آی سی یا مدار مجتمع (IC) چیست؟ | آشنایی با انواع و کاربرد ای سی به زبان ساده 

تقریباٌ در تمام محصولات الکترونیکی از آی سی استفاده شده است؛ بنابراین دانستن اینکه ای سی چیست هم برای مهندسان الکترونیک کاربردی است هم افراد عادی؛ چرا که کاربرد آی سی ها بسیار متنوع و گسترده است و آشنایی با آنها، می­تواند برای بسیاری از افراد، مفید باشد. در این مطلب به معرفی ای سی، انواع، کاربردها، مزایا و معایب استفاده از آن و بررسی سایر قابلیت­های آنها می­پردازیم. همچنین اگر قصد خرید آی سی با قیمتی مناسب و کیفیتی عالی را دارید، می توانید از بخش فروشگاه ثبت سفارش کنید.

آی سی Integrated Circuit

آی سی که به نام های مدار مجتمع، مدار یکپارچه، ریز تراشه و تراشه نیز شناخته می­ شود، مجموعه ای است از قطعات الکترونیکی که به عنوان یک واحد ساخته شده است. در ساخت ایسی از قطعات اکتیو کوچک (مانند ترانزیستورها و دیودها) و قطعات پسیو (مانند خازن­ ها و مقاومت­ ها) استفاده شده است و اتصالات آنها بر روی یک بستر نازک از مواد نیمه رسانا (معمولا سیلیکون) ساخته شده است. بنابراین مدار حاصل یک “تراشه” یکپارچه بسیار کوچک بوده و ممکن است به اندازه چند سانتی­متر مربع یا تنها چند میلی­متر مربع باشد.

در واقع آی سی­ ها به عنوان مداری تعریف می‌شوند که شامل عناصر غیر قابل تفکیک و اتصال الکتریکی به یکدیگر هستند؛ به گونه‌ای که IC را از لحاظ ساختاری نمی‌توان جدا کرد. یک آی سی می تواند شامل هزاران یا میلیون ها قطعه ترانزیستور، مقاومت، خازن یا دیود باشد. البته قطعات اضافه نیز می­توانند بر روی آن قرار داشته باشند که همگی از طریق شبکه پیچیده ای از ویفر های نیمه ­رسانا، سیلیکون، مس و سایر مواد به هم متصل شده­ اند.

یکی از نمونه‌های متداول آیسی مدرن، پردازنده یا پروسسور کامپیوتر است که معمولاً حاوی میلیون‌ها یا میلیاردها ترانزیستور، خازن، گیت منطقی و غیره است که به یکدیگر متصل شده و یک مدار دیجیتال پیچیده را تشکیل می‌دهند. اگرچه پروسسور، یک آیسی است، اما همه آی­سی ها پروسسور نیستند.

تاریخچه پیدایش آیسی

این فناوری در سال 1950 توسط جک کیلبی از تگزاس اینسترومنتز آمریکا (Texas Instruments USA) و رابرت نویس از فیرچایلد سمی کنداکتور آمریکا (Fairchild Semiconductor USA) اختراع شد. اولین مشتری این اختراع جدید نیروی هوایی ایالات متحده بود. در سال 2000 جک کیلبی برنده جایزه نوبل فیزیک برای مدارهای الکترونیکی کوچک شد.

یک سال و نیم پس از اینکه کیلبی طراحی آی سی خود را به نمایش گذاشت، رابرت نویس از فیرچایلد سمی کنداکتور لیمیتد (Fairchild Semiconductor Limited)، آیسی خود را ارائه کرد. مدل او بسیاری از مشکلات عملی دستگاه کیلبی را حل کرد. این آی سی از سیلیکون ساخته شده بود، در حالی که مدل کیلبی از ژرمانیوم ساخته شده بود. جک کیلبی و رابرت نویس هر دو حق ثبت اختراعات ایالات متحده را برای بخشی از کار خود بر روی آی سی­ ها دریافت کردند. پس از چندین سال، هر دو شرکت عاقلانه تصمیم گرفتند فناوری خود را با مجوزهای متقابل ارائه دهند و بازار جهانی بزرگی ایجاد کردند.

انواع ای سی

آی سی ها به دو دسته اصلی تقسیم می­شوند: آی سی­ های دیجیتال و آی سی­ های آنالوگ.

آی سی آنالوگ

در آی سی­ آنالوگ هر دو سیگنال ورودی و خروجی پیوسته هستند. سطح سیگنال خروجی به سطح سیگنال ورودی بستگی دارد و سطح سیگنال خروجی تابعی خطی از سطح سیگنال ورودی است. آی سی­ های خطی یا ای سی­ های آنالوگ بیشتر به عنوان تقویت کننده فرکانس صوتی و تقویت کننده فرکانس رادیویی استفاده می‌­شوند. اپ امپ­ ها، تنظیم کننده ­های ولتاژ، مقایسه­ کننده­ ها و تایمرها نیز نمونه­ های شناخته شده ­ای از آیسی­ های خطی یا ای سی­ های آنالوگ هستند. آی سی ­های آنالوگ معمولاً فقط از چند قطعه استفاده می­کنند و بسیار ساده 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 بیا بخاری ها را روشن یا خاموش کنند.

آی سی دیجیتال

آی سی های دیجیتال معمولاً شامل گیت­ های منطقی یا logic، مانند گیت AND، گیت OR، گیت NAND، گیت XOR، فلیپ فلاپ و شمارنده می­شوند. یک آی سی لاجیک یا منطقی یک دستگاه نیمه هادی است که یک عملیات منطقی اساسی را اجرا می کند که بر روی یک یا چند سیگنال ورودی دیجیتال (که با 1 و 0 یا H و L نشان داده می شوند) انجام می شود تا یک سیگنال خروجی دیجیتال تولید کند.

میکروپروسسورها نمونه­ های شناخته شده ­ای از آی سی­ های دیجیتال هستند. این آی سی­ ها با داده­ های باینری (دودویی) مانند 0 یا 1 کار میکنند. معمولاً در مدار دیجیتال، 0 نشان دهنده 0 ولت و یک نشانگر +5 ولت است.

آی سی­ های دیجیتال معمولاً در بسیاری از پروژه ­های الکترونیکی استفاده می­ شوند به همین دلیل تقاضا برای خرید میکروپروسسور و سایر انواع ایسی دیجیتال، بالاست. ای سی های دیجیتال در بیشتر مواقع به عنوان اجزای اضافه شده به کیت های مقدماتی آردوینو در دسترس هستند. ای سی­ های دیجیتال در جاهای بسیار متنوعی از جمله کامپیوترها، شبکه های سازمانی، مودم ­ها و فرکانس شمار مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سیگنال مختلط

هنگامی که آیسی­ های دیجیتال و آنالوگ روی یک تراشه مورد استفاده قرار می‌گیرند، IC حاصل به عنوان مدارهای مجتمع سیگنال مختلط شناخته می‌شود؛ از جمله آی سی های سیگنال مختلط می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• آیسی­ های جمع ­آوری داده (شامل مبدل­های A/D، مبدل D/A، پتانسیومترهای دیجیتال)
• ای سی ­های کلاک/تایمینگ
• مبدل آنالوگ به دیجیتال
• مبدل دیجیتال به آنالوگ

مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) یک مدار مجتمع است که سیگنال دیجیتال را به ولتاژ/جریان آنالوگ تبدیل می کند؛ این کار برای پردازش بیشتر سیگنال آنالوگ ضروری است. DAC ها معمولاً در پخش کننده های موسیقی برای تبدیل جریان داده های دیجیتال به سیگنال های صوتی آنالوگ و همچنین تلویزیون ها و تلفن های همراه برای تبدیل داده های ویدئویی دیجیتال به سیگنال های ویدئویی آنالوگ استفاده می‌شوند. از جمله مزایای خرید dac می توان به نصب آسان آنها، وضوح و دقت بالا و قابلیت استفاده آنها در پتانسیومتر ها اشاره کرد.

ساختار IC

قالب و ساختار در یک مدار مجتمع، بخشی از مواد نیمه رسانا مانند سیلیکون است. این تغییر شکل می­تواند برای یک مدار از طریق یک فرآیند ساخت مانند ناخالص­ سازی، متالیزاسیون شیمیایی-رسوب بخار و فوتولیتوگرافی انجام شود. در واقع، این فرآیند مدارهای متعددی را ایجاد می­کند که از یک ویفر تشکیل شده و پس از آن از طریق بریدن به قطعات کوچکتر جدا می­ شوند. قالب را می­توان داخل یک پکیج و سیم­ های اتصال با استفاده از اتصالات الکتریکی در بین ترمینال ­های پکیج که به عنوان پین ها و همچنین نودهای (Node) معادل قالب روی آی­سی شناخته می شوند، محصور کرد.

علامت گذاری قطبیت و شماره گذاری پین

همه آیسی­ ها پلاریزه می شوند که در آن هر پین آی سی هم از نظر عملکرد و هم از نظر مکان منحصر به فرد است، به این معنی که پکیج باید شامل تکنیکی برای برقراری ارتباط باشد. اکثر آی‌سی‌ها از یک نقطه یا یک بریدگی برای مشخص کردن پین اصلی استفاده می‌کنند. وقتی پین اصلی را شناسایی کردید، با حرکت خلاف جهت عقربه های ساعت در ناحیه تراشه، بقیه اعداد پین‌ها به ترتیب افزایش می‌یابند.

نحوه عملکرد آی سی به چه صورت است؟

نحوه عملکرد یک ای سی مانند تقویت کننده یا آمپلی فایر، تایمر، میکروپروسسور، اسیلاتور و همچنین حافظه یا مموری کامپیوتر است. یک آی سی از سیلیکون و یک ویفر کوچک تشکیل شده است که شامل هزاران قطعه الکترونیکی مانند مقاومت، ترانزیستور، خازن و غیره است. اینها اجزای کوچکی هستند که می توانند محاسبات مختلفی را برای ذخیره داده­ ها از طریق فناوری آنالوگ یا دیجیتال انجام دهند.

نسل های IC

از ابتدای شکل‌گیری آی‌سی، نسل‌های مختلف مدار مجتمع شامل تعدادی ترانزیستور و همچنین گیت‌های منطقی برای هر تراشه وجود داشته است. در ادامه لیست نسل های آی سی را به همراه ظرفیت آنها می‌بینید:

SSI: در فناوری SSI یا یکپارچه سازی مقیاس کوچک، از ترانزیستورهای 1-10 و گیت های منطقی از 1 تا 12 استفاده شده است.

MSI: در فناوری MSI یا یکپارچه سازی مقیاس متوسط، از ترانزیستورهای 10 تا 500 و 13 تا 99 گیت منطقی استفاده شده است.

LSI: در LSI یا فناوری یکپارچه سازی مقیاس بزرگ، از ترانزیستورهای 500 تا 20000 و گیت های منطقی از 100 تا 9999 استفاده شده است.

VLSI: در VLSI یا فناوری یکپارچه سازی در مقیاس بسیار بزرگ، ترانزیستورهای 20000 تا 1000000 و گیت های منطقی 10000 تا 99999 مورد استفاده قرار گرفتند.

ULSI: در ULSI یا فناوری یکپارچه سازی در مقیاس فوق­العاده بزرگ، 1000000 ترانزیستور و 100000 گیت منطقی استفاده شده است.

کاربردهای آی سی

کاربردهای مدارهای مجتمع بسیار متنوع است. به طور کلی هر چیزی که امکان طراحی و ساخته شدن با اجزای مجزا را داشته باشد، را می توان در یک آی سی قرار داد. آمپلی فایرهای صوتی، پردازنده های ویدئویی، منطق، حافظه و سوئیچ ها تنها چند نمونه از این کاربردها هستند. دامنه کاربردهای آیسی گسترده است و هر روز هم در حال افزایش است. یکی از کاربردهای اصلی ایسی انجام محاسبات است. کامپیوترهایی که زمانی هزاران ترانزیستور داشتند، اکنون به تعداد انگشت شماری آی سی کاهش یافته است. از جمله دیگر کاربردهای ای سی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• رادار
• ساعت­ های مچی
• تلویزیون ­ها
• آبمیوه ساز
• کامپیوتر
• پروسسورهای ویدیویی
• آمپل فایرهای صوتی
• دستگاه های حافظه یا مموری
• دستگاه ­های منطقی
• انکودر و دیکودرهای فرکانس رادیویی

یکی از پرکاربردترین آیسی ها، آی سی میکروکنترلر است که یک دستگاه مدار مجتمع (IC) برای کنترل سایر بخش‌های یک سیستم الکترونیکی است و معمولاً از طریق یک واحد ریزپردازنده (MPU)، حافظه و برخی تجهیزات جانبی استفاده می‌شود. هنگام خرید میکروکنترلر حتما از اصالت و کیفیت آن مطمئن شوید چرا که این قطعه نقش مهمی در پروژه های شما دارد؛ بنابراین سلامت و اصل بودن آن از اهمیت بالایی برخوردار است.

یکی دیگر از ایسی های کاربردی و پر استفاده در صنعت الکترونیک، آیسی شارژر است که در خانواده PMIC یا آی سی پاور مدیریت توان قرار میگیرد. آی سی های شارژر باتری، مدارهای مجتمع (IC) هستند که برای شارژ باتری ها استفاده می شوند. انواع مختلفی از آی سی شارژر باتری وجود دارد. شارژرهای خطی از یک منبع کنترل شده با ولتاژ استفاده می کنند تا یک ولتاژ ثابت در ترمینال خروجی ظاهر شود. جهت خرید آی سی شارژر می توانید به فروشگاه اینترنتی دیجی قطعه مراجعه کنید.

فرآیند تولید آی سی

به طور کلی دو نوع فناوری تولید آی سی وجود دارد که یکی فناوری یکپارچه و دیگری فناوری هیبریدی است. در تکنیک یکپارچه، تمام قطعات الکترونیکی و اتصالات آنها با هم در یک تراشه سیلیکونی ساخته می‌شوند. این فناوری زمانی به کار می­‌رود که IC های یکسان در مقیاس بزرگ تولید شوند. ای سی­ های یکپارچه، ارزان ولی قابل اعتماد هستند.

در آی سی­های هیبریدی، قطعات به صورت جداگانه روی یک ماده سرامیکی متصل شده و سپس با سیم یا الگوی متالیزاسیون به هم متصل میشوند.

علت کمبود جهانی آی سی چیست؟

با رونق استفاده از دستگاه­ های الکترونیکی، امروزه میلیون ها دستگاه به تراشه­ های کامپیوتری متکی هستند و در حال حاضر، تعداد آنها برای پاسخگویی به تقاضای صنعت به اندازه کافی نیست. در نتیجه، بسیاری از محصولات محبوب با کمبود مواجه هستند. کمبود تراشه جهانی یک بحران مداوم است که در آن تقاضا برای آیسی بیشتر از عرضه است و صنایع متعددی را تحت تاثیر قرار داده است و منجر به کمبودهایی در میان مصرف کنندگان برای محصولاتی شده است که به قطعات نیمه رسانا نیاز دارند.

عدم قطعیت­ های ناشی از همه ­گیری ویروس کرونا منجر به نوسانات شدید در سفارشات در سال ­های اخیر شده است. به دلیل قرنطینه­ های جهانی، تاسیسات تولید تراشه تعطیل شد و بسیاری از کارخانجات منجر به تخلیه ذخایر خود شدند. علاوه بر این، مردم مجبور شدند در خانه بمانند و دستگاه ­های الکترونیکی خود مانند وب­ کم، مانیتور و کامپیوتر را ارتقا دهند تا بتوانند از خانه کار کنند.

این مشکل با این واقعیت که هزینه ساخت تراشه و همگامی با پیشرفت­ های فناوری به طور تصاعدی در این دهه افزایش یافته است، بیشتر می شود. تقاضای شدید، تولید محدود و وجود تاخیر در حمل و نقل باعث کمبود محصولات مصرف­ کننده نهایی و قیمت بالاتر شده است. سازندگان آیسی در تلاشند تا با افزایش ظرفیت به این تقاضای پابرجا پاسخ دهند؛ اگرچه این مسئله به زمان و هزینه نیاز دارد.

مزایا و معایب ایسی

مزایای مدارهای مجتمع (IC) عبارتند از:

• اندازه آن بسیار کوچک است و تقریباً 20000 قطعه الکترونیکی را می­توان در یک اینچ مربع تراشه IC گنجاند.
• قابلیت اطمینان آی سی ها بالاست.
• آی سی ها انرژی بسیار کمی مصرف می­کنند.
• به دلیل عدم وجود اثر خازن پارازیتی سرعت عمل بالاتری دارند.
• قابلیت تعویض از مادربرد را دارند.

معایب مدارهای مجتمع (IC) عبارتند از:

• به دلیل اندازه کوچک، IC قادر به دفع گرما در نرخ مورد نیاز در صورت افزایش جریان در آن نیست. به همین دلیل است که آیسی ­ها اغلب به دلیل عبور جریان بیش از حد از آنها، آسیب می­بینند.
• سلف­ ها و ترانسفورماتور ها را نمی توان در IC ها گنجاند.
• مدار مجتمع صرفاً مقدار محدودی از توان را کنترل می کند.
• اتلاف توان به 10 وات محدود شده است.
• عملکرد ولتاژ بالا و نویز کمتر به سادگی به دست نمی‌آید.