Primeros pasos con la electrónica: Circuitos Integrados

Publicado por Loli Diéguez en

Los circuitos integrados (CI) son la piedra angular de la electrónica moderna.

Son el corazón y el cerebro de la mayoría de los circuitos. Son los omnipresentes chips negros que se encuentran en casi todas las placas de circuito.

¿Alguna vez has oído hablar de un ordenador de la década de 1940 llamada ENIAC? Tenía aproximadamente la misma longitud y peso que tres o cuatro autobuses de dos pisos y contenía 18.000 interruptores electrónicos conocidos como tubos de vacío.

A pesar de su tamaño gigantesco, era miles de veces menos potente que un ordenador portátil moderno. Y esto ha sido posible por la invención del circuito integrado (CI) en 1958. Es una forma ingeniosa de amontonar cientos, miles, millones o incluso miles de millones de componentes electrónicos en diminutos chips de silicio no más grandes que una uña.

En el corazón de un circuito integrado hay capas de obleas de silicio (semiconductores) y cobre que se unen para crear los componentes electrónicos que usamos hoy en nuestras placas de prueba:  resistencias , condensadores , diodos , transistores , etc., todo en una forma miniaturizada.                                                                                                                    

Generaciones 

En los primeros días de los circuitos integrados simples, cada chip se limitaba a solo docenas de componentes en un chip en lo que se llamaba Integración a pequeña escala (SSI). 

El número de circuitos integrados fabricados era bastante bajo para los estándares actuales. 

Pronto siguió la Integración a Mediana Escala (MSI), con cientos de componentes en un área del mismo tamaño. 

La integración a gran escala (LSI) trajo miles de componentes y nos dio decenas de miles y la ultra gran escala (ULSI) hizo posible tener millones y miles de millones de transistores en un chip.

Estilo de montaje

Una de las principales características distintivas de los circuitos integrados es la forma en que se monta en una placa de circuito. 

Todos los paquetes se clasifican en uno de estos dos estilos de montaje: 

A través del orificio 

Los circuitos integrados de orificios pasantes son generalmente más grandes y mucho más fáciles de trabajar. Están diseñados para pegarse a través de un lado de una placa y soldarse al otro lado.

Montaje superficial 

Los circuitos integrados de montaje en superficie varia en tamaño, desde pequeños hasta minúsculos. Todos están diseñados para colocarse en un lado de una placa de circuito y soldarse a la superficie.

Los pines de un paquete SMD sobresalen de los lados, perpendiculares al chip o, a veces, están dispuestos en una matriz en la parte inferior del chip.

Los circuitos integrados en este factor de forma generalmente requieren herramientas especiales para ayudar en el proceso de ensamblaje.

 

Marcado de polaridad y numeración de pines

Todos los circuitos integrados están polarizados y cada pin es único en términos de ubicación y función, lo que significa que tiene una unica manera de ser montado y conectado.

La mayoría de los circuitos integrados utilizarán una muesca, un punto o ambos para indicar qué pin es el primer pin. Una vez que sepas dónde está el primer pin, los números de pin son secuencialmente a medida que se mueve en sentido contrario a las agujas del reloj alrededor del chip.

Los circuitos integrados vienen en todas las formas y tamaños, y todos se pueden agrupar en tres categorías generales: 

Circuitos integrados digitales 

Estos circuitos integrados funcionan en el sistema binario que alimenta toda la electrónica digital de hoy, utilizando un sistema de 1 y 0 para hacer que sucedan cosas increíbles. 

En los circuitos integrados digitales, encontrarán transistores, puertas lógicas, etc., todos agrupados en un solo chip para alimentar cosas como un Arduino o Raspberry Pi.                                                                                                     

Circuitos integrados analógicos 

A diferencia de su primo digital, el CI analógico funciona abordando esas señales analógicas en constante cambio y puede realizar algunas tareas pesadas, como filtrado, amplificación y modulación. 

Generalmente, los circuitos analógicos están conectados a dispositivos que recolectan señales del entorno o envían señales al entorno. Por ejemplo, un circuito analógico que modifica una señal de voz proveniente de un micrófono de alguna manera útil, como amplificándola o filtrándola de ruido no deseado. 

