Tài liệu Giới thiệu và phân loại IC số doc

Một IC thường có kích thước dài rộng cỡ vài trăm đến vài ngàn micron,dày cỡ vàitrăm micron được đựng trong một vỏ bọc bằng kim loại hoặc bằng plastic.Những IC như vậy thường là một bộ ph

Phần I

1-Giới thiệu và phân loại IC số1.1 Giới thiệu IC số

IC(intergated-circuit) là một mạch điện tử mà các thành phần tác động và thụ động đều được chế tạo kết tụ trong hoặc trên một đế(subtrate) hay thân hoặc không thể tách rời nhau được.Đế này có thể là một phiến bán dẫn(hầu hết là Si) hoặc một phiến cách điện

Một IC thường có kích thước dài rộng cỡ vài trăm đến vài ngàn micron,dày cỡ vàitrăm micron được đựng trong một vỏ bọc bằng kim loại hoặc bằng plastic.Những

IC như vậy thường là một bộ phận chức năng(function device) tức là một bộ phận

có khả năng thể hiện một chức năng điệ tử nào đó.Sự kết tụ(integration) các thànhphần của mạch điện tử cũng như các bộ phận cấu thành của một hệ thống điện tửvẫn la hướng tìm tòi và theo đuổi từ lâu trong ngành điện tử.Nhu cầu của sự kết tụphát minh từ sự kết tụ tất nhiên của các mạch và hệ thống điện tử nhỏ đến lớn,từtần số thấp(tốc độ chậm) đến tần số cao(tốc độ nhanh).Sự tiến triển này là hậu quảtất yếu của nhu cầu ngày càng tăng trong việc xử lý lượng tin tức(information)ngày càng nhiều của xã hội phát triển

Những hệ thống điện tử công phu và phức tạp gồm rất nhiều thành phần,bộphận.Do đó nảy ra nhiều vấn đề cần giải quyết:

1 Khoảng không gian mà số lường lớn các thành phần chiếm đoạt (thểtích).Một máy tính điện tử cần dùng đến hàng triệu,hàng vài chục triệu bộphần rời.Nếu không thực hiện bằng mạch IC,thì không những thể tích của

nó sẽ lớn một cách bất tiện mà điện năng cung cấp cho nó sẽ vô cùng phứctạp.Mà nếu có thỏa mãn chăng nữa,thì máy cũng không thực dụng

2 Độ khả tín(reliability) của hệ thống điện tử:là độ đáng tin cậy trong hoạtđộng đúng theo tiêu chuẩn thiết kế.Độ khả tín của một hệ thống tất nhiênphụ thuộc vào độ khả tín của các thành phần cấu thành và các bộ phận nốitiếp giữa chúng.Hệ thống càng phức tạp,số bộ phận càng tăng và chỗ nốitiếp càng nhiều.Vì vậy,nếu dùng bộ phận rời rạc cho các hệ thống phứctạp,độ khả tín của nó sẽ giảm thấp.Một hệ thống như vậy sẽ trục trặc rấtnhanh

3 Vấn đề thời gian thực hiện

4 Sự kết tụ áp dụng vào IC thường thực hiện ở giai đoạn bộ phận chứcnăng.Song khái niệm kết tụ không nhất thiết dừng lại ở giai đoạnnày.Người ta vẫn nỗ lực để kết tụ với mật độ cực cao trong IC,nhằmhướng tới việc kết tụ toàn thể hệ thống điện tử trên một phiếm(chíp).

