集成電路概念及定義分類

• 朱夢華 2023年4月27日 來源：互聯(lián)網(wǎng) 486 25
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集成電路（integrated circuit）是電路（主要包括半導(dǎo)體設(shè)備，也包括被動組件等）小型化的方式，采用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，成為具有所需q

據(jù)中研產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2023-2028年中國集成電路行業(yè)深度調(diào)研及發(fā)展策略研究報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示

一、集成電路定義

集成電路（integratedcircuit）是電路（主要包括半導(dǎo)體設(shè)備，也包括被動組件等）小型化的方式，采用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)；其中所有元件在結(jié)構(gòu)上已組成一個(gè)整體，使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步。

它是微型電子器件或部件，在電路中用字母"IC"表示，發(fā)明者為杰克·基爾比（基于鍺（Ge）的集成電路）和羅伯特·諾伊思（基于硅（Si）的集成電路）。當(dāng)今半導(dǎo)體工業(yè)大多數(shù)應(yīng)用的是基于硅的集成電路，是20世紀(jì)50年代后期到60年代發(fā)展起來的一種新型半導(dǎo)體器件。

二、集成電路的分類

集成電路的分類方法很多，依照電路屬模擬或數(shù)字，可以分為：模擬集成電路、數(shù)字集成電路和混合信號集成電路（模擬和數(shù)字在一個(gè)芯片上）。

數(shù)字集成電路可以包含任何東西，在幾平方毫米上有從幾千到百萬的邏輯門、觸發(fā)器、多任務(wù)器和其他電路。這些電路的小尺寸使得與板級集成相比，有更高速度，更低功耗（參見低功耗設(shè)計(jì)）并降低了制造成本。這些數(shù)字IC，以微處理器、數(shù)字信號處理器和微控制器為代表，工作中使用二進(jìn)制，處理1和0信號。

模擬集成電路有，例如傳感器、電源控制電路和運(yùn)放，處理模擬信號。完成放大、濾波、解調(diào)、混頻的功能等。通過使用專家所設(shè)計(jì)、具有良好特性的模擬集成電路，減輕了電路設(shè)計(jì)師的重?fù)?dān)，不需凡事再由基礎(chǔ)的一個(gè)個(gè)晶體管處設(shè)計(jì)起。

集成電路可以把模擬和數(shù)字電路集成在一個(gè)單芯片上，以做出如模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器等器件。這種電路提供更小的尺寸和更低的成本，但是對于信號沖突必須小心。

電子顯微鏡下碳納米管微計(jì)算機(jī)芯片體的場效應(yīng)畫面根據(jù)一個(gè)芯片上集成的微電子器件的數(shù)量，集成電路可以分為以下幾類：

小型集成電路（SSI英文全名為SmallScaleIntegration）：邏輯門10個(gè)以下或晶體管100個(gè)以下。

中型集成電路（MSI英文全名為MediumScaleIntegration）：邏輯門11~100個(gè)或晶體管101~1k個(gè)。

大規(guī)模集成電路（LSI英文全名為LargeScaleIntegration）：邏輯門101~1k個(gè)或晶體管1，001~10k個(gè)。

超大規(guī)模集成電路（VLSI英文全名為Verylargescaleintegration）：邏輯門1，001~10k個(gè)或晶體管10，001~100k個(gè)。極大規(guī)模集成電路（ULSI英文全名為UltraLargeScaleIntegration）：邏輯門10，001~1M個(gè)或晶體管100，001~10M個(gè)。

GLSI（英文全名為GigaScaleIntegration）：邏輯門1，000，001個(gè)以上或晶體管10，000，001個(gè)以上。

而根據(jù)處理信號的不同，可以分為模擬集成電路、數(shù)字集成電路、和兼具模擬與數(shù)字的混合信號集成電路。

三、模擬集成電路的概念

模擬集成電路主要是指由電容、電阻、晶體管等組成的模擬電路集成在一起用來處理模擬信號的集成電路。有許多的模擬集成電路，如運(yùn)算放大器、模擬乘法器、鎖相環(huán)、電源管理芯片等。

