ای سی
میکروکنترلر چیست و انواع آن (بهترین و قوی ترین میکروکنترلر)
میکروکنترلر چیست؟ این سوالی است که هر فرد علاقمند به الکترونیک باید بداند. ما در این آموزش به طور کامل با انواع میکروکنترلر و بهترین میکروکنترلر آشنا میشویم. همچنین در انتها میفهمیم تفاوت میکروکنترلر با میکروپروسسور در چیست. به طور خلاصه، میکروکنترلر ها نوعی مینی کامپیوتر جمع و جور هستند که برای انجام کارهای خاصی در سیستم های توکار طراحی شده اند. اهمیت و کاربرد آن ها با طیف گسترده ای از ویژگی ها بسیار زیاد است و می توان آن ها را در محصولات و دستگاه های مختلف صنایع یافت.
میکروکنترلر چیست ؟
میکروکنترلر ها جزء لاینفک سیستم های امبدد هستند. میکروکنترلر در واقع رایانه ای ارزان و کوچک در یک تراشه است که شامل یک پردازنده، یک حافظه کوچک و لوازم جانبی ورودی-خروجی قابل برنامه ریزی است. این محصولات قرار است در محصولات و دستگاه های کنترل شده خودکار برای انجام کارهای از پیش تعریف شده و از قبل برنامه ریزی شده استفاده شوند.
برای درک بهتر اینکه میکروکنترلر چیست، بیایید نمونه ای از محصولی که در آن میکروکنترلر استفاده شده است را ببینیم. یک دماسنج دیجیتالی که دمای محیط را نمایش می دهد از میکروکنترلر استفاده می کند که آن به یک سنسور دما و یک واحد نمایشگر (مانند LCD) متصل است. میکروکنترلر در اینجا ورودی سنسور دما را به صورت خام می گیرد، پردازش می کند و در یک صفحه نمایش LCD کوچک به شکلی قابل خواندن برای انسان نمایش می دهد. به همین ترتیب از میکروکنترلر های منفرد یا چندگانه با توجه به نیاز و پیچیدگی کاربرد ها در بسیاری از دستگاه های الکترونیکی استفاده می شود.
میکروکنترلر (μC یا uC) یک میکرو کامپیوتر است که از VLSI ساخته شده است. یک میکرو کنترلر به عنوان کنترل کننده تعبیه شده (امبدد) نیز شناخته می شود. امروزه انواع مختلفی از میکروکنترلرها با طول کلمات مختلف مانند میکروکنترلرهای 4 بیتی ، 8 بیتی ، 64 بیتی و 128 بیتی در بازار موجود است.
میکروکنترلر یک میکرو کامپیوتر فشرده است که برای کنترل عملکرد سیستم های تعبیه شده در ماشین های اداری ، ربات ها ، لوازم خانگی ، وسایل نقلیه موتوری و تعدادی دیگر از تجهیزات تولید می شود. میکروکنترلر شامل اجزایی مانند حافظه ، وسایل جانبی و از همه مهمتر پردازنده است. میکروکنترلرها اساساً در دستگاههایی بکار می روند که برای اعمال توسط کاربر دستگاه به درجه ای از کنترل نیاز دارند.
این مسئله شاید برای خیلی از افراد پیش پا افتاده باشد و شاید هم برای خیلی از افراد تازگی داشته باشد. کلمه میکروکنترلر از 2 بخش تشکیل شده است :
- Micro = میکرو : میکرو یک واحد ریاضی یونانی است و یعنی 10 به توان -6 (یعنی یک میکروکنترلر دارای سرعت بالا و اندازه بسیار کوچک است)
- controller = کنترلر : به معنای کنترل کننده است.
میکروکنترلر یک قطعه از نوع IC است. IC نیز به معنای مدار مجتمع است. میکروکنترلر ها قابل برنامه ریزی هستند. یعنی هرچیزی را که شما با استفاده از کامپایلر خود (مثل بسکام، اتمل استودیو، کدویژن و …) به میکروکنترلر بدهید، میکروکنترلر آن را انجام میدهد.
بهتر است بدانید که حتی یک ماشین حساب ساده و ساعت مچی دیجیتال شما، تا بزرگترین کارخانه ها همه از ویژگی های میکرو کنترلر ها استفاده کرده اند. ماهیت و هدف میکرو کنترلر ها چیز جدید نیست.
قبل از بوجود آمدن میکروکنترلر ها، مهندسین میتوانستند پروژه ها خود را با ترانزیستور ها و … بسازند اما بسیار مدار پیچیده ای ساخته میشد.
در واقعیت ، microcontroller همه امکانات را برای داشتن مداری ساده تر ، کوچک تر ، سریع تر و با دقت تر در یک فضای کوچک جمع آوری کرده است.
- واحد پردازش مرکزی (CPU)
- حافظه موقت خواندنی و نوشتنی (RAM)
- حافظه فقط خواندنی (ROM)
- پورت های ورودی و خروجی (I/O Ports)
- تایمرها و شمارنده ها (Timers and Counter)
- کنترلهای وقفه (Interrupt Controls)
- مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)
- مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC)
- رابط کاربری سریال (Serial Interface Ports)
- و …
کاربرد میکروکنترلر
میکروکنترلر ها در سیستم های توکار استفاده می شوند، اساساً انواع مختلفی از محصولات و دستگاه هایی که ترکیبی از سخت افزار و نرم افزار هستند و برای انجام عملکردهای خاص ساخته شده اند. چند نمونه از سیستم های توکار که در آن ها میکروکنترلر ها استفاده می شوند شامل – ماشین لباسشویی، ماشین فروش خودکار، مایکروویو، دوربین دیجیتال، اتومبیل، تجهیزات پزشکی، تلفن های هوشمند، ساعت های هوشمند، روبات ها و لوازم خانگی مختلف.
چرا از میکروکنترلر ها استفاده می کنیم؟
میکروکنترلر ها برای استفاده از اتوماسیون در برنامه های توکار استفاده می شوند. دلیل عمده محبوبیت بی نظیر میکروکنترلر ها توانایی آن ها در کاهش اندازه و هزینه محصول یا طرح، در مقایسه با طرحی است که با استفاده از ریزپردازنده جداگانه، حافظه و دستگاه های ورودی / خروجی ساخته می شود.
از آنجا که میکروکنترلر ها ویژگی هایی مانند ریزپردازنده داخلی، RAM، ROM، رابط های سریال، رابط های موازی، مبدل آنالوگ به دیجیتال (مبدل آنالوگ به دیجیتال)، مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) و غیره دارند که ساخت برنامه ها در اطراف آن را آسان می کند. علاوه بر این، محیط برنامه نویسی میکروکنترلر ها امکانات گسترده ای را برای کنترل انواع برنامه ها بر اساس نیاز آن ها فراهم می کند.
اجزای داخلی میکروکنترلر
هر وسیله الکتریکی که اطلاعات را ذخیره ، اندازه گیری ، نمایش یا محاسبه می کند از یک میکروکنترلر تشکیل شده است. در زیر اجزای داخلی میکروکنترلر را لیست کرده ایم.
میکروکنترلر ها به دلیل ویژگی های مختلف در سیستم های توکار استفاده می شوند. همانطور که در نمودار بلوک میکروکنترلر زیر نشان داده شده است، این شامل پردازنده، پین های ورودی / خروجی، پورت های سریال، تایمرها، ADC، DAC و کنترل وقفه است.
پردازنده یا CPU : پردازنده مغز یک میکروکنترلر است. وقتی ورودی از طریق پین های ورودی و دستورالعمل ها از طریق برنامه ها فراهم شوند، داده ها را بر اساس آن پردازش می کند و در پایه های خروجی ارائه می دهد.
حافظه : تراشه های حافظه برای ذخیره تمام برنامه ها و داده ها در میکروکنترلر ادغام شده اند. انواع مختلفی از حافظه در میکروکنترلر ها مانند RAM، ROM، EPROM، EEPROM، حافظه Flash و غیره وجود دارد.
پورت های ورودی/خروجی : هر میکروکنترلر دارای پورت های خروجی ورودی است. بسته به انواع میکروکنترلر ها، تعداد پایه های خروجی ورودی ممکن است متفاوت باشند. آن ها برای رابط دستگاه های ورودی و خروجی خارجی مانند سنسور ها، واحد های نمایشگر و غیره استفاده می شوند.
پورت های سریال : آن ها رابط سریال میکروکنترلر ها با سایر وسایل جانبی را تسهیل می کنند. پورت سریال یک رابط ارتباطی سریال است که از طریق آن اطلاعات به صورت همزمان به داخل یا خارج یک بیت توسط یک بیت دیگر منتقل می شود.
ADC و DAC: گاهی اوقات سیستم های توکار نیاز به تبدیل داده ها از دیجیتال به آنالوگ و بالعکس دارند. بنابراین بیشتر میکروکنترلر ها برای انجام تبدیل مورد نیاز با ADC داخلی (مبدل آنالوگ به دیجیتال) و DAC (مبدل دیجیتال به آنالوگ) متصل شده اند.
تایمر ها : تایمر ها و شمارنده ها از قسمت های مهم سیستم های توکار هستند. آن ها برای عملیات مختلفی مانند تولید پالس، شمارش پالس های خارجی، تعدیل، نوسان و غیره مورد نیاز هستند.
کنترل وقفه : کنترل وقفه یکی از ویژگی های قدرتمند میکروکنترلرها است. این نوعی اعلان است که روند مداوم را قطع کرده و دستورالعمل انجام وظیفه تعریف شده توسط کنترل وقفه را می دهد.
انواع میکروکنترلر
طیف گسترده ای از میکروکنترلر ها در بازار موجود است. شرکت های مختلفی مانند Atmel، ARM، Microchip، Texas Instruments، Renesas، Freescale، NXP Semiconductors و غیره انواع مختلفی از میکروکنترلر ها را با ویژگی های مختلفی تولید می کنند. با جستجوی پارامتر های مختلف مانند حافظه قابل برنامه ریزی، اندازه فلش، ولتاژ تغذیه، پین های ورودی / خروجی، سرعت و غیره، می توان میکروکنترلر مناسب را برای کاربردشان انتخاب کرد.
با توجه به این پارامتر ها، بیایید نگاهی به این پارامتر ها و انواع مختلف میکروکنترلر ها بیاندازیم.
گذرگاه داده (اندازه بیت) : هنگامی که طبق اندازه بیت طبقه بندی می شود، بیشتر میکروکنترلر ها از 8 بیت تا 32 بیت هستند (میکروکنترلر هایی با بیت بالاتر نیز وجود دارند). در یک میکروکنترلر 8 بیتی گذرگاه داده آن از 8 خط داده تشکیل شده است، در حالی که در یک میکروکنترلر 16 بیتی گذرگاه داده آن از 16 خط داده و برای میکروکنترلرهای 32 بیتی و بالاتر نیز به همین ترتیب تشکیل شده است.
- میکروکنترلر 8 بیتی عملیات منطقی را حساب و اجرا می کند. نمونه هایی از میکروکنترلر 8 بیتی Intel 8031/8051 هستند.
- میکروکنترلر 16 بیتی بر خلاف 8 بیتی با دقت و عملکرد بیشتری اجرا می شود. نمونه ای از میکروکنترلر 16 بیتی Intel 8096 است.
- میکروکنترلر 32 بیتی عمدتا در وسایل کنترل شده خودکار مانند ماشین های اداری ، تجهیزات پزشکی قابل کاشت و … استفاده می شود و برای انجام هرگونه عملکرد منطقی یا محاسباتی به دستورالعمل های 32 بیتی نیاز دارد.
حافظه : میکروکنترلر ها برای ذخیره برنامه ها و داده ها به حافظه (RAM، ROM، EPROM، EEPROM، فلش مموری و غیره) نیاز دارند. در حالی که برخی از میکروکنترلر ها تراشه های حافظه داخلی دارند اما برخی دیگر برای اتصال به حافظه خارجی نیاز دارند. به ترتیب به این میکروکنترلر های حافظه توکار و میکروکنترلرهای حافظه خارجی گفته می شود. اندازه حافظه داخلی نیز در انواع مختلف میکروکنترلر ها متفاوت است و به طور کلی میکروکنترلر هایی با حافظه 4B تا 4Mb را می توانید پیدا کنید.
تعداد پین های ورودی/خروجی : میکروکنترلر ها با توجه به تعداد اندازه های پین های ورودی/خروجی متفاوت هستند. با توجه به نیاز برنامه می توان میکروکنترلر خاصی را انتخاب کرد.
مجموعه دستورالعمل : دو نوع مجموعه دستورالعمل RISC و CISC وجود دارد. یک میکروکنترلر می تواند از RISC (مجموعه دستورالعمل کامپیوتری کاهش یافته) یا CISC (مجموعه دستورالعمل کامپیوتری پیچیده) استفاده کند. همانطور که از نامش مشخص است، RISC زمان کار برای تعیین چرخه ساعت یک دستورالعمل را کاهش می دهد. در حالی که CISC امکان استفاده از یک دستورالعمل به عنوان جایگزین بسیاری از دستورالعمل ها را فراهم می کند.
- CISC : به معنی “رایانه مجموعه دستورالعمل پیچیده” است. به کاربر اجازه می دهد 1 دستورالعمل را به جای تعداد بالایی از دستور العمل های دیگر اجرا کند.
- RISC : به معنی “رایانه دستورالعمل کاهش یافته” است. RISC زمان عمل را کاهش می دهد.
ساختار حافظه : میکروکنترلر ها دو نوع دارند – میکروکنترلر های ساختار حافظه هاروارد و میکروکنترلر های ساختار حافظه پرینستون.
- میکروکنترلر معماری هاروارد
- میکروکنترلر معماری Princeton Memory
نام برد انواع میکروکنترلر ها چیزی است که ساعت ها زمان میبرد و به نوعی میتوان گفت غیرممکن است. میکروکنترلر ها چندین خانواده اند و محبوب ترین های آن ها را در زیر آوردیم.
- سری میکروکنترلر AVR و ARM از شرکت اتمل
- میکروکنترلر PIC از شرکت میکروچیپ
- میکروکنترلر 8051
- و …
معروفترین خانواده میکروکنترلر در ایران ، AVR ساخته شرکت Atmel است. البته امروز استفاده از میکروکنترلر های سری ARM دارد جای میکروکنترلر های AVR را میگیرد. اما هنوز بسیاری از مهندسین الکترونیک و برنامه نویسان از میکروکنترلر های 8051، AVR و … استفاده میکنند.
میکروکنترلرها با توجه به حافظه ، معماری ، بیت و مجموعه دستورالعمل ها به دسته های مختلفی تقسیم میشوند. بنابراین با توجه به انواع معیار ها آن ها را بررسی میکنیم.
کاربرد میکروکنترلر در صنعت
میکروکنترلر ها در همه جا کاربرد دارند. یعنی کاربرد میکروکنترلر ها را نمیتوان به یک قسمت خاص محدود کرد. همانطور که گفته شد حتی ساده ترین ماشین حساب ها و ساعت های دیجیتال نیز در درون خود میکروکنترلر دارند. دیگر خودتان حساب کنید کارخانه های صنعتی پیچیده چه میکروکنترلر های عظیمی را برای کنترل فعالیت های خود استفاده میکنند. کاربرد میکروکنترلر در صنعت بسیار شناخته شده است و در بسیازی از اماکن استفاده میشود.
به طور کلی کاربرد میکرو کنترلر ها را میتوان در دسته های زیر قرار داد :
- کاربرد های سلامتی : استفاده از میکروکنترلر ها در دستگاه های مربوط به سلامتی مثل مچ بند های سلامتی، دستگاه های بیمارستان ها و …
- کاربرد های صنعتی : استفاده از میکروکنترلر ها برای کنترل دستگاه ها و ماشین های کارخانجات
- کاربرد های فضایی : بسیاری از میکروکنترلر های پیشرفته در انواع فعالیت های نجومی و فضایی استفاده میشود.
کاربرد میکروکنترلر در دستگاه های زندگی روزمره:
- دستگاه های سنجش و کنترل نور
- دستگاه های سنجش و کنترل دما
- دستگاه های تشخیص و ایمنی آتش
- دستگاه های ابزار دقیق صنعتی
- دستگاه های کنترل فرآیند
کاربرد میکروکنترلر در دستگاه های کنترل صنعتی:
- دستگاه های ابزار دقیق صنعتی
- دستگاه های کنترل فرآیند
کاربرد میکروکنترلر در دستگاههای اندازه گیری و اندازه گیری:
- ولت متر
- اندازه گیری اشیا revol گردان
- کنتور کنونی
- سیستم های اندازه گیری دستی
بهترین میکروکنترلر
به طور کلی نمیتوان یک میکروکنترلر را به عنوان بهترین و قوی ترین میکروکنترلر انتخاب کرد. زیرا با توجه به شرایط و معیار های پروژه شما بهترین میکروکنترلر میتواند متفاوت باشد.
به طور مثال برای پروژه های ساده مثل ساعت یا یادآور، یک میکروکنترلر AVR مناسب است. اما برای پروژه های که نیاز به پردازش همزمان چندین مورد دارند دیگر میکروکنترلر AVR مناسب نیست و ما نیازمند یک میکروکنترلر سری ARM هستیم. همچنین باید توجه داشته باشید که تعداد پین های آنالوگ و دیجیتال، حافظه، سرعت، قابلیت PWM، ADC، DAC و … نیز در هنگام انتخاب میکروکنترلر مناسب مهم هستند.
و باید بدانید که میکروکنترلر های سری ARM به مراتب قیمت بیشتری نسبت به میکروکنترلر های سری AVR دارند.
برنامه نویسی میکروکنترلر
برای برنامه نویسی میکروکنترلر ها ، نرم افزار های خاصی وجود دارند که به آن ها کامپایلر (Compiler) میگویند. در زیر چند تا از کامپایلر های محبوب را آورده ایم :
- اتمل استودیو Atmel Studio
- کدویژن Codevision
- بسکام Bascom
- کیل Keil
- و …
در هر کامپایلر برنامه نویسی به زبان / زبان های خاصی انجام میشود. به طور مثال در کامپایلر اتمل استودیو و کدویژن از زبان C، بسکام زبان بیسیک و … استفاده میشود. زبان برنامه نویسی اتمل استودیو و کدویژن یکی است اما نمیتوان از کد کامپایلر دیگر برای کامپایلر دیگر استفاده کرد. زیرا بسیاری از توابع و کتابخانه در کامپایلر ها با هم تفاوت دارند.
مزیت فوق العاده میکروکنترلر ها کم شدن تعداد آی سی ها و قابلیت چند بار نوشتن و پاک کردن کد است.
سوالات متداول
میکروکنترلر چیست؟
میکروکنترلر یک قطعه از نوع IC است. IC نیز به معنای مدار مجتمع است. میکروکنترلر ها قابل برنامه ریزی هستند. یعنی هرچیزی را که شما با استفاده از کامپایلر به میکروکنترلر بدهید، میکروکنترلر آن را انجام میدهد.
بهترین میکروکنترلر کدام است؟
به طور کلی نمیتوان یک میکروکنترلر را به عنوان بهترین میکروکنترلر انتخاب کرد. زیرا با توجه به شرایط و معیار های پروژه شما بهترین میکروکنترلر میتواند متفاوت باشد.
انواع میکروکنترلر ها کدام اند؟
میکروکنترلر ها انواع مختلفی دارند مثل میکروکنترلر های ARM ، AVR ، PIC و…
کاربرد میکروکنترلر ها چیست؟
میکروکنترلر ها در انواع موضوعات مختلف مثل کارخانجات، پزشکی، خودرو، سلامتی و … کاربرد دارند.
IC ها (integrated circuit=مدار مجتمع) به عنوان مداری تعریف می شوند که شامل عناصری بوده که از نظر الکتریکی جدا نشدنی و به یکدیگر متصل هستند به گونه ای که IC نمی تواند به هیچ دلیلی از هم جدا شود. برای ساخت چنین مداری می توان از فناوری Myriad استفاده کرد. امروزه آنچه ما IC می نامیم در ابتدا به عنوان یک IC یکپارچه شناخته می شد. اعتقاد بر این است که کیلبی اولین آی سی را در سال 1958 ساخت و او به خاطر کار سخت خود در سال 2000 جایزه نوبل فیزیک را بدست آورد. اولین خریدار این اختراع نیروی هوایی ایالات متحده بود.
IC چیست؟
آی سی كه بعضي اوقات تراشه يا ريز تراشه نيز خوانده مي شود، صفحه نازک سیلیکونی نيمه رسانا است كه بر روي آن هزار يا ميليون مقاومت كوچك، خازن و ترانزيستور ساخته مي شود. یک IC می تواند به عنوان یک تقویت کننده، نوسان ساز، تایمر، شمارنده، حافظه کامپیوتر یا ریز پردازنده باشد.
یک آی سی دقیق با توجه به کاربرد آن به صورت خطی (آنالوگ) یا دیجیتال دسته بندی می شود. ایده اساسی این بود که یک مدار کامل، با تعداد زیادی از اجزای سازنده و اتصالات بین آن ها بدست آید و همه چیز را به شکل ریز میکروسکوپی بر روی سطح یک قطعه سیلیکون بازسازی کنیم. این ایده فوق العاده هوشمندانه ای بود و ساخت انواع ابزار های “میکروالکترونیک” از ساعت های دیجیتال و ماشین حساب های جیبی گرفته تا موشک ها و بازو های ساخته شده ناوبری ماهواره داخلی را ممکن کرده است.
IC، مدار میکرو الکترونیکی، میکروچیپ یا تراشه نیز نامیده می شود، مجموعه ای از قطعات الکترونیکی بصورت یک قطعه وجود دارد که در آن دستگاه های فعال کوچک (به عنوان مثال، ترانزیستور ها و دیود ها) و دستگاه های غیر فعال (به عنوان مثال، خازن ها و مقاومت ها) و اتصالات آن ها روی یک لایه نازک از مواد نیمه رسانا (که معمولا سیلیکون است) ساخته شده است. بنابراین مدار حاصل یک “تراشه” کوچک یکپارچه است که ممکن است به اندازه چند سانتی متر مربع یا فقط چند میلی متر مربع باشد. اندازه هر یک از اجزای مدار بصورت جداگانه میکروسکوپی هستند.
IC ها ریشه در اختراع ترانزیستور در سال 1947 توسط ویلیام بی شوکلی و تیمش در آزمایشگاه های بل شرکت تلفن و تلگراف آمریکا دارد. تیم شاکلی (از جمله جان باردین و والتر براتین) دریافتند که در شرایط مناسب، الکترون ها در سطح بلور های خاصی مانعی تشکیل می دهند و آن ها با استفاده از این مانع یاد گرفتند که جریان الکتریسیته را از طریق کریستال کنترل کنند. کنترل جریان الکترون از طریق یک کریستال به تیم اجازه می دهد تا دستگاهی ایجاد کند که می تواند برخی عملیات الکتریکی مانند تقویت سیگنال را که قبلاً توسط لوله های خلاء انجام می شد، انجام دهد.
آنها این دستگاه را از ترکیب کلمات transfer و resistor، ترانزیستور نامیدند. روش های ایجاد دستگاه های الکترونیکی با استفاده از مواد جامد به عنوان الکترونیک حالت جامد شناخته شد. دستگاه های حالت جامد بسیار محکم تر، کار با آنها راحت تر، قابل اطمینان تر، بسیار کوچکتر و ارزان تر از لوله های خلاء هستند. با استفاده از همان اصول و مواد، مهندسان خیلی زود یاد گرفتند که سایر اجزای الکتریکی مانند مقاومت ها و خازن ها را ایجاد کنند. اکنون که می توان وسایل الکتریکی را بسیار کوچک کرد، بزرگترین قسمت مدار، سیم کشی نامناسب بین دستگاه ها است.
در سال 1958 جك كيلبي از تگزاس و رابرت نويس از شركت Fairchild برای کوچک تر شدن اندازه مدار فكر كردند. آن ها مسیر های بسیار نازکی از فلز (معمولاً آلومینیوم یا مس) را مستقیماً روی همان قطعه از مواد دستگاه های خود قرار دادند. این مسیر های کوچک مانند سیم عمل می کنند. با استفاده از این تکنیک می توان یک مدار کامل را روی یک قطعه از مواد جامد و یک IC ایجاد کرد. آی سی ها می توانند صد ها هزار ترانزیستور روی یک قطعه ماده به اندازه ای بسیار کوچک داشته باشند. کار با بسیاری از لوله های خلاء ناخوشایند و گران بود. اختراع IC، فناوری های عصر اطلاعات را عملی ساخت. در حال حاضر از IC ها در همه اقشار مختلف از اتومبیل گرفته تا پارک تفریحی بسیار استفاده می شود.
مراحل ساخت آی سی
چگونه یک تراشه حافظه یا پردازنده برای کامپیوتر بسازیم؟ همه چیز با یک عنصر ترکیبی خام مانند سیلیکون شروع می شود که برای ایجاد آن تحت فرایند شیمیایی یا ناخالصی قرار می گیرد و دارای خصوصیات الکتریکی مختلف است.
نیمه رسانا های ناخالص
به طور معمول، تجهیزات به دو دسته تقسیم می شوند: مواردی که به راحتی اجازه می دهند برق از طریق آنها عبور کند (رسانا ها) و موادی که برق از آن ها عبور نمی کند(عایق ها). فلزات بیشتر رسانا ها را تشکیل می دهند در حالی که موادی مانند پلاستیک، چوب و شیشه عایق هستند. در حقیقت، مفهوم بسیار پیچیده تری از این موضوع وجود دارد، به ویژه هنگامی که صحبت از تعریف عناصری در مرکز جدول تناوبی (در گروه های 14 و 15)، به ویژه سیلیکون و ژرمانیم می شود. معمولاً عایق ها عناصری هستند که اگر مقدار کمی ناخالصی به آن ها وارد کنیم برای عملکرد بیشتر مانند رسانا ها آماده می شوند.
اگر آنتیموان را به سیلیکون اضافه کنید، مقدار کمی الکترون اضافی در اختیار شما قرار می دهد که معمولاً شامل انرژی هدایت الکتریسیته است. سیلیکون “ناخالص” همچنین سیلیکون نوع n گفته می شود. هنگامی که بور را به جای آنتیموان اضافه می کنید، مقداری از الکترون های سیلیکون را می گیرید و “حفره هایی” باقی می گذارید که به عنوان “الکترون منفی” کار می کنند. بعد، جریان الکتریکی مثبت را به روش مخالف منتقل کنید. به چنین نوع سیلیکونی نوع p گفته می شود. قرار دادن نواحی سیلیکون نوع n و p در کنار هم برای ایجاد محل اتصال هایی که الکترون ها از طریق آن ها بسیار جذب کننده عمل می کنند، روشی است که در آن ما به صورت الکترونیکی، دستگاه های نیمه رسانا مانند دیود ها، ترانزیستور ها و حافظه ها تولید می کنیم.
داخل یک تراشه
روش تولید یک IC با یک کریستال بزرگ سیلیکون، به شکل یک لوله جامد تو پر، آغاز می شود که برش خورده و به صفحات نازک تبدیل می شود. صفحات نازک سیلیکونی به شکل مربع یا مستطیل هستند، که هر یک از آن ها از یک تراشه سیلیکون ساخته می شود (که میکروچیپ نیز نامیده می شود). هزاران، میلیون ها یا میلیاردها دستگاه در هر تراشه با ناخالصی نواحی غیر مشابه ازسطح تولید می شود تا آن ها را به سیلیکون نوع n یا p تبدیل کند.
اضافه کردن ناخالصی توسط چندین فرآیند مختلف تکمیل میشود، در یکی از آنها که به پاشیدن (sputtering) معروف است، یون های ناخالصی، دقیقا مانند گلوله های تفنگ به سمت صفحه نازک سیلیکونی پرتاب میشوند. یک روش دیگر رسوب بخار (vapor deposition) است که مواد ناخالصی را به شکل گاز به آی سی منتقل میکنند و اتم های ناخالصی، لایه ای نازک روی سطح نازک سیلیکونی تولید میکنند. این روش به صورت دقیق تر اپی تاکسیال نام دارد.
البته، ساختمان IC ها که صدها، میلیون ها یا میلیارد ها دستگاه را روی یک تراشه سیلیکونی با اندازه ای بسیار کوچک جمع می کنند، کمی دشوارتر از آن است که به نظر می رسد. وقتی در مقیاس میکروسکوپی (یا حتی گاهی اوقات حتی در مقیاس نانو) کار می کنید، هرج و مرج را تصور کنید. به همین دلیل نیمه هادی ها در محیط های آزمایشگاهی بی عیب و نقصی به نام اتاق های تمیز آماده می شوند، جایی که هوا به طور دقیق فیلتر می شود و کارمندان باید از طریق انواع لباس های حفاظتی وارد و خارج شوند.
انواع آی سی ها
IC انواع مختلفی دارد که شامل زیر است:
IC های دیجیتال
این نوع آی سی دارای دو سطح تعریف شده است: 1 و 0 که به این معنی است که آن ها بر اساس ریاضیات باینری کار می کنند که در آن 1 به معنای روشن و 0 به معنای خاموش است. چنین آی سی هایی با بیش از میلیون ها فلیپ فلاپ، گیت منطقی و موارد دیگر ، که همه در یک تراشه گنجانیده شده است، با دقت تمام انجام می شوند. نمونه هایی از IC دیجیتال، میکروکنترلر ها و ریزپردازنده ها است.
- IC های منطقی
- تراشه های حافظه
- IC های رابط (شیفت سطح ، سریال سازی / سریال سازی و…)
- آی سی های مدیریت توان
- دستگاه های قابل برنامه ریزی
آی سی های آنالوگ
IC های آنالوگ با کنترل سیگنال های مداوم کار می کنند و قادر به انجام کار هایی مانند فیلتر کردن، تقویت، دمدولاسیون، مدولاسیون و… هستند. سنسورها، OP_AMP ها اساساً IC های آنالوگ هستند.
- آی سی های خطی
- آی سی های RF
سیگنال مخلوط
وقتی از IC های دیجیتال و آنالوگ بر روی یک تراشه استفاده می شود؛ IC حاصل به عنوان IC های سیگنال مخلوط شناخته می شود.
- IC های بدست آوردن داده (شامل مبدل های A / D ، مبدل D / A ، پتانسیومترهای دیجیتال)
- IC ساعت / زمان بندی
کاربرد های IC
آی سی از یک ماده نیمه رسانا به عنوان میز کار استفاده می کند و معمولا سیلیکون برای کار انتخاب می شود. پس از آن، اجزای الکتریکی مانند دیود ها، ترانزیستور ها و مقاومت ها و…به شکل کوچک شده به این تراشه اضافه می شوند. اجزای الکتریکی به گونه ای به یکدیگر متصل شده اند که قادر به انجام چندین کار و محاسبه هستند. سیلیکون به عنوان wafer در این مجموعه شناخته می شود.
یک آی سی کاربرد هایی شامل موارد را دارد:
- رادار
- ساعت مچی
- تلویزیون ها
- آبمیوه گیری
- برنامه شمارنده کامپیوتری
- پردازنده های ویدیویی
- تقویت کننده های صوتی
- دستگاه های حافظه
- دستگاه های منطقی
- رمزگذار ها و رمزگشا های فرکانس رادیویی
در این مقاله، ما به طور خلاصه در مورد اینکه IC ها چه هستند و چگونه ساخته می شوند و… صحبت کردیم. دو نوع روش برای ساخت IC ها با کمک یک نیمه رسانا ناخالص، در داخل تراشه وجود دارد. ما به انواع مختلف مدار های آی سی مانند IC های دیجیتال، IC های آنالوگ و در نهایت سیگنال های مخلوط با کمک با مثال پرداخته ایم. علاوه بر این موارد نحوه استفاده و کاربرد های IC ها نیز مورد بحث قرار گرفته است.
نیروگاه برق هسته ای چگونه کار میکند؟ (آموزش جامع)
اپتوکوپلر (Optocoupler) چیست و چه انواعی دارد؟
ترایاک چیست؟ نحوه کار ترایاک کاربرد راه اندازی TRIAC
ترمیستور چیست؟ انواع و کاربرد ترمیستور
اتصالات مداری خازن – اتصال سری و موازی خازنها
-
الکترونیک2 سال پیشاتصالات مداری خازن – اتصال سری و موازی خازنها
-
الکترونیک2 سال پیشترایاک چیست؟ نحوه کار ترایاک کاربرد راه اندازی TRIAC
-
الکترونیک2 سال پیشترمیستور چیست؟ انواع و کاربرد ترمیستور
-
باتری و پاوربانک2 سال پیشپاور بانک چگونه کار میکند ؟
-
الکترونیک2 سال پیشهیت سینک چیست؟ نحوه کار و انواع هیت سینک
-
الکترونیک2 سال پیشآشنایی با میکروکنترلر
-
الکترونیک2 سال پیش۴ لایه اصلی PCB
-
فازمتر راه دور2 سال پیشفازمتر کنترل از راه دور با نمایش فرکانس شبکه