مدارهای مجتمع (IC) چیست؟

مدار مجتمع (IC)، که گاهی اوقات تراشه، ریزتراشه یا مدار میکروالکترونیک نامیده می شود، ویفر نیمه هادی است که بر روی آن هزاران یا میلیون ها مقاومت، خازن، دیود و ترانزیستور کوچک ساخته می شود. یک آی سی می تواند به عنوان تقویت کننده، نوسان ساز، تایمر، شمارنده، گیت منطقی، حافظه کامپیوتر، میکروکنترلر یا ریزپردازنده عمل کند.یک آی سی بلوک اساسی ساختمان تمام دستگاه های الکترونیکی مدرن است. همانطور که از نام آن پیداست، این یک سیستم یکپارچه از چندین مؤلفه کوچک شده و به هم پیوسته است که در یک بستر نازک از مواد نیمه هادی (معمولا کریستال سیلیکون) تعبیه شده است.

یک آی سی واحد می تواند شامل هزاران یا میلیون ها مورد از موارد زیر باشد:

ترانزیستورها
مقاومت ها
خازن ها
دیودها

اجزای اضافی نیز ممکن است روی آن قرار گیرند که همگی از طریق شبکه پیچیده ای از ویفرهای نیمه هادی، سیلیکون، مس و سایر مواد به هم متصل شده اند. از نظر اندازه، هر جزء کوچک و معمولاً میکروسکوپی است. مدار حاصل، یک تراشه یکپارچه، نیز کوچک است — اغلب به اندازه ای است که چند میلی متر مربع یا سانتی متر فضا را اشغال کند.

آی سی ها انواع مختلفی دارند: گیت‌های منطقی، تایمرهای 555، تنظیم‌کننده‌های ولتاژ، کنترل‌کننده‌های موتور، میکروکنترلرها، ریزپردازنده‌ها، FPGA‌ها… این فهرست همچنان ادامه دارد.

در این مقاله به توضیح موارد زیر می پردازیم:
پکیج رایج آی سی ها
شناسایی آی سی ها
آی سی های پرکاربرد

مدارهای مجتمع یکی از مفاهیم اساسی الکترونیک هستند. با این حال، آنها بر اساس برخی از دانش های قبلی ساخته شده اند، بنابراین اگر با این موضوعات آشنا نیستید، ابتدا آموزش های قبل را مطالعه کنید.

ترانزیستور

خازن

مقاومت

دیود

اجزای اضافی نیز ممکن است روی آن قرار داشته باشند که همگی از طریق شبکه پیچیده ای از ویفرهای نیمه هادی، سیلیکون، مس و مواد دیگر به هم متصل شده اند. از نظر اندازه، هر جزء کوچک و معمولاً میکروسکوپی است. مدار حاصل، یک تراشه یکپارچه و کوچک است و اغلب به اندازه ای است که چند میلی متر یا سانتی متر مربع فضا اشغال می کند.

یکی از نمونه‌های متداول آی سی مدرن، پردازنده کامپیوتر است که معمولاً حاوی میلیاردها ترانزیستور، خازن، گیت منطقی و غیره است که به یکدیگر متصل شده‌اند تا یک مدار دیجیتال پیچیده را تشکیل دهند. اگرچه پردازنده یک آی سی است، اما همه آی سی ها پردازنده نیستند.

تاریخچه و تکامل مدارهای مجتمع

اختراع ترانزیستور – ترکیبی از دو کلمه transfer و resistor – در سال 1947 زمینه را برای عصر کامپیوتر مدرن فراهم کرد.

در روزهای اولیه، هر ترانزیستور در یک بسته پلاستیکی جداگانه عرضه می شد و هر مدار متشکل از ترانزیستورها، خازن ها و مقاومت های مجزا بود. با توجه به اندازه بزرگ این قطعات، آی سی های اولیه تنها قادر به نگه داشتن تعداد کمی از آنها – به صورت سیمی – روی برد مدار بودند. با گذشت زمان، توسعه الکترونیک حالت جامد کاهش اندازه قطعات را آسان‌تر کرد.

