EL CIRCUITO INTEGRADO
A finales de la década de 1960 apareció el circuito integrado (CI), que posibilitó la fabricación de varios transistores en un único sustrato de silicio en el que los cables de interconexión iban soldados. El circuito integrado permitió una posterior reducción del precio, el tamaño y los porcentajes de error. El microprocesador se convirtió en una realidad a mediados de la década de 1970, con la introducción del circuito de integración a gran escala (LSI, acrónimo de Large Scale Integrated) y, más tarde, con el circuito de integración a mayor escala (VLSI, acrónimo de Very Large Scale Integrated), con varios miles de transistores interconectados soldados sobre un único sustrato de silicio.
Es un pequeño circuito electrónico utilizado para realizar una función electrónica específica, como la amplificación. Se combina por lo general con otros componentes para formar un sistema más complejo y se fabrica mediante la difusión de impurezas en silicio monocristalino, que sirve como material semiconductor, o mediante la soldadura del silicio con un haz de flujo de electrones. Varios cientos de circuitos integrados idénticos se fabrican a la vez sobre una oblea de pocos centímetros de diámetro. Esta oblea a continuación se corta en circuitos integrados individuales denominados chips.
En la integración a gran escala (LSI, acrónimo de Large-Scale Integration) se combinan aproximadamente 5.000 elementos, como resistencias y transistores, en un cuadrado de silicio que mide aproximadamente 1,3 cm de lado. Cientos de estos circuitos integrados pueden colocarse en una oblea de silicio de 8 a 15 cm de diámetro.
Prueba de una placa de circuitos integrados
Una ingeniero utiliza una potente lupa para observar los minúsculos componentes de una placa de circuitos integrados. Muchas pruebas se efectúan aplicando tensiones al circuito y comprobando que determinadas entradas dan como resultado determinadas salidas. En el pasado, los circuitos estaban formados por dispositivos electrónicos separados (como bobinas de inducción y condensadores) montados sobre un chasis e interconectados por cables. Estos circuitos podían configurarse, probarse e incluso reorganizarse con relativa facilidad, aunque ocupaban demasiado espacio. Por el contrario, los circuitos integrados incorporan todos los componentes electrónicos separados en una única placa.
La integración a mayor escala puede producir un chip de silicio con millones de elementos. Los elementos individuales de un chip se interconectan con películas finas de metal o de material semiconductor aisladas del resto del circuito por capas dieléctricas. Para interconectarlos con otros circuitos o componentes, los chips se montan en cápsulas que contienen conductores eléctricos externos. De esta forma se facilita su inserción en placas. Durante los últimos años la capacidad funcional de los circuitos integrados ha ido en aumento de forma constante, y el coste de las funciones que realizan ha disminuido igualmente. Esto ha producido cambios revolucionarios en la fabricación de equipamientos electrónicos, que han ganado enormemente en capacidad funcional y en fiabilidad. También se ha conseguido reducir el tamaño de los equipos y disminuir su complejidad física y su consumo de energía. La tecnología de los ordenadores o computadoras se ha beneficiado especialmente de todo ello. Las funciones lógicas y aritméticas de una computadora pequeña pueden realizarse en la actualidad mediante un único chip con integración a escala muy grande (VLSI, acrónimo de Very Large Scale Integration) llamado microprocesador, y todas las funciones lógicas, aritméticas y de memoria de una computadora, pueden almacenarse en una única placa de circuito impreso, o incluso en un único chip. Un dispositivo así se denomina microordenador o microcomputadora.
En electrónica de consumo, los circuitos integrados han hecho posible el desarrollo de muchos nuevos productos, como computadoras y calculadoras personales, relojes digitales y videojuegos. Se han utilizado también para mejorar y rebajar el coste de muchos productos existentes, como los televisores, los receptores de radio y los equipos de alta fidelidad. Su uso está muy extendido en la industria, la medicina, el control de tráfico (tanto aéreo como terrestre), control medioambiental y comunicaciones.
Este circuito integrado, un microprocesador F-100, tiene sólo 0,6 cm2, y es lo bastante pequeño para pasar por el ojo de una aguja.
