Giáo trình

Kỹ thuật Điện tử

Science and Technology

IC

  1. IC

Định nghĩa và phân loại

IC – Vi mạch tích hợp là linh kiện điện tử tích hợp nhiều các linh kiện như tụ điện, điện trở, transistor,... với số lượng lớn, ghép lại với nhau theo một mạch đã được thiết kế sẵn nhằm đáp ứng mục đich sử dụng nào đó.

Một vi mạch tích hợp bao gồm một chip đơn tinh thể silic có chứa các linh kiện tích cực và linh kiện thụ động cùng dây nối giữa chúng. Các linh kiện này được chế tạo bằng công nghệ giống như công nghệ chế tạo điôt và tranzito riêng rẽ. Quá trình công nghệ này gồm việc nuôi cấy lớp epitaxi, khuếch tán tạp chất mặt nạ, nuôi cấy lớp oxit, và khắc oxit, sử dụng ảnh in li tô để định rõ các giản đồ...

Vậy, vi mạch tích hợp (Integrated circuits - viết tắt là IC) là sản phẩm của kỹ thuật vi điện tử bán dẫn. Nó gồm các linh kiện tích cực như tranzito, điôt..., các linh kiện thụ động như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, và các dây dẫn, tất cả được chế tạo trong một qui trình công nghệ thống nhất, trong một thể tích hay trên một bề mặt của vật liệu nền. Mỗi một loại vi mạch tích hợp chỉ giữ một hoặc vài chức năng nhất định nào đó.

­ Ưu điểm:

Vi mạch tích hợp có độ tin cậy rất cao, kích thước nhỏ, chứa được nhiều phần tử (IC bậc 1 chứa 10 linh kiện, IC bậc 2 chứa 11 ÷ 100 linh kiện, IC bậc 3 chứa 101 ÷ 1000 linh kiện, IC bậc 4 chứa đến 10000 linh kiện hoặc lớn hơn), giá thành hạ, tiêu thụ ít năng lượng điện.

­ Nhược điểm:

- Do sử dụng năng lượng nhỏ nên hạn chế tốc độ làm việc.

- Yêu cầu về độ ổn định nguồn cung cấp cao.

Phân loại theo bản chất của tín hiệu điện

- IC tuyến tính: Là loại IC có khả năng xử lý các dữ liệu xảy ra liên tục.

- IC số: Là loại IC có khả năng xử lý các dữ liệu xảy ra rời rạc.

Phân loại theo mật độ tích hợp

  • Tích hợp nhỏ
  • Tích hợp trung bình
  • Tích hợp lớn
  • Tích hợp cực lớn

- Vi mạch loại SSI: số phần tử được tích hợp < 12

- Vi mạch loại MSI: số phần tử được tích hợp từ 12 ÷ 100

- Vi mạch loại LSI: số phần tử được tích hợp từ 100 ÷ 1000

- Vi mạch loại VLSI: số phần tử được tích hợp > 1000

Trong các loại vi mạch này thì vi mạch đơn khối được sản xuất và sử dụng nhiều nhất do công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành rẻ, thời gian chuyển mạch nhanh và số phần tử tích hợp khá cao.

Phân loại theo công nghệ chế tạo

- Vi mạch bán dẫn (hay còn gọi là vi mạch đơn khối): Trong các vi mạch bán dẫn, các phần tử tích cực và thụ động được chế tạo trên một đơn tinh thể bán dẫn (Si (N) hoặc Si (P)) làm chất nền. Việc chế tạo vi mạch bán dẫn chủ yếu dựa trên quá trình quang khắc theo các phương pháp Plana, Plana- epitaxi hay siloc.

- Vi mạch màng mỏng: Trong đó chỉ tích hợp các linh kiện thụ động trên đế là thủy tinh cách điện hay Ceramic bằng phương pháp bốc hơi và lắng đọng trong chân không, còn các phần tử tích cực được hàn gắn vào mạch như các linh kiện rời rạc. Ưu điểm của loại này là chế tạo được các điện trở và tụ điện có chất lượng cao và sai số nhỏ.