Tóm lại công nghệ IC đưa đến những điểm lợi so với kỹ thuật linh kiện rời nhưsau:

- Tuổi thọ cao

1.2 Các loại IC.

Phân loại theo quy mô

Tổng hợp quy mô trung bình

MSI

Tổng hợp quy mô rất lớn VLSI Lớn hơn 1000 Lớn hơn 10000

Dựa trên qui trình sản xuất,có thể chia IC ra làm 3 loại:

IC màng(film IC):

Trên một đế bằng chất cách điện,dùng các lớp màng tạo nên các thành phầnkhác.Loại này chỉ gồm các thành phần thụ động như điện trở,tụ điện và cuộn cảm

mà thôi

o Dây nối giữa các bộ phận: Dùng màng kim loại có điện trở suấtnhỏ như Au,Al,Cu…

o Điện trở: Dùng màng kim loại hoặc hợp kim có điện trở suất lớn nhưNi-Cr;Ni-Cr-Al;Cr-Si;Cr có thể tạo nên điện trở có trị số rất lớn

o điện: Dùng màng kim loại để đóng vai trò bản cực và dùng màng điệnmôi:Sio;Sio2,Al203;Ta205.Tuy nhiên khó tạo được tụ có điện dunglớn hơn 0,02 F/cm2

o Cuộn Tụ cảm:Dùng một màng kim loại hình xoắn.Tuy nhiên khó tạođược cuộn cảm lớn quá 5H với kích thước hợp lý.Trong sơ đồ IC,người ta tránh dùng cuộn cảm để không chiếm thể tích

o Cách điện giữa các bộ phận:Dùng SiO;SiO2;Al2O3

o Có một thời,transistor màng mỏng được nghiên cứu rất nhiều để ứngdụng vào IC màng.Nhưng tiếc là transistor màng chưa đạt đến giaiđoạn thực dụng,nếu không phải là ít có triển vọng thực dụng

IC đơn tinh thể(monolithic IC):

-Còn gọi là IC bán dẫn(semiconductor IC) – là IC dùng một đế (subtrate) bằngchất bán dẫn (thường là Si).Trên(hay trong) đế đó,người ta chế tạo transistor,diode ,điện trở ,tụ điện.Rồi dùng chất cách điện SiO2 để phủ lên che chở chocác bộ phận đó trên lớp SiO2,dùng màng kim loại để nối các bộ phận vớinhau

-Từ vi mạch màng mỏng(chỉ chứa các thành phần thụ đông),người tagắn ngay trên đế của nó những thành phần tích cực(transistor,diode)tạinhững nơi đã dành sẵn.Các transistor và diode gắn trong mạch lai khôngcần có vỏ hay để riêng,mà chỉ cần được bảo vệ bằng một lớp men tráng.-Ưu điểm của mạch lai là:

 Có thể tạo nhiều IC(digital hay analog)

 Có khả năng tạo ra các phần tử thụ động có các gía trị khác nhau vớisai số nhỏ

 Có khả năng đặt trên một đế,các phần tử màng mỏng ,cáctransistor,diode và ngay cả các loại IC bán dẫn

-Thực ra khi chế tạo,người ta có thể dùng qui trinh phối hợp.Các thành phần

kỹ thuật planar,còn các thành phần thụ động thì theo kỹ thuật màng.Nhưng vìquá trình chế tạo các thành phần tác động và thụ động được thực hiện khôngđồng thời nên các đặc tính và thông số của các thành phần thụ động khôngphụ thuộc vào các đặc tính và thông số của các thành phần tác động mà chỉphụ thuộc vào việc lựa chọn vật liệu,bề dầy và hình dáng.Ngoài ra,vì cáctransistor của các IC loại này nằm trong đế nên kích thước IC được thu nhỏnhiều so với IC chứa transistor rời

-IC chế tạo bằng qui trình phối hợp của nhiều ưu điểm.Với kỹ thuật màng,trênmột diện tích nhỏ có thể tạo ra một điện trở có giá trị lớn,hệ số nhiệt nhỏ.Điềukhiển tốc độ ngưng động của màng,có thể tạo ra một màng điện trở với đọchính xác rất cao

Dựa trên chức năng xử lý tín hiệu người ta chia IC làm hai loại:IC digital và ICanalog(còn gọi là IC tuyến tính)

IC digital:

-Là loại IC xử lý tín hiệu số ( Digital signal)

Chủng loại IC digital không nhiều.Chúng chỉ gồm một số các loạimạchlogic căn bản,gọi là cổng logic

