معرفی گرایشهای کارشناسی ارشد برق الکترونیک – آنالوگ یا مدار مجتمع یا مدارهای میکرو الکترونیک

در پست های قبل به معرفی گرایش ادوات پرداختیم . در این پست قصد داریم در مورد گرایش آنالوگ از شاخه های تخصصی مهندسی برق الکترونیک در مقطع کارشناسی ارشد اطلاعاتی مفید را در اختیار علاقمندان قرار بدیم . نام های دیگر این گرایش ، مدار مجتمع یا مدارهای میکرو الکترونیک می باشد .

شاید شما هم مثل بسیاری این سوال را در ذهن خود داشته باشید که :

” آیا دوران آنالوگ به پایان رسیده و شاهد عصر دیجیتال هستیم ؟ آیا این به معنای حذف تدریجی شاخه آنالوگ در جهان است ؟ “

در پاسخ باید عرض کنم که حدود 30 تا 40 سال قبل ( اوایل دهه 80 میلادی ) با ظهور سیستم های دیجیتالی چنین به نظر می رسید که آنالوگ رو به افول و حذف شدن است ولی امروزه می بینیم که مدارات آنالوگ بسیار دقیق و کم مصرف وارد بازار شده و هر ساله صدها مقاله در سطح ارشد و دکترا در زمینه آنالوگ نوشته و به مرحله صنعتی می رسد . چگونه ممکن است ؟

با گسترش رو به رشد سیستم های دیجیتالی محدودیت های این مدارات و نیاز حیاتی و غیر قابل حذف این سیستمها به مدارات آنالوگ نمایان شد .

در واقع سیستمهای دیجیتال برای ارتباط با دنیای خارج به مدارات آنالوگ وابستگی قطعی دارند که قابل حذف یا کاهش نیست .  

در ورودی و خروجی مدارات دیجیتال و بسیاری از ارتباطات داخلی این گذرگاه ها و برخی مدارات داخلی این سیستمها مدارات آنالوگ قرار دارند . 

دنیای پیرامون آنالوگ است . برای ارتباط دیجیتال با جهان نیاز به مدارات ورودی و خروجی آنالوگ می باشد .

این نیاز هرگز با دیجیتال جبران نخواهد شد ( تاکنون چنین بوده است ) .

این نیاز ، کلیدی و حیاتی است و گلوگاه علم الکترونیک محسوب می شود .

این مدارات ورودی و خروجی دارای پیچیدگی ها و ظرافت های بسیاری می باشند و معمولا دارای چندین قسمت با کارکردهای مختلفی هستند .

به طور مثال می توانند دارای مدارات مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) یا دیجیتال به آنالوگ (DAC) باشند .

از قسمتهای دیگر این مدارات می توان به تقویت کننده ها و همچنین فیلترها اشاره کرد .

به عبارت دیگر ممکن است سیگنال ورودی مورد نظر برای پردازش ( مثلا امواج زمین لرزه یا پژواک فراصوت برای بررسی میدان های نفت و گاز یا سیگنال های زیستی داخل بدن و … ) بسیار بسیار ضعیف باشند پس نیاز به تقویت کننده مناسبی می باشد . سپس این سیگنال تقویت شده باید از فیلترهای خاصی عبور داده شود تا نویز آن از بین برود . در مرحله بعدی باید با مدار مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) به دیتای صفر و یک تبدیل شده از این مرحله به بعد دنیای دیجیتال شروع می شود و تا انتهای کار قبل از تحویل داده ( و مواقعی که خروجی دیجیتال مدنظر است تا انتهای کار ) ادامه می یابد .

در خروجی نیز ممکن است عکس مدارات ورودی را داشته باشیم یعنی مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) و تقویت کننده .

شایان ذکر است که هر کدام از این مدارات آنالوگ یعنی ADC ها ، DAC ها ، تقویت کننده ها و فیلترها دارای انواع بسیار زیادی می باشند .

به طور مثال برای تقویت سیگنال های بسیار ضعیف با چالشهای زیادی روبرو هستیم و مثلا در تقویت یا تضعیف جریان از مقادیر یا تا مقادیر فمتو آمپری یا کمتر چالشهای زیادی وجود دارد و موفقیت های زیادی نیز در طراحی مدارات این سطح سیگنال نیز کسب شده است . رسیدن به این ولتاژها و جریانهای بسیار ضعیف یا تقویت آنها اهمیت فوق العاده بالایی در صنعت خواهند داشت زیرا بسیاری سیگنالها بی اندازه ضعیف و نامحسوس هستند مانند سیگنالهای زیستی و … . ضمن اینکه رسیدن به ادوات با مصرف توان فوق العاده پایین اهمیتی حیاتی و کلیدی دارد .

در خصوص معرفی و اختراع مبدلهای دیجیتال به آنالوگ یا آنالوگ به دیجیتال جدید هر ساله ده ها مقاله از مدارات سریع و کم مصرف با کارایی های متفاوت منتشر می شود . چنین شرایطی برای فیلترهای آنالوگ و یا مدارات آنالوگ الکترونیک قدرت ، آینه های جریان و … مواجه هستیم به طوری که پیش بینی می شود تا چند سال آینده شاهد ظهور عصر نوین آنالوگ باشیم و تقاضا برای این مدارات به شدت افزایش یابد .

