Trung tâm đào tạo thiết kế vi mạch Semicon

Nhiều bạn muốn khám phá về vi mạch số, nhưng chưa nắm bắt dược cơ bản về vi mạch số như thế nào? nó phần làm mấy loại. Thì bài viết này sẽ giúp các bạn nắm rõ hơn về vi mạch số.

Định nghĩa và phân loại

IC – Vi mạch tích hợp là linh kiện điện tử tích hợp nhiều các linh kiện như tụ điện, điện

trở, transistor,... với số lượng lớn, ghép lại với nhau theo một mạch đã được thiết kế sẵn
nhằm đáp ứng mục đich sử dụng nào đó.
Một vi mạch tích hợp bao gồm một chip đơn tinh thể silic có chứa các linh kiện tích cực
và linh kiện thụ động cùng dây nối giữa chúng. Các linh kiện này được chế tạo bằng
công nghệ giống như công nghệ chế tạo điôt và tranzito riêng rẽ. Quá trình công nghệ
này gồm việc nuôi cấy lớp epitaxi, khuếch tán tạp chất mặt nạ, nuôi cấy lớp oxit, và khắc
oxit, sử dụng ảnh in li tô để định rõ các giản đồ...
Vậy, vi mạch tích hợp (Integrated circuits - viết tắt là IC) là sản phẩm của kỹ thuật vi
điện tử bán dẫn. Nó gồm các linh kiện tích cực như tranzito, điôt..., các linh kiện thụ
động như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, và các dây dẫn, tất cả được chế tạo trong một qui
trình công nghệ thống nhất, trong một thể tích hay trên một bề mặt của vật liệu nền. Mỗi
một loại vi mạch tích hợp chỉ giữ một hoặc vài chức năng nhất định nào đó.
Ưu điểm:
Vi mạch tích hợp có độ tin cậy rất cao, kích thước nhỏ, chứa được nhiều phần tử (IC bậc
1 chứa 10 linh kiện, IC bậc 2 chứa 11 ÷ 100 linh kiện, IC bậc 3 chứa 101 ÷ 1000 linh
kiện, IC bậc 4 chứa đến 10000 linh kiện hoặc lớn hơn), giá thành hạ, tiêu thụ ít năng
lượng điện.
Nhược điểm:
- Do sử dụng năng lượng nhỏ nên hạn chế tốc độ làm việc.
- Yêu cầu về độ ổn định nguồn cung cấp cao.
Phân loại theo bản chất của tín hiệu điện
- IC tuyến tính: Là loại IC có khả năng xử lý các dữ liệu xảy ra liên tục.
- IC số: Là loại IC có khả năng xử lý các dữ liệu xảy ra rời rạc.
Phân loại theo mật độ tích hợp
• Tích hợp nhỏ
• Tích hợp trung bình
• Tích hợp lớn
• Tích hợp cực lớn
- Vi mạch loại SSI: số phần tử được tích hợp < 12
- Vi mạch loại MSI: số phần tử được tích hợp từ 12 ÷ 100
- Vi mạch loại LSI: số phần tử được tích hợp từ 100 ÷ 1000
- Vi mạch loại VLSI: số phần tử được tích hợp > 1000
Trong các loại vi mạch này thì vi mạch đơn khối được sản xuất và sử dụng nhiều nhất
do công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành rẻ, thời gian chuyển mạch nhanh và số phần
tử tích hợp khá cao.
Phân loại theo công nghệ chế tạo
- Vi mạch bán dẫn (hay còn gọi là vi mạch đơn khối): Trong các vi mạch bán dẫn, các
phần tử tích cực và thụ động được chế tạo trên một đơn tinh thể bán dẫn (Si (N) hoặc Si
(P)) làm chất nền. Việc chế tạo vi mạch bán dẫn chủ yếu dựa trên quá trình quang khắc
theo các phương pháp Plana, Plana- epitaxi hay siloc.
- Vi mạch màng mỏng: Trong đó chỉ tích hợp các linh kiện thụ động trên đế là thủy tinh
cách điện hay Ceramic bằng phương pháp bốc hơi và lắng đọng trong chân không, còn
các phần tử tích cực được hàn gắn vào mạch như các linh kiện rời rạc. Ưu điểm của loại
này là chế tạo được các điện trở và tụ điện có chất lượng cao và sai số nhỏ.
- Vi mạch màng dày: Trong đó chỉ tích hợp các linh kiện thụ động trên đế là chất bán
dẫn bằng phương pháp quang khắc qua khuôn còn các linh kiện tích cực được hàn vào
như linh kiện rời rạc.
- Vi mạch lai: Trong đó tích hợp cả các linh kiện tích cực và các linh kiện thụ động trên
một đế là thuỷ tinh hoặc Ceramic theo cả hai công nghệ chế tạo vi mạch bán dẫn và vi
mạch màng mỏng. Vi mạch lai có độ tin cậy cao hơn loại vi mạch bán dẫn. Tuy nhiên,
công nghệ chế tạo vi mạch lai còn phức tạp nên giá thành của nó cao hơn, điều này hạn
chế việc sử dụng công nghệ này.
Những thông số kỹ thuật của vi mạch
Các thông số kỹ thuật thường quan tâm với mỗi vi mạch:
• Mã số vi mạch: qua đó cho biết chức năng
• Hãng sản xuất
• Các thông số kỹ thuật khác (được quy định tùy thuộc vào từng loại vi mạch cụ
thể)
Đóng vỏ IC
Toàn bộ các phần tử tạo lên IC đều được gói trong một lớp vỏ bảo vệ. Công tác đóng
gói này được gọi là đóng vỏ cho IC.
Có nhiều kiểu đóng vỏ khác nhau nhưng chủ yếu được chia làm 2 loại:
• Loại có chân dài, cắm hàn xuyên qua mạch
• Loại chân ngắn, nhỏ gắn vào mạch theo kiểu “dán” (còn gọi là IC dán)
IC khuếch đại thuật toán
Mạch khuếch đại thuật toán là mạch khuếch đại tín hiệu điện để thực hiện các phép tính
và thuật toán khác nhau trên các đại lượng tương tự, trong sơ đồ mạch có hồi tiếp âm
sâu. Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng
rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, trong bộ ổn áp và bộ
lọc tích cực,v.v... Tuy nhiên, trong các bộ khuếch đại thông thường những tính chất và
tham số hoàn toàn được xác định bởi sơ đồ mạch của nó, còn trong bộ khuếch đại thuật
toán thì các tính chất và tham số của nó được xác định bởi các tham số của mạch hồi
tiếp. Các bộ khuếch đại thuật toán được thực hiện theo sơ đồ khuếch đại dòng một chiều
với giá trị thiên áp vào ra bằng không. Chúng cũng được đặc trưng bởi hệ số khuếch đại
lớn, trở kháng vào cao và trở kháng ra thấp.
Một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng phải đạt được các tiêu chuẩn sau:
- Hệ số khuếch đại điện áp Ku → ∞
- Trở kháng vào Zvào → ∞
- Trở kháng ra Zra → 0
- Dải tần số làm việc Δf → ∞
Cấu trúc của vi mạch khuếch đại thuật toán
- Sơ đồ khối của bộ khuếch đại thuật toán tích hợp:
Hình dưới trình bày sơ đồ khối của bộ khuếch đại thuật toán.

Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại thuật toán
Bộ khuếch đại thuật toán bao gồm tầng vào khuếch đại vi sai để đảm bảo có hệ số
khuếch đại cao, sau đó là mạch dịch mức và mạch ra cho phép nhận được tín hiệu ra cần
thiết và trở kháng ra yêu cầu.
+ Tầng vào vi sai:
Cấu trúc điển hình của một tầng khuếch đại vi sai làm việc theo nguyên lý cầu cân bằng
song song mô tả trong hình trên: Hai nhánh cầu là RC1 và RC2, còn hai nhánh kia là
các tranzito T1 và T2 được chế tạo trong cùng một điều kiện sao cho RC1 = RC1 và hai
tranzito T1, T2 có các tham số giống hệt nhau. Điện áp ra Ura lấy trên một cực góp, còn
IK là nguồn dòng ổn
định có thể tạo ra từ một điện trở đấu với âm nguồn, hoặc tạo ra nhờ các tranzito đấu
theo mạch nguồn dòng. Như vậy IK = IE1 + IE2 = const.

Sơ đồ tầng vào khuếch đại vi sai
Ký hiệu của IC khuếch đại thuật toán trong sơ đồ mạch

Ký hiệu bộ khuếch đại thuật toán

(Còn tiếp...)