Temel elektronik serimizin bu yazısında sizlere elektronik devrelerin vazgeçilmezlerinden olan entegreden bahsedeceğim.
Entegrelerle alakalı spesifik bir başlığa ulaşmak isterseniz, aşağıdaki bağlantıları kullanarak hızlıca ulaşabilirsiniz:

Entegre Nedir?

Entegre (İngilizcede integrated circuit veya IC gibi kısaltmalarla da anılır), kelime anlamı olarak bütünleştirmek, bütünleşik gibi anlamlara gelmektedir. Elektronik devrelerde ise çok sayıda devre elemanlarını tek bir devreyi oluşturacak şekilde (ses amfisi, motor sürücü, mikrokontrolcü vs.) tek bir çekirdekte toplayan eleman olarak bilinir.

entegre dip16
DIP16 kılıfında bir entegre.

İngilizcede entegre yerine kullanılan “chip” ismi, ahşap yongası anlamına gelmektedir. Bu terimin tam olarak Türkçe karşılığı ise “yonga”dır.

Entegrenin Tarihçesi:

Entegrelerin gelişmesini tetikleyen icat bilgisayardır. Yaklaşık olarak 1940’lı yılların başından 1960’ların ortalarına kadar üretilen bilgisayarlar lamba, direnç, kapasitör gibi tekli devre elemanlarının el ile birleştirilmesiyle üretilmekteydi. Örnek vermek gerekirse, 2. Dünya Savaşı esnasında ABD’de askeri amaçlı olarak üretilmiş ilk bilgisayar örneklerinden olan ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer, elektronik sayısal entegratör ve hesaplayıcı) 20.000 adet lamba (vakum tüpü), 7200 adet kristal diyot, 1500 adet röle, 70.000 adet direnç, 10.000 adet kapasitör ve yaklaşık olarak her birisi elle lehimlenmiş 5.000.000 bağlantıdan oluşmaktaydı (*).

eniac
İlk bilgisayar: ENIAC

Bilgisayarların gücünü arttırmak için daha fazla sayıda devre elemanına ihtiyaç duyulacağından, bu numaralar her zaman daha da artacak, ve sonunda bu yöntemler ile yapılması imkansız bir hal alacaktı. 1950’li yılların ortalarında transistörün yaygınlaşması sayesinde bilgisayarlarda transistörler kullanılmaya başlandı. Böylece devrelerde kullanılan lambaların yerini transistörler aldı, fakat bilgisayarlar hala tek tek elle lehimlenmesi gereken yüzlerce hatta binlerce sayıda transistöre ihtiyaç duymaktaydı.

bilgisayarın içi
İlk bilgisayarların iç yapısı tek tek elle lehimlenen devre elemanlarından oluşuyordu (kaynak: https://youtu.be/6-tKOHICqrI?t=45s).

12 Eylül 1958’de, Texas Instruments firmasının bir çalışanı olan Jack Kilby, ilk entegre devreyi tanıttı. Böylelikle her bir devre elemanını tek tek birbirine bağlamak yerine, tüm bağlantıları hazır olacak şekilde tek bir devre elemanı kullanılabilecekti. Kilby’nin üretmiş olduğu entegreler germanyumdan imal ediliyordu. 1959 yılında Fairchild Semiconductor firması çalışanı Robert Noyce tarafından germanyum yerine dünya üzerinde çok daha fazla miktarda bulunan silikon kullanılarak entegrelerin daha kolay üretilebilmesi ve yaygınlaşması sağlandı (*).

jack kilby - robery noyce
Solda Jack Kilby, sağda Robert Noyce’u görmekteyiz.

İlk entegreler birkaç adet transistörden oluşmaktaydı. Bu yapı bile, lojik kapıları gibi bilgisayarların temel yapı taşlarının boyutunun çok daha küçülmesini sağlayabiliyordu.

entegre transistor
İlk entegreler yalnızca birkaç adet transistörden oluşmaktaydı (kaynak: https://youtu.be/6-tKOHICqrI?t=3m55s).