模擬集成電路的主要構(gòu)成電路有：放大器、濾波器、反饋電路、基準(zhǔn)源電路、開關(guān)電容電路等。

模擬集成電路設(shè)計(jì)主要是通過有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師進(jìn)行手動的電路調(diào)試，模擬而得到，與此相對應(yīng)的數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)大部分是通過使用硬件描述語言在EDA軟件的控制下自動的綜合產(chǎn)生。

四、模擬集成電路的特性

在信息技術(shù)中，數(shù)字集成電路是主角，其處理對象是以數(shù)字信號承載的信息，而數(shù)字信號在時(shí)間、量的方面是取離散值的。

但是自然界的信號在時(shí)間和量方面的變化是連續(xù)的，比如風(fēng)聲、水流量等，這樣的信號稱為模擬信號（AnalogSignal），相應(yīng)地，處理模擬信號的電路稱為模擬電路，而用來處理模擬信號的集成電路則稱為模擬集成電路。

顯然數(shù)字電路是無法直接跟自然界打交道的，只是為了處理或傳輸?shù)姆奖?，為了充分利用?shù)字系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，把模擬信號先轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入到大容量、高速、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好的現(xiàn)代化數(shù)字系統(tǒng)處理后，再重新轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。

五、模擬集成電路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

模擬集成電路的基本電路包括電流源、單級放大器、濾波器、反饋電路、電流鏡電路等，由它們組成的高一層次的基本電路為運(yùn)算放大器、比較器，更高一層的電路有開關(guān)電容電路、鎖相環(huán)、ADC/DAC等。

根據(jù)輸出與輸入信號之間的響應(yīng)關(guān)系，又可以將模擬集成電路分為線性集成電路和非線性集成電路兩大類。前者的輸出與輸入信號之間的響應(yīng)通常呈線性關(guān)系，其輸出的信號形狀與輸入信號是相似的，只是被放大了，并且按固定的系數(shù)進(jìn)行放大的。

而非線性集成電路的輸出信號對輸入信號的響應(yīng)呈現(xiàn)非線性關(guān)系，比如平方關(guān)系、對數(shù)關(guān)系等，故稱為非線性電路。

常見的非線性電路有振蕩器、定時(shí)器、鎖相環(huán)電路等。模擬集成電路的典型應(yīng)用如下圖所示，輸入溫度、濕度、光學(xué)、壓電、聲電等各種傳感器或天線采集的外界自然信號，經(jīng)過模擬電路預(yù)處理后，轉(zhuǎn)為合適的數(shù)字信號輸入到數(shù)字系統(tǒng)中；經(jīng)過數(shù)字系統(tǒng)處理后的信號再通過模擬電路進(jìn)行后處理，轉(zhuǎn)換為聲音、圖像、無線電波等模擬信號進(jìn)行輸出。

六、模擬集成電路的分類

模擬集成電路產(chǎn)品分為三類：第一類是通用型電路，如運(yùn)算放大器、相乘器、鎖相環(huán)路、有源濾波器和數(shù)-模與模-數(shù)變換等；第二類是專用型電路，如音響系統(tǒng)、電視接收機(jī)、錄像機(jī)及通信系統(tǒng)等專用的集成電路系列；第三類是單片集成系統(tǒng)，如單片發(fā)射機(jī)、單片接收機(jī)等。

七、數(shù)字集成電路概念

數(shù)字電路是由許多的邏輯門組成的復(fù)雜電路，與模擬電路相比，它主要進(jìn)行數(shù)字信號的處理（即信號以0與1兩個(gè)狀態(tài)表示），因此抗干擾能力較強(qiáng)。由于它具有邏輯運(yùn)算和邏輯處理功能，所以又稱數(shù)字邏輯電路。一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)一般由控制部件和運(yùn)算部件組成，在時(shí)脈的驅(qū)動下，控制部件控制運(yùn)算部件完成所要執(zhí)行的動作。通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，數(shù)字電路可以和模擬電路互相連接。

