Họ vi mạch cmos

Khoa Điện – Điện Tử Lớp ĐH ĐT1-K1 LỜI NÓI ĐẦUI NĨI ĐẦUU Lịch sử ngành cơng nghiệp điện tử đánh dấu kiện quan trọng đời thyratron (1902) kỹ sư người Anh John Fleming sáng chế, transistor (1948) hai nhà vật lý người Mỹ John Badeen W H Brattain sáng chế,… Kể từ đến ngành công nghiệp điện tử gới không ngừng phát triển mạnh mẽ, người ta chế tạo vi mạch, vi mạch đa chức năng, vi xử lý phuc vụ cho việc sản xuất thiết bị điện tử lên tầm cao Với mục tiêu cơng nghiệp hóa, đại hóa, ngày có nhiều cơng nghệ địi hỏi sinh viên từ ngồi ghế nhà trường cần tiếp cận kiến thức kỹ thuật đại Bài tập lớn chia làm chương, việc giới thiệu Họ vi mạch số chương 1, ta tìm hiểu cách kỹ Họ vi mạch CMOS (vi mạch số ứng dụng phổ biến thiết bị điện tử số) Cùng với tìm hiểu tính họ vi mạch số Dựa vào tài liệu kiến thức cá nhân, em cố gắng xếp , dùng ngôn từ ngắn gọn để truyền đạt kiến thức Họ vi mạch Vì đề cập đến vấn đề khoa học kỹ thuật đại không ngừng phát triển nên khó tránh khỏi sai sót định Em xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp từ giáo viên mơn bạn sinh viên Hà Nội tháng năm 2011 Sinh viên Bài tập lớn môn Điện tử số Khoa Điện – Điện Tử Lớp ĐH ĐT1-K1 CHƯƠNG 1: HỌ VI MẠCH SỐNG 1: HỌ VI MẠCH SỐ VI MẠCH SỐCH SỐ 1.1 Tổng quan: Xét có lọai thiết bị bán dẫn lưỡng cực đơn cực Dựa thiết bị này, mạch tích hợp hình thành 1.1.1 Các họ mạch logic lưỡng cực: Các yếu tố IC lưỡng cực điện trở, diode BJT, hai hoạt động IC lưỡng cực là: tắt bão hòa, họ logic lưỡng cực: • Mạch logic RTL • Mạch logic DCTL • Mạch logic HTL • Mạch logic TTL • Mạch logic Schottky TTL • Mạch logic ECL 1.1.2 Các họ mạch logic đơn cực: Các thiết bị MOS thiết bị đơn cực có MOSFET vận hành mạch logic MOS, mạch logic MOS là: • PMOS • NMOS • CMOS 1.2 Các đặc trưng vi mạch số: 1.2.1 Phân loại IC số: Loại IC Số cổng Tổ hợp quy mô nhỏ SSI Nhỏ 12 Số linh kiện Lên đến 99 Tổ hợp quy mô trung bình MSI 12 ÷ 99 100 ÷ 999 Tổ hợp quy mơ lớn LSI 100 ÷ 999 1000 ÷ 9999 Tổ hợp quy mô lớn VLSI Lớn 1000 Lớn 10000 Bài tập lớn môn Điện tử số Khoa Điện – Điện Tử Lớp ĐH ĐT1-K1 1.2.2 Các đặc trưng:  Tốc độ hoạt động phụ thuộc vào thời gian trễ truyền đạt:  Tổn hao cơng suất, xác định tích số nguồn cung cấp VCC dịng ICC (giá trị trung bình dịng ICC mức mức 1), đơn vị mW  Chỉ số giá trị, xác định tích số tốc độ công suất  Chỉ số giá trị (pJ)= thời gian trì hỗn truyền đạt (ns) x cơng suất (mW) Chỉ số giá trị nhỏ tốt  Hệ số tải số cổng vận hành cổng, hệ số tải cao thuận lợi  Các tham số dòng áp:  Ðiện áp đầu vào mức cao VIH (điện áp tối thiểu mà cổng nhận biết mức 1)  Ðiện áp đầu vào mức thấp VIL (điện áp tối đa mà cổng nhận biết mức 0)  Ðiện áp đầu mức cao VOH (điện áp tối thiểu đầu tương ứng mức 1)  Ðiện áp đầu mức thấp VOL (điện áp tối đa đầu tương ứng mức 0)  Cường dộ dòng điện đầu vào mức cao IIH (dòng tối thiểu cung cấp tương ứng với mức 1)  Cường độ dòng điện đầu vào mức thấp IIL (dòng tối đa cung cấp tương ứng với mức 0)  Cường độ dòng điện đầu mức cao IOH (dòng cực đại mà ngõ cung cấp tương ứng với mức 1)  Cường độ dòng điện đầu mức thấp IOL (dòng cực tiểu mà ngõ cung cấp tương ứng với mức 0) Bài tập lớn môn Điện tử số Khoa Điện – Điện Tử Lớp ĐH ĐT1-K1  Logic cấp dòng logic nhận dòng: Một mạch logic thường gồm nhiều tầng kết nối với Tầng cấp tín hiệu gọi tầng thúc tầng nhận tín hiệu gọi tầng tải Sự trao đổi dòng điện hai tầng thúc tải thể logic cấp dòng logic nhận dịng Hình (a) cho thấy hoạt động gọi cấp dòng: Khi ngã mạch logic mức cao, cấp dịng I IH cho ngã vào mạch logic 2, vai trò tải nối mass Ngã cổng nguồn dòng cấp cho ngã vào cổng Hình (b) cho thấy hoạt động gọi nhận dòng: Khi ngã mạch logic mức thấp, nhận dịng IIL từ ngã vào mạch logic xem nối với nguồn VCC Thường dòng nhận tầng thúc mức thấp có trị lớn so với dịng cấp mức cao, nên người ta hay dùng trạng thái cần gánh tải tương đối nhỏ Ví dụ cần thúc cho led, người ta dùng mạch (Hình a) mà khơng thể dùng mạch (Hình b) Bài tập lớn mơn Điện tử số Khoa Điện – Điện Tử Lớp ĐH ĐT1-K1  Nhiễu: Các tín hiệu nhiễu tia lửa điện, cảm ứng từ làm thay đổi trạng thái logic tín hiệu ảnh hưởng đến kết hoạt động mạch Tính miễn nhiễu mạch logic tùy thuộc khả dung nạp hiệu nhiễu mạch xác định lề nhiễu Lề nhiễu có chênh lệch điện giới hạn (còn gọi ngưỡng logic) mức cao thấp ngã ngã vào cổng Tín hiệu vào mạch logic xem mức có trị >V IH(min), mức < VIL(max) Điện khoảng không ứng với mức logic nên gọi vùng bất định Do có khác biệt V OH(min) với VIH(min), VOL(max) với VIL(max) nên ta có giá trị lề nhiễu: Lề nhiễu mức cao: VNH= VOH(min) – VIH(min) Lề nhiễu mức thấp: VNL= VIL(max) – VOL(max) Khi tín hiệu mức cao đưa vào ngã vào, tín hiệu nhiễu có giá trị âm biên độ > V NH làm cho điện ngã vào rơi vào vùng bất định mạch khơng nhận tín hiệu thuộc mức logic Tương tự cho trường hợp ngã mức thấp tín hiệu nhiễu có trị dương biên độ > V NL đưa mạch vào trạng thái bất định Bài tập lớn môn Điện tử số Khoa Điện – Điện Tử Lớp ĐH ĐT1-K1  Tính Schmitt Trigger: Trong phần giới thiệu lề nhiễu, ta thấy khoảng điện nằm ngưỡng logic, khoảng điện ứng với transistor làm việc vùng tác động Khoảng cách xác định lề nhiễu có tác dụng làm giảm độ rộng sườn xung (tức làm cho đường dốc lên dốc xuống tín hiệu dốc hơn) qua mạch Lề nhiễu lớn vùng chuyển tiếp ngã vào nhỏ, tín hiệu thay đổi trạng thái khoảng thời gian nhỏ nên sườn xung dốc Tuy nhiên khoảng sườn xung nằm vùng chuyển tiếp nên tín hiệu khơng vng hồn tồn Để cải thiện dạng tín hiệu ngã ra, bảo đảm tính miễn nhiễu cao, người ta chế tạo cổng có tính trễ điện thế, gọi cổng Schmitt Trigger (hình a) Hình b mơ tả mối quan hệ V out Vin cổng đảo Schmitt Trigger Bài tập lớn môn Điện tử số Khoa Điện – Điện Tử Lớp ĐH ĐT1-K1 Ký hiệu cổng Schmitt Trigger:  Miền nhiệt độ hoạt