در اواخر دهه 1950، مخترعان جک کیلبی از تگزاس اینسترومنتز، و رابرت نویس از شرکت  Fairchild راه‌هایی برای قرار دادن مسیرهای نازک فلز روی دستگاه‌ها پیدا کردند و آنها را به عنوان سیم عمل کرد. راه حل آنها برای مشکل سیم کشی بین دستگاه های الکتریکی کوچک آغاز توسعه آی سی مدرن بود.

مدارهای مجتمع مدرن:

طراحی و ساخت آی سی ها در نیم قرن گذشته موجب تولید آی سی هایی با سرعت و ظرفیت بیشتر و اندازه های کوچکتر شده است.

در مقایسه با روزهای اولیه، آی‌سی‌های امروزی به‌طور باورنکردنی پیچیده هستند و می‌توانند میلیاردها ترانزیستور و اجزای دیگر را روی یک قطعه کوچک از مواد نگه دارند. آی سی مدرن همه یک تکه است و اجزای جداگانه آن مستقیماً در کریستال سیلیکون تعبیه شده است، نه اینکه به سادگی روی آن نصب شود.

یک IC بر چندین سطح متکی است. ویفر نیمه هادی که IC را می سازد و شکننده است و دارای اتصالات پیچیده متعددی بین لایه های متعدد آن است. ترکیبی از این ویفرها به عنوان قالب شناخته می شود.

با میلیون ها یا میلیاردها مولفه روی یک تراشه، امکان قرار دادن و اتصال هر جزء به صورت جداگانه وجود ندارد. قالب ها برای لحیم کاری و اتصال به آن بسیار کوچک هستند. در عوض، طراحان از یک زبان برنامه نویسی با هدف خاص برای ایجاد عناصر مدار کوچک و ترکیب آنها برای افزایش تدریجی اندازه و چگالی اجزای روی تراشه برای برآوردن نیازهای برنامه استفاده می کنند.

اکنون آی سی ها اساس صدها دستگاه را تشکیل می دهند، از جمله:

کامپیوترها

تلفن های همراه و گوشی های هوشمند

ماشین ها و هواپیماها

تقویت کننده ها

سوئیچ های شبکه

سایر وسایل الکترونیکی: ماشین لباسشویی، توستر، مایکروویو، تلویزیون و غیره.

انواع مدارهای مجتمع

آی سی ها بسته به کاربرد مورد نظرشان می توانند خطی (آنالوگ)، دیجیتال یا ترکیبی از این دو باشند.

آی سی های آنالوگ یا خطی

آی سی های آنالوگ یا خطی بسته به سطح سیگنال ورودی دارای خروجی متغیر پیوسته هستند. در تئوری، چنین IC هایی می توانند به تعداد بی نهایت حالت دست یابند. در این نوع آی سی، سطح سیگنال خروجی تابعی خطی از سطح سیگنال ورودی است. در حالت ایده‌آل، زمانی که خروجی آنی در مقابل ورودی آنی نمودار می‌شود، طرح به صورت یک خط مستقیم ظاهر می‌شود.

آی سی های آنالوگ معمولا فقط از چند جزء استفاده می کنند و بسیار ساده هستند.

آی سی های خطی به عنوان تقویت کننده های فرکانس صوتی (AF) و فرکانس رادیویی (RF) استفاده می شوند. تقویت کننده عملیاتی (op amp) یک دستگاه رایج در این برنامه ها است. یکی دیگر از کاربردهای رایج آی سی آنالوگ، سنسور دما است. آی سی های خطی را می توان طوری برنامه ریزی کرد که دستگاه های مختلف را هنگامی که سیگنال به یک مقدار خاص رسید روشن یا خاموش کنند مانند:

• دستگاه های تهویه مطبوع
• بخاری ها
• کوره ها

آی‌سی‌های دیجیتال

برخلاف آی‌سی‌های آنالوگ، آی‌سی‌های دیجیتال در دامنه‌ای پیوسته از دامنه سیگنال کار نمی‌کنند. بلکه فقط در چند سطح یا حالت تعریف شده (گسسته) عمل می کنند. بلوک های ساختمانی اساسی آی سی های دیجیتال، گیت های منطقی هستند که با داده های باینری کار می کنند، یعنی سیگنال هایی که تنها دو حالت متفاوت دارند، به نام های low (منطقی 0) و high (منطقی 1).

آی سی های دیجیتال در حال حاضر در تعداد زیادی از برنامه ها استفاده می شوند، از جمله:

کامپیوترها

شبکه های سازمانی

مودم ها

فرکانس شمار

آی سی های مختلط

 آی سی های مختلط که اصول طراحی آنالوگ و دیجیتال را در بر می گیرند مانند:

مبدل دیجیتال به آنالوگ

مبدل آنالوگ به دیجیتال

آی سی ساعت/تایمر

ریزپردازنده ها و آی سی ها

ریزپردازنده پیچیده ترین نوع آی سی هستند که قادر به انجام میلیاردها عملیات در ثانیه است. در یک دستگاه محاسباتی، یک ریزپردازنده شامل واحد پردازش مرکزی (CPU) است که یک کامپیوتر را اجرا می‌کند یا واحد پردازش گرافیکی (GPU) که در رندر کردن تصاویر و ویدئو تخصص دارد. یک ریزپردازنده منفرد حاوی میلیاردها ترانزیستور به هم پیوسته است که هر یک تابع منطقی خاصی را بر اساس دستورالعمل های )clock در محاسبات، نرخ ساعت یا سرعت ساعت معمولاً به فرکانسی اشاره دارد که در آن مولد ساعت یک پردازنده می تواند پالس هایی تولید کند که برای همگام سازی عملیات اجزای آن استفاده می شود و به عنوان نشانگر سرعت پردازنده استفاده می شود)انجام می دهند.

هنگامی که کلاک تغییر حالت می دهد، ترانزیستورها توابع منطقی (مثلاً محاسبات) را که برای انجام آنها برنامه ریزی شده اند، انجام می دهند. فرکانس کلاک تعیین کننده سرعت این توابع است.

ریزپردازنده ها همچنین حاوی انواع مختلفی از مکان های حافظه از پیش تعیین شده یا رجیسترهایی هستند که اطلاعات را ذخیره می کنند:

ثبت دائمی: دستورالعمل های از پیش برنامه ریزی شده را برای عملیات های مختلف ذخیره می کند.

ثبت موقت: اعدادی که باید روی آنها عمل شود و نتایج یک عملیات ذخیره می شود.

شمارنده: حاوی آدرس حافظه دستور بعدی است.

نشانگر پشته: حاوی آدرس آخرین دستورالعملی است که در حافظه پشته قرار داده شده است.

ثبت آدرس حافظه: شامل محل (آدرس) داده هایی است که باید روی آن کار شود.

آی سی ها زندگی ما را بی نهایت بهتر کرده اند. یک کامپیوتر لپ تاپ مدرن هزاران برابر قدرتمندتر و حدود 100 برابر کوچکتر از اولین کامپیوتری است که در دهه 1940 ساخته شد. انیاک (نخستین کامپیوتر) تقریباً به اندازه سه یا چهار اتوبوس دو طبقه بود و روی 18000 لوله خلاء کار می کرد.

انواع پکیج های آی سی

انواع مختلفی از پکیج ها وجود دارد که هر کدام دارای ابعاد، نوع نصب و/یا تعداد پین های منحصر به فرد هستند.

علامت گذاری قطبی و شماره گذاری پین

همه آی سی ها پلاریزه هستند و هر پین هم از نظر مکان و هم از نظر عملکرد منحصر به فرد است. این بدان معنی است که بسته باید راهی برای انتقال پین داشته باشد. اکثر آی سی ها از یک بریدگی یا یک نقطه برای نشان دادن اینکه کدام پایه اولین پایه است استفاده می کنند. (گاهی هر دو، گاهی یکی یا دیگری.)

هنگامی که می‌دانید اولین پین کجاست، تعداد پین‌های باقی‌مانده به‌طور متوالی افزایش می‌یابند که در خلاف جهت عقربه‌های ساعت در اطراف تراشه حرکت می‌کنید.