現(xiàn)代的數(shù)字電路由半導(dǎo)體工藝制成的若干數(shù)字集成器件構(gòu)造而成。邏輯門是數(shù)字邏輯電路的基本單元。存儲器是用來存儲二進(jìn)制數(shù)據(jù)的數(shù)字電路。從整體上看，數(shù)字電路可以分為組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路兩大類。

八、數(shù)字集成電路的分類

按功能來分：

組合邏輯電路：簡稱組合電路，它由最基本的邏輯門電路組合而成。特點(diǎn)是：輸出值只與當(dāng)時(shí)的輸入值有關(guān)，即輸出惟一地由當(dāng)時(shí)的輸入值決定。電路沒有記憶功能，輸出狀態(tài)隨著輸入狀態(tài)的變化而變化，類似于電阻性電路，如加法器、譯碼器、編碼器、數(shù)據(jù)選擇器等都屬于此類。

時(shí)序邏輯電路：簡稱時(shí)序電路，它是由最基本的邏輯門電路加上反饋邏輯回路（輸出到輸入）或器件組合而成的電路，與組合電路最本質(zhì)的區(qū)別在于時(shí)序電路具有記憶功能。時(shí)序電路的特點(diǎn)是：輸出不僅取決于當(dāng)時(shí)的輸入值，而且還與電路過去的狀態(tài)有關(guān)。它類似于含儲能元件的電感或電容的電路，如觸發(fā)器、鎖存器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器、儲存器等電路都是時(shí)序電路的典型器件。

按電路有無集成元器件來分，可分為分立元件數(shù)字電路和集成數(shù)字電路。

按集成電路的集成度進(jìn)行分類，可分為小規(guī)模集成數(shù)字電路(SSI)、中規(guī)模集成數(shù)字電路(MSI)、大規(guī)模集成數(shù)字電路(LSI)和超大規(guī)模集成數(shù)字電路(VLSI)。

按構(gòu)成電路的半導(dǎo)體器件來分類，可分為雙極型數(shù)字電路和單極型數(shù)字電路。

九、數(shù)字集成電路的應(yīng)用要點(diǎn)

1、同時(shí)具有算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算功能

數(shù)字電路是以二進(jìn)制邏輯代數(shù)為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，使用二進(jìn)制數(shù)字信號，既能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算又能方便地進(jìn)行邏輯運(yùn)算（與、或、非、判斷、比較、處理等），因此極其適合于運(yùn)算、比較、存儲、傳輸、控制、決策等應(yīng)用。

2、實(shí)現(xiàn)簡單，系統(tǒng)可靠

以二進(jìn)制作為基礎(chǔ)的數(shù)字邏輯電路，可靠性較強(qiáng)。電源電壓的小的波動對其沒有影響，溫度和工藝偏差對其工作的可靠性影響也比模擬電路小得多。

3、集成度高，功能實(shí)現(xiàn)容易

集成度高，體積小，功耗低是數(shù)字電路突出的優(yōu)點(diǎn)之一。電路的設(shè)計(jì)、維修、維護(hù)靈活方便，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字邏輯電路的集成度越來越高，集成電路塊的功能隨著小規(guī)模集成電路（SSI）、中規(guī)模集成電路（MSI）、大規(guī)模集成電路（LSI）、超大規(guī)模集成電路（VLSI）的發(fā)展也從元件級、器件級、部件級、板卡級上升到系統(tǒng)級。電路的設(shè)計(jì)組成只需采用一些標(biāo)準(zhǔn)的集成電路塊單元連接而成。對于非標(biāo)準(zhǔn)的特殊電路還可以使用可編程序邏輯陣列電路，通過編程的方法實(shí)現(xiàn)任意的邏輯功能。

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