Bu teknikle üretilen entegreler, en fazla 5 adet civarında transistöre sahip olabiliyordu. Çok daha fazla sayıda devre elemanının entegre edilebilmesi, fotolitografi tekniği sayesinde mümkün olmuştur.

Bu teknikte tabaka halinde bir silikon levha üzeri fotorezist isimli ışığa duyarlı bir malzeme ile kaplanır. Bu kaplama, daha sonra devrenin çizili olduğu bir maskeden geçen ve fotorezistin duyarlı olduğu bir ışık kaynağına maruz bırakılır. Böylelikle maskede belirliten kısımlardaki fotorezistin ışık sayesinde sertleşmesi sağlanır. Daha sonra fotorezistin kaplamadığı alanlar bir kimyasal aracılığıyla çözdürülerek ortadan kaldırılır.

fotolitografi
Fotolitografi tekniğinin uygulanışı.

Fotolitografi tekniğinin gelişmesi sayesinde çok küçük alanlara milyarlarca elektronik devre elemanı sığdırabilmek mümkün olmuştur. Günümüzde kullandığımız cep telefonu ve bilgisayar işlemcilerinin bu kadar güçlü olabilmesi bu sayededir.

İlk “entegre” bilgisayar işlemcisi, 1970 yılında üretilen Intel 4004’tür.

intel 4004
Intel 4004

Entegre Çeşitleri

Entegreler içerdikleri elektronik devre elemanı sayısı, işlevleri, üretim teknikleri ve kılıfları gibi farklı kategorilere göre sınıflandırılabilirler.

  • TTL ve CMOS Entegreler:

Entegreler, sahip oldukları transistör tipine göre TTL ve CMOS olmak üzere iki farklı çeşide sahiptir. TTL entegrelerde BJT tipi transistörler bulunurken CMOS entegrelerde MOSFET tipi transistörler bulunur.

ttl vs cmos
Her ikisi de 4’lü NAND kapısı entegresi, fakat soldaki TTL (7400), sağdaki ise CMOS (4011)

TTL ve CMOS entegrelerin lojik 1 ve 0 için kullandığı gerilim eşikleri farklıdır.

ttl gerilim seviyesi
TTL lojik gerilim seviyeleri.
cmos gerilim
CMOS lojik gerilim seviyeleri.

Günümüzde enerji verimliliği ve hızları sebebiyle işlemciler CMOS teknolojisi kullanılarak üretilmektedir.

CMOS entegrelere örnek olarak 10 adet çıkışa sahip bir sayıcı entegresi olan 4017‘yi verebiliriz. Sıralı yanan LED uygulamalarında sıklıkla tercih edilen bir entegredir.

4017 entegre
4017 entegresi.
4017 örnek devre
555 timer entegresi ve 4017 entegresi ile oluşturulmuş kayan LED devresi.

Hobi elektroniğinde çokça kullanılan bir diğer entegre ise 555 entegresidir. Bu entegre ile çok farklı projeler yapılabilmektedir, bir sonraki yazımızda detaylı olarak bu devrelere değineceğiz.

555 entegre
555 entegresinin iç yapısı.
  • Kılıflarına Göre Entegreler:

Entegreler, delikli kartlara lehimlenecek şekilde THT tipinde (through hole technology) veya devre kartı üzerine lehimlenecek şekilde SMD (surface mount device) kılıflarda üretilebilirler.

arduino smd dip
Arduino UNO’nun SMD (solda) ve DIP (sağda) kılıflarda mikrokontrolcüye sahip sürümleri bulunmaktadır.

Through hole entegreleri breadboard üzerinde veya devre kartında lehimleyerek kolayca kullanabiliriz. Çoğunlukla bu tip entegreler DIP (dual-inline package, çift sıralı) kılıfta üretilmektedir.

74hc595 dip
Popüler bir entegre olan 74HC595’in DIP kılıflı örneği.

