معرفی و بررسی تخصصی گرایش الکترونیک

مهندسی برق به چهار گرایش اصلی تقسیم می شود :

الکترونیک (مدار مجتمع – افزاره های میکرو نانو الکترونیک – دیجیتال)

قدرت (سیستم های قدرت – الکترونیک قدرت و ماشین)

مخابرات (سیستم – شبکه – میدان و موج – مخابرات نوری – مخابرات امن و رمز نگاری)

کنترل

گرایش هایی فرعی (زیرگروه) :

مهندسی پزشکی (بیوالکتریک)

مکاترونیک

راه آهن برقی (ضرایب قدرت)

مدیریت انرژی (ضرایب قدرت)

مهندسی هسته ای (میان رشته ای) :

مهندسی اتوماسیون و ابزار دقیق در صنایع نفت (میان رشته ای)

در این میان به بررسی رشته برق گرایش الکترونیک می پردازیم .

در مقطع کارشناسی ارشد این رشته به سه گرایش مدار مجتمع (به این گرایش ، آنالوگ نیز می گویند) – افزاره های میکرو نانو الکترونیک (نیمه هادی یا افزاره یا DEVICE) و دیجیتال تقسیم می شود .

گرایش نیمه هادی (افزاره های میکرو نانو الکترونیک) :

گرایش نیمه هادی در مورد طراحی قطعات و المانهای الکترونیکی از جمله سنسور ها ، قطعات حساس به نور و پرتو ها ، ترانزیستور ها و … می باشد . در واقع تمرکز اصلی روی خواص مواد و نیمه هادی ها و تولید قطعات زیربنایی می باشد .

از جمله کاربرد های جالب توجه و بسیار مهم این گرایش می توان به تکنولوژی MEMS اشاره کرد که در خصوص تولید نانو افزاره های هوشمند الکترومکانیکی است .

این ریز روبات ها به طور مثال در آینده قادر خواهند بود به خون تزریق و بدون آسیب به سلولهای سالم تنها سلول های سرطانی یا میکروب ها یا ویروس های خاص را شناسایی و منهدم کنند . به طور مثال درمان قطعی بیماری ایدز .

این روش در درمان سرطان می تواند جایگزین شیمی درمانی شود .

از دیگر موارد استفاده از MEMS می توان به تلاش برای تولید شن های مصنوعی با قابلیت تولید اکسیژن (فتوسنتز مصنوعی) اشاره کرد . این دانه های شن میکرو سیستم های نیمه هادی حساس به فشار برای تولید اکسیژن طی یک فرایند پیچیده هستند . این شنها را در محل های مخصوص مثل سواحل مصنوعی تفریحی پخش کرده و با فشار وارده به علت عبور عابران بر آن اکسیژن تولید خواهد شد . این روشی مناسب در مناطقی است که برای پرورش گیاهان آب کافی موجود نیست و یا شرایط محیطی مساعد نیست .

در کاربرد های MEMS می توان به تولید پودر هوشمند حساس به شتاب اشاره کرد . این پودر که به سرعت جایگزین سیستم های فعلی ایربک اتوموبیل ها شده با دقت و سرعتی بسیار بالاتر عمل کرده و قیمت تمام شده آن فقط کسری از سیستم های قبلیست .

در کل سیستم های MEMS که یکی از شاخه های گرایش نیمه هادیست سالانه 50 درصد رشد اقتصادی را در جهان داراست . این زمینه پژوهشی مشابهت هایی با گرایش مکاترونیک دارد .

گرایش آنالوگ :

تمرکز گرایش آنالوگ بیشتر در خصوص طراحی مدارات مجتمع (IC) می باشد . یعنی تولید مدار های مختلف از قطعات از پیش ساخته شده . در این گرایش به طور مثال با توجه به ویژگی هر عنصر به بررسی کارکرد المانهای مختلف از جمله انواع ترانزیستورها ، خازن ها ، دیودها و … در مدار مجتمع می پردازد .

فرض کنید می خواهیم عملکرد یک آی سی تقویت کننده را بهبود دهیم . می توان از قطعات دیگری در طراحی این آی سی استفاده کرد به طور مثال نوع ترانزیستور برخی قسمتهای مدار را با انواع دیگری جایگزین کرد . این انتخاب حاصل بررسی عملکرد ذاتی آن قطعه در شرایط مداریست . معمولا این اطلاعات با مطالعه دقیق منحنی های مختلف مداری آن قطعه (مثلا منحنی جریان امیتر یک ترانزیستور به ولتاژ VCE در فرکانس های مختلف) بدست می آید . ضمن اینکه می توان از نو قطعات جدیدی برای این آی سی طراحی کرد .

از نرم افزار های بسیار مهم طراحی و شبیه سازی مدار مجتمع می توان به H-SPICE و L-EDIT اشاره کرد .

این گرایش ارتباط تنگاتنگی با گرایش دیوایس (نیمه هادی) دارد .

گرایش دیجیتال :

سیستم های دیجیتال و طراحی سخت افزار به این شیوه هم در گرایش دیجیتال بررسی می شود . از جمله زبان های برنامه نویسی بسیار مهم در این گرایش زبان VHDL می باشد که برای تولید مدارهای دیجیتال در مقیاس بسیار وسیع و بسیار ریز کاربرد دارد .

به فرض اگر بخواهیم یک مدار میکروکنترلری را طراحی کنیم می توان از آی سی های آماده دیجیتالی بازار استفاده کرد و آنها را در یک برد الکترونیکی کنار هم قرار داد . ولی اگر بخواهیم مداری دیجیتالی با هزاران گیت AND  و OR  و فلیپ فلاپ و میکروکنترلر و … استفاده کنیم دیگر نمی توان از این شیوه استفاده کرد بلکه باید توسط زبان VHDL و با استفاده از ابزار های پیاده سازی مناسب مثل FPGA ها و … این تعداد سرسام آور المان را در مساحتی بسیار کوچک چند سانتی متر مربعی پیاده سازی کرد .

دقت کنید که FPGA یک ابزار پیاده سازی است مشابه میکروکنترلر ها (که شامل گیت های منطقی و حتی واحد ALU یا پردازنده هم می تواند باشد) اما VHDL یک زبان برنامه نویسی برای این ابزار مثل زبان C برای برنامه نویسی میکرو کنترلر .

از دیگر مزایای ابزار پیاده سازی FPGA سرعت بسیار بالای آن نسبت به مدارات میکروکنترلری است . یعنی در مواردی که سرعتی بسیار بالا نیاز باشد (دست کم هزار برابر سرعت کاری میکروکنترلرها) از این ابزار استفاده می شود .

سخن آخر :

دانشجویان عزیز باید به این نکته دقت کنند که در هر سه گرایش ، زبان های برنامه نویسی و نرم افزار های شبیه سازی کاربرد فراوانی دارند ولی به طور ساده دروس گرایش نیمه هادی بیشتر مشابه فیزیک حالت جامد نیمه هادی ها می باشد . بنابراین برای انتخاب این گرایش ها باید اولا به کاربرد آنها دوم به نوع دروس و مقالات بررسی شده در این گرایشها توجه شود . در نهایت بعد از اعلام نتایج اولیه آزمون ارشد با توجه به علایق و توانایی هایی خود و با درکی درست اولویت های لازم برای انتخاب گرایشهای مورد نظر لحاظ شود .

با آرزوی موفقیت

جواد کاکاوند

شهریور 1394