مدار مجتمع

یک نمونه مدار مجتمع از اتمل

تراشه، مدار یکپارچه، مدار مجتمع یا آی‌سی (به انگلیسی: Integrated circuit یا Chip) به مجموعه‌ای از مدارات الکترونیکی اطلاق می‌گردد که با استفاده از مواد نیمه‌رسانا (عموماً سیلیکون همراه با میزان کنترل شده‌ای ناخالصی) در ابعادی کوچک (معمولاً کمتر از یک سانتی متر مربع) ساخته می‌شود. این مدارات معمولاً شامل دو یا سه نوع دستگاه الکترونیکی می‌باشند: مقاومت، خازن و ترانزیستور (مهم‌ترین آنها ترنزیستور می‌باشد). هر تراشه معمولاً حاوی تعداد بسیار زیادی ترانزیستور می‌باشد که با استفاده از فناوری پیچیده‌ای در داخل یک لایه از سیلیکن همگون و با ضخامتی یکنواخت و بدون ترک تزریق شده‌اند. امروزه تراشه‌ها در اکثر دستگاه‌های الکترونیکی و بویژه رایانه‌ها در ابعادی گسترده بکار می‌روند. وجود تراشه‌ها مرهون کشفیات بشر درباره نیمه رساناها و پیشرفتهای سریع پیرامون آنها در میانه‌های سده بیستم می‌باشد.

ریزتراشه، ابزاری الکترونیکی است که مانند یک واحد از اجزای ریز بسیار زیادی، به ویژه ترانزیستور، ساخته می‌شود. ریز تراشه داخل یک سوکت، در برد مدار چاپی، قرار می‌گیرد و به دیگر اجزا وصل می‌شود.

§کار ریز تراشه‌ها

هر ریز تراشه، وظیفهٔ خاصی را انجام می‌دهد و با کد عددی شناسایی می‌شود. بعضی از ریز تراشه‌ها با سیگنالهای آنالوگ کار می‌کنند (ریز تراشه‌ای باکد ۷۴۱، یک آمپلی فایر آنالوگ است). بعضی‌های دیگر با سیگنال‌های دیجیتال کار می‌کنند - به عنوان ورودی‌های منطقی یا برای دریافت صوت دیجیتالی از یک CD.

§طرز ساخت ریز تراشه‌ها

ریز تراشه‌ها را با تعبیهٔ مدارهای الکترونیکی در لایه‌ای نازک از سیلیسیم خالص، به صورت یک فرایند پیچیده، لایه لایه می‌سازند. اجزای مختلف مدار را با آغشته کردن مناطقی از سیلیسیم به مواد شیمیایی مختلف ایجاد می‌کنند.

§کد باینری (دودویی)

ریز تراشه‌های دیجیتالی، سیگنال‌های دیجیتالی را به صورت کد باینری ارسال و دریافت می‌کنند. تمامی اطلاعات به صورت سیگنال‌های روشن/خاموش ارائه می‌شوند. این سیگنال‌ها به وسیله ترانزیستورهای ریز تراشه پردازش می‌شوند. هنگامی که کلیدی بسته‌است، عدد یک است، هنگامی که کلید باز است، عدد صفر است. کد دودویی برای حرف "a"در صفحه کلیدعدد۰۱۱۰۰۰۰۱است.

§کپسول سرامیک

ریز تراشه را در یک کپسول عایق قرار می‌دهند. این کپسول پوششی شفاف دارد - تراشه در داخل آن قرار دارد. این ابزار شارژ (CCD)برای گرفتن عکس در دوربین‌های دیجیتالی استفاده می‌شود.

مدارات مجتمعی که شامل ترانزیستورهای دوقطبی (BJT: Bi Junction Transistor) باشند را با نام Transistor Transistor Logic) TTL) و مدارات مجتمعی که شامل ترانزیستورهای NMOS و PMOS هستند را(Cmos(Complementry Metal Oxide Semiconductorمی‌نامند. ترکیب این دو تکنولوژی را با نام BiCmos می‌شناسند. در مقابل مدارهای مجتمع، مدارهای گسسته وجود دارند که شامل قطعاتی مجزا هستند که به هم روی یک برد متصل شده‌اند.

