انواع آی سی، طبقه بندی و محدودیت آنها

1 693 زمان تقریبی مطالعه 7 دقیقه

در واقع باید بگوییم مدارهای مجتمع (IC) مهم ترین پیشرفت تکنولوژی قرن بیست و یکم بوده است، زیرا که دنیای الکترونیک را برای همیشه متحول کرده است. 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.

اولین نسل آی سی ها، لامپ های خلاء (1940-1956) به حساب می آیند، زیرا اولین کامپیوترها از لامپ های خلاء برای مدارهای الکترونیکی و درام های مغناطیسی برای حافظه استفاده می کردند و اغلب بسیار بزرگ بودند و کل اتاق ها را اشغال می کردند. بعد از آی سی ها ترانزیستور ها بودند(1956-1963) که جایگزین لامپ های خلاء شده و نسل دوم کامپیوترها را به جامعه تکنولوژی ارزانی داشتند؛ ترانزیستور بسیار برتر از لامپ خلاء بود و به کامپیوترها اجازه می داد کوچکتر، سریعتر، ارزانتر، انرژی کارآمدتر و قابل اعتمادتر از نسل اول خود شوند.توسعه مدارهای مجتمع (1964-1971)مشخصه نسل سوم کامپیوترها بود. ترانزیستورها کوچک شده و بر روی تراشه های سیلیکونی به نام نیمه هادی ها قرار می گرفتند که سرعت و کارایی رایانه ها را به شدت افزایش می داد.ریزپردازنده نسل چهارم کامپیوترها (1971- تاکنون) را به ارمغان آورد، زیرا هزاران مدار مجتمع بر روی یک تراشه سیلیکونی ساخته شده بودند.

در واقع برخلاف مدارات الکترونیک که در گذشته از لامپ های خلاء اغاز شد، امروزه آی سی ها انرژی کمتری مصرف کرده و طراحی الکترونیک را به جای استفاده از قطعات گسسته(جدا از هم) به قطعات ترکیبی و کوچکتر سوق داد، همچنین باعث کاهش قیمت چشم گیری در قیمت لوازم الکترونیکی شده اند و این آی سی ها بوده اند که لوازم الکترونیکی را از سایز بزرگ شاید به اندازه یخچال به حدی کاهش داده اند که اندازه ی کف دست، حتی کوچکتر نیز رسیده است و صنعت الکترونیک را به معنای واقعی متحول کردند.در ادامه این مقاله طبقه بندی آی سی ها را از چندین لحاظ مورد بررسی قرار خواهیم داد.

طبقه بندی آی سی ها براساس اندازه تراشه (مدارهای مجتمع)

SSI: ادغام در مقیاس کوچک؛ 3 تا 30 گیت در هر تراشه.

از سال 1961 تا 1965 که آغاز این فناوری بود؛ آی سی ها فقط چند جزء، معمولاً 2 تا 10 ترانزیستور داشتند که روی یک تراشه یکپارچه شده بودند، در حال حاضر، مدارهای مجتمع دارای 10 تا 100 ترانزیستور روی یک تراشه واحد هستند که حدود 3 تا 30 گیت روی تراشه دارند و به عنوان آی سی های یکپارچه در مقیاس کوچک طبقه بندی می شوند. از این آی سی ها برای ساخت فلیپ فلاپ و آی سی گیت منطقی که انواع دیگری از قطعات الکترونیکی هستند، استفاده می شود.

MSI: ادغام در مقیاس متوسط؛ 30 تا 300 گیت در هر تراشه.

سطح بالاتر ادغام در مقیاس متوسط است که در آن، معمولاً 100 تا 1000 ترانزیستور که 30 تا 300 گیت منطقی در هر تراشه تولید می کنند، بر روی یک تراشه واحد ساخته می شوند. این فن آوری بین سال های 1966 و 1971 برجسته بود و برای ساخت مالتی پلکسرها، رمزگشاها، شمارنده ها و رجیسترها استفاده می شود.

LSI: ادغام در مقیاس بزرگ؛ 300 تا 3000 گیت در هر تراشه.

از سال 1971 تا 1979، فناوری ادغام در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرارگرفت این بار هزاران ترانزیستور – معمولاً 1000 تا 20000 ترانزیستور که منجر به 300 تا 3000 گیت در هر تراشه می شود ؛ بر روی یک تراشه واحد ساخته می شوند. از این فناوری برای ساخت رم، رام و ریزپردازنده استفاده می شود.

VLSI: ادغام در مقیاس بزرگ تر؛ بیش از 3000 گیت در هر تراشه.

از سال 1980 تا 1984، یکپارچگی در مقیاس بسیار بزرگ بر روی کارآمد .در این فن آوری، ده‌ها هزار ترانزیستور معمولاً 20000 تا 50000 ترانزیستور که 3000 گیت در هر تراشه را تشکیل می‌دهند – بر روی یک قالب ساخته می‌شوند. این فناوری برای طراحی پردازنده های سیگنال دیجیتال (DSP)، پردازنده های RISC، ریزپردازنده ها و میکروکنترلرهای 16بیتی و 32 بیتی استفاده می شود.

ULSI :ادغام مدارهای مجتمع در مقیاس فوق العاده بزرگ

از سال 1984 تاکنون، یکپارچگی در مقیاس فوق العاده بزرگ استفاده می شود در این فن آوری از 50000 تا میلیاردها ترانزیستور بر روی یک تراشه واحد ساخته می شود، این سطح از ادغام عمدتاً برای طراحی ریزپردازنده ها و کنترلرهای 64 بیتی و بالاتر استفاده می شود.

طبقه بندی آی سی ها براساس روش یا تکنیک های مورد استفاده در ساخت آنها، میتوان به سه دسته تقسیم کرد:

آی سی های فیلم نازک و ضخیم (Thin and thick film ICs)
آی سی های یکپارچه (Monolithic ICs)
آی سی های هیبریدی یا چند تراشه ای (Hybrid or multichip ICs)

Thin and thick film ICs

در این نوع آی سی ها اجزای پسیو مانند مقاومت ها، خازن ها یکپارچه می شوند، اما دیودها و ترانزیستورها به عنوان اجزای جداگانه به هم متصل می شوند تا یک مدار واحد و کامل را تشکیل دهند. آی سی های فیلم نازک و ضخیم که به صورت تجاری تولید می شوند، صرفاً ترکیبی از اجزای یکپارچه و مجزا (separate) هستند. این آی سی ها دارای ویژگی و ظاهری مشابه هستند و فقط در روش رسوب لایه ها، آی سی های نازک را از آی سی های ضخیم می‌توان متمایز کرد.

آی سی های فیلم نازک با قرار دادن فیلم هایی از یک ماده رسانا بر روی سطح شیشه ای و یا روی یک پایه سرامیکی ساخته می شوند. با تغییر ضخامت لایه‌های رسوب‌شده بر روی موادی که مقاومت‌های متفاوتی دارند، می‌توان قطعات الکترونیکی پسیو مانند مقاومت‌ها و خازن‌ها را ساخت.

اما در IC های فیلم ضخیم از تکنیک چاپ سیلک برای ایجاد الگوی دلخواه مدار بر روی بستر سرامیکی استفاده می‌شود. IC های فیلم ضخیم گاها” به عنوان لایه نازک چاپی شناخته می شوند. صفحات در واقع از مش سیم فولادی ضد زنگ ریز ساخته شده و اتصالات خمیرهایی هستند که خواص رسانایی، مقاومتی یا دی الکتریک دارند.

ICهای Monolithic یا یکپارچه

کلمه Monolithic یا یکپارچه در واقع از دو کلمه یونانی “mono” به معنای یک یا تک و Lithos به معنای سنگ گرفته شده است. در واقع مدار یکپارچه در یک کریستال ساخته شده است.در IC های یکپارچه، اجزای جدا از هم، اکتیو و پسیو و همچنین اتصالات بین آن ها بر روی یک تراشه سیلیکونی تشکیل می شوند.در واقع مدار یکپارچه مداری است که در یک کریستال ساخته شده است.

ICهای مونولیتیک رایج ترین آی سی هایی هستند که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ علاوه بر اینکه هزینه تولید این آی سی ها مقرون به صرفه است؛ قابل اعتماد نیز هستند. IC های تولید شده تجاری به عنوان تقویت کننده، تنظیم کننده ولتاژ، در گیرنده های AM و در مدارهای کامپیوتری استفاده می شوند. با این حال، علیرغم همه این مزایا و زمینه های کاربردی گسترده این نوع آی سی ها ، محدودیت هایی هم دارند. به طور مثال عایق بندی بین اجزای این نوع آی سی ها ضعیف بوده، همچنین دارای توان پایینی نیز است.

آی سی های هیبریدی یا چند تراشه ای (Multi chip)

همانطور که از نام آن پیداست، “Multi” بیش از یک تراشه جداگانه به هم متصل هستند. در این نوع آی سی ها اجزای اکتیو، ترانزیستورها یا دیودها جدا از هم هستند و اجزای پسیو، مقاومت ها یا خازن های پراکنده روی یک تراشه هستند.این اجزا توسط الگوهای متالایز به هم متصل می شوند. آی سی های هیبریدی به طور گسترده برای کاربردهای تقویت کننده با توان بالا از 5 وات تا بیش از 50 وات استفاده می شود و عملکرد آن بهتر از آی سی های یکپارچه است.

طبقه بندی آی سی ها براساس نوع مدار

از آنجایی که، الکترونیک همه چیز در مورد سیگنال است بنابراین بر اساس نوع سیگنال، مدارهای مجتمع به شرح زیر طبقه بندی می شوند:

مدارهای مجتمع دیجیتال
مدارهای مجتمع آنالوگ
مدارهای مجتمع سیگنال مختلط

مدارهای مجتمع دیجیتال (Digital Integrated Circuits)
این نوع از آی سی ها روی سیستم دیجیتال پایه، کار می کنند یعنی دو سطح تعریف شده که 0 و 1 هستند (به عبارت دیگر، به ترتیب Low و High یا ON و OFF). ریزپردازنده و میکروکنترلر نمونه ای از آی سی های دیجیتال است که حاوی میلیون ها فلیپ فلاپ و گیت منطقی است.

مدارهای مجتمع آنالوگ (Analog Integrated Circuits)
آی سی های آنالوگ برای پردازش سیگنال های پیوسته طراحی شده اند و ورودی و خروجی رابطه خطی دارند. OP-AMP (تقویت کننده عملیاتی)، تایمرها و سنسورهای NE 555 نمونه ای از آی سی های آنالوگ هستند. این نوع آی سی ها برای تقویت، فیلتر کردن، مدولاسیون، دمدولاسیون و غیره استفاده می شوند.

آی سی های سیگنال مختلط (Mixed Signal ICs)
مدار مجتمع سیگنال مختلط نوعی آی سی است که هر دو آی سی دیجیتال و آنالوگ روی یک تراشه ترکیب می شوند.

مزایا و کاربردهای آی سی
آی سی ها مزایایی دارند که مهمترین آن ها شابد اندازه کوچک آن است که هزار بار کوچکتر از مدارهای گسسته است. که قطعات و اتصالات روی یک تراشه سیلیکونی واحد بوده و وزن کمی دارد.

همچنین هزینه تولید آن نیز پایین بوده و از لحاظ کارایی قابل اعتماد است؛ زیرا هیچ اتصال لحیم کاری وجود ندارد. آی سی ها انرژی کمی مصرف می کنند و در صورت نیاز به راحتی قابلیت تعویض را دارند و می توانند در دمای بسیار بالا کار کنند. انواع مختلف آی سی به طور گسترده در دستگاه های الکتریکی مانند تقویت کننده های توان بالا، تنظیم کننده های ولتاژ، گیرنده های تلویزیون و کامپیوتر و … استفاده می شود.

محدودیت انواع مختلف آی سی
با وجود مزایایی که آی سی ها برای ما به ارمغان می آورند، محدودیت هایی نیز دارند که برخی از آنها عبارتند از: