آشنایی با مدارهای مجتمع (IC) در الکترونیک

مدارهای مجتمع (IC) که معمولاً به عنوان ریزتراشه یا تراشه شناخته می شوند، جزء اساسی الکترونیک مدرن هستند. این دستگاه‌های کوچک از مجموعه‌ای از اجزای الکترونیکی مانند ترانزیستورها، مقاومت‌ها، خازن‌ها و دیودها تشکیل شده‌اند که بر روی یک قطعه از مواد نیمه‌رسانا، معمولاً سیلیکون، ساخته می‌شوند. این مقاله یک مرور کلی از آی سی ها، تاریخچه، انواع، کاربردها و مزایایی که در طراحی الکترونیکی ارائه می دهند ارائه می کند.

تاریخچه مختصری از مدارهای مجتمع

اختراع مدارهای مجتمع ، صنعت الکترونیک را متحول کرد. در اینجا جدول زمانی کوتاهی از تحولات کلیدی آمده است:

1958: جک کیلبی از تگزاس اینسترومنتز اولین آی سی کار را ایجاد کرد که شامل یک ترانزیستور و چند جزء دیگر روی یک قطعه ژرمانیوم بود.
1959: رابرت نویس از Fairchild Semiconductor به طور مستقل دستگاه مشابهی را با استفاده از سیلیکون توسعه داد که ماده استاندارد برای آی سی ها شد.
دهه 1960: این فناوری به سرعت تکامل یافت و منجر به توسعه آی سی های یکپارچه مقیاس کوچک (SSI) و یکپارچه مقیاس متوسط ​​(MSI) شد.
دهه 1970: IC های یکپارچه در مقیاس بزرگ (LSI) و یکپارچه در مقیاس بسیار بزرگ (VLSI) توسعه یافتند که تعداد ترانزیستورهای یک تراشه را به طور قابل توجهی افزایش دادند.
دهه 1980 تا به امروز:  ساخت مدارهای مجتمع  در مقیاس فوق العاده بزرگ (ULSI) و فراتر از آن، که منجر به ایجاد و راه اندازی میلیاردها ترانزیستور روی یک تراشه شد و امکان ایجاد ریزپردازنده های قدرتمند و تراشه های حافظه را فراهم کرد.

انواع مدارهای مجتمع

مدارهای مجتمع یا آی سی ها را می توان بر اساس پیچیدگی و عملکردشان دسته بندی کرد. در اینجا چند نوع رایج وجود دارد:

آی سی های آنالوگ:

سیگنال های پیوسته را پردازش می کنند و در کاربردهایی مانند تقویت کننده ها، نوسان سازها و تنظیم کننده های ولتاژ استفاده می شوند. به عنوان مثال می توان به تقویت کننده های عملیاتی (op-amp) و ضرب کننده های آنالوگ اشاره کرد.

آی سی های دیجیتال:

این سیگنال های گسسته (داده های باینری) را پردازش می کنند و در رایانه ها، پردازنده های سیگنال دیجیتال و دستگاه های حافظه استفاده می شوند. به عنوان مثال می توان به گیت های منطقی، ریزپردازنده ها و میکروکنترلرها اشاره کرد.

آی سی های ترکیبی:

این آی سی ها حاوی مدارهای آنالوگ و دیجیتال هستند که به آنها امکان می دهد هر دو نوع سیگنال را پردازش کنند. آنها در برنامه هایی مانند مبدل های داده (ADC و DAC) و سیستم های ارتباطی استفاده می شوند.

آی سی های تغذیه:

این آی سی ها برای کنترل ولتاژها و جریان های بالا طراحی شده اند که آنها را برای برنامه های مدیریت توان مناسب می کند. به عنوان مثال می توان به تنظیم کننده های ولتاژ و تقویت کننده های قدرت اشاره کرد.

کاربردهای مدارهای مجتمع

مدارهای مجتمع در الکترونیک مدرن همه جا وجود دارند و کاربردهایی در صنایع مختلف دارند:

لوازم الکترونیکی مصرفی:

آی‌سی‌ها در گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها، لپ‌تاپ‌ها و سایر وسایل، پردازنده‌ها، حافظه و مدارهای رابط یافت می‌شوند.

خودرو:

وسایل نقلیه مدرن برای واحدهای کنترل موتور (ECU)، سیستم‌های اطلاعات سرگرمی، ویژگی‌های ایمنی و موارد دیگر به IC‌ها متکی هستند.

ارتباطات از راه دور:

آی سی ها در دستگاه های ارتباطی از جمله تلفن های همراه، روترها و سیستم های ماهواره ای برای پردازش و انتقال سیگنال ها استفاده می شوند.

دستگاه‌های پزشکی:

آی‌سی‌ها برای تجهیزات تشخیصی، مانیتورهای سلامت پوشیدنی، و دستگاه‌های قابل کاشت مانند ضربان‌سازها ضروری هستند.

اتوماسیون صنعتی:

IC ها ماشین آلات، رباتیک و سیستم های اتوماسیون فرآیند را در تولید و سایر کاربردهای صنعتی کنترل می کنند.

هوافضا و دفاع:

آی سی ها در سیستم های ناوبری، اویونیک و کاربردهای مختلف دفاعی استفاده می شوند.

مزایای مدارهای مجتمع

کوچک سازی:

آی سی ها امکان ادغام تعداد زیادی از اجزا را در یک فرم کوچک فراهم می کنند و امکان ایجاد دستگاه های الکترونیکی فشرده و سبک را فراهم می کنند.

کاهش هزینه:

تولید انبوه آی سی ها به طور قابل توجهی هزینه هر واحد را کاهش می دهد و دستگاه های الکترونیکی را مقرون به صرفه تر می کند.

عملکرد مطلوب:

آی سی ها عملکرد و قابلیت اطمینان بالایی را با توانایی کار با سرعت بالا و پردازش کارآمد وظایف پیچیده ارائه می دهند.

بهینه بودن تغذیه:

آی سی های مدرن به گونه ای طراحی شده اند که انرژی کارآمدی داشته باشند، که برای دستگاه های با باتری مانند گوشی های هوشمند بسیار مهم است.

سازگاری:

آی سی ها با مشخصات دقیق تولید می شوند و عملکرد ثابت را در همه واحدها تضمین می کنند.

پیچیدگی:

IC ها طراحی و اجرای توابع پیچیده را امکان پذیر می کنند مواردی که طراحی و ساخت آنها با قطعات مجزا غیر ممکن و یا بسیار سخت می باشند، مانند محاسبات پیشرفته و وظایف پردازش سیگنال.

اجزای کلیدی مدارهای مجتمع

بسته به نوع طراحی و کاربرد هر آی سی قطعات متنوعی در داخل چیپ اصلی آن ایجاد و  قرار میگیرد .پرکاربردترین آنها عبارتند از :

ترانزیستورها:

باز اجزای مهم و بسیار کاربردی آی سی ها که برای تقویت و سوئیچینگ استفاده می شوند.

مقاومت ها:

مقاومت ها معمولا برای کنترل جریان و ولتاژ داخل آی سی استفاده می شود.

خازن ها:

خازن ها برای فیلتر کردن، زمان بندی و ذخیره انرژی در مدار استفاده می شود.

دیودها:

دیود هااجازه می دهند جریان در یک جهت جریان یابد و برای یکسوسازی و حفاظت استفاده می شود.

اتصالات:

خطوط فلزی که اجزای مختلف را در داخل آی سی به هم متصل می کنند.

فرآیند ساخت مدارهای مجتمع

ساخت آی سی شامل چندین مرحله کلیدی است:

تهیه ویفر:

سیلیکون خالص به یک کریستال بزرگ تبدیل می شود که سپس به ویفرهای نازک بریده می شود.

فوتولیتوگرافی:

فرآیندی که از نور برای انتقال الگویی بر روی ویفر استفاده می کند و اجزای مختلف IC را تعریف می کند.

افزودن مواد خاص :

وارد کردن ناخالصی ها به مناطق خاصی از سیلیکون برای تغییر خواص الکتریکی آن.

تست و بازیابی کردن:

حذف مواد ناخواسته برای ایجاد الگوهای مدار مورد نظر.

رسوب گذاری:

افزودن لایه های نازک مواد برای تشکیل اجزا و اتصالات مختلف.

بسته بندی:

محصور کردن آی سی تمام شده در یک بسته محافظ با سرب و پلاستیک مخصوص برای اتصال به مدارهای خارجی.

مثالی از مدارهای مجتمع:

تقویت کننده عملیاتی LM741

LM741 یک نمونه کلاسیک از آی سی آنالوگ است. این یک تقویت کننده عملیاتی همه منظوره (op-amp) با ویژگی های زیر است:

بهره بالا:

LM741 بهره ولتاژ بالا را فراهم می کند و برای کاربردهای تقویت مناسب است.

پهنای باند گسترده:

می تواند در طیف وسیعی از فرکانس ها کار کند.

ورودی و خروجی:

آی سی دارای ورودی های دیفرانسیل (معکوس و غیر معکوس) و خروجی تک سر است.

کاربردها:

LM741 در تقویت سیگنال، فیلتر کردن و سایر وظایف پردازش آنالوگ استفاده می شود.

مدارهای مجتمع سنگ بنای الکترونیک مدرن هستند که امکان ایجاد دستگاه های بسیار کوچک و در حجم کم ، کارآمد و قدرتمندی را فراهم می کنند که منجر به نوآوری در صنایع مختلف میگردد. توانایی مدارهای مجتمع برای ادغام عملکردهای متعدد در یک فرم کوچک، روش طراحی و استفاده از سیستم های الکترونیکی را متحول کرده است.