O que é um circuito integrado digital?

No mundo rápido - ritd de eletrônicos modernos,Circuitos Integrados Digital (ICS)são os heróis desconhecidos que alimentam tudo, desde nossos smartphones e laptops até supercomputadores complexos e sistemas de controle industrial. Mas o que exatamente é um circuito integrado digital?

Um circuito integrado digital, também conhecido como circuito integrado lógico, é um circuito eletrônico projetado para processar e manipular sinais digitais. É baseado nos princípios da lógica digital, que usa números binários (0s e 1s) para representar informações. Esses circuitos são fabricados em um único substrato semicondutor, geralmente feito de silício, e contêm um grande número de componentes eletrônicos interconectados, como transistores, resistores, capacitores e diodos.

Função lógica dos circuitos integrados digitais

Circuitos lógicos digitaispode ser dividido em duas categorias: circuitos lógicos combinacionais e circuitos lógicos seqüenciais. Em um circuito lógico combinacional, a saída a qualquer momento depende apenas da entrada naquele momento, em vez do estado de trabalho anterior do circuito. Os circuitos lógicos combinacionais mais usados incluem codificadores, decodificadores, seletores de dados, desmultiplexadores, comparadores numéricos, adores completos e verificadores de paridade, entre outros.

Figura 1. Circuito lógico combinacional

Em um circuito lógico seqüencial, a saída a qualquer momento depende não apenas da entrada naquele momento, mas também do estado original do circuito. Portanto, os circuitos lógicos seqüenciais devem ter uma função de memória e devem incluir circuitos da unidade de armazenamento. Registros, registros de turnos e contadores são os circuitos lógicos seqüenciais mais usados.

Figura 2. Circuito lógico seqüencial

Para as diferentes aplicações desses dois tipos de circuitos lógicos, existem produtos de circuito integrados padronizados e serializados, geralmente chamados de circuitos integrados de uso geral. Da mesma forma, os circuitos integrados projetados e fabricados para fins específicos são chamados de circuitos integrados específicos para aplicação (ASICs).

Design interno de circuitos integrados digitais

Um circuito digitalé composto de lógica e registros combinacionais (flip-flops). A lógica combinacional, uma função composta de circuitos básicos de portão, possui saídas que dependem apenas das entradas atuais. O primeiro diagrama na Figura 3 ilustra a lógica combinacional, que executa apenas operações lógicas. Por outro lado, um circuito seqüencial contém não apenas circuitos básicos de portão, mas também elementos de armazenamento usados para reter informações passadas. A saída de estado estacionário de um circuito seqüencial está relacionado à entrada de corrente e ao estado formado por entradas anteriores. Ao realizar operações lógicas, os resultados do processamento podem ser temporariamente armazenados para uso na próxima operação, conforme mostrado no segundo diagrama.
Funcionalmente, o interior de um circuito integrado digital pode ser dividido em duas partes: o caminho dos dados e a lógica de controle. Ambas as partes integram um grande número de circuitos lógicos seqüenciais, a maioria dos quais são circuitos seqüenciais síncronos. Um circuito seqüencial é dividido em vários nós por vários registros, e esses registros operam no mesmo ritmo sob o controle de um relógio, o que simplifica o processo de design.

Figura 3. Estrutura interna dos circuitos integrados digitais

Em práticas de design de longo prazo, muitas unidades de uso geral padrão foram desenvolvidas. Isso inclui seletores (também conhecidos como multiplexadores, que podem selecionar uma saída de vários dados de entrada), comparadores (usados para comparar as magnitudes de dois números), Adders, multiplicadores, registros de turno e assim por diante. Esses circuitos unitários têm formas regulares e são fáceis de integrar, e é também por isso que os circuitos digitais alcançaram melhor desenvolvimento em circuitos integrados.
Essas unidades estão conectadas de acordo com os requisitos de design para formar um caminho de dados. Os dados a serem processados são transmitidos da extremidade de entrada para a extremidade de saída através desse caminho, e o resultado final do processamento é obtido. Ao mesmo tempo, a lógica de controle especialmente projetada e cada componente que controla o caminho dos dados devem operar de acordo com seus respectivos requisitos funcionais e relacionamentos de tempo específicos.

Modelos de chips integrados digitais

O modelo de umChip integrado digitalNormalmente consiste em três partes: um prefixo, um número de série e um sufixo, cada um com informações específicas:

Prefixo: Ele representa principalmente o fabricante ou a série à qual o chip pertence. Por exemplo, a série "74" é um prefixo comum para chips digitais TTL, produzidos por vários fabricantes; A série "CD40" é um prefixo típico para chips CMOS, dominado por fabricantes como o Texas Instruments (TI).

Número de série: É usado para distinguir o modelo funcional específico do chip. Por exemplo, o "00" em 74LS00 indica que o chip é um portão Nand de 2 entradas, enquanto o "595" em 74HC595 representa um registro de mudança de 8 bits.

Sufixo: Geralmente, marca parâmetros como a forma de embalagem do chip e a faixa de temperatura. Por exemplo, "Dip" significa Pacote em linha dupla, "SMD" para o pacote de dispositivos de montagem na superfície; "-40 ℃ ~ 85 ℃" indica a faixa de temperatura operacional do chip.

Esse método de nomeação de modelo fornece aos designers uma base de identificação conveniente, permitindo que eles julguem rapidamente a função do chip, os cenários aplicáveis e as características físicas.

Tipos de chips integrados digitais

Com base na estrutura de circuito, função e cenários de aplicação,chips integrados digitaispode ser dividido nos seguintes tipos principais:

1. Classificado pela estrutura do circuito

TTL (lógica do transistor-transistor) chips: Eles estão centrados em transistores bipolares e dependem de elétrons e orifícios para condução. Eles apresentam velocidades de comutação rápidas e recursos de direção fortes, mas têm consumo de energia relativamente alto. As séries 74 comuns (como o decodificador 74LS138) pertencem a chips TTL e foram amplamente utilizadas nos primeiros sistemas digitais.

CMOS (lascas complementares de óxido de óxido de metal): Eles consistem em uma estrutura complementar dos transistores de PMOs e NMOs, realizando eletricidade com apenas um tipo de transportadora. Eles têm vantagens como baixo consumo de energia, alta impedância de entrada e uma ampla faixa de tensão de fonte de alimentação, tornando -os atualmente o tipo de chips digital. Os exemplos incluem a série CD4000 e a série 74HC (como o inversor 74HC04), que são amplamente utilizados em dispositivos portáteis e sistemas de baixa potência.

2. Classificado por função

Lascas de portão lógica: Eles implementam operações lógicas básicas e são a base de circuitos complexos. Eles incluem e portões (como 74LS08), ou portões (como 74LS32), não portões (como 74LS04) e portões lógicos compostos (como o NAND GATE 74LS00 e o NOR NOR GATE 74LS02).

Chips lógicos seqüenciais: Eles contêm unidades de armazenamento e suas saídas dependem de entradas atuais e estados históricos, usados para implementar funções como contagem e armazenamento. Os exemplos incluem o contador de 4 bits 74LS161, o registro de 8 bits 74LS373 e o Shift Register 74LS164.

Chips de processamento de dados: Eles são usados para operações específicas, como seleção de dados, codificação e decodificação. Por exemplo, o seletor de dados 8 para 1 74LS151, o decodificador de linha 3 a 8 74LS138 e o decodificador de exibição BCD-Seven Seven segmento 74LS48.

3. Classificado pelo cenário de aplicação

Circuitos integrados de uso geral: Projetados para funções padronizadas, elas são adequadas para vários cenários e têm versatilidade e intercambiabilidade. Os portões lógicos, contadores, registros etc. mencionados acima mencionados se enquadram nessa categoria. Por exemplo, os chips da série 74 e CD4000 podem ser usados com flexibilidade em vários sistemas digitais.

Circuitos integrados específicos para aplicativos (ASICS): Projetado sob medida para cenários específicos, como chips de processamento de sinal de imagem em smartphones echips de controle a bordoem eletrônicos automotivos. A ASICS pode otimizar o desempenho e reduzir o consumo de energia na extensão máxima, mas possui altos custos de projeto e ciclos longos, tornando-os adequados para dispositivos dedicados produzidos em massa.

