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
I
• Vi mạch tuyến tính • Vi mạch số và vi mạch nhớ
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Khái niệm và đặc điểm
I
• 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
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
• Do hạn chế về kích thước nên vi mạch có tốc độ hoạt động không cao, và yêu cầu nguồn nuôi rất ổn định
Phân loại
• Phân loại theo dạng tín hiệu xử lý
I
– 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
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
– 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 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
Phân loại
– 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 loại transistor có trong IC
I
– IC SSI (Small Scale Intergration): Mức độ tich hợp nhỏ <12 phần tử – IC MSI (Medium Scale Intergration): Mức độ tích hợp trung bình
12-100 phần tử
– IC LSI (Large Scale Intergration): Mức độ tích hợp lớn 100-1000
phần tử
– IC VLSI (Very Large Scale Intergration): Mức độ tích hợp rất lớn
>1000 phần tử
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
– 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
• Phân loại theo số lượng phần tử được tích hợp trong IC
Phân loại
MSI
LSI
VLSI
ULSI
Năm 1961 1966 1971 1980 1985
SSI
Công nghệ
<100
<1000
>1000
106
109
<12
I
Số phần tử trên IC Các sản phẩm
Vi xử lý 16bit, 32bit
Mạch đếm, mạch ghép, tách kênh; mạch KĐTT
Vi xử lý 4 bit, 8 bit, ROM, R AM
VXL chuyên dụng 64 bit
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Vi xử lý chuyên dụng, xử lý ảnh thời gian thực
Cổng logic, Flip- Flop, IC ổn áp, tạo dao động,…
1990- nay GSI
Các phương pháp chế tạo IC
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
• Phương pháp quang khắc (Photolithography) :
Các phương pháp chế tạo IC
• Phương pháp quang khắc
– Trên đế Si tạo ra lớp màng mặt nạ (masking film)
I
bằng SiO2
– Phủ lớp cản quang (photoresist) – Đặt khuôn sáng (mask) lên lớp cản quang và chiếu
sáng
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
– 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
– 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
Các phương pháp chế tạo IC • Phương pháp quang khắc
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Các phương pháp chế tạo IC
• Phương pháp Planar:
I
• Phương pháp Epitaxy-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
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
– 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
– 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
Các phương pháp chế tạo IC
– 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
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
• Minh họa phương pháp Planar chế tạo một transistor
Các linh kiện trong vi mạch
• Điện trở trong IC
I
– 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
• Tụ điện trong IC
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
– 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 là lớp tiếp giáp p-n phân cực ngược – Tụ điện MOS (Kim loại-SiO2-Bán dẫn) – Tụ điện màng mỏng
Các linh kiện trong vi mạch
• Cuộn cảm trong IC
– Trong IC thường không chế tạo cuộn cảm,
I
• Transistor trong IC
trong trường hợp bắt buộc phải có cuộn cảm thì người ta chế tạo cuộn cảm bằng công nghệ màng mỏng
– 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
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
• Điốt trong IC
theo công nghệ Planar hoặc Epitaxy-Planar
– Trong IC Điốt thường được tạo thành từ transistor
lưỡng cực bằng cách nối tắt 2 cực của nó
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
I
• Một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng phải đạt được các
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
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→∞
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
I
• Cấu trúc cơ bản của một bộ khuếch đại thuật toán
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
gồm: – Tầng đầu là một mạch khuếch đại vi sai – Tầng trung gian là một hoặc vài mạch khuếch đại – Tầng ra là mạch khuếch đại CC, hoặc mạch khuếch đại
pha
công suất theo kiểu đẩy kéo
Vi mạch khuếch đại thuật toán
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Vi mạch khuếch đại thuật toán
Ur +Ec
Urmax ®¶o
Urmax kh«ng ®¶o
Uv
I
-Ec
Đặc tuyến truyền đạt của bộ khuếch đại thuật toán chia thành hai vùng rõ rệt:
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
• Vùng khuếch đại: Là vùng tín hiệu vào và tín hiệu ra 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
Một số ứng dụng của Op-Am
• Mạch khuếch đại đảo và
không đảo
K
I
D
R ht 1R
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
K
1
KD
R ht R 1
Một số ứng dụng của Op-Am
• Mạch cộng đảo và
không đảo
U
1(
U
r
Vi
I
1 n
R ht ) R
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
U
U
r
Vi
R ht R
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:
I
7805→ổn áp +5V; 1812→ổn áp +12V)
– Vi mạch ổn áp họ 79xx: ổn áp điện áp –xx(V) (Ví dụ:
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
7905→ổn áp→-5V; 7912→ổn áp -12V)
Vi mạch ổn áp
• Sơ đồ ổn áp dùng IC ổn áp
78xx
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
79xx
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
I
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)
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
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
I
chậm
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
• Tốc độ chuyển mạch: Là tốc độ chuyển trạng thái của vi
mạch – Loại cực nhanh: t<5ns – Loại nhanh: t=5-10ns – Loại trung bình t=10-100ns – Loại chậm t>100ns • Công suất tiêu thụ • Nhiệt độ làm việc
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
I
logic)
Y T I S R E V N U G N A R – Họ logic MOS và CMOS: Sử dụng transistor trường T A H • Trong các loại IC số trên thì họ TTL và họ logic N 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
– 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)
Các phần tử logic cơ bản
• Phần tử phủ định (NOT)
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Các phần tử logic cơ bản
• Phần tử và (AND)
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Các phần tử logic cơ bản
• Phần tử hoặc (OR)
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Các phần tử logic cơ bản
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
• Phần tử và phủ định (NAND)
Các phần tử logic cơ bản
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
• Phần tử hoặc phủ định (NOR)
Các phần tử logic cơ bản dùng vi mạch CMOS
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Các phần tử logic cơ bản dùng vi mạch CMOS
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Các phần tử logic cơ bản dùng vi mạch CMOS
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
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)
I
• 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
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
– Dung lượng: – Thời gian truy cập – Công suất tiêu thụ – Nguồn nuôi
