يلي بدو حلقة بحث للدارات المتكاملة(تجميع)

ترانزستور التأثير المجالى والمصنوع من أشباه الموصلات والأكسيد والمعدن مقدمة : تعتبر أشباه الموصلات النقية (مثل الجرمانيوم والسليكون) موادا ليست جيدة التوصيل للكهرباء كما أنها ليست رديئة التوصيل للكهرباء . وتتوزع الإلكترونات فى أشباه الموصلات حول أنويتها فى مدارات ولكن تتميز أشباه الموصلات النقية بوجود 4 إلكترونات فقط فى المدار الأخير مما يجعلها مستقرة . أى أنها لا تنقل الكهرباء إلا بعد أن يتم تحرير إلكترون من الأربعة عن طريق الحرارة أو عن طريق إضافة شوائب . كما أنها تتحول لعوازل عندما نجبرها على إستقبال إلكترونات أخرى فى مدارها الأخير (بإضافة شوائب ايضا). البلورة السالبة N : بإضافة شوائب من مادة يحتوى المدار الأخير للإلكترونات حول ذراتها على 5 إلكترونات مثل الفسفور أو الزرنيخ إلى المادة شبه الموصلة تتكون البلورة السالبة N وهى موصلة حيث يزيد فيها عدد الإلكترونات (السالبة) الحرة . البلورة الموجبة P : بإضافة شوائب من مادة يحتوى المدار الأخير للإلكترونات حول ذراتها على 3 إلكترونات مثل البورون والألومينيوم والجاليوم إلى المادة شبه الموصلة تتكون البلورة الموجبة P حيث ينقصها إكتساب إلكترونات للوصول لحالة الإتزان (يعنى وجود فجوات Holes). الوصلة الثنائية : عند توصيل بللورة من نوع P مع بلورة من نوع N كما بالشكل المرفق تنجذب بعض الألكترونات الحرة من البللورة N إلى الفجوات فى البلورة P وتتكون منطقة وسطية فارغة من حاملات التيار (بعد أن أنجذب كل ألكترون فى هذه المنطقة مع فجوة ولم يعد حرا) وتسمى هذه المنطقة بالمنطقة الميتة (أو المنزوحة) Depletion Area ونتيجة لهذه الظاهرة ووجود نوعين مختلفين من حاملات الشحنة على جانبى المنطقة المنزوحة يتكون جهد على هذه المنطقة يعرف بالجهد الحاجز Barrier Voltage . والوصلة الثنائية هى فى الحقيقة الثنائى المعروف بالدايود . الإنحياز الأمامى : الشكل المرفق التالى يبين الإنحياز الأمامى للثنائى حيث يوصل الطرف الموجب للبطارية بالبلورة P والطرف السالب بالبللورة N وبهذه الطريقة نستطيع أن نقلل من الجهد الحاجز وندفع الإلكترونات للمرور عبر المنطقة المنزوحة لتغلق الدارة ويمر التيار فيها. الإنحياز الخلفى (العكسى) : الشكل المرفق التالى يبين الإنحياز العكسى للثنائى حيث يوصل الطرف الموجب للبطارية بالبلورة N والطرف السالب بالبللورة P وبهذه الطريقة نستطيع أن نزيد من الجهد الحاجز وندفع الإلكترونات للإنجذاب للطرف الموجب للبطارية والفجوات للإنجذاب للطرف السالب للبطارية مما يزيد من الجهد الحاجز والمنطقة المنزوحة ويوقف مرور التيار فى الدارة. ترانزستور التأثير المجالى والمصنوع من أشباه الموصلات والأكسيد والمعدن : كل هذه المقدمة كانت لوضع الأساس الذى سنستند عليه فى عمل الترانزستور المجالى MOSFET 1- طبقة سفلية Substrate وهى إما من النوع N أو من النوع P 2- منطقتين من بلورتين من نفس النوع (بعكس الطبقة السفلية N <==> P ) ويمثلان طرفين من أطراف الترانزستور وهما (المصرف Drain والمنبع Source). 