Wie ein integrierter Schaltkreis funktioniert

Ein alter Spruch besagt, dass es keine schlechten Schüler gibt, nur schlechte Lehrer. Und beim Lernen von Elektronik ist es entscheidend, jemanden zu finden, der über Bücher, Theorien und Werte hinaus erklären kann. Auf der Maker Faire Bay Area 2019 hat das Team von Evil Mad Scientist Labs außergewöhnliche Arbeit geleistet, als es die Funktionsweise des ersten kommerziellen integrierten Schaltkreises, des Fairchild μL914, lehrte und demonstrierte. Wenn du mehr über Transistoren, Widerstände und wie ein integrierter Schaltkreis funktioniert wissen möchtest, musst du dir das ansehen.

Wenn du dich jemals gefragt hast, was sich im Inneren eines integrierten Schaltkreises befindet, bist du nicht allein. Jenseits der offiziellen Diagramme besteht die Alternative darin, den Chip zu „entkleiden“ und unter ein Mikroskop zu legen, eine keineswegs einfache Aufgabe.

Einige Experten und Enthusiasten, die die Maker Faire Bay Area besuchten (die letzte Woche endete), haben diese Frage aufgegriffen und in eine großartige Bildungssitzung verwandelt. Windell Oskay, Lenore Edman, Eric Schlepfer, John McMaster und Ken Shirriff bündelten ihre Kräfte in einer Ausstellung, die uns mit großer Präzision zeigt, wie ein integrierter Schaltkreis funktioniert:

So funktioniert ein integrierter Schaltkreis

Der gewählte Chip war ein Fairchild μL914, und das ist kein Zufall. Zum einen handelt es sich um den ersten kommerziellen integrierten Schaltkreis, zum anderen machen seine Größe und sein Alter (er wurde in den 60er Jahren auf den Markt gebracht) ihn leichter zu „öffnen“, sozusagen. Der μL914 ist das, was man ein duales Zwei-Eingangs-NOR-Gatter nennt, während er im echten Leben wie eine kleine Spinne aussieht:

Mit Hilfe einer kleinen Box und ein paar LED-Lichtern ist es sehr einfach, die Funktionsweise der Schaltung zu demonstrieren. Der Ausgang eines NOR-Gatters bleibt auf „hoch“ oder „ein“, solange die Bedingung seiner beiden Eingänge „niedrig“ oder „aus“ ist. Wenn eines von beiden oder beide sich ändern, wird der Eingang auf „niedrig“ gestellt, wodurch die LED erlischt. Die Pins 1 und 2 sind die Eingänge des Gatters A, die Pins 3 und 5 die Eingänge des Gatters B, die Pins 7 und 6 entsprechen den Ausgängen A und B, Pin 8 ist V+ und Pin 4 ist Masse.

Dem Team gelang es, das Epoxidharz zu entfernen, das den Chip bedeckt, und wenn man ihn unter das Mikroskop legt, kann man seine innere Struktur beobachten, aber das ist noch nicht alles. Oskay zeigt uns im Video eine große plastische Version eines NPN-Transistors, denselben, den wir im μL914 finden, mit Verweisen auf seine Basis, seinen Emitter und seinen Kollektor.

Das Beste ist das 3D-Modell aus Acryl des Fairchild μL914. Seine sechs Transistoren sind freigelegt, und die „Hundeknochen“ sind eigentlich Widerstände. Die Pins 1 und 2 führen durch die Widerstände und verbinden sich mit den Basen von zwei Transistoren. Die Emitter dieser Transistoren sind miteinander verbunden und gehen von dort zu Pin 4, der Masse. Dasselbe passiert mit den Kollektoren, aber ihr Ziel ist Pin 7. Und der Prozess wiederholt sich mit den Pins 3 und 5.

Ein weiterer Aspekt, der hervorzuheben ist, ist, dass der Fairchild μL914 redundante Komponenten besitzt. Die Transistoren sind 6, aber es werden nur 4 verwendet (einer ist kurzgeschlossen und einer „schwebt“). Auch ein paar Widerstände sind überzählig.

Zusammenfassend ist es eine fabelhafte Arbeit dieses Teams. Wenn die gesamte Elektronik so wäre, wäre es nicht so kompliziert, ihre Konzepte zu verstehen. Willst du mehr? Lies unsere Artikel über Simulatoren für Schaltungen und die Funktionsweise von Servomotoren.

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