circuitos integrados convencionales se reducen en el uso práctico, debido a la invención de la nanoelectrónica y la miniaturización de los circuitos integrados que continúa con esta tecnología nanoelectrónica. Sin embargo, los circuitos integrados convencionales aún no han sido reemplazados por nanoelectrónicos, pero el uso de los circuitos integrados convencionales está disminuyendo parcialmente.
Para qué sirve un Circuito Integrado
El circuito integrado utiliza un material semiconductor (chips de lectura) como mesa de trabajo y con frecuencia se selecciona silicio para la tarea. Posteriormente, los componentes eléctricos como diodos, transistores y resistencias, etc. se agregan a este chip en forma minimizada. Los componentes eléctricos están unidos entre sí de tal manera que pueden realizar múltiples tareas y cálculos. El silicio se conoce como oblea en este conjunto.
Cómo Funciona un Circuito Integrado?
En el siguiente video se explica brevemente el funcionamiento de un Circuito Integrado:
Microprocesadores y Circuitos Integrados
El microprocesador es el tipo de Circuito Integrado más complicado, capaz de realizar miles de millones de operaciones por segundo. En un dispositivo informático, un microprocesador contiene la Unidad Central de Procesamiento (CPU) que hace funcionar un ordenador o la Unidad de Procesamiento Gráfico (GPU), especializada en la representación de imágenes y vídeo. Un microprocesador contiene miles de millones de transistores interconectados, cada uno de los cuales realiza una función lógica específica basada en las instrucciones del reloj.
Cuando el reloj cambia de estado, los transistores realizan las funciones lógicas (por ejemplo, cálculos) para las que están programados. La frecuencia del reloj determina la velocidad de estas funciones.
Los microprocesadores también contienen distintos tipos de posiciones de memoria predeterminadas o registros que almacenan información:
- Registro permanente: almacena instrucciones preprogramadas para diversas operaciones.
- Registro temporal: almacena los números sobre los que se va a operar y los resultados de una operación.
- Contador: contiene la dirección de memoria de la siguiente instrucción.
- Stack pointer: contiene la dirección de la última instrucción colocada en la memoria stack.
- Registro de dirección de memoria: contiene la ubicación (dirección) de los datos con los que se va a trabajar.
El CI ha mejorado infinitamente nuestras vidas. Un ordenador portátil moderno es miles de veces más potente y unas 100 veces más pequeño que el primer ordenador desarrollado en la década de 1940. El ENIAC era tan grande como tres o cuatro autobuses de dos pisos y funcionaba con 18.000 tubos de vacío.
Decir que hemos avanzado mucho es un eufemismo tan grande como el ENIAC. El CI fue clave en ese progreso.
Aplicaciones de Circuitos Integrados
Las aplicaciones de un Circuito Integrado son las siguientes:
- Radar
- Relojes de pulsera
- Televisores
- Fabricantes de Jugos
- Computadora/Ordenador
- Procesadores de Video
- Amplificadores de Audio
- Dispositivos de Memoria
- Dispositivos Lógicos
- Codificadores y Decodificadores de Radiofrecuencia
En este artículo, hemos discutido brevemente sobre el circuito integrado, incluido qué es un circuito integrado, cómo funcionan los circuitos integrados, etc. Se han utilizado dos tipos de métodos para construir circuitos integrados con la ayuda de un semiconductor de dopaje, dentro de una planta de chips. Hemos tratado los diferentes tipos de circuitos integrados como, circuitos integrados digitales, circuitos integrados analógicos y finalmente señales mixtas con ejemplos. Además, también se han discutido los usos de los circuitos integrados y las aplicaciones de los circuitos integrados.
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