تراشه یا IC چیست؟

تراشه یا IC چیست؟
آیا می‌دانید IC ( آی سی) چیست؟ و چه انگیزه‌ای باعث اختراع IC شد؟
حروف اختصاری IC از دو کلمه انگلیسی integrated circuit به معنی مدار مجتمع گرفته شده است. پیش از اخترا ع IC ،مدارهای الکترونیکی ازتعداد زیادی قطعه یا المان الکتریکی تشکیل می‌شدند. این مدارات فضای زیادی را اشغال می‌کردند و توان الکتریکی بالایی نیز مصرف می‌کردند. و این، امکان بوجود آمدن نقص و عیب در مدار را افزایش می‌داد. همچنین سرعت پایینی هم داشتند. IC ، تعداد زیادی عناصر الکتریکی را که بیشتر آنها ترانزیستور هستند، در یک فضای کوچک درون خود جای داده است و همین پدیده است که باعث شده امروزه دستگاه‌های الکترونیکی کاربرد چشمگیری در همه جا و در همه زمینه‌ها داشته باشند.
تَراشه یا مدار مجتمع (که برابر فارسی chip یا آی‌سی: IC یا Integrated circuit به زبان انگلیسی است) 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.
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.

ic های دیجیتال
به مدارهای AND,OR,NOTگیتهای منطقی (Logical Gate) می گویند . 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 IC ها را بشناسید تا بتوانید از آنها استفاده کنید . در این جلسه قصد داریم ضمن معرفی بیشترگیتهای منطقی به معرفی و نحوه استفاده از IC های دیجیتال بپردازیم . گیت NOT :این گیت را به صورت شکل مقابل نشان می دهند . همانطور که جلسات پیش گفتیم این گیت تنها یک ورودی و یک خروجی دارد معمولاً برای گیتهای منطقی یک جدول نیز رسم می کنند که به این جدول،جدول درستی می گویند . در این جداول عدد 1 بیانگر درست و عدد صفر بیانگر غلط است . دقت کنید همه این عبارت یک معنی دارند :روشن ، صحیح ، 5 ولت، 1همچنین عبارت زیر نیز یک مفهوم دارند خاموش ، غلط ، صفر ولت ، 0جدول درستی برای این گیت به شکل زیر است
این جدول بیان می کند که چنانچه ورودی گیت صفر باشد خروجی 1 خواهد بود یا اینکه اگر ورودی صفر ولت باشد خروجی 5 ولت خواهد بود . و همچنین اگر ورودی 1 باشد خروجی صفر خواهد بود و یا به طور مشابه مانند قبل اگر ورودی5 ولت باشد خروجی صفر ولت خواهد بود . IC های NOT در درون خود چندین گیت NOT را دارند یعنی اینکه هنگامی که شما یک IC از نوع NOT می خرید درون IC، 6 تا گیت NOT وجود دارد . شکل زیر ساختمان داخلی یک IC از نوع NOT را نشان می دهد .
همانطور که در شکل مشاهده می کنید این IC از شش گیت NOT تشکیل شده است پایه شماره 1 IC یک پایه ورودی محسوب می شود خروجی این گیت پایه 2 است . همچنین پایه 3 ورودی یک گیت NOT دیگر است که خروجی آن پایه 4 است . دقت کنید در IC ها در قسمت بالا یک نیم دایره قرار دارد که معرف قسمت بالای IC میباشد و پایه ای که در سمت چپ این نیم دایره قرار دارد طبق قرار داد پایه 1 است . هر IC برای اینکه به درستی کار کند نیاز به یک تغذیه ( مثبت ومنفی که از باطری یا منبع تغذیه تامین شده باشد ) نیز دارد . در این ICپایه شماره 7 پایه زمین ( قطب منفی باطری یا صفر ولت ) و پایه 14 پایه مثبت می باشد .یعنی شما در یک مدار باید ابتدا پایه 7 را به قطب منفی باطری یا زمین ( صفر ولت ) متصل کنید سپس پایه 14 را نیز به قطب مثبت متصل کنید . الان 6 گیت شما آماده شده است برای تست می توانید در قسمت ورودی ازیک کلید و یک مقاومت 1 کیلو اهم و در قسمت خروجی از یک LED و یک مقاومت 220 اهم استفاده کنید . مدار های ورودی و خروجی را بدین شکل ببندید .
در زمانی که سوییچ باز است ورودی گیت صفر ولت خواهد بود و خروجی گیت 5 ولت بوده و LEDرا روشن خواهد کرد. اما هنگامی که سوییچ را بزنید و پایین نگه دارید ورودی گیت 5ولت خواهد شد و خروجی گیت صفر 5 ولت شده و LEDرا خاموش خواهد شد . با این وسیله ساده می تواند تک تک گیتها را چک کنید . IC NOT در بازار به اسم 7404 شناخته می شود . ( شما می توانید این عدد را روی IC پیدا کنید ) . ( این رو هم تو پرانتز و یواشکی بهتون بگم قیمت هر IC حداکثر 200 تومان هست مواظب باشید گرون نخرید ) گیت ANDاین گیت را به صورت شکل مقابل نشان می دهند. باز همانطور که ذکر شد این گیت دو ورودی دارد و یک خروجی برای این گیت هم یک جدول درستی وجود دارد . پایه های ورودی این گیت را با حروف A,B نشان می دهند و پایه خروجی را با حرف Q نشان می دهند. 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 می کند.
این جدول بیان می کند 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 می کنید. در این IC 4 گیت AND وجود دارد . پایه اول ودوم این ICورودی های 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 می توانیم نحوه کار این IC را بررسی کنیم . این IC در بازار به اسم 7408 شناخته می شود. یادتان نرود پایه های 7 را به زمین و 14 را به ولتاژ مثبت متصل کنید .
نقشه درونی IC به شماره 7408 گیت ORاین گیت را به صورت شکل مقابل نشان می دهند. همانطور که ذکر شد این گیت دو ورودی و یک خروجی دارد برای این گیت هم یک جدول درستی وجود دارد. پایه های ورودی این گیت را همانند ICهای ANDبا حروف A,B و پایه خروجی را با حرف Q نشان می دهند. خروجی این گیت در صورتی یک (صحیح) می شود که یکی از هر دو ورودی صحیح باشد. جدول درستی هم به نوع دیگری این نحوه کار گیت را مشخص می کند.
این جدول بیان می کند که چنانچه ورودیA,B هر دو صفر باشند ، خروجی صفر خواهد بود و اگر یکی از این دو ورودی یک شود خروجی هم یک می شود . 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 می کنید. در این IC 4 گیت OR وجود دارد . پایه اول ودوم این ICورودی های 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 می توانیم نحوه کار این IC را بررسی کنیم . این IC در بازار به اسم 7432 شناخته می شود. یادتان نرود پایه های 7 را به زمین و 14 را به ولتاژ مثبت متصل کنید .
نقشه داخلی ICبه شماره 7432
این سه Ic که نقشه آنها را بیان کردیم IC های اصلی و مورد نیاز شما هستند همه جور گیت منطقی دیگر را نیز می توان با این IC ها 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 می توانید از دو گیت AND به شکل زیر استفاده کنید.
در این شکل تنها خروجی زمانی یک می شود که هر دو ورودی C,Q’ یک باشند و Q’ زمانی یک می شود 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 7411)حتی AND با 4 ورودی هم وجود دارد. ( شماره 7421) تمرین : یک مدار OR با سه ورودی بسازید.
مثال : یک مدار نیاز داریم به گونه ای که هر گاه یکی یا هردو ورودی یک شود خروجی صفر شود. در غیر این صورت خروجی یک باقی بماند. این مدار می تواند 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. ورودی های A,B به کلیدهای الکترونیکی متصل هستند که در دو درطرف در نصب شده اند. 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 گیت های اصلی بسازید. همانطور که در جدول مشاهده می کنید خروجی مورد نظر دقیقا برعکس خروجی یک مدارAND است پس می توان 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 7400) به همین شکل IC NOR هم داریم که قطعاً می توانید حدس بزنید از چه نوعی است و چگونه کار می کند . مثال : یک مدار طراحی کنید به گونه ای 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 آمده است
میتوان گفت خروجی در دو حالت 1 می شود حالت اول حالتی است که هم A و هم B صفر باشد این مدار را این طور طراحی می کنیم :
حالت بعدی که خروجی یک می شود حالتی است که هر دو ورودی 1 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 1می شود که وردی ها با هم متفاوت باشد . یعنی اگر هر دو ورودی یک یا هر دو ورودی صفر باشد خروجی صفر خواهد بود تنها زمانی خروجی یک می شود که ورودی ها با هم فرق داشته باشد ( یکی صفر و یکی یک) به این مدار گیت XOR گویند و IC آن نیز موجود است (7486) گیت XOR را به شکل مقابل در مدار ها نشان می دهند از این گیت در ساخت مدارات که چند عدد باینری ( مبنای 2 ) را با هم جمع می کند استفاده می کنند