سبک نصب

یکی از اصلی‌ترین ویژگی‌های متمایزکننده نوع پکیج، نحوه نصب آن‌ها بر روی برد مدار است. همه بسته ها در یکی از دو نوع نصب قرار می گیرند: سوراخ عبوری (PTH) یا نصب روی سطح (SMD یا SMT). پکیج های سوراخ‌دار معمولاً بزرگ‌تر هستند و کار کردن با آن‌ها بسیار آسان‌تر است. آنها طوری طراحی شده اند که از یک طرف تخته چسبیده و به طرف دیگر لحیم شوند.

بسته های نصب سطحی در اندازه های کوچک تا کوچک هستند. همه آنها به گونه ای طراحی شده اند که در یک طرف یک برد مدار قرار بگیرند و به سطح لحیم شوند. پین های یک بسته SMD یا از طرف بیرون، عمود بر تراشه بیرون می آیند، یا گاهی اوقات به صورت ماتریسی در پایین تراشه قرار می گیرند. آی سی ها در این فرم چندان مناسب مونتاژ با دست نیستند. آنها معمولاً به ابزارهای خاصی برای کمک به این فرآیند نیاز دارند.

DIP (پکیج های دارای ردیف خطی دوگانه)

DIP، رایج‌ترین پکیج آی‌سی سوراخ‌دار است که با آن مواجه می‌شوید. این تراشه های کوچک دارای دو ردیف پین موازی هستند که به طور عمود از یک محفظه پلاستیکی مستطیلی مشکی بیرون آمده اند.

هر یک از پین‌ها در یک آی‌سی DIP با فاصله 0.1 اینچ (2.54 میلی‌متر) قرار دارند، که یک فاصله استاندارد و مناسب برای قرار دادن در bread board و دیگر board های نمونه‌سازی است. ابعاد کلی یک پکیج DIP به تعداد پین آن بستگی دارد، که ممکن است از چهار تا 64 باشد.

فضای بین هر ردیف از پین ها کاملاً فاصله دارد تا به آی سی های DIP اجازه دهد تا در ناحیه مرکزی bread board قرار بگیرند. این کار برای هر یک از پین‌ها ردیف خاص خود را در برد فراهم می‌کند و مطمئن می‌شود که آنها به یکدیگر  اتصال کوتاه نمی‌شوند.

جدا از استفاده در bread board ها، آی سی های DIP را می توان به PCB ها نیز لحیم کرد. آنها در یک طرف برد وارد می شوند و در طرف دیگر در جای خود لحیم می شوند. گاهی اوقات، به جای لحیم کردن مستقیم به آی سی می توان از سوکت استفاده کنید. استفاده از سوکت ها باعث می شود که یک آی سی DIP در صورتی که “دود آبی آن خارج شود” خارج و تعویض شود.

بسته های نصب سطحی (SMD/SMT)

این روزها انواع مختلفی از پکیج های روی سطح وجود دارد. برای کار با آی سی های بسته بندی شده روی سطح، معمولاً به یک برد مدار چاپی سفارشی (PCB) ساخته شده برای آنها نیاز دارید که دارای یک الگوی مسی منطبق باشد که روی آنها لحیم شده است.

در اینجا تعدادی از رایج‌ترین انواع بسته‌های SMD از قابلیت لحیم کاری دستی از “قابل انجام” تا “امکان پذیر، اما فقط با ابزارهای ویژه” تا “قابل انجام فقط با ابزارهای بسیار خاص، معمولاً خودکار” وجود دارد.

طرح کوچک (SOP)

بسته‌های IC (SOIC) طرح کلی کوچک، بسیار شبیه DIP روی سطح هستند. این پکیج همان چیزی است که اگر تمام پین ها را روی یک DIP به سمت بیرون خم کنید و آن را به اندازه کوچک کنید، به دست می آورید. این پکیج جزو ساده ترین قطعات SMD برای لحیم کاری دستی هستند. در بسته‌های SOIC، هر پایه معمولاً حدود 0.05 اینچ (1.27 میلی‌متر) از پین بعدی فاصله دارد.

