¿Qué es un circuito integrado digital?

En el mundo rápido de la electrónica moderna,Circuitos integrados digitales (ICS)Son los héroes no reconocidos que alimentan todo, desde nuestros teléfonos inteligentes y computadoras portátiles hasta supercomputadoras complejas y sistemas de control industrial. Pero, ¿qué es exactamente un circuito integrado digital?

Un circuito integrado digital, también conocido como circuito integrado lógico, es un circuito electrónico diseñado para procesar y manipular señales digitales. Se basa en los principios de la lógica digital, que utiliza números binarios (0 y 1) para representar información. Estos circuitos se fabrican en un solo sustrato semiconductores, típicamente hecho de silicio, y contienen una gran cantidad de componentes electrónicos interconectados, como transistores, resistencias, condensadores y diodos.

Función lógica de circuitos integrados digitales

Circuitos lógicos digitalesse puede dividir en dos categorías: circuitos lógicos combinacionales y circuitos lógicos secuenciales. En un circuito lógico combinacional, la salida en cualquier momento depende únicamente de la entrada en ese momento, en lugar del estado de trabajo anterior del circuito. Los circuitos lógicos combinacionales más utilizados incluyen codificadores, decodificadores, selectores de datos, demultiplexores, comparadores numéricos, sumadores completos y verificadores de paridad, entre otros.

Figura 1. Circuito lógico combinacional

En un circuito lógico secuencial, la salida en cualquier momento depende no solo de la entrada en ese momento sino también del estado original del circuito. Por lo tanto, los circuitos lógicos secuenciales deben tener una función de memoria y deben incluir circuitos de unidad de almacenamiento. Los registros, los registros de cambio y los contadores son los circuitos lógicos secuenciales más utilizados.

Figura 2. Circuito lógico secuencial

Para las diferentes aplicaciones de estos dos tipos de circuitos lógicos, existen productos de circuito integrado estandarizados y serializados, generalmente conocidos como circuitos integrados de propósito general. En consecuencia, los circuitos integrados diseñados y fabricados para fines específicos se denominan circuitos integrados específicos de aplicación (ASIC).

Diseño interno de circuitos integrados digitales

Un circuito digitalestá compuesto por lógica y registros combinacionales (chanclas). La lógica combinacional, una función compuesta por circuitos de puerta básicos, tiene salidas que dependen únicamente de las entradas de corriente. El primer diagrama de la Figura 3 ilustra la lógica combinacional, que solo realiza operaciones lógicas. Por el contrario, un circuito secuencial contiene no solo los circuitos de compuerta básicos sino también los elementos de almacenamiento utilizados para retener información pasada. La salida de estado estacionario de un circuito secuencial está relacionada con la entrada de corriente y el estado formado por entradas anteriores. Mientras realiza operaciones lógicas, los resultados del procesamiento se pueden almacenar temporalmente para su uso en la siguiente operación, como se muestra en el segundo diagrama.
Funcionalmente, el interior de un circuito integrado digital se puede dividir en dos partes: la ruta de datos y la lógica de control. Ambas partes integran una gran cantidad de circuitos lógicos secuenciales, la mayoría de los cuales son circuitos secuenciales sincrónicos. Un circuito secuencial se divide en varios nodos por múltiples registros, y estos registros operan al mismo ritmo bajo el control de un reloj, lo que simplifica el proceso de diseño.

Figura 3. Estructura interna de los circuitos integrados digitales

Durante las prácticas de diseño a largo plazo, se han desarrollado muchas unidades estándar de propósito general. Estos incluyen selectores (también conocidos como multiplexores, que pueden seleccionar una salida de múltiples datos de entrada), comparadores (utilizados para comparar las magnitudes de dos números), sumadores, multiplicadores, registros de cambio, etc. Estos circuitos unitarios tienen formas regulares y son fáciles de integrar, por lo que también es la razón por la cual los circuitos digitales han logrado un mejor desarrollo en circuitos integrados.
Estas unidades están conectadas de acuerdo con los requisitos de diseño para formar una ruta de datos. Los datos a procesar se transmiten desde el extremo de entrada hasta el final de salida a través de esta ruta, y se obtiene el resultado de procesamiento final. Al mismo tiempo, la lógica de control especialmente diseñada y cada componente que controla la ruta de datos debe funcionar de acuerdo con sus respectivos requisitos funcionales y relaciones de tiempo específicas.

