Circuitos integrados

El circuito integrado (CI) es un chip extremadamente delgado que alberga una gran cantidad de dispositivos microelectrónicos interconectados, como diodos y transistores, así como componentes pasivos, como resistencias y condensadores.

El primer circuito integrado fue desarrollado en 1958 por el ingeniero Jack St. Clair Kilby, quien trabajaba en Texas Instruments. Este avance revolucionó la electrónica al permitir la miniaturización de los circuitos, lo que llevó a una mejora en la eficiencia y reducción de costos en la fabricación de dispositivos electrónicos.

En aquella época, los equipos electrónicos más comunes utilizaban componentes como los “tubos de vacío” (empleados en radios y televisores) y los transistores de germanio (Ge), antes de la llegada de los circuitos integrados.

Primer circuito integrado

En el verano de 1958, Jack Kilby se propuso transformar la electrónica al idear el primer circuito integrado. Su visión consistía en integrar todos los componentes, tanto activos como pasivos, en un único trozo de material semiconductor. El resultado fue un chip tan pequeño que ocupaba apenas la mitad del espacio de un clip para sujetar papeles, marcando el comienzo de una revolución tecnológica que cambiaría la industria electrónica para siempre.

El 12 de septiembre de 1958, el invento de Jack Kilby fue probado con éxito, marcando el comienzo de una nueva era en la electrónica.

Primer prototipo de Circuito Integrado en 1958

Los circuitos integrados ofrecen dos ventajas principales en comparación con los circuitos convencionales: el costo y el rendimiento.

El bajo costo se debe a que, en lugar de construir transistores de manera individual, los componentes de los chips se imprimen como una sola pieza mediante un proceso de fotolitografía.

Este método de fabricación masiva reduce significativamente los costos y mejora la eficiencia en la producción.

Estructura interna de un Circuito Integrado

Tipos de circuitos integrados

Los circuitos integrados (CI) pueden clasificarse según su estructura y fabricación:

Circuito Monolítico

Están hechos completamente de un solo material semiconductor, lo que permite una fabricación más económica y eficiente. Son comunes en dispositivos como microprocesadores y memorias.

circuitos integrados
Circuito Integrado monolítico LM2577S

Los circuitos monolíticos son ampliamente utilizados en diversas aplicaciones, como amplificadores, reguladores de voltaje, conmutadores, receptores de AM, circuitos de televisión y en ordenadores.

Su principal limitación es la potencia, ya que la mayoría tiene un índice de potencia máxima inferior a 1 W, similar al de un transistor discreto de señal pequeña.

Estos circuitos están fabricados en un solo monocristal, generalmente de silicio, aunque también se utilizan materiales como germanio y arseniuro de galio, según las necesidades de la aplicación.

Circuito híbrido de capa fina

Es un tipo de circuito integrado que utiliza una combinación de materiales y técnicas de fabricación para mejorar el rendimiento y la flexibilidad.

A menudo, estos circuitos están diseñados con una capa delgada de material conductor o semiconductor que se deposita sobre una base, permitiendo integrar componentes pasivos y activos en una estructura más compleja.

Son comunes en aplicaciones de alta frecuencia y dispositivos que requieren un rendimiento específico, como en telecomunicaciones y equipos médicos.

circuitos integrados
circuito integrado hibrido capa fina HEF4017BT

Muchos conversores A/D – D/A se fabricaron en tecnología híbrida hasta que progresos en la tecnología permitieron fabricar resistencias precisas.

Circuito híbrido de capa gruesa

Se apartan bastante de los circuitos monolíticos. De hecho, suelen contener circuitos monolíticos sin cápsula (dices), transistores, diodos, etc., sobre un sustrato dieléctrico, interconectados con pistas conductoras.

Combina materiales cerámicos y metálicos con una capa gruesa para crear circuitos robustos que pueden manejar altas potencias y frecuencias. Son ideales para aplicaciones como sistemas de comunicación, automóviles y satélites debido a su capacidad de soportar condiciones extremas.

Su fabricación implica la colocación de componentes en una base cerámica, ofreciendo una gran durabilidad y resistencia térmica.

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circuito integrado hibrido capa gruesa

Las resistencias se depositan por serigrafía y se ajustan haciéndoles cortes con láser.

Todo ello se encapsula, tanto en cápsulas plásticas como metálicas, dependiendo de la disipación de potencia que necesiten.

En muchos casos, la cápsula no está “moldeada”, sino que simplemente consiste en una resina epoxi que protege el circuito.

Clasificación de los Circuitos Integrados

Los circuitos integrados se pueden clasificar según varios criterios, como su función, estructura o tecnología de fabricación. Las clasificaciones más comunes incluyen:

  1. Funcionalidad: Amplificadores, reguladores de voltaje, conmutadores, etc.
  2. Fabricación: Monolíticos, híbridos de capa fina, híbridos de capa gruesa.
  3. Integración: CI analógicos, digitales y mixtos.

