Phần I
1-Giới thiệu và phân loại IC số
1.1 Giới thiệu IC số
IC(intergated-circuit) là một mạch điện tử mà các thành phần tác động và thụ động
đều được chế tạo kết tụ trong hoặc trên một đế(subtrate) hay thân hoặc không thể
tách rời nhau được.Đế này có thể là một phiến bán dẫn(hầu hết là Si) hoặc một
phiến cách điện.
Một IC thường có kích thước dài rộng cỡ vài trăm đến vài ngàn micron,dày cỡ vài
trăm micron được đựng trong một vỏ bọc bằng kim loại hoặc bằng plastic.Những
IC như vậy thường là một bộ phận chức năng(function device) tức là một bộ phận
có khả năng thể hiện một chức năng điệ tử nào đó.Sự kết tụ(integration) các thành
phần của mạch điện tử cũng như các bộ phận cấu thành của một hệ thống điện tử
vẫn la hướng tìm tòi và theo đuổi từ lâu trong ngành điện tử.Nhu cầu của sự kết tụ
phát minh từ sự kết tụ tất nhiên của các mạch và hệ thống điện tử nhỏ đến lớn,từ
tần số thấp(tốc độ chậm) đến tần số cao(tốc độ nhanh).Sự tiến triển này là hậu quả
tất yếu của nhu cầu ngày càng tăng trong việc xử lý lượng tin tức(information)
ngày càng nhiều của xã hội phát triển.
Những hệ thống điện tử công phu và phức tạp gồm rất nhiều thành phần,bộ
phận.Do đó nảy ra nhiều vấn đề cần giải quyết:
1. Khoảng không gian mà số lường lớn các thành phần chiếm đoạt (thể
tích).Một máy tính điện tử cần dùng đến hàng triệu,hàng vài chục triệu bộ
phần rời.Nếu không thực hiện bằng mạch IC,thì không những thể tích của
nó sẽ lớn một cách bất tiện mà điện năng cung cấp cho nó sẽ vô cùng phức
tạp.Mà nếu có thỏa mãn chăng nữa,thì máy cũng không thực dụng.
2. Độ khả tín(reliability) của hệ thống điện tử:là độ đáng tin cậy trong hoạt
động đúng theo tiêu chuẩn thiết kế.Độ khả tín của một hệ thống tất nhiên
phụ thuộc vào độ khả tín của các thành phần cấu thành và các bộ phận nối
tiếp giữa chúng.Hệ thống càng phức tạp,số bộ phận càng tăng và chỗ nối
tiếp càng nhiều.Vì vậy,nếu dùng bộ phận rời rạc cho các hệ thống phức
tạp,độ khả tín của nó sẽ giảm thấp.Một hệ thống như vậy sẽ trục trặc rất
nhanh.

khác.Loại này chỉ gồm các thành phần thụ động như điện trở,tụ điện và cuộn cảm
mà thôi.
o Dây nối giữa các bộ phận: Dùng màng kim loại có điện trở suất
nhỏ như Au,Al,Cu…
o Điện trở: Dùng màng kim loại hoặc hợp kim có điện trở suất lớn như
Ni-Cr;Ni-Cr-Al;Cr-Si;Cr có thể tạo nên điện trở có trị số rất lớn.
o điện: Dùng màng kim loại để đóng vai trò bản cực và dùng màng điện
môi:Sio;Sio2,Al203;Ta205.Tuy nhiên khó tạo được tụ có điện dung
lớn hơn 0,02 F/cm2.
o Cuộn Tụ cảm:Dùng một màng kim loại hình xoắn.Tuy nhiên khó tạo
được cuộn cảm lớn quá 5H với kích thước hợp lý.Trong sơ đồ IC,
người ta tránh dùng cuộn cảm để không chiếm thể tích.
o Cách điện giữa các bộ phận:Dùng SiO;SiO2;Al2O3.
o Có một thời,transistor màng mỏng được nghiên cứu rất nhiều để ứng
dụng vào IC màng.Nhưng tiếc là transistor màng chưa đạt đến giai
đoạn thực dụng,nếu không phải là ít có triển vọng thực dụng.
IC đơn tinh thể(monolithic IC):
-Còn gọi là IC bán dẫn(semiconductor IC) – là IC dùng một đế (subtrate) bằng
chất bán dẫn (thường là Si).Trên(hay trong) đế đó,người ta chế tạo transistor,
diode ,điện trở ,tụ điện.Rồi dùng chất cách điện SiO2 để phủ lên che chở cho
các bộ phận đó trên lớp SiO2,dùng màng kim loại để nối các bộ phận với
nhau.
 Transistor,diode đều là các bộ phận bán dẫn.
 Điện trở:Được chế tạo bằng cách lợi dụng điện trở của lớp bán dẫn có
khuếch tán tạp chất.
 Tụ điện: Được chế tạo bằng các lợi dụng điện dung của vùng hiếm tại
một nối P-N bị phân cực nghịch.
Đôi khi người ta có thể thêm những thành phần khác hơn của các thành phần
kể trên để dùng cho các mục đích đặc thù
Các thành phần trên được chế tạo thành một số rất nhiều trên cùng một

