Circuito Integrado

¿Qué son los Circuitos Integrados?

Un circuito integrado (CI), a veces llamado chip, microchip o circuito microelectrónico, es una oblea semiconductora en la que se fabrican miles o millones de diminutos resistores, condensadores, diodos y transistores. Un CI puede funcionar como amplificador, oscilador, temporizador, contador, compuerta lógica, memoria de ordenador, microcontrolador o microprocesador.

Un circuito integrado es el componente 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).

Componentes de un Circuito Integrado

Un solo Circuito Integrado puede contener miles o millones de:

• Transistores
• Resistores
• Condensadores
• Diodos

Cada uno de estos componentes del circuito integrado cumple funciones específicas. Todos ellos contribuyen al funcionamiento de un circuito integrado.

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 — una combinación de las palabras transferencia y resistor — 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.

Circuitos Integrados Modernos: 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

Los circuitos integrados pueden ser lineales (analógicos), digitales o una combinación de ambos, en función de la aplicación prevista.

Los circuitos integrados analógicos o lineales tienen una salida continuamente variable, dependiendo del nivel de la señal de entrada. En teoría, estos circuitos integrados pueden alcanzar un número infinito de estados. Con este tipo de circuito integrado, el nivel de la señal de salida es una función lineal del nivel de la señal de entrada. Idealmente, cuando la salida instantánea se representa gráficamente frente a la entrada instantánea, el gráfico aparece como una línea recta.

Los circuitos integrados analógicos suelen utilizar pocos componentes y son bastante sencillos.

Los circuitos integrados lineales se utilizan como amplificadores de audiofrecuencia (AF) y radiofrecuencia (RF). El amplificador operacional (op amp) es un dispositivo común en estas aplicaciones. Otra aplicación común de un CI analógico es el sensor de temperatura. Los CI lineales pueden programarse para encender o apagar varios dispositivos cuando una señal alcanza un valor determinado. Estos incluyen:

• acondicionadores de aire
• calefactores
• hornos

A diferencia de los circuitos integrados analógicos, los digitales no funcionan en un rango continuo de amplitudes de señal. Funcionan en unos pocos niveles o estados definidos (discretos). Los componentes fundamentales de los circuitos integrados digitales son las compuertas lógicas, que trabajan con datos binarios, es decir, señales que sólo tienen dos estados diferentes, denominados bajo (0 lógico) y alto (1 lógico).

En la actualidad, los circuitos integrados digitales se utilizan en un número cada vez mayor de aplicaciones:

• ordenadores
• redes empresariales
• módems
• contadores de frecuencia

Un CI mixto incorpora principios de diseño tanto analógicos como digitales. Puede funcionar como

• convertidor digital-analógico
• convertidor analógico-digital
• CI de reloj/temporizador

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.

¿Qué Hace un Circuito Integrado?

Si tiene un circuito integrado, pero no sabe lo que hace, no se preocupe. Normalmente, es muy fácil averiguar lo que hace. Sólo tienes que coger el número de modelo que aparece en la parte superior y teclearlo en Google con «datasheet» después.

Lo más probable es que encuentres un archivo PDF con la hoja de datos. La hoja de datos es un documento técnico que describe el componente. Si abre y lee la primera página de la hoja de datos, podrá hacerse una idea de lo que hace.

A continuación, busque la sección de descripción de pines para averiguar la función de cada pin. Y eche un vistazo a la sección Aplicación Típica para ver un ejemplo de cómo conectar el chip en un circuito.

¿Qué es un Circuito Integrado de Aplicación Específica (ASIC)?

La diferencia entre un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) y un circuito integrado normal es que el ASIC se diseña específicamente para algo o alguien, en lugar de fabricarse en serie.

Dicho de otro modo – un ASIC es un circuito integrado personalizado. Es algo que se diseña para un fin concreto. Pero se diseña y fabrica con los mismos métodos que un circuito integrado normal.

No hace falta ser una gran empresa para fabricar un ASIC. También puedes crear tu propio circuito integrado personalizado como aficionado. Echa un vistazo al proyecto Tiny Tapeout.

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