động từ ÷ 70oC cho ứng dụng tiêu dùng công nghiệp, từ 55 ÷ 125oC cho mục đích qn  Yêu cầu nguồn  Tính đa dạng, khả tích hợp, giá thành, chế tạo, dễ phối hợp với vi mạch công nghệ khác 1.3 Các họ vi mạch số: 1.3.1 Họ DDL (Diode-Diode Logic): Là cổng logic diode bán dẫn tạo thành Bài tập lớn môn Điện tử số Khoa Điện – Điện Tử Lớp ĐH ĐT1-K1 Hình a: cổng NAND Hình b: cổng OR Nguyên lý hoạt động cổng đơn giản Hình (a) tổ hợp biến vào A= B= (logic 1) làm hai diode D1, D2 bị khóa đầu Y lấy mức 1, nghĩa mạch thể cổng AND Ngược lại, hình (b), tổ hợp A= B= khơng tạo dịng qua diode sụt áp R= Tương ứng, đầu lấy mức Trường hợp mạch thể cổng OR 1.3.2 Họ RTL (Resistor-Transistor Logic): Bao gồm điện trở transistor, họ logic tích hợp sớm Ví dụ: cổng NOR RTL Các mạch RTL có đặc tính chung cần dịng IB cho BJT nên gọi mạch thu dịng (current sinking), kết nối với mạch khác cần phải lưu ý để thỏa mãn điều kiện này, không mạch không làm việc Bài tập lớn môn Điện tử số Khoa Điện – Điện Tử Lớp ĐH ĐT1-K1 Lề nhiễu trạng thái là: 0.5 - 0.2= 0.3V Lề nhiễu trạng thái phụ thuộc vào tải 1.3.3 Họ DTL (Diode-Transistor Logic): Bao gồm diode ngõ vào transistor ngõ Ví dụ: cổng NAND DTL Ngõ Y kéo lên nguồn VCC gọi ngõ kéo lên thụ động 1.3.4 Họ TTL (Transistor-Transistor Logic): Loại DTL sớm thay TTL tức transistor ngõ vào transistor ngõ Ví dụ: cổng NAND TTL Lưu ý: ngõ vào A, B để hở (thả ngõ vào) khơng có dịng chảy A, B nên ngõ vào để hở giống nối lên cao (logic 1) Bài tập lớn môn Điện tử số Khoa Điện – Điện Tử Lớp ĐH ĐT1-K1 Ðầu TTL hoạt động thu nhận dòng trạng thái thấp (Q4) cung cấp dòng trạng thái cao (Q3) Ngõ Y kéo lên transistor nên gọi ngõ kéo lên tích cực (Active pull up) hay cịn gọi ngõ cột chạm (Totel pole) Với Q3 dịng truyền qua RC ngõ mức thấp nên giảm bớt dòng tiêu hao mạch Trong kiểu kéo lên thụ động làm cho Q4 dẫn dòng lớn ngõ mức thấp Ưu điểm thứ hai cấu hình totem pole Y trạng thái cao, Q3 có trở kháng đầu thấp nên thuận tiện tải có tính dung C Nhược điểm cấu hình totem pole thể giai đoạn chuyển tiếp từ thấp lên cao Vì Q4 tắt chậm nên Q4 chưa tắt mà Q3 dẫn, thời gian (vài ns) transostor dẫn điện nên hút dòng tương đối lớn 1) Họ TTL chuẩn: Loạt IC TTL chuẩn gọi seri 54/74, tùy theo hãng chế tạo có thêm tiền tố (Texas Instruments có tiền tố SN, National Semiconductor dùng DM, Signetic S,…) Ví dụ: cổng NOR có mã số khác DM7402, SN7402,…  Khoảng nhiệt độ điện nguồn: Seri 54 chấp nhận điện nguồn khoảng 4.5 ÷ 5.5V nhiệt độ -55 ÷ 125oC Seri 74 vận hành khoảng điện 4.75 ÷ 5.25V nhiệt độ ÷ 70 C o  Cơng suất tiêu hao bình qn cổng khoảng 10 mW  Thời gian trễ tiêu biểu tpLH= 11(ns) t= (ns), trung bình (ns)  Ðầu TTL chuẩn kích thích 10 đầu vào TTL chuẩn 2) Họ TTL trạng thái (Tristante): Ngoài trạng thái 0, mạch logic cịn có thêm trạng thái tổng trở cao Hi-Z Ví dụ xét cổng NOT trạng thái sau: Bài tập lớn môn Điện tử số 10