Chủng loại IC digital không nhiều.Chúng chỉ gồm một số các loại
mạchlogic căn bản,gọi là cổng logic.
Về công nghệ chế tạo IC digital gồm các loại :
-RTL: resistor-transistor logic
-DTL: diode-transistor logic
-TTL: transistor-transistor logic
-MOS: metal-oxide semiconductor
-CMOS: complementary MOS
IC analog
-Là loại IC xử lý tín hiệu Analog, đó là loại tín hiệu biến đổi liên tục so
với IC digital,loại IC Analog phát triển chậm hơn.Một lý do là vì IC analog
phần lớn là mạch chuyên dụng(special use),trừ một vài trường hượp đặc biệt
như OP-AMP(IC khuếch đại thuật toán),khuếch đại video và những mạch
phổ dụng(universal use).Do đó để thỏa mãn nhu cầu sử dụng,người ta phải
thiết kế,chế tạo rất nhiều loại khác nhau.
-Hầu hết các IC số hiện nay đều chế tạo trên các transistor lưỡng cực và
transistor trường.Mỗi một IC số dường như đều có thể thực hiện một chức
năng hoàn chỉnh,nên chúng cần rất ít các linh kiện mắc thêm ở ngoài.
1.3 Các tham số cơ bản của IC số:
-Mức lôgic : mức lôgic 0 và mức lôgic 1
Các mức lôgic này là các mức điện áp ứng với các mức lôgic thấp và logic cao,tùy
từng loại mà có các trị số điện áp khác nhau.
-Nguồn nuôi: nguồn nuôi phải đảm bảo tính ổn định cao
-Khả năng ghép tải:biểu thị khả năng ghép được bao nhiêu đầu vào của cổng logic
tới một đầu ra của một cổng cho trước.
-Tốc độ chuyển mạch hay còn gọi là độ tác động nhanh của vi mạch:
• Loại tốc độ cực nhanh: t
tb

• Loại nhanh : t

OH
(điện áp tối thiểu tại đầu ra tương ứng
mức 1).
o Điện áp đầu ra ở mức thấp V
OL
(điện áp tối đa tại đầu ra tương ứng mức
0).
o Cường độ dòng điện đầu vào mức cao I
IH
(dòng tối thiểu được cung cấp
tương ứng với mức 1).
o Cường độ dòng điện đầu vào mức thấp I
IL
(dòng tối đa được cung cấp
tương ứng với mức 0).
o Cường độ dòng điện đầu ra mức cao I
OH
(dòng cực đại mà ngõ ra cung
cấp tương ứng với mức 1).
o Cường độ dòng điện đầu ra mức thấp I
OH
(dòng cực tiểu mà ngõ ra cung
cấp tương ứng với mức 0).
-Miền nhiệt độ hoạt động từ 0-70
0
C(tiêu dùng và công nghiệp) và 55
0

C
(640)
A Các đầu vào B R
B
(450)
G
N
Cổng dùng làm tải
b.Nguyên lý hoạt động
Điện áp đầu vào tương ứng với mức thấp phải đủ nhỏ để transistor ngắt,ứng với
các mức cao phải đủ lớn để transistor bão hòa .
-Nếu cả hai đầu vào đều ở mức thấp thì T
1
,

T
2
ngắt và đầu ra là mức cao.
-Nếu đầu vào ở mức cao sẽ làm cho transistor bão hòa và đầu ra ở mức thấp.
Điện áp đầu ra mức thấp là V
cc
và đầu ra mức cao phụ thuộc vào số lượng
cổng nối với đầu ra.
Khi đầu ra có N cổng được điều khiển,tải sẽ tương đương với 1 điện trở có giá trị
450/N(Ω) mắc nối tiếp với nguồn 0.8 v(tức là U
BE
=0.8V ở trạng thái bão hòa).
Khi đó dòng điện cực B cho mỗi transistor tải là:
I
B