- Vi mạch màng dày: Trong đó chỉ tích hợp các linh kiện thụ động trên đế là chất bán dẫn bằng phương pháp quang khắc qua khuôn còn các linh kiện tích cực được hàn vào như linh kiện rời rạc.

- Vi mạch lai: Trong đó tích hợp cả các linh kiện tích cực và các linh kiện thụ động trên một đế là thuỷ tinh hoặc Ceramic theo cả hai công nghệ chế tạo vi mạch bán dẫn và vi mạch màng mỏng. Vi mạch lai có độ tin cậy cao hơn loại vi mạch bán dẫn. Tuy nhiên, công nghệ chế tạo vi mạch lai còn phức tạp nên giá thành của nó cao hơn, điều này hạn chế việc sử dụng công nghệ này.

Những thông số kỹ thuật của vi mạch

Các thông số kỹ thuật thường quan tâm với mỗi vi mạch:

  • Mã số vi mạch: qua đó cho biết chức năng
  • Hãng sản xuất
  • Các thông số kỹ thuật khác (được quy định tùy thuộc vào từng loại vi mạch cụ thể)

Đóng vỏ IC

Toàn bộ các phần tử tạo lên IC đều được gói trong một lớp vỏ bảo vệ. Công tác đóng gói này được gọi là đóng vỏ cho IC.

Có nhiều kiểu đóng vỏ khác nhau nhưng chủ yếu được chia làm 2 loại:

  • Loại có chân dài, cắm hàn xuyên qua mạch
  • Loại chân ngắn, nhỏ gắn vào mạch theo kiểu “dán” (còn gọi là IC dán)

IC khuếch đại thuật toán

Mạch khuếch đại thuật toán là mạch khuếch đại tín hiệu điện để thực hiện các phép tính và thuật toán khác nhau trên các đại lượng tương tự, trong sơ đồ mạch có hồi tiếp âm sâu. Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực,v.v... Tuy nhiên, trong các bộ khuếch đại thông thường những tính chất và tham số hoàn toàn được xác định bởi sơ đồ mạch của nó, còn trong bộ khuếch đại thuật toán thì các tính chất và tham số của nó được xác định bởi các tham số của mạch hồi tiếp. Các bộ khuếch đại thuật toán được thực hiện theo sơ đồ khuếch đại dòng một chiều với giá trị thiên áp vào ra bằng không. Chúng cũng được đặc trưng bởi hệ số khuếch đại lớn, trở kháng vào cao và trở kháng ra thấp.

Một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng phải đạt được các tiêu chuẩn sau:

- Hệ số khuếch đại điện áp Ku → ∞

- Trở kháng vào Zvào → ∞

- Trở kháng ra Zra → 0

- Dải tần số làm việc Δf → ∞

Cấu trúc của vi mạch khuếch đại thuật toán

- Sơ đồ khối của bộ khuếch đại thuật toán tích hợp:

Hình dưới trình bày sơ đồ khối của bộ khuếch đại thuật toán.

Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại thuật toán

Bộ khuếch đại thuật toán bao gồm tầng vào khuếch đại vi sai để đảm bảo có hệ số khuếch đại cao, sau đó là mạch dịch mức và mạch ra cho phép nhận được tín hiệu ra cần thiết và trở kháng ra yêu cầu.

+ Tầng vào vi sai:

Cấu trúc điển hình của một tầng khuếch đại vi sai làm việc theo nguyên lý cầu cân bằng song song mô tả trong hình trên: Hai nhánh cầu là RC1 và RC2, còn hai nhánh kia là các tranzito T1 và T2 được chế tạo trong cùng một điều kiện sao cho RC1 = RC1 và hai tranzito T1, T2 có các tham số giống hệt nhau. Điện áp ra Ura lấy trên một cực góp, còn IK là nguồn dòng ổn

định có thể tạo ra từ một điện trở đấu với âm nguồn, hoặc tạo ra nhờ các tranzito đấu theo mạch nguồn dòng. Như vậy IK = IE1 + IE2 = const.

