Układ scalony (ang. Integrated Circuit, IC) to miniaturowy elektroniczny obwód, w którym elementy aktywne i pasywne – tranzystory, diody, rezystory, kondensatory – są zintegrowane w jednym chipie krzemowym. Dzięki temu układy scalone umożliwiają miniaturyzację, zwiększenie niezawodności i spadek kosztów produkcji w porównaniu do tradycyjnych układów z elementów dyskretnych.
Pojęcie integracji
Integracja oznacza łączenie wielu elementów w jednym materiale półprzewodnikowym:
- SSI (Small-Scale Integration) – kilka lub kilkanaście tranzystorów na chipie
- MSI (Medium-Scale Integration) – setki tranzystorów
- LSI (Large-Scale Integration) – tysiące tranzystorów
- VLSI (Very Large-Scale Integration) – setki tysięcy do milionów tranzystorów
- ULSI (Ultra Large-Scale Integration) – miliony i miliardy tranzystorów, np. procesory
Dzięki integracji układy scalone są szybsze, mniejsze i bardziej energooszczędne niż tradycyjne rozwiązania z elementów dyskretnych.
Budowa monolityczna układów scalonych
Większość układów scalonych wykonana jest w technologii monolitycznej na krzemie (Si). Podstawowe elementy struktury:
- Substrat krzemowy – podstawa chipu
- Tranzystory MOSFET i BJT – elementy aktywne
- Rezystory i kondensatory wbudowane w krzem – elementy pasywne
- Połączenia metaliczne (aluminium lub miedź) – ścieżki między elementami
- Obudowa – chroni chip przed uszkodzeniami mechanicznymi i wpływem środowiska
Rodzaje obudów
- DIP (Dual Inline Package) – klasyczna obudowa z dwoma rzędami wyprowadzeń, montowana przez otwory w płytce PCB.
- SMD (Surface-Mount Device) – elementy montowane bezpośrednio na powierzchni PCB, mniejsze i lżejsze niż DIP.
- BGA (Ball Grid Array) – wyprowadzenia w postaci kulek lutowanych pod spodem układu, stosowane w procesorach i pamięciach.
Generacje układów scalonych
- Logiczne (cyfrowe)
- Realizują funkcje cyfrowe: bramki AND, OR, flip-flopy, liczniki
- Przykłady: 7400, CMOS 4000
- Analogowe
- Wzmacniacze operacyjne, regulatory napięcia, wzmacniacze audio
- Przykłady: LM358, LM324
- Mieszane (Mixed-Signal)
- Łączą funkcje analogowe i cyfrowe w jednym chipie
- Przykłady: przetworniki ADC/DAC, układy sterujące
Przykłady popularnych układów scalonych
- NE555 – popularny timer, generator impulsów i PWM, stosowany w prostych przetwornicach i sterownikach
- LM358 – podwójny wzmacniacz operacyjny do zastosowań analogowych
- Stabilizatory LDO (Low Drop-Out) – układy scalone regulujące napięcie wyjściowe, zapewniające stabilne zasilanie dla układów cyfrowych i analogowych
Zalety układów scalonych
- Miniaturyzacja – wiele elementów w jednym chipie
- Większa niezawodność – brak połączeń przewodzących między elementami dyskretnymi
- Niższe koszty produkcji – masowa produkcja chipów
- Szybsze działanie – krótsze połączenia wewnętrzne
- Niższe zużycie energii – mniejsze straty przewodzenia i pojemności
Podsumowanie
Układ scalony to fundament nowoczesnej elektroniki. Dzięki integracji elementów w monolitycznej strukturze krzemowej, w obudowach DIP, SMD czy BGA, możliwe jest tworzenie układów logicznych, analogowych i mieszanych o wysokiej funkcjonalności, niskich kosztach i małych rozmiarach. Przykłady NE555, LM358 czy stabilizatory LDO pokazują szerokie zastosowanie w elektronice codziennej i przemysłowej.
Układy scalone pozwoliły na rozwój komputerów, mikrokontrolerów, systemów automatyki oraz elektroniki użytkowej, co czyni je niezbędnym elementem współczesnej technologii.