Chöông 1. Thieát Keá, Phaân Tích Heä Toå Hôïp
Ñeà Cöông:
Phaân loaïi vi maïch
Thieát keá maïch toå hôïp baèng caùc vi maïch SSI
Phaân tích maïch toå hôïp ñöôïc thieát keá baèng caùc vi maïch SSI
Thieát keá maïch toå hôïp baèng caùc vi maïch MSI
Phaân tích maïch toå hôïp ñöôïc thieát keá baèng caùc vi maïch MSI
Muïc Ñích:
Sau khi hoaøn thaønh chöông naøy, baïn phaûi naém ñöôïc kieán thöùc:
Caùc ñaëc tính kyõ thuaät cuûa vi maïch loaïi TTL vaø CMOS
Phaân tích vaø thieát keá maïch toå hôïp baèng caùc vi maïch SSI
Phaân tích vaø thieát keá maïch toå hôïp baèng caùc vi maïch SSI
Caùc Thuaät Ngöõ Tieáng Anh:
Intergrated Circuits (IC): vi maïch
Small-scale integration(SSI): tích hôïp côû nhoû
Medium-scale integration(MSI): tích hôïp côû vöøa
Large-scale integration(LSI): tích hôïp côû lôùn
Very large-scale integration(VLSI): tích hôïp côû cöïc lôùn
Ultra large-scale integration(ULSI): tích hôïp côû sieâu cöïc lôùn
Giga-scale integration: tích hôïp côû giga
Bipolar: löôõng cöïc
Unipolar: ñôn cöïc
Logic level: taàm ñieän theá cho möùc logic
Propagation delay: khoaûng thôøi gian treã ñeå ngoõ
xuaát thay ñoåi khi ngoõ nhaäp thay ñoåi
Power: coâng suaát
Noise immunity: ñoä oån ñònh nhieãu
Fan in, fan out: heä soá chia taûi
1.1- Ñònh Nghóa Heä Toå Hôïp
Maïch toå hôïp laø maïch logic maø ngoõ xuaát chæ phuï thuoäc duy nhaát vaøo caùc
ngoõ nhaäp.
1.2- Phaân Loaïi Vi Maïch
Vi maïch laø maïch ñieän töû phöùc taïp bao goàm ñieän trôû (linh kieän thuï ñoäng),
diod, transistor (linh kieän chuû ñoäng) ñöôïc tích hôïp treân moät goám thaønh moät
linh kieän, thöôøng ñöôïc goïi laø IC hay chip.
Caùc vi maïch thöôøng ñöôïc ñoùng goùi döôùi hai daïng: daïng DIP (dual-in-line
package) goàm hai haøng chaân song song, vaø daïng hoäp (flat pack).
Moãi vi maïch ñöôïc cheá taïo baèng moät coâng ngheä thích hôïp vaø coù chöùc naêng
rieâng bieät.
Caùc vi maïch thöôøng ñöôïc phaân loaïi theo moät soá tieâu chuaån sau:
Phaân loaïi theo baûn chaát ngoõ nhaäp vaø ngoõ xuaát.
Phaân loaïi theo möùc ñoä tích hôïp.
Phaân loaïi theo coâng ngheä cheá taïo.
Phaân loaïi theo caùch thieát keá ngoõ xuaát.
1.2.1- Phaân loaïi theo baûn chaát ngoõ nhaäp vaø ngoõ xuaát.
1.2.2- Phaân loaïi theo maät ñoä tích hôïp
Maät ñoä tích hôïp laø soá transistor hay soá coång logic ñöôïc chöùa
treân moät ñôn vò dieän tích cuûa tinh theå baùn daãn cuûa vi maïch.
Möùc tích hôïp laø soá soá transistor hay soá coång logic ñöôïc chöùa
treân tinh theå baùn daãn cuûa vi maïch.
Mức tích hợp
Số cổng
Mức tích hợp cở nhỏ (SSI)
≤ 12
Mức tích hợp cở vừa (MSI)
≤ 99
Mức tích hợp cở lớn(LSI)
≤ 9999
Mức tích hợp cở cực lớn(VLSI)
≤ 99999
Mức tích hợp cở siêu cực lớn(ULSI)
≤ 999999
Mức tích hợp cở giga (GSI)
Từ 1000000 trở lên
Baûng 1. Phaân loaïi vi maïch theo möùc tích hôïp
Loaïi vi maïch SSI thöôøng thì chæ chöùa moät loaïi coång, coøn caùc
loaïi vi maïch côû töø MSI trôû leân seõ chöùa nhieàu loaïi coång khaùc
nhau.
Vieäc phaân loaïi theo möùc ñoä tích hôïp coù yù nghóa veà maët thieát
keá maïch. Tuøy thuoäc vaøo vieäc söû duïng vi maïch côû naøo (SSI,
MSI,...) thì phöông phaùp thieát keá phaûi thay ñoåi theo.
1.2.3- Phaân loaïi theo coâng ngheä cheá taïo
Veà maët lyù thuyeát, khi thieát keá moät maïch logic, chuùng ta chæ
taäp trung ñeán vieäc ruùt goïn soá coång ñeán möùc toái thieåu. Coøn
nhöõng vaán ñeà kyõ thuaät khaùc thì khoâng ñöôïc quan taâm.
Nhöng khi thi coâng maïch, chuùng ta phaûi quan taâm ñeán moät
loaït thoâng soá quan troïng nhö taàm ñieän theá cuûa möùc logic
(logic level), thôøi gian treã giöõa ngoõ xuaát vaø ngoõ nhaäp
(propagation delay), coâng suaát (power), ñoä oån ñònh nhieãu
(noise immunity), khaû naêng maéc taûi cho ngoõ nhaäp vaø ngoõ
xuaát (fan in, fan out). nhieät ñoä laøm vieäc ...
Vieäc phaân loaïi theo coâng ngheä cheá taïo coù yù nghóa veà maët
thi coâng, tuøy thuoäc vaøo caùc yeâu caàu veà kyõ thuaät ta seõ choïn
loaïi vi maïch thích hôïp. Vaø caùch keát hôïp giöõa caùc loaïi vi
maïch khaùc loaïi khi phaûi duøng chung.
Hai loaïi coâng ngheä ñöôïc duøng nhieàu trong caùc vi maïch soá
laø coâng ngheä löôõng cöïc (bipolar) nhö ECL (emitor coupler
logic – logic gheùp cöïc phaùt), IIL (integrated injection logic –
logic tích hôïp phun) vaø TTL (transistor-transistor logic) maø
chuû yeáu laø hoï TTL, vaø coâng ngheä ñôn cöïc (unipolar) nhö
PMOS, NMOS vaø CMOS maø chuû yeáu laø hoï CMOS
1.2.3.1- Taàm ñieän theá vaø doøng cuûa möùc logic
Vôùi moãi hoï IC coù moät taàm ñieän theá cho möùc logic 1 vaø möùc
logic 0, vaø quan troïng laø giaù trò lôùn nhaát vaø nhoû nhaát cho
möùc logic.
Veà maët kyõ thuaät, ta phaûi ño ñieän theá cuûa möùc logic baèng
Volt keá hay dao ñoäng kyù ñeå xem noù coù baûo ñaûm laø trong
taàm ñieän theá cuûa möùc logic hay khoâng.
VIH(min): giaù trò ñieän theá nhoû nhaát cuûa ngoõ nhaäp ñeå baûo
ñaûm möùc logic cuûa ngoõ nhaäp laø möùc logic 1.
VIL(max): giaù trò ñieän theá lôùn nhaát cuûa ngoõ nhaäp ñeå baûo ñaûm
möùc logic cuûa ngoõ nhaäp laø möùc logic 0.
VOH(min): giaù trò ñieän theá nhoû nhaát cuûa ngoõ xuaát ñeå baûo ñaûm
möùc logic cuûa ngoõ xuaát laø möùc logic 1.
VOL(max): giaù trò ñieän theá lôùn nhaát cuûa ngoõ xuaát ñeå baûo ñaûm
möùc logic cuûa ngoõ xuaát laø möùc logic 0.
IIH(min): giaù trò doøng nhoû nhaát cuûa ngoõ nhaäp khi möùc logic
cuûa ngoõ nhaäp laø möùc logic 1.
IIL(max): giaù trò doøng lôùn nhaát cuûa ngoõ nhaäp khi möùc logic
cuûa ngoõ nhaäp laø möùc logic 0.
IOH(min): giaù trò doøng nhoû nhaát cuûa ngoõ xuaát khi möùc logic
cuûa ngoõ xuaát laø möùc logic 1.
IOL(max): giaù trò doøng lôùn nhaát cuûa ngoõ xuaát khi möùc logic
cuûa ngoõ xuaát laø möùc logic 0.
1.2.3.2- Thôøi gian treã giöõa ngoõ xuaát vaø ngoõ nhaäp
Thôøi gian treã laø tieâu chuaån ñeå ñaùnh giaù toác ñoä laøm vieäc cuûa
maïch. Thôøi gian treã caøng nhoû thì maïch laøm vieäc caøng cao.
Hay noùi caùch khaùc thôøi gian treã öùng vôùi taàn soá lôùn nhaát maø
maïch vaãn hoaït ñoäng ñuùng theo thieát keá.
Thôøi gian treã caùc vi maïch soá hieän nay côû döôùi nano giaây
ñeán vaøi traêm nano giaây tuøy theo coâng ngheä cheá taïo.