Sơ đồ tầng vào khuếch đại vi sai

Ký hiệu của IC khuếch đại thuật toán trong sơ đồ mạch

Ký hiệu bộ khuếch đại thuật toán

Giới thiệu một số loại IC số

Giới thiệu

Vi mạch số gồm các mạch lôgíc cơ bản để thực hiện các thuật toán logic và các hàm logic khác nhau.

Các vi mạch số là các thiết bị 2 trạng thái, một trạng thái gần với 0 vôn hoặc đất (gọi là mức thấp hoặc ký hiệu là L), và trạng thái kia gần với điện áp cung cấp cho mạch (gọi là mức cao hoặc ký hiệu là H). Các mạch tích hợp số có thể xử lý các bit nhị phân riêng lẻ hoặc các từ nhiều bit nhị phân.

Hầu hết các vi mạch số được sử dụng hiện nay là các vi mạch số chế tạo trên cơ sở các tranzito lưỡng cực và tranzito trường. Mỗi một vi mạch số hầu như đều có thể thực hiện được một chức năng hoàn chỉnh, nên chúng cần rất ít linh kiện mắc thêm ở bên ngoài.

Các tham số cơ bản của vi mạch số:

- Mức logic: mức logic 0 và mức logic 1

Các mức logic này là các trị số điện áp tương ứng với mức logic thấp và mức logic cao,

tùy từng loại mà nó có trị số điện áp khác nhau

- Nguồn nuôi: nguồn cung cấp phải đảm bảo độ ổn định cao.

- Khả năng ghép tải: biểu thị khả năng ghép được bao nhiêu lối vào của cổng logic tới một

lối ra của một cổng cho trước.

- Tốc độ chuyển mạch hay còn gọi là độ tác động nhanh của vi mạch:

Loại cực nhanh ttb ≤ 5 nsec

Loại nhanh ttb = 5 ÷ 10 nsec

Loại trung bình ttb = 10 ÷ 100 nsec

Loại chậm ttb > 100 nsec

- Công suất tiêu thụ: công suất tiêu thụ của vi mạch số phụ thuộc vào tín hiệu đặt lên nó.

- Dải nhiệt độ làm việc: mỗi hãng sản xuất có một chỉ tiêu nhiệt độ khác nhau.

Phân loại

Các vi mạch hàm logic cơ bản trên tranzito lưỡng cực và tranzito trường gồm các loại:

Tranzito logic với liên kết trực tiếp (TL); Điện trở - tranzito logic (RTL); Điốt - tranzito logic (DTL); Tranzito - tranzito logic (TTL); Logic MOS; Logic CMOS (complementary MOS).

Hai họ vi mạch số quan trọng nhất và được sử dụng nhiều nhất là họ TTL/LS và họ CMOS. Họ TTL là các vi mạch trong đó tích hợp các tranzito lưỡng cực với một tranzito nhiều tiếp xúc gốc- phát. Mỗi một tiếp xúc BE là một lối vào. Còn họ CMOS trong đó tích hợp các tranzito trường MOS kênh cảm ứng loại P và N đấu bù nhau.

Họ TTL có tốc độ chuyển mạch cao (ttb = 6 ÷ 15 nsec), công suất tiêu thụ thấp (45 ÷ 15 μW) và khả năng chịu tải lớn (hệ số tải n > 10)

Dòng vào của MOS rất nhỏ vì thế điện trở lối vào của tranzito MOS rất lớn cho phép chế tạo vi mạch có khả năng chịu tải cao (n = 10 ÷ 20), có độ chống nhiễu cao và công suất tiêu thụ rất nhỏ.

Giới thiệu một số loại vi mạch số (IC logic)

  • Mạch AND
  • Mạch NAND
  • Mạch OR
  • Mạch NOR
  • Mạch NOT
  • Mạch giải mã địa chỉ