Cada tipo de circuito integrado tiene características particulares que lo hacen adecuado para diferentes aplicaciones.

Según su nivel de integración

Atendiendo al nivel de integración y número de componentes, los circuitos integrados se clasifican en:

  • SSI (Small Scale Integration) pequeño nivel: inferior a 12.

  • MSI (Medium Scale Integration) medio: 12 a 99.

  • LSI (Large Scale Integration) grande: 100 a 9999.

  • VLSI (Very Large Scale Integration) muy grande: 10.000 a 99.999.

  • ULSI (Ultra Large Scale Integration) ultra grande: igual o superior a 100.000.

En cuanto a las funciones integradas, existen dos clasificaciones fundamentales de circuitos integrados (IC):

1. Circuito integrado (analógico)

Pueden constar desde simples transistores encapsulados juntos, sin unión entre ellos, hasta dispositivos completos como amplificadores, osciladores o incluso receptores de radio completos.

El circuito integrado o chip analógico es de una familia bastante grande; aquí te detallamos algunos tipos que te puedes encontrar.

Amplificadores lineales

Los transistores se usan en la zona activa en lugar de saturación y corte como los digitales. Se usan en instrumentación, sensores, comunicaciones, audio, video, pantallas táctiles, etc.

circuitos integrados
Identificación de los pines del ua741

Filtros integrados

Los componentes R-L-C están cortados con láser para lograr una calibración imposible de obtener con componentes discretos. Se usan en todo tipo de aplicaciones de comunicaciones, sonido y video, en especial para frecuencias por encima de la capacidad de un procesador o DSP, por ejemplo, radares, radio, Wifi. etc.

Osciladores

Osciladores variables controlados por voltaje (VCO), combinados con un PLL y un elemento resonante (cristal o filtro L-C) que completa el lazo. Tienen salida de distintas formas de onda: triangular, cuadrada, senoidal, etc.

Identificación de los pines del LM555CN

Se usan en cualquier sistema que use una señal de reloj o una señal portadora: CPUs, radios, generadores de señales, tarjetas de sonido, música electrónica, controladoras de pantallas, etc.

Antenas integradas

De tipo stripline o slot, recortadas con láser y encapsuladas en resina, con filtros adaptadores de impedancia integrados. Se usan en GPS y gadgets inalámbricos donde no hay espacio para ser una antena discreta.

circuitos intregrados

Sensores

Acelerómetros, presostatos, giroscopios, sensores de temperatura o magnetómetros y sensores de video. Aunque muchos incluyen bloques digitales (interfaz serial ,memoria y registros de configuración), todos se basan en transductores analógicos en miniatura.

Reguladores lineales

Amplificadores lineales con feedback, con el elemento activo (transistor) de mayor tamaño para manejar mayores potencias. Se usan en reguladores de voltaje y corriente.

circuitos integrados
IC regulador de voltaje "L7905CV"

Radios integradas

Contienen varios bloques de diseño de un transmisor o receptor de radio: osciladores locales, filtros de frecuencia intermedia, amplificadores FET, sintonizadores y, a veces, AGC (control automático de ganancia).

Se usan en radios, teléfonos inalámbricos, celulares y adaptadores de Wifi o Bluetooth.

Diplexores

Sirven para usar una misma antena como transmisora y receptora. Como las potencias de entrada y salida son muy distintas, es imposible conectar todo en “Y” porque el transmisor destruye su propio receptor.

El diplexor es como un switch que desconecta el receptor cuando detecta una señal desde el transmisor. Es fácil adivinar sus aplicaciones: radios, celulares, teléfonos inalámbricos, Wifi, etc.

Switchers de potencia

Son el elemento activo de reguladores switching, con una entrada de feedback, oscilador interno o externo, y un switch (MOSFET) integrado, o una salida para controlar un transistor externo.

Incluyen circuitos capacitivos bootstrap, para poder controlar un switch que trabaje a un voltaje mayor al del integrado, y una referencia de voltaje interna.

Se usan en cualquier regulador de voltaje/corriente, fuentes de poder de CPUs, cargadores de baterías, ballasts de LEDs o de luces HID de vehículos, y en casi todo lo que se enchufe a la pared sin transformador.

circuitos integrados
Encapsulado TSSOP-8 del MOSFET 8205A

2. Circuitos integrados digitales

Pueden ser desde las básicas puertas lógicas hasta los más complicados microprocesadores. Estos son diseñados y fabricados para cumplir una función específica dentro de un sistema.

Agunos tipos de encapsulados de los CI

La fabricación de circuitos integrados es compleja debido a la alta integración de componentes en un espacio reducido, lo que los hace microscópicos.

Sin embargo, esta tecnología permite simplificar enormemente los diseños en comparación con los circuitos tradicionales y facilita un montaje más rápido.

Esto ha permitido avances significativos en la miniaturización y eficiencia de los dispositivos electrónicos.

En este video, se explora la estructura interna de un circuito integrado, mostrando cómo se encuentran miniaturizados miles o millones de componentes electrónicos en un solo chip.

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