مدار مجتمع چیست؟قسمت سوم

این مقاله با نگاهی دقیق به انواع مدارهای مجتمع و کاربردهای آن‌ها، شما را با دنیای جذاب پشت پرده‌ی دستگاه‌های هوشمند آشنا می‌سازد
Diode Logic (DL)
از رجیسترها و دیودها برای پیاده سازی منطق استفاده میشد هدف دیود انجام عملیات OR و AND و سوئیچ منطقی بود و البته ضروری است که دیود بایاس رو به جلو باشد تا بتواند هدایت کند . از معایب ان می توانیم بگوییم که دیودها نمی توانند عملیات NOT را انجام دهند، دیود نمی تواند برای چندین حالت کار کند، و تمایل به کاهش سریع سیگنال ها دارد.
Resistor-Transistor Logic (RTL)
در این تکنولوزی ازرجیسترها و ترانزیستورها برای پیاده سازی منطق استفاده می شد.از ترانزیستورها برای ترکیب سیگنال هایی که ورودی های معکوس و تقویت شده هستند استفاده می شد. این تکنولوژی مقرون به صرفه و آسان برای طراحی بود اما سرعت کمتری داشت و همچنین به مقدار زیادی جریان از منبع هم طبعا نیاز داشت. از گیت های RTL به عنوان رابط بین مدارهای خطی و دیجیتال استفاده میشد.

Diode Transistor Logic (DTL)
در این مدل از رجیسترها و دیودها برای پیاده سازی منطق استفاده می شود. این تکنولو ژی نسبت به DL و RTL دارای برتری هایی بود چرا که دیود می تواند عملیات AND و OR را همراه با ترانزیستور انجام دهد و سیگنال خروجی را نیز می توان تقویت کرد. همچنین قابلیت وارونگی منطقی دارد که اگر یک ترانزیستور را در خروجی گیت های منطقی اضافه کنیم، سیگنال می تواند به سطح منطقی کامل بازیابی شوددر این مدل عملیات OR را می توان با استفاده از دیودها به جای مقاومت انجام داد که تعامل بین سیگنال های ورودی را حذف می کند.
Transistor – Transistor Logic (TTL)
این تکنولوژی از ترانزیستورها برای پیاده سازی منطق استفاده می شود چند استاندارد برای ان وجود دارد که عبارتند از TTL با سرعت بالا، TTL کم توان و TTL شاتکی وجود دارد. این خانواده منطق بسیار محبوب است.
Emitter Coupled Logic (ECL)
منطق کوپل شده امیتر (ECL) یک خانواده منطقی ترانزیستور دوقطبی مدار مجتمع با سرعت بالا است. ECL از یک تقویت کننده دیفرانسیل ترانزیستور پیوند دوقطبی ( BJT) با ورودی تک سر و جریان امیتر محدود استفاده می کند تا از ناحیه اشباع (کاملا روشن) عملکرد و رفتار خاموش شدن آهسته ناشی از آن جلوگیری کند.
Complementary Metal Oxide Semiconductor Logic (CMOS)
این گیت های منطقی با استفاده از ترانزیستورهایی به نام ماسفت پیاده سازی می شوند. این مدل به دلیل مصرف انرژی کم و ساختار قابل اعتمادترین خانواده منطقی شناخته شده است.
برای درک بیشتر به بررسی یک مثال از کاربرد یک مدار مجتمع دیجیتالی را بررسی می کنیم.