در ساخت ICها طراحان سعی می‌کنند تا حد امکان از ترانزیستور استفاده کنند. مثلاً بجای خازن از از ترانزیستور در بایاس معکوس استفاده می‌کنند. و یا در جایی دیگر که مقاومت بزرگی نیاز دارند مثلاً در حد مگا اهم باز از ترانزیستور استفاده می‌کنند. چون در حجمی که مقاومت می‌گیرد می‌توان چند ترانزیستور جای داد.

بعضی از ICها به گونه‌ای از لایه‌های سیلیکون بهره می‌برند که می‌توانند حتی به عنوان حافظه مورد استفاده قرار گیرند نمونه‌ای از این ICها PROM نام دارد (حافظهٔ قابل برنامه‌ریزی فقط‌خواندنی: Programmable Read Only Memory) همانگونه که از اسم این نوع تراشه معلوم است فقط اطلاعات آن قابل خواندن است و امکان تغییرات در آن وجود ندارد از این نوع ای سی برای مدارات اصلی کامپیوتر نیز استفاده می‌شود همان قسمت از حافظه که به آن ROM نیز می‌گویند.

§مدارهای مجتمع دیجیتال

طرح شماتیک سیماس

به مدارهای AND,OR,NOT گیتهای منطقی (Logical Gate) می‌گویند. برای اینکه در یک مدار از این گیتها استفاده کنید نیاز نیست که شما این گیتها را با استفاده از ترانزیستور بسازید. این گیتها به صورت آماده در بازار با قیمتهای بسیار پایین وجود دارد. فقط کافی است که شما این ICها را بشناسید تا بتوانید از آنها استفاده کنید. انواع گیت‌های منطقی عبارت اند از:

گیت NOT:این گیت را به صورت شکل مقابل نشان می‌دهند. همانطور که جلسات پیش گفتیم این گیت تنها یک ورودی و یک خروجی دارد معمولاً برای گیتهای منطقی یک جدول نیز رسم می‌کنند که به این جدول، جدول درستی می‌گویند. در این جداول عدد ۱ بیانگر درست و عدد صفر بیانگر غلط است. دقت کنید همه این عبارت یک معنی دارند:روشن، صحیح، ۵ ولت، ۱همچنین عبارت زیر نیز یک مفهوم دارند خاموش، غلط، صفر ولت، ۰جدول درستی برای این گیت به شکل زیر است

این جدول بیان می‌کند که چنانچه ورودی گیت صفر باشد خروجی ۱ خواهد بود یا اینکه اگر ورودی صفر ولت باشد خروجی ۵ ولت خواهد بود. و همچنین اگر ورودی ۱ باشد خروجی صفر خواهد بود و یا به طور مشابه مانند قبل اگر ورودی۵ ولت باشد خروجی صفر ولت خواهد بود. ICهای NOT در درون خود چندین گیت NOT را دارند یعنی اینکه هنگامی که شما یک IC از نوع NOT می‌خرید درون IC، ۶ تا گیت NOT وجود دارد. شکل زیر ساختمان داخلی یک IC از نوع NOT را نشان می‌دهد.

همانطور که در شکل مشاهده می‌کنید این IC از شش گیت NOT تشکیل شده‌است پایه شماره ۱ IC یک پایه ورودی محسوب می‌شود خروجی این گیت پایه ۲ است. همچنین پایه ۳ ورودی یک گیت NOT دیگر است که خروجی آن پایه ۴ است. دقت کنید در ICها در قسمت بالا یک نیم دایره قرار دارد که معرف قسمت بالای IC می‌باشد و پایه‌ای که در سمت چپ این نیم دایره قرار دارد طبق قرار داد پایه ۱ است. هر IC برای اینکه به درستی کار کند نیاز به یک تغذیه (مثبت ومنفی که از باتری یا منبع تغذیه تامین شده باشد) نیز دارد. در این ICپایه شماره ۷ پایه زمین (قطب منفی باتری یا صفر ولت) و پایه ۱۴ پایه مثبت می‌باشد. یعنی شما در یک مدار باید ابتدا پایه ۷ را به قطب منفی باتری یا زمین (صفر ولت) متصل کنید سپس پایه ۱۴ را نیز به قطب مثبت متصل کنید. الان ۶ گیت شما آماده شده‌است برای تست می‌توانید در قسمت ورودی ازیک کلید و یک مقاومت ۱ کیلو اهم و در قسمت خروجی از یک LED و یک مقاومت ۲۲۰ اهم استفاده کنید. مدارهای ورودی و خروجی را بدین شکل ببندید.

