مدارهای یکپارچه یا آی سی ها جز اصلی الکترونیک مدرن هستند و به نوعی قلب و مغز یک مدار هستند. این تراشه های سیاه و سفید در هر مداری پیدا می شوند. بنابراین داشتن درک درستی از آنها لازم و ضروری است.
یک IC مجموعه ای از قطعات الکترونیکی همچون: مقاومت، ترانزیستور، خازن و غیره است. که همه آنها در یک تراشه ریز قرار گرفته اند و برای رسیدن به یک هدف مشترک به یکدیگر متصل می شوند.
آی سی ها در انواع مختلفی مانند: مدار گیت منطقی، آپ امپ، تایمر 555، رگولاتور ولتاژ، کنترلرهای موتور، میکروکنترلرها، ریزپردازنده ها، FPGA ها و… وجود دارند که البته همچنان به آنها اضافه می شود.
چه چیزی در داخل آی سی وجود دارد؟
وقتیکه به آی سی فکر می کنیم، یک تراشه کوچک سیاه به ذهنمان می رسد. اما داخل این تراشه کوچک چه چیزهایی هست؟
داخل یک آی سی از لایه های نیمه هادی، مس و سایر مواد تشکیل شده که به منظور ایجاد ترانزیستورها، مقاومتها یا سایر اجزای یک مدار به هم پیوسته اند، ترکیب این مواد را قالب می نامند.
با توجه به اینکه IC قطعه بسیار کوچکی است، لایه های نیمه هادی و مسی که از آن تشکیل شده، بسیار نازک است. همچنین اتصالات بین لایه ها بسیار پیچیده است. در تصویر زیر قالب IC نشان داده شده است:
قالب آی سی در واقع یک مدار بسیار کوچک است که لحیم کاری یا اتصالات به آن کار دشواری است. برای اینکه کار خود را برای اتصال به IC راحت کنیم، قالب را به صورت یک بسته (پکیج) تبدیل می کنیم که این پکیج همان تراشه سیاه کوچکی است که همه با آن آشنا هستیم.
انواع پکیج های آی سی
پکیج همان چیزی است که قالب مدار یکپارچه را کپسوله می کند و آن را به قطعه ای تبدیل می کند تا ما بتوانیم به راحتی آنها را در مدار متصل کنیم. هر اتصال در قالب از طریق یک سیم طلایی کوچک به یک پین روی پکیج وصل می شود. پین ها، پایانه های نقره ای در آی سی هستند که به بخشهای دیگر مدار وصل می شوند. پین ها برای ما بسیار مهم هستند، زیرا برای اتصال IC به بقیه قطعات و سیمها در یک مدار قرار گرفته اند.
پکیج های مختلفی وجود دارد که هر کدام از نظر ابعاد، نحوه نصب و تعداد پین متفاوت هستند که در تصویر زیر نشان داده شده است:
تعیین قطبیت و شماره بندی پین
همه آی سی ها بصورت قطبی هستند و هر پین از نظر موقعیت مکانی و عملکرد نیز منحصر به فرد است. به این معنا که پین ها باید کدگذاری شوند. معمولاً IC ها دارای نقطه notch و dot هستند تا اولین پین را مشخص کنند.
همانند تصویر زیر زمانیکه پین اول مشخص شود، شماره پین های بعدی در خلاف جهت حرکت عقربه های ساعت افزایش می یابد.
نحوه نصب آی سی
یكی از اصلی ترین ویژگیهای تمایز پکیج های آی سی، نحوه نصب آنها در مدار است. همه پکیج ها در یکی از دو حالتthrough-hole (PTH) یا surface-mount (SMD or SMT) قرار می گیرند. پکیج های PTH بزرگتر هستند و کار با آنها ساده تر است و به گونه ای طراحی شده اند که از یک طرف داخل سوراخهای بورد قرار می گیرند و از طرف دیگر لحیم می شوند.
اندازه پکیج های SMD کوچک هستند و به گونه ای طراحی شده اند که باید در یک طرف مدار قرار بگیرند و به سطح لحیم شوند. پین های پکیج SMD عمود بر تراشه قرار می گیرند یا در یک ماتریس در پایین تراشه چیده می شوند. معمولاً از این آی سی کمتر در مدارها استفاده می شود، زیرا برای مونتاژ معمولاً به ابزارهای ویژه ای نیاز دارد.
DIP (پکیج های دو خط)
DIP از رایج ترین پکیج های آی سی PTH است. این تراشه های کوچک دارای دو ردیف موازی پین هستند که عموماً از یک محفظه مستطیلی، سیاه و پلاستیکی تشکیل می شوند.
هر یک از پین های موجود در DIP IC به اندازه 0.1 اینچ (2.54 میلی متر) از یکدیگر فاصله دارند که یک فاصله استاندارد و مناسب برای قرار گرفتن در برد بورد و دیگر بوردها می باشد. ابعاد کلی یک پکیج DIP بستگی به تعداد پین آن دارد که از 4 تا 64 پین وجود دارد.
هر ردیف پین به اندازه ای با هم فاصله دارند که دقیقا در یک ردیف در برد بورد قرار بگیرند و با هم تداخل نداشته باشند.
این آی سی ها علاوه بر اینکه در برد بورد استفاده می شود، در مدار PCB نیز لحیم می شوند. یک طرف آنها در بورد قرار می گیرد و سمت دیگر آنها لحیم می شود. گاهی اوقات، به جای لحیم مستقیم به IC ، بهتر است که تراشه را از طریق سوکت وصل کنیم.
پکیج های surface-mount (SMD or SMT)
پکیج های SMD انواع مختلفی دارند. برای کار با این نوع آی سی به یک مدار PCB نیاز است که دارای الگوی مسی مطابق با آن باشد و روی آن لحیم شود. در اینجا چند نمونه معروف این پکیج ها را معرفی می کنیم.
Small-Outline (SOP)
پکیج های آی سی Small-Outline (SOP) نوعی surface-mount هستند که به آنها SOIC نیز گفته می شود. اگر پین های DIP را به بیرون خم کنید و اندازه آن را کوچک کنید در واقع آن را به یک SOP تبدیل کرده اید. این پکیج ها را می توان به راحتی و به صورت دستی لحیم کرد. در این پکیج
ها معمولاً هر پین حدود 0.05 اینچ (1.27 میلی متر) با پین جفتی فاصله دارد.
SSOP نمونه کوچکتر پکیج های SOIC است. TSOPو TSSOP دیگر پکیج های آی سی مشابه هستند.
آی سی های MAX232 و multiplexers به شکل پکیج های SOIC و SSOP وجود دارند.
پکیج های Quad Flat
در پکیج های QFP در هر چهار طرف پین وجود دارد. هر طرف آی سی ممکن است 8 (در کل 32 پین) تا 70 پین (در کل 280 پین) وجود داشته باشد. فاصله بین پین ها 0.4 تا 1 میلی متر است. پکیج های TQFP، VQFP و LQFP از انواع دیگر آن می باشد.
اگر پایه ها را از یک آی سی QFP حذف کنید، یک پکیج QFN بدون پایه ایجاد می شود. TQFN، VQFN و MLF انواع دیگر پکیج های QFN هستند.
بسیاری از ریزپردازنده ها، سنسورها و سایر IC های مدرن در پکیج های QFP یا QFN وجود دارند. میکروکنترلر محبوب ATmega328 در هر دو پکیج TQFP و QFN (MLF) ارائه می شود، همچنین ژیروسکوپ MPU-6050 در پکیج های QFN ارائه می شود.
پکیج Ball Grid Arrays
برای آی سی های پیشرفته از پکیج های Ball Grid Arrays (BGA) استفاده می شود. در این پکیج ها توپ های لحیم کاری شده به صورت یک آرایه ی 2 بعدی در کنار هم قرار گرفته اند.
پکیج های BGA معمولاً برای ریزپردازنده های پیشرفته مانند آنهایی که در pcDuino یا رسپبری پای قرار دارند، به کار می رود.
تنها کسانیکه مهارت بالایی در لحیم کاری دارند، می توانند به صورت دستی پکیج آی سی BGA را در مدار لحیم کنند. معمولاً برای قرار دادن این پکیج ها در مدار PCB باید از دستگاه های مخصوص این کار استفاده کرد.
آی سی های پر کاربرد
آی سی ها در انواع مختلفی وجود دارند، اما در این مقاله چند نمونه از پر کاربردترین آنها را نام می بریم:
آی سی گیت منطقی ، تایمر و شیفت رجیستر ها
گیت های منطقی، بلوک هایی که بیشتر آی سی ها دارند و می توانند به صورت یک پکیج IC یکپارچه شوند. تصویر زیر یک آی سی گیت منطقی را نشان می دهد:
گیت های منطقی را می توان درون یک IC یکپارچه کرد تا تایمر، شمارنده، شیفت رجیستر و سایر مدارهای منطقی ایجاد شوند. اکثر این مدارهای ساده در پکیج های DIP، SOIC و SSOP وجود دارند.
آی سی میکروکنترلر ، میکروپروسسور و FPGA ها
میکروکنترلرها، ریزپردازنده ها و FPGA ها، همه مدارهای یکپارچه ای هستند که هزاران ترانزیستور را در یک تراشه کوچک بسته بندی می کنند. این مؤلفه ها از نظر کارایی، پیچیدگی و اندازه در طیف وسیعی وجود دارند. از میکروکنترلر 8 بیتی ATmega328 در ماژول آردوینو گرفته تا میکروپروسسور چند هسته ای 64 بیتی در کامپیوترها از این نمونه هستند.
این قطعات معمولاً بزرگترین آی سی در یک مدار هستند. میکروکنترلرهای ساده را می توان در پکیج هایDIP ، QFN / QFP یافت و پین ها بین هشت تا صد شماره گذاری شده اند. هر چقدر که این قطعات الکترونیکی پیچیده شوند، نوع پکیج بندی ها نیز پیچیده تر خواهند شد. FPGA و میکروپروسسور های پیچیده ممکن است از هزار پین هم بیشتر داشته باشند و تنها در پکیج های پیشرفته مانند QFN ،LGA یا BGA وجود دارند.
سنسورها
سنسورهای دیجیتالی مدرن مانند سنسورهای دماسنج ، شتاب سنج و ژیروسکوپ ها همه به صورت یک مدار یکپارچه IC بسته بندی شده اند.
این IC ها معمولاً از میکروکنترلرها یا سایر IC ها کوچکتر هستند و تعداد پین ها در محدوده سه تا بیست است. آی سی های سنسور DIP به ندرت کم یاب می شوند، زیرا مدارهای مجتمع مدرن در پکیج های QFP ،QFN و BGA قرار می گیرند.