Dispositivos lógicos programáveis (PLDs): Incluindo FPGAs (matrizes de portão programáveis em campo) e CPLDs (dispositivos lógicos programáveis complexos), eles permitem que os usuários personalizem funções lógicas por meio da programação. Por exemplo, os FPGAs da série Spartan da Xilinx podem ser usados em cenários de desenvolvimento de protótipos ou personalização em pequenos lotes, equilibrando a flexibilidade e o desempenho.

Esses diferentes tipos de chips digitais integrados suportam coletivamente a construção de tudo, desde controle lógico simples até sistemas digitais complexos, atendendo a diversas necessidades eletrônicas de design.

Classificação de circuito integrado digital com base na escala de integração

Pequena - integração em escala (SSI): Os circuitos SSI normalmente contêm até 10 portões ou algumas dezenas de componentes. Esses circuitos são frequentemente usados para funções lógicas básicas em sistemas digitais simples. Por exemplo, um chip 7400, que contém quatro portões de dois - de entrada, é um dispositivo SSI comum. Pode ser usado em aplicativos como circuitos simples de controle lógico, onde são necessárias operações lógicas básicas.

Integração de escala médio (MSI): Os circuitos MSI têm entre 10 e 100 portões ou algumas centenas de componentes. Eles são usados para funções mais complexas. Um chip 74161, que é um contador síncrono de 4 bits, é um exemplo de um dispositivo MSI. Os balcões são amplamente utilizados em sistemas digitais para tarefas, como contar eventos, geração de sinais de tempo e controlar a sequência de operações.

Integração de grande escala (LSI): Os circuitos LSI contêm 100 a 10.000 portões ou milhares de componentes. Chips de memória como as primeiras lembranças estáticas de acesso estáticas (SRAMs) e microprocessadores simples são exemplos de dispositivos LSI. Um microprocessador de 8 bits pode ser implementado usando a tecnologia LSI. Ele pode executar um conjunto de instruções, executar operações aritméticas e lógicas e controlar o fluxo de dados dentro de um sistema digital.

Muito - grande - integração em escala (VLSI): Os circuitos VLSI têm mais de 10.000 portões ou centenas de milhares a milhões de componentes. Microprocessadores modernos, como os encontrados em computadores pessoais e memórias aleatórias dinâmicas de grande capacidade (DRAMs) são exemplos clássicos de dispositivos VLSI. Uma CPU de alta desktop pode conter bilhões de transistores, que são organizados em circuitos lógicos complexos para executar tarefas computacionais extremamente rápidas e sofisticadas.

Ultra - Integração de grande escala (ULSI) e GIGA - Integração em escala (GSI): Ulsi refere -se a circuitos com um nível de integração ainda mais alto, geralmente nas dezenas de milhões de componentes. O GSI, que é um estágio ainda mais avançado, envolve a integração de um bilhão de componentes em um único chip. Estado - de - os processadores de telefones móveis de arte e algumas unidades de processamento de gráficos de alto desempenho (GPUs) se enquadram nessa categoria. Esses chips são capazes de lidar com enormes quantidades de dados e executar operações complexas em altas velocidades, permitindo recursos como processamento de vídeo de alta definição, renderização gráfica 3D real - Time 3D e algoritmos avançados de inteligência artificial.

Como os circuitos integrados digitais funcionam?

Circuitos integrados digitaisoperar com base no sistema binário. Os transistores dentro do circuito atuam como interruptores. Quando um transistor é ativado, representa uma lógica 1 (geralmente um nível de alta tensão) e, quando é desligado, representa uma lógica 0 (geralmente um nível de tensão de baixa tensão). O fluxo de corrente elétrica através desses transistores é controlado pelos sinais de entrada aplicados ao circuito.
Em circuitos digitais mais complexos, como microprocessadores, um grande número desses elementos lógicos básicos é combinado e organizado de maneira hierárquica. O microprocessador busca instruções da memória, decodifica -as para entender o que a operação precisa ser executada e executa essas instruções usando unidades aritméticas e lógicas (ALUS) e outros blocos funcionais dentro do chip. Os dados são armazenados e manipulados em registros, que são essencialmente pequenos, os elementos de memória de acesso rápido - dentro do microprocessador.

Uso e aplicação de circuitos integrados digitais

Microprocessadores: Os microprocessadores são o cérebro de um sistema de computador. Eles executam um conjunto de instruções armazenadas na memória para executar tarefas como operações aritméticas, manipulação de dados e controle de outros componentes do sistema. Por exemplo, os processadores da Intel Core Series usados em computadores de desktop e laptop podem executar bilhões de instruções por segundo. Eles são projetados para serem altamente versáteis e podem ser programados para lidar com uma ampla gama de aplicações, desde o processamento de texto e a navegação na Web até simulações científicas complexas e jogos.

ICS de memória:Circuitos integrados de memóriasão usados para armazenar dados e programas. Existem dois tipos principais: Leia - Somente memória (ROM) e Random - Access Memory (RAM). A ROM armazena dados permanentemente e é usada para manter o sistema básico de entrada/saída (BIOS) em um computador, que contém as instruções de inicialização. RAM, por outro lado, é uma memória volátil usada para armazenar temporariamente dados em que o computador está trabalhando atualmente. A memória aleatória dinâmica - Access Memory (DRAM) é comumente usada em computadores devido à sua alta capacidade de armazenamento e custo relativamente baixo, enquanto a memória estática de acesso (SRAM) é mais rápida, mas mais cara e é frequentemente usada em memórias de cache para acelerar o acesso aos dados.

ICS lógica: Os ICs lógicos são usados para executar várias operações lógicas. Eles podem ser portões lógicos simples, como mencionado anteriormente, ou circuitos lógicos combinacionais e seqüenciais mais complexos. Os circuitos lógicos combinacionais, como os multiplexadores (que selecionam um dos vários sinais de entrada a serem roteados para a saída) e decodificadores (que convertem um código binário em um conjunto de sinais de saída), possuem saídas que dependem apenas dos valores de entrada atuais. Os circuitos lógicos seqüenciais, como flip -flops e contadores, têm saídas que dependem não apenas das entradas de corrente, mas também do estado anterior do circuito. Esses circuitos são cruciais para tarefas como armazenamento de dados, recuperação e processamento em sistemas digitais.

Aplicação - circuitos integrados específicos (ASICS): Asics são personalizados - circuitos integrados projetados para um aplicativo específico. Por exemplo, em uma câmera digital, pode haver um ASIC projetado especificamente para processamento de imagens. Este chip é otimizado para executar tarefas como controle do sensor de imagem, correção de cores e compactação. A ASICS oferece vantagens como tamanho menor, menor consumo de energia e maior desempenho para o aplicativo específico para o qual são projetados, em comparação com o uso de ICs gerais.

Campo - Matrizes de portões programáveis (FPGAs): Os FPGAs são dispositivos lógicos programáveis que permitem que os usuários configurem as funções lógicas do chip após a fabricação. Eles contêm um grande número de blocos e interconexões lógicas programáveis. Os FPGAs são usados em aplicativos onde é necessária flexibilidade, como prototipando novos designs digitais. Por exemplo, no desenvolvimento de um novo protocolo de comunicação, um FPGA pode ser programado para implementar a lógica do protocolo e facilmente reconfigurado à medida que o design evolui. Eles também são usados em alguns aplicativos de computação de alto desempenho, nos quais a capacidade de personalizar o hardware em tempo real pode fornecer uma velocidade significativa - para algoritmos específicos.

O significado dos circuitos integrados digitais

Circuitos integrados digitaisrevolucionaram o campo da eletrônica. Seu tamanho pequeno, baixo consumo de energia, alta confiabilidade e capacidade de executar operações complexas em alta velocidade os tornaram indispensáveis na tecnologia moderna. Eles permitiram a miniaturização de dispositivos eletrônicos, desde os pequenos rastreadores de fitness vestíveis em nossos pulsos até os servidores poderosos que executam a Internet. O desenvolvimento de circuitos integrados digitais também tem sido um fator -chave no avanço de indústrias como telecomunicações, assistência médica (por exemplo, em dispositivos de imagem médica e sistemas de monitoramento de pacientes), automotivo (para funções como controle de motor e sistemas de assistência ao motorista) e sistemas aeroespaciais (para comunicação aviônica e satélite). Em suma, os circuitos integrados digitais são a pedra angular da era digital, permitindo o estilo de vida orientado pela tecnologia em que confiam.

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