کاربردهای پردازش سیگنال دیجیتال
پردازش سیگنال دیجیتال ( DSP) یکی از آن فناوری هایی است که نقش مهمی در توسعه کل جهان امروز ایفا می کند. DSP فرآیند استفاده از روش‌های پردازش دیجیتال برای کمی‌سازی، فیلتر کردن/و یا تقویت سیگنال‌های آنالوگ پیوسته است. این عملیات که اطلاعات و سیگنال ها را در قالب سیگنال آنالوگ به فرمت دیجیتالی که می تواند با سیستم های کامپیوتری و سایر تجهیزات دیجیتال سازگار باشد. DSP یک فرآیند دستکاری سیگنال های دیجیتال است که می تواند به عنوان تبدیل سیگنال های پیوسته اصلی به شکل دیجیتال تعریف شود. با این فرایند سیگنال‌های آنالوگ دنیای واقعی مانند سیگنال‌های گفتاری، ویدئویی یا حسگرها تبدیل به سیگنال‌های دیجیتال شده و از طریق روش‌های محاسباتی پردازش، فیلتر و تجزیه و تحلیل می شوند.
در شکل زیر می توانید دیاگرام عملکردی ان را ببینید

از این سیستم در مکان های متعددی استفاده می شود به عنوان مثال :
هدفون سیمی / بی سیم / هدفون / هدفون با حذف نویز فعال
برای حذف صداهای خارجی، در هدفون های مدرن سیستم حذف نویز فعال از میکروفون ها از فناوری پردازش (DSP) برای بازسازی نویز استفاده می کنند. سپس هدفون امواج صوتی را به شکل معکوس نسبت به صداهای طبیعی اطراف کاربر ایجاد می کند، بنابراین موسیقی یا هر صدای پخش شده را با حذف تداخل های شنیداری تقویت می کند.
تجهیزات پزشکی تصویربرداری پزشکی
در کاربردهای پزشکی، اسکنرهای MRI و CT مورد استفاده در تشخیص بیماران از DSP برای تجزیه و تحلیل سیگنال از بافت‌های بدن اسکن شده استفاده می‌کنند. برای تشخیص دقیق ضروری است، تکنیک‌های DSP تداخل را حذف می‌کنند، وضوح و روشنایی تصویر را افزایش می‌دهند و جزئیات بافت بالایی را ارائه می‌دهند.
همانطور که اشاره کردیم دنیای اطراف ما یک دنیای انالوگ است پس چرا ما این زحمت را به خود می دهیم تا سیگنال ها را تبدیل به دیجیتال کنیم ؟ خب پاسخ این سوال در خواص سیگنال ها و اطلاعات دیجیتال نهفته است چرا که ذخیره سازی و دستکاری سیگنال های دیجیتال که به صورت صفر و یک باینری هستند بسیار اسان تر صورت می پذیرد از طرفی ما نیاز داریم تا مجددا این سیگنال های دیجیتالی را به انالوگ تبدیل کنیم چرا که به عنوان مثال در یک بلند گو صدا باید توسط گوش شنیده شود و این امر به صورت انالوگ صورت میپذیرد حال با این زمینه بررسی مدارات مجتمع انالوگ را اغاز می کنیم.
مدارات مجتمع انالوگ
پیش از انکه وارد دنیای انالوگ شویم بهتر است این سوال را از خودمان بپرسیم که ایا در دنیای امروز که توسط دستگاه های دیجیتالی مثل تلفن های همراه و اینترنت و کامپیوتر محاصره شده ایم چرا باید مدارات انالوگ را مطالعه کنیم و اینکه ایا انالوگ دیگر قدیمی نشده ؟ جالب اینجاست که این سوالات تقریبا هر 50 سال مطرح شده اند اما بیشتر از سوی کسانی که این دسته از مدارات را درک نکرده اند یا نمی خواهند با انها سر و کاری داشته باشند . این در صورتی است که طراحی مدارات انالوگ یک رکن اساسی است و همچنان چالش های خاص خود را دارد که جلوتر انها را شرح می دهیم.
بسیاری از سیستم های الکترونیکی دو عملکرد اصلی را انجام می دهند: 1- آنها یک سیگنال را دریافت می کنند و متعاقبا سپس پردازش و استخراج اطلاعات از آن را انجام می دهد. به عنوان مثال تلفن همراه شما یک سیگنال فرکانس رادیویی RF را دریافت می کند و بعد از پردازش ان صدا یا تصویری را ارائه می کند . مانند این واقه در دوربین دیجیتال نیز رخ می دهد به این شکل که دوریبین نیز نور ساطع شده از اجرام را دریافت می کند و با پردازش ان تصویر را می سازد . پیشتر گفتیم که فرایند پردازش سیگنال یک فرایند پیچیده است که جهت راحت تر انجام شدن ان به دلایلی که پیشئتر گفتیم ان را در حوزه ی دیجیتال انجام میدهیم. شکل زیر مثالی را نشان می دهد که در آن سیگنال RF دریافت شده توسط آنتن توسط مبدل آنالوگ به دیجیتال ADCدیجیتالی شده و به طور کامل در حوزه دیجیتال پردازش می شود.
حالا ایا با این سناریو طراحان مدار انالوگ بیکار می شوند ؟

پاسخ یک نه قاطعانه خواهد بود . چرا که یک ADC که می تواند سیگنال RF را دیجیتالی کند، نسبت به گیرنده های تلفن همراه امروزی انرژی بسیار بیشتری مصرف می کند. در نهایت حتی اگر این متود را جدی میگرفتیم تنها طراحان انالوگ می توانستند این ADC را طراحی کنند. نکته ی این مثال این بود که همانطور که دیدید رابطه دریافت همچنان به به طراحی انالوگ با کارایی بالا نیاز دارد.
کاربرد های مدار مجتمع انالوگ
استفاده از مدارهای آنالوگ به سیگنال های آنالوگ محدود نمی شود. به عنوان مثال اگر یک سیگنال دیجیتال آنقدر کوچک ویا آنقدر مخدوش است که گیت دیجیتال نتواند آن را به درستی تفسیر کند، طراح آنالوگ باید وارد عمل شود. یک کابل USB طولانی را در نظر بگیرید که سرعت داده صدها مگابیت در ثانیه را بین دو لپ تاپ حمل می کند. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است

لپ‌تاپ شماره ی یک داده‌ها را به صورت دنباله‌ای از صفر و یک به کابل تحویل می‌دهد. متأسفانه، کابل دارای یک پهنای باند مشخصی میباشد که فرکانس‌های بالا را کاهش می‌دهد و داده‌ها را با رسیدن به لپ‌تاپ دوم مخدوش می‌کند. این دستگاه اکنون باید سنجش و پردازش را انجام دهد، ابتدا به مدار آنالوگی (به نام “اکولایزر”) نیازهست که اعوجاج را اصلاح کند. برای مثال، از آنجایی که کابل فرکانس‌های بالا را تضعیف می‌کند، ممکن است اکولایزر را برای تقویت چنین فرکانس‌هایی طراحی کنیم، همانطور که به صورت مفهومی توسط نمودار 1/H نشان داده شده است. البته کاربرد های مدار مجتمع دیجیتال به همین جا خلاصه نمی شود امروزه در حوزه های مانند ابزار دقیق و اندازه گیری و مدارهای کنترلی و فیدبک و همچنین کاربرد های مخابراتی مثل مدار های مجتمع RF و مایکروویو به وفور از مدارات مجتمع انالوگ استفاده می شود چرا که به طور کل نمی توانیم از وجود عناصر پسیو مانند سلف و خازن و ترانسفورمر در مدارات مخصوصا مدارات مخابراتی چشم پوشی کنیم.
الزامات طراحی مدار مجتمع انالوگ
هنگامی که مهندسان مدارهای دیجیتال را طراحی می کنند، عمدتاً نگران دو ویژگی طراحی هستند: مصرف انرژی و سرعت پردازش. این دو متغیر معمولاً در برابر یکدیگر کار می کنند و طراحان باید تعادل بهینه ای را بین این دو برای کاربرد خاص خود پیدا کنند. اما برای طراحان مدارهای آنالوگشرایط به این سادگی نیست چرا که ملاحظات بیشتری وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند
نمودار در شکل زیر که معمولاً به عنوان هشت ضلعی طراحی آنالوگ شناخته می شود، معیارهایی را نشان می دهد که طراحان آنالوگ باید هنگام ایجاد مشخصات یا ارزیابی عملکرد یک مدار از قبل طراحی شده در نظر بگیرند.

از آنجایی که معیارهای زیادی باید در نظر گرفته شود، مدارهای آنالوگ هنوز عمدتاً با دست ساخته می شوند. این در صورتی است که طراحی مدار دیجیتال بسیار خودکار است و از زبان‌های توصیف سخت‌افزاری استفاده می‌کند که می‌توانند طرح‌بندی مدارهای فیزیکی را از کدها ایجاد کنند.علاوه بر این، در حالی که اندازه ترانزیستور به طور مداوم مطابق با قانون مور کاهش یافته است، مدارهای آنالوگ قادر به استفاده از این پیشرفت به اندازه مدارهای دیجیتال نیستند. مدارهای دیجیتال امروزی در 3 نانومتر ساخته می شوند و احتمالاً هنوز کوچکتر می شوند. اما مدارهای آنالوگ در حال حاضر در محدوده 65 تا 28 نانومتر طراحی می شوند و.کوچک شدن ترانزیستورها باعث ایجاد اثرات نامطلوبی می شود که آفت مدارهای آنالوگ هستند، اگرچه عملکرد مدارات دیجیتال را به شدت مختل نمی کنند.و به همین دلیل، زمان بیشتری طول می کشد تا آی سی های آنالوگ از یک لبه ی فناوری به لبه ی دیگر بروند.
حالا که هردو نوع اصلی و پایه ایی مدارات مجتمع را شناختیم به بررسی نوع سوم یعنی مدارات مجتمع سیگنال مختلط میپردازیم.
مدارمجتمع سیگنال مختلط
به طور کلی مدار مجتمع سیگنال مختلط به مداری گفته می شود شامل هردو نوع سیگنال یعنی هم انالوگ و هم دیجیتال بشود. آی سی های سیگنال مختلط سیگنال های آنالوگ و دیجیتال را با هم پردازش می کنند. به عنوان مثال، مبدل آنالوگ به دیجیتال ( ADC) یک مدار سیگنال مخلوط معمولی است. این مدارها ارتباط آسان بین سنسورهای آنالوگ و پردازنده های دیجیتال را برای دستیابی به تبدیل و پردازش دقیق داده ها تسهیل می کنند. به عنوان مثال، آی سی های سیگنال مختلط اجزای ضروری برای تیونرهای FM در محصولات دیجیتال مانند پخش کننده های رسانه ای هستند که دارای تقویت کننده های دیجیتال هستند. طراحی و ساخت آی سی های سیگنال مختلط نسبت به مدارهای مجتمع فقط آنالوگ یا دیجیتال دشوارتر است. برای مثال، یک آی سی سیگنال مختلط کارآمد ممکن است اجزای دیجیتال و آنالوگ آن یک منبع تغذیه مشترک داشته باشند. با این حال، اجزای آنالوگ و دیجیتال نیازهای توان و ویژگی‌های مصرف بسیار متفاوتی دارند، که این موضوع را به یک هدف غیر ضروری در طراحی تراشه تبدیل می‌کند. این نوع از مدارات امروزه در کاربرد های مدرن مانند الکترونیک زیستی کاربرد فراوانی دارد که در مقالات اینده به ان میپردازیم.
نتیجه گیری
در این مقاله سعی کردیم تا بحث مدارات مجتمع را با عمقی مناسب برای مهندسین شرح دهیم و حوزه ها و انواع این نوع مدارات اعم از انالوگ . دیجیتال و سیگنال مختلط را را شرح دادیم و کاربرد هر نوع را در سطحی مناسب بیان کردیم در مقالات اینده به بررسی تخصصی ساختار ها . تکنولوژی و روش های ساخت مدارات مجتمع خواهیم پرداخت