SMD entegreler ise makineler tarafından üretilen devre kartlarında kullanılmaları için tasarlandıklarından dolayı çok daha küçük yapılarda olabilir. Hobi elektroniğinde kullanılacak SMD entegreler, breadboard veya delikli kartlarda kullanılabilmesi için genellikle breakout board ismi verilen kartlar üzerine lehimlenmiş olarak da bulunmaktadır. Ayrıca SMD entegreleri DIP olarak kullanmanıza olanak tanıyan dönüştürücüler de mevcuttur.

smd dip dönüştürücü
SOIC tipindeki SMD entegrelerinizi DIP şeklinde kullanmanıza olanak tanıyan breakout kartı.

SMD entegreleri THT entegreler kadar kolay olmasa da biraz pratik ve doğru ekipman kullanarak kendimiz de lehimleyebiliriz 🙂

Mikroişlemci, Mikrokontrolcü ve Mikrobilgisayarlar:

Günümüzde kullandığımız bilgisayarlardaki mikroişlemciler, en yüksek teknoloji ile üretilmiş entegrelerdir. 2017 yılının teknolojisi ile üretilen işlemcilerde yer alan transistörlerin her birisi 14nm büyüklüğündedir (nanometre: metrenin milyarda biri).

intel cpu
Güncel Intel işlemciler (8.nesil), 14nm üretim teknolojisini kullanmaktadır.

Mikroişlemcilerin yanı sıra Arduino gibi kartlarımızda kullandığımız mikrokontrolcülerde ise bilgisayarlarımızın modüler yapısı yerine merkez işlem birimi (CPU), bellek (RAM), program hafızası (sabit disk olarak düşünülebilir) gibi gerekli birimlerin tamamı tek bir entegrede toplanmıştır.

atmega328p-pu mikrokontrolcü
Arduino UNO kartlarımızdan tanıdığımız ATmega328P mikrokontrolcü entegresi

Mikrokontrolcü entegreleri programlanabilir yapıdadır. Böylelikle tek bir iş yapılacak nispeten daha basit uygulamalarda (örneğin sensör ölçümü, hırsız alarmı, kablosuz haberleşme v.b.) bu entegreler kullanılır. Yazılan program mikrokontrolcünün flaş program hafızasına kaydedilir ve entegreye enerji verildiğinde sürekli olarak çalışır. Atmel, PIC, Texas Instruments gibi firmalar entegreler çok farklı çeşitlerde mikrokontrolcü entegreleri üretmektedir.

Teknolojinin gelişmesinin avantajı ile basit mikrokontrolcüler yerine tüm bir mikrobilgisayar tek bir entegre boyutuna indirilebilmiştir. Böylelikle tıpkı kişisel bilgisayarlarımız gibi yüksek işlem gücü sunabilen merkez işlem birimi (CPU), bellek (RAM), grafik işlem ünitesi (GPU) gibi karmaşık yapılar tek bir entegrede toplanabilmiştir. Bu yapıya genellikle system-on-chip (SoC) ismi verilir. Cep telefonu, tablet ve Raspberry Pi gibi kartlarımız bu entegreleri kullanır.

bcm2837 soc
Raspberry Pi 3’te kullanılan Broadcom BCM2837 SoC entegresi.

Datasheet’ler

Bir entegre hakkında detaylı bilgiye sahip olabilmemiz için entegrenin tüm özelliklerini sunan datasheet isimli dökümana ihtiyaç duyarız. Bu belgede entegrenin çalışma gerilimi ve çektiği akım gibi elektriksel karakteristikleri, fiziksel çalışma koşulları, örnek uygulama devreleri gibi çoğunlukla ihtiyaç duyduğumuzdan daha fazla miktarda bilgi yer alır.

Kullanacağımız entegrenin datasheet’ine erişmek için Google en büyük kaynağımızdır 🙂 Genellikle entegrenin ismi + datasheet şeklinde yapacağımız bir araştırma (örneğin 74HC595 datasheet) bize yüzlerce sayfa sonuç çıkartacaktır.

 

CEVAP VER

Please enter your comment!
Please enter your name here