Microordenador o Microcomputadora
Es un dispositivo de computación de sobremesa o portátil, que utiliza un microprocesador como su unidad central de procesamiento o CPU. Los microordenadores más comunes son las computadoras u ordenadores personales, PC, computadoras domésticas, computadoras para la pequeña empresa o micros. Las más pequeñas y compactas se denominan laptops o portátiles e incluso palm tops por caber en la palma de la mano. Cuando los microordenadores aparecieron por primera vez, se consideraban equipos para un solo usuario, y sólo eran capaces de procesar cuatro, ocho o 16 bits de información a la vez. Con el paso del tiempo, la distinción entre microcomputadoras y grandes computadoras corporativas o mainframe (así como los sistemas corporativos de menor tamaño denominados minicomputadoras) ha perdido vigencia, ya que los nuevos modelos de microordenadores han aumentado la velocidad y capacidad de procesamiento de datos de sus CPUs a niveles de 32 bits y múltiples usuarios.
Los microordenadores están diseñados para uso doméstico, didáctico y funciones de oficina. En casa pueden servir como herramienta para la gestión doméstica (cálculo de impuestos, almacenamiento de recetas) y como equipo de diversión (juegos de computadora, catálogos de discos y libros). Los escolares pueden utilizarlos para hacer sus deberes y, de hecho, muchas escuelas públicas utilizan ya estos dispositivos para cursos de aprendizaje programado independiente y cultura informática. Las pequeñas empresas pueden adquirir microcomputadoras para el procesamiento de textos, para la contabilidad y el almacenamiento y gestión de correo electrónico.
Orígenes
El desarrollo de las microcomputadoras fue posible gracias a dos innovaciones tecnológicas en el campo de la microelectrónica: el circuito integrado, también llamado IC (acrónimo de Integrated Circuit), que fue desarrollado en 1959, y el microprocesador que apareció por primera vez en 1971. El IC permite la miniaturización de los circuitos de memoria de la computadora y el microprocesador redujo el tamaño de la CPU al de una sola pastilla o chip de silicio.
El hecho de que la CPU calcule, realice operaciones lógicas, contenga instrucciones de operación y administre los flujos de información favoreció el desarrollo de sistemas independientes que funcionaran como microordenadores completos. El primer sistema de sobremesa de tales características, diseñado específicamente para uso personal, fue presentado en 1974 por Micro Instrumentation Telemetry Systems (MITS). El editor de una revista de divulgación tecnológica convenció a los propietarios de este sistema para crear y vender por correo un equipo de computadora a través de su revista. El precio de venta de esta computadora, que recibió el nombre de Altair, era relativamente asequible.
La demanda de este equipo fue inmediata, inesperada y totalmente abrumadora. Cientos de pequeñas compañías respondieron a esta demanda produciendo computadoras para el nuevo mercado. La primera gran empresa de electrónica que fabricó y vendió computadoras personales, Tandy Corporation (Radio Shack), introdujo su modelo en 1977. Rápidamente dominó el sector, gracias a la combinación de dos atractivas características: un teclado y un terminal de pantalla de rayos catódicos. También se hizo popular porque se podía programar y el usuario podía guardar la información en una cinta de casete.
Poco tiempo después de la presentación del nuevo modelo de Tandy, dos ingenieros programadores, Stephen Wozniak y Steven Jobs, crearon una nueva compañía de fabricación de computadoras llamada Apple Computers. Algunas de las nuevas características que introdujeron en sus microcomputadoras fueron la memoria expandida, programas en disco y almacenamiento de datos de bajo precio y los gráficos en color. Apple Computers se convirtió en la compañía de más rápido crecimiento en la historia empresarial de los Estados Unidos. Esto animó a un gran número de fabricantes de microordenadores para entrar en este campo. Antes de finalizar la década de 1980, el mercado de los ordenadores personales se encontraba ya claramente definido.
En 1981 IBM presentó su propio modelo de microordenador, llamado IBM PC. Aunque no incorporaba la tecnología de computación más avanzada, el PC se convirtió en un hito de este sector en ebullición. Demostró que la industria de los microordenadores era algo más que una moda pasajera y que, de hecho, los microordenadores eran una herramienta necesaria en el mundo empresarial. La incorporación de un microprocesador de 16 bits en el PC inició el desarrollo de micros más veloces y potentes. Así mismo, el uso de un sistema operativo al que podían acceder todos los demás fabricantes de computadoras abrió el camino para la estandarización de la industria.
