Đang tải... (xem toàn văn)
Cùng vӟi sӵ tiӃn bӝ cӫa khoa hӑc và công nghӋ, các thiӃt bӏ điӋn tӱ đang và sӁ tiӃp tөc đӧc ӭng dөng ngày càng rӝng rãi và mang lҥi hiӋu quҧ cao trong hҫu hӃt các lĩnh vӵc kinh tӃ kỹ thuұt cũng nhѭ đӡi sӕng xã hӝi. ViӋc xӱ lý tín hiӋu trong các thiӃt bӏ điӋn tӱ hiӋn đҥi đӅu dӵa trên cѫ sӣ nguyên lý sӕ. Bӣi vұy viӋc hiӇu sâu sҳc vӅ điӋn tӱ sӕ là điӅu không thӇ thiӃu đѭӧc đӕi vӟi kỹ sѭ điӋn tӱ hiӋn nay. Nhu cҫu hiӇu biӃt vӅ kỹ thuұt sӕ không phҧi chӍ riêng đӕi vӟi các kỹ sѭ điӋn tӱ mà còn đӕi vӟi nhiӅu cán bӝ kỹ thuұt chuyên ngành khác có sӱ dөng các thiӃt bӏ điӋn tӱ. Tài liӋu này giӟi thiӋu mӝt cách hӋ thӕng các phҫn tӱ cѫ bҧn trong các mҥch điӋn tӱ sӕ kӃt hӧp vӟi các mҥch điӇn hình, giҧi thích các khái niӋm cѫ bҧn vӅ cәng điӋn tӱ sӕ, các phѭѫng pháp phân tích và thiӃt kӃ mҥch logic cѫ bҧn. Tài liӋu bao gӗm các kiӃn thӭc cѫ bҧn vӅ mҥch cәng logic, cѫ sӣ đҥi sӕ logic, mҥch logic tә hӧp, các trigѫ, mҥch logic tuҫn tӵ, các mҥch phát xung và tҥo dҥng xung, các bӝ nhӟ thông dөng. Đặc biӋt là trong tài liӋu này có bә xung thêm phҫn logic lұp trình và ngôn ngӳ mô tҧ phҫn cӭng VHDL. Đây là ngôn ngӳ phә biӃn hiӋn nay dùng đӇ tҥo mô hình cho các hӋ thӕng kỹ thuұt sӕ. Tҩt cҧ gӗm 9 chѭѫng. Trѭӟc và sau mӛi chѭѫng đӅu có phҫn giӟi thiӋu và phҫn tóm tҳt đӇ giúp ngѭӡi hӑc dӉ nҳm bҳt kiӃn thӭc hѫn. Các câu hӓi ôn tұp đӇ ngѭӡi hӑc kiӇm tra mӭc đӝ nҳm kiӃn thӭc sau khi hӑc mӛi chѭѫng. Trên cѫ sӣ các kiӃn thӭc căn bҧn, tài liӋu đã cӕ gҳng tiӃp cұn các vҩn đӅ hiӋn đҥi, đӗng thӡi liên hӋ vӟi thӵc tӃ kỹ thuұt.
NGUYEN QUOC TRUNG VI DIEN TUSO ‘Tap Ly NHA XUAT BAN KHOA HOC VA KY THUAT HÀ NỘI 1997 6T2.1 sa 488-39-9 KHKT-97 LOI NOI DAU Cudn "VI DIEN TU SO" duợe biên soạn theo chương trình số hóa kỹ thuậi diện tủ - Uiên thơng "Trung tâm nghiên củi, phái triển Điện tủ - Tin học - Viên thông" hợp tác giảa trường Đại học bách khoa Hà Nội bà Tổng công ty Điện tử - Tin học Việt Năm: dạo của, Ga.T8::Phan: Anh + giảm dốc Trung tâm: Việc số hóa kỹ thuật Điện từ - Viễn thông trước hết link vue gidng day cia truong DHBK Ha Noi, vi vay Trung tam dã tổ chức hội thdo vé gido trinh gidng day va dịnh cho mắt Bạn dọc sách "Xủ lý số thông Ha" Trước mắt chúng tơi cho xuất bản: hai cuốn: 1-:Vì diện tử số 3: Xử lý tín hiệu 0à lọc số Nhằm phục uụ: công tác giảng dạy 0à nghiên: cứu khoa học trường ĐHBK Hà Nội ú Tổng cơng ty Điện tử - Tin học Việt Nam, rẻ: sách: có: thể dùng làm: tài.liệu: tham khảo cho cán khỏa học kỹ thuật 0à sinh Diên cáo ngành có lién quan Cuén sdch chink lx giéo irith-"VI DIEN TU SO" dé dược dùng dể giảng dạy cho sinh thông trường ĐHBR Hà Nội kiến thúc bẩn khoa học kỹ thuột ngành Diện từ - vien nginh Dién t= Vién nhiều năm: Đây thiếu dược nuột cán Viễn thông tong tập "VI DIỆN TỦ SỐ" đề cập đến sở udt ly kỹ thuật uì diện ut, cấu trúc mạch 0ì điện tử số, sd logic, edu tric va hoat động nạch 0í diện tử số dùng tranailo lưỡng cúc Trong tập II dề cập đến cấu trúc mạch ui diện tử số dùng tranziio trường, cóc mạch ứng dụng u¡ diện tử số điện từ chuyên dung, dan dụng, máy tỉnh số, mạch xử lý tín hiệu 0à lọc số ứng dụng hỹ thuật Tai liệu dùng để giảng dạy nhiều năm tránh dược thiểu sói Chúng tơi rốt mong dược góp ý bạn đồng nghiệp, cúc bạn đọc để hịp thời bổ sung cho sách hoàn chỉnh Thư từ xin gửi uề địa chỉ: Trung tâm Nghiên cứu uà phát triển Diện tt - Tin hoe - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Tà Nội Tel/Fax 8694529 Tác gia Chirong I CƠ SỞ VẬT LÝ 1.1, CHẤT BẢN DẪN Phần nhắc lại số khái niệm lý thuyết vùng lượng kim loại; bán dẫn điện môi phân biệt ba loại vật liệu theo lý thuyết vùng lượng: Ta biết kim loại, bán dẫn điện môi chất rắn có cấu trúc mang tinh thể Trong khơng gian; nút mạng có nguyên tử chất chiếm giữ (nếu sai hơng lệch mạng, nút khuyết ) Những nguyên tử này, mạng tỉnh thể thÌ mức lượng trạng thái tự bị tách thành nhiều nức nằm sÍt mức sÍt hình thành vùng lượng Sở dĩ; mức đơn bị tách nguyên tử nằm mạng tỉnh thể nơ bị tương tác cáo nguyên tử gần Hình 1.1 cho ta thấy rõ tách mức hình thành vùng lượng não đinh dấu ho 4E I { AE pes Ị ep ‡ ————— Ị peo M Khoang cach gu xuyên ie Hình 1.1 Su hinh vùng lượng tử mức nguyên tủ tự (a: thông số mạng) (E; lướng) gần Nhìn vào hình 1.1 ta thấy mức lượng cao (nghĩa mức zero) tách sớm nguyên tử sát tách mức thông số mạng (X = a) vùng lượng hình thành Vừng lượng mức cao rộng, khoảng cách vùng lượng ta gọi vùng cấm, vùng lượng mà mức bị điện tử chiếm giữ gọi vùng đầy hay ving hoa tri, nang lượng bị điện tử chiếm giữ mức đáy vùng, mức mức nhiều, bạn đọc tự suy nghĩ để rút nhận xét này, mà khoảng cách ving trống Œt vùng lượng mà mức nơ trống, khơng có điện tử chiếm giữ ta gọi vùng trống hay vùng dẫn Bây phân biệt kim loại, bán dẫn điện môi theo vùng lượng Hình 1.2 cho ta thấy cấu trúc vùng lượng bán dẫn điện mơi Hình 1.2 Sự hình thành vùng lượng bán dẫn diện mơi, vùng gạch chéo vùng có múc cấm vùng rộng độ E chiếm: tủ điện bị không mức mà vùng chéo gạch không vùng giữ, chiếm bị lượng Chúng ta cần phân biệt mặt cấu trúc vùng lượng bán dẫn điện môi giống chất bên có khác Bề rộng vùng cấm điện mơi lớn bán dẫn nhiều, hình 1.3 cho ta thấy điều Điện mơi SiO; bán dẫn Š¡ dùng chủ yếu kỹ thuật vi điện tử để tạo 4E=8eV ‡ AE=?1eV ‡ 4) ⁄ —T » Hình 1.3 Cấu trúc lượng diện môi bán dẫn: a] Của điện môi SiO,; b) Của bán dẫn Si 227772 b) a eg ae (ol ONE * Hình 1.4, Hai dạng tách mức nguyên tử kim loạt a) Hai vùng lượng gối lên nhau: b) Hai vùng lướng tách linh kiện điện tử NhÌn vào cấu trúc vùng điện môi bán dẫn, muốn dẫn điện phải nhẩy từ vùng hơa trị lên dụ ta cấp nhiệt số giảm xuống tức bán ta thấy rằng, chúng cho điện tử trở thành điện tử dẫn, điện tử phải vùng dẫn; muốn ta phải cung cấp cho lượng VÍ cho bán dẫn ta thấy nhiệt độ tăng lên điện trở bán dẫn dẫn dẫn điện tốt hơn, sở vÌ nhiệt độ tăng tăng lượng nhiệt ¿7 (š : số Bolzman; 7: nhiệt độ tuyệt đối) tăng lên điện tử nhay lên vùng dẫn trở thành điện tử dẫn Như nhiệt độ tăng lên số điện tử dẫn nhiều điện trở bán dẫn giảm Cịn điện mơi AE >>AỨ phải cung cấp nên muốn cho điện môi dẫn điện được, tức muốn tạo điện tử dẫn điện mơi lớn lượng lớn làm việc đó, điện trở thường dùng bán đấn điều kiện Trong kỹ thuật vô tuyến điện tử người ta điện môi làm chất cách điện xét cấu Chúng ta xét xong cấu trúc vùng bán dan va điện môi, kim loại trúc vùng kim loại, bình 1.4 cho ta thấy tách mức nguyên tử tử dẫn, điện Như ta thấy kim loại điện tử lớp tử đồ thị lượng ta thấy không cần lượng kích thích điện người tử nằm vùng dẫn rồi, mà kim loại dẫn điện tốt Trong kỹ thuật vi điện ta thường dùng kim loại làm đẫn điện Ngược với bán dẫn nhiệt độ tăng điện trở kim loại tăng theo, lúc độ linh động điện tử din giảm kim loại, rắn chất ba lược sơ cách Phần xét so sánh cấu trúc bán đẫn, điện môi Chúng ta xét kỹ chất bán dẫn Ta thấy mặt cấu tính thể chất bán dẫn có cấu trúc mạng biểu kim cương Ta tưởng tượng tâm trúc mạng kim cương sau: bốn đỉnh tứ điện bốn nút mạng, dẫn nằm tứ điện nút mạng nữa, nguyên tử chất bán tri nút mạng tứ điện theo liên kết ô nguyên tố lần mạng tỉnh thể, Hình biểu diễn Nhìn vào hình vị Nguyên tử tâm tứ điện số Hiên kết với bến nguyên tử đỉnh đồng hớa trị, sơ lược cấu trúc ô nguyên tố Nếu xếp lượt vơ theo ba chiều ta thấy cấu trúc toàn 1.5 cho ta thấy ô nguyên tố vẽ không gian Để đơn giản ta nguyên tử Hên kết với mặt phẳng (hình 1.6) 1.6 ta thấy nguyên tử bán dẫn liên kết với nhaư đơi điện tứ góp chung Mỗi ngun tử có đơi điện bử góp chứng G trang thai bình thường, nguyên tử nằm nit mang cân điện, Tnuổn có nhiên điện tử dẫn ta phải kích thích để điện tử nhẩy từ vùng hóa trị lên vùng dan tất tử bị nguyên dẫn tử điện n tử trở thành gẽ để lại vùng hớa trị lỗ trống, E gọi "lỗ trống" Đối với bán dẫn tỉnh khiết điện tử mang điện tích dương m lý tưởng mức Fecmi nằm dải cấm (tuy nhiên mức Fecmi có phụ thuộc vào nhiệt độ), Nhưng chất bán đẫn tính lý tưởng nơ cấu trúc mạng giản đồ lượng bị biến đổi, chẳng hạn bán dẫn có lẫn tạp chất, bị lệch mạng khối bán dấn kéo dài vô theo ba chiều mà bị giới hạn kích thước Chúng ta không sâu xét loại sai hỏng mạng mà xét loại bán dẫn có tạp chất loại mà dùng chủ yếu kỹ thuật vị điện tử Trước hết ta xét bán đẫn có tạp chất cho, cịn gọi bán dẫn đono hay bán dẫn loại ø, Để tạo bán đẫn loại người ta pha vào bán dẫn Hình 1.5 Cấu trúo không gian mạng tỉnh thể bán dẫn Dường đút nét biểu diễn cạnh tứ diện; dường liền nét đâm biểu diễn liên kết, Hình 1.8 Biểu diễn liên két d dang mat phang va su xudt hién điện tử dẫn tính khiết tạp chất có hóa trị 5, ví dụ pha As vao Ge; Ge cd hda tri nhu thé liên kết đồng hóa trị đơi điện tử góp chung thừa điện tử khâu liên kết Ás với Ge, Điện tử thừa liên kết yếu với Ás cần lượng tất nhỏ đủ làm điện tử bút khỏi nguyên tử As để trở thành điện tử dẫn Nhìn vào hình 1.7 ta thay chat bán dẫn tính lý tướng nên vùng lượng bị biến đổi theo, vùng cấm xuất số mức lượng tạp chất mà đớ có điện tử chiếm giữ Số mức lượng phụ thuộc vào nõng độ Eạp chất pha vào Tất nhiên mức sÍt nhau, mức Fecmi nằm khoảng mức tạp chất cho (mức dono), va day vùng dẫn : : Hình 1.7, Mơ hình tạo bán dẫn dẫn diện điện tử (bán dẫn loại sỳ a) Hình Ảnh mặt phẳng; b) Đồ thị lượng, Bán dẫn loại ta gọi bán dẫn đono hay bán dẫn loại í: Cấu trúc loại bán dẫn gần giống cấu trúc ngun tử hyđro nên ta ding cơng thức tính lượng nguyên tử hyđro để tính cho nớ, gọi ngun tử "giả hyđro" ta có cơng thức: m*e4 (4xe)2hˆ2 (1-1) = 0,029 eV = AE), mm" - khối lượng hiệu dụng; Ae wus = "ey hang sé plang; e - số điện môi Ta thấy AE; > + DRy : R-k ue bte y=:ÐU abt p (;= 0) nên dòng nén tacd.thé bd qua duge lugng 12/0 To ta có biểu thức gần sau đây: E-b Ủ, bt Org* E> Unies & “SO e (3.111) K2 + R2 Ryo Để sáo mạch logic làm việc đúng, điện 4p UZ, phai & mue logic thap UP Fu ath Ủy) Dựa vào tính tốn ta chọn tham số mạch để mạch làm việc tín cậy Như nói điện áp #, phải thỏa mãn điều kiện U®'< Ey < UY, thường để có đặc tuyến truyền đạt đối xúng chọn: Ey “> (9 + 0U" (8-126) Hai đầu mạch ECL chọn cho hai mức logic tương ứng nhau: U) ral 3.8.3 Quá ~ Ura UPrai ” , trình độ Mach ECL la mạch có tác động nhanh cao, tức thời gian trình độ nhỏ Bởi vì: - Các tranzito làm việc chế độ tích cực loại trễ 01 khơng có phân tán điện ch du trình độ, - Tranzito7 chuyển mạch nhanh - Các tranzito vào T, + T, cling chuyển mạch nhanh, điện áp đặt bazd 179 chúng điện áp lấy từ lặp lại emitơ tầng ĐCL trước mà phần tử ECL cđ chênh lệch mức logic nhỏ (chỉ cỡ 0,8 V), có đột biến âm điện áp, _ tranzito tải emitơ không tắt không tồn trễ - Các phẩn tử ECL có chênh lệch mức logie nhỏ, điện trở mạch khơng lớn, vi vay giá trị điện áp cung cấp lớn, dòng phóng nạp cho điện dung ký sinh lớn thời gian phóng nạp nhỏ 3.8.4 Mach trigơ dùng phần tử ECL Hình 8.87 sơ đồ trigơ khóa đồng (mạch BCL cịn gọi mạch khóa địng) loại R-5 seri MC 302 hãng Motorola (Mỹ) ov | XT—— a) Hinh 3.87 a) Sở đồ nguyên lý trigó R-S (MC 302): b) Sở đồ phân bố chân Mạch MC 302 loại mạch khóa địng nên tần số làm việc lớn (tần số làm việc MC 302 80 MHz) chênh lệch mức logic nhỏ (0,8 + V) nên độ ổn định nhiễu Mạch MC 303 tổ hợp thành đếm, ghỉ dịch ngồi dùng MỸ 302 làm đao động đa hài Trong loại mạch cỡ lớn (LSI) người ta thường dùng phan tu ECL lam 180 thiết bị nhớ 3.8.5 Nhận xét đặc điểm mạch ECL; ~ Kha nang tai ni kha nang tai cla phan tử ECL lớn trở kháng nhỏ, tải emitg tranzito T ¡ và trở kháng vào mạch lớn có điện trở Ry emitd cla cac tranzito vao T,- T, Tăng khả tải làm tăng điện dụng tý sinh do›đố lãm giảm tác động nhanh niạch: Thường ø = 10 - Hé s6 nối chung theo đầu vào m:m không tăng lớn tặng làm tăng điện dung ký sinh: Ngồi tăng m cịn làm tăng kích thước phần tử số tranzito vào, thường m