3- طبقة من الأوكسيد (ثانى أكسيد السليكون SIO2) وهى مادة غير موصلة للتيار الكهربى (عازلة). 4- طبقة من المعدن وتمثل الطرف الثالث للترانزستور وهو البوابة Gate >> ونجد أيضا أن هذا الترانزستور له نوعان هما ال P-Cahnnel وال N-Channel بحسب أختيار نوع الطبقة السفلية والبلورتين الجانبيتين (المصرف والمنبع). >> ومن النقاط الأربع السابقة نكون قد فهمنا الجزء MOS (شبه موصل - أكسيد- معدن) من أسم هذا الترانزستور . فكرة عمل الـMOSFET : فى هذا النوع من الترانزستورات يتم التحكم بتيار الخرج عن طريق جهد (المجال الكهربى) الدخل .. فكيف ذلك ؟ (حيث تم توصيل المصرف بالطرف الموجب لبطارية والمنبع بالطرف السالب لها) 1- فى حالة عدم وضع جهد على البوابة Gate فإنه لن يمر أى تيار بين المنبع والمصرف 2- فى حالة وضع جهد موجب على البوابة - لاحظ أن الترانزستور من نوع القناة N - فإن الإلكترونات الحرة الموجودة فى بلورتى المنبع والمصرف ستنجذب للمجال الكهربى الموجب المتكون عند البوابة مكونة قناة لمرور التيار بين المنبع والمصرف. ويتغير حجم هذه القناة تبعا لقوة المجال الكهربى عند البوابة وبالتالى تتغير قيمة التيار المار بين المنبع والمصرف. 3- ى حالة وضع جهد سالب على البوابة - لاحظ أن الترانزستور من نوع القناة P- فإن الفجوات الموجودة فى بلورتى المنبع والمصرف ستنجذب للمجال الكهربى السالب المتكون عند البوابة مكونة قناة لمرور التيار بين المنبع والمصرف. ويتغير حجم هذه القناة تبعا لقوة المجال الكهربى عند البوابة وبالتالى تتغير قيمة التيار المار بين المنبع والمصرف. لاحظ أنه لوجود مادة الأوكسيد (العازلة) بين البوابة وبقية الترانزستور فإن التيار لا يمر بينهما . وفقط يتم التحكم بالتيار المار بين المنبع والمصرف عن طريق الجهد (المجال الكهربى) الموجود على البوابة. الـMOSFET المتمم (CMOS) : مصطلح الCMOS هو أختصار للجملة Complementary Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor وهو عبارة عن دارة تجمع بين ترانزستورين من نوعى N-Channel ,P-Channel ويكون عمله كالآتى : 1- عندما يكون مستوى الدخل منخفضا على البوابة (LOW) يعمل الترانزستور P-MOS FET (أى الترانزستور ذو القناة P) على تمرير التيار من مصدره لمصرفه . ولا يعمل الترانزستور الآخر. 2- عندما يكون مستوى الدخل مرتفعاعلى البوابة (High) يعمل الترانزستور N-MOS FET (أى الترانزستور ذو القناة N) من مصرفه لمصدره . ولا يعمل الترانزستور الآخر. أى أنه فى دارة الCMOS يعمل الN-MOS و الPMOS بصورة عكسية (أحدهما يمرر والآخر لا). ويستفاد من هذه الحالة عند التعامل مع تيارت عالية (قدرات عالية) فيخفف ذلك من تسخين كلا من الترانزستورين حيث يعمل كلا منهما نصف الوقت بينما يريح الأخر مع الحفاظ على حالات الخرج وذلك بإدخال نبضة ساعة على البوابة . تعتبر الترانزستورات من نوع MOSFET خليفة الترانزستورات BJT حيث تدخل فى معظم الدارات الحديثة وخصوصا فى بناء الدارات المتكاملة والدارات الرقمية خاصة لما تتميز به من سرعة فى الأداء خصوصا عند إستخدامها كمفاتيح

ملحوظة





الشكل(1) الموضح بالاسفل يبين التركيب الداخلي لشريحة (PAL)

ومن الواضح في الشكل انها تتكون من دوائر (OR, AND) مرتبطة سويا بواسطة مجموعة فيوزات

هـ) الشرائح الالكترونية المصنعة لغرض محدد (ASIC)

وهي شرائح الكترونية يتم بناؤها لتنفيذ غرض محدد وهناك نوعان منها:-

1)النوع الأول شرائح تحتوي بداخلها على العديد من الدوائر الالكترونية

2)النوع الثاني شرائح تحتوي بداخلها على دائرة واحدة

وهذه الشرائح يتم ضبطها لتنفيذ غرض محدد أثناء عملية التصنيع

و) الشرائح الالكترونية المعقدة القابلة للبرمجة(CPLD)

هي شرائح الكترونية أكثر تعقيدا من شرائح(PLD) وتحتوي بداخلها على بلوكات من شرائح (PLD) وهي تشبه الى حد كبير في تعقيدها شرائح (PAL) التي سبق شرحها ولكن شرائح ((CPLD عدد الدوائر بها أكثر

ز) الشرائح الالكترونية Field Programmable Gate Arrays (FPGA)

هي شرائح الكترونية تركيبها العام يسمح باستيعاب عدد كبير جدا من الشرائح الالكترونية وفي حين ان شرائح(CPLD) بها امكانية تواجد عدد كبير من الشرائح الالكترونية بداخلها فان شرائح (FPGA) تسمح بعدد محدود من الدوائر بداخلها ولكنها يتوافر بها عدد اكبر من دوائر الفليب فلوب (Flip-Flop) نسبة الى عدد الدوائر المسموح بها في شرائح (CPLD)

- التركيب االداخلي لشرائح (FPGA)

أ) تتكون شرائح(FPGA) داخليا من بلوكات من الدوائر الالكترونيةوكل بلوك يتكون من دوائر صغيرة موزعة على هيئة مجموعة من الخلايا(LOGIC CELLS) وتتكون كل خلية عادة من دائرة فليب فلوب (Flip-Flop)وبعض الدوائر الاخرى التي تختلف حسب كل من الشركة المصنعة (Vendor)والـ (Family)التي تنتمي لها شريحة الـ (FPGA)







ملحوظة



ب) كما يتواجد داخل الخلايا (Logic Cells)دائرة LUT (Look up Tables)وهي تشبه الـ(ROMs) بعض أنواع شرائح FPGAيتواجد بها دوائر ذاكرة أخرى مثل SRAMو(Dual Port Memory) و(CAM)وهي دوائر يتم استخدامها بشكل خاص إما في لغة (HDL)او باستخدام دوائر خاصة في عملية رسم الدوائر بالبرامج الخاصة schematic entry



جـ) وسائل الربط والتوصيل(Routing Resources) بين دوائر شريحة (FPGA)
وسائل الربط والتوصيل في شريحة (FPGA)هي قنوات توصيل

(Routing Channels)وأسلاك ومفاتيح تربط بين الدوائر الداخلية مثل دوائر Memory, LUT & Logic Cells



د) pinsأطراف التوصيل الخارجية

وبهذه الوسائل يمكن الربط بين الدوائر الداخلية في الشريحة أطراف التوصيل الخارجية (PINs) لشرائح (FPGA)
تختلف في كيفية توزيعها وترتيبها فبعض الشرائح يتم توزيع ترتيبها بطريقة
(TTL)أو(CMOS) أو(PCI) أو (AGP) او اي طريقة اخرى. لذلك فان شرائح (FPGA)يمكن ان تستخدم للربط بين تكنولوجيات مختلفة من تكنولوجيات الدوائر



هـ) pinsأطراف التوصيل الخارجية (Clock) و (PLL)