SSOP (بسته طرح کوچک کوچک) یک نسخه حتی کوچکتر از بسته های SOIC است. سایر بسته های آی سی مشابه عبارتند از TSOP (بسته طرح کوچک نازک) و TSSOP (بسته طرح کوچک نازک باریک).

بسیاری از آی سی های ساده تر و تک کاره مانند MAX232 یا مالتی پلکسرها به اشکال SOIC یا SSOP هستند.

پکیج های چهارگانه تخت

آی سی های QFP ممکن است از هشت پین در هر طرف (در مجموع 32) تا بالای هفتاد (در مجموع 300) داشته باشند. فاصله پین‌های یک آی‌سی QFP معمولاً از 0.4 تا 1 میلی‌متر است. انواع کوچک‌تر بسته استاندارد QFP شامل بسته‌های نازک (TQFP)، بسیار نازک (VQFP) و بسته‌های (LQFP) است.

اگر پایه‌ها را از یک آی‌سی QFP سائیدید، چیزی شبیه یک پکیج چهارگانه بدون پایه (QFN) می باشد  اتصالات روی بسته‌های QFN پدهای کوچک و آشکاری در لبه‌های گوشه پایین آی‌سی هستند.

بسیاری از ریزپردازنده ها، حسگرها و سایر آی سی های مدرن در بسته های QFP یا QFN عرضه می شوند. میکروکنترلر محبوب ATmega328 در هر دو بسته TQFP و نوع QFN (MLF) ارائه می شود، در حالی که یک شتاب سنج/ژیروسکوپ کوچک مانند MPU-6050 در قالب QFN کوچک ارائه می شود.

آرایه های شبکه توپ(BGA)

در نهایت، برای آی سی های واقعا پیشرفته، بسته های آرایه شبکه توپ (BGA) وجود دارد. این پکیج ها ی کوچک و بسیار پیچیده ای هستند که در آن توپ های کوچک لحیم کاری در یک شبکه دو بعدی در پایین آی سی چیده شده اند. گاهی اوقات توپ های لحیم کاری مستقیماً به قالب متصل می شوند.

آی سی های رایج

مدارهای مجتمع زیادی به اشکال مختلف در مهندسی الکترونیک رایج هستند که توضیح  همه چیز آن ها دشوار است. در اینجا چند مورد از IC های رایجی که ممکن است در الکترونیک با آنها روبرو شوید آورده شده است.

گیت های منطقی، تایمرها، شیفت رجیسترها و غیره

گیت های منطقی که خود بلوک های سازنده IC های بیشتری هستند، می توانند در مدار مجتمع خودشان بسته بندی شوند. برخی از آی‌سی‌های گیت منطقی ممکن است حاوی تعداد انگشت شماری گیت در یک بسته باشند، مانند گیت چهار ورودی AND.

گیت های منطقی را می توان در داخل یک آی سی وصل کرد تا تایمر، شمارنده، لچ، رجیستر شیفت و دیگر مدارهای منطقی اولیه ایجاد کند. بیشتر این مدارهای ساده را می توان در پکیج های DIP و همچنین SOIC و SSOP یافت.

میکروکنترلر، ریزپردازنده، FPGA و غیره

میکروکنترلرها، ریزپردازنده ها و FPGA ها که همگی هزاران، میلیون ها و حتی میلیاردها ترانزیستور را در یک تراشه کوچک بسته بندی می کنند، همگی مدارهای مجتمع هستند. این اجزا در طیف وسیعی از نظر عملکرد، پیچیدگی و اندازه وجود دارند. از یک میکروکنترلر 8 بیتی مانند ATmega328 در آردوینو گرفته تا یک فعالیت سازماندهی ریزپردازنده چند هسته ای پیچیده 64 بیتی در رایانه شما.

