Linh kiện điện tử chương 7 vi mạch tích hợp

Chương 7:
Vi mạch tích hợp
NHATRANG UNIVERSITY

• 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


Khái niệm và đặc điểm
NHATRANG UNIVERSITY

• 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
hoạt động không cao, và yêu cầu nguồn nuôi rất
ổn định


Phân loại
NHATRANG UNIVERSITY

• 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
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
NHATRANG UNIVERSITY

• 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 <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
– 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
1961

1966

1971

1980

1985

1990nay

Công
nghệ

SSI

MSI

LSI

VLSI

ULSI

GSI

Số phần
tử trên
IC

<12

<100

<1000

>1000

106

109

Các sản
phẩm

Cổng
logic,
FlipFlop, IC

ổn áp,
tạo dao
động,…

NHATRANG UNIVERSITY

Năm

Mạch đếm, Vi xử lý 4
mạch ghép, bit, 8 bit,
tách kênh;
ROM, R
mạch KĐTT
AM

Vi xử lý Vi xử lý
VXL
16bit,
chuyên chuyên
32bit
dụng,
dụng
xử lý
64 bit
ảnh thời
gian
thực


Các phương pháp chế tạo IC

NHATRANG UNIVERSITY

• Phương pháp quang khắc (Photolithography) :


Các phương pháp chế tạo IC
NHATRANG UNIVERSITY

• 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
– 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
NHATRANG UNIVERSITY

• Phương pháp quang khắc


Các phương pháp chế tạo IC
NHATRANG UNIVERSITY

• 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
– 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
NHATRANG UNIVERSITY

• 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


Các linh kiện trong vi mạch
NHATRANG UNIVERSITY

• 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
– Tụ điện MOS (Kim loại-SiO2-Bán dẫn)
– Tụ điện màng mỏng


Các linh kiện trong vi mạch
NHATRANG UNIVERSITY

• 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

• Điốt trong IC
– 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
NHATRANG UNIVERSITY

• 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→∞


Vi mạch khuếch đại thuật toán
NHATRANG UNIVERSITY

• 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
– Tầng ra là mạch khuếch đại CC, hoặc mạch khuếch đại
công suất theo kiểu đẩy kéo


NHATRANG UNIVERSITY

Vi mạch khuếch đại thuật toán


Vi mạch khuếch đại thuật toán
NHATRANG UNIVERSITY


Urmax ®¶o

Ur
+Ec
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
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
NHATRANG UNIVERSITY

• Mạch khuếch đại đảo và
không đảo

Rht
KD = −
R1

K KD

Rht
= 1+
R1


Một số ứng dụng của Op-Am
NHATRANG UNIVERSITY

• Mạch cộng đảo và
không đảo

Rht
1
U r = (1 +
)∑ U Vi

n
R

Rht
Ur = −
R

∑U

Vi


Vi mạch ổn áp
NHATRANG UNIVERSITY

• 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)


Vi mạch ổn áp
NHATRANG UNIVERSITY

• Sơ đồ ổn áp dùng IC ổn áp
78xx

79xx

Vi mạch số
NHATRANG UNIVERSITY

• 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)


Các tham số của vi mạch số
•
•
•
•

NHATRANG UNIVERSITY

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<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
NHATRANG UNIVERSITY

• 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

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


Các phần tử logic cơ bản
NHATRANG UNIVERSITY

• Phần tử phủ định (NOT)


Các phần tử logic cơ bản
NHATRANG UNIVERSITY

• Phần tử và (AND)