بعض شرائح (FPGA) تخصص أطراف توصيل ذات سرعة عالية للـ (Clock) و (Reset) وبعض شرائح (FPGA) يمكن ان يكون لها بلوكات للتحكم في ال (Clock) و (PLL) مثل (ClockMultiplier) و (Divider)





5- أمثلة عن شرائح (FPGA)(من شركات مختلفة)

‌أ. (Xilinx Spartan and Virtex Families)

‌ب. (Altera Apex and Acex Families)

‌ج. (Actel)

‌د. (Lucent Orca Devices)

6- اللوحات الالكترونية المخصصة لشرائح (FPGA) هناك العديد من اللوحات الالكترونية المخصصة لشرائح (FPGA) ومنها ‌أ. لوحات عرض (Demo) للشرائح ‌ب. ولوحات اخرى لتطبيقات معينة (Applications ) هذه اللوحات تتراوح من :- ‌أ. لوحات مخصصة لشرائح (FPGA) الصغيرة يمكن ان تكون مزودة بـ (External Headers) ومجموعة توصيلات ‌ب. وحتى لوحات كبيرة ومعقدة مزودة بشرائح ربط أخرى (Interface Chips) وكذلك بشرائح (FPGA) وفيما يلي بعض مصادر اللوحات الالكترونية المخصصة لشرائح(FPGA) ‌أ. Xess boards (some of them are suitable for beginners) ‌ب. Altera SOPC boards ‌ج. http://www.burched.com.au/B5Spartan2.html 7- أساليب تصميم برنامج شريحة (FPGA) تصميم برنامج الشرائح الالكترونية واحد لكل المهندسين المتخصصين والطلبة والهواة والفرق الوحيد هو مدى تعقيد التصاميم والادوات التي يستخدمها المصمم والتي يمكن ان تتوفر بها امكانيات افضل لمعالجة التصاميم وتحليلها وتمر عملية التصميم بمراحل هي:- أ - تحديد الغرض من الشريحة تحديد المشكلة المراد حلها والغرض من الشريحة ومانحتاج لتنفيذه والتي تعد خطوة مهمة قبل البدأ بالتصميم ب - وضع التصميم هذه الخطوة هي مانفعله عادة بواسطة الورقة والقلم ولكن يتم تنفيذها هنا بطريقة منظمة تعتمد على الكمبيوتر وهي اكثر الخطوات اهمية منذ بدء التصميم وهناك طريقتان لوضع التصميم هما:- 1) طريقة التصميم الأولى (رسم الهيكل البنائي للدائرة الكهرية) (schematic Entry) ويعتبر ذلك مماثلا لرسم الهيكل البنائي لاي دائرة الكترونية وهي خطوة يتم فيها رسم المكونات الالكترونية على لوحة من الورق أومباشرة على صفحة (Sheet) ببرنامج الحاسوب ويتم توصيلها سويا. وهذه الطريقة غير مجدية للتصميمات كبيرة الحجم التي تحتوي على العديد من المكونات والدوائر 2) طريقة التصميم الثانية (كتابة برنامج باستخدام احدى لغات HDL) هو الأسلوب الذي يصف تركيب الدوائر الالكترونية باستخدام برنامج كمبيوترواحدى لغات (HDL) مثل VHDL & Verilog هي لغات كمبيوتر مثل لغة الـ (C) والـ (C++) والـ (Pascal) والـ (Basic) ولمزيد من المعلومات عن هذه اللغة يمكنك مراجعة الجزء الخاص بشرح هذه اللغة باخر الملخص جـ - المحاكاة (Simulation) بالرغم من أن شرائح (FPGA) يمكن برمجتها ومسحها بسهولة في حالة حدوث خطأ ولكن في حالة التصميمات الكبيرة فانه من الافضل ان يتم اكتشاف الاعطال واصلاحها قبل ان تتم عملية البرمجة وبهذه الطريقة يمكن توفير الوقت اللازم لبرمجة شرائح (FPGA) لذلك نلجأ لعملية المحاكاة لاكتشاف