قبل اكتشاف الدارات المتكاملة، كانت الطريقة الأساسية لصنع الدارات هي اختيار المكونات مثل الثنائيات والترانزستورات والمقاومات والمحاثات والمكثفات وتوصيلها. ولكن نظرًا لمشاكل الحجم واستهلاك الطاقة، كان من الضروري تطوير دائرة صغيرة الحجم ذات استهلاك أقل للطاقة وموثوقية ومقاومة للصدمات.سنتحدث في هذا المقال عن تفاصيل الدارات التكاملية،أنواعها و تطبيقاتها.
ما هي الدارات التكاملية؟
غيرت هذه الدارات وجه تكنولوجيا الإلكترونيات، يعتمد فهم الدارة المتكاملة على المفاهيم الإلكترونية الأساسية، كالمكثفات و الترانزستورات و الديودات، يمكنك مراجعة المقالات من الموقع إذا أردت المزيد.
و الآن سنتحدث عن تصميم هذه الدارات:
في البداية تتكون الدارات المتكاملة IC من عدة مكونات مثل R وC وL والثنائيات والترانزستورات. وهي مبنية على كتلة واحدة صغيرة أو شريحة من أشباه الموصلات تعرف باسم الدارة المتكاملة (IC). كل منهم يعملون معا لأداء مهمة معينة. إن هذه الدارة قابلة للكسر بسهولة، لذا، لكي يتم توصيلها مع مكونات أخرى، غالبًا ما يتم وضعها في عبوة بلاستيكية ذات دبابيس معدنية لتشكل أطراف الاتصال مع باقي العناصر . جميع (ICs) مستقطبة، ولكل طرف موقع ووظيفة محددة.
تصميم الدارات التكاملية:
يتم إنشاء هذه الدارات بشكل أساسي باستخدام الطرق المنطقية أي بالاعتماد على الدارات المنطقية الأساسية، و يمكن تقسيم عملية التصميم إلى ثلاث فئات أساسية:
- أولاً: التصميم التشابهي Analog Design: يتم استخدامها في المهمات المرحلية ضمن الدارة، كالمرشحات و المنظمات و المذبذبات.و يمكن أن تستخدم في تبديد الطاقة الأمثل.
- ثانياً: التصميم الرقمي Digital Design: يمكن استخدام الدارات التي تتبع هذه الطريقة في التصميم في ذاكرة كمبيوتر (مثل ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) وذاكرة القراءة فقط (ROM) والمعالجات الدقيقة. تعمل الدارة المتكاملة التي تم إنشاؤها باستخدام هذه التقنية مع بيانات الإدخال الثنائية مثل 0 و 1.
- ثالثاً: التصميم المختلط Mixed Design: يتم استخدام أفكار التصميم التشابهية والرقمية في التصاميم المختلطة. تقوم الدارات المختلطة بإجراء تحويلات تشابهية إلى رقمية أو رقمية إلى تشابهية.
- رابعاً: تصميمات مخصصة لأغراض محددة: تم تصميمها لأداء مهام محددة، مثل التحكم في المحركات أو قراءة بيانات المستشعر. يتم استخدامها عادةً في الروبوتات والسيارات والمعدات الصناعية.
- خامساً:الأجهزة المنطقية القابلة للبرمجة (PLDs) – عبارة عن دارات متكاملة قابلة للبرمجة يمكن استخدامها لإنشاء وظائف منطقية مخصصة. وهي تستخدم عادة في أنظمة الأتمتة الصناعية.
مميزات الدارات التكاملية :
- البناء والتعبئة والتغليف:
يتم تصنيع الدوائر المتكاملة بمكونات شبه موصلة مثل السيليكون. نظرًا لصغر حجم الدارة وطبيعتها الدقيقة، يتم ربط سلسلة من أسلاك الذهب والألومنيوم الصغيرة معًا وتشكيلها في كتلة مسطحة من البلاستيك أو السيراميك. دبابيس معدنية على الوصلة الخارجية للكتلة بالكابلات الداخلية. تمنع الكتلة الصلبة ارتفاع درجة حرارة الشريحة وتبقيها باردة. - حجم IC:
ويتراوح حجم الشريحة المدمجة بين 1 ملم مربع إلى أكثر من 200 ملم. - تكامل IC:
نظرًا لأنها تجمع بين أجهزة مختلفة في شريحة واحدة، فإن الرقائق المدمجة حصلت على اسمها. المتحكم الدقيق عبارة عن دارة متكاملة (IC) تجمع بين المعالج الدقيق والذاكرة والواجهة في وحدة واحدة. - وأخيرا، فإن الدارة المتكاملة متعددة الاستخدامات للغاية. ويمكن استخدامها لإنشاء مجموعة متنوعة من المنتجات المختلفة، بدءًا من البوابات المنطقية الأساسية وحتى المعالجات الدقيقة المعقدة. وهذا يجعلها مثالية لمجموعة واسعة من التطبيقات، من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية إلى المعدات الطبية.
الأمثلة الأكثر شيوعاً لهذه الدارات:
- دارات البوابات المنطقية(Logic Gate ICs): حيث يمكنها توليد خرج منطقي متغير بناءاً على معطيات الدخل. تحتوي على أكثر من مدخل و خرج وحيد.
- المؤقتات (Timer ICs): يتم إنتاج Timer IC بدورات توقيت دقيقة مع دورة تشغيل بنسبة 100% أو 50%.
- مضخم العمليات(Operational Amplifiers): هو مضخم جهد عالي الكسب مع مدخلات تفاضلية ومخرجات أحادية الطرف.
- تنظيم الجهد: يوفر منظم الجهد خرجًا ثابتًا مستمراً بغض النظر عن التغييرات في المدخلات.
- دارات التبديل (Switching ICs): و هي مصممة اعتماداً على الترانستورات و تستخدم في عمليات تبديل متنوعة.
- المقارنات(comparators):تعمل في مقارنة المدخلات. وهذا يساعد بعد ذلك في إنتاج مخرجات تعتمد على نتيجة المقارنة بين المدخلات.
- الدائرة المتكاملة CMOS: تعتبر مفيدة جدًا في العديد من التطبيقات المختلفة. ويرجع ذلك إلى قدراتها مثل انخفاض الجهد الكهربائي، فضلاً عن استهلاكها المنخفض للطاقة.يتضمن CMOS IC أيضًا أجهزة N-MOS وP-MOS التي يتم تصنيعها بشكل مشترك على شريحة مماثلة. هيكل الدائرة المتكاملة هذا هو أيضًا بوابة بولي سيليكون، مما يساعد في تقليل جهد عتبة الجهاز. وهذا يسمح للعملية أن تحدث عند مستويات الجهد المنخفض.
- الدارات المتكاملة الضوئية(photonic integrated circuits): و التي سوف نتحدث عنها في مقال آخر مخصص لهذا النوع.
للمزيد يمكنك قراءة:
