ELETTRONICA WORLD

Un circuito integrato, acronimo IC (dal corrispondente termine inglese Integrated Circuit), anche chiamato microchip o semplicemente chip, è un circuito elettronico miniaturizzato che si presenta come un singolo componente elettronico.

Il circuito elettronico è realizzato con un substrato di materiale semiconduttore (in genere silicio ma a volte anche arseniuro di gallio o altro), il die, ed è costituito da poche unità fino a molte decine di milioni di componenti elettronici elementari (transistor, diodi, condensatori e resistori).

Il costo di fabbricazione di un circuito integrato varia molto poco (o rimane costante) al crescere della sua complessità, per cui è molto più economico sviluppare circuiti complessi, composti di una serie di stadi interni interconnessi fra loro e con l’esterno, che accentrino tutte le funzioni necessarie ad una specifica apparecchiatura. Per questo, l’industria microelettronica offre relativamente pochi tipi di IC generici ma decine di migliaia di IC specializzati, ognuno progettato per uno scopo specifico.

Il primo circuito integrato venne costruito nel 1958 da Jack St. Clair Kilby ed era composto da circa dieci componenti elementari.

Scala di integrazione

Il numero di transistor contenuti in un IC definisce la sua scala di integrazione:

• SSI <10 (acronimo di Small-Scale Integration)

• MSI <100 (acronimo di Medium-Scale Integration)

• LSI <10.000 (acronimo di Large-Scale Integration)

• VLSI <100.000 (acronimo di Very-Large Scale Integration)

ULSI <10.000.000 (acronimo di Ultra-Large Scale Integration)

Componenti integrabili

In un circuito integrato si possono integrare facilmente transistor e diodi: è possibile creare nel substrato semiconduttore anche piccole resistenze e condensatori, ma in genere questi ultimi componenti occupano molto spazio sul chip e si tende ad evitarne l’uso, sostituendoli quando possibile con reti di transistor. È possibile integrare anche induttori o trasformatori, ma il valore delle induttanze ottenibili è molto piccolo (nell’ordine dei nano henry (nH)): il loro impiego è molto limitato a causa dell’enorme occupazione di area che richiedono, anche solo per realizzare induttori di piccolissimo valore. Inoltre, la tecnologia realizzativa dei circuiti integrati (non dedicati alle altissime frequenze) e quindi i notevoli effetti parassiti ne limitano sensibilmente le prestazioni, soprattutto se paragonati ai classici induttori non su circuito integrato. Tali induttori integrati vengono solitamente impiegati nei circuiti integrati a radiofrequenze (LNA [1], mixer, ecc), ad esempio a frequenze attorno ai giga hertz (GHz) ([2]. Condensatori di media e grande capacità non sono assolutamente integrabili. Sono disponibili invece varie tipologie di integrati aventi la funzione relè, ovvero dispositivi dotati di ingressi logici, per mezzo dei quali interrompere o deviare segnali analogici anche multipli.

1. Generalità

I dispositivi digitali vengono suddivisi in famiglie logiche ciascuna delle quali differisce dalle altre per la tecnologia utilizzata e per il circuito di base con cui si realizzano le porte logiche.

          Nell’ambito della stessa famiglia logica vi sono diverse serie atte a  migliorare alcune caratteristiche elettriche rispetto ad altre.

Le famiglie logiche più utilizzate sono la TTL (Transistor -Transistor Logic) e la CMOS (Complementary MOS).

La prima prende il nome di TTL per la presenza di transistor sia nello stadio di ingresso che di uscita.

La seconda si chiama CMOS perché fa uso di MOSFET (Transistor ad Effetto di Campo MOS, Metallo Ossido Semiconduttore).

2. Famiglia logica TTL

Tutti i circuiti integrati della famiglia logica TTL sono alimentati con Vcc=+5V, sono caratterizzati da un numero di serie che ha, come cifre iniziali, 74 (serie commerciale che funziona tra 0 e 70°C) o 54 (serie militare che funziona tra -55 e +125°C).

I livelli di tensione da applicare in ingresso sono:

• VIL compreso tra 0 e +0.8V per il riconoscimento del livello logico basso;

• VIH compreso tra +2V e +5V per il riconoscimento del livello logico alto.

I valori di tensione compresi tra 0.8V e 2V individuano una zona di indeterminazione che è bene non utilizzare.

