HARDWARE DERSANESİ

• Kurslar ve dersler

Merhaba... Bir aylık aradan sonra dershanemizde yine birlikteyiz.

Bu ay dijital entegre devrelere başlayacağız.

Bütün modern dijital cihazlar entegre devrelerle gerçekleştirilmişlerdir. Bundan dolayı dijital teknik öğrenimi, dijital entegre devreler ve bunların uygulamaları üzerine olmalıdır. Entegre devreler, dolayısıyla dijital bir cihaz analiz edilebilir ve tasarlanabilir.

Dijital entegre devreler dijital cihaz yapımında yapı taşlarıdır. Önceleri tasarımcılar lojik gereksinimleri karşılama yanında bu lojik davranış için gerekli elektronik devreleri de tasarlamak zorunda idiler. Entegre devrelerle tasarlayıcıların işi çok azalmış, yalnız üretilmekte olan entegre devreler arasında uygun olanları seçmek ve kendi özel amacına uygulamak kalmıştır. Çoğu dijital tekniklerin kullanılışlarını anlamak için elektronik devre tasarımı bilgisi gerekmemektedir. Bununla beraber modern dijital entegre devrelerde kullanılan ana eleman ve devreleri öğrenmek onlarla çalışma ve onları kullanmadaki yeteneği artıracaktır.

LOJİK DEVRE KARAKTERİSTİKLERİ

Dijital cihazlarda kullanılmaya uygun çok çeşitli tipte dijital entegre devreler vardır. Çeşitli lojik devrelerde doymalı veya doymasız çalıştırılan transistörler kadar MOSFET'li devreler de vardır. Her tip dijital entegre devre ailesinin kendine has yetenek ve yetersizlikleri vardır.

Karakteristikler çok geniş bölgelerde değişiklik gösterir. En uygun devre kullanılması yerin özel ihtiyaç ve icaplarına bağlıdır.

Dijital entegre devrelerin en önemli karakteristikleri lojik seviyeler, iletim gecikmesi, harcanan güç, gürültü bağışıklığı ve yüklenebilirlikleridir. Bu karakteristiklerin anlamlarının kavranmasıyla çeşitli entegre devre ailelerini birbirleriyle karşılaştırmak mümkün olacaktır.

LOJİK SEVİYELER

Lojik seviyeler verilmiş bir entegre devre için lojik 1 ve 0 durumlarına karşı düşen gerilim değerleridir. Bu iki seviye için nominal değerler genellikle verilir, fakat pratikte gerçek gerilim seviyeleri, devre elemanlarının toleransları, besleme gerilimindeki dalgalanmalar, sıcaklık gibi etkenlerden dolayı değişebilir. Genellikle üretici firma lojik 1 ve 0 seviyeleri için kabul edilebilir minimum ve maksimum gerilim sınırlarını verir.

Verilmiş bir entegre devre için lojik seviyelerin bilinmesi çok önemlidir. Cihaz üzerinde çalışma yaparken çeşitli giriş ve çıkış noktalarının lojik durumları, osiloskop veya voltmetre ile ölçme yaparak saptanacaktır. Lojik seviyelerin bilinmesi devrenin analizini ve fonksiyonunu yerine getirip getirmediğinin ortaya konmasını mümkün kılacaktır.

İLETİM GECİKMESİ

İletim gecikmesi lojik devrenin çalışma hızının bir ölçüsüdür. Çalışma hızı dijital devrenin en önemli karakteristiğidir. Pek çok uygulamalarda yüksek çalışma hızı yararlıdır.

İletim gecikmesi dijital devre çıkışının girişteki seviye değişikliğine cevap vermesi için geçen süredir. Herhangi bir lojik devrede bu süre için yükselme, gecikme ve tutma süreleri de girer. Giriş gerilimi lojik 0'dan 1'e veya 1'den 0'a değiştiğinde lojik devre çıkışı belli bir süre sonra cevap verecektir.

Göz önüne alınması gereken bir diğer önemli nokta giriş ve çıkış darbelerinin yükselme ve düşme süreleridir. Yükselme süresi (tr) yükselme sırasında gerilimin, maksimum değerinin %10'undan %90'ına çıkması için geçen süredir, düşme süresi (tf) ise gerilimin maksimum değerinin %90'ından %10'una düşmesi için geçen süredir.

Pek çok modern dijital entegre devrelerde iletim gecikmesi çok küçüktür, fakat sıfır değildir. İletim gecikmesinin nanosaniyeler mertebesinde olması başarılı sayılır. Bazı tip modern lojik devrelerde iletim gecikmesi birkaç yüz nanosaniyeler mertebesindedir. Yükselme ve düşme süreleri genellikle iletim gecikmesinden küçüktür, imalât toleransları, devre montajı ve diğer faktörlerden dolayı iletim gecikmeleri gösterilen nominal değerlerinden oldukça uzaklaşır.

Ayrıca toplanma özellikleri vardır. Kapı devreleri ve diğer kombinasyonal lojik devreler ardarda bağlandıklarında iletim gecikmeleri toplanır. Lojik devrede birden fazla kademe varsa, girişten çıkışa toplam iletim gecikmesi, basit olarak her kademedeki lojik kapı elemanlarındaki gecikmelerin toplamıdır.

DEVREDE TÜKETİLEN GÜÇ

Dijital lojik devrelerin bir başka önemli karakteristiği tüketecekleri güçtür. Lojik 1 ve 0 çıkış durumlarında genellikle farklı değerde olan güç tüketimi için ortalama değer her bir kapı devresi için aşağı yukarı miliwattlar mertebesindedir.

Bir dijital cihaz tasarımında lojik devreler tarafından tüketilecek gücü göz önüne bulundurmak çok önemlidir. Yüksek güç tüketimi, yüksek elektrik enerjisi ihtiyacı demektir. Elektriksel gücü mümkün olduğu kadar küçük tutmak gerekir ki, cihazın çalışmasındaki maliyet yüksek olmasın. Kompüterler gibi geniş kapsamlı dijital sistemler için bu nokta daha da önem taşır.

Dijital devrenin harcayacağı güç besleme devrelerinin boyut ve maliyetine de etki eder. Ayrıca fazla güç, fazla sıcaklık demektir. Bazı durumlarda cihazın normal çalışmasını sürdürebilmesi için soğutma sistemleri gerekli olabilir.

Tüketilen güç miktarı bataryalarla çalışan taşınabilir cihazlar için de çok önemlidir. Bataryaların maliyetlerinin düşük, ömürlerinin uzun olması için devrelerin tüketecekleri güç düşük olmalıdır. Kapı devreleri için gerekli güçler, özel tip MOS devrelerinde mikrowatt'lardan, yüksek hızlı doymasız çalıştırılan lojik devrelerde 60-100 mW mertebelerine kadar değişik değerler gösterirler.

HIZLILIK-AZ GÜÇ GEREKSİNİMİ ÇEKİŞMESİ

Lojik devrelerin karakteristiklerinden hızlılık ve gerekli güç kavramları bütün dijital lojik devrelerde birbirlerine sıkı sıkıya bağlıdır. Bu iki karakteristik arasındaki ilişki hızın harcanan güçle orantılı olmasıdır. Daha hızlı lojik devre daha fazla güç gerektirir. Yüksek hızda çalışma elde edebilmek için yüksek gücün getireceği problemlere katlanmak gerekir.

Verilen bir uygulama için lojik devre tipini seçerken dijital tasarımcı hız ve gücü birlikte göz önüne almalı, uygun bir uzlaşma noktası bulmalıdır.

Yüksek hızlı dijital devrelerde doymasız bipolar transistörler kullanılır. Transistörler doymaya girmediklerinden emetör-kollektör arasındaki gerilim düşümü yüksektir. Kaçak kapasitelerin dolma boşalma sürelerinin küçük olması için devre dirençleri küçük seçilir. Neticede güç tüketimi yüksek olur.

