IC số là gì?

IC số hay IC logic còn được gọi là IC kỹ thuật số chỉ hoạt động ở một vài trạng thái hoặc mức logic xác định. Cấu tạo cơ bản của IC kỹ thuật ѕố là các cổng logic, hoạt động ᴠới dữ liệu nhị phân, nghĩa là các tín hiệu chỉ có hai trạng thái khác nhau, được gọi là mức thấp (logic 0) ᴠà mức cao (logic 1).

Trong hệ thống logic, một trong hai mức điện áp nói trên được gọi là một bit. Nếu chúng ta quy ước một trong hai mức trên mức nào dương hơn là 1 và mức kia là 0, ta có hệ thống logic dương ngược lại là logic âm.

IC logic được phân ra thành nhiều họ: RTL, DTL, TTL, ECL, CMOS. Trong đó họ TTL và CMOS được dùng khá phổ biến.

Những đặc trưng của ic số

Hệ số chịu tải: Đó là số cổng cực đại có thể mắc đồng thời ở lối ra của cổng logic. Hệ số này càng lớn thì khả năng logic của mạch càng cao.

Thời gian trể là thời gian cần thiết để truyền xung qua mạch

Tốc độ chuyển mạch hay còn gọi là độ tác động nhanh của vi mạch:

• Loại tốc độ cực nhanh: ttb ≤ 5 ns
• Loại nhanh: ttb = 5 ÷ 10 ns
• Loại trung bình: ttb = 10 ÷ 100 ns
• Loại chậm: ttb ≥ 100 ns

Thời gian đóng mạch là thời gian kể từ lúc ngõ vào đạt một giá trị nào đó trên mức 0 đến lúc lối ra đạt một giá trị nào đó dưới mức 1.

Thời gian ngắt mạch là khoảng thời gian kể từ lúc lối vào đạt một giá trị nào đó dưới mức 1, đến lúc lối ra đạt giá trị nào đó trên mức 0.

Công suất tiêu thụ: phụ thuộc vào tín hiệu đặt lên nó.

Tốc độ hoạt động phụ thuộc vào thời gian trễ truyền đạt.

Yêu cầu về nguồn: tính đa dạng, khả năng tích hợp, giá thành, chế tạo, dễ phối hợp với vi mạch công nghệ khác.

IC số loại TTL

Các loai IC họ TTL có thể có nhiều tên gọi khác nhau, nhưng thông dụng nhất là hai dòng 74 và 54 (theo chuẩn của hãng TI phổ biến từ năm 1964). Hai dòng IC này các chức năng đều giống như nhau chỉ khác nhau ở chỗ nhiệt độ hoạt động. Với dòng 74 (thông thường) nhiệt độ hoạt động tốt nhất là từ khoảng 0^oC đến 70^oC. Còn với dòng 54 nhiệt độ hoạt động tốt từ khoảng -55^oC đến 125^oC. Các series thông dụng bao gồm các dòng sau:

• Tiêu chuẩn (Standard) mang tên 74
• Công suất thấp (Low Power) mang tên 74L
• Công suất cao (High Power) mang tên 74H
• Schottky công suất thấp (Low Power Schottky) mang tên 74LS 
• Schottky công suất thấp nâng cấp so LS (Advanced Low Power Schottky) mang tên 74ALS 
• Schottky (Advanced Schottky) mang tên 74AS
• Schottky công suất nhanh (Fast Schottky) mang tên 74F
• Điện áp của các dòng này Vdd = 5V

IC cổng AND họ TTL 74LS08

Phân loại

TTL loại thường 74XX: Loại này dung hoà giữa tốc độ chuyển mạch và mất mát năng lượng (công suất tiêu tán). Nền tảng bên trong mạch thường là loại ngõ ra cột chạm như đã nói ở phần trước. Một số kí hiệu cho cổng logic loại này như 7400 là IC chứa 4 cổng nand 2 ngõ vào, 7404 là 6 cổng đảo,… Cần để ý là khi tra IC, ngoài mã số chung đầu là 74, 2 số sau chỉ chức năng logic, còn có một số chữ cái đứng trước mã 74 để chỉ nhà sản xuất như SN là của Texas Instrument, DM là của National Semiconductor,…

TTL công suất thấp 74LXX và TTL công suất cao 74HXX: Loại 74LXX có công suất tiêu tán giảm đi 10 lần so với loại thường nhưng tốc độ chuyển mạch cũng giảm đi 10 lần. Còn loại 74HXX thì tốc độ gấp đôi loại thường nhưng công suất cũng gấp đôi luôn. Hai loại này ngày nay không còn được dùng nữa, công nghệ schottky và công nghệ CMOS đã thay thế chúng.

TTL schottky 74SXX và 74LSXX: Hai loại này sử dụng công nghệ schottlky nhằm tăng tốc độ chuyển mạch như đã nói ở phần trước. Với loại 74LSXX, điện trở phân cực được giảm xuống đáng kể so với loại 74SXX nhằm giảm công suất tiêu tán của mạch. 

TTL shorttky tiên tiến 74ASXX và 74ALSXX: Hai loại này được phát triển từ 74SXX và 74LSXX nhưng có thêm nhiều sửa đổi mới trong mạch do đó có nhiều đặc điểm nổi bật hơn hẳn các loại trước

• Có hoạt động logic và chân ra nói chung là giống như các loại trước
• Giập dao động trên đường dẫn tốt hơn
• Chống nhiễu và ổn định cao hơn trong suốt cả khoảng nhiệt độ chạy
• Dòng ngõ vào giảm đi một nửa
• Sức thúc tải gấp đôi
• Tần số hoạt động tăng lên trong khi công suất tiêu tán lại giảm xuống

TTL nhanh 74FXX: Đây là loại TTL mới nhất sử dụng kĩ thuật làm mạch tích hợp kiểu mới nhằm giảm bớt điện dung giữa các linh kiện hầu rút ngắn thời gian trễ do truyền, tức tăng tốc độ chuyển mạch. Loại này do hãng Motorola sản xuất và thường được dùng trong máy vi tính nơi cần tốc độ rất rất nhanh.

IC số loại CMOS

Công nghệ MOS (Metal Oxide Semiconductor-kim loại oxit bán dẫn) có tên gọi xuất xứ từ cấu trúc MOS cơ bản của một điện cực nằm trên lớp oxit cách nhiệt, dưới lớp oxit là đế bán dẫn. Phần nhiều IC số MOS được thiết kế bằng MOSFET, không cần đến linh kiện nào khác.

Ưu điểm chính của MOSFET là dễ chế tạo, phí tổn thấp, cỡ nhỏ, tiêu hao rất ít điện năng. Kĩ thuật làm IC MOS chỉ bằng 1/3 kĩ thuật làm IC lưỡng cực (TTL, ECL,…). Thêm vào đó, thiết bị MOS chiếm ít chỗ trên chip hơn so với BJT, thông thường, mỗi MOSFET chỉ cần 1 mili vuông diện tích chip, trong khi BJT đòi hỏi khoảng 50 mili vuông. Quan trọng hơn, IC số MOS thường không dùng các thành phần điện trở trong IC, vốn chiếm quá nhiều diện tích chip trong IC lưỡng cực.

Vì vậy, IC MOS có thể dung nạp nhiều phần tử mạch trên 1 chip đơn hơn so với IC họ khác. Mật độ tích hợp cao của IC MOS làm chúng đặc biết thích hợp cho các IC phức tạp, như chip vi xử lí và chip nhớ. Sửa đổi trong công nghệ IC MOS đã cho ra những thiết bị nhanh hơn 74, 74LS của TTL, với đặc điểm điều khiển dòng gần như nhau. Do vậy, thiết bị MOS đặc biệt là CMOS đã đã được sử dụng khá rộng rãi trong mạch MSI mặc dù tốc độ có thua các IC TTL cao cấp và dễ bị hư hỏng do bị tĩnh điện.

