Entegre Devreler

SAKARYA ÜNİVERSİTESİ Temel Elektronik Dersleri 10.Hafta Entegre Devreler

Aynı çeşit veya farklı elektronik devre elemanlarının (şimdiye kadar gördüğümüz temel elemanlar; direnç, diyot, transistör, kondansatör, FET, MOSFET, vb. elektronik devre elemanları) bir paket haline getirilmesi ile oluşan yeni elemana, “entegre devre” (Integrated Circuit -IC) adı verilir. Entegreler;

• i- Yapılarında kullanılan elemanların çeşidine,
• ii- Entegre içerisinde bulunan transistör sayısına,
• iii- Kullanılan entegre teknolojisine,

göre sınıflandırılabilirler.

Entegre devreler, basit bir voltaj regülatöründen en gelişmiş mikroişlemcilere kadar çok değişik yapılarda karşımıza çıkarlar. Kullanım amacına göre entegreler ya analog yada dijital (sayısal) olarak imal edilirler. Aktif yada pasif olarak adlandırdığımız bütün elektronik devre elemanları küçük bir silikon tabakasının üzerine yayılarak oluşturulur. Buna aynı zamanda tümdevre adı da verilir.

Entegre devreler diğer devrelere göre birçok avantajlara sahiptir: Oldukça küçük boyutları ve ağırlıkları, düşük maliyeti, çok karmaşık devrelerin oldukça basitleşmesi ve güvenilirliktir.

ENTEGRE DEVRELERİN OLUŞTURULMASI

Entegre devreler, bipolar transistörler ve alan etkili transistörlerde olduğu gibi sırasıyla oksitleme, temizleme ve yayma işlemlerinin seri olarak yapılması ile üretilir. Bu yöntemle transistörler, diyotlar, dirençler ve kondansatörler oluşturulur.

Şekil 1. (a) Silikon tabakanın son hali, (b) Silikon tabakada entegre devrelerin oluşturulması

Büyük bir silikon parçasından yaklaşık bir inch`in binde beşi yada onu kalınlığında ve 4 inch2 alanında tabakalar kesilir (Şekil1.(a)). Bu tabakalar üzerinde entegrenin büyüklüğüne göre binlerce yada yüzlerce entegre devreler yerleştirilir (Şekil 1.(b)). Kullanılan p tipi silikon madde devrenin oluşturulduğu gövdeyi temsil eder. Bu madde elektriği ileteceğinden elemanlar gövdeden yalıtılmalıdır. Bu amaçla devredeki birçok n tipi bölge, devredeki eleman sayısı kadar gövde içine yayılır. Böylelikle gövde, diğer yerlere göre daha fazla negatif olacak şekilde bağlandığında yüksek direnç özelliğiyle n tipi bölgeden yalıtılmış olur (Şekil 2).

Şekil 2. Entegre devre içindeki elemanların yalıtılması

Bu n tipi yalıtılmış bölgeler içerisinde değişik elemanları oluşturmak için yeni n ve p tipi bölgeler ilave edilir ve daha sonra bu elemanların bağlantıları alüminyum ile yapılarak entegre devrenin dışarıya irtibatı sağlanır.

Çok sayıda devreler aynı anda silikon tabaka üzerinde oluşturulur ve sonra chip olarak adlandırdığımız bağımsız parçalara bölünür. Bu parçalar uygun bir kılıf (plastik ya da metal) içine yerleştirilir. Bunlar TO dairesel paket yada DIP (Dual inline package – Çift hatlı paket) tipinde olabilir. Bu iki tip entegre devre Şekil 3 de gösterilmiştir.

Şekil 3. (a) TO, (b) DIP tipi entegreler

ENTEGRE DEVRE ÇEŞİTLERİ

Entegre devrelerin çoğu lineer, analog devreler yada sayısal devrelerdir. Lineer devrelerde giriş ve çıkış sinyalleri belirli değerlerde sürekli değişmektedir. Lineer entegreler ses yükselticileri, işlemsel yükselticiler (op-amp) ve değişik radyo ve tv devrelerini içerir. Genelde çift yönlü transistörler kullanılmaktadır fakat bazı işlemsel kuvvetlendiricilerde JFET yada MOSFETler kullanılmaktadır.

Şekil 4.(a) da, çok bilinen bir işlemsel kuvvetlendiricinin içindeki bir parça silikon üzerinde oluşturulan bütün devre elemanları gösterilmektedir. Şekilde işlemsel kuvvetlendiriciyi oluşturan 20 den fazla transistör vardır. Tek bir transistör yaklaşık 0.18²lik alanı kaplamaktadır. 8 uçlu entegre devrenin ölçüleri ise 0.4² x 0.35² dir. Görülüyor ki, entegre devre 20 transistörün kapladığı alandan daha az yer kaplar. Bir bilgisayarın mikroişlemcisinin içinde ise milyonlarca transistör bulunmaktadır.

Şekil 4. Bir işlemsel kuvvetlendirici entegresinin (LF353), (a) iç yapısı, (b) dış görünüşü

Sayısal entegreler ise ikili sayı sistemindeki sinyallerle çalışırlar. Bu sinyaller mantıksal 1 veya 0 konumlarında olabilir. Bu tip entegreler mantık devrelerini oluşturan kapıları, sayıcıları, hafıza ünitelerini ve mikroişlemcileri içerir.

Sayısal entegreler, yapılarında kullanılan devre elemanlarına göre :

• i- TTL entegre devreler; (Bipolar transistörler kullanılır)
• ii- CMOS entegre devreler; (MOSFETler kullanılır)

olarak iki grupta toplanabilirler.

Her iki grupta bulunan elemanlar, içerdikleri lojik kapı ve transistör sayısına göre;

• i- Küçük ölçekli IC`ler(SSI),
• ii- Orta ölçekli IC`ler (MSI),
• iii- Geniş ölçekli IC`ler (LSI),
• iv- Çok geniş ölçekli IC`ler (VLSI),
• v-Çok-çok geniş ölçekli IC`ler (ULSI),
• vi-Giga ölçekli IC`ler (GSI),

olarak sınıflandırılırlar.

ENTEGRE GERİLİM REGÜLATÖRLERİ

İşlemsel kuvvetlendiricilerden sonra en çok kullanılan analog tümleşik devreler gerilim regülatörleridir. Bu entegrelerin içinde referans kaynağı, hata yükselteci, kontrol elemanı ve aşırı yük koruma devreleri bulunmaktadır. Bunların en çok kullanılanları arasında 7805, 7812, 7905, 7912, LM317, LM337 sayılabilir. Aşağıda bunlarla ilgili devreler görülmektedir.

Birçok uygulama için en basit gerilim regülatörü 3-bacaklı olanlarıdır. Sadece 3 bağlantısının (giriş, çıkış ve toprak) olması ve üretim esnasında çıkış voltajının sabitlenmesi çok kullanışlı olmasını sağlamaktadır. Tipik olarak 78xx ile gösterilir. Çıkış voltajı son iki karakter ile belirtilir. Örneğin, 05, 06, 08, 10, 12, 15, 18, veya 24. Şekil 5 de +5 voltluk bir regülatörün nasıl yapıldığı gösterilmektedir. 78xx serisi plastik yada metal kılıfta bulunabilir. 79xx serisi negatif regülatör olarak bilinir ve 78xx serisi gibi çalışır (negatif giriş gerilimiyle).

Şekil 5. 3-uçlu regülatör devresi

Şekil 6 da ise 3-bacaklı ayarlı gerilim regülatörü ile yapılmış bir devre görülmektedir. Bunun avantajı ise çıkışın istenilen voltaj değerine ayarlanabilmesidir. En çok bilineni LM317 entegresidir. Bu regülatörde toprak bağlantısı yoktur, bunun yerine çıkış ucu ile ayar (ADJ) ucu arasında 1.25 volt sabit kalacak şekilde çıkışı ayarlar. Çıkış voltajı; Vout = 1.25 (1+R2 / R1) formülü ile bulunur.

Şekildeki devrede çıkış voltajı 1.25 volt ile 25 volt arasında ayarlanabilir.

Şekil 6. 3-uçlu ayarlanabilir regülatör devresi

MİKROİŞLEMCİLER

Bilgisayarlarda ve diğer mikroişlemcili sistemlerde, aritmetik veya mantık işlemlerinin yapıldığı ve yapılan işlemlerin denetlendiği birim, “merkezi işlem birimi” veya “mikroişlemci” olarak adlandırılır. Diğer bir bakış açısıyla mikroişlemci; ikili sayılar şeklinde kodlanmış komutları ve verileri işlemek veya yorumlamak için gerekli mantıksal devreleri içeren, milyonlarca transistörden meydana gelen elektronik bir elemandır. Mikroişlemciler genel amaçlı elemanlardır ve farklı uygulamalarda amaca uygun olarak kullanılırlar.

Şekil 7. Pentium 4 mikroişlemcisinin görünümü