Qu'est-ce qu'un circuit intégré numérique?

Dans le monde rapide de l'électronique moderne,Circuits intégrés numériques (ICS)sont les héros méconnus qui alimentent tout, de nos smartphones et ordinateurs portables aux supercalculateurs complexes et aux systèmes de contrôle industriel. Mais qu'est-ce qu'un circuit intégré numérique?

Un circuit intégré numérique, également connu sous le nom de circuit intégré logique, est un circuit électronique conçu pour traiter et manipuler les signaux numériques. Il est basé sur les principes de la logique numérique, qui utilise des nombres binaires (0 et 1) pour représenter des informations. Ces circuits sont fabriqués sur un seul substrat de semi-conducteur, généralement en silicium, et contiennent un grand nombre de composants électroniques interconnectés tels que les transistors, les résistances, les condensateurs et les diodes.

Fonction logique des circuits intégrés numériques

Circuits logiques numériquesPeut être divisé en deux catégories: circuits logiques combinationaux et circuits logiques séquentiels. Dans un circuit logique combinatoire, la sortie dépend à tout moment uniquement de l'entrée à ce moment, plutôt que de l'état de travail précédent du circuit. Les circuits de logique combinatoire les plus couramment utilisés comprennent les encodeurs, les décodeurs, les sélecteurs de données, les démultiplexeurs, les comparateurs numériques, les ajouts complets et les vérificateurs de parité, entre autres.

Figure 1. Circuit logique combinatoire

Dans un circuit logique séquentiel, la sortie dépend à tout moment non seulement de l'entrée à ce moment mais également de l'état d'origine du circuit. Par conséquent, les circuits logiques séquentiels doivent avoir une fonction de mémoire et doivent inclure des circuits d'unité de stockage. Les registres, les registres de décalage et les compteurs sont les circuits logiques séquentiels les plus couramment utilisés.

Figure 2. Circuit logique séquentiel

Pour les différentes applications de ces deux types de circuits logiques, il existe des produits de circuits intégrés standardisés et sérialisés, généralement appelés circuits intégrés à usage général. En conséquence, les circuits intégrés conçus et fabriqués à des fins spécifiques sont appelés circuits intégrés spécifiques à l'application (ASIC).

Conception interne des circuits intégrés numériques

Un circuit numérique est composé de logique combinatoire et de registres (tongs). La logique combinatoire, une fonction composée de circuits de porte de base, a des sorties qui dépendent uniquement des entrées de courant. Le premier diagramme de la figure 3 illustre la logique combinatoire, qui effectue uniquement des opérations logiques. En revanche, un circuit séquentiel contient non seulement des circuits de porte de base, mais également des éléments de stockage utilisés pour conserver les informations passées. La sortie à l'état d'équilibre d'un circuit séquentiel est liée à la fois à l'entrée actuelle et à l'état formé par des entrées précédentes. Lors de l'exécution d'opérations logiques, les résultats de traitement peuvent être temporairement stockés pour une utilisation dans la prochaine opération, comme le montre le deuxième diagramme.
Fonctionnellement, l'intérieur d'un circuit intégré numérique peut être divisé en deux parties: le chemin de données et la logique de contrôle. Les deux pièces intègrent un grand nombre de circuits logiques séquentiels, dont la plupart sont des circuits séquentiels synchrones. Un circuit séquentiel est divisé en plusieurs nœuds par plusieurs registres, et ces registres fonctionnent au même rythme sous le contrôle d'une horloge, ce qui simplifie le processus de conception.

Figure 3. Structure interne des circuits intégrés numériques

Sur les pratiques de conception à long terme, de nombreuses unités standard à usage général ont été développées. Il s'agit notamment des sélecteurs (également appelés multiplexeurs, qui peuvent sélectionner une sortie à partir de plusieurs données d'entrée), des comparateurs (utilisés pour comparer les amplitudes de deux nombres), des additionneurs, des multiplicateurs, des registres de décalage, etc. Ces circuits unitaires ont des formes régulières et sont faciles à intégrer, c'est également pourquoi les circuits numériques ont réalisé un meilleur développement dans les circuits intégrés.
Ces unités sont connectées en fonction des exigences de conception pour former un chemin de données. Les données à traiter sont transmises de l'extrémité d'entrée à l'extrémité de sortie via ce chemin, et le résultat de traitement final est obtenu. Dans le même temps, la logique de contrôle spécialement conçue et chaque composant qui contrôle le chemin de données doit fonctionner conformément à leurs exigences fonctionnelles respectives et à leurs relations de synchronisation spécifiques.

Modèles de puces intégrées numériques

Le modèle depuce intégrée numériqueComprend généralement trois parties: un préfixe, un numéro de série et un suffixe, chacun transportant des informations spécifiques:

Préfixe: Il représente principalement le fabricant ou la série à laquelle appartient la puce. Par exemple, la série "74" est un préfixe commun pour les puces numériques TTL, produites par plusieurs fabricants; La série "CD40" est un préfixe typique pour les puces CMOS, dominée par des fabricants comme Texas Instruments (TI).

Numéro de série: Il est utilisé pour distinguer le modèle fonctionnel spécifique de la puce. Par exemple, le "00" en 74LS00 indique que la puce est une porte NAND à 2 entrées, tandis que le "595" dans 74HC595 représente un registre de décalage 8 bits.

Suffixe: Il marque généralement des paramètres tels que la forme d'emballage de la puce et la plage de température. Par exemple, "DIP" signifie Double en ligne, "SMD" pour le package de périphérique de montage en surface; "-40 ℃ ~ 85 ℃" indique la plage de température de fonctionnement de la puce.

Cette méthode de dénomination du modèle offre aux concepteurs une base d'identification pratique, leur permettant de juger rapidement la fonction de la puce, les scénarios applicables et les caractéristiques physiques.

Types de puces intégrées numériques

Basé sur la structure du circuit, la fonction et les scénarios d'application,puces intégrées numériquespeut être divisé en les principaux types suivants:

1. Classé par la structure du circuit

Chips TTL (Transistor-Transistor Logic): Ils sont centrés sur des transistors bipolaires et comptent à la fois sur les électrons et les trous pour la conduction. Ils comportent des vitesses de commutation rapides et des capacités de conduite solides, mais ont une consommation d'énergie relativement élevée. Les séries 74 communes (comme le décodeur 74LS138) appartiennent à des puces TTL et ont été largement utilisées dans les premiers systèmes numériques.

CMOS (copeaux complémentaires sur l'oxyde de métal-oxyde): Ils sont constitués d'une structure complémentaire de transistors PMOS et NMOS, conduisant de l'électricité avec un seul type de transporteur. Ils ont des avantages tels que une faible consommation d'énergie, une impédance d'entrée élevée et une large gamme de tension d'alimentation, ce qui en fait actuellement le type grand public de puces numériques. Les exemples incluent la série CD4000 et la série 74HC (comme l'onduleur 74HC04), qui sont largement utilisés dans les dispositifs portables et les systèmes de faible puissance.

2. Classé par fonction

Puces de porte logique: Ils implémentent des opérations logiques de base et sont le fondement de circuits complexes. Ils incluent et les portes (telles que 74LS08), ou les portes (telles que 74LS32), pas les portes (telles que 74LS04), et les portes logiques composites (telles que la porte NAND 74LS00 et le NORAT 74LS02).

Puces logiques séquentielles: Ils contiennent des unités de stockage, et leurs sorties dépendent à la fois des entrées actuelles et des états historiques, utilisés pour implémenter des fonctions telles que le comptage et le stockage. Les exemples incluent le compteur à 4 bits 74LS161, le registre 8 bits 74LS373 et le registre Shift 74LS164.

Puces de traitement des données: Ils sont utilisés pour des opérations spécifiques telles que la sélection des données, le codage et le décodage. Par exemple, le sélecteur de données 8 à 1 74LS151, le décodeur de lignes 3 à 8 74LS138 et le décodeur d'affichage BCD à sept segments 74LS48.

3. Classé par scénario d'application

Circuits intégrés à usage général: Conçu pour les fonctions standardisées, ils conviennent à plusieurs scénarios et ont une polyvalence et une interchangeabilité. Les portes logiques, les comptoirs, les registres, etc. susmentionnés entrent dans cette catégorie. Par exemple, les puces 74 Série et CD4000 peuvent être utilisées de manière flexible dans divers systèmes numériques.

Circuits intégrés spécifiques à l'application (ASIC): Conçu sur mesure pour des scénarios spécifiques, tels que les puces de traitement du signal d'image dans les smartphones etpuces de commande embarquéesen électronique automobile. Les ASIC peuvent optimiser les performances et réduire la consommation d'énergie dans la mesure maximale, mais ont des coûts de conception élevés et des cycles longs, ce qui les rend adaptés aux appareils dédiés produits en masse.