الأعطال ومن ثم اصلاحها د - تحليل التصميم (Synthesis) هي عملية استنباط مكونات الدائرة التي تم تصميمها بواسطة لغة (HDL) لتحويل الوصف الى دوائر الكترونية وهذه الخطوة لاتستخدم في حالة استخدام اسلوب رسم الهيكل البنائي للدائرة schematic Entry هـ- وضع المكونات في أماكنها والربط بينها(Place and route) هذه الخطوة تستخدم لمقابلة الدوائر المصممة بالدوائر والموارد المتاحة بالFPGA ووضع الدوائر بالاماكن المناسبة بالشريحة وبعد وضع المكونات في أماكانها يتم ربطهم سويا طبقا لتصميم الدائرة باستخدام قنوات التوصيل والأسلاك الداخلية. هذه الخطوة تربط كذلك بين أطراف التوصيل الخارجية للشريحة(pins) مع باقي أجزاء الدائرة الداخلية التي سيتم توصيل الشريحة بها و- توليد الـ(Bit Stream) عملية توليد الـ (Bit Stream) أو ملف البرمجة (Programming File) الذي يحتوي على كل المعلومات عن تصميم الدائرة وكيف يتم مقابلة التصميم بالمواردالموجودة بال(FPGA) وكيف ينبغي ان تتصل المفاتيح الداخلية للـ(FPGA). وهو الملف الذي يستعمل لبرمجة الشريحة. وبرمجة ملف الـ (Bit Stream) يعتمد على الشريحة والشركة المصنعة لها وكل شريحة لها طريقة برمجة محددة ويتم تزويدها ببرنامج خاص لبرمجتها ملحوظة الخطوات الثلاث الخيرة تنفذ عادة بواسطة برامج مخصصة لشرائح (FPGA) من قبل الشركة المصنعة للشريحة – طقنية (Hardware Description Languages ) (HDL) اللغات الوصفية للالكترونيات كما تم الشرح مسبقا فان (HDL) هي طريقة من طرق وضع تصميم شرائح (FPGA) وفي الحقيقة فانها يمكن ان تكون طريقة لتصميم الهاردوير (Hardware Design) وهي ببساطة طريقة لوصف تصميم الهاردوير بطريقة لغة شبيهة باللغة التي يتحدث بها البشر (Human -Like) والتي تشبه لحد كبير لغات برمجة الحاسوب وهناك العديد من لغات (HDL) بعضها بسيط وبعضها معقد ومعظم هذه اللغات يمكن ان تصف عمليات ديجيتال أساسية مثل (AND,OR,NOT) واللغات الأخرى الأكثر تعقيدا والأكثر تقدما للمستخدم ان يصف التصميم بطريقة يمكن ان يتم قراءتها بواسطة البشر علي سبيل المثال فانها تسمح للمستخدم ان يستخدم أوامر (Loops,Case,If) والتي تجعله يركز على التصميم نفسه (كبرنامج) وليس على الهاردوير و معظم لغات (HDL) تعرف أطراف الدخل والخرج للشريحة ووظائفها الداخلية ومن أمثلتها(Verilog) و (VHDL) و (AHDL) ويمكنك مراجعة الأمثلة الخاصة بلغة (VHDL) في القسم الخاص بذلك 9 – الأدوات(البرامج المحوسبة) (Tools) Simulation: Modelsim, Active-HDL, NC-SIM Synthesis: Leonardo, Synplify, Synopsys Place and Route: Altera Quartus, Xilinx Foundation. معظم الشركات المنتجة لشرائح (FPGA) تنتج برامج بسيطة للمحاكاة والتركيب والربط وهي تفيد في التصميمات الصغيرة والمتوسطة الحجم هذه الأدوات مناسبة لهواة تصميم الدوائر الالكترونية وللطلبة وحتى للشركات التي تحتاج الى تنفيذ دوائر بسيطة وعادة ما تكون هذه البرامج مجانية من مواقع الشركات على الانترنت.

