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Circuitos integrados

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Figura 1: Los circuitos integrados vienen en numerosos paquetes con espaciamientos de pines estandarizados. Pueden montarse en una placa de circuito o insertarse en tomas IC (gráfico cortesía de Mouser Electronics).

Se exploran la historia, la aplicación y el mantenimiento de estos importantes componentes microelectrónicos.

En el continuo de la microelectrónica, los circuitos integrados (CI) probablemente estén cerca de su punto medio de desarrollo. Han progresado mucho desde sus inicios a mediados del siglo pasado, pero para la teoría de que "cuanto más pequeño es mejor", no hay un punto final a la vista. Para comenzar esta encuesta, analizaremos el pasado para ver cómo surgió la tecnología IC de un entorno de semiconductores más primitivo. Naturalmente, el más primitivo de estos dispositivos precursores fueron los diodos (ELEVATOR WORLD, agosto de 2014), porque solo estaba involucrada una unión.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Después de leer este artículo, debería haber aprendido sobre:
♦ La aparición de la tecnología IC
♦ Cómo afecta la ley de Moore al desarrollo de CI
♦ Límites al desarrollo de CI
♦ La importancia de los amplificadores diferenciales en aplicaciones IC
♦ Cómo solucionar problemas y reparar circuitos integrados en controladores de ascensores

El dispositivo funcionó mejor que el tubo de vacío de diodo del viejo mundo y, a medida que surgieron métodos de producción cada vez más refinados, el costo para el usuario final se redujo drásticamente. Simultáneamente, apareció un dispositivo de dos uniones con tres cables. El transistor hizo posible las radios sin cámara y los televisores se volvieron mucho más compactos y energéticamente eficientes. Esta fue la situación subyacente cuando apareció por primera vez la tecnología IC, muy limitada y de forma tentativa según los estándares actuales.

En 1949, un ingeniero de Siemens, Werner Jacobi, presentó una patente para un importante precursor de IC: un amplificador de tres etapas, los cinco transistores ocupando un sustrato común. El objetivo era miniaturizar el audífono que antes era torpe. El dispositivo DC, tal como se concibió en ese momento, no entró en producción, pero la idea subyacente se convirtió en parte del sustento intelectual que hizo posibles nuevos desarrollos.

En 1952, Geoffrey Dummer, un científico de radar del Royal Radar Establishment del Ministerio de Defensa británico, escribió un artículo que presentaba la idea básica del IC, pero no pudo construir el dispositivo. A mediados de 1958, Jack Kirby logró un gran avance, trabajando para Texas Instruments. Propuso el IC como lo conocemos, y más tarde ese año, construyó el primer modelo de trabajo del mismo. El dispositivo de Kirby se construyó sobre un sustrato de germanio. Menos de un año después, Robert Royce diseñó un chip con un sustrato de silicio. Fue producido por Fairchild Semiconductor y representó un importante paso adelante.

El desarrollo de los circuitos integrados en los años siguientes se caracterizó por la capacidad de colocar un número cada vez mayor de transistores en un solo chip. “Integración a pequeña escala” es el término que se le da a la primera etapa de esta progresión. Se refiere a la tecnología que prevaleció en los primeros años, cuando el número de transistores que podían integrarse en un solo sustrato era inferior a 100. Estos chips constituían los cerebros electrónicos de los programas Minuteman Missile y Apollo, en los que el peso era de un prima.

Las sucesivas densidades de chips fueron "integración a escala media", "integración a gran escala", "integración a gran escala" e "integración a gran escala". Los límites entre estos niveles no son significativos en ningún sentido definitivo, excepto para sugerir lo que solo puede describirse como una explosión en nuestra capacidad para crear un gran número de puertas lógicas digitales en paquetes cada vez más pequeños. Este progreso está descrito por la Ley de Moore, que establece que la cantidad de transistores que podemos colocar en un solo chip se duplica cada dos años o, en otra versión, cada 18 meses. Si bien es una descripción precisa del estado actual de integración, esta declaración (que es más una observación que una ley real) es algo fantasiosa, porque sugiere que dentro de poco, habrá más dispositivos en los microchips más densos que partículas elementales en los microchips más densos. nuestro universo.