Hình döôùi minh hoïa cho thôøi gian treã.
Hình 1. Tín hieäu ngoõ xuaát treã so vôùi tín hieäu ngoõ nhaäp
Thôøi gian treã thöôøng ñöôïc tính laø 50% bieân ñoä caïnh tröôùc
vaø caïnh sau töông öùng cuûa ngoõ xuaát vaø ngoõ nhaäp.
Thôøi gian treã coù hai loaïi: tPHL laø ngoõ xuaát thay ñoåi töø möùc
cao xuoáng möùc thaáp. tPLH laø ngoõ xuaát thay ñoåi töø möùc thaáp
ñeán möùc cao. Vaø thôøi gian treã cuûa hai loaïi naøy laø khaùc nhau.
Khi maéc noái tieáp nhieàu maïch, thì thôøi gian treã cuûa toaøn
maïch laø toång thôøi gian treã cuûa töøng maïch rieâng leû.
1.2.3.3- Coâng suaát
Coù hai loaïi coâng suaát caàn quan taâm ñoù laø coâng suaát tieâu thuï
vaø coâng suaát ñieàu khieån.
t
tt
0
1
0
1
50%
50%
PLHPHL
Coâng suaát tieâu thuï laø naêng löôïng bò toån hao khi hoaït ñoäng,
coâng suaát tieâu thuï ñöôïc laáy trung bình giöõa naêng löôïng tieâu
hao cuûa maïch khi ngoõ xuaát baèng 0 vaø khi ngoõ xuaát baèng 1.
Theo coâng thöùc PAVG = V.ICC, vôùi V laø ñieän theá nguoàn vaø ICC
= (ICCH + ICCL)/2
Thöôøng coâng suaát tieâu thuï khoaûng vaøi mW vaø coâng suaát tieâu
thuï caøng nhoû caøng toát.
Coâng suaát ñieàu khieån laø coâng suaát cuûa tín hieäu ngoõ nhaäp
baûo ñaûm ñuû doøng vaø theá cho maïch hoaït ñoäng ñuùng thieát keá.
1.2.3.4- Ñoä oån ñònh nhieãu
Ñoä oån ñònh nhieãu laø giaù trò ñieän theá lôùn nhaát cuûa nhieãu taùc
ñoäng leân ngoõ nhaäp cuûa maïch maø khoâng aûnh höôûng ñeán ngoõ
xuaát. Ñoä oån ñònh nhieãu treân möùc logic 0 vaø möùc logic 1 laø
khaùc nhau neân ñöôïc chia ra laø ñoä oån ñònh nhieãu möùc 0
vaø möùc 1.
Ñoä oån ñònh nhieãu cuûa maïch soá thöôøng vaøo khoaûng 10% -
50% möùc ñieän theá nguoàn.
Moät soá nhieãu coù möùc ñieän theá vöôït ñoä oån ñònh nhieãu, nhöng
taàn soá cao hay thôøi gian toàn taïi ngaén hay khoâng ñuû coâng
suaát seõ khoâng aûnh höôûng ñeán maïch.
1.2.3.5- Heä soá chia taûi
Heä soá chia taûi chia laøm hai loaïi laø heä soá taûi ngoõ xuaát (fan
out) laø soá taûi lôùn nhaát coù theå noái vôùi ngoõ xuaát cuûa maïch
logic maø vaãn baûo ñaûm maïch hoaït ñoäng ñuùng thieát keá, vaø heä
soá taûi ngoõ nhaäp laø soá ngoõ xuaát lôn nhaát coù theå noái vôùi maïch
maø maïch vaãn hoaït ñoäng ñuùng thieát keá.
Coù hai caùch maéc taûi ngoõ xuaát: maéc theo kieåu ñaát chung, coù
nghóa laø taûi ñöôïc maéc giöõa ngoõ xuaát vaø ñaát (ngoõ xuaát tích
cöïc möùc cao), vaø maéc theo kieåu nguoàn chung, coù nghóa laø
taûi ñöôïc maéc giöõa ngoõ nhaäp vaø nguoàn (ngoõ xuaát tích cöïc
möùc thaáp).
1.2.3.6- Giôùi haïn nhieät ñoä
Caùc vi maïch chæ hoaït ñoäng ñuùng thieát keá trong moät khoaûng
nhieät ñoä nhaát ñònh. Caùc vi maïch coù voû laøm baèng plastic thì
taàm nhieät ñoä laøm vieäc khoaûng töø 00C-700C, Caùc vi maïch coù
voû laøm baèng goám thì taàm nhieät ñoä laøm vieäc khoaûng töø -550C-
1250C. Coøn caùc vi maïch ñöôïc cheá taïo vôùi taàm nhieät ñoä cao
hôn thì giaù thaønh raát cao.