Dispositifs logiques programmables (PLDS): Y compris les FPGA (tableaux de porte programmables sur le terrain) et CPLD (dispositifs logiques programmables complexes), ils permettent aux utilisateurs de personnaliser les fonctions logiques via la programmation. Par exemple, les FPGA de la série Spartan de Xilinx peuvent être utilisés dans le développement de prototypes ou les scénarios de personnalisation en petits lots, l'équilibrage de la flexibilité et des performances.

Ces différents types de puces intégrées numériques soutiennent collectivement la construction de tout, du simple contrôle logique aux systèmes numériques complexes, en répondant à divers besoins de conception électronique.

Classification du circuit intégré numérique basé sur l'échelle d'intégration

Intégration à petite échelle (SSI): Les circuits SSI contiennent généralement jusqu'à 10 portes ou quelques douzaines de composants. Ces circuits sont souvent utilisés pour les fonctions logiques de base dans des systèmes numériques simples. Par exemple, une puce 7400, qui contient quatre portes NAND à deux - entrées, est un dispositif SSI commun. Il peut être utilisé dans des applications telles que des circuits de contrôle logique simples, où des opérations logiques de base sont nécessaires.

Intégration d'échelle moyenne (MSI): Les circuits MSI ont entre 10 et 100 portes ou quelques centaines de composants. Ils sont utilisés pour des fonctions plus complexes. Une puce 74161, qui est un compteur synchrone à 4 bits, est un exemple de dispositif MSI. Les compteurs sont largement utilisés dans les systèmes numériques pour des tâches telles que le comptage des événements, la génération de signaux de synchronisation et le contrôle de la séquence d'opérations.

Intégration à grande échelle (LSI): Les circuits LSI contiennent 100 à 10 000 portes ou des milliers de composants. Les puces de mémoire comme les premiers souvenirs d'accès statiques aléatoires (SRAM) et les microprocesseurs simples sont des exemples de dispositifs LSI. Un microprocesseur à 8 bits pourrait être mis en œuvre à l'aide de la technologie LSI. Il peut exécuter un ensemble d'instructions, effectuer des opérations arithmétiques et logiques et contrôler le flux de données dans un système numérique.

Intégration très - grande échelle (VLSI): Les circuits VLSI ont plus de 10 000 portes ou des centaines de milliers à des millions de composants. Les microprocesseurs modernes, tels que ceux trouvés dans les ordinateurs personnels, et les souvenirs de grande capacité aléatoires - Access (DRAM) sont des exemples classiques de dispositifs VLSI. Un processeur de bureau haut de gamme peut contenir des milliards de transistors, qui sont organisés en circuits logiques complexes pour effectuer des tâches de calcul extrêmement rapides et sophistiquées.

Intégration ultra - grande à l'échelle (ULSI) et Giga - Intégration à l'échelle (GSI): ULSI fait référence aux circuits avec un niveau d'intégration encore plus élevé, souvent dans des dizaines de millions de composants. GSI, qui est une étape encore plus avancée, consiste à s'intégrer sur un milliard de composants sur une seule puce. État - OF - Les processeurs de téléphonie mobile artistiques et certaines unités de traitement graphique (GPU) élevées (GPU) entrent dans cette catégorie. Ces puces sont capables de gérer des quantités massives de données et d'effectuer des opérations complexes à grande vitesse, de permettre des fonctionnalités telles que le traitement vidéo élevé - de définition, le rendu graphique 3D réel - et les algorithmes d'intelligence artificielle avancés.

Comment fonctionnent les circuits intégrés numériques?

Circuits intégrés numériquesFonctionne en fonction du système binaire. Les transistors dans le circuit agissent comme des commutateurs. Lorsqu'un transistor est activé, il représente une logique 1 (généralement un niveau de tension haute), et lorsqu'il est désactivé, il représente une logique 0 (généralement un niveau de basse tension). L'écoulement du courant électrique à travers ces transistors est contrôlé par les signaux d'entrée appliqués au circuit.
Dans les circuits intégrés numériques plus complexes, tels que les microprocesseurs, un grand nombre de ces éléments logiques de base sont combinés et organisés de manière hiérarchique. Le microprocesseur récupère les instructions de la mémoire, les décode pour comprendre quelle opération doit être effectuée, puis exécute ces instructions en utilisant des unités arithmétiques et logiques (ALUS) et d'autres blocs fonctionnels dans la puce. Les données sont stockées et manipulées dans les registres, qui sont essentiellement de petits éléments de mémoire d'accès rapides dans le microprocesseur.