Yüksek empedanslı yapılarından dolayı MOS entegre devreleri çok az güç tüketirler. Bununla beraber devre kapasitelerinden dolayı anahtarlama hızları çok düşüktür. Nanowatt'lar mertebesinde oldukça düşük güç tüketmelerinden dolayı, yüksek hızların gerekmediği bataryalı ve taşınabilir devreler için MOS'lar tercih edilir. Diğer tip lojik devreler bu iki uç noktalar arasına yayılmışlardır.

GÜRÜLTÜ BAĞIŞIKLIĞI

Gürültü bağışıklığı lojik devrenin giriş ve çıkışlarına gelen gürültü darbelerine karşı duyarlılığının bir ölçüsüdür. Gürültüler, dışarıdan gelen veya cihaz içinde üretilen, belirlenmiş standart lojik seviyeler üzerine eklenen ayırt edilemeyen sinyallerdir. Bir gürültü: yavaş değişen bir doğru gerilim, yüksek frekanslı kısa süreli gerilim veya akımlarda ani iğne tipi değişimler şeklinde olabilir.

Gürültüler rastgele oluşabildiği gibi tekrarlı bir şekilde gelebilir. Her ne şekilde olursa olsun gürültüler, beklenmeyen bir zamanda lojik devrenin istenmeyen bir duruma geçmesine sebep olabilir.

Bütün dijital lojik devreler belirli gürültü bağışıklığına sahiptirler. Belirlenmiş gerilim eşiklerinden dolayı oldukça yüksek genlikli gürültü sıçramalarından etkilenmezler. Pek çok lojik devrede gürültü bağışıklığı besleme geriliminin %10-50'si kadardır. Bu durumda giriş gerilimine besleme geriliminin %50'si kadar bir gürültü bağışıklığı 1 volt ise girişteki 1 voltluk değişme devrenin çalışmasını etkilemeyecektir. Ağır cevap veren yavaş lojik devrelerde çok kısa süreli gürültüler çalışmayı etkilemez, devre durum değiştirmez.

Gürültü bağışıklığı dijital lojik devrelerde en önemli husustur. Yüksek hızda anahtarlamaların bulunduğu devreler kendilerinde bir miktar gürültü üretirler. Ayrıca pek çok dijital cihaz gürültünün bol olduğu endüstriyel şartlar altında çalışırlar. Şebekeden ve diğer cihazlardan gelen gürültüler lojik devreleri etkiler. Bir lojik devre uygulaması için dijital entegre devre seçerken gürültü bağışıklığı kesinlikle göz önüne alınmalıdır.

YÜKLENEBİLİRLİK (FAN OUT)

Bir devre çıkışına ne kadar yük bağlanabileceğini gösteren bir karakteristiktir. Lojik seviyeler, hız, sıcaklık ve diğer faktörler bakımından belirlenmiş nominal çalışma şeklini sürdürebilmesi şartıyla devre çıkışına bağlanabilecek standart yük sayısı olarak belirlenir. Devre elemanlarının çalışma karakteristiklerinden dolayı bu sayı sınırlıdır. Yüklenebilirlik 10 ise kapı çıkışına 10 kapı devresi bağlanabilir, normal çalışma devam eder.

Devre çıkışına bağlanan yükün diğer ucu bazı durumlarda toprağa, bazı durumlarda besleme kaynağına bağlanmış olabilir.

ENTEGRE DEVRELER

Hemen hemen bütün modern dijital cihazlar entegre devrelerle gerçekleştirilmiş olduğundan herhalde çeşitli tipleri ile karşılaşmışsınızdır. Bu bölümde entegre devrelerin sınıflandırılmaları ve bazı fiziksel karakteristikleri üzerinde durulacak, ayrıca bugünkü dijital cihazlarda en çok kullanılan entegre devre aileleri görülecektir.

Entegre devreler yapım yöntemlerine, uygulama alanlarına ve yerine getirdikleri fonksiyonlara göre sınıflandırılabilirler.

YAPIM YÖNTEMLERİ

Entegre devre yapımında başlıca 4 yöntem vardır. En yaygın kullanılanına monolitik (tektaş) denir. Diğerleri ince film, kalın film ve hibrid yöntemleridir.

