ما هي الدائرة الرقمية المتكاملة؟

في عالم الالكترونيات الحديث سريع الخطى،الدوائر الرقمية المتكاملة (ICs)هم الأبطال المجهولون الذين يقومون بتشغيل كل شيء بدءًا من الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة لدينا وحتى أجهزة الكمبيوتر العملاقة المعقدة وأنظمة التحكم الصناعية. ولكن ما هي بالضبط الدائرة الرقمية المتكاملة؟

الدائرة الرقمية المتكاملة، والمعروفة أيضًا باسم الدائرة المتكاملة المنطقية، هي دائرة إلكترونية مصممة لمعالجة الإشارات الرقمية ومعالجتها. وهو يعتمد على مبادئ المنطق الرقمي، الذي يستخدم الأرقام الثنائية (0 و1) لتمثيل المعلومات. يتم تصنيع هذه الدوائر على ركيزة واحدة من أشباه الموصلات، وعادة ما تكون مصنوعة من السيليكون، وتحتوي على عدد كبير من المكونات الإلكترونية المترابطة مثل الترانزستورات والمقاومات والمكثفات والثنائيات.

الوظيفة المنطقية للدوائر الرقمية المتكاملة

الدوائر المنطقية الرقميةيمكن تقسيمها إلى فئتين: الدوائر المنطقية التوافقية والدوائر المنطقية التسلسلية. في الدائرة المنطقية التوافقية، يعتمد الخرج في أي لحظة فقط على المدخلات في تلك اللحظة، بدلاً من حالة العمل السابقة للدائرة. تشمل الدوائر المنطقية التوافقية الأكثر استخدامًا أجهزة التشفير، وأجهزة فك التشفير، ومحددات البيانات، وأجهزة إزالة تعدد الإرسال، والمقارنات الرقمية، والمجمعات الكاملة، ومدققات التكافؤ، وغيرها.

الشكل 1. الدائرة المنطقية التوافقية

في الدائرة المنطقية التسلسلية، لا يعتمد الخرج في أي لحظة على المدخلات في تلك اللحظة فحسب، بل يعتمد أيضًا على الحالة الأصلية للدائرة. لذلك، يجب أن تحتوي الدوائر المنطقية المتسلسلة على وظيفة ذاكرة ويجب أن تتضمن دوائر وحدة التخزين. السجلات، وسجلات التحول، والعدادات هي الدوائر المنطقية التسلسلية الأكثر استخدامًا.

الشكل 2. الدائرة المنطقية التسلسلية

بالنسبة للتطبيقات المختلفة لهذين النوعين من الدوائر المنطقية، هناك منتجات دوائر متكاملة موحدة ومتسلسلة، يشار إليها عادةً بالدوائر المتكاملة للأغراض العامة. وفي المقابل، تسمى تلك الدوائر المتكاملة المصممة والمصنعة لأغراض محددة بالدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs).

التصميم الداخلي للدوائر الرقمية المتكاملة

دائرة رقميةيتكون من المنطق التوافقي والسجلات (المتأرجح). المنطق التوافقي، وهو وظيفة مكونة من دوائر بوابة أساسية، له مخرجات تعتمد فقط على المدخلات الحالية. يوضح الرسم البياني الأول في الشكل 3 المنطق التجميعي، الذي يقوم فقط بتنفيذ العمليات المنطقية. في المقابل، لا تحتوي الدائرة المتسلسلة على دوائر البوابة الأساسية فحسب، بل تحتوي أيضًا على عناصر تخزين تستخدم للاحتفاظ بالمعلومات السابقة. يرتبط خرج الحالة المستقرة لدائرة متسلسلة بكل من المدخلات الحالية والحالة التي شكلتها المدخلات السابقة. أثناء تنفيذ العمليات المنطقية، يمكن تخزين نتائج المعالجة مؤقتًا لاستخدامها في العملية التالية، كما هو موضح في الرسم التخطيطي الثاني.
من الناحية الوظيفية، يمكن تقسيم الجزء الداخلي للدائرة الرقمية المتكاملة إلى قسمين: مسار البيانات ومنطق التحكم. يدمج كلا الجزأين عددًا كبيرًا من الدوائر المنطقية المتسلسلة، ومعظمها دوائر متسلسلة متزامنة. يتم تقسيم الدائرة المتتابعة إلى عدة عقد بواسطة سجلات متعددة، وتعمل هذه السجلات بنفس الإيقاع تحت سيطرة الساعة، مما يبسط عملية التصميم.

الشكل 3. الهيكل الداخلي للدوائر الرقمية المتكاملة

خلال ممارسات التصميم طويلة المدى، تم تطوير العديد من الوحدات القياسية للأغراض العامة. يتضمن ذلك المحددات (المعروفة أيضًا باسم معددات الإرسال، والتي يمكنها تحديد مخرج واحد من بيانات إدخال متعددة)، والمقارنات (المستخدمة لمقارنة أحجام رقمين)، والمجمعات، والمضاعفات، ومسجلات التحويل، وما إلى ذلك. تتميز دوائر الوحدات هذه بأشكال منتظمة وسهلة التكامل، ولهذا السبب أيضًا حققت الدوائر الرقمية تطورًا أفضل في الدوائر المتكاملة.
ترتبط هذه الوحدات وفقًا لمتطلبات التصميم لتكوين مسار البيانات. يتم نقل البيانات المراد معالجتها من طرف الإدخال إلى طرف الإخراج من خلال هذا المسار، ويتم الحصول على نتيجة المعالجة النهائية. وفي الوقت نفسه، يجب أن يعمل منطق التحكم المصمم خصيصًا وكل مكون يتحكم في مسار البيانات وفقًا للمتطلبات الوظيفية الخاصة بكل منهما وعلاقات التوقيت المحددة.

نماذج من الرقائق الرقمية المتكاملة

نموذج أشريحة رقمية متكاملةيتكون عادةً من ثلاثة أجزاء: بادئة، ورقم تسلسلي، ولاحقة، يحمل كل منها معلومات محددة:

بادئة: يمثل في الغالب الشركة المصنعة أو السلسلة التي تنتمي إليها الشريحة. على سبيل المثال، تعد السلسلة "74" بادئة شائعة لرقائق TTL الرقمية، التي تنتجها العديد من الشركات المصنعة؛ تعد سلسلة "CD40" بادئة نموذجية لرقائق CMOS، والتي تهيمن عليها الشركات المصنعة مثل Texas Instruments (TI).

رقم سري: يتم استخدامه لتمييز النموذج الوظيفي المحدد للرقاقة. على سبيل المثال، يشير الرقم "00" في 74LS00 إلى أن الشريحة عبارة عن بوابة NAND رباعية المدخلات، بينما يمثل "595" في 74HC595 سجل إزاحة 8 بت.

لاحقة: عادةً ما يشير إلى معلمات مثل شكل تعبئة الشريحة ونطاق درجة الحرارة. على سبيل المثال، يشير "DIP" إلى الحزمة المزدوجة المضمنة، بينما يشير "SMD" إلى حزمة الأجهزة المثبتة على السطح؛ يشير "-40 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية" إلى نطاق درجة حرارة تشغيل الشريحة.

توفر طريقة تسمية النموذج هذه للمصممين أساسًا مناسبًا لتحديد الهوية، مما يمكنهم من الحكم بسرعة على وظيفة الشريحة والسيناريوهات القابلة للتطبيق والخصائص الفيزيائية.

أنواع الرقائق الرقمية المتكاملة

استنادًا إلى بنية الدائرة ووظيفتها وسيناريوهات التطبيق،رقائق رقمية متكاملةيمكن تقسيمها إلى الأنواع الرئيسية التالية:

1. مصنفة حسب هيكل الدائرة

رقائق TTL (منطق الترانزستور-الترانزستور).: تتمحور حول ترانزستورات ثنائية القطب وتعتمد على كل من الإلكترونات والثقوب في التوصيل. إنها تتميز بسرعات تحويل سريعة وقدرات قيادة قوية ولكنها تتميز باستهلاك طاقة مرتفع نسبيًا. تنتمي السلسلة 74 الشائعة (مثل وحدة فك التشفير 74LS138) إلى شرائح TTL وكانت تستخدم على نطاق واسع في الأنظمة الرقمية المبكرة.

رقائق CMOS (أشباه الموصلات وأكسيد المعادن التكميلية).: تتكون من هيكل متكامل من ترانزستورات PMOS وNMOS، توصل الكهرباء بنوع واحد فقط من الناقلات. تتمتع بمزايا مثل استهلاك الطاقة المنخفض، ومقاومة الإدخال العالية، ونطاق جهد إمداد الطاقة الواسع، مما يجعلها النوع السائد من الرقائق الرقمية حاليًا. تشمل الأمثلة سلسلة CD4000 وسلسلة 74HC (مثل العاكس 74HC04)، والتي تستخدم على نطاق واسع في الأجهزة المحمولة والأنظمة منخفضة الطاقة.

2. مصنفة حسب الوظيفة

رقائق البوابة المنطقية: ينفذون العمليات المنطقية الأساسية وهم أساس الدوائر المعقدة. وهي تشمل بوابات AND (مثل 74LS08)، وبوابات OR (مثل 74LS32)، وبوابات NOT (مثل 74LS04)، والبوابات المنطقية المركبة (مثل بوابة NAND 74LS00 وبوابة NOR 74LS02).

رقائق المنطق التسلسلية: تحتوي على وحدات تخزين، وتعتمد مخرجاتها على كل من المدخلات الحالية والحالات التاريخية، المستخدمة لتنفيذ وظائف مثل العد والتخزين. تتضمن الأمثلة عداد 4 بت 74LS161، ومسجل 8 بت 74LS373، ومسجل التحول 74LS164.

شرائح معالجة البيانات: يتم استخدامها لعمليات محددة مثل اختيار البيانات، والتشفير، وفك التشفير. على سبيل المثال، محدد البيانات من 8 إلى 1 74LS151، ووحدة فك ترميز الخطوط من 3 إلى 8 74LS138، ووحدة فك ترميز العرض من BCD إلى سبعة مقاطع 74LS48.

3. مصنفة حسب سيناريو التطبيق

الدوائر المتكاملة للأغراض العامة: تم تصميمها للوظائف القياسية، وهي مناسبة لسيناريوهات متعددة وتتميز بتعدد الاستخدامات وقابلية التبادل. البوابات المنطقية والعدادات والسجلات المذكورة أعلاه تقع جميعها ضمن هذه الفئة. على سبيل المثال، يمكن استخدام شرائح السلسلة 74 وسلسلة CD4000 بمرونة في الأنظمة الرقمية المختلفة.

الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs): مصمم خصيصًا لسيناريوهات محددة، مثل شرائح معالجة إشارات الصور في الهواتف الذكية ورقائق التحكم على متن الطائرةفي إلكترونيات السيارات. يمكن لشرائح ASIC تحسين الأداء وتقليل استهلاك الطاقة إلى أقصى حد، ولكنها تتميز بتكاليف تصميم عالية ودورات طويلة، مما يجعلها مناسبة للأجهزة المخصصة ذات الإنتاج الضخم.

الأجهزة المنطقية القابلة للبرمجة (PLDs): بما في ذلك FPGAs (مصفوفات البوابات القابلة للبرمجة ميدانيًا) وCPLDs (الأجهزة المنطقية المعقدة القابلة للبرمجة)، فإنها تسمح للمستخدمين بتخصيص الوظائف المنطقية من خلال البرمجة. على سبيل المثال، يمكن استخدام سلسلة FPGAs من Xilinx's Spartan في تطوير النموذج الأولي أو سيناريوهات تخصيص الدفعة الصغيرة، مما يحقق التوازن بين المرونة والأداء.

تدعم هذه الأنواع المختلفة من الرقائق الرقمية المتكاملة بشكل جماعي بناء كل شيء بدءًا من التحكم المنطقي البسيط وحتى الأنظمة الرقمية المعقدة، مما يلبي احتياجات التصميم الإلكتروني المتنوعة.

تصنيف الدوائر الرقمية المتكاملة على أساس مقياس التكامل

التكامل على نطاق صغير (SSI): تحتوي دوائر SSI عادةً على ما يصل إلى 10 بوابات أو بضع عشرات من المكونات. غالبًا ما تستخدم هذه الدوائر للوظائف المنطقية الأساسية في الأنظمة الرقمية البسيطة. على سبيل المثال، شريحة 7400، التي تحتوي على أربع بوابات NAND ثنائية الإدخال، هي جهاز SSI شائع. ويمكن استخدامه في تطبيقات مثل دوائر التحكم المنطقية البسيطة، حيث تكون العمليات المنطقية الأساسية مطلوبة.

التكامل متوسط ​​النطاق (MSI): تحتوي دوائر MSI على ما بين 10 و100 بوابة أو بضع مئات من المكونات. يتم استخدامها لوظائف أكثر تعقيدًا. شريحة 74161، وهي عداد متزامن 4 بت، هي مثال لجهاز MSI. تُستخدم العدادات على نطاق واسع في الأنظمة الرقمية لمهام مثل عد الأحداث وتوليد إشارات التوقيت والتحكم في تسلسل العمليات.

التكامل واسع النطاق (LSI): تحتوي دوائر LSI على 100 إلى 10000 بوابة أو آلاف المكونات. تعتبر رقائق الذاكرة مثل ذكريات الوصول العشوائي الساكن المبكر (SRAMs) والمعالجات الدقيقة البسيطة أمثلة على أجهزة LSI. يمكن تنفيذ معالج دقيق 8 بت باستخدام تقنية LSI. يمكنه تنفيذ مجموعة من التعليمات وإجراء العمليات الحسابية والمنطقية والتحكم في تدفق البيانات داخل النظام الرقمي.

التكامل واسع النطاق جدًا (VLSI): تحتوي دوائر VLSI على أكثر من 10000 بوابة أو مئات الآلاف إلى ملايين المكونات. المعالجات الدقيقة الحديثة، مثل تلك الموجودة في أجهزة الكمبيوتر الشخصية، وذاكرة الوصول العشوائي الديناميكي ذات السعة الكبيرة (DRAMs) هي أمثلة كلاسيكية لأجهزة VLSI. قد تحتوي وحدة المعالجة المركزية المكتبية المتطورة على مليارات الترانزستورات، والتي يتم تنظيمها في دوائر منطقية معقدة لأداء مهام حسابية سريعة ومعقدة للغاية.

التكامل الفائق النطاق (ULSI) والتكامل واسع النطاق جيجا (GSI): يشير ULSI إلى دوائر ذات مستوى أعلى من التكامل، غالبًا ما يصل إلى عشرات الملايين من المكونات. تتضمن GSI، وهي مرحلة أكثر تقدمًا، دمج أكثر من مليار مكون في شريحة واحدة. وتقع معالجات الهواتف المحمولة الحديثة وبعض وحدات معالجة الرسومات عالية الأداء (GPUs) ضمن هذه الفئة. هذه الرقائق قادرة على التعامل مع كميات هائلة من البيانات وتنفيذ عمليات معقدة بسرعات عالية، مما يتيح ميزات مثل معالجة الفيديو عالي الوضوح وعرض الرسومات ثلاثية الأبعاد في الوقت الفعلي وخوارزميات الذكاء الاصطناعي المتقدمة.

كيف تعمل الدوائر الرقمية المتكاملة؟

الدوائر الرقمية المتكاملةتعمل على أساس النظام الثنائي. تعمل الترانزستورات الموجودة داخل الدائرة كمفاتيح. عندما يتم تشغيل الترانزستور، فإنه يمثل المنطق 1 (عادة مستوى الجهد العالي)، وعندما يتم إيقاف تشغيله، فإنه يمثل المنطق 0 (عادة مستوى الجهد المنخفض). يتم التحكم في تدفق التيار الكهربائي عبر هذه الترانزستورات من خلال إشارات الإدخال المطبقة على الدائرة.
في الدوائر الرقمية المتكاملة الأكثر تعقيدًا، مثل المعالجات الدقيقة، يتم دمج عدد كبير من هذه العناصر المنطقية الأساسية وتنظيمها بطريقة هرمية. يقوم المعالج الدقيق بجلب التعليمات من الذاكرة، وفك تشفيرها لفهم العملية التي يجب تنفيذها، ثم تنفيذ تلك التعليمات باستخدام الوحدات الحسابية والمنطقية (ALUs) والكتل الوظيفية الأخرى داخل الشريحة. يتم تخزين البيانات ومعالجتها في السجلات، وهي في الأساس عناصر ذاكرة صغيرة وسريعة الوصول داخل المعالج الدقيق.

استخدام وتطبيق الدوائر الرقمية المتكاملة

المعالجات الدقيقة: المعالجات الدقيقة هي أدمغة نظام الكمبيوتر. يقومون بتنفيذ مجموعة من التعليمات المخزنة في الذاكرة لأداء مهام مثل العمليات الحسابية ومعالجة البيانات والتحكم في المكونات الأخرى في النظام. على سبيل المثال، يمكن لمعالجات سلسلة Intel Core المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر المكتبية والمحمولة تنفيذ مليارات التعليمات في الثانية. لقد تم تصميمها لتكون متعددة الاستخدامات ويمكن برمجتها للتعامل مع مجموعة واسعة من التطبيقات، بدءًا من معالجة النصوص وتصفح الويب وحتى عمليات المحاكاة العلمية المعقدة والألعاب.

المرحلية الذاكرة:دوائر الذاكرة المتكاملةتستخدم لتخزين البيانات والبرامج. هناك نوعان رئيسيان: ذاكرة القراءة فقط (ROM) وذاكرة الوصول العشوائي (RAM). يقوم ROM بتخزين البيانات بشكل دائم ويستخدم للاحتفاظ بنظام الإدخال/الإخراج الأساسي (BIOS) في الكمبيوتر، والذي يحتوي على تعليمات بدء التشغيل. من ناحية أخرى، ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) هي ذاكرة متطايرة تُستخدم لتخزين البيانات التي يعمل عليها الكمبيوتر حاليًا بشكل مؤقت. تُستخدم ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكي (DRAM) بشكل شائع في أجهزة الكمبيوتر نظرًا لسعتها التخزينية العالية وتكلفتها المنخفضة نسبيًا، في حين أن ذاكرة الوصول العشوائي الساكنة (SRAM) أسرع ولكنها أكثر تكلفة وغالبًا ما تستخدم في ذاكرة التخزين المؤقت لتسريع الوصول إلى البيانات.

المرحلية المنطقية: يتم استخدام المرحلية المنطقية لإجراء عمليات منطقية مختلفة. يمكن أن تكون بوابات منطقية بسيطة، كما ذكرنا سابقًا، أو دوائر منطقية تجميعية ومتسلسلة أكثر تعقيدًا. الدوائر المنطقية التوافقية، مثل معددات الإرسال (التي تختار واحدة من إشارات الإدخال العديدة ليتم توجيهها إلى الإخراج) وأجهزة فك التشفير (التي تحول الكود الثنائي إلى مجموعة من إشارات الإخراج)، لها مخرجات تعتمد فقط على قيم الإدخال الحالية. تحتوي الدوائر المنطقية المتسلسلة، مثل القلابات والعدادات، على مخرجات لا تعتمد فقط على المدخلات الحالية ولكن أيضًا على الحالة السابقة للدائرة. تعتبر هذه الدوائر ضرورية لمهام مثل تخزين البيانات واسترجاعها ومعالجتها في الأنظمة الرقمية.

التطبيق - دوائر متكاملة محددة (ASICs): ASICs عبارة عن دوائر متكاملة مصممة خصيصًا لتطبيق معين. على سبيل المثال، في الكاميرا الرقمية، قد يكون هناك ASIC مصمم خصيصًا لمعالجة الصور. تم تحسين هذه الشريحة لأداء مهام مثل التحكم في مستشعر الصورة وتصحيح الألوان والضغط. تقدم ASICs مزايا مثل الحجم الأصغر، واستهلاك أقل للطاقة، والأداء الأعلى للتطبيق المحدد الذي تم تصميمها من أجله، مقارنة باستخدام الدوائر المتكاملة للأغراض العامة.

المجال - صفائف البوابة القابلة للبرمجة (FPGAs): FPGAs هي أجهزة منطقية قابلة للبرمجة تسمح للمستخدمين بتكوين الوظائف المنطقية للرقاقة بعد تصنيعها. أنها تحتوي على عدد كبير من الكتل المنطقية القابلة للبرمجة والوصلات. تُستخدم FPGAs في التطبيقات التي تتطلب المرونة، مثل النماذج الأولية للتصميمات الرقمية الجديدة. على سبيل المثال، في تطوير بروتوكول اتصال جديد، يمكن برمجة FPGA لتنفيذ منطق البروتوكول ويمكن إعادة تشكيلها بسهولة مع تطور التصميم. يتم استخدامها أيضًا في بعض تطبيقات الحوسبة عالية الأداء حيث يمكن أن توفر القدرة على تخصيص الأجهزة في الوقت الفعلي سرعة كبيرة لخوارزميات محددة.

أهمية الدوائر الرقمية المتكاملة

الدوائر الرقمية المتكاملةأحدثت ثورة في مجال الإلكترونيات. إن صغر حجمها واستهلاكها المنخفض للطاقة وموثوقيتها العالية وقدرتها على أداء عمليات معقدة بسرعات عالية جعلها لا غنى عنها في التكنولوجيا الحديثة. لقد أتاحت لنا تصغير الأجهزة الإلكترونية، بدءًا من أجهزة تتبع اللياقة البدنية الصغيرة التي يمكن ارتداؤها على معاصمنا وحتى الخوادم القوية التي تدير الإنترنت. كان تطوير الدوائر الرقمية المتكاملة أيضًا محركًا رئيسيًا في تقدم صناعات مثل الاتصالات السلكية واللاسلكية والرعاية الصحية (على سبيل المثال، في أجهزة التصوير الطبي وأنظمة مراقبة المرضى)، والسيارات (لوظائف مثل التحكم في المحرك وأنظمة مساعدة السائق)، والفضاء (لإلكترونيات الطيران والاتصالات عبر الأقمار الصناعية). باختصار، تعد الدوائر الرقمية المتكاملة حجر الزاوية في العصر الرقمي، مما يتيح أسلوب الحياة القائم على التكنولوجيا والذي أصبحنا نعتمد عليه.

المنتجات الأكثر مبيعًا من SIC

71421LA55J8             UPD44165184BF5-E40-EQ3-A      SST39VF800A-70-4C-B3KE           IS66WV1M16DBLL-55BLI-TR       AS4C32M16SB-7BIN      W25Q16FWSNIG

AS7C34098A-20JIN        752369-581-ج                 W957D6HBCX7I تي آر            IS61LPS12836EC-200B3LI           MX25L12875FMI-10G            QG82915PL

معلومات المنتج منسيك للإلكترونيات المحدودة. إذا كنت مهتمًا بالمنتج أو كنت بحاجة إلى معلمات المنتج، فيمكنك الاتصال بنا عبر الإنترنت في أي وقت أو إرسال بريد إلكتروني إلينا: sales@sic-chip.com.