Placa de circuitos de computadora
Los circuitos integrados han hecho posible la fabricación del microordenador o microcomputadora. Sin ellos, los circuitos individuales y sus componentes ocuparían demasiado espacio como para poder conseguir un diseño compacto. También llamado chip, un circuito integrado típico consta de varios elementos como reóstatos, condensadores y transistores integrados en una única pieza de silicio. En los más pequeños, los elementos del circuito pueden tener un tamaño de apenas unos centenares de átomos, lo que ha permitido crear sofisticadas computadoras del tamaño de un cuaderno. Una placa de circuitos de una computadora típica incluye numerosos circuitos integrados interconectados entre sí.
A mediados de la década de 1980 se produjeron una serie de desarrollos especialmente importantes para el auge de los microordenadores. Uno de ellos fue la introducción de un potente ordenador de 32 bits capaz de ejecutar sistemas operativos multiusuario avanzados a gran velocidad. Este avance redujo las diferencias entre micro y miniordenadores, dotando a cualquier equipo de sobremesa de una oficina con la suficiente potencia informática como para satisfacer las demandas de cualquier pequeña empresa y de la mayoría de las empresas medianas.
Otra innovación fue la introducción de métodos más sencillos y 'amigables' para el control de las operaciones de las microcomputadoras. Al sustituir el sistema operativo convencional por una interfaz gráfica de usuario, computadores como el Apple Macintosh permiten al usuario seleccionar iconos —símbolos gráficos que representan funciones de la computadora— en la pantalla, en lugar de requerir la introducción de los comandos escritos correspondientes. Hoy ya existen nuevos sistemas controlados por la voz, pudiendo los usuarios operar sus microordenadores utilizando las palabras y la sintaxis del lenguaje hablado.
Vemos que prácticamente, cualquier circuito lógico básico puede obtenerse de otro (u otros) circuito lógico también básicos. Tener conocimiento de esta técnica es bastante útil, principalmente cuando realizamos desarrollos prácticos y en un determinado momentos no disponemos, por ejemplo, de un operador NAND que se hace necesario para proseguir las experiencias y/o montaje del circuito experimental.
Adquirir el componente en el mercado no siempre la solución mas adecuada y en algunos casos puede ser imposible, por lo menos en el día.
Ahora bien, si tenemos en casa algunos circuitos de negación y circuitos OR o incluso NOR habremos resuelto el problema, por lo menos en forma temporal.
Los circuitos integrados digitales son todos aquellos que trabajan sobre la base de dos estados o niveles (0) y (1) con la posibilidad de realizar con ellos cualquier clase de funciones del tipo digital o binario ya sea en forma de circuitos combinacionales o secuenciales.
Existen varias tecnologías para la fabricación de este tipo de circuitos integrados de las que se destacan por ser las mas empleadas la bipolar con sus series DTL, TTL y ECL y la MOS con sus series N-MOS, P-MOS y C-MOS.
En la serie DTL (siglas tomadas del ingles Diode-Transistor Logic) se realiza la integración empleando como elementos básicos para la conmutación los diodos en transistores, con una densidad o nivel de integración pequeño (SSI). Fue de las primeras series que aparecieron en los comienzos de la década de los setenta y en la actualidad ha perdido casi toda su vigencia, no utilizándose para nuevos diseños.
La serie TTL (Transistor-Transistor Logic) emplea a los transistores como elementos básicos de la conmutación, elevándose los niveles de integración hasta la MSI y en algunos casos a la LSI. Esta serie, que nació con posterioridad a la DTL, supera ampliamente a esta y ha permitido realizar la integración de complejas funciones binarias que con la anterior no se hubiera podido conseguir.
Una de sus principales características es su elevada velocidad de conmutación, lo que hace que siga teniendo vigencia aun, en la actualidad, aunque otros aspectos, tales como el consumo de potencia hayan sido ampliamente mejoradas por las nuevas tecnologías.
Con la serie ECL (Emiter-Coupled Logic) se consiguió extender el campo de utilización de los circuitos integrados digitales hasta las altas frecuencias consiguiendo unas velocidades de conmutación extremadamente elevadas. Lógicamente las aplicaciones de esta serie se destinan a cubrir las necesidades de diseños en los casos en que haya que procesar o generar señales de frecuencias superiores a los 20 o30 MHZ, combinándose perfectamente con las series anteriores en aquellos casos en que sea necesario.