I livelli di tensione che si ottengono in uscita sono:

• VOL compreso tra 0 e 0.4V con corrente di sink IOL<16mA

• VOH compreso tra 2.4V e circa 4V con corrente di source IOH< 400µA.3. Famiglia logica CMOS

  I circuiti integrati appartenenti alla famiglia logica CMOS (Complementary MOS) utilizzano al loro interno transistor MOSFET  a canale N ed a canale P, quindi di tipo complementare.
  La caratteristica fondamentale di un componente CMOS è la ridottissima potenza dissipata in condizioni statiche: circa 10nW per porta logica e un ampio intervallo di valori di tensione di alimentazione: da 3V a 15V.
  In commercio sono disponibili diverse serie della famiglia logica CMOS che di seguito si elencano:

  • CD4000 ormai obsoleta;

  • 74C compatibile, nella piedinatura, ai corrispondenti integrati della famiglia logica TTL;

  • 74HC e 74HCT come la precedente ma con tempi di propagazione ridotti (intorno a 10-15ns) e valori di alimentazione da 2V a 6V (HC) e 5V (HCT)

  • 74AHC simile alla famiglia HC ma con prestazioni “Avanzate”.

  L’uso dei dispositivi CMOS impone l’osservanza di alcune regole:

  • La tensione applicata in ingresso deve essere compresa tra 0 e Vcc;

  • I piedini di ingresso non devono essere mai inutilizzati: essi vanno collegati al livello logico alto o basso;

  • Il terminale di uscita può essere collegato direttamente a massa o all’alimentazione senza il pericolo di avarie poiché lo stadio di uscita è di tipo resistivo, cioé si può assimilare ad un generatore di tensione avente in serie una resistenza;

  • La tensione di soglia di commutazione è circa la metà della tensione di alimentazione applicata.

  I livelli di tensione da applicare in ingresso sono:

  • VIL compreso tra 0 e +Vcc/3 per il riconoscimento del livello logico basso;

  • VIH compreso tra +2Vcc/3  e +Vcc per il riconoscimento del livello logico alto.

  I valori di tensione compresi tra Vcc/3 e 2Vcc/3 individuano una zona di indeterminazione che è bene non utilizzare.

  I livelli di tensione che si ottengono in uscita, in assenza di carico applicato, sono:

  • VOL = 0 ;

  • VOH = Vcc.

  Le correnti di ingresso IIL e IIH sono praticamente nulle perchè l’ingresso dei transistor MOSFET presenta resistenza infinita.
  Le correnti di uscita IOL e IOH dipendono dalla particolare serie CMOS utilizzata e comunque generalmente non superano il valore di alcuni milliampere.

  4. Le moderne famiglie logiche

  In questi ultimi anni si sono rese disponibili sul mercato numerose altre famiglie logiche molto più efficienti della classica TTL e della classica CMOS serie 4000 e serie 74C.

  Le tecnologie utilizzate per queste nuove famiglie logiche sono ancora di tipo CMOS e di tipo BICMOS (transistor bipolari e CMOS) aventi, come caratteristiche particolarmente interessanti, un ridottissimo autoconsumo ed elevata frequenza di funzionamento. In particolare, si citano le famiglie logiche a bassa tensione di alimentazione (famiglie logiche Low Voltage), tipicamente a +3.3V, con elevati valori di corrente di carico e compatibili con i livelli logici delle famiglie alimentate a +5V.

  In fig.2 si mostra un grafico che illustra la posizione occupata, dalle varie famiglie logiche, nel tipico ciclo di vita in cui si evidenzia una fase di introduzione, una di crescita, una di maturità, una di declino e l’ultima di obsolescenza.

  La figura è tratta dalla documentazione fornita dalla Texas Instruments.

  Dalla figura si nota che le nuove famiglie logiche hanno una tecnologia di tipo CMOS o BICMOS e sono a bassa tensione. Le sigle riportate hanno il seguente significato:

  LV – Low Voltage CMOS.

  ALV – Advanced Low Voltage CMOS

  ABT – Advanced BICMOS Technology

  Le cause che hanno spinto i costruttori a realizzare famiglie logiche alimentate con bassi valori di tensione sono sostanzialmente riassunte nei seguenti punti:

  • La riduzione orizzontale e verticale della geometria del wafer dei moderni dispositivi integrati a semiconduttori richiede una più bassa tensione di alimentazione pena la possibilità di breakdown dell’ossido del MOS. Ciò potrebbe rendere il dispositivo inutilizzabile.

  • I costruttori di apparecchi elettronici alimentati a pile chiedono componenti elettronici a bassa dissipazione di potenza. La potenza consumata, come è noto, dipende dai carichi elevati, è direttamente proporzionale alla frequenza di lavoro, ed è proporzionale al quadrato della tensione di alimentazione.

  • Il ridotto consumo di potenza riscalda di meno i componenti e ciò consente di evitare l’uso di ingombranti e costosi dissipatori di calore e permette la realizzazione di dispositivi a maggior grado di integrazione.