Phần I 1-Giới thiệu và phân loại IC số 1.1 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 vài trăm 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 thành phần của mạch điện tử cũng như các bộ phận cấu thành của một hệ thống điện tử vẫn la hướng tìm tòi và theo đuổi từ lâu trong ngành điện tử.Nhu cầu của sự kết tụ phát minh từ sự kết tụ tất nhiên của các mạch và hệ thống điện tử nhỏ đến lớn,từ tần số thấp(tốc độ chậm) đến tần số cao(tốc độ nhanh).Sự tiến triển này là hậu quả tất 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,bộ phận.Do đó nảy ra nhiều vấn đề cần giải quyết: 1. Khoảng không gian mà số lường lớn các thành phần chiếm đoạt (thể tích).Một máy tính điện tử cần dùng đến hàng triệu,hàng vài chục triệu bộ phần 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 phức tạp.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 hoạt động đúng theo tiêu chuẩn thiết kế.Độ khả tín của một hệ thống tất nhiên phụ thuộc vào độ khả tín của các thành phần cấu thành và các bộ phận nối tiếp giữa chúng.Hệ thống càng phức tạp,số bộ phận càng tăng và chỗ nối tiếp càng nhiều.Vì vậy,nếu dùng bộ phận rời rạc cho các hệ thống phức tạp,độ khả tín của nó sẽ giảm thấp.Một hệ thống như vậy sẽ trục trặc rất nhanh. 3. Vấn đề thời gian thực hiện 4. Sự kết tụ áp dụng vào IC thường thực hiện ở giai đoạn bộ phận chức năng.Song khái niệm kết tụ không nhất thiết dừng lại ở giai đoạn này.Người ta vẫn nỗ lực để kết tụ với mật độ cực cao trong IC,nhằm hướng 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 như sau: - Giá thành sản phẩm hạ - Kích cỡ nhỏ - Độ khả tín cao(tất cả các thành phần được chế tạo cùng lúc và không có những điểm hàn,nối). - Tăng chất lượng (do giá thành hạ,các mặt phức tạp hơn có thể được chọn để hệ thống đạt đến những tính năng tốt nhất). - Các linh kiện được phối hợp tốt(matched).Vì tất cả các transistor được chế tạo đồng thời và cùng một qui trình nên các thông số tương ứng của chúng ta về cơ bản có cùng độ lớn đối với sự biến thiên của nhiệt độ. - Tuổi thọ cao. 1.2 Các loại IC. Phân loại theo quy mô Loại IC Các cổng căn bản Số các linh kiện Tổng hợp quy mô nhỏ SSI Nhỏ hơn 12 Lên đến 99 Tổng hợp quy mô trung bình MSI 12→99 100→999 Tổng hợp quy mô lớn LSI 100→999 1000→999 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 phần khác.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 suất nhỏ như Au,Al,Cu… o Điện trở: Dùng màng kim loại hoặc hợp kim có điện trở suất lớn như Ni-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 điện môi:Sio;Sio2,Al203;Ta205.Tuy nhiên khó tạo được tụ có điện dung lớn hơn 0,02 F/cm2. o Cuộn Tụ cảm:Dùng một màng kim loại hình xoắn.Tuy nhiên khó tạo được 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 ứng dụng vào IC màng.Nhưng tiếc là transistor màng chưa đạt đến giai đoạn 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) bằng chất 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 cho các bộ phận đó trên lớp SiO2,dùng màng kim loại để nối các bộ phận với nhau.  Transistor,diode đều là các bộ phận bán dẫn.  Điện trở:Được chế tạo bằng cách lợi dụng điện trở của lớp bán dẫn có khuếch tán tạp chất.  Tụ điện: Được chế tạo bằng các lợi dụng điện dung của vùng hiếm tại một nối P-N bị phân cực nghịch. Đôi khi người ta có thể thêm những thành phần khác hơn của các thành phần kể trên để dùng cho các mục đích đặc thù Các thành phần trên được chế tạo thành một số rất nhiều trên cùng một chip.Có rất nhiều mối nối giữa chúng và chúng được cách ly nhờ những mối nối P- N bị phân cực nghịch(điện trở có hàng trăm M) IC lai(hibrid IC). -Là loại IC lai giữa hai loại trên -Từ vi mạch màng mỏng(chỉ chứa các thành phần thụ đông),người ta gắn ngay trên đế của nó những thành phần tích cực(transistor,diode)tại những nơi đã dành sẵn.Các transistor và diode gắn trong mạch lai không cần 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 với sai số nhỏ.  Có khả năng đặt trên một đế,các phần tử màng mỏng ,các transistor,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 vì quá trình chế tạo các thành phần tác động và thụ động được thực hiện không đồng thời nên các đặc tính và thông số của các thành phần thụ động không phụ thuộc vào các đặc tính và thông số của các thành phần tác động mà chỉ phụ thuộc vào việc lựa chọn vật liệu,bề dầy và hình dáng.Ngoài ra,vì các transistor của các IC loại này nằm trong đế nên kích thước IC được thu nhỏ nhiều so với IC chứa transistor rời. -IC chế tạo bằng qui trình phối hợp của nhiều ưu điểm.Với kỹ thuật màng,trên một diện tích nhỏ có thể tạo ra một điện trở có giá trị lớn,hệ số nhiệt nhỏ.Điều khiển tốc độ ngưng động của màng,có thể tạo ra một màng điện trở với đọ chính xác rất cao. Dựa trên chức năng xử lý tín hiệu người ta chia IC làm hai loại:IC digital và IC analog(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 loại mạchlogic 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 so với IC digital,loại IC Analog phát triển chậm hơn.Một lý do là vì IC analog phần lớn là mạch chuyên dụng(special use),trừ một vài trường hượp đặc biệt như OP-AMP(IC khuếch đại thuật toán),khuếch đại video và những mạch phổ dụng(universal use).Do đó để thỏa mãn nhu cầu sử dụng,người ta phải thiết kế,chế tạo rất nhiều loại khác nhau. -Hầu hết các IC số hiện nay đều chế tạo trên các transistor lưỡng cực và transistor trường.Mỗi một IC số dường như đều có thể thực hiện một chức năng 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,tùy từng 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 logic tới một đầu ra của một cổng cho trước. -Tốc độ chuyển mạch hay còn gọi là độ tác động nhanh của vi mạch: • Loại tốc độ cực nhanh: t tb • Loại nhanh : t tb • Loại trung bình : t tb • Loại chậm : t tb -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 trị trung 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). -Chỉ số giá trị càng nhỏ càng tốt . -Hệ số tải là số cổng có thể được vận hành bởi một cổng,hệ số tải càng cao càng thuận lợi. -Các tham số dòng và áp o Điện áp đầu vào ở mức cao V IH (điện áp tối thiểu mà cổng có thể nhận biết mức 1). o Điện áp đầu vào ở mức thấp V IL (điện áp tối đa mà cổng có thể nhận biết mức 0). o Điện áp đầu ra ở mức cao V OH (điện áp tối thiểu tại đầu ra tương ứng mức 1). o Điện áp đầu ra ở mức thấp V OL (điện áp tối đa tại đầu ra tương ứng mức 0). o Cường độ dòng điện đầu vào mức cao I IH (dòng tối thiểu được cung cấp tương ứng với mức 1). o Cường độ dòng điện đầu vào mức thấp I IL (dòng tối đa được cung cấp tương ứng với mức 0). o Cường độ dòng điện đầu ra mức cao I OH (dòng cực đại mà ngõ ra cung cấp tương ứng với mức 1). o Cường độ dòng điện đầu ra mức thấp I OH (dòng cực tiểu mà ngõ ra cung cấp tương ứng với mức 0). -Miền nhiệt độ hoạt động từ 0-70 0 C(tiêu dùng và công nghiệp) và 55 0 C-125 0 C(cho mục đích quân sự). -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 1.Phần tử RTL(resistor-transistor logic) a.Cấu tạo Cổng RTL cơ bản nhất là cổng NOR 2 đầu vào,điều khiển N cổng giống nhau như hình vẽ: Vcc(3.6V) Vcc(3.6) Rc(640Ω) R(640) Vc T 1 T 2 R B (450) V cc (3.6V) R B (450) R C (640) A Các đầu vào B R B (450) G N Cổng dùng làm tải b.Nguyên lý hoạt động Điện áp đầu vào tương ứng với mức thấp phải đủ nhỏ để transistor ngắt,ứng với các mức cao phải đủ lớn để transistor bão hòa . -Nếu cả hai đầu vào đều ở mức thấp thì T 1 , T 2 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 V cc 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 BE =0.8V ở trạng thái bão hòa). Khi đó dòng điện cực B cho mỗi transistor tải là: I B = Khi đó dòng colector ở trạng thái bão hòa: I c,bh Giá trị của N phải thỏa mãn: H FE I B I C Các lề nhiễu: -Khi đầu ra ở trạng thái 0 thì V 0 = V CE =0.2V,nếu điện áp này tăng lên 0.5V sẽ làm T thông→ gây ra sai mạch→mức logic 0 có lề nhiễu Δ 0 =0.3V -Lề nhiễu mức logic 1 phụ thuộc vào số lượng các cổng được điều khiển. V 0max = Tổng các dòng điện cực B cần thiết để các transitor bão hòa là: khi đó V 0 tương ứng với mức thấp nhất để transistor bão hòa là: V 0min Khi đó trễ nhiễu của mức logic 1 :Δ 1 =V 0max -v omin -Thời gian trễ lan truyền t C là điện dung của tiếp giáp BE c.Ứng dụng - IC này được ứng dụng phổ biến khi chưa có các loại DTL,TTL,và được dùng trong các máy tính thế hệ I - 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) a. Cấu tạo: 1 DTL loại cơ bản là một cổng Nand 3 đầu vào: V CC (5v) Vcc(5) R(5kΩ) R C (2kΩ A D A A 1 D1 I C D2 B D B D 1 D 2 I 2 I 1 I B C D C [...]... tiếp thêm transistor ta có thể thực hiện được các cổng logic khác(hình dưới đây).Chẳng hạn khi mắc chồng 2 NMOS và mắc song song 2 PMOS ta được cổng NAND.Còn khi mắc chồng 2 PMOS và mắc song song 2 NMOS ta được cổng NOR 4.2.3 Phân loại 4.2.3 Phân loại Có nhiều loại IC logic CMOS với cách đóng vỏ (package) và chân ra giống như các IC loại TTL.Các IC có quy mô tích hợp nhỏ SSI vỏ DIP(dual inline package):... 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... đầu ra thấp ở m ic trạng thái • Hệ số tải Dòng ra của các CMOS khá lớn trong lúc điện trở vào của các CMOS lại rất lớn(thường khoảng 1012 Ω ) tức dòng vào rất nhỏ.Nhưng mỗi cổng CMOS có điện dung ngõ vào thường cũng khoảng 5pF nên khi có nhiều cổng tải mắc song song số điện dung tăng lên làm tốc độ chuyển mạch chậm lại khiến số tỏa ra ở tần số thấp(dưới 1MHz) là vài chục,còn ở tần số cao số tỏa ra giảm... làm giảm thời gian trễ truyền +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  -Loại 74AS và 74 ALS là cải tiến của 74S nhưng có thêm nhiều cải tiến hơn: +Hoạt động logic và chân ra nói chung là giống với các loại trước +Chống nhiễu và ổn định cao hơn trong suốt cả... +Do hãng Motorola sản xuất và cũng thường áp dụng trong máy vi tính nơi đòi hỏi tốc độ rất cao Bảng dưới đây cho biết các thông số điện thế và dòng điện ở ngõ vào và ngõ ra của các loại TTL kể trên 4 .IC số loại COMS 4.1 Phần tử loại MOSFET - Công nghệ MOS (metal Oxide Semiconductor) có tên gọi xuất xứ từ cấu trúc cơ boản của một điện cực nằm trên lớp oxit cách nhiệt,dưới lớp oxit là đế bán dẫn.Transistor... thanh ghi được kích hoạt (cho phép) Ví dụ: Địa chỉ vào là 1101 thì thanh ghi nào xuất dữ liệu Với A3A2 = 11, bộ giải mã cột sẽ kích hoạt đường chọn cột số 3 Với A1A0 = 01, bộ giải mã hàng sẽ kích hoạt đường chọn hàng số 1 Như vậy kết quả là cả hai đầu vào cho phép thanh ghi số 13 sẽ ở mức cao và dữ liệu của thanh ghi này sẽ được đưa vào đường truyền dữ liệu -Bộ đệm đầu ra Thường sử dụng mạch đệm 3 trạng... ghi được chọn thì đầu vào đọc ghi ( ) phải là logic 1 Ngoài ra đầu vào chip select phải ở mức logic 0 Sự kết hợp giữa = 1 và = 0 sẽ cho phép bộ đệm đầu ra, sao cho nội dung của thanh ghi được chọn xuất hiện ở bốn đầu ra dữ liệu = 1 cũng cấm bộ đệm đầu vào nên đầu vào dữ liệu không tác động đến bộ nhớ suốt hoạt động đọc -Hoạt động ghi (Write Operation) Để viết một từ 4 bit mới vào thanh ghi được chọn,... cho 74LSXX và giao tiếp với các loại TTL rất bình thường Ngày nay 74HC và 74HCT trở thành loại CMOS hay dùng nhất mà lại có thể thay thế trực tiếp cho loại TTL thông dụng -Loại CMOS tiên tiến 74AC,74ACT Loại này được chế tạo ra có nhiều cải tiến cũng giống như bên TTL,nó sẽ hơn hẳn các loại trước đó nhưng việc sử dụng còn hạn chế cũng vẫn ở lý do giá thành còn cao.Chẳng hạn cấu trúc mạch và chân ra... cải tiến từ loại 74HC và 74HCT,chúng tận dụng được cả 2 ưu điểm lớn nhất của TTL là tốc độ cao và của CMOS là tiêu tán thấp do đó có thể thay thế trực tiếp cho 74HC và 74HCT Ngoài ra công nghệ CMOS cũng phát triển một số loại mới như BiCMOS ,loại CMOS điện thế thấp(74LV,74LC,74LVT) 4.2.4 Mạch CMOS cực máng để hở (Do dùng MOSFET nên ngõ ra không phải là cực thu mà là cực máng Nếu 2 đầu vào ở cao thì... 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: Thông số kỹ thuật 74 74L 74H 74S 74LS 74AS 74LS 74F Thời gian trễ truyền Công suất tiêu tán Tích số . Phần I 1 -Giới thiệu và phân loại IC số 1.1 Giới thiệu IC số IC( intergated-circuit) là một mạch điện tử mà các thành phần tác động và thụ động đều. chia IC làm hai loại: IC digital và IC analog(còn gọi là IC tuyến tính) IC digital: -Là loại IC xử lý tín hiệu số. ( Digital signal) Chủng loại IC digital