موسوعة الإلكترونيات الحرة وتعليم البرمجيات.

مواضيع جديدة

السبت، 15 فبراير 2020

الدارات المتكاملة Integrated Circuits - IC


شرح الدارات المتكاملة

ما هي الدارة المتكاملة؟ ومم تتكون من الداخل؟

تعتمد مكونات وتركيب الدارات المتكاملة على الأداء الوظيفي لها. لذلك، تتكون الدارة المتكاملة من أعداد من: الترانزستورات، والثنائيات، والمقاومات، والمكثفات، مصنوعة بطريقة تركيبية معينة، بحيث تكون مجمَعة على شريحة من مادة شبه موصلة.

تقوم بعض الدارات المتكاملة بوظيفة محددة، وبعضها الآخر بعدة وظائف، والبعض الآخر يمكن تحديد المهام التي تقوم بها عن طريق برمجتها باستخدام أجهزة خاصة.
يتم اختصار الدارة المتكاملة بالاسم IC والذي يرمز للكلمتين Integrated Circuit. والتي هي كما ذكرنا سابقاً؛ عبارة عن مجموعة من المكونات الإلكترونية - المقاومات، الترانزستورات، المكثفات، إلخ - كلها محشوة في داخل شريحة صغيرة سوداء اللون، ومتصلة معاً لتحقيق هدف مشترك.

أشكال الدارات المتكاملة من حيث الأداء الوظيفي

يتم تصنيع الدارات المتكاملة بهدف انجاز مهمات خاصة أو عامة، والتي تغنينا عن التوصيلات المتعددة والمتكررة للعناصر الالكترونية الأساسية. ونقصد بالمهمات الخاصة مثل: بوابات منطقية أحادية، ومضخم صوت بأنواعه، المؤقت 555، ومنظمات الجهد. أما المهمات العامة، فنقصد بها تلك التي تصلح لأكثر من مهمة الكترونية عن طريق برمجتها مثل وحدات التحكم في المحركات، ووحدات التحكم الدقيقة، والمعالجات الدقيقة، و FPGAs وغيرها العديد من الدارات المتكاملة القابلة للبرمجة.

تطوير الدارات المتكاملة والتعديل عليها

كما أصبحنا نعلم الآن، فإن الدوائر المتكاملة هي واحدة من أكثر المفاهيم الأساسية للإلكترونيات. إذ أن التعمق بها يتطلب معرفة سابقة بالمبادئ الالكترونية للعناصر وآلية عملها وطرق توصيلها والحسابات المتعلقة بها من تعريف للدارة الكهربائية، القطبية، المقاومات الكهربائية، الثنائيات، المكثفات، الترانزستورات وغيرها. وهذا ما تفعله الشركات المصنعة عند انتاج إصدار جديد من الدارات المتكاملة وخاصة المعقدة منها والقابلة للبرمجة.

تمثيل الدارة المتكاملة

يختلف عدد الأطراف من دارة متكاملة لأخرى، فمنها ما له ثلاثة أرجل كمنظمات الجهد، ومنها ما له مئات الأرجل، مثل (CPU) المعالجات الدقيقة في الحواسيب.

حزم الدرات المتكاملة (التغليف الخارجي)

يطلق على الغلاف الخارجي للدارة المتكاملة الاسم حزمة. هي ما يُغلف قالب الدائرة المتكاملة ويفصلها إلى جهاز أو قطعة مستقلة يمكننا الاتصال والتعامل معها بسهولة أكبر. يتم توصيل الأسلاك الخارجية بالدارة المتكاملة عن طريق قطعة صغيرة من الأسلاك الذهبية المطبوعة على تلك الدارة أي أطراف التوصيل (دبابيس التوصيل).
في بعض الأحيان تكون دبابيس التوصيل عبارة عن مبسطات معدنية فضية اللون. حيث تعتبر تلك التوصيلات بمثابة الأهمية القصوى بالنسبة لنا، لأنها ستستمر في الاتصال ببقية المكونات والأسلاك في الدائرة. علماً أن هناك العديد من أنواع الحزم المختلفة، لكل منها أبعاد فريدة وأنواع متعددة وتركيب مختلف وعدد نقاط توصيل مختلفة. والشكل التالي يوضح أهم أنواع الحزم التي تنتمي اليها الدارات المتكاملة

تحديد القطبية وأرقام الدبابيس (الأطراف) في الدارة المتكاملة

جميع الدوائر المتكاملة مستقطبة أي تشمل على قطب يوصل بالطرف الموجب وآخر يوصل بالأرضي أي الطرف السالب.
يقوم كل دبوس أو طرف توصيل بأداء وظيفة فريدة ومختلفة عن غيره في الدارة المتكاملة. مما يعني أن الحزمة تشمل على أطراف من الممكن أن تؤثر على أداء تلك الدارة المتكاملة على نحو سيء أو جيد تبعاً للاستخدام. لذلك، بمجرد أن تعرف مكان الدبوس الأول، تستطيع ترقيم الأطراف الأخرى بالتتابع وذلك بعكس اتجاه عقارب الساعة حول سطح شريحة الدارة المتكاملة.

كيف يتم تحديد ومعرفة الطرف الأول في الدارة المتكاملة؟

جميع الدارات المتكاملة تحتوي على فتحة أمامية على السطح الخارجي لها تسمى Notch أو نقش نقطي جانبي يطلق عليه النقطة Dot. حيث يكون طرف التوصيل أو الدبوس الذي على يسارها من جهة السطح كما في الشكل التالي والذي يمثل دارة متكاملة مكونة من 14 رجلاً، تُعطى كلُّ رجلٍ رقماً لسهولة معرفة الأداء الوظيفي لكل منها

لاحظ طريقة ترقيم الأرجل ودور النقطة وفتحة المؤشر في تحديد الأرقام.

الدارات المتكاملة DIP (حزم ثنائية في الخط)

DIP، اختصار الحزمة المزدوجة ضمن خط أي Dual in-line Packages، هي حزمة IC الأكثر شيوعاً. تحتوي هذه الرقائق الصغيرة على صفين متوازيين من المسامير يمتدان بشكل عمودي من غلاف بلاستيكي مستطيل أسود كما في الشكل السابق.
تعد دارة ATmega328 المكونة من 28 دبوس والتي تتركب منها الأردوينو، من أكثر أدوات التحكم الدقيقة شيوعاً من التصنيف DIP.
تتباعد كل من المسامير الموجودة على DIP IC بمقدار 0.1 إنش أي ما يقارب (2.54 مم)، وهو تباعد قياسي ومثالي للتركيب في الألواح وألواح النماذج الأولية الأخرى كألواح التجارب Bread Board والواح اللحام المطبوعة PCB. تعتمد الأبعاد الإجمالية لحزمة DIP على عدد الأسنان أي أطراف التوصيل، والذي قد تتراوح ما بين أربع الى 64 طرف توصيل (دبوس).

الدارات المتكاملة ذات الحزم السطحية (SMD / SMT)

هناك مجموعة كبيرة من أنواع الدارة المتكاملة السطحية أو ذات حزم السطح SMD. ومن أجل العمل والتعامل مع ICs من هذا النوع من SMD، تحتاج في الغالب إلى لوحة دوائر مطبوعة (PCB) مخصصة ومصممة لها، والتي تحتوي على نمط مطابق من النحاس الذي تكون ملحوم عليها.
بعض أنواع حزم SMD، تكون قابلة للحام باليد والآخر يتطلب آليات وماكينات خاصة للحامها وتثبيتها وذلك بسبب صغر حجمها.

الدارات المتكاملة ذات المخطط الصغير SOP

تعد حزمة الدارة المتكاملة SOIC أي Small Outline IC Package ذات المخطط التفصيلي الصغيرة من الدارات التي تشابه الدارات المتكاملة من الصنف DIP. إن ما يميز هذا النوع من الدارات المتكاملة أنها تحتوي على أطراف تثبيت من الخارج كما هو الحال في DIP. وذلك عن طريق كونها ملحومة ومثبتة على PCB جاهزة مع أطراف خارجية جاهزة للتعامل معها.
لذلك، تعد هذه الحزم من بين أجزاء SMD الأسهل التي يمكن اللحام بها. علماً أن في حزم الدارات المتكاملة SOIC، عادةً ما يتم مباعدة كل دبوس أو طرف توصيل بحوالي 0.05 إنش أي (1.25 مم) من الطرف الذي يليها.
يعد SSOP ذات الاختصار لـ shrink small-outline package (تقليص حزمة الخطوط العريضة الصغيرة) والتي هي بمثابة الإصدار الأصغر من حزم SOIC. هنالك أيضاً حزم مشابه للـ SSOP مثل الحزمة TSOP أي Thin Small Outline Package (حزمة صغيرة ذات مخطط صغير) والحزمة TSSOP أي Thin Shrink Small Outline Package (حزمة مخططة رقيقة صغيرة الحجم).
من الأمثلة على الدارة المتكاملة ذات الحزمة SSOP هي دارة جهاز إرسال متعدد القنوات (الملتيبلكسر) ذات الـ 16 قناة المتواجد في SSOP ذات 24 طرف توصيل؛ 16-Channel Multiplexer (CD74HC4067)
أما الدارة المتكاملة من الفئة SOIC فمن الأمثلة عليها الدارة المتكاملة MAX232.

الدارات المتكاملة المسطحة رباعية الأطراف Quad Flat Package ICs

تمتاز هذه الأنواع من الدارات المتكاملة بأنها تمتلك أطراف توصيل على جميع أضلاعها المربعة. لذلك تم تسميتها بالدارة المتكاملة المسطحة رباعية الأطراف QFP.
تحتوي الدارات المتكاملة QFP IC على عدد أطراف توصيل جانبية بعدد 8 دبابيس توصيل على كل طرف أي 32 طرف على الأطراف الأربعة. والبعض يحتوي على أكثر من 70 طرف توصيل على الجانب الواحد أي أكثر من 300 دبوس توصيل خارجي على الدارة المتكاملة من الجهات الأربع.
المسافات بين أطراف التوصيل الخارجية الخاصة بهذا النوع من الدارات المتكاملة تتراوح من 0.4 مم إلى 1 مم. كذلك، تتضمن الدارات المتكاملة QFP حزم قياسية أخرى رقيقة (TQFP) أي Thin-QFP، حزم رقيقة جداً (VQFP) أي Very Thin -QFP، وحزم ذات تفاصيل مبهمة أو منخفضة (LQFP) أي Low-QFP.
من الأمثل على الدارات المتكاملة الرباعية هي الدارة المتكاملة ATmega32U4 ذات 44 طرف توصيل بالمجمل أي 11 دبوس على كل جانب والتي تعتبر من الفئة TQFP.
إذا قمت بعزل الأرجل من قطعة QFP IC، فستحصل على شيء قد يبدو لك كحزمة QFP بدون أسلاك (QFN) أي Quad Flat No-Leads. فالدارات المتكاملة ذات حزم QFN هي منصات صغيرة ومكشوفة من حواف الزاوية السفلية من IC. وهي مكشوفة من كل جانب من الجهة السفلية. ومن الأمثلة على الدارات المتكاملة QFN هي المجس MPU-6050 IMU والذي يشمل على 24 طرف توصيل مخبأة أسفله.
الحزم الرقيقة (TQFN)، والحزة الرقيقة جداً (VQFN)، والحزم متناهية الصغر (MLF) أي Micro-Lead هي نسخ واصدارات أصغر حجماً من حزمة QFN القياسية. حتى أن هناك حزم مزدوجة خالية من الأطراف على جنبين (DFN) أي Dual No-Lead وحزم رقيقة ثنائية الأطراف (TDFN) أي Thin-DFN، والتي لها أيضاً دبابيس على جانبين فقط لكن بشكل أرفع وأقل سمكاً.
تأتي العديد من المعالجات الدقيقة وأجهزة الاستشعار وأجهزة ICs الحديثة الأخرى في حزم QFP أو QFN. المتحكم الدارج ATmega328 الشهير يتوفر في كل من حزمة TQFP وحزمة QFN على شكل (MLF)، بينما يأتي مجس التسارع Accelerometer ومجس الجيروسكوب Gyroscope كما هو الحال في المجس MPU-6050 على هيئة QFN الصغيرة جداً.

الدارات المتكاملة ذات المصفوفات الكروية Ball Grid Arrays

يعتبر هذا النوع من الدارات المتكاملة من الأكثر تقدماً وتطور على الاطلاق. يطلق على مثل هذا النوع من الدارة المتكاملة الاسم أو الاختصار BGA. فهي حزم صغيرة ومعقدة بشكل مثير للدهشة، حيث يتم ترتيب كرات صغيرة من اللحام في شبكة ثنائية الأبعاد في الجزء السفلي من الـ IC.
عادة ما تكون الدارة المتكاملة ذات حزمة BGA مخصصة للمعالجات الدقيقة المتقدمة، مثل تلك الموجودة على اللوح pcDuino أو Raspberry Pi بأنواعها المختلفة.
الظريف بالذكر، أنه إذا كان بإمكانك التعامل مع وتثبيت الحزمة BGA عن طريق اللحام، فيمكن اعتبار نفسك انسان محترف في اللحام. إذ أنه يتطلب آلات، أفران حرارية، وماكينات لحام آلية متخصصة بل ومتقدمة.

أنواع شائعة من الدارات المتكاملة

هنالك مئات الآلاف من الدارات المتكاملة والتي يقوم كل منها بوظيفة محددة. والرابط التالي يوضح أهم تلك الدارات المتكاملة والمهام التي تقوم بها كل دائرة ومواصفاتها وعدد الأرجل لكل منها

ميزات الدارة المتكاملة

1- صغيرة الحجم.
2- تكلفتها منخفضة.
3- سرعة الأداء.
4- تعدد الوظائف.
5- سهولة التعامل معها.
6- توفير الطاقة.

أسئلة شائعة على الدارات المتكاملة

سؤال: ما الهدف من وجود الدارة المتكاملة IC؟

جواب: السبب هو تقليص عدد الدارات الكهربائية المستخدمة وذلك عن طريق التقليل من عدد العناصر الالكترونية المستخدمة في الدارة الواحدة. أيضاً سهولة التركيب والتبديل عند التلف والأعطال، تسهل من عملية الصيانة بسبب سهولة التشخيص الناجمة عن تقليص العناصر الالكترونية في الدارة.

سؤال: ما هي دارة FPGAs ؟

جواب: هي اختصار للكلمات الإنجليزية Field Programmable Gate Array والتي تعني مصفوفة البوابة القابلة للبرمجة، وهي عبارة عن دارة متكاملة قابلة للبرمجة، وتتعامل مع معظم الأمور المنطقية الرقمية.

سؤال: ما هي أقصى درجة حرارة تحتملها الدارة المتكاملة؟

جواب: تتراوح درجات الحرارة التي تحتملها كل دارة متكاملة؛ فالبعض يعمل ويحتمل درجة حرارة 55 سلسيوس، والبعض الآخر يحتمل 70 درجة مئوية، والبعض يستطيع أن يحتمل حرارة تصل الى 125 درجة مئوية كما هو الحال في المعالجات الدقيقة.

سؤال: هل تؤثر درجة الحرارة على أداء وعمل الدارة المتكاملة؟

جواب: نعم، فكلما ارتفعت درجة الحرارة انخفض أداء وكفاءة عمل الدارة المتكاملة.

سؤال: كم عدد البوابات المنطقية التي يمكن أن تحتويها البوابة المنطقية الواحدة؟

جواب: يمكن لبعض الدارات المتكاملة أن تحتوي وتشمل على أكثر من مليون بوابة منطقية.


ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق

???????