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集成电路相对于分立元件电路有什么优势?

臧一词 | 2017/9/30 15:00:03

什么是集成电路?什么是分立元件?这些概念在我心中还很模糊,不是很清楚他们之间到底有什么实质性的区别。还望解答。


  • ameoverflow  |   2017/10/9 14:55:10

    集成电路就是把基本的电路元件如晶体管、二极管、电阻、电容、电感等制作在一个小型晶片上然后封装起来形成具有一定功能的单元。

    集成电路的特点就是实现了电路的小型化,使用集成电路可以大大的减小电路的体积,简化电路设计。

    集成电路芯片中集成晶体管和二极管较为容易,但集成电阻电容电感则需要耗费很大的面积(特别是值比较的情况),集成芯片太大就失去了集成的意义。所以电阻电容电感很多情况下并不集成在芯片内部,而采用外置的方式。

    分立器件就是具有单一功能的电路基本元件,如晶体管、二极管、电阻、电容、电感等,单独拿出来看它们就是分立器件。

    现在人们对设备的体积越来越追求小型,轻便化。故集成电路大行其道。
    集成电路的优势就是用小的体积实现了尽可能多的功能。
    集成电路由于小,其内部元件的分布参数也小,相对于大体积分立器件构成的电路,其频率特性可以做得更好。


    但集成电路也有劣势,在面积受限制的情况下,集成电路无法将其每一个部件都做得非常好,功能要求越多,其性能就无法发挥至最大。所以,在高性能场合,通常会有专用集成芯片。
    但即使这样集成芯片还无法完全取代分立器件,在某些场合(如超大功率),集成非常困难。

    分立器件只单独考虑自身的性能,所以,单单针对这一个器件,少了很多限制,故其单个元件的性能可以做得非常好。因为不像集成电路那样都集成在芯片中无法改变,分立器件的使用就更为灵活。
    通常在性能要求比较特殊的情况下,分立器件还大行其道。特别是高功率场合,集成电路无法发挥效用时,分立器件想当活跃。
    分立器件的缺点就是体积大,在电路规模较大且频率较高的时候,分布参数影响很大,设计和调试上变得十分困难。
    电路的集成化是趋势,但由于集成电路本身的限制,分立器件依然发挥着重要的作用。

    补充:
    为什么同样是二极管、晶体管、电阻、电容、电感,集成电路把它们整合就能减小体积呢?

    拿二极管来说,它实质是一个PN结,PN结本身的体积是很小的,肉眼无法观察。分立器件是要拿来焊接使用的,所以必须封装起来,把外部体积做大,这样才方便使用。
    因此,分立器件封装占了很大一部分。

    相比之下,集成电路内部虽然有很多这类器件,但是它不需要每个都封装,它是等所有元件制作后再统一封装起来。
    所以,相比分立器件,集成电路的体积利用率要大得多。


  • 痴人说梦  |   2017/10/10 9:15:16

    说一些我的理解。 

    我的看法是:集成电路的优势在于显著地减小了元器件大小和元器件之间互连线的距离,从而显著地提高了电路工作的频率。 

    至于集成电路和分立元件这并不是完全对立的,或者说集成与分立不是同一个划分元件的标准。划分元器件的种类我比较习惯用集总式元件模型和分布式元件模型这个标准来划分。集总元件模型是一种比较接近于集总假设的器件模型(比如常见的电阻器、电感器、电容器),分布式元件模型则是通过电波传播的分析方法得出的器件模型(比如微带线、波导等)。 集总假设(或者集总条件)以及准恒假设是基尔霍夫电流与电压定律成立的前提。   

    首先看集成电路是如何有利于让电路工作在更接近于集总假设的状态: 看麦克斯韦方程组中的一个方程: 

    blob.png

    这个公式意味着:在高频电路中,磁场快速变化,从而等式右边的值不可忽视,这将产生不可忽视的涡旋电场。此时电场是非保守场,其积分不再与路径无关,从而传统电路分析中电压的概念失效。 麦克斯韦方程组中的另一个方程:

     

    blob.png

    在电路中广泛使用的电容器,往往采用类似于平板电容的形式(即使是集成电路中的Metal-Insulator-Metal Capacitor也是如此)。这样以来,平板间没有传导电流,针对传导电流成立的基尔霍夫电流定律失效。 

    在KCL和KVL都不是绝对成立的情况下,电路工程师们采用的分析手段是忽略涡旋电场和位移电流,这要求(1)式的右侧积分值,和(2)式右侧第二项的积分值要小到可以忽略,当采用集成技术的时候,电感器与电容器可以相对做的很小(百平方微米数量级),从而减少以上两项积分值,让电路工作在更接近于集总假设的状态。   


    然后看集成电路是如何有利于让电路工作在准恒假设的状态: 

    准恒假设假定,电路的最大尺寸满足: 

    blob.png

    其中T是电磁波的周期。 

    通俗的解释就是,电磁波的周期远远大于电磁波的变化传播到电路上每个角落的时间。这样可以认为电路中每处的电压电流值随着激励的变化同步的变化。在这个前提下,串联并联的相关性质才能成立。 把(3)式变形,即为: 

    blob.png

    (4) 其中是电磁波波长。集成电路工艺大大减小了电路的尺寸,从而可以使得电路在高频甚至超高频率下(即波长很短时)仍然满足准恒假设(因为电路的尺寸很小)。这样一来,集成电路的工作频率就被大大提高了。  

    当然对于更高的频率(例如E波段,71GHz-86GHz),在设计集成电路芯片的时候仍然要仔细考虑上述问题(因为频率更高了,波长更短了),对芯片布局布线也提出了更高的要求。


  • 地球的外星人君  |   2017/10/11 8:37:23

    分立元件是你上实验课时往面包板上插的电阻电容三极管二极管这些东西。

    集成电路是用类似印刷的工艺把这些东西统一“打印”到一块硅片上去。

    优点:

    集成电路原件可以做的很小,你没法想像一块面包板上插上亿个晶体管吧,集成电路可以。对分立元件谈摩尔定律没有意义。

    集成电路便宜

    单一元件参数误差,譬如电阻阻值,集成电路误差比分立元件高。不过因为用统一的工艺,参数对称性高。譬如你需要两个10k的电阻,拿分立的你可能得到一个10.5k一个9.5k。用集成电路可能回给你做到12k,但保证两个都是12k,这样容易做差分电路。