0min

Khi đó trễ nhiễu của mức logic 1 :Δ
1
=V
0max
-v
omin
-Thời gian trễ lan truyền
t
C là điện dung của tiếp giáp BE
c.Ứng dụng
- IC này được ứng dụng phổ biến khi chưa có các loại DTL,TTL,và được
dùng trong các máy tính thế hệ I
- Hiện nay đã không còn sử dụng
- Nhược điểm:lề nhiễu nhỏ,khả năng chịu tải thấp,tốc độ chậm,lãng phí năng
lượng
2.Phần tử DTL(diot transistor logic)
a. Cấu tạo:
1 DTL loại cơ bản là một cổng Nand 3 đầu vào:
V
CC
(5v)
Vcc(5)

R(5kΩ) R
C
(2kΩ

A D

D
B
,D
C
dẫn qua điện trở R nếu như đầu vào tương ứng ở trạng thái
thấp.Nếu đầu vào ở trạng thái cao thì diot tương ứng bị ngắt.
+Nếu 1 trong các đầu vào là mức thấp thì diot nối với đầu vào này sẽ thông →V
D
-
V
vào
=U
diot
.V
D
cần phải đảm bảo sao cho transistor tắt→đầu ra của T là V
cc
.
+Nếu cả 3 đầu vào đều ở trạng thái cao các diot vào sẽ bị ngắt và do đó dòng điện
chảy từ V
cc
qua R rồi D
1
,D
2
sẽ làm cho transistor bão hòa→đầu ra của transistor là
V
cc
bão hòa.
c.Trễ lan truyền

đặt ở cực phát
của transistor
Q1(đây là
transistor có
nhiều cực phát
có cấu trúc mạch tương đương như hình bên)
Hai diode mắc ngược từ 2 ngõ vào xuống mass dùng để giới hạn xung âm
ngõ vào,nếu có,giúp bảo vệ các mối nối BE của Q1
Ngõ vào của cổng NAND được lấy ra ở giữa 2 transistor Q3,Q4 sau diode
D0
Q4 và D0 được thêm vào để hạn dòng cho Q3 khi nó dẫn bão hòa đồng thời
giảm mất mát năng lượng tỏa ra trên R4 (trường hợp không có Q4,D0) khi
Q3 dẫn.
Điện áp cấp cho mạch này cũng như các mạch TTL khác thường luôn chuẩn
là 5V
Mạch hoạt động như sau:
Khi A ở thấp,B ở thấp hay cả hai ở thấp Q1 dẫn điện;phân cực mạch để áp
sụt trên Q1 nhỏ sao cho Q2 không đủ dẫn;kéo theo Q3 ngắt.
Như vậy nếu có tải ở ngoài thì dòng sẽ đi qua Q4,D0 ra tải xuống mass.
Dòng này gọi là dòng ra mức cao I
OH
Giả sử tải là một điện trở 3,9kΩ thì dòng là:
= =1mA
Khi cả A và B đều ở cao,nên không thể có dòng A và B được,dòng từ nguồn Vcc
sẽ qua R1,móc nối BC của Q1 thúc vào cực B làm Q2 dẫn bão hòa.
Nếu mắc tải từ nguồn Vcc tới ngõ ra Y thì dòng sẽ đổ qua tải,qua Q3 làm nó dẫn
bão hòa luôn.Ngõ ra sẽ ở mức thấp vì áp ra chính là áp Vce của Q3 khoảng 0,2 đến
0,5 V tùy dòng qua tải.Khi này ta có dòng ra mức thấp ký hiệu là I
OL
.Sở dĩ gọi là

nối chung lại với nhau.
Qua trên ta nhận thấy rằng cổng cách dùng cổng NAND thường sẽ tốn kém và
phức tạp hơn cách dùng cổng NAND cực thu để hở mặc dù chúng cùng thực hiện
một chức năng logic.Và khi sử dụng điện trở kéo lên thì phải chú ý đến khả năng
chịu dòng của transistor ra cổng cực thu để hở cũng như điện thế Vol và Voh cũng
như khi theo yêu cầu sử dụng thì khi muốn giảm công suất tiêu tán thì có thể giảm
trị số điện trở kéo lên,còn khi muốn tăng tốc độ chuyển mạch thì có thể tăng trị số
điện trở kéo lên nhưng cũng phải nằm trong giới hạn giữa Rpmax và Rