مدار مجتمع یا IC چیست؟ – بخش سوم: مدارهای مجتمع دیجیتال

اگر این مبحث را دنبال کرده باشید می دانید که در بخش اول مقاله به مبحث: آشنایی با مدارهای مجتمع و در بخش دوم به بررسی انواع مدارهای مجتمع پرداختیم. در بخش سوم و آخرین بخش مقاله نیز به بررسی مدارهای مجتمع دیجیتال خواهیم پرداخت.

مدارهای مجتمع دیجیتال نه تنها بر اساس عملکرد منطقی شان طبقه بندی می شوند بلکه از نظر تکنولوژی خاص مدارهایی که به آن تعلق دارند نیز دسته بندی می گردند. تکنولوژی به کار رفته در مدار را خانواده منطقی دیجیتال می خوانند. هر خانواده منطقی مدار الکترونیکی پایه خاصی را داراست که مدارها و و توابع دیجیتال پیچیده تر بر اساس آن تهیه می شوند.

مدار پایه در هر تکنولوژی یک گیت NAND / NOR و یا معکوس کننده است.

در نام گذاری تکنولوژی معمولا از قطعات الکترونیکی به کار رفته در ساخت مدار پایه استفاده می شود. بسیاری از خانواده های مختلف منطقی به صورت مدارهای مجتمع در سطح تجاری عرضه شده اند.

خانواده های مدارهای مجتمع دیجیتال

متداول ترین خانواده های مدارهای مجتمع دیجیتال عبارتند از:

TTL : منطق ترانزیستور – ترانزیستور ( Transistor Transistor logic )

خانواده منطقی ترانزیستور – ترانزیستور گونه تکامل یافته تکنولوژی قدیمی تری است که در آن از دیود و ترانزیستور برای ساخت گیت پایه NAND استفاده می شده است. این تکنولوژی منطق دیود ترانزیستور ( DTL ) خوانده می شده است. بعد ها برای بهبود عملکرد مدار به جای دیود از ترانزیستور استفاده شد و نام خانواده جدید ترانزیستور – ترانزیستور گذاشته شد.

علاوه بر نوع استاندارد TTL انواع دیگری از این خانواده عبارتند از TTL سرعت بالا -TTL توان پایین(یا کم مصرف)-TTL شوتکی -TTL شوتکی توان پایین و….

منیع تغذیه مدار های TTL پنج ولت و در دو سطح منطقی 0 و 3.5 ولت می باشد.

ECL : منطق کوپل امیتر ( Emitter Coupled logic )

خانواده کوپل امیتر سریع ترین مدار های دیجیتال را به فرم مجتمع در اختیار می گذارند. ترانزیستور ها در گیت های ECL در حالت غیر اشباح کار می کنند و رسیدن به تاخیر های انتشاری در حد 1 تا 2 نانو ثانیه در آنها میسر است.

MOS : منطق فلز- اکسید- نیمه هادی ( Metal Oxide Semiconductor )

منطق فلز- اکسید- نیمه هادی یک ترانزیستور تک قطبی است که به جریان یک نوع حامل الکتریکی وابسته است. این حامل ها ممکن است الکترون (در نوع کانال n) یا حفره باشند. این بر خلاف ترانزیستور به کار رفته در گیت های TTL/ECL است که در عین عملکرد هر دو نوع حامل در آن وجود دارد.

CMOS : منطق فلز – اکسید – نیمه هادی مکمل ( Complementary Metal Oxide Semiconductor )

یک MOS کانال p را PMOS و یک MOS کانال n را NMOS می نامند. معمولا در مدار هایی که فقط یک ترانزیستور MOS وجود دارد از NMOS استفاده می شود. در تکنولوژی CMOS هر دو نوع ترانزیستور که به شکل مکمل در تمام مدار ها بسته شده اند به کار رفته است. بزرگترین مزیت CMOS نسبت به دو قطبی تراکم بالای مدار ها در بسته بندی ساده بودن تکنیک ساخت و عملکرد مقرون به صرفه آن به دلیل مصرف توان کم است.

موارد استفاده مدارهای مجتمع دیجیتال

• TTL : متداول ترين خانواده مدارهای مجتمع دیجیتال مي باشد که بطور گسترده اي در توليد انواع توابع ديجيتال بكار گرفته می شود.
• ECL : در سيستم هايي كه نياز به سرعت بالا دارند بكار مي روند؛ مانند: سوپر کامپیوتر ها و پردازنده های سیگنال که در آنها سرعت بالا ضرورت دارد.
• MOS و IIL : در مدارهايي كه مستلزم چگالي قطعه بالايي هستند.
• CMOS : در مواقعي كه توان مصرفي سيستم پايين باشد مورد استفاده قرار می گیرد.

چون ساخت ترانزيستور در خانواده MOS و IIL داراي چگالي بالايي است لذا اين دو خانواده اغلب در توابع LSI بكار مي روند.

سه خانواده ديگر ،TTL ، ECL و CMOS داراي قطعات LSI بوده و همچنين تعداد زيادي از قطعات MSI و SSI نيز در آنها استفاده مي شوند.

میزان تراکم گیتها در مدارهای مجتمع دیجیتال

میزان تراکم گیتها در مدارهای مجتمع با مقیاسهای ULSI , SLSI , VLSI , LSI , MSI , SSI عنوان می شوند.

مدارهای مجتمع با مقیاس کوچک یا SSI عبارتند از تعداد کمی از گيت ها يا مدارات فليپ فلاپ در يك بسته آي سي. محدوديت در تعداد مدارهاي قطعات SSI در حقيقت تعداد پايه هاي بسته بندي است. مثلأ يك بسته چهارده پايه تنها مي تواند چهار گيت دو ورودي را در خود جاي دهد؛ هر گيت سه پايه دارد كه دو تاي آنها ورودي و سومي خروجي است. جمع اين پايه ها براي چهار گيت، دوازده خواهد بود؛ و دو پايه باقي مانده، تغذيه مدار مي باشند.

مدارهای مجتمع با مقیاس متوسط یا MSI دارای تقریبا 10 الی 200 گیت در هر بسته می باشند. این وسیله ها معمولا توابع دیجیتال ساده همچون دیکدر ها – جمع کننده ها و ثبات ها را اجرا می نمایند.

مدارهای مجتمع با مقیاس بزرگ یا LSI بین 200 تا چند هزار گیت در هر بسته دارند. این بسته ها سیستم های دیجیتالی همچون پردازنده ها ، تراشه های حافظه و ماژول های قابل بر نامه ریزی را شامل می شوند.

مدارهای مجتمع با مقیاس خیلی بزرگ یا VLSI شناخته می شوند که حاوی هزاران گیت در یک بسته اند. مثالهایی از این گروه عبارتند از آرایه های بزرگ حافظه و تراشه های پیچیده ریز کامپیوترها. VLSI ها به دلیل کوچکی و ارزانی انقلابی در تکنولوژی ساخت سیستم های کامپیوتری به وجود آورده و به طراحان امکان ساخت و ایجاد ساختارهایی را دادند که قبلا اقتصادی نبودند.

در جدول زیر میزان تراکم گیتها در هر یک از مقیاسهای گفته شده مشاهده خواهید کرد:

نحوه شماره گذاری مدارهای مجتمع دیجیتال

آي سي هاي TTL

آي سي هاي TTL معمولأ با سري شماره هاي 5400 و 7400 شناخته مي شوند. نوع اول محدوده گرمايي گسترده تري در عمل دارند و براي صنايع نظامي مناسبند ، و گروه دوم داراي محدوده گرمايي كمتري بوده ودر صنعت بكار مي روند. سري 7400 بدان معني است كه بسته بندي ها با اعداد 7400 ،4701 و 7402 شماره گذاري مي شوند.

برخي از سازندگان ، TTL ها را با شماره هاي متفاوت ديگري مانند سري 9000 و 8000 در دسترس قرار مي دهند.

آی سی های CMOS

آي سي هاي CMOS معمولا با سري شماره هاي 4000 شناخته مي شوند. مانند: 4001 ، 4009 ، 4049 و 40106