در تمامی این مدارات ، دیجیتال جایی ندارد و بدون آنها دستگاه های دیجیتالی به هیچ عنوان قادر به کار نخواهند کرد و باید دور انداخته شوند .

در مدارات آنالوگ از همه ویژگی های ترانزیستورها و … استفاده می شود و به طور مثال ترانزیستور ( یا در حد مدار مجتمع یا مدارات مجزا ) صرفاً در ناحیه قطع و اشباع نیست و تقویت کنندگی آن نیز مد نظر قرار می گیرد . یا ویژگی آینه جریان و … .

با ترکیبات مختلفی از ترانزیستورها به شکل تقویت کننده ها یا آینه های جریان یا … و با توجه به روابط و فرمولهای جریان و ولتاژ انواع این قطعات می توان انواع مدارات با توابع ریاضی و … را ساخت که کاربردهای بسیاری خواهند داشت . ( رجوع شود به درس ” مدارات حالت جریان ” از دروس کارشناسی ارشد برق الکترونیک ) .

FPAA ها یا تراشه های برنامه پذیر آنالوگ ، تراشه ای جنجالی و نوظهور در دنیای آنالوگ . معادل FPGA در دنیای دیجیتال ؟؟؟!!!

از چندین سال قبل شاهد ظهور تراشه FPGA در دیجیتال بوده ایم که برای پیاده سازی انواع گیتهای منطقی در مدارات دیجیتالی است .

با این فلسفه اخیراً تراشه ای معادل در دنیای آنالوگ به جهان صنعت معرفی شده است با اسم FPAA یا Filed Programmable Analog Array که در واقع معادل آنالوگ FPGA است و یک تراشه منطقی برنامه پذیر آنالوگ می باشد !!!!!!!!

این تراشه عجیب و نوظهور آنالوگ از واحد یا بلوک هایی به نام CAB تشکیل شده است که هر کدام از این بلوک ها شامل آپ امپ ها ، مقایسه گرها ، آرایه های خازنی یا مقاومتی قابل برنامه ریزی تشکیل شده اند که می توانند عملیات آنالوگی مختلفی از جمله پردازش سیگنالهای آنالوگ ، تقویت ، انتگرال گیری ، مشتق گیری ، جمع و تفریق ، ضرب ، مقایسه ، لگاریتم و نمایی و … را انجام دهند .

FPAA ها توانایی محاسبات دقیق با اعداد اعشاری را دارا هستند و توان مصرفی آنها نسبت به نمونه های مشابه دیجیتالی پایین تر است .

در پایان می توان گفت که نه تنها آنالوگ را پایانی نیست بلکه جهان وارد دنیای جدیدی از این شاخه صنعتی شده است بویژه در سطح مدارات مجتمع .

طراحی در بخش آنالوگ از پیچیدگی های بسیار بیشتری نسبت به دیجیتال برخوردار است و هزینه بر و زمانگیر است و به خلاقیت و مهارت بالایی نیاز دارد . آنالوگ گلوگاه صنعت الکترونیک محسوب می شود که شرط کار کردن یک مدار دیجیتال ( از موبایل گرفته تا تجهیزات فضایی و … ) بدون چون و چرا به دقت و ظرافت مدارات پایه آنالوگ وابسته است . بنابراین طراحان این بخش مخصوصاً در سطح مدار مجتمع در جهان از دستمزد بسیار بالایی برخوردارند . به طور مثال دستمزد یک طراح آنالوگ در سطه مدار مجتمع در ایالات متحده آمریکا ماهیانه حدود 40 هزار دلار می باشد .

تحصیل در این گرایش به معنای عدم توانایی در بازار کار دیجیتال ایران نیست زیرا در صنعت کشور ما معمولاً دانش دیجیتال در سطح کارشناسی استفاده می شود ( بجز صنایع HI-TECH مثل پردازش تصویر ، هوش مصنوعی ، FPGA و … که البته این موارد را نیز با دروس اختیاری یا به شکل آزاد می توان فراگرفت ) .

از نرم افزار های بسیار کاربردی این گرایش در مقطع کارشناسی ارشد می توان به نرم افزار H-SPICE اشاره کرد .

دروس کارشناسی ارشد مهندسی برق – الکترونیک ( مدارهای میکروالکترونیک یا مدار مجتمع یا آنالوگ )

دروس جبرانی(6 واحد)

– فیزیک الکترونیک
– پردازش علائم دیجیتال
دروس اجباری(9 واحد) 
– cmos i
– روشهای ساخت مدارهای مجتمع

– الکترونیک دیجیتال

سمینار کارشناسی ارشد(2 واحد)

پایان نامه کارشناسی ارشد الکترونیک(9 واحد یا 6 واحد)

دروس اختیاری(9 واحد یا 12 واحد)

– cmos ii
– طراحی مدارهای مجتمع : طراحی (vlsi (i ، طراحی (vlsi (ii
– ادوات نیمه هادی پیشرفته
– مدارهای مجتمع rf
– الکترونیک پیشرفته
– طراحی با کمک fpga
– مباحث ویژه در الکترونیک

دروس دیگر اختیاری که به تصویب گروه رسیده باشد.

جمع : 32 واحد

امید است داوطلبان با مطالعه این نوشتار بتوانند با دیدی باز نسبت به اولویت بندی این گرایش در لیست علایق خود اقدام کنند .

با تشکر

جواد کاکاوند

کارشناسی ارشد مهندسی برق الکترونیک

دانشگاه علم و صنعت ایران (تهران)