آی سی چیست؟

امروزه آی سی (IC) یا مدار مجتمع (Integrated Circuit) در اکثر تجهیزات و دستگاه‌های الکترونیکی و به ویژه کامپیوترها در ابعادی گسترده به کار می رود و وجود آن به شکل کنونی، مدیون کشفیات مهم بشر درباره نیمه رساناها و پیشرفت های سریع پیرامون این حوزه در میانه‌های قرن بیستم می‌باشد. از این رو، دانستن اینکه آی سی چیست و از چه اجزایی تشکیل شده است، هم برای مهندسان الکترونیک و هم برای سایر افراد علاقمند به الکترونیک می تواند بسیار کاربردی، جذاب و مفید باشد. در این مقاله به معرفی آی سی، انواع آن، کاربردهای آن، مزایا و معایب استفاده از آن در مدار و بررسی قابلیت­هایش می ­پردازیم.

آی سی چیست؟

آی سی که به نام های مدار مجتمع، تراشه و ریز تراشه نیز شناخته می­ شود، مجموعه ای از قطعات الکترونیکی مانند ترانزیستورها، دیودها، خازن­ ها و مقاومت­ ها است که اتصالات داخلی این قطعات، روی بستری نازک از مواد نیمه رسانا که معمولا سیلیکون است انجام می شود. در نهایت مدار حاصل از اتصال المان های فوق، یک تراشه یکپارچه بسیار کوچک خواهد بود که ابعادی در حد چند سانتی­متر مربع یا تنها چند میلی­متر مربع دارد.

یک آی سی می تواند به عنوان حافظه کامپیوتر، تقویت کننده، گیت منطقی، مقایسه کننده، نوسان ساز، تایمر، کانتر یا شمارنده، تنظیم‌کننده‌ ولتاژ، کنترل‌کننده‌ موتور، میکروکنترلر و ریزپردازنده عمل کند. آی سی در واقع بدنه اساسی ساختمان تمام دستگاه های الکترونیکی مدرن است و ساخت و طراحی کامپیوترها، تلفن‌های همراه، انواع حافظه‌ها و ... در ابعاد کوچک کنونی به کمک آن ممکن شده است.

انواع آی سی

آی سی ها بسته به کاربرد موردنظرشان می توانند آنالوگ، دیجیتال یا ترکیبی از این دو باشند. در ادامه ویژگی های هر کدام را ذکر می کنیم.

آی سی آنالوگ

آی سی های­ آنالوگ یا خطی دارای سیگنال ورودی و خروجی پیوسته هستند و سطح سیگنال خروجی در آنها تابعی خطی از سطح سیگنال ورودی است. آی سی ­های آنالوگ بسیار ساده هستند و معمولاً فقط از چند قطعه استفاده می­کنند. این آی سی­ ها بیشتر به عنوان تقویت کننده فرکانس صوتی (AF) و تقویت کننده فرکانس رادیویی (RF) استفاده می‌­شوند.

آپ امپ­، تنظیم کننده ولتاژ، سنسور دما، مقایسه­ کننده­ و تایمر، نمونه­ هایی از این آی سی ها هستند.  این نوع آی سی ها را می توان طوری برنامه ­ریزی کرد که زمانی که سیگنال به مقدار خاصی رسید، دستگاه ­های مختلف مانند دستگاه­ های تهویه مطبوع، کوره ها و یا بخاری ها را روشن یا خاموش کنند.

آی سی دیجیتال

برخلاف آی‌سی‌های آنالوگ، آی‌سی‌های دیجیتال به صورت گسسته و فقط در چند سطح یا حالت تعریف شده عمل می کنند. سازه اساسی آی سی های دیجیتال، گیت های منطقی هستند که با داده های باینری یعنی سیگنال هایی که تنها دو حالت متفاوت شامل low یا 0 منطقی و high یا 1 منطقی دارند، کار می کنند.

از این آی سی ها بیشتر در کامپیوترها و ریزپردازنده‌ها استفاده می شود. ساخت آیسی های دیجیتال، ساده تر از نوع آنالوگ است و معمولاً شامل گیت­ های منطقی مانند گیت AND، گیت OR، گیت NAND، گیت XOR، فلیپ فلاپ، شمارنده و ... می­ شوند. این آی سی ها با پیشرفت تکنولوژی بسیار پرکاربردتر شده اند به طوری که در تمامی کامپیوترها، تلوزیون ها ،سرورها و… از آنها استفاده میشود.

آی سی سیگنال مختلط

اگر آی سی­ های دیجیتال و آنالوگ با هم روی یک تراشه قرار گیرند، آیسی حاصل به عنوان IC سیگنال مختلط شناخته می‌شود. آی سی های جمع آوری داده مانند مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (A/D) و دیجیتال به آنالوگ (D/A) و پتانسیومترهای دیجیتال از جمله آی سی های سیگنال مختلط هستند.

انواع پکیج های آی سی

آی سی ها در بسته بندی و پکیج های مختلفی ساخته می شوند که هر کدام دارای ابعاد، نوع نصب و تعداد پین های منحصر به فرد هستند و در ادامه به بررسی هر کدام می پردازیم.

آی سی DIP

پکیج آی سی DIP که مخفف Dual-Inline Package است، یکی از رایج ترین آی سی های موجود در بازار است و مونتاژ آن نسبت به پکیج های دیگر آسان تر است. از خانواده آی‌سی‌های سوراخ‌دار است و دارای دو ردیف پین موازی هستند که به طور عمود از یک محفظه پلاستیکی مستطیلی مشکی بیرون آمده اند. ابعاد کلی این پکیج به تعداد پین آن بستگی دارد که می‌تواند دارای 4 تا 64 پین باشد.

آی سی SOP

پکیج با پایه‌های تخت کوچک (Small Outline Packages) که به اختصار به آن SOP می گویند، بسیار مشابه آی سی های DIP است، با این تفاوت که هنگام نصب به جای سوراخ، روی سطح برد قرار می‌گیرند. این آی‌سی‌ها انواع مختلفی دارند، از جمله پکیج های با پایه‌های تخت نازک (Thin Small-Outline Packages) یا TSOP و پکیج های با پایه‌های تخت نازک و منقبض (Thin-Shrink Small-Outline Packages) یا TSSOP.

آی سی QFP

پکیج تخت چهار تایی (Quad Flat Package) یا به اختصار QFP، از هر چهار طرف دارای پین های خارج شده از محفظه مستطیلی مشکی هستند. این آی سی ها معمولا از هر طرف بین 8 تا 70 پین دارند. از انواع این آی‌سی‌ها می توان به ATmega328، STM32F و آی سی 40048 اشاره کرد.

آی سی BGA

نوع دیگر پکیج آی سی که پیشرفته ترین آنها نیز هست، پکیج BGA است که مخفف Ball Grid Array می باشد. این نوع بسته‌بندی، شامل گوی‌های کوچک لحیم است که به صورت یک الگو یا شبکه مرتب شده‌اند. بسته BGA تنها برای ریزپردازنده‌های پیشرفته مانند بردهای رزبری پای (Raspberry Pi) استفاده می‌شود.

شماره گذاری پین‌ها در آی سی

در تمامی آی سی ها نشانه‌ای برای مشخص کردن پین یا پایه شماره یک وجود دارد و معمولا از یک نقطه یا بریدگی برای مشخص کردن پین شماره یک استفاده می‌شود. شماره بقیه پین‌های آی سی نیز در جهت خلاف حرکت عقربه‌های ساعت افزایش می‌یابد و بدین ترتیب شماره گذاری می‌گردد. در تصویر پایین، نحوه شماره گذاری پایه های آی سی نشان داده شده است:

نسل های آی سی

نسل های متفاوت IC ها بر اساس تعداد ترانزیستورها و باقی اجزای تشکیل دهنده شان به صورت زیر دسته بندی می شوند:

• SSI: فناوری SSI یا یکپارچه سازی مقیاس کوچک، شامل 1 تا 10 ترانزیستور و 1 تا 12 گیت منطقی است.
• MSI: فناوری MSI یا یکپارچه سازی مقیاس متوسط، شامل 10 تا 500 ترانزیستور و 13 تا 99 گیت منطقی است.
• LSI: فناوری LSI یا یکپارچه سازی مقیاس بزرگ، شامل 500 تا 20000 ترانزیستور و 100 تا 9999 گیت منطقی است
• VLSI: فناوری VLSI یا یکپارچه سازی در مقیاس بسیار بزرگ، شامل 20000 تا 1000000 ترانزیستور و100001 تا 99999 گیت منطقی است
• ULSI: فناوری ULSI یا فناوری یکپارچه سازی در مقیاس فوق ­العاده بزرگ، شامل 1000000 ترانزیستور و 100000 گیت منطقی است

کاربردهای آی سی

آی سی ها یا مدارهای مجتمع کاربردهای بسیار متنوعی دارند و دامنه کاربردشان روز به روز در حال افزایش است. آمپلی فایرهای صوتی، پردازنده های ویدئویی، حافظه و سوئیچ ها تنها چند نمونه از این کاربردها هستند. مهمترین کاربردهای آی سی ها عبارتند از:

• کامپیوتر و موبایل
• لوازم برقی خانگی مثل تلویزیون، ماشین لباسشویی و ...
• رادار
• آمپلی فایر
• ساعت های مچی
• دستگاه های حافظه یا مموری
• انکودر و دیکودرهای فرکانس رادیویی

یکی از پرکاربردترین آی سی ها، میکروکنترلر است که وظیفه آن، کنترل بخش‌های مختلف سیستم الکترونیکی است و معمولاً شامل یک واحد ریزپردازنده، حافظه و برخی تجهیزات جانبی می باشد.

مزایا و معایب آی سی

مزایای آی سی ها عبارتند از:

• آی سی و تمامی اجزای آن باهم تولید می شود و در نتیجه هزینه کلی ساخت یک آی سی نسبت به هزینه ساخت مدار مشابه با اجزای مجزا، کمتر خواهد بود.
• اندازه آنها بسیار کوچک است به طوریکه می توان تقریباً 20000 قطعه الکترونیکی را در یک اینچ مربع تراشه IC قرار داد.
• از نظر کارایی، به دلیل سایز کوچک و مصرف توان کم اجزای آن، بازده آی سی بالاست.
• قابلیت اطمینان آنها بالاست.
•  انرژی بسیار کمی مصرف می­کنند.
•  سرعت عمل بالایی دارند.

معایب آی سی ها عبارتند از:

• با توجه به اندازه کوچک آنها، در صورت افزایش جریان، امکان دفع گرمای کافی را ندارند. به همین دلیل است که آی سی ­ها معمولا به دلیل عبور جریان بیش از حد از آنها، آسیب می­بینند.
• سلف­ ها و ترانسفورماتورها را نمی توان در آنها گنجاند.
• اتلاف توان به 10 وات محدود شده است.
• تولید آی سی با ولتاژ عملکرد بالا و نویزپذیری پایین بسیار سخت است.

جمع بندی

در این مقاله، به بررسی نکات مهم و کاربردی در ارتباط با آی سی ها پرداخته شد و به سوالاتی مثل آی سی چیست و انواع آن کدام است؟ و انواع مختلف آی سی چیست؟ و مزایا و معایب آی سی چیست؟ پاسخ داده شد.

تمامی موارد فوق را به صورت عملی همراه با نکات تجربی دیگر در مورد انواع آی سی ها و وظیفه آنها در بردها و دستگاههای مختلف و نحوه عملکرد آنها در دوره آموزش جامع الکترونیک بررسی کرده ایم.

در پایان، ممنون که همراه ما بودید. هر سوال یا ابهامی در مورد مطالب ارائه شده در این مقاله دارید حتما در کامنت ها بنویسید، به تمام سوالات پاسخ داده میشه. اگه انتقاد یا پیشنهادی هم داشتید ممنون میشم با ما در میان بزارید.

منابع: SparkFun Electronics  TechTarget