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Integrierter Schaltkreis (IC), auch mikroelektronischer Schaltkreis, Mikrochip oder Chip genannt, eine Baugruppe auselektronischAls einzelne Einheit gefertigte Komponenten, in denen miniaturisierte aktive Geräte (z. B.TransistorenUndDioden) und passive Geräte (z. B.KondensatorenUndWiderstände) und ihre Verbindungen sind auf einem dünnen Substrat aufgebautHalbleiterMaterial (normalerweiseSilizium).Das ErgebnisSchaltkreisist also ein kleinesmonolithisch„Chip“, der nur wenige Quadratzentimeter oder nur wenige Quadratmillimeter groß sein kann.Die einzelnen Schaltungskomponenten sind im Allgemeinen mikroskopisch klein.

IntegriertSchaltkreise haben ihren Ursprung in der Erfindung desTransistorim Jahr 1947 vonWilliam B. Shockleyund sein Team imAmerikanische Telefon- und Telegraphengesellschaft Bell Laboratories.Shockleys Team (einschließlichJohn BardeenUndWalter H. Brattain) stellte fest, dass unter den richtigen UmständenElektronenwürde eine Barriere an der Oberfläche bestimmter Dinge bildenKristalle, und sie lernten, den Fluss zu kontrollierenElektrizitätdurch dasKristalldurch Manipulation dieser Barriere.Die Steuerung des Elektronenflusses durch einen Kristall ermöglichte es dem Team, ein Gerät zu entwickeln, das bestimmte elektrische Vorgänge wie die Signalverstärkung durchführen konnte, die zuvor von Vakuumröhren durchgeführt wurden.Sie nannten dieses Gerät Transistor, eine Kombination dieser WörterüberweisenUndWiderstand.Die Untersuchung von Methoden zur Herstellung elektronischer Geräte unter Verwendung fester Materialien wurde als Festkörper bekanntElektronik.Solid-State-Geräteerwiesen sich als viel robuster, einfacher zu handhaben, zuverlässiger, viel kleiner und kostengünstiger als Vakuumröhren.Unter Verwendung derselben Prinzipien und Materialien lernten Ingenieure bald, andere elektrische Komponenten wie Widerstände und Kondensatoren herzustellen.Da elektrische Geräte nun so klein gemacht werden konnten, bestand der größte Teil eines Stromkreises aus der umständlichen Verkabelung zwischen den Geräten.

Grundlegende IC-Typen

Analoggegendigitale Schaltungen

Analogoder lineare Schaltkreise verwenden typischerweise nur wenige Komponenten und gehören daher zu den einfachsten Arten von ICs.Im Allgemeinen sind analoge Schaltkreise mit Geräten verbunden, die Signale von ihnen sammelnUmfeldoder Signale an die Umgebung zurücksenden.Zum Beispiel einMikrofonwandelt schwankende Stimmlaute in ein elektrisches Signal unterschiedlicher Spannung um.Eine analoge Schaltung modifiziert das Signal dann auf nützliche Weise, indem es es beispielsweise verstärkt oder unerwünschtes Rauschen herausfiltert.Ein solches Signal könnte dann an einen Lautsprecher zurückgegeben werden, der die ursprünglich vom Mikrofon aufgenommenen Töne wiedergeben würde.Eine weitere typische Verwendung einer analogen Schaltung besteht darin, ein Gerät als Reaktion auf kontinuierliche Änderungen in der Umgebung zu steuern.Beispielsweise sendet ein Temperatursensor ein variierendes Signal an aThermostat, der so programmiert werden kann, dass er eine Klimaanlage, eine Heizung oder einen Ofen ein- und ausschaltet, sobald das Signal einen bestimmten Wert erreichtWert.

Eine digitale Schaltung hingegen ist so konzipiert, dass sie nur Spannungen mit bestimmten vorgegebenen Werten akzeptiert.Eine Schaltung, die nur zwei Zustände verwendet, wird als Binärschaltung bezeichnet.Der Schaltungsentwurf mit binären Größen „Ein“ und „Aus“, die 1 und 0 (also wahr und falsch) darstellen, nutzt die Logik vonboolsche Algebra.(Arithmetik wird auch in der ausgeführtbinäres Zahlensystem(unter Verwendung der Booleschen Algebra). Diese Grundelemente werden beim Entwurf von ICs für digitale Computer und zugehörige Geräte kombiniert, um die gewünschten Funktionen auszuführen.

MikroprozessorSchaltkreise

Mikroprozessorensind die kompliziertesten ICs.Sie bestehen aus Milliarden vonTransistorendie als Tausende von einzelnen digitalen konfiguriert wurdenSchaltkreise, von denen jedes eine bestimmte logische Funktion ausführt.Ein Mikroprozessor besteht vollständig aus diesen miteinander synchronisierten Logikschaltungen.Mikroprozessoren enthalten typischerweise dieZentraleinheit(CPU) eines Computers.

Genau wie bei einer Blaskapelle erfüllen die Schaltkreise ihre logische Funktion nur auf Anweisung des Kapellmeisters.Der Kapellmeister in einem Mikroprozessor wird sozusagen Uhr genannt.Der Takt ist ein Signal, das schnell zwischen zwei logischen Zuständen wechselt.Jedes Mal, wenn die Uhr ihren Zustand ändert, jede LogikSchaltkreisim Mikroprozessor tut etwas.Abhängig von der Geschwindigkeit (Taktfrequenz) des Mikroprozessors können Berechnungen sehr schnell durchgeführt werden.

Mikroprozessoren enthalten einige Schaltkreise, sogenannte Register, die Informationen speichern.Register sind vorgegebene Speicherorte.Jeder Prozessor verfügt über viele verschiedene Arten von Registern.Permanente Register werden zum Speichern der vorprogrammierten Anweisungen verwendet, die für verschiedene Operationen (z. B. Addition und Multiplikation) erforderlich sind.Temporäre Register speichern die zu bearbeitenden Zahlen und das Ergebnis.Weitere Beispiele für Register sind der Programmzähler (auch Befehlszeiger genannt), der die Adresse des nächsten Befehls im Speicher enthält;der Stapelzeiger (auch Stapelregister genannt), der die Adresse des letzten Befehls enthält, der in einen als Stapel bezeichneten Speicherbereich abgelegt wurde;und das Speicheradressregister, das die Adresse enthält, an der sich das befindetDatenbearbeitet werden soll bzw. wo die verarbeiteten Daten gespeichert werden.

Mikroprozessoren können Milliarden von Operationen pro Sekunde an Daten durchführen.Neben Computern sind Mikroprozessoren weit verbreitetVideospielsysteme,Fernseher,Kameras, UndAutomobile.

ErinnerungSchaltkreise

Mikroprozessoren müssen typischerweise mehr Daten speichern, als in ein paar Registern gespeichert werden können.Diese zusätzlichen Informationen werden in spezielle Speicherschaltkreise verlagert.Erinnerungbesteht aus dichten Anordnungen paralleler Schaltkreise, die ihre Spannungszustände zum Speichern von Informationen nutzen.Der Speicher speichert auch die temporäre Befehlsfolge oder das Programm für den Mikroprozessor.

Hersteller sind ständig bestrebt, die Größe von Speicherschaltkreisen zu reduzieren – um die Leistungsfähigkeit zu erhöhen, ohne den Platzbedarf zu erhöhen.Darüber hinaus verbrauchen kleinere Komponenten in der Regel weniger Strom, arbeiten effizienter und sind kostengünstiger in der Herstellung.