Mạch số dùng MOSFET được chia thành 3 nhóm là:

• PMOS dùng MOSFET kênh P
• NMOS dùng MOSFET kênh N tăng cường
• CMOS (MOS bù) dùng cả 2 thiết bị kênh P và kênh N

Các IC số PMOS và NMOS có mật độ đóng gói lớn hơn (nhiều transistor trong 1 chip hơn) và do đó kinh tế hơn CMOS. NMOS có mật độ đóng gói gần gấp đôi PMOS. Ngoài ra, NMOS cũng nhanh gần gấp 2 lần PMOS, nhờ dữ kiện các điện tử tự do là những hạt tải dòng trong NMOS, còn các lỗ trống (điện tích dương chuyển động chậm hơn) là hạt tải dòng cho PMOS.

CMOS rắc rối nhất và có mật độ đóng gói thấp nhất trong các họ MOS, nhưng nó có điểm mạnh là tốc độ cao hơn và công suất tiêu thụ thấp hơn. IC NMOS và CMOS được dùng rộng rãi trong lĩnh vực kĩ thuật số, nhưng IC PMOS không còn góp mặt trong các thiết kế mới nữa. Tuy nhiên MOSFET kênh P vẫn rất quan trọng bởi vì chúng được dùng trong mạch CMOS.

IC cổng NAND họ CMOS CD4011

Phân loại

CMOS họ 4000, 4500

• Điện áp nguồn cung cấp từ 3V đến 18V mà thường nhất là từ 5 đến 15 V.
• Chúng có công suất tiêu hao nhỏ
• Riêng loại 4000B do có thêm tầng đệm ra nên dòng ra lớn hơn, kháng nhiễu tốt hơn mà tốc độ cũng nhanh hơn loại 4000A trước đó.
• Tuy nhiên các loại trên về tốc độ thì tỏ ra khá chậm chạp và dòng cũng nhỏ hơn nhiều so với các loại TTL và CMOS khác. Chính vì vậy chúng không được sử dụng rộng rãi ở các thiết kế hiện đại.

CMOS loại 74CXX

• Đây là loại CMOS được sản xuất ra để tương thích với các loại TTL về nhiều mặt như chức năng, chân ra nhưng khoản nguồn nuôi thì rộng hơn. Các đặc tính của loại này tốt hơn loại CMOS trước đó một chút tuy nhiên nó lại ít được sử dụng do đã có nhiều loại CMOS sau đó thay thế loại CMOS tốc độ cao 74HCXX và 74HCTXX. Đây là 2 loại CMOS được phát triển từ 74CXX.
• 74HCXX có dòng ra lớn và tốc độ nhanh hơn hẳn 74CXX, tốc độ của nó tương đương với loại 74LSXX, nhưng công suất tiêu tán thì thấp hơn. Nguồn cho nó là từ 2V đến 6V.
• Còn 74HCTXX chính là 74HCXX nhưng tương thích với TTL nhiều hơn như nguồn vào gần giống TTL : 4,5V đến 5,5V. Do đó 74HCTXX có thể thay thế trực tiếp cho 74LSXX và giao tiếp với các loại TTL rất bình thường.

Loại CMOS 74AC, 74ACT

• Loại này được chế tạo ra có nhiều cải tiến cũng giống như bên TTL, nó sẽ hơn hẳn các loại trước đó nhưng việc sử dụng còn hạn chế cũng vẫn ở lí do giá thành còn cao.
• Chẳng hạn cấu trúc mạch và chân ra được sắp xếp hợp lí giúp giảm những ảnh hưởng giữa các đường tín hiệu vào ra do đó chân ra của 2 loại này khác với chân ra của TTL.
• Kháng nhiễu, trì hoãn truyền, tốc độ đồng hồ tối đa đều hơn hẳn loại 74HC, 74HCT.
• Kí hiệu của chúng hơi khác một chút như 74AC11004 là tương ứng với 74HC04. 74ACT11293 là tương ứng với 74HCT293.

Loại CMOS tốc độ cao FACT: Đây là sản phẩm của hãng Fairchild, loại này có tính năng trội hơn các sản phẩm tương ứng đã có.

Loại CMOS tốc độ cao tiên tiến 74AHC, 74AHCT: Đây là sản phẩm mới đã có những cải tiến từ loại 74HC và 74HCT, chúng tận dụng được cả 2 ưu điểm lớn nhất của TTL là tốc độ cao và của CMOS là tiêu tán thấp do đó có thể thay thế trực tiếp cho 74HC và 74HCT.