No obstante, el nivel de integración alcanzado es asombroso. Actualmente, se están fabricando circuitos integrados únicos que contienen dispositivos que ascienden a decenas de miles de millones. Este hecho ha sido posible gracias al desarrollo de la tecnología de semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS). Esta tecnología no se refiere a un solo dispositivo, sino a un circuito compuesto, en su forma más básica, por dos transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET), un tipo P y un tipo N, conectados en serie con respecto a al sesgo aplicado (SE, octubre de 2014). Dado que uno de ellos está apagado mientras que el otro está encendido, no hay flujo de corriente, excepto muy brevemente durante las transiciones. En consecuencia, existe una generación de calor mínima, incluso en las configuraciones densas en VLSI y más allá. Sin CMOS, no habría Estación Espacial Internacional como la conocemos.

Hay otras "paredes de ladrillo" que pueden neutralizar la Ley de Moore, quizás obstaculizando nuestra capacidad para migrar más allá de este sistema solar temporalmente finito. Por un lado, la miniaturización solo puede llegar hasta cierto punto antes de que se acerquen a los límites teóricos, prácticos y económicos. La última idea parece ser que la Ley de Moore evolucionará. Se está haciendo evidente que los circuitos del tamaño de moléculas individuales son factibles gracias al uso de nanomateriales. Se trata de metales, cerámicas y materiales poliméricos que se asemejan a los organismos vivos, porque tienen la capacidad de diseñarse y replicarse a sí mismos.

El valor de esta miniaturización va mucho más allá de la simple idea de crear dispositivos de consumo cada vez más compactos, aunque ese es un beneficio. Los chips más pequeños con mayor densidad de circuito significan que las trazas de medios de conexión requeridas para el cableado interno se vuelven más cortas y delgadas, lo que aumenta enormemente la velocidad del dispositivo y reduce el costo. Un material teorizado llamado stanene, compuesto por una hoja de estaño de un átomo de espesor, podría actuar como un superconductor a temperatura ambiente. [1] Esta y otras innovaciones van a allanar el camino para los circuitos integrados de mayor rendimiento.

Como la mayoría de los otros semiconductores, los circuitos integrados se construyen utilizando procesos planos en obleas de silicio microcristalino. Las etapas esenciales son película fina, litografía, grabado y dopaje. Para empezar, las películas de SiO2 y policristalinas se unen al sustrato de silicio. La siguiente capa es una capa fotorresistiva o sensible a la luz expuesta a la luz a través de una máscara. A continuación, el producto se coloca en un revelador, lo que hace que las áreas expuestas a la luz se disuelvan. Esto deja intactas las áreas que no han sido expuestas a la luz.

La litografía consiste en duplicar el patrón de la máscara a nivel de fotorresistencia, que se convierte en la máscara para el proceso de grabado. La capa fotorresistente se elimina mediante la aplicación de productos químicos adecuados, preparando el material semiconductor para el dopaje. En este proceso, se agregan cantidades muy pequeñas de impurezas específicas. En las uniones PN, los portadores de carga, los electrones y los huecos están disponibles para que la conducción pueda tener lugar cuando sea necesario y no cuando no sea necesario, en respuesta a la cantidad y polaridad de la polarización aplicada.

El dopaje es una empresa sutil. Normalmente, se pasa un gas sobre el sustrato durante un período de menos de 12 horas. Dependiendo de las propiedades electrónicas deseadas, el dopaje será ligero o pesado. Para el dopaje ligero, la concentración es del orden de un átomo de impureza por 100 millones de átomos del material de tipo P o N, mientras que para el dopaje pesado, la relación es de 1: 10,000. Estas concentraciones muy leves convierten las poco interesantes losas de arena de playa fundida en los bloques de construcción para máquinas inteligentes.

El flujo de trabajo descrito anteriormente se repite según sea necesario para construir el IC en su sustrato. Es posible que se requieran más de 600 pasos para fabricar un circuito integrado típico. En cualquier etapa, una mota de polvo errante o una temperatura, sincronización o alineación imprecisas pueden invalidar todo el proceso. Por lo tanto, se necesitan pruebas exhaustivas en cada paso. Las pruebas pueden representar hasta el 25% de los costos de producción.

Debido a que miles de millones de transistores pueden habitar un solo chip, es obvio que ningún individuo (ni siquiera un comité de trabajo) podría comprender la arquitectura en toda su complejidad. Por esta razón, la fase de diseño de estas entidades milagrosas se ha automatizado en gran medida.

La teoría del diseño de circuitos integrados difiere, dependiendo de si el chip es digital o analógico. Ejemplos de componentes digitales son la memoria de acceso aleatorio, la memoria de solo lectura, las memorias flash de la computadora, los arreglos de puertas programables en campo y todo tipo de circuitos integrados específicos de la aplicación. Ejemplos de circuitos integrados analógicos son amplificadores operacionales (amplificadores operacionales), reguladores lineales, bucles de bloqueo de fase, osciladores y filtros activos. Dado que la fidelidad de la señal en los circuitos integrados analógicos es el foco (en contraste con los digitales ascendentes o descendentes), los dispositivos analógicos suelen ser más grandes con menos densidad de circuito. En consecuencia, los objetivos y procedimientos de diseño difieren marcadamente.

La automatización del diseño electrónico (EDA) se refiere a numerosas herramientas de software que funcionan tanto para placas de circuito impreso (PCB) como para circuitos integrados. El objetivo es simular y probar a fondo los circuitos integrados antes de su fabricación. A medida que la tecnología de semiconductores ha evolucionado hasta un punto en el que una inmensa cantidad de dispositivos se empaquetan en circuitos integrados cada vez más pequeños, EDA se ha convertido en el único medio viable para cumplir los objetivos de diseño, que son numerosos. Una vez que se han diseñado, simulado, probado y verificado los circuitos, los ingenieros pasan al diseño físico. Aquí, nuevamente, abundan las complejidades.

El arreglo estructural bruto es lo primero en la agenda. El análisis de nivel de transferencia de registros (RTL) se aplica al flujo de señales entre registros, que se asignan a ubicaciones dentro del IC. Se asignan núcleos y matrices, y se determinan los pines de entrada / salida. Luego, se genera una lista de conexiones (una lista de todos los terminales de los componentes que deben estar conectados eléctricamente para que funcione el circuito) de las puertas requeridas. Se agregan relojes para cronometrar el flujo de trabajo y se conecta el cableado. (Todo esto está en un nivel conceptual, y el plan es crear un diseño terminado que funcione antes de la implementación física). Luego de una finalización y verificación satisfactoria, es necesario dar un paso atrás y determinar si el chip, así concebido, realmente puede ser fabricado. Se deben considerar los objetivos eléctricos, físicos y económicos antes de que el CI pueda entrar en producción.

La elección del embalaje es fundamental durante el proceso de diseño para que el chip funcione correctamente dentro de los contextos de varios tipos de equipos electrónicos contemplados. Un buen conocimiento del embalaje de CI también es importante para los técnicos que pretenden solucionar problemas y reparar las máquinas.

Los paquetes de CI han sido de cerámica o de metal en el pasado, pero ahora prevalece el plástico. Cada tipo de paquete está designado por una letra o una combinación de letra / número. Los paquetes son de varios tamaños y formas con diferentes números y configuraciones de pines. Dentro del paquete está el chip propiamente dicho, conocido como troquel, con terminaciones demasiado pequeñas para soldarse a mano. (Además, el calor freirá instantáneamente el chip sensible). Adjuntos al troquel hay cables chapados en oro que, a su vez, están conectados a los pines conductores fuera del paquete. Estos se pueden soldar, pero se debe tener cuidado para evitar que el calor o la electricidad estática se trasladen al material semiconductor. A menos que los venza la curiosidad, los técnicos no tendrán ocasión de romper estos paquetes, ya que el chip no es reparable.

Los pines sirven para dos propósitos: montar físicamente el chip y conectarlo eléctricamente al mundo exterior. Por supuesto, los pines deben instalarse correctamente. Muchos semiconductores se incineran si la polaridad de la fuente de alimentación se invierte inadvertidamente, aunque un diodo de bloqueo o un fusible protector a veces pueden evitar daños.

Los circuitos integrados suelen tener un punto y / o una muesca en algún punto de su perímetro. Esto marca el lugar donde comienza la numeración de pines, comenzando con uno y avanzando en sentido antihorario mirando hacia abajo en la parte superior del IC. Las conexiones de los pines se identifican por número en la hoja de datos del fabricante, disponible como descarga gratuita en Internet. Además, existen sitios de archivo, en los que se pueden encontrar hojas de datos para circuitos integrados obsoletos o fuera de producción.

Estos chips están disponibles en dos categorías, según cómo se montan en la placa de circuito. Los paquetes de orificios pasantes son más grandes y más fáciles de usar si el dispositivo necesita ser reemplazado o sacado del circuito para propósitos de prueba: simplemente inserte los pines a través de los orificios en la placa, déle la vuelta y suelde en la parte posterior, luego corte el exceso. Los paquetes montados en la superficie son muy pequeños y más difíciles de reemplazar o quitar para realizar pruebas. Se colocan en un lado del tablero y se sueldan en su lugar. Se requieren herramientas y técnicas especiales.