11- لماذا نستخدم الشرائح الالكترونية القابلة للبرمجة؟



‌أ. ليس هناك حاجة لعملية تصنيع معقدة لتنفيذ الدوائر الالكترونية باتخدام شرائح (FPGA) اذا كانت الدائة الالكترونية موجودة أصلا ضمن مكونات شريحة (FPGA) ملف (Bit Stream) يتم الاحتياج اليه عند برمجة شريحة (FPGA) وتغير الوظيفة الخاصة بها

‌ب. وانه من الاسهل تصميم واكتشاف العيوب وتعديلها في شرائح (FPGA) بالنسبة لشرائح (ASIC)


12 - بناء وحدة معالجة مركزية لغرض خاص



نظرا لان شرائح (FPGA) يسهل برمجتها وتصميمها فان الشركات يمكنها بناء وتنفيذ وحدات معالجة مركزية خاصة ولهذا السبب فان هناك العديد من وحدات المعالجة المركزية المجانية على صفحات الانترنت مثل www.opencores.org


13 - الدوائر الالكترونية القابلة لتغيير وظائفها أثناء تشغيلها



أحد مزايا الشرائح الالكترونية القابلة للبرمجة انها يمكن اعادة تغيير وظيفتها أثناء عملها، وهذا يعني أن وظيفة الشريحة الالكترونية (FPGA) يمكن ان يتم تغييرها خلال تشغيلها ، ميزة هذه الخاصية هي أنه يمكن لشخص ما وضع العديد من التصميمات داخل شريحة (FPGA) وهذه التصميمات لاتعمل في شريحة (FPGA) في نفس الوقت ولكن يتم تشغيل بعضها فقط عندما يتم الحاجة اليهم وفي هذه الحالة يمكننا وضع العديد من التصميمات في شريحة (FPGA) واحدة أكثر بكثير من الحجم الحقيقي لها

على سبيل المثال هناك بعض التصميمات تحتاج ان يتم تنفيذها فقط عند بداية تشغيل النظام الالكتروني ثم لايتم استخدامها بعد ذلك اما باقي التصميمات فيمكنها أن تعمل فقط عندما يحتاج المستخدم منها أن تعمل لذلك اذا قمنا بوضع كل هذه التصميمات معا على شريحة (FPGA) فاننا سنحتاج شريحة (FPGA) كبيرة جدا ولكن بفضل خاصية امكانية تغيير وظيفة الشريحة اثناء تشغيلها فاننا يمكننا وضع العديد من التصميمات على شريحة (FPGA) واحدة ثم نقوم بتشغيل التصميم الذي نرغب أن تعمل الشريحة طبقا له موضع التنفيذ ثم نقوم بفصل هذا التصميم وتشغيل تصميم آخرطبقا لاحتياجاتنا وبذلك نقلل الحجم الذي تحتاجه شريحة (FPGA)


14 - تصميمات الشرائح الالكترونية المعروضة بشكل مجاني



كما هو متبع في مجال تصميمات برامج الكمبيوتر المعروضة بشكل مجاني فان تصميمات الهاردوير لشرائح (FPGA) يتم عرضها بشكل مجاني لاستخدامها في برمجة شرائح (FPGA) ولغات (HDL) ، المصممون والهواة يمكنهم كتابة كود (HDL) ثم نبرمج هذا الكود على شرائح (FPGA) ثم يتم تبادل هذا الكود بين المصممين عير العالم ويمكن للمصممين مراجعة وتعديل هذا الكود

باختصار فان كود (HDL) وشرائح (FPGA) يشبهون كود تصميمات برامج الكمبيوتر المعروضة مجانا مثل ماهو موجود للنظام (Linux) وفي يوم ما سيكون لدينا تصميمات معروضة مجانا لوحدات المعالجة المركزية وحاواسيب