Kỹ thuật điện tử - Chương 7: Vi mạch tích hợp

Nội dung text: Kỹ thuật điện tử - Chương 7: Vi mạch tích hợp

1. Chương 7: Vi mạch tích hợp • Khái niệm và phân loại vi mạch tích hợp • Các phương pháp chế tạo vi mạch tích hợp bán dẫn • Vi mạch tuyến tính • Vi mạch số và vi mạch nhớ NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
2. Khái niệm và đặc điểm • Vi mạch tích hợp (IC: Intergrated Circuits) là sản phẩm của công nghệ vi điện tử, nó gồm rất nhiều các linh kiện tích cực, thụ động, và dây nối giữa chúng được chế tạo tích hợp trên một đế bán dẫn duy nhất theo một sơ đồ cho trước và thực hiện một vài chức năng nhất định • Vi mạch tích hợp có kích thước nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng, hoạt động tin cậy, giá thành hạ, tuổi thọ cao • Do hạn chế về kích thước nên vi mạch có tốc độ NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG hoạt động không cao, và yêu cầu nguồn nuôi rất ổn định
3. Phân loại • Phân loại theo dạng tín hiệu xử lý – IC tương tự (IC tuyến tính): μA741, 7805, 7905, – IC số: Họ 74, IC 555, ROM, RAM, • Phân loại theo công nghệ chế tạo – IC bán dẫn (đơn khối): Các linh kiện thụ động và tích cực đều được chế tạo trên một đế bán dẫn – IC màng mỏng: Các linh kiện thụ động được chế tạo trên đế thủy tinh cách điện, các linh kiện tích cực được gắn vào mạch như các phần tử rời rạc – IC màng dày: Các linh kiện thụ động được chế tạo NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG trên đế bán dẫn, còn các linh kiện tích cực được gắn vào mạch như các phần tử rời rạc – IC lai (hybrid IC): Kết hợp các công nghệ khác nhau
4. Phân loại • Phân loại theo loại transistor có trong IC – IC lưỡng cực: Các transistor tích hợp trong mạch là transistor lưỡng cực – IC MOS: Các transistor tích hợp trong mạch là transistor trường loại MOS (MOS-FET) • Phân loại theo số lượng phần tử được tích hợp trong IC – IC SSI (Small Scale Intergration): Mức độ tich hợp nhỏ 1000 phần tử NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG – IC ULSI (Ultra Large Scale Intergration): Mức độ tích hợp cực lớn >1 triệu phần tử – IC GSI (Giant Scale Intergration): Mức độ tích hợp khổng lồ > 1 tỷ phần tử
5. Phân loại Năm 1961 1966 1971 1980 1985 1990- nay Công SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI nghệ Số phần 1000 106 109 tử trên IC Các sản Cổng Mạch đếm, Vi xử lý 4 Vi xử lý Vi xử lý VXL phẩm logic, mạch ghép, bit, 8 bit, 16bit, chuyên chuyên Flip- tách kênh; ROM, R 32bit dụng, dụng Flop, IC mạch KĐTT AM xử lý 64 bit NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG ổn áp, ảnh thời tạo dao gian động, thực
6. Các phương pháp chế tạo IC • Phương pháp quang khắc (Photolithography) : NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
7. Các phương pháp chế tạo IC • Phương pháp quang khắc – Trên đế Si tạo ra lớp màng mặt nạ (masking film) bằng SiO2 – Phủ lớp cản quang (photoresist) – Đặt khuôn sáng (mask) lên lớp cản quang và chiếu sáng – Bỏ khuôn sáng và định hình: tùy vào chất làm màng mặt nạ mà phần bị che sẽ bị ăn mòn hoặc không bị ăn mòn trong dung dịch rửa NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG – Sau khi định hình, loại bỏ lớp cản quang ta thu được một đế bán dẫn có phủ lớp bảo vệ SiO2 có hình dạng mà ta mong muốn
8. Các phương pháp chế tạo IC • Phương pháp quang khắc NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
9. Các phương pháp chế tạo IC • Phương pháp Planar: – Là phương pháp gia công các phần tử của vi mạch bán dẫn (đơn khối). Đây là phương pháp kết hợp hai quá trình quang khắc và khuếch tán • Phương pháp Epitaxy-Planar – Tương tự như phương pháp Planar, nhưng ở đó người ta sử dụng quá trình Epitaxy để nuôi cấy một lớp đơn tinh thể mỏng bên trong một lớp đơn tinh thể khác NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG – Epitaxy là phương pháp tạo ra một màng mỏng bằng cách sử dụng các chùm phân tử lắng đọng trên đế tinh thể ở môi trường chân không
10. Các phương pháp chế tạo IC • Minh họa phương pháp Planar chế tạo một transistor – a, b,c: quá trình quang khắc tạo mặt nạ – d: quá trình khuếc tán tạo miền C của transistor – e: Các quá trình lặp lại để tạo thành một transistor hoàn chỉnh NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
11. Các linh kiện trong vi mạch • Điện trở trong IC – Điện trở bán dẫn: Điện trở thường được chế tạo từ một khối bán dẫn (đơn khối) hoặc một khối bán dẫn khác khuếch tán vào bán dẫn đế – Điện trở màng mỏng: Thường sử dụng phương pháp bốc hơi và lắng đọng trong chân không, hoặc phương pháp Epitaxy để tạo ra lớp màng mỏng • Tụ điện trong IC – Tụ điện là lớp tiếp giáp p-n phân cực ngược NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG – Tụ điện MOS (Kim loại-SiO2-Bán dẫn) – Tụ điện màng mỏng
12. Các linh kiện trong vi mạch • Cuộn cảm trong IC – Trong IC thường không chế tạo cuộn cảm, trong trường hợp bắt buộc phải có cuộn cảm thì người ta chế tạo cuộn cảm bằng công nghệ màng mỏng • Transistor trong IC – Transistor lưỡng cực thường sử dụng loại n-p-n, chế tạo bằng công nghệ Planar hoặc Epitaxy-Planar – Transistor trường gồm cả JFET và MOSFET chế tạo theo công nghệ Planar hoặc Epitaxy-Planar NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG • Điốt trong IC – Trong IC Điốt thường được tạo thành từ transistor lưỡng cực bằng cách nối tắt 2 cực của nó
13. Vi mạch khuếch đại thuật toán • Vi mạch khuếch đại thuật toán là loại vi mạch thực hiện khuếch đại tín hiệu tương tự và thực hiện một số phép toán dựa vào mạch hồi tiếp bên ngoài vi mạch khuếch đại thuật toán • Một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng phải đạt được các tiêu chuẩn sau: – Hệ số khuếch đại điện áp rất lớn K→∞ – Trở kháng vào rất lớn Rv→∞ – Trở kháng ra rất nhỏ Rr→0 – Làm việc đồng đều trong toàn bộ dải tần Δf→∞ NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
14. Vi mạch khuếch đại thuật toán • Một mạch khuếch đại thuật toán gồm có 1 đầu ra và hai đầu vào, cùng các chân cấp nguồn cho nó: – Đầu vào đảo (N): tín hiệu vào và tín hiệu ra ngược pha – Đầu vào không đảo (P): tín hiệu vào và tín hiệu ra cùng pha • Cấu trúc cơ bản của một bộ khuếch đại thuật toán gồm: – Tầng đầu là một mạch khuếch đại vi sai – Tầng trung gian là một hoặc vài mạch khuếch đại NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG – Tầng ra là mạch khuếch đại CC, hoặc mạch khuếch đại công suất theo kiểu đẩy kéo
15. NHATRANG UNIVERSITY Vi mạchkhuếchđạithuậttoán
16. Vi mạch khuếch đại thuật toán  Ur +Ec Urmax ®¶o Urmax kh«ng ®¶o Uv -Ec Đặc tuyến truyền đạt của bộ khuếch đại thuật toán chia thành hai vùng rõ rệt: • Vùng khuếch đại: Là vùng tín hiệu vào và tín hiệu ra NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG tăng tuyến tính với nhau Ur=K.Uv (K rất lớn) • Vùng bão hòa: Là vùng Ur tăng nhanh và đạt giá trị bão hòa ≈ ±Ec
17. Một số ứng dụng của Op-Am • Mạch khuếch đại đảo và không đảo Rht K D = − R1 R NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG ht K KD =1+ R1
18. Một số ứng dụng của Op-Am • Mạch cộng đảo và không đảo 1 R U = (1+ ht ) U r n R  Vi NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG R U = − ht U r R  Vi