Utilisation et application de circuits intégrés numériques

Microprocesseurs: Les microprocesseurs sont le cerveau d'un système informatique. Ils exécutent un ensemble d'instructions stockées en mémoire pour effectuer des tâches telles que les opérations arithmétiques, la manipulation des données et le contrôle d'autres composants du système. Par exemple, les processeurs Intel Core Series utilisés dans les ordinateurs de bureau et d'ordinateur portable peuvent effectuer des milliards d'instructions par seconde. Ils sont conçus pour être très polyvalents et peuvent être programmés pour gérer un large éventail d'applications, du traitement de texte et de la navigation Web à des simulations scientifiques et des jeux complexes.

Mémoire ICS:Circuits intégrés de mémoiresont utilisés pour stocker les données et les programmes. Il existe deux types principaux: lire - seulement la mémoire (ROM) et la mémoire aléatoire - Access (RAM). La ROM stocke les données en permanence et est utilisée pour maintenir le système d'entrée / sortie de base (BIOS) dans un ordinateur, qui contient les instructions de démarrage. La RAM, en revanche, est une mémoire volatile utilisée pour stocker temporairement les données sur lesquelles l'ordinateur travaille actuellement. La mémoire dynamique aléatoire - Access (DRAM) est couramment utilisée dans les ordinateurs en raison de sa capacité de stockage élevée et de son coût relativement faible, tandis que la mémoire d'accès aléatoire statique (SRAM) est plus rapide mais plus coûteuse et est souvent utilisée dans les souvenirs de cache pour accélérer l'accès aux données.

ICS logique: Les CI logiques sont utilisés pour effectuer diverses opérations logiques. Ils peuvent être des portes logiques simples, comme mentionné précédemment, ou des circuits logiques combinationnels et séquentiels plus complexes. Les circuits de logique combinatoire, comme les multiplexeurs (qui sélectionnent l'un des nombreux signaux d'entrée à acheminer vers la sortie) et les décodeurs (qui convertissent un code binaire en un ensemble de signaux de sortie), ont des sorties qui dépendent uniquement des valeurs d'entrée actuelles. Les circuits logiques séquentiels, tels que les flip - flops et compteurs, ont des sorties qui dépendent non seulement des entrées de courant mais également de l'état précédent du circuit. Ces circuits sont cruciaux pour les tâches telles que le stockage de données, la récupération et le traitement dans les systèmes numériques.

Application - Circuits intégrés spécifiques (ASIC): Les ASIC sont des circuits intégrés conçus personnalisés pour une application spécifique. Par exemple, dans un appareil photo numérique, il peut y avoir une ASIC conçue spécifiquement pour le traitement d'image. Cette puce est optimisée pour effectuer des tâches telles que le contrôle du capteur d'image, la correction des couleurs et la compression. Les ASIC offrent des avantages tels que une taille plus petite, une consommation d'énergie inférieure et des performances plus élevées pour l'application spécifique pour laquelle ils sont conçus, par rapport à l'utilisation de CI généraux.

Champ - tableaux de porte programmables (FPGA): Les FPGA sont des périphériques logiques programmables qui permettent aux utilisateurs de configurer les fonctions logiques de la puce après sa fabrication. Ils contiennent un grand nombre de blocs logiques programmables et d'interconnexions. Les FPGA sont utilisés dans les applications où une flexibilité est requise, comme le prototypage de nouvelles conceptions numériques. Par exemple, dans le développement d'un nouveau protocole de communication, un FPGA peut être programmé pour implémenter la logique du protocole et être facilement reconfiguré à mesure que la conception évolue. Ils sont également utilisés dans certaines applications informatiques élevées, où la possibilité de personnaliser le matériel en temps réel peut fournir une vitesse significative - pour des algorithmes spécifiques.

La signification des circuits intégrés numériques

Circuits intégrés numériquesont révolutionné le domaine de l'électronique. Leur petite taille, leur faible consommation d'énergie, leur haute fiabilité et leur capacité à effectuer des opérations complexes à des vitesses élevées les ont rendus indispensables dans la technologie moderne. Ils ont permis la miniaturisation des appareils électroniques, des minuscules trackers de fitness portables sur nos poignets aux puissants serveurs qui exécutent Internet. Le développement de circuits intégrés numériques a également été un moteur clé dans les progrès des industries telles que les télécommunications, les soins de santé (par exemple, dans les dispositifs d'imagerie médicale et les systèmes de surveillance des patients), l'automobile (pour des fonctions telles que le contrôle du moteur et les systèmes d'assistance) et l'aérospatiale (pour l'avionique et la communication par satellite). En bref, les circuits intégrés numériques sont la pierre angulaire de l'ère numérique, permettant le style de vie motivé par la technologie sur laquelle nous sommes venus à compter.

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