I circuiti integrati oggi sono alla base dell’elettronica e dell’informatica, la loro invenzione infatti ha permesso la miniaturizzazione dei componenti elettronici, portando allo sviluppo di dispositivi elettronici sempre più sofisticati.
La loro invenzione si deve a due ingegneri statunitensi, Kilby e Noyce, che alla fine degli ani 50 ebbero questa intuizione.
Il primo circuito era costituito da alcuni transistor e resistenze interconnesse su chip di germanio, anche se non molto potente dimostrò però la fattibilità di questa tecnologia.
Negli anni 60 si iniziò a sviluppare questa tecnologia con circuiti a media e grande scala, che erano formati da decine a centinaia di componenti.
In breve un circuito integrato è un circuito elettrico i cui componenti come diodi, resistenze, transistor, condensatori ed altro, vengono miniaturizzati e integrati all’interno di uno zoccoletto di silicio.
I circuiti integrati o chip, sono progettati per eseguire una grande gamma di operazioni come il controllo di motori, la memorizzazione di dati, la gestione di funzioni elettriche o l’elaborazione di segnali.
Il Chip viene installato su circuito stampato (PCB), tramite dei piedini che si trovano ai bordi dello zoccoletto.
Una volta installato sulla PCB, il CI attraverso i pin o piedini riceve della corrente elettrica che viene elaborata per svolgere la funzione per cui esso è stato progettato, dai pin del CI si possono avere anche segnali in uscita che vengono inviati ad altre periferiche presenti nella PCB.
Con lo sviluppo dell’elettronica digitale i circuiti integrati sono stati dotati in un processore, che esegue i calcoli richiesti dalla PCB in cui il microchip è installato; possiamo quindi definire un microchip come un sorta di computer.
Esistono vari tipi di circuiti integrati:
- Circuiti integrati analogici: Utilizzati per amplificare ed elaborare segnali analogici, vengono utilizzati nel campo audio o nel controllo dei motori.
- Circuiti integrati digitali: Usati per l’elaborazione dei segnali digitali come quelli dei computer, possono essere di tipo combinatorio (elaborano i segnali in base ad un insieme di regole logiche), oppure sequenziale (elaborano il segnale in base ad uno stato interno dei microchip).
- Circuiti integrati programmabili: sono microchip programmabili come ad esempio i PIC.
- Microcontrollori: CI che combinano la funzione analogica con quella digitale per controllare vari dispositivi come display, motori, sensori ed altro
- Circuiti integrati di potenza: Utilizzati pe rilevare controllo del flusso di energia in un sistema elettronico.
- Memorie: utilizzati per la memorizzazione di dati digitali, come la RAM dei PC.
Iniziamo ad capire meglio il funzionamento di un CI.
Un CI usa l’algebra di Boole, o algebra booleana, per il suo funzionamento, soprattutto i primi CI, era basati su porte logiche che avevano collegamenti di ingresso e di uscita.
Le funzioni fondamentali di un CI sono OR, AND e NOT, anche se in elettronica si tende ad utilizzare le porte NAND, NOR e OR-esclusiva (questa utilizzata molto di frequente).
vediamo il significato delle varie funzioni:
Funzione OR: Questa funzione permette di avere l’uscita impostata su 1 se almeno una delle due variabili è 1, per avere un’uscita uguale a 0 occorre che entrambe le variabili siano 0.
Ad esempio, sfruttando lo schema a sinistra se: x=0 e y=1 l’uscita sarà 1
Se x=0 e y= 0 avremo un’uscita uguale a 0.
L’espressione matematica è: F=A+B.
Se il numero di variabili è maggiore di 2 avremo F=A+B+C+D+……
La funzione NOT: inverte lo stato di ingresso, ha solo una variabile in ingresso ed in uscita, se abbiamo un ingresso uguale a 0 avremo un uscita uguale 1 e viceversa, i circuiti integrati con questa porta sono conosciuti come inverter.
La funzione matematica è F=/A
Funzione NOR: Questa funzione si ottiene collegando una funzione OR ad una NOT, più nello specifico si ottiene collegando un porta NOT all’uscita di una OR.
Avendo due ingressi uguale a 0, si ottiene un’uscita uguale a 1
Per avere un’uscita uguale a 0 basta avere un ingresso uguale a 1
Con due ingressi uguale ad 1 si ottiene un’uscita uguale a 0
L’espressione matematica è: F= /(A+B)
Funzione AND: Questa funzione corrisponde al prodotto logico dell’algebra booleana, cioè: F=A*B*C
Di conseguenza l’unico modo per avere un’uscita logica 1 occorre che tutti gli ingressi siano 1, viceversa anche con un solo ingresso uguale a 0 avremo un’uscita uguale a 0
La funzione NAND: Simile alla funzione AND come per la funzione NOR, ha una porta OR all’uscita, questo permette di avere una uscita 1 quando uno solo degli ingressi è impostato su 0, avremo invece un’uscita 0 in caso di due ingressi uguali a 1.
Funzione OR-esclusiva: chiamata anche funzione di comparazione, permette di avere un’uscita impostata su 1 quando si ha un solo ingresso impostato ad 1, per avere un0uscita 0 occorre che entrambi gli ingressi siano 0.
La differenza tra XOR e OR è nel fatto che mentre XOR ha due ingressi 1 avremo un’uscita 0, mentre in OR avremo un’uscita 1.
Per adesso mi fermo qui, prossima lezione la dedicherò al segnale di Clock, molto importante per il funzionamento dei CI.