Los circuitos integrados digitales fabricados con la técnica MOS aparecieron en el mercado a partir de la segunda mitad de la década de los setenta y con ellos se obtuvieron fundamentalmente dos avances importantes en la evolución tecnológica de estos dispositivos; en primer lugar destaca la posibilidad de mejorar y aumentar el nivel de integración, entrando de lleno en la LSI e incluso en la VLSI (Very Large Scale Integration) o integración a muy alta escala y por otra parte se logro reducir notablemente el consumo de potencia gracias al principio de funcionamiento de estos dispositivos basados en que trabajan a partir de dos niveles de tensión con intensidades de corrientes muy débiles.
Por otra parte y atendiendo a la función concreta que desempeñan, se encuentran una serie de tipos estandarizados para unas determinadas funciones, los cuales se fabrican en cualquiera de las tecnologías mencionadas. Los mas utilizados son los siguientes:
· Puertas lógicas e inversoras
· Biestables T, R-S, D, J-K
· Monoestables
· Contadores
· Codificadores y decodificadores
· Registros de desplazamiento
· Elementos de calculo antmético
En el caso de elegir la tecnología TTL, se encontraran la mayor parte de los modelos anteriores incluidos dentro de una familia o serie denominada serie 74, seguida por dos o mas cifras que completan la identificación de cada tipo concreto.
Si se trata de tecnologías CMOS, existe también una serie conocida como serie 4000 que contiene un gran numero de elementos identificables por contener la cifra 4 en el primero o segundo lugar de su denominación.
Los circuitos integrados de consumo o (consumer) son todos aquellos que están diseñados para una aplicación especifica y generalmente estandarizada lo que les hace útiles para incorporarles en aparatos electrónicas de gran producción, también denominadas de consumo, ya que con ellos se obtiene importantes reducciones del coste, tanto del diseño como de la fabricación en si del producto.
Casi todos los circuitos de este grupo pueden ser conocidos fácilmente por sus caracteres de identificación que están formados por un grupo de tres letras, siendo la primera de ellas T o S, seguidas por tres o cuatro números, aunque algunos fabricantes emplean nomenclaturas especiales que se separan de esta regla.
Se puede realizar una clasificación, no exhaustiva, de estos circuitos integrados agrupándoles en varias familias en función de sus características y aplicaciones. Es la siguiente:
· Circuitos de audio
· Circuitos para receptores de radio
· Circuitos para receptores de televisión en blanco y negro o color
· Circuitos para relojes electrónicos
· Circuitos para generación o síntesis de música
· Circuitos para equipos electrónicos de automóviles
· Anays de diodos y transistores
Dentro de la primera familia de circuitos, destinados a aplicaciones de sonido o de control del mismo, esta comprendida una amplia gama de amplificadores, desde los de bajo nivel y reducidas dimensiones de aparatos de ayuda para sordos, hasta los de potencia capaces de suministrar unos niveles de salida de 20W, pasando por otros modelos destinados a etapas pramplificadora de pequeña señal. También se pueden citar otros circuitos integrados cuya principal aplicación el la de control eléctrico de volumen o del tono mediante corriente continua. Uno de los circuitos mas destacados de esta primera familia es el TBA 800 que contiene un amplificador de audio capaz de entregar una potencia de 5W a un altavoz, con una etapa de salida en clase B.
Este circuito es capaz de trabajar con tensiones de alimentación comprendidas entre 5 y 30V, proporciona una ganancia máxima de 80 dB, su respuesta en frecuencia es plana desde 100 KH hasta 10 HZ Y presenta una distorsión máxima del 0,5%.
El encapsulado es en la configuración de doble fila paralela de patillas (Dualin-Line) con 12 terminales de conexión mas otros dos de mayor anchura destinados a disipación del calor que pueden soldarse en una zona de cobre del circuito impreso con objeto de mejorar la evacuación de la potencio disipada.
La segunda familia mencionada cuya aplicación principal se encuentra en receptores de radio comprende circuitos destinados a receptores completos, decodificadores de estereofonía y amplificadores de frecuencia intermedia. Podemos tomar como ejemplo el circuito TBA 700 que comprende dos etapas amplificadoras de F.I., un preamplificador, de potencia en clase B de 1W de salida, un control automático de ganancia y un estabilizador de tensión.
Los circuitos integrados para televisión constituyen una amplia familia en la que están comprendidos una serie de tipos destinados a: amplificadores de F.I., amplificadores y decodificadores de luminancia y crominancia, circuitos de deflexión vertical, osciladores de línea, circuitos para deflexión horizontal ( sin etapa de salida) circuitos de conmutación de canales por tacto, fuentes de alimentación conmutadas y circuitos destinados a emisión y recepción de control remoto.