19. Vi mạch ổn áp • Vi mạch ổn áp là vi mạch có nhiệm vụ ổn định điện áp ở đầu ra khi điện áp đầu vào thay đổi – Vi mạch ổn áp họ 78xx: ổn áp điện áp +xx(V) (Ví dụ: 7805→ổn áp +5V; 1812→ổn áp +12V) – Vi mạch ổn áp họ 79xx: ổn áp điện áp –xx(V) (Ví dụ: 7905→ổn áp→-5V; 7912→ổn áp -12V) NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
20. Vi mạch ổn áp • Sơ đồ ổn áp dùng IC ổn áp 78xx NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG 79xx
21. Vi mạch số • Vi mạch số là vi mạch gồm các mạch logic cơ bản để thực hiện các thuật toán và các hàm logic khác nhau • Khi làm việc, vi mạch số chỉ có hai trạng thái: trạng thái gần với 0 gọi là mức logic thấp (mức 0), trạng thái gần với điện áp nguồn cấp gọi là mức logic cao (mức 1) NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
22. Các tham số của vi mạch số • Mức logic 0 và 1: Điện áp tương ứng với mức logic 0 và 1 • Nguồn nuôi: Đa số IC số dùng nguồn nuôi là +5V • Khả năng ghép tải: Số nhánh có thể ghép ở đầu ra • Số đầu vào: Càng nhiều đầu vào thì tốc độ làm việc càng chậm • Tốc độ chuyển mạch: Là tốc độ chuyển trạng thái của vi mạch – Loại cực nhanh: t 100ns NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG • Công suất tiêu thụ • Nhiệt độ làm việc
23. Phân loại IC số • Người ta phân loại IC số dựa vào loại linh kiện sử dụng trong vi mạch – Họ transistor logic liên kết trực tiếp: TL (transistor logic) – Họ điện trở-transistor logic: RTL (resistor transistor logic) – Họ điốt-transistor logic: DTL (diode transistor logic) – Họ transistor-transistor logic TTL (transistor transistor logic): Họ TTL thường sử dụng transistor có nhiều tiếp giáp B-E (nhiều cực E) – Họ logic MOS và CMOS: Sử dụng transistor trường • Trong các loại IC số trên thì họ TTL và họ logic NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG MOS, CMOS được sử dụng nhiều nhất vì có thời gian chuyển mạch nhanh, công suất tiêu thụ thấp và khả năng chịu tải lớn
24. Các phần tử logic cơ bản • Phần tử phủ định (NOT) NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
25. Các phần tử logic cơ bản • Phần tử và (AND) NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
26. Các phần tử logic cơ bản • Phần tử hoặc (OR) NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
27. Các phần tử logic cơ bản • Phần tử và phủ định (NAND) NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
28. Các phần tử logic cơ bản • Phần tử hoặc phủ định (NOR) NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
29. Các phần tử logic cơ bản dùng vi mạch CMOS NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
30. Các phần tử logic cơ bản dùng vi mạch CMOS NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
31. Các phần tử logic cơ bản dùng vi mạch CMOS NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG
32. Vi mạch nhớ • Vi mạch nhớ là linh kiện có khả năng lưu trữ dữ liệu số dưới dạng các bit 0, 1 • Đơn vị của dung lượng bộ nhớ là Byte (B), 1B=8bit, với mỗi bit là trạng thái 0 hoặc 1 • Quá trình ghi dữ liệu vào bộ nhớ là “ghi” (Write), và đọc dữ liệu từ bộ nhớ ra là “đọc” (Read) • Bộ nhớ chỉ ghi một lần gọi là bộ nhớ chỉ đọc (ROM), bộ nhớ có thể ghi, đọc nhiều lần gọi bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) • Dựa trên vật liệu chế tạo người ta chia bộ nhớ thành hai loại – Bộ nhớ bán dẫn: Chế tạo bằng vật liệu bán dẫn có tốc độ truy cập cao: ROM, RAM, USB, thẻ nhớ, – Bộ nhớ từ: Chế tạo bằng vật liệu từ, có dung lượng lưu trữ cao: ổ đĩa cứng, băng từ • Các tham số của bộ nhớ NHATRANG UNIVERSITY NHATRANG – Dung lượng: – Thời gian truy cập – Công suất tiêu thụ – Nguồn nuôi