Otro uso típico de un circuito analógico es controlar algún dispositivo en respuesta a cambios continuos en el entorno. Por ejemplo, un sensor de temperatura envía una señal variable a un termostato, que puede programar para encender y apagar un aire acondicionado, un calentador o un horno una vez que la señal ha alcanzado un cierto valor.

                                                

Circuitos integrados de señal mixta 

Cuando combina la funcionalidad digital y analógica en un solo chip, has creado un CI de señal mixta. 

Encontrarás que estos tipos de circuitos se utilizan para cosas como la regulación del tiempo / reloj y la conversión de digital a analógico o analógico a digital.

El cerebro de un circuito integrado está hábilmente escondido debajo de un empaquetado protector, que es lo que seguramente has visto en placas de circuitos, son como cajitas de color negro. 

Todos los tipos de empaquetados están estandarizados, lo que facilita la soldadura a placas de circuito o la conexión a placas de prueba para la creación de prototipos. 

En cada empaquetado, hay un conjunto de pines , y estos permiten que el CI se conecte a otras partes del circuito. Si bien existen diferentes tipos de paquetes, hablaremos de los más comunes que puedes encontrar en los proyectos:

Paquetes duales en línea (DIP) 

Este empaquetado es parte de la familia de orificios pasantes y puedes reconocer fácilmente estos chips al buscar sus formas rectangulares largas con filas paralelas de pasadores. 

Este tipo de paquete es ideal para usar en placas de prueba y puede incluir entre 4 y 64 pines. 

Además de usarse en placas de prueba, los circuitos integrados DIP también se pueden soldar en PCB. Se insertan en un lado de la placa y se sueldan por el otro lado. A veces, en lugar de soldar directamente al circuito integrado, es una buena idea conectar el chip. El uso de enchufes permite quitar y cambiar fácilmente un circuito integrado DIP.                                                

Empaquetado SOP

Los paquetes de contorno pequeño son los primos de montaje en superficie del DIP. Es lo que obtendrías si doblaras todos los pines de un DIP hacia afuera y lo redujeras de tamaño. Estos chips requerirán maquinaria avanzada para aplicarlos con precisión. Los circuitos integrados de SOP vienen en varias variedades, incluidos los paquetes de contorno pequeño delgados (TSOP) y los paquetes de contorno pequeño de encogimiento fino (TSSOP).                       

Paquetes Quad Flat (QFP) 

Este tipo de paquete se identifica fácilmente por los pines que salen de las cuatro direcciones del IC. Estos útiles chips pueden tener de 8 a más de 70 pines en cada lado, lo que les puede dar la friolera de 300 pines para trabajar durante un proceso de diseño de PCB. 

Encontrará toneladas de microprocesadores que utilizan el tipo de paquete QFP, incluido el popular ATmega328. 

Si recortaras las patas de un QFP, obtendrías un paquete quad-flat sin cables (QFN). Las conexiones en los paquetes QFN son pequeñas almohadillas expuestas en los bordes de las esquinas inferiores del CI. A veces se envuelven y quedan expuestos tanto en el costado como en la parte inferior, otros paquetes solo exponen la almohadilla en la parte inferior del chip.

Matrices de cuadrícula de bolas (BGA) 

El último tipo de paquete, y también el más avanzado, es el Ball Grid Array. 

Estos tipos de paquetes complejos incluyen pequeñas bolas de soldadura en la parte inferior dispuestas en un patrón o cuadrícula. Enrutar todos los pines en un BGA puede ser bastante difícil, a menudo toma horas enrutar las redes fuera del espacio reducido (llamado enrutamiento en abanico). 

Encontrarás este tipo de paquete BGA solo para los microprocesadores más avanzados, como los de Raspberry Pi.                                  

Los circuitos integrados prevalecen en tantas formas en la electrónica que es difícil cubrir todo. 

Estos son algunos de los circuitos integrados más comunes. 

Puertas lógicas 

Las puertas lógicas son los componentes básicos de muchos circuitos integrados, se pueden empaquetar en su propio circuito integrado. Algunos circuitos integrados de puertas lógicas pueden contener un puñado de puertas en un paquete, como esta puerta AND de cuatro entradas:

Las puertas lógicas se pueden conectar dentro de un CI para crear temporizadores, contadores, pestillos, registros de cambio y otros circuitos lógicos básicos . 

Temporizadores 

El temporizador es un circuito integrado altamente estable que puede producir oscilaciones y demoras de tiempo preciso. Debido a su relativa simplicidad, facilidad de uso y bajo coste, se ha utilizado en miles de aplicaciones y todavía está ampliamente disponible.

Amplificadores operacionales

Los amplificadores operacionales son básicamente dispositivos amplificadores de voltaje. Son una parte fundamental de los dispositivos analógicos. Se utilizan a menudo en el acondicionamiento de señales, filtrado u otras operaciones matemáticas (suma, resta, integración y diferenciación), lo que le da el nombre de amplificador operacional.

Memoria

La memoria se compone de densos conjuntos de circuitos paralelos que utilizan sus estados de voltaje para almacenar información. La memoria también almacena la secuencia temporal de instrucciones, o programas, para el microprocesador.

Los fabricantes se esfuerzan continuamente por reducir el tamaño de los circuitos de memoria para aumentar la capacidad sin aumentar el espacio. Además, los componentes más pequeños suelen consumir menos energía, funcionan de manera más eficiente y cuestan menos de fabricar.

                                                                                                           

Microcontroladores, microprocesadores, FPGA

Los microcontroladores, microprocesadores y FPGA, todos empaquetados miles, millones, incluso miles de millones de transistores en un chip diminuto, son todos circuitos integrados. Estos componentes existen en una amplia gama de funcionalidad, complejidad y tamaño, desde un microcontrolador de 8 bits como el ATmega328 en un Arduino, hasta una compleja actividad de organización de microprocesador multinúcleo de 64 bits en un ordenador. 

Estos componentes suelen ser el CI más grande de un circuito. Se pueden encontrar microcontroladores simples en paquetes que van desde DIP hasta QFP / QFN, con recuentos de pines entre ocho y cien. A medida que estos componentes aumentan en complejidad, el paquete se vuelve igualmente complejo.

Sensores

Los sensores digitales modernos, como sensores de temperatura, acelerómetros y giroscopios, vienen empaquetados en un circuito integrado.

Estos circuitos integrados suelen ser más pequeños que los microcontroladores u otros circuitos integrados en una placa de circuito, con recuentos de pines en el rango de tres a veinte. Los circuitos integrados de sensores DIP se están volviendo una rareza, ya que los componentes modernos generalmente se encuentran en paquetes QFP, QFN e incluso BGA.                                                                                                     

Circuitos integrados de radiofrecuencia (RFIC)

Los circuitos integrados de radiofrecuencia (RFIC) se utilizan en teléfonos móviles y dispositivos inalámbricos. Los RFIC son circuitos analógicos que normalmente se ejecutan en el rango de frecuencia de 3 kHz a 2,4 GHz.

Circuitos integrados de microondas monolíticos (MMIC)

Un tipo especial de RFIC se conoce como CI de microondas monolítico (MMIC; también llamado CI monolítico de microondas). Estos circuitos suelen funcionar en el rango de 2 a 100 GHz, o frecuencias de microondas, y se utilizan en sistemas de radar, en comunicaciones por satélite y como amplificadores de potencia para teléfonos móviles.                           

Circuitos integrados de aplicaciones específicas (ASIC)

Un CI de aplicación específica (ASIC) puede ser un circuito digital o analógico. Como su nombre lo indica, los ASIC no se pueden reconfigurar. Realizan solo una función específica. Por ejemplo, un controlador de velocidad CI para un automóvil de control remoto está cableado para hacer un trabajo y no tiene la capacidad de seguir instrucciones alternativa.                                                                                                        

El circuito integrado es realmente el cerebro detrás de todos los dispositivos electrónicos de hoy en día, será difícil no encontrarlos en todas partes, en radares, televisores, procesamiento de video, ... la lista es interminable. Simplemente haz un escaneo rápido de todos los dispositivos electrónicos que tengas cerca, y seguramente encontrarás un circuito integrado dentro de todos ellos. 


Compartir esta publicación



← Publicación más antigua