Về công nghệ chế tạo IC digital gồm các loại : -RTL: resistor-transistor logic

-DTL: diode-transistor logic -TTL: transistor-transistor logic -MOS: metal-oxide semiconductor

-CMOS: complementary MOS

IC analog

-Là loại IC xử lý tín hiệu Analog, đó là loại tín hiệu biến đổi liên tục sovới IC digital,loại IC Analog phát triển chậm hơn.Một lý do là vì IC analogphần lớn là mạch chuyên dụng(special use),trừ một vài trường hượp đặc biệtnhư OP-AMP(IC khuếch đại thuật toán),khuếch đại video và những mạchphổ dụng(universal use).Do đó để thỏa mãn nhu cầu sử dụng,người ta phảithiết kế,chế tạo rất nhiều loại khác nhau

-Hầu hết các IC số hiện nay đều chế tạo trên các transistor lưỡng cực vàtransistor trường.Mỗi một IC số dường như đều có thể thực hiện một chứcnăng hoàn chỉnh,nên chúng cần rất ít các linh kiện mắc thêm ở ngoài

1.3 Các tham số cơ bản của IC số:

-Mức lôgic : mức lôgic 0 và mức lôgic 1

Các mức lôgic này là các mức điện áp ứng với các mức lôgic thấp và logic cao,tùytừng loại mà có các trị số điện áp khác nhau

-Nguồn nuôi: nguồn nuôi phải đảm bảo tính ổn định cao

-Khả năng ghép tải:biểu thị khả năng ghép được bao nhiêu đầu vào của cổng logictới một đầu ra của một cổng cho trước

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

 Loại trung bình : ttb

 Loại chậm : ttb

-Công suất tiêu thụ:Phụ thuộc vào tín hiệu đặt lên nó

-Dải nhiệt độ làm việc: mỗi hãng sản xuất có một giới hạn nhiệt độ khác nhau.-Tốc độ hoạt động phụ thuộc vào thời gian trễ truyền đạt:

-Tổn hao công suất xác định bởi tích số nguồn cung cấp Vcc và dòng Icc(giá trịtrung bình của dòng Icc mức 0 và mức 1),đơn vị mW

-Chỉ số giá trị xác định bởi tích số tốc độ và công suất

-Chỉ số giá trị(pJ) =thời gian trì hoãn truyền đạt(ns) *công suất (mW)

o Cường độ dòng điện đầu ra mức thấp IOH (dòng cực tiểu mà ngõ ra cung cấp tương ứng với mức 0).

-Yêu cầu về nguồn

-Tính đa dạng,khả năng tích hợp,giá thành,chế tạo,dễ phối hợp với vi mạch công nghệ khác

2 Cấu trúc của các loại IC số

Rc(640Ω))

R(640) Vc

-Nếu cả hai đầu vào đều ở mức thấp thì T1,T2 ngắt và đầu ra là mức cao

-Nếu đầu vào ở mức cao sẽ làm cho transistor bão hòa và đầu ra ở mức thấp

Điện áp đầu ra mức thấp là Vcc và đầu ra mức cao phụ thuộc vào số lượng cổng nối với đầu ra

Khi đầu ra có N cổng được điều khiển,tải sẽ tương đương với 1 điện trở có giá trị 450/N(Ω) mắc nối tiếp với nguồn 0.8 v(tức là U) mắc nối tiếp với nguồn 0.8 v(tức là UBE =0.8V ở trạng thái bão hòa).Khi đó dòng điện cực B cho mỗi transistor tải là:

-Khi đầu ra ở trạng thái 0 thì V0 = VCE =0.2V,nếu điện áp này tăng lên 0.5V

sẽ làm T thông→ gây ra sai mạch→mức logic 0 có lề nhiễu Δ0=0.3V

-Lề nhiễu mức logic 1 phụ thuộc vào số lượng các cổng được điều khiển

V0max=

Tổng các dòng điện cực B cần thiết để các transitor bão hòa là:

khi đó V0 tương ứng với mức thấp nhất để transistor bãohòa là:

Khi đó trễ nhiễu của mức logic 1 :Δ1=V0max-vomin

-Thời gian trễ lan truyền

- Hiện nay đã không còn sử dụng

- Nhược điểm:lề nhiễu nhỏ,khả năng chịu tải thấp,tốc độ chậm,lãng phí năng lượng

2.Phần tử DTL(diot transistor logic)

+Nếu 1 trong các đầu vào là mức thấp thì diot nối với đầu vào này sẽ thông →VD

-Vvào=Udiot.VD cần phải đảm bảo sao cho transistor tắt→đầu ra của T là Vcc

+Nếu cả 3 đầu vào đều ở trạng thái cao các diot vào sẽ bị ngắt và do đó dòng điện chảy từ Vcc qua R rồi D1,D2 sẽ làm cho transistor bão hòa→đầu ra của transistor là

Vcc bão hòa

c.Trễ lan truyền

Liên quan đến quá trình bật và tắt của các transistor ra của mạch.Khi bật,điện dung được phóng nhanh qua trở kháng thấp của Transistor,khi tắt tụ điện nạp qua điện trở kéo lên làm tăng thời gian trễ.Trễ lan truyền của DTL thường

Các mạch RTL và DTL ở trên đều có khả năng thực hiện chức năng logic nhưng chỉ được sử dụng ở dạng đơn lẻ không được tích hợp thành IC chuyên dùng bởi vì ngoài chức năng logic cần phải đảm bảo người ta còn quan tâm tới các yếu

- Khả năng giao tiếp và thúc tải,thúc mạch khác

- Khả năng chống các loại nhiễu không mong muốn xâm nhập vào mạch làm sai mức logic

Chính vì thế mạch TTL đã ra đời,thay thế cho các mạch RTL và DTL.Mạch TTL ngoài transistor ngõ ra như ở các mạch trước thì nó còn sử dụng cả các transistor đầu vào,thêm một số cách nối đặc biệt khác,nhờ đó đã đảm bảo được nhiều yếu tố đã đề ra.Hình 1.49 là một mạch logic TTL cơ bản:

mạch này hoạt động như một cổng NAND.Hai ngõ vào là

A và B được đặt ở cực phát của transistor Q1(đây là transistor có nhiều cực phát

có cấu trúc mạch tương đương như hình bên)

Hai diode mắc ngược từ 2 ngõ vào xuống mass dùng để giới hạn xung âm ngõ vào,nếu có,giúp bảo vệ các mối nối BE của Q1

Ngõ vào của cổng NAND được lấy ra ở giữa 2 transistor Q3,Q4 sau diode D0

Q4 và D0 được thêm vào để hạn dòng cho Q3 khi nó dẫn bão hòa đồng thời giảm mất mát năng lượng tỏa ra trên R4 (trường hợp không có Q4,D0) khi Q3 dẫn.

Điện áp cấp cho mạch này cũng như các mạch TTL khác thường luôn chuẩn

là 5V

Mạch hoạt động như sau:

Khi A ở thấp,B ở thấp hay cả hai ở thấp Q1 dẫn điện;phân cực mạch để áp sụt trên Q1 nhỏ sao cho Q2 không đủ dẫn;kéo theo Q3 ngắt

Như vậy nếu có tải ở ngoài thì dòng sẽ đi qua Q4,D0 ra tải xuống mass.Dòng này gọi là dòng ra mức cao IOH

Giả sử tải là một điện trở 3,9kΩ) mắc nối tiếp với nguồn 0.8 v(tức là U thì dòng là:

Khi cả A và B đều ở cao,nên không thể có dòng A và B được,dòng từ nguồn Vcc

sẽ qua R1,móc nối BC của Q1 thúc vào cực B làm Q2 dẫn bão hòa

Nếu mắc tải từ nguồn Vcc tới ngõ ra Y thì dòng sẽ đổ qua tải,qua Q3 làm nó dẫn bão hòa luôn.Ngõ ra sẽ ở mức thấp vì áp ra chính là áp Vce của Q3 khoảng 0,2 đến0,5 V tùy dòng qua tải.Khi này ta có dòng ra mức thấp ký hiệu là IOL.Sở dĩ gọi là dòng ra vì dòng sinh ra khi cổng logic ở mức thấp (mặc dù dòng này là dòng chảy vào trong cổng logic)

Ví dụ nếu tải là 470 Ω) mắc nối tiếp với nguồn 0.8 v(tức là U thì dòng IOLkhi này là:

Vậy mạch logic ở trên có chức năng hoạt động như một cổng NAND 2 ngõ vào.Nếu để hở 2 ngõ vào là A và B thì Q1 vẫn ngắt,Q2 vẫn dẫn,kéo theo Q3 dẫn khi cótải ngoài tức là ngõ ra Y vẫn ở cao,do đó giống như trường hợp ngõ A và B nối lênmức cao

Nếu A và B nối chung với nhau hay Q1 chỉ có 1 cực phát thì mạch NAND chuyển thành mạch NOT.

Các loại TTL:

a.TTL ngõ ra cực thu để hở

Hình dưới đây là cấu trúc cho một cổng NAND 2 ngõ vào và ngõ ra cực thu để hở.Trong cấu trúc của mạch không có transistor hay điện trở nối từ cực thu của transistor ra dưới(transistor nhận dòng) lên Vcc.Khi giao tiếp tải ta phải thêm bên ngoài mạch một điện trở nối từ ngõ ra Y lên Vcc gọi là điện trở kéo lên có trị số từ vài trăm Ω) mắc nối tiếp với nguồn 0.8 v(tức là U đến vài kΩ) mắc nối tiếp với nguồn 0.8 v(tức là U tùy theo tải

Cấu trúc của một cổng NAND 2 ngõ vào ngõ ra cực thu để hở

Ta thực hiện việc nối chung nhiều ngõ ra cực thu để hở lại với nhau (ví dụ như 3 cổng NAND) như sau:

Cách nối nhiều ngõ ra cực thu để hởNếu Q3 của cả 3 cổng NAN đều tắt nghĩa là ngõ ra đều ở cao,chúng nối chung lại với nhau vậy ngõ ra chung tất nhiên là ở mức cao

Khi một trong 3 cổng NAND có ngõ ra ở mức thấp (Q3 dẫn) thì sẽ có dòng đổ từ nguồn qua điện trở kéo lên để đi vào cổng NOT này vậy ngõ ra nối chung sẽ phải ở mức thấp,mức thấp này không ảnh hưởng gì đến 2 transistor Q3 của 2 cổng kia cả.Như vậy ngõ ra này hoạt động như là ngõ ra của một cổng AND mà 3 ngõ vào chính là 3 ngõ ra của các cổng nối chung lại với nhau.

Qua trên ta nhận thấy rằng cổng cách dùng cổng NAND thường sẽ tốn kém và phức tạp hơn cách dùng cổng NAND cực thu để hở mặc dù chúng cùng thực hiện một chức năng logic.Và khi sử dụng điện trở kéo lên thì phải chú ý đến khả năng chịu dòng của transistor ra cổng cực thu để hở cũng như điện thế Vol và Voh cũng như khi theo yêu cầu sử dụng thì khi muốn giảm công suất tiêu tán thì có thể giảm trị số điện trở kéo lên,còn khi muốn tăng tốc độ chuyển mạch thì có thể tăng trị số điện trở kéo lên nhưng cũng phải nằm trong giới hạn giữa Rpmax và Rpmin với

b.Ngõ ra 3 trạng thái

TTL có ngõ ra 3 trạng thái là TTL có ngõ ra ở tầng cuối cùng là loại 3 trạng thái

Cấu trúc của một TTL ngõ ra 3 trạng thái

Có một đường điều khiển C hay đường cho phép G và một diode được thêm

vào.Khi C ở cao diode D không dẫn mạch vận hành bình thường như một cổng NAND ở trước

Khi C ở thấp chẳng hạn nối mass,lập tức Q1 dẫn,dòng đổ qua R1 xuống mass mà không đổ vào Q2,Q2 ngắt kéo theo Q3 ngắt.Cùng lúc dòng qua R2 sẽ đổ qua diodeD1 xuống mass,tức là Q4 cũng không dẫn

Trong điều kiện cả Q3 và Q4 đều không dẫn,ngõ ra Y chẳng nối với mass hay nguồn gì cả,tổng trở ngõ ra là rất cao,đây chính là trạng thái thứ 3 của mạch.Khi này nếu có nối nhiều ngo ra lại với nhau thì khi ở trạng thái thứ 3,các ngõ ra sẽ không bị ảnh hưởng bởi nhau

Lợi dụng đặc điểm này ta có thể tạo nên đường bus chung

Hình minh họa cách tạo đường bus

Như hình trên cho thấy khi C1,C2,C3 ở mức cao,ngõ ra 3 cổng này ở Z cao,nếu C0

ở mức thấp thì tín hiệu D0 sẽ được đưa tới Y

Khi C1 ở mức thấp còn các C0,C2,C3 ở mức cao thì tín hiệu D1 sẽ được đưa tới YTương tự khi ta đưa đường điều khiển của cổng nào xuống thấp thì tín hiệu đường

đó được đưa lên bus

Tuy nhiên khi đã nối chung các ngõ ra 3 trạng thái lại với nhau thì không nên cho nhiều ngõ điều khiển xuống thấp vì khi này sẽ xảy ra tình trạng tranh chấp busĐây có thể coi là một cách ghép kênh dữ liệu,cách này ngày nay đang được sử dụng rộng rãi,đặc biệt trong lĩnh vực máy tính

Ký hiệu cho mạch có ngõ ra 3 trạng thái là thêm dấu tam giác nhỏ như hình.Cũng cần lưu ý là ngõ ra điều khiển C cũng có thể tác động ở mức cao để đặt ngõ ra ở Đây có thể coi là một cách ghép kênh dữ liệu,cách này ngày nay đang được sử dụng rộng rãi,đặc biệt trong lĩnh vực máy tính

Ký hiệu cho mạch có ngõ ra 3 trạng thái là thêm dấu tam giác nhỏ như hình.

Ký hiệu cho mạch ngõ ra 3 trạng thái

d.Đặc tính các loại TTL

Các IC số họ TTL được sản xuất lần đầu tiên vào năm 1964 bởi hãng Texas

Instrument Corporation của Mỹ,lấy số hiệu là 74xxxx và 54xxxx.Sự khác biệt giữa

2 họ 74 và 54 chỉ ở 2 điểm:

74: Vcc=5 0.5V và khoảng nhiệt độ hoạt động từ 00C đến 700C

54: Vcc=5 0.25V và khoảng nhiệt độ hoạt động từ -550C đến 1250C

Các tính chất khác hoàn toàn giống nhau nếu chúng có cùng số

Trước số 74 thường có thêm ký hiệu để chỉ hãng sản xuất.Thí dụ SN của hãng Texas,DM của hãng National Semiconductor

Ngoài ra trong quá trình phát triển,các thông số kỹ thuật(nhất là tích số công suất vận tốc) luôn được cải tiến và có các loại khác nhau: 74 chuẩn(Low

power),74H(high speed),74S(schottky),74LS(low power schottky),74AS(advance schottky)

Bảng sau cho thấy một số tính chất của các loại trên:

Thời gian trễ truyền 9 33 6 3 9.5 1.7 4 3

-Loại 74 : Là loại ra đời sớm nhất(1964) do hãng Texas sản xuất.Đặc điểm:

+ dung hòa giữa tốc độ chuyển mạch và công suất tiêu tán(mất mát năng lượng)

+bên trong thường cấu trúc theo kiểu ngõ ra cột chạm

+Loại 74LS điện trở phân cực được giảm xuống đáng kể so với loại 74S nhằm giảm công suất tiêu tán của mạch.Nó được coi là TTL chủ lực trong những năm 1980 và ngày nay vẫn còn phổ dụng