الفيزياء

الدارات المتكاملة وخصائصها

2013 تبسيط علم الإلكترونيات

ستان جيبيليسكو

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

معظم الدارات المتكاملة (IC) (Integrated Circuits) تبدو كصناديقَ بلاستيكيةٍ ذات مساميرَ معدنيةٍ بارزةٍ.

الرمز التخطيطي لدارة متكاملة هو مثلّثٌ أو مستطيلٌ مكتوبةٌ داخله المؤشرات على المكوِّنات. وفي الممارسة اليومية سوف نصادف نوعين من الدارات المتكاملة:

1- دارة متكاملة خطِّيّة (Lincer IC) تعالج الإشارات التماثلية. ويأتي المصطلح "خطّيّة" من حقيقة أنّ الخرجَ الفوري يشكِّل تابعاً رياضياً للدخل الفوري بشكل خطٍّ مستقيمٍ.

2- دارة متكاملة رقمية (Digital IC) تتألَّف من داراتٍ تُدعى البوّابات المنطقية، وهي تنجز عمليات ثنائية (ذات حالتَين) بسرعاتٍ عاليةٍ. والبوابات المنطقية ليست خطِّيّة؛ فهي دائماً تأخذ أحدَ وضعَين: إمّا حالة عالية (حالة المنطق 1)، أو حالة منخفضة (حالة المنطق 0).

 

– التراصّ

إنّ منظوماتِ وأجهزةَ الدارات المتكاملة أكثرُ تراصَّاً (Compactness) بكثير من الدارات المساوية والمصنوعة من مكوِّنات منفصلة (Discrete Components) (مكونات مقاومة منفردة، أو مكثِّفات، أو ديودات، أو ترانزستورات).

فبناءُ داراتٍ أكثر تعقيداً مع إبقاء حجمها لا يتجاوز الحدّ المعقول هو أمرٌ ممكنٌ باستعمال الدارات المتكاملة بالمقارنة مع المكوِّنات المنفصلة. وهذا هو السبب -على سبيل المثال- في أننا سنجد حواسيبَ محمولةً في المتاجر العامة في وقتنا الحاضر تقدِّم لنا ميزاتٍ أكثر تقدّماً من الحواسيب الفائقة القوة (Supercomputer) الأكثر قوةً التي أُنشِئَت في منتصف القرن الماضي.

 

– السرعة العالية

في الدارة المتكاملة تكون الوصلات الداخلية بالغةَ الصغر فيزيائياً، وهذا ما يجعل سرعاتِ الابتدال العاليةَ جداً ممكنةً. إنّ التيّاراتِ الكهربائيةَ تجري بسرعة، لكنها ليست آنية. وكلّما استطاعت حوامل الشحنة أن تنتقل من مكوِّنٍ إلى آخر بسرعةٍ أكثر، ازداد عددُ العمليات الممكنُ حدوثها في وحدة الزمن، ونقص الزمنُ اللازمُ للجهاز كي ينجزَ عدداً ثابتاً من العمليات.

 

– متطلَّبات الطاقة المنخفضة

تتطلَّب الداراتُ المتكاملةُ عادةً قدرة أقلّ من مساوياتها من دارات المكوِّنات المنفصلة المساوية لها. ويكتسب هذا الأمر أهميةً بالغةً في النظم الإلكترونية المُغَذَّاة بالبطاريات. فالدارات المتكاملة تسحبُ تيّاراً أقلّ من مساوياتها من الدارات المتشكلة من مكونات المقاومة والمكثِّفات والديودات والترانزستورات المنفصلة.

لذلك تولِّد الداراتُ المتكاملةُ مقداراً أقلّ من الحرارة، وتؤمِّن الفاعليةَ للبطاريات، مُنقِصَةً إلى أدنى حدٍّ المشاكلَ التي تؤذي المعدَّاتِ التي تصير حارةً مع الاستعمال. وهذه المشاكل يمكن أن تتضمَّن انحرافَ [انزياح] التردّد (Frequency Drift)، وتوليدَ ضجيجٍ كهربائيٍّ داخليٍّ (Internal Electronic Noise) زائدٍ، ونقصَ الموثوقية، وفشل النظام بالكامل (يُدعى أيضاً انهياراً كارثياً).

 

فكرة مفيدة: تولِّد أنماطٌ معيَّنةٌ من الدارات المتكاملة – على الرغم من احتياجاتها المتواضعة من القدرة – كميةً كافيةً من الحرارة نسبةً إلى حجمها الصغير فيزيائياً، تجعلها تحتاج إلى مراوحَ تبريدٍ أو بالوعات حراريةٍ أو تدابيرَ أخرى، كي تمنعها من أن تصير ساخنةً بشكل زائد. ويقدِّم لنا المعالجُ الصغريُّ في حاسوبٍ شخصيٍّ بأحدثِ تكنولوجيا مثالاً جيِّداً عن ذلك.

 

– الموثوقية

تفشل النظم التي تستخدم الدارات المتكاملة – لكلِّ ساعةِ استعمالٍ لكلِّ مكوِّن – بشكلٍ أقلّ تواتراً من المنظومات التي تتألَّف من مكوِّناتٍ منفصلةٍ، والسببُ الرئيسيُّ لذلك هو أنّ كلَّ الوصلات الداخلية تكون ضمن صندوق للدارات المتكاملة مُحكَم الإغلاق، ممّا يحفظها من التآكل أو من تسلُّل الغبار وبخار الماء. وانخفاض معدّل الفشل يُترجَم إلى انخفاض زمن التوقّف عن العمل.

 

– سهولة الصيانة

تحافظ تكنولوجيا الدارات المتكاملة على تكاليف الخدمة ضمن الحدِّ الأدنى، لأنّ إجراءاتِ التصليح –عندما يحدث الفشل- بسيطةٌ للغاية. يستخدم العديدُ من المنظومات مقابسَ من أجل الدارات المتكاملة، وعملية الاستبدال لا تتضمَّن أكثر من تحديد الدارة المختلّة ونزعها من المقبس ثم وضع دارةٍ جديدةٍ في ذلك المقبس. ويستعمل التقنيون أدواتٍ مخصَّصةً لفكِّ اللحام من أجل تقديم الخدمة لألواح الدارات التي تحتوي على داراتٍ متكاملةٍ ملحومةٍ بشكل مباشر مع الرقاقة المعدنية.

 

– البنية النسيقية

تستخدم أجهزةُ الداراتِ المتكاملةِ العصريةُ البنية النسيقيَّة، حيث توجد أجهزةٌ أو داراتٌ نوعيةٌ على ألواحِ داراتٍ مكرَّسةٍ لهذا الغرض تُدعى البطاقات (Cards).

تنفِّذ الداراتُ المتكاملةُ المنفردةُ وظائفَ محدَّدةً ضمن البطاقة. وبدورها تأخذ البطاقةُ (الكرت) مكاناً يوافقها ضمن مقبسٍ يوجد على لوحِ داراتٍ أكبر. يستعمل التقنيون الحواسيبَ المُبرمَجةَ ببرمجياتٍ متخصصة حسب الطلَب، كي يحدِّدوا موقعَ بطاقةٍ مختلّةٍ ما ضمن منظومةٍ شديدةِ التعقيد.

ويمكن أن تُسحَب البطاقة المعنية وتُستبدَل، ممّا يعيد المنظومةَ إلى المستخدِم النهائيِّ في أقصر وقتٍ ممكنٍ. وتساعد هذه الإجراءات على إبقاءِ الزبائنَ سعداءَ (أو على الأقلّ تُنقِص إلى الحدِّ الأدنى شعورَ الزبون بالإحباط في تعامله مع قسم الخدمة والصيانة).

 

– المحثات غير العمليّة

يجب على الأجهزة التي تستعمل الدارات المتكاملة أن تقوم بوظيفتها بشكلٍ عامّ بدون محثات، وذلك لأنّ الذاتياتِ لا يمكن تصنيعها بسهولة فوق رقاقات السيليكون. تستطيع داراتُ مقاومة-مكثِّفة (RC) أن تنجزَ معظمَ العمليات الممكن إجراؤها بواسطة دارات ذاتيّة-مكثِّفة (LC).

ومن هنا، فإنّ معظمَ المهامّ التي تستدعي وجود الذاتيّات، يمكن أن يُعادَ تصميمُها كي تستعملَ بدلاً من ذلك المقاوماتِ التي تخضع بسهولة للتصنيع القائم على أنصاف النواقل.

وكطريقةٍ بديلةٍ، يستطيع المهندسون في بعض الأحيان أن يحصلوا على دارةٍ متكاملةٍ بكاملها كي تبدي مُفاعَلةً حث عند تردّداتٍ معيَّنةٍ، وبذلك يستعيضون بها عن وشيعةٍ تقليديّة في دارةٍ أكبر حجماً.

 

– الطاقة – العملاقة المستحيلة

لا يمكن – بشكلٍ عامٍّ – تصنيع مضخِّمات قدرة عاليةٍ فوق رقاقات أنصاف النواقل. فالقدرة العالية تستلزم حدَّاً أدنى معيّناً من الكتلة أو الجسم الفيزيائي كي يسمحَ بنقل وإشعاع الطاقة الحراريّة الزائدة. تُستخدَم ترانزستوراتُ القدرة – وفي بعض المنظومات أنابيبُ الفراغ – عادةً من أجل التضخيم العالي القدرة.

اظهر المزيد

مقالات ذات صلة

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق
إغلاق