MONOLİTİK

Monolitik entegre devre tümüyle yarı iletken bir madde kırıntısı (chip) üzerinde oluşturulur. Yarı iletken maddeler ana taban üzerinde oluşturulur. Yarı iletken maddeler ana taban üzerine difüze edilerek diyot, tranzistör, direnç gibi devre elemanları meydana getirirler. Difüze edilecek maddeler gaz halindedir ve taban çeşitli maskeleme işlemleriyle yüksek sıcaklıklarda işlenir. Sonunda bütün devre, elemanları ve bağlantıları ile tek bir taban üzerine yerleştiğinden tektaş terimi kullanılır. Entegre devrelerin pek çoğu bu teknik ile yapılır.

Monolitik entegre devrelerin başlıca iki cinsi vardır: Bipolar ve MOS. Aralarındaki en önemli fark kullanılan tranzistör tiplerinin değişik olmasıdır. Doymalı veya doymasız bipolar devreler daha yaygındırlar. MOSFET devreler de yaygınlaşmaya başlamışlardır. MOS devreler daha kolay yapılabildiklerinden ve daha az yer istediklerinden belirli boyuttaki silikon kırıntı üzerine daha çok devre yerleştirilebilir. Elemanların basitliği üretim hızını arttırır. Böylece MOS devreler daha yoğun ve ucuz olarak üretilebilirler.

İNCE VE KALIN FİLM TEKNİKLERİ

İnce ve kalın film entegre elemanlar seramik gibi yalıtkan bir taban üzerine belirli maddelerin basılmasıyla elde edilirler. Bir dizi maskeleme işlemleriyle taban üzerine dirençli ve iletken malzemeler basılarak direnç, kondansatör, bobin gibi devre elemanları elde edilir. Yarı iletkenlerin elde edilmesinde bu yöntem pek kullanılmaz. Bu teknikler öncelikle gerilim bölücü, filtre, faz kaydırıcı ve benzerleri gibi pasif devrelerin elde edilmesinde kullanılırlar. Monolitik devreler gibi çok küçük boyutlarda yapılabildiklerinden tek elemanlı devrelere göre avantajlıdırlar. Eleman değerleri monolitik devrelere göre daha dar tolerans sınırları içinde tutulabilmektedir. Yüksek kaliteli hassas elemanlar için ince ve kalın film teknikleri tercih edilir.

HİBRİD DEVRELER

Monolitik, ince ve kalın film devrelerin kombinasyonudurlar. Herhangi sayıdaki kombinasyon hibrid olarak kabul edilir. Hibrid bir entegre devre tek bir paket içinde birçok monolitik (chip)ten meydana gelmiş olabilir. İnce veya kalın film pasif devrelerle kombine edilmiş monolitik devreler hibrid devreler için örnek olarak gösterilebilir. Bazı özel uygulamalar için tek bir yarı iletken (chip) üzerinde monolitik ve ince veya kalın film devreler kombine edilebilirler. Hibrid devrelerde çeşitli ve değişik tipte entegre devre ve elemanlar bir araya getirilmişlerdir. Tek entegre devre ile sağlanamayacak avantajları vardır, örneğin çok küçük boyutlarından dolayı monolitik devrelerde güç tüketimi sınırlıdır. Yüksek güç gerektiği durumlarda aynı bir paket içine ayrı (chip)lerde alçak güçlü monolitik devreler ve güç tranzistörleri yerleştirilebilir. Yüksek hassasiyet monolitik ve hassas ince film devrelerinin kombine edilmeleri ile sağlanabilir.

Birden fazla teknik kullanılması ve karmaşık ara bağlantılar gerektirmesi dolayısıyla hibrid devreler diğer tiplerine göre daha karmaşık ve pahalı olurlar. Bununla beraber çok çok küçük boyutları ve diğer üstünlükleriyle tasarımcılara geniş çapta imkânlar sunarlar.

UYGULAMA ALANLARI

Entegre devrelerin sınıflandırılmaları için diğer bir yol uygulama alanlarıdır, öncelikle kastedilen lineer ve dijital devreler arasındaki ayrımdır. Dijital devreler lojik seviyeler, darbeler ve ikili bilgilerle çalışır. Bu anahtarlama devrelerinde hem bipolar hem MOSFET'ler kullanılır. Lineer devreler çeşitli amplifikatörleri içerirler, analog sinyaller ile çalışırlar. Bipolar tranzistörler kullanılır. Şekilde entegre devrelerin sınıflandırılmaları görülmektedir.

FONKSİYON

Fonksiyonlarına göre entegre devreler üç sınıfa ayrılırlar: Bunlar küçük çapta (SSI), orta çapta (MSI) ve geniş çapta (LSI) entegre devrelerdir.

(SSI) devreler entegre devrelerin en basit ve temel biçimidir. Bunlar yükseltici ve kapı devreleri olup tek bir işlemi yerine getirirler. Belirli şartlarda belirli fonksiyonları yerine getirecek devreler oluşturmak üzere uygun şekilde birbirlerine bağlanmalıdırlar. Tipik bir SSI dijital entegre devre içinde birkaç çok girişli kapı veya flip flop olabilir.

(MSI) devreler daha karmaşıktır. Çok girişli kapılar uygun şekillerde birbirlerine bağlanarak belirli fonksiyonları yerine getirecek devreler oluşturulmuştur. MSI devrelerde çoğunlukla 12 veya daha fazla eşdeğer kapı veya benzer karmaşıklıkta devre bulunur. MSI devreler genellikle kodlayıcı, sayıcı, çoğullayıcı gibi fonksiyonel devrelerdir. Bu gibi devreler SSI devrelerle gerçekleştirildiğinde gereken bağlantılar, MSI devreler kullanmakla ortadan kaldırılmış olmaktadır. MSI devreler sistemde kullanılan entegre devre sayısını azaltmakta, dolayısıyla; maliyeti, yapım süresini ve bazen güç tüketimini de düşürmektedir.

LSI devrelerde 100 veya daha fazla kapı veya benzer karmaşıklıkta devre bulunur. LSI devreler daha geniş kapsamlı devrelerdir. Çok sayıda MSI devre içerirler, tam bir sistem veya cihazın bütün fonksiyonlarını yerine getirebilirler.

(LSI) devrelerin başlıca uygulaması yarı iletken belleklerdir. Pek çok farklı tip karmaşık (LSI) devreler için elektronik hesaplayıcılar, kompüterler, özel test cihazları sayılabilir.

ENTEGRE DEVRE PAKETLERİ

Kullanıcılar açısından entegre devrelerin göz önüne alınan başlıca karakteristikleri fiziksel görünümleridir. Silikon (chip)lerin bir kılıf (paket) içine konmasında üç temel yöntem vardır: T05 kapsül, yassı paket, çift sıra bacaklı paket. Şekilde örnekler görülmektedir. T05

Entegre devreler için kullanılan ilk paketleme biçimidir. Tranzistörler için standart paketlemelerden biridir. Bacaklar ilave edilmiştir. Yaygın olarak kullanılmışlardır. Daha fazla güç tüketebildiklerinden daha çok lineer entegre devrelerde kullanılırlar. YASSI PAKET (FLAT PACK)

Entegre devrelerin gelişim yıllarında kullanılmaya başlanmış bir paketleme biçimidir. Paketlemeler içinde en küçük olanıdır. Yoğun paketlemeler için tasarlanmıştır. Yassıdırlar, bacaklar yanlardan çıkar. Devreler yan yana yerleştirilerek küçük bir alana oldukça fazla devre sığdırılabilir. Yoğun olarak paketlendiklerinden yüksek sıcaklıklara dayanabilmeleri için seramik malzeme kullanılır. Devrelerin yoğun olması ısınmaya sebep olur, soğutma problemi doğurur. Eleman bu gibi çevre şartlarına dayanabilmelidir. Yassı paket devreler öncelikle kritik boyutlu havacılık uygulamalarında, yüksek güvenilirlik istenen askeri uygulamalarda ve özel endüstriyel uygulamalarda kullanılır. DİP (DUAL IN-LINE PACKAGE)

En yeni ve en çok kullanılan entegre devre paketleme biçimidir, diğerlerinden biraz daha büyüktür fakat avantajları vardır. Yerleştirilmeleri ve kullanılmaları kolaydır. 8 bacaklısından 40 bacaklısına kadar değişik boyutta olanları vardır. SSI devreler 8, 14 veya 16 bacaklı olurlar. MSI devreler 14, 16, 24 bacaklı paketlerde bulunurlar, LSI devreler daha karmaşık olduklarından, daha çok giriş çıkış gerektirdiklerinden çoğunlukla 24, 28 ve 40 bacaklı paketler içine yerleştirilirler.

Değişik tiplerde paketleme malzemesi kullanılır. En yaygın ve en ucuz olanı plastik pakettir. Bu tip paketlemede devre metal bacak çerçevesine nokta kaynaklarla bağlanır, daha sonra bütün devre enjeksiyon preste plastikle kaplanarak paketlenir.

Bazı kritik entegre devreler için seramik paketleme tipleri kullanılır. Yüksek sıcaklığa dayanıklı olurlar ve sızdırmaz olduklarından daha temiz ve emin şartlarda çalışırlar.

SICAKLIK BÖLGELERİ

Entegre devrelerin normal çalışmalarını sürdürebilecekleri belirli sıcaklık sınırları vardır. Bu sınırlar değişiktir. Entegre devreler kullanılış amaçlarına göre askerî, ticarî ve endüstriyel olarak sınıflandırılırlar. Askerî sınıf devreler T05 kapsül, seramik yassı paket ve seramik DİP paketler olabilir, -55°C, 125°C arasında çalışabilirler. Daha pahalıdırlar, yüksek kaliteli askerî ve endüstriyel cihazlarda çok kötü şartlar altında kullanılırlar.

Genel uygulamalar için ticarî ve endüstriyel sınıf entegre devreler kullanılır. Bunlar genellikle plastik kılıflı olup 0°C- 70°C sıcaklık bölgesinde çalışabilirler. Değişik tipte entegre devreler için farklı sıcaklık sınırları belirlenebilir. Üretici firmanın verdiği bilgi arasında sıcaklık sınırları da belirtilir.

TTL (TRANZİSTÖR TRANZİSTÖR LOJİĞİ) DEVRELER

Dijital cihazlarda çeşitli tiplerde entegre lojik devre elemanları kullanılır, aynı lojik fonksiyonları yerine getirmekle beraber sınırları, kapasiteleri, karakteristikleri farklıdır. Belirli ihtiyaçları karşılamak üzere farklı tipte dijital lojik devreler geliştirilmiştir. Son yıllarda çeşitli devreler ortaya çıkmıştır.

Dijital bir cihaz tasarımında en önemli ve en büyük karar dijital lojik devre tipini seçerken verilir. Bu bölümde en çok kullanılan bipolar entegre lojik devre elemanları, TTL'ler üzerinde durulacaktır. Daha sonra doymasız bipolar devreler ve MOS dijital entegre devreler incelenecektir.

En popüler ve yaygın olarak kullanılan dijital entegre devre tipi TTL'dir. Popüler olmalarının başlıca sebebi küçük çapta entegre lojik elemanların ve orta çapta entegre fonksiyonel devrelerin boy çeşit olarak mevcut ve ucuz olmasıdır. Kullanılma kolaylıkları, yüksek performansları devrelerde birbirlerine bağlanabilme yetenekleri diğer tercih sebepleridir. Belirli ihtiyaçları karşılayacak özel tipte TTL devreler mevcuttur. TTL entegre devreler aşağı yukarı 15 yıldan beri kullanılmakta ve yeni cihaz tasarımları için popüler olmalarını sürdürmektedirler. Çok iş görmeleri modern dijital cihazlarda kullanılan standart lojik devreler olmalarını sağlamıştır.