این قطعات معمولا بزرگترین آی سی در یک مدار هستند. میکروکنترلرهای ساده را می‌توان در بسته‌هایی از DIP تا QFN/QFP، با تعداد پین‌های بین هشت تا صد پیدا کرد. با افزایش پیچیدگی این اجزا، بسته به همان اندازه پیچیده می شود. FPGA ها و ریزپردازنده های پیچیده می توانند بیش از هزار پین داشته باشند و فقط در بسته های پیشرفته مانند QFN، LGA یا BGA در دسترس هستند.

حسگرها

سنسورهای دیجیتال مدرن مانند سنسورهای دما، شتاب سنج ها و ژیروسکوپ ها همگی در یک مدار مجتمع قرار می گیرند.

این آی‌سی‌ها معمولاً کوچک‌تر از میکروکنترلرها یا سایر آی‌سی‌های روی برد مدار هستند و تعداد پین‌ها بین سه تا بیست است. آی سی های سنسور DIP در حال تبدیل شدن به یک نادر هستند، زیرا قطعات مدرن معمولا در بسته های QFP، QFN، حتی BGA یافت می شوند.

نحوه شناسایی تراشه های کامپیوتری یا مدارهای مجتمع روی بردهای مدار

شماره قطعات تراشه همیشه از الگویی خاص پیروی نمی کند و تولید کنندگان نیز تمایل دارند یک سبک نامگذاری منحصر به خود را شکل دهند، اغلب توصیف الگوهایی که بسیار تصادفی هستند دشوار است، در این صفحه تعدادی الگو و تکنیک برای رمزگشایی شماره قطعه فهرست شده است. با این حال، هیچ قانونی وجود ندارد، بنابراین این نکات در همه موارد کار نخواهد کرد. قبل از اینکه حتی به شماره قطعه نگاه کنید، چیزهای زیادی می توانید از یک تراشه یاد بگیرید. تولیدکنندگان تمایل دارند بر بخش های خاصی از تجارت آی سی تمرکز کنند و از بخش های دیگر اجتناب کنند. بنابراین شناسایی سازنده می تواند شما را تا حد زیادی به عملکرد آن نزدیک کند.

شناسایی و رمزگشایی شماره قطعه

رمزگشایی شماره قطعه یک تراشه یک فرآیند بسیار ضروری است و در بیشتر مواقع، تایپ شماره قطعه کامل در یک موتور جستجو شما را به جایی نمی رساند.

به طور کلی تراشه های کامپیوتری یا مدارهای مجتمع از فرمت زیر پیروی می کنند

خط 1: نام سازنده

خط 2: شماره قطعه

خط 3: سایر اطلاعات کدگذاری شده

خطوط 2 و 3 گاهی اوقات معکوس می شوند

شماره قطعه به طور کلی از فرمت های زیر پیروی می کند

[کاراکتر‌های آلفا برای سازنده][قسمت عمومی‌تر]]کاراکترهای آلفا برای بسته، ویرایش و غیره]

برای مثال Am2901ADC، برای [AMD][بخش 2901][نسخه C=ceramic]

یا SY6502، برای [Synertek] [بخش 6502]

A80486DX-16، برای [A=آرایه شبکه پین سرامیکی][قسمت 80486، یا معمولاً به نام 486][Rev. DX، سرعت 16 مگاهرتز]

پیشوندهای سازندگان قطعات

در زیر جدولی از پیشوندهای شماره قطعه سازندگان که رایج است را مشاهده می کنید، نمی توان به صورت 100 درصدی گفت که جدول زیر کامل و بدون نقص است اما در بیشتر اوقات پاسخگوی نیاز ما خواهد بود

سازنده مشترک بر اساس قسمت پیشوندها

سریعترین راه برای شناسایی تراشه این است که شناسایی کنید که عضوی از  کدام خانواده IC است. با شناسایی خانواده،  پیشوندها و پسوندها را پیدا می کنید.

جستجوی شماره قطعه

معمولاً جستجوی شماره قطعه منجر به صدها صفحه بی فایده با لیست بزرگی از شماره قطعات و بدون اطلاعات می شود پیشنهاد می کنیم جهت اطلاعات دقیق تر از سایت های زیر استفاده کنید.

http://www.datasheetcatalog.com

http://www.alldatasheet.com

http://www.datasheetarchive.com