انواع مختلف، کاربرد و بسته بندی های متفاوت IC ها را بشناسید

آی سی ها انواع مختلف و برای مقاصد مختلف استفاده می شوند، برای مثال بر اساس نوع ارتباط به IC های سری و موازی، بر اساس سایز و فرایند تولید به یکپارچه و مجزا و بر اساس سیگنالی که  دریافت و ارسال می‌کنند به آنالوگ و دیجیتال تقسیم بندی می شوند.

در این مقاله شما را با انواع مختلف IC، کاربرد های آن، بسته بندی ها و نسل های مختلف شان آشنا می کنیم.

مدار مجتمع، IC، میکروچیپ یا چیپ، یک مدار الکترونیکی میکروسکوپی منظم است که از قطعه های الکترونیکی مختلف (مانند مقاومت، خازن، ترانزیستور و غیره) تشکیل شده که روی لایه ای از  ماده نیمه هادی (سیلیکون) چاپ و ساخته می شود. این قطعات قادرند عملیات هایی مشابه با بردهای الکترونیکی بزرگ و مجزا (که قطعات مجزا نیز دارند) انجام دهند. این نظام مشخص قطعات همراه با مدار های میکروسکوپی و لایه نیمه‌هادی به یکدیگر متصل شده و یک چیپ واحد را تشکیل می‌دهند که به آن مدار مجتمع، IC یا میکروچیپ گویند.

مدار های الکترونیک از قطعات مستقل و مجزا تشکیل می شوند که هر کدام ابعاد و اندازه های متفاوتی دارد و تعداد قطعات در هر مدار، اندازه و قیمت تولید آنها را افزایش می دهد. برای فائق آمدن به این اثر منفی در تولید، فناوری‌ یکپارچه سازی به وجود آمد.

تاریخچه مدارهای مجتمع از تولید دستگاه های حالت جامد شروع شد. اختراع اولین لوله خلاء توسط جان امبروز فلمینگ  در سال ۱۸۹۷ اتفاق افتاد و دیود مکشی نامیده شد. او برای موتورها قانون دست چپ را اختراع کرد، بعد از آن در سال ۱۹۰۶ لوله جدیدی که تریود نامیده شد و کاربردی شبیه آمپلی فایر داشت را اختراع کرد.

در سال‌های بعد ترانزیستور در لابراتوار بل ساخته شد (۱۹۴۷) که کاملاً جایگزین لوله های مکش شد، چون این دستگاه های جدید مقدار برق کمتری برای کارکرد نیاز داشتند.

بعد از آن قطعات جداگانه مختلفی ساخته شد که مجزا از هم کار می کردند و یا در مدارهای چاپی به هم متصل و با قطعه ای به نام مدار غیر مجتمع کنترل می شدند. این IC های قدیمی برق بسیاری مصرف می کردند و خروجی شان آنچنان مناسب نبود.

جک کیبلی از تگزاس آمریکا اولین IC را در سال ۱۹۵۰ اختراع کرد و رابرت نویس از کارخانه نیمه هادی FAIR CHILD مشکلات کاربردی این مدارهای مجتمع را برطرف کرد.

در سال ۱۹۵۹ بود که مدارهای یکپارچه بهینه شده و به تولید انبوه رسیدند و می شد چندین قطعه الکترونیکی را در یک لایه سیلیکونی ساخت. پس از آن کارایی ترانزیستور ها نیز بر روی IC ها بهتر شد.

یک نوع از طبقه بندی IC ها  بر اساس اندازه و میزان یکپارچگی آنهاست. این معیار با تعداد قطعه الکترونیکی که در IC گنجانده شده، سنجیده می شود.  در سال ۱۹۶۱ تا ۱۹۶۵ فناوری مجتمع سازی مقیاس کوچک SSI (SMALL SCALE INTEGRATION)  می توانست ۱۰ تا ۱۰۰ ترانزیستور را در هر چیپ جایی دهد.

در سال های ۱۹۶۶ تا ۱۹۷۰ فناوری مجتمع سازی مقیاس متوسط MSI (MEDIUM SCALE INTEGRATION) توانست ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ ترانزیستور را در هر IC گنجانده و در سوئیچ‌های مخابراتی، رمزگشا و شمارنده ها از آن استفاده شد.

در بازه سال‌های ۱۹۷۱ تا ۱۹۷۹ فناوری مجتمع سازی مقیاس بزرگ LSI (LARGE SCALE INTEGRATION) تا جایی پیش رفت که توانست ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰ ترانزیستور را در هر چیپ جای دهد تا امکان ساخت رم ها، ریزپردازنده و رام ها فراهم شود.

سال ۱۹۸۰ تا ۱۹۸۴ فناوری یکپارچه سازی مقیاس خیلی بزرگ VLSI (VERY LARGE SCALE INTEGRATION)خود را به بازار معرفی کرد که توانست ۲۰۰۰۰ تا ۵۰۰۰۰ ترانزیستور را در یک چیپ بگنجاند و ریز پردازنده های RISC، DSP  و ریزپردازنده های ۱۶ و ۳۲ بیتی با این تکنولوژی تولید شد.

از سال ۱۹۸۵ تاکنون نسل پردازنده های USLI (ULTRA LARGE SCALE INTEGRATION) یا یکپارچه سازی مقیاس فرابزرگ مورد استفاده قرار می گیرد که از ۵۰ هزار تا میلیون ها ترانزیستور را برای ساختن ریز پردازنده های ۶۴ بیتی در هر IC استفاده کرد.

یکی دیگر از دسته بندی های IC ها علاوه بر طبقه‌بندی نسلی آنها که در قسمت بالا توضیح داده شد، دسته بندی بر اساس کاربرد آنهاست.

در این دسته بندی IC ها به آنالوگ، دیجیتال و ترکیبی تقسیم می‌شوند.

به IC هایی که فقط در چند لایه مشخص شده تقویت سیگنال را انجام می‌دهند دیجیتالی می‌گویند، که در سوئیچ های تقسیم، مدار الاکلنگی، گیت های منطقی و دیگر برد های الکترونیکی کاربرد دارند. گیت های منطقی با داده های ورودی باینری یا داده های دیجیتالی مثل ۰و۱ (منطق کم یا اشتباه یا ۰- منطق زیاد یا درست یا ۱) می‌کند.

شکل بالا نشان دهنده مراحلی است که در طراحی یک IC دیجیتالی معمولی استفاده می شود.

این IC ها به وفور در کامپیوتر، شبکه های کامپیوتری، ریزپردازنده، پردازنده های سیگنال دیجیتالی و شمارنده های فرکانسی استفاده می شوند.  انواع مختلفی از IC های دیجیتال وجود دارد که از میان آنها می توان IC های قابل برنامه ریزی، چیپ های حافظه، IC منطقی، IC مدیریت قدرت و IC های میانجی را نام برد.

به مدار مجتمعی که بازه مداومی از سیگنال ها را مدیریت می کند، آنالوگ گویند. فیلم دست خود دو زیردسته مدار مجتمع خطی(LINEAR) و مدار مجتمع فرکانس رادیویی (RFIC) تقسیم می شود. رابطه بین ولتاژ و جریان در بعضی از موارد مانند فاصله طولانی و سیگنال آنالوگ مداوم، ممکن است خطی نباشد.

آی سی های آنالوگ معمولی استفاده زیادی در آمپلی فایر عملیاتی OP-AMP دارند که همانند آمپلی فایر های هستند اما جذب ولتاژ (GAIN) بسیار بالایی دارند. این IC دارای ترانزیستورهای خیلی کمتری نسبت به مدل دیجیتالی خود است و برای برنامه ریزی IC های هدف مشخص(ASICآنالوگ) و ابزارهای شبیه سازی کامپیوتری استفاده می شود.

اگر ارتباط خطی بین ولتاژ و جریان موجود در IC وجود داشته باشد، این نوع IC را مدار مجتمع خطی گویند. بهترین مثال مدل ۷۴۱ است که دارای بسته بندی DIP ( 2در۱ خط) بوده که OP-AMP می باشد.

در IC آنالوگ، اگر ارتباط غیر خطی بین ولتاژ و جریان وجود داشته باشد آن را IC فرکانس رادیویی گویند که این مدل در آمپلی فایر ها با نویز کم استفاده میشود.

به چیپی که ترکیبی از IC آنالوگ و دیجیتال باشد، مدارمجتمع ترکیبی گویند. این IC ها می توانند به عنوان تبدیل دیجیتال به آنالوگ و برعکس (A/D و  (D/A) استفاده شوند. از دیگر کاربردهای آن می‌توان به IC های ساعت و زمان سنج اشاره کرد. IC که در تصویر میبینید نمونه‌ای از IC ترکیبی است که در گیرنده رادار ۸ تا ۱۸ گیگاهرتزی به کار رفته است.

سیستم سیگنال ترکیبی بر روی یک چیپ واحد، نتیجه و مزایای فناوری یکپارچه سازی در علم الکترونیک است که این امکان را فراهم می سازد تا چندین IC دیجیتالی، آنالوگ و فرکانس رادیویی را بتوان در کنار هم در یک چیپ استفاده کرد.

این IC ها برای استفاده در گیت های منطقی به کار می‌رود که با ورودی و خروجی باینری (۰و۱) کار میکند. این مدل بیشتر به عنوان تصمیم گیرنده استفاده می‌شود و طبق جدول منطق یا حقیقت، تمامی گیت های متصل به IC، مطابق با مدار طراحی شده و برای نتیجه و هدفی خاص خروجی می‌دهند. نمونه ای از IC های منطقی را می توانید در زیر مشاهده کنید.

مدار مجتمع مقیاس کننده برای تولید خروجی بر اساس مقایسه کردن داده های ورودی استفاده می شود.

این مدار مجتمع با استفاده از ترانزیستور ها برای عملیات سوییچ کردن طراحی شده است. در شکل نمونه ای از یک آی سی SPDT را مشاهده می کنید.

این مدل یکی از چند مدل IC است که در تقویت صدا استفاده می‌شود. معمولاً از آی سی های تقویت صدا در بلندگوها، مدار های تلویزیون و دیگر وسایل از این قبیل استفاده می‌شود. در عکس نمونه ای از آی سی های امپلی فایر را مشاهده می‌کنید.

این نوع از IC ها به وفور در انواع و اقسام مدارهای الکترونیکی استفاده شده که بخاطر توانایی آستانه ولتاژ و مصرف برق پایین، با فِت ها مقایسه می شوند. چیپ های CMOS از دو بخش PMOS و NMOS  تشکیل شده است که روی یک چیپ واحد با هم ساخته شده اند. این آی سی ها ساختار گیت پلی سیلیکونی دارد که به کاهش آستانه ولتاژ دستگاه کمک می‌کند و امکان استفاده و پردازش در ولتاژهای پایین را فراهم می سازد.

این نوع از مدار مجتمع ها خروجی پایداری از جریان DC ایجاد می کنند، حتی اگر ورودی جریان متغیر باشد. رگولاتور های معمول استفاده شده برای این هدف LM309، UA723، LM105، ۷۷XX هستند.

این IC ها نیز مانند همتای خود یعنی IC تقویت صدای معمولی، برای همین هدف ساخته شده است. عملکرد این مدل مشابه مدارهای تقویت ترانزیستوری است. پیکربندی یک IC آمپلی فایر عملیاتی را در عکس می توانید مشاهده کنید.

این IC های تایمر برای سنجش و نشان دادن گذر زمان برای نیاز و هدف های مشخص ساخته و طراحی شده است. نمودار خطی یک آی سی زمان سنج مدل ۵۵۵LM را در شکل می توانید مشاهده کنید.

آی سی ها در ۳ کلاس طبقه بندی می شود که معیار آن بر اساس تکنیک و فرآیند استفاده شده در مراحل تولید آن می‌باشد.

• آی سی های فیلم نازک یا فیلم ضمخت
• آی سی های مونو لیتیک (MONOLITHIC)
• آی سی های ترکیبی یا چند چیپ

در این IC ها از قطعات غیر منفعلی مثل خازن و مقاومت استفاده شده و از ترانزیستور ها و دیود ها همانند قطعات جدا از هم، در طراحی مدار استفاده شده است. این IC ها را می توان ترکیبی از قطعات یکپارچه و همچنین جدا از هم نامید، که خصوصیات مرتبط و ظاهر جداگانه‌ای دارند.

طراحی این مدارهای مجتمع بر اساس ماده رسانای فیلم رسوبی است که روی سطح شیشه ای یا پایه سرامیکی رسوب می‌کند و با تغییر ضخامت فیلم روی مواد، مقاومت آن نیز متفاوت ‌شده و تولید قطعات غیر منفعل الکترونیکی امکان پذیر می شود.

در این IC های فیلم نازک یا فیلم ضمخت، روش چاپ ابریشمی به کار میرود تا مدل مورد نظر مدار  روی زیرلایه سرامیکی ایجاد شود.

همانطور که از نامش پیداست، این کلمه ریشه یونانی دارد که منو به معنی واحد و یگانه و لیتوس به معنی سنگ است که معنی آن یک سنگ یا به تعبیری یکپارچه به آن گفته میشود.

در حال حاضر معمول ترین و پر استفاده ترین مدل آی سی ها همین مونولیتیک ها هستند، چون قابل اعتماد و کم هزینه بوده و برای استفاده‌های تجاری در تنظیم کننده های ولتاژ، آمپلی فایرها، مدار های کامپیوتری و گیرنده های امواج AM به کار میروند.

خاصیت عایق بودن در IC های مونولیتیک ضعیف است ولی مصرف برق کمتری دارد.

این IC ها را DIP یا DIPP نیز می نامند و در زمینه میکروالکترونیک و الکترونیک استفاده شده که با مداری مستطیلی شکل و ۲ ردیف موازی پایه های متصل شونده شناخته می شوند.

در این مدار مجتمع ها بیش از ۱ چیپ روی مدار به هم متصل است و قطعات منفعلی مانند دیود ها و ترانزیستور های پخش کننده در این IC ها استفاده شده و با قطعات غیر منفعل دیگر مانند خازن های توزیع کننده و مقاومت ها همه روی ۱ چیپ قرار گرفته اند.

اتصال این قطعات با الگوی فلزی انجام می شود. IC های چند چیپ و ترکیبی برای آمپلی فایرهای توان بالا بین ۵ تا ۵۰ وات استفاده می شود و نسبت به IC های مونولیتیک، عملکرد بهتری دارند.

بسته بندی IC ها به دو نوع کلی پایه دار و SMD (سوار شده بر مدار) تقسیم می شوند.

طراحی این بسته بندی ها به گونه ای است که پایه های فلزی IC روی سوراخ های یک طرف مدار فرو رفته و از طرف دیگر لحیم کاری می شوند. در مقایسه با انواع دیگر، اندازه این بسته بندی ها بزرگتر است. از نمونه های این بسته بندی می توان به مدل DUAL IN LINE اشاره کرد که بیشترین استفاده را در این نوع IC ها دارد. این بسته بندی ها دو نوع پلاستیکی و سرامیکی دارند.

برای مثال در آی سی AT mega 328، تعداد ۲۸ پایه به صورت موازی و روبروی یکدیگر، روی مداری مستطیل شکل و پلاستیکی مشکی رنگ قرار گرفته اند. فاصله بین هر پایه ۰٫۱ اینچ است و اندازه بسته بندی ها نسبت به تعداد پایه ها میتواند در هر IC متفاوت باشد. از انواع مختلف بسته بندی های IC پایه دار می توان انواع زیر را نام برد:

PDIP- TO220- TO2205-TO99- TO18- TO03-DIP - ZIP - PENTAWATT - T7TO22

این بسته بندی با فناوری متصل به مدار تولید شده که قطعات، مستقیم روی مدار چاپی قرار می گیرند. فناوری تولید و یکپارچه‌سازی این بسته بندی کمک می کند تا سرعت تولید بالاتر رفته و خطاهای بوجود آمده نیز به علت قرار گیری قطعات در کنار هم کمتر شود. جنس روکش این بسته بندی ها نیز از پلاستیک و سرامیک تولید می شود. از انواع بسته بندی های SMD میتوان به مدل های زیر اشاره کرد:

SOT23-SOT223-TO-252TO263-DDPAK-SOP-TSOP-TQFP-QFN-BGA

در قسمت زیر انواع مختلفی از بسته بندی های IC  را با شکل میبینید:

• مصرف برق کمی دارند: مدارهای مجتمع به خاطر اندازه و ساختارشان، نسبت به دیگر قطعات الکترونیکی برق کمتری مصرف کرده و کارایی بهتری دارند.
• سایز فشرده‌تر: این قطعات سایز بسیار کوچک تر و ساختار فشرده تری نسبت به مدار های مجزا دارند.
• هزینه کمتر: در مقایسه با مدارهای مجزا، IC ها به دلیل فرآیند تولید و مقدار مواد کمی که در ساخت شان استفاده می‌شود، هزینه نهایی کمتری برای تولیدکننده و مصرف‌کننده دارند.
• وزن کمتر: مدارهایی که از IC بهره میبرند، وزت بسیار کمتری خواهند داشت.
• قابل اعتماد بودن: هنگامی که مدار برق کمتری مصرف کند، دمای کمتری نیز تولید کرده و عمر قطعات بالاتر رفته و عملکردشان بهتر می‌شود؛ که این امر با وجود IC ها در مدار محقق می‌شود.
• سرعت عملکرد بهتر: IC ها به علت مصرف برق پایین، سرعت سوئیچ کمتر و دمای پایین کارکرد، سرعت عملکرد بسیار بالاتری نسبت به قطعات مجزا دارند.