Aunque el 555 IC muy básico se conoce como "temporizador", también es capaz de realizar otras funciones. Además de proporcionar retardos de tiempo de varias duraciones e intervalos (que en conjunto comprenden el ciclo de trabajo), el 555 puede funcionar como un oscilador, un dispositivo flip-flop, hacer que un interruptor de botón rebote libremente y funcionar como un sensor, entre muchas otras aplicaciones, por por medio de circuitos externos.

La mayoría de los equipos con un LED parpadeante, como muchos teléfonos e impresoras, utilizan 555 circuitos integrados. Estos circuitos, junto con los LED y las redes de resistor-condensador (RC) que los acompañan, se pueden extraer de unidades retiradas, pero con los 555 a un precio inferior a US $ 1, esto no vale la pena el esfuerzo.

Signetics (posteriormente adquirida por Philips) introdujo el 555 en 1971. Ahora lo fabrican numerosos fabricantes con algunas variaciones internas y características operativas y números de pieza ligeramente diferentes, pero con pines idénticos. Con pequeñas variaciones, el 555 contiene solo 25 transistores, 15 resistencias y dos diodos. Está disponible en un paquete en línea dual de ocho pines. Hay otras versiones, como el 556, que consta de un solo chip que contiene dos 555 en un paquete en línea dual de 14 pines. Otras variaciones son el 558 y el 559, que constan de paquetes en línea duales de 16 pines que contienen cuatro 555. Se invoca la tecnología CMOS para crear el TLC 555 de bajo consumo.

El 555 estándar de ocho pines en un paquete dual en línea ilustra la simplicidad y las múltiples funciones de este extraordinario dispositivo. Como siempre, los pines se numeran consecutivamente desde el punto / muesca, comenzando con el pin 1 y siguiendo en sentido antihorario:

  • Pin 1, TIERRA: proporciona la referencia de bajo nivel
  • Pin 2, GATILLO: comienza un intervalo de tiempo, y el pin 3, OUT, sube cuando esta entrada cae por debajo de la mitad del voltaje aplicado al pin 5, CONTROL.
  • Pin 3, OUT: esta salida va 1.7 V por debajo del pin 1, TIERRA, cuando se activa.
  • Pin 4, RESET: El intervalo de tiempo se restablece cuando esta entrada se conecta al pin 1, GROUND.
  • Pin 5, CONTROL: Varía la sincronización de la red RC
  • Pin 6, UMBRAL: Detecta dos tercios del voltaje del carril, lo que hace que la SALIDA sea baja si el pin 6, GATILLO, está alto.
  • Pin 7, DESCARGA: se vuelve bajo cuando el pin 6, UMBRAL, detecta dos tercios del voltaje del riel.
  • Pin 8, SUMINISTRO: Debe estar conectado al voltaje de suministro positivo para que funcione el IC: el rango aceptable es de 4.5-15 VCC. Para aplicaciones digitales, use +5 VCC.

El 555 tiene tres modos de funcionamiento: monoestable, astable (funcionamiento libre) y biestable (disparador Schmitt). En el modo monoestable, el 555 es un generador de impulsos de un solo paso. Cuando la clavija del gatillo ve un voltaje inferior a un tercio del voltaje de suministro, comienza el pulso. La duración depende de los valores de la resistencia y el condensador en la red RC. Después de este único pulso, el CI permanece inactivo hasta que se vuelve a activar.

En el modo astable, el 555 se convierte en un oscilador. A velocidades lentas, puede hacer que un LED parpadee o puede funcionar como un reloj lógico. También se puede utilizar para crear tonos audibles.

En el modo biestable, el 555 se convierte en un flip-flop. El pin 7, DESCARGA, no está conectado y el condensador externo no está presente. Una aplicación importante es el interruptor sin rebotes, que es posible gracias a la acción de enclavamiento del 555, que funciona en su modo biestable.

Debido a su simplicidad, tolerancia de una amplia gama de voltajes de suministro, multiplicidad de aplicaciones y bajo costo, el 555 es una buena introducción al mundo de los circuitos integrados. Con un número bajo de pines, el equipo en el que se utiliza es fácil de solucionar y reparar. Se requiere algo más de experiencia en el manejo del opamp, pero debido a su ocurrencia frecuente, debería ser parte de la base de conocimientos de los técnicos.

Las primeras computadoras analógicas que contenían amplificadores operacionales consistían en enormes conjuntos de tubos de vacío con fuentes de alimentación de alto voltaje. Había mucho calor que disipar y el espacio dedicado para hacerlo era considerable, por lo que las máquinas se veían principalmente en universidades y grandes instalaciones de investigación. Hoy en día, con la electrónica de estado sólido y el omnipresente IC, los amplificadores operacionales son lo suficientemente comunes como para encontrarse en casi todos los home. También ocupan un lugar destacado en equipos comerciales e industriales pesados. Debido a su amplio uso, vale la pena examinarlos de cerca.

El opamp es uno (pero no el único) tipo de amplificador diferencial. Se parece al amplificador totalmente diferencial, que se diferencia por tener dos salidas. El opamp tiene una salida y dos entradas. Las entradas son V + y V-, por lo que una es la inversa de la otra. El IC, debido a los circuitos internos, amplifica solo la diferencia de voltaje entre los dos. El grado de amplificación se ajusta a esta fórmula:

VOUT = AOL (V+ - V,)

donde VOUT es voltaje de salida, V+ es una entrada no inversora, V, es la entrada inversora y AOL es la ganancia de bucle abierto.

La ganancia de lazo abierto es relevante en los casos en los que no existe una conexión de retroalimentación entre la salida y la entrada. Debido a la enorme ganancia de un amplificador operacional en el modo de bucle abierto (a menudo alrededor de 100,000), el grado de amplificación es fenomenal. Pero, la ventaja real de este IC se ve cuando se opera en el modo de bucle cerrado. Aquí, la amplificación es mucho menor, dada por esta ecuación:

VOUT V =IN (1 + Rf/Rg)

donde Rf Y Rg son los valores que se muestran en la Figura 4.

El amplificador operacional en este circuito es mucho más estable que el amplificador operacional de circuito abierto o los amplificadores anteriores sin retroalimentación negativa. El opamp, así configurado, fue diseñado para resolver los problemas de estabilidad y ruido que existían en los primeros años de la transmisión por radio y cable. Esta es la razón por la que las personas que llaman a larga distancia no tienen que gritar para escucharse.

La resolución de problemas y la reparación de equipos electrónicos comerciales e industriales a gran escala, como los controladores de ascensores, generalmente implica analizar los síntomas y (con la ayuda de la documentación y los esquemas del fabricante) aislar la sección, el circuito y el componente defectuoso. No pocas veces, el culpable es un mal CI. A veces, tendrá una apariencia quemada o distorsionada, o estará anormalmente caliente. Lo más probable es que no haya ninguna indicación por apariencia externa.

Si el costo no es un factor y el objetivo es poner el equipo en funcionamiento rápidamente, la reparación puede consistir en reemplazar una placa de circuito completa. El problema con esta solución es que las placas individuales pueden ser muy caras y un inventario de respaldo completo sería bastante grande.            

Hasta cierto punto, es posible probar un CI usando un multímetro, especialmente si tiene la función de "prueba de diodos". Este procedimiento es útil pero no definitivo. En él, el técnico consultaría la hoja de datos del fabricante y vería dónde debería y no debería esperarse la continuidad. Si todas las clavijas están en cortocircuito con el sustrato, el circuito integrado está defectuoso. Nunca debe haber un cortocircuito entre la energía y la tierra. Con frecuencia, la hoja de datos del fabricante contiene un esquema de un circuito de prueba que se puede construir para probar el IC sobre una base de paso, no paso. Un buen plan sería reemplazar la placa de circuito defectuosa, luego llevarla al taller y reemplazar el circuito integrado defectuoso para que haya una placa de repuesto disponible para uso futuro.

Preguntas de refuerzo del aprendizaje

Utilice las siguientes preguntas de refuerzo del aprendizaje para estudiar para el Examen de evaluación de educación continua disponible en línea en www.elevatorbooks.com o en la p. 149 de este número.
♦ ¿Quién construyó el primer CI en funcionamiento?
♦ ¿Qué es la integración a pequeña escala?
♦ ¿Qué establece la Ley de Moore?
♦ ¿Qué significa "CMOS"?
♦ ¿Cómo se utiliza la litografía en la fabricación de circuitos integrados?

Referencias
[1] Charles Q. Choi. "¿Podría el estaño atómicamente delgado transformar la electrónica?" Scientific American, 4 de diciembre de 2013 (www.scientificamerican.com/article/could-atomically-thin-tin-transform-electronics).
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David Herres tiene una licencia de Master Electrician de New Hampshire y ha trabajado como electricista en la parte norte de ese estado durante muchos años. Se ha centrado en la redacción desde 2006, habiendo escrito para revistas como ELEVATOR WORLD, Construcción y mantenimiento eléctrico, Negocio de cableado, Negocio eléctrico, Nuts and Volts, PV Magazine, Electrical Connection, Solar Connection, Solar Industry Magazine, Fine HomeRevista de construcción y Noticias de Ingeniería.

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