در زمانی که سوییچ باز است ورودی گیت صفر ولت خواهد بود و خروجی گیت ۵ ولت بوده و LEDرا روشن خواهد کرد. اما هنگامی که سوییچ را بزنید و پایین نگه دارید ورودی گیت ۵ولت خواهد شد و خروجی گیت صفر ۵ ولت شده و LEDرا خاموش خواهد شد. با این وسیله ساده می‌تواند تک تک گیتها را چک کنید. IC NOT در بازار به اسم ۷۴۰۴ شناخته می‌شود. (شما می‌توانید این عدد را روی IC پیدا کنید). گیت ANDاین گیت را به صورت شکل مقابل نشان می‌دهند. باز همانطور که ذکر شد این گیت دو ورودی دارد و یک خروجی برای این گیت هم یک جدول درستی وجود دارد. پایه‌های ورودی این گیت را با حروف A,B نشان می‌دهند و پایه خروجی را با حرف Q نشان می‌دهند. همانطور که جلسه پیش گفتیم خروجی این گیت تنها زمانی یک (صحیح) است که هر دو ورودی صحیح باشد. جدول درستی هم به نوع دیگری این نحوه کار گیت را مشخص می‌کند.

این جدول بیان می‌کند که چنانچه ورودیA,B هر دو صفر باشند، خروجی صفر خواهد بود و اگر یکی از این دو ورودی نیز صفر باشد باز هم خروجی صفر خواهد شد. تنها در صورتی خروجی صحیح است که هر دو ورودی یک باشد. در شکل زیر نقشه داخلی یک ICاز نوعAND را مشاهده می‌کنید. در این IC ۴ گیت AND وجود دارد. پایه اول ودوم این ICورودی‌های گیت AND است وپایه سوم، خروجی این گیت است. چنانچه این دو پایه را به دو کلید همانند آنچه در مثال قبلی ذکر شد وصل کنیم و یک LED هم به پایه سوم متصل کنیم می‌توانیم نحوه کار این IC را بررسی کنیم. این IC در بازار به اسم ۷۴۰۸ شناخته می‌شود. یادتان نرود پایه‌های ۷ را به زمین و ۱۴ را به ولتاژ مثبت متصل کنید.

نقشه درونی IC به شماره ۷۴۰۸ گیت ORاین گیت را به صورت شکل مقابل نشان می‌دهند. همانطور که ذکر شد این گیت دو ورودی و یک خروجی دارد برای این گیت هم یک جدول درستی وجود دارد. پایه‌های ورودی این گیت را همانند ICهای ANDبا حروف A,B و پایه خروجی را با حرف Q نشان می‌دهند. خروجی این گیت در صورتی یک (صحیح) می‌شود که یکی از هر دو ورودی صحیح باشد. جدول درستی هم به نوع دیگری این نحوه کار گیت را مشخص می‌کند.

این جدول بیان می‌کند که چنانچه ورودیA,B هر دو صفر باشند، خروجی صفر خواهد بود و اگر یکی از این دو ورودی یک شود خروجی هم یک می‌شود. همچنین اگر هر دو ورودی نیز یک باشد درآن صورت خروجی نیز یک خواهد شد. در شکل زیر نقشه داخلی یک ICاز نوع OR را مشاهده می‌کنید. در این IC ۴ گیت OR وجود دارد. پایه اول ودوم این ICورودی‌های گیت OR است وپایه سوم، خروجی این گیت است. چنانچه این دو پایه را به دو کلید همانند آنچه در مثال قبلی ذکر شد وصل کنیم و یک LED هم به پایه سوم متصل کنیم می‌توانیم نحوه کار این IC را بررسی کنیم. این IC در بازار به اسم ۷۴۳۲ شناخته می‌شود. یادتان نرود پایه‌های ۷ را به زمین و ۱۴ را به ولتاژ مثبت متصل کنید.

نقشه داخلی ICبه شماره ۷۴۳۲

این سه Ic که نقشه آنها را بیان کردیم ICهای اصلی و مورد نیاز شما هستند همه جور گیت منطقی دیگر را نیز می‌توان با این ICها ساخت به عنوان مثال شما نیاز دارید که یک گیت AND با سه ورودی بسازید. یعنی هر گاه هر سه ورودی یک شود خروجی یک شود و در بقیه حالات صفر باشد برای این کار شما می‌توانید از دو گیت AND به شکل زیر استفاده کنید.

در این شکل تنها خروجی زمانی یک می‌شود که هر دو ورودی C,Q’ یک باشند و Q’ زمانی یک می‌شود که A,B هر دو یک باشند. یعنی برای یک شدن نیاز است که هر سه ورودی یک شود گرچه ICاز نوعANDبا سه ورودی هم در بازار وجود دارد (شماره ۷۴۱۱)حتی AND با ۴ ورودی هم وجود دارد. (شماره ۷۴۲۱) تمرین: یک مدار OR با سه ورودی بسازید.

مثال: یک مدار نیاز داریم به گونه‌ای که هر گاه یکی یا هردو ورودی یک شود خروجی صفر شود. در غیر این صورت خروجی یک باقی بماند. این مدار می‌تواند زمانی کاربرد داشته باشد که یک در قفل الکترونیکی داشته باشد که این قفل به Q متصل است هر گاه Qیک باشد در قفل است و هنگامی که Q صفر شود قفل باز خواهد شد. ورودی‌های A,B به کلیدهای الکترونیکی متصل هستند که در دو درطرف در نصب شده‌اند. در باید این قابلیت را داشته باشد که هم از بیرون و هم از درون باز شود. جدول درستی این مدار به شکل زیر است این مدار را با استفاده از گیت‌های اصلی بسازید. همانطور که در جدول مشاهده می‌کنید خروجی مورد نظر دقیقاً برعکس خروجی یک مدارAND است پس می‌توان از یک مدارAND به همراه یک NOT استفاده کرد یعنی شکل زیر:

شاید برایتان سوال پیش آمده باشد که آیا IC با این مشخصات نیز داریم؟ بله داریم و به آن NOT AND یا به اختصار NAND(نَند) گویند (شماره ۷۴۰۰) به همین شکل IC NOR هم داریم که قطعاً می‌توانید حدس بزنید از چه نوعی است و چگونه کار می‌کند. مثال: یک مدار طراحی کنید به گونه‌ای که هر گاه هر دو ورودی مثل هم باشند یعنی هر دو یک یا هردو صفر خروجی یک شود در غیر اینصورت خروجی صفر باشد. جدول درستی این مدار در زیر آمده‌است

می‌توان گفت خروجی در دو حالت ۱ می‌شود حالت اول حالتی است که هم A و هم B صفر باشد این مدار را این طور طراحی می‌کنیم:

حالت بعدی که خروجی یک می‌شود حالتی است که هر دو ورودی ۱ باشد یعنی مدار زیر

مدار کامل تر کیب هر دوی این دو مدار است خروجی نهایی زمانی یک خواهد شد که یکی از این دو خروجی یک شود (مدار OR) پس مدار نهایی به شکل زیر است

مدار دیگری نیز وجود دارد که خروجی آن معکوس این مدار است یعنی در بعد از OR یک NOT هم قرار دارد در این صورت خروجی تنها زمانی ۱می‌شود که وردی‌ها با هم متفاوت باشد. یعنی اگر هر دو ورودی یک یا هر دو ورودی صفر باشد خروجی صفر خواهد بود تنها زمانی خروجی یک می‌شود که ورودی‌ها با هم فرق داشته باشد (یکی صفر و یکی یک) به این مدار گیت XOR گویند و IC آن نیز موجود است (۷۴۸۶) گیت XOR را به شکل مقابل در مدارها نشان می‌دهند از این گیت در ساخت مدارات که چند عدد باینری (مبنای ۲) را با هم جمع می‌کند استفاده می‌کنند

§جستارهای وابسته

• اختراع‌ها در ایالات متحده (۱۹۴۶–۱۹۹۱)

§منابع

• ویکی‌پدیای انگلیسی