Modelos de chips integrados digitales

El modelo de unchip integrado digitalPor lo general, consta de tres partes: un prefijo, un número de serie y un sufijo, cada uno con información específica:

Prefijo: Representa principalmente el fabricante o la serie a la que pertenece el chip. Por ejemplo, la serie "74" es un prefijo común para los chips digitales TTL, producidos por múltiples fabricantes; La serie "CD40" es un prefijo típico para chips CMOS, dominado por fabricantes como Texas Instruments (TI).

Número de serie: Se utiliza para distinguir el modelo funcional específico del chip. Por ejemplo, el "00" en 74LS00 indica que el chip es una puerta NAND Quad 2 de entrada, mientras que el "595" en 74HC595 representa un registro de cambio de 8 bits.

Sufijo: Por lo general, marca parámetros como la forma de empaque del chip y el rango de temperatura. Por ejemplo, "DIP" significa un paquete dual en línea, "SMD" para el paquete de dispositivos de montaje en superficie; "-40 ℃ ~ 85 ℃" indica el rango de temperatura de funcionamiento del chip.

Este método de nombres de modelo proporciona a los diseñadores una base de identificación conveniente, lo que les permite juzgar rápidamente la función del chip, los escenarios aplicables y las características físicas.

Tipos de chips integrados digitales

Basado en la estructura del circuito, la función y los escenarios de aplicación,chips integrados digitalesse puede dividir en los siguientes tipos principales:

1. Clasificado por estructura de circuito

TTL (Transistor-Transistor Logic) chips: Se centran en transistores bipolares y confían tanto en electrones como en agujeros para la conducción. Cuentan con velocidades de conmutación rápidas y fuertes capacidades de conducción, pero tienen un consumo de energía relativamente alto. Las series comunes 74 (como el decodificador 74LS138) pertenecen a los chips TTL y se usaron ampliamente en sistemas digitales tempranos.

CMOS (chips complementario de metal-óxido-semiconductor): Consisten en una estructura complementaria de transistores PMO y NMOS, que llevan a cabo electricidad con solo un tipo de portador. Tienen ventajas, como bajo consumo de energía, alta impedancia de entrada y un amplio rango de voltaje de la fuente de alimentación, lo que los convierte en el tipo principal de chips digitales actualmente. Los ejemplos incluyen la serie CD4000 y la serie 74HC (como el inversor 74HC04), que se usan ampliamente en dispositivos portátiles y sistemas de baja potencia.

2. Clasificado por función

Chips de puerta lógica: Implementan operaciones lógicas básicas y son la base de circuitos complejos. Incluyen y puertas (como 74LS08), o puertas (como 74LS32), no puertas (como 74LS04) y puertas lógicas compuestas (como la puerta NAND 74LS00 y la puerta NOR 74LS02).

Chips lógicos secuenciales: Contienen unidades de almacenamiento, y sus salidas dependen tanto de las entradas actuales como de los estados históricos, utilizados para implementar funciones como el conteo y el almacenamiento. Los ejemplos incluyen el contador de 4 bits 74LS161, el registro de 8 bits 74LS373 y el registro de turno 74LS164.

Chips de procesamiento de datos: Se utilizan para operaciones específicas, como selección de datos, codificación y decodificación. Por ejemplo, el selector de datos 8 a 1 74LS151, el decodificador de línea 3 a 8 74LS138 y el decodificador de pantalla BCD a siete segmentos 74LS48.

3. Clasificado por escenario de aplicación

Circuitos integrados de propósito general: Diseñados para funciones estandarizadas, son adecuados para múltiples escenarios y tienen versatilidad e intercambiabilidad. Las puertas lógicas, contadores, registros, registros, etc. antes mencionados caen en esta categoría. Por ejemplo, los chips de la serie 74 y la serie CD4000 se pueden usar de manera flexible en varios sistemas digitales.

Circuitos integrados específicos de la aplicación (ASICS): Diseño personalizado para escenarios específicos, como chips de procesamiento de señal de imagen en teléfonos inteligentes ychips de control a bordoen Electrónica Automotriz. Los ASIC pueden optimizar el rendimiento y reducir el consumo de energía en la medida máxima, pero tienen altos costos de diseño y ciclos largos, haciéndolos adecuados para dispositivos dedicados producidos en masa.

Dispositivos lógicos programables (PLDS): Incluyendo FPGA (matrices de compuerta programables de campo) y CPLDS (dispositivos lógicos programables complejos), permiten a los usuarios personalizar las funciones lógicas a través de la programación. Por ejemplo, los FPGA de la serie espartana de Xilinx se pueden usar en escenarios de desarrollo de prototipos o personalización de lotes pequeños, equilibrando la flexibilidad y el rendimiento.

Estos diferentes tipos de chips integrados digitales respaldan colectivamente la construcción de todo, desde un simple control lógico hasta sistemas digitales complejos, satisfaciendo diversas necesidades de diseño electrónico.

Clasificación de circuito integrado digital basada en la escala de integración

Integración de pequeña escala (SSI): Los circuitos SSI generalmente contienen hasta 10 puertas o unas pocas docenas de componentes. Estos circuitos a menudo se usan para funciones lógicas básicas en sistemas digitales simples. Por ejemplo, un chip 7400, que contiene cuatro puertas NAND de entrada dos, es un dispositivo SSI común. Se puede usar en aplicaciones como circuitos de control lógico simples, donde se requieren operaciones lógicas básicas.

Integración a mediana a escala (MSI): Los circuitos MSI tienen entre 10 y 100 puertas o unos cientos de componentes. Se utilizan para funciones más complejas. Un chip 74161, que es un contador síncrono de 4 bits, es un ejemplo de un dispositivo MSI. Los contadores se usan ampliamente en sistemas digitales para tareas como contar eventos, generar señales de tiempo y controlar la secuencia de operaciones.

Integración a gran escala (LSI): Los circuitos LSI contienen 100 a 10,000 puertas o miles de componentes. Los chips de memoria como el al azar estático temprano: las memorias de acceso (SRAM) y los microprocesadores simples son ejemplos de dispositivos LSI. Se puede implementar un microprocesador de 8 bits utilizando la tecnología LSI. Puede ejecutar un conjunto de instrucciones, realizar operaciones aritméticas y lógicas, y controlar el flujo de datos dentro de un sistema digital.

Muy - Integración a gran escala (VLSI): Los circuitos VLSI tienen más de 10,000 puertas o cientos de miles a millones de componentes. Los microprocesadores modernos, como los que se encuentran en las computadoras personales, y las recuerdos de acceso aleatorio dinámico de gran capacidad (DRAM) son ejemplos clásicos de dispositivos VLSI. Una CPU de escritorio de alto extremo puede contener miles de millones de transistores, que se organizan en circuitos lógicos complejos para realizar tareas computacionales extremadamente rápidas y sofisticadas.

Ultra - Integración a gran escala (ULSI) e integración de escala GIGA (GSI): ULSI se refiere a circuitos con un nivel de integración aún mayor, a menudo en las decenas de millones de componentes. GSI, que es una etapa aún más avanzada, implica integrarse más de mil millones de componentes en un solo chip. Estado - de - El - Art Mobile Phone Processors y algunas unidades de procesamiento de gráficos de alto rendimiento (GPU) entran en esta categoría. Estos chips son capaces de manejar cantidades masivas de datos y realizar operaciones complejas a altas velocidades, lo que permite características como el procesamiento de video de alta definición, la representación de gráficos 3D de tiempo real y los algoritmos avanzados de inteligencia artificial.

¿Cómo funcionan los circuitos integrados digitales?

Circuitos integrados digitalesoperar basado en el sistema binario. Los transistores dentro del circuito actúan como interruptores. Cuando se enciende un transistor, representa una lógica 1 (generalmente un alto nivel de voltaje), y cuando se apaga, representa una lógica 0 (generalmente un nivel de voltaje bajo). El flujo de corriente eléctrica a través de estos transistores está controlado por las señales de entrada aplicadas al circuito.
En los circuitos integrados digitales más complejos, como los microprocesadores, una gran cantidad de estos elementos lógicos básicos se combinan y organizan de manera jerárquica. El microprocesador obtiene instrucciones de la memoria, las decodifica para comprender qué operación debe realizarse y luego ejecuta esas instrucciones utilizando unidades aritméticas y lógicas (alus) y otros bloques funcionales dentro del chip. Los datos se almacenan y manipulan en registros, que son esencialmente pequeños elementos de memoria de acceso rápido y de acceso rápido dentro del microprocesador.

Uso y aplicación de circuitos integrados digitales

Microprocesadores: Los microprocesadores son el cerebro de un sistema informático. Ejecuta un conjunto de instrucciones almacenadas en la memoria para realizar tareas como operaciones aritméticas, manipulación de datos y control de otros componentes en el sistema. Por ejemplo, los procesadores Intel Core Series utilizados en computadoras de escritorio y portátiles pueden realizar miles de millones de instrucciones por segundo. Están diseñados para ser altamente versátiles y se pueden programar para manejar una amplia gama de aplicaciones, desde procesamiento de textos y navegación web hasta simulaciones y juegos científicos complejos.

ICS de memoria:Circuitos integrados de memoriase utilizan para almacenar datos y programas. Hay dos tipos principales: lectura: solo memoria (ROM) y memoria de acceso aleatorio (RAM). ROM almacena datos de forma permanente y se utiliza para mantener el sistema básico de entrada/salida (BIOS) en una computadora, que contiene las instrucciones de inicio. RAM, por otro lado, es una memoria volátil que se utiliza para almacenar datos temporalmente en los que la computadora está trabajando actualmente. La memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM) se usa comúnmente en las computadoras debido a su alta capacidad de almacenamiento y su costo relativamente bajo, mientras que la memoria de acceso aleatorio estático (SRAM) es más rápido pero más caro y a menudo se usa en memorias de caché para acelerar el acceso a los datos.

Lógica ICS: Los IC lógicos se utilizan para realizar varias operaciones lógicas. Pueden ser puertas lógicas simples, como se mencionó anteriormente, o circuitos lógicos combinacionales y secuenciales más complejos. Los circuitos lógicos combinacionales, como los multiplexores (que seleccionan una de varias señales de entrada que se enrutarán a la salida) y los decodificadores (que convierten un código binario en un conjunto de señales de salida), tienen salidas que dependen solo de los valores de entrada actuales. Los circuitos lógicos secuenciales, como las flip -flops y los contadores, tienen salidas que dependen no solo de las entradas de corriente sino también del estado anterior del circuito. Estos circuitos son cruciales para tareas como el almacenamiento de datos, la recuperación y el procesamiento en sistemas digitales.

Aplicación: circuitos integrados específicos (ASIC): Los ASIC son circuitos integrados diseñados para una aplicación específica. Por ejemplo, en una cámara digital, puede haber un ASIC diseñado específicamente para el procesamiento de imágenes. Este chip está optimizado para realizar tareas como el control del sensor de imágenes, la corrección de color y la compresión. Los ASIC ofrecen ventajas, como un tamaño más pequeño, un menor consumo de energía y un mayor rendimiento para la aplicación específica para la que están diseñadas, en comparación con el uso de ICS de propósito general.

Campo - matrices de puerta programables (FPGA): Los FPGA son dispositivos lógicos programables que permiten a los usuarios configurar las funciones lógicas del chip después de fabricarlo. Contienen una gran cantidad de bloques lógicos programables e interconexiones. Los FPGA se utilizan en aplicaciones donde se requiere flexibilidad, como la creación de prototipos de nuevos diseños digitales. Por ejemplo, en el desarrollo de un nuevo protocolo de comunicación, se puede programar un FPGA para implementar la lógica del protocolo y reconfigurarse fácilmente a medida que el diseño evoluciona. También se utilizan en algunas aplicaciones de computación de alto rendimiento donde la capacidad de personalizar el hardware en el tiempo real puede proporcionar una velocidad significativa, para algoritmos específicos.

La importancia de los circuitos integrados digitales

Circuitos integrados digitaleshan revolucionado el campo de la electrónica. Su pequeño tamaño, bajo consumo de energía, alta confiabilidad y capacidad para realizar operaciones complejas a altas velocidades los han hecho indispensables en la tecnología moderna. Han permitido la miniaturización de dispositivos electrónicos, desde los pequeños rastreadores de acondicionamiento físico portátil en nuestras muñecas hasta los poderosos servidores que ejecutan Internet. El desarrollo de circuitos integrados digitales también ha sido un impulsor clave en el avance de industrias como las telecomunicaciones, la atención médica (p. Ej., En dispositivos de imágenes médicas y sistemas de monitoreo de pacientes), automotriz (para funciones como el control del motor y los sistemas de asistencia para conductores) y los aeroespaciales (para aviónica y comunicación por satélite). En resumen, los circuitos integrados digitales son la piedra angular de la era digital, que permite el estilo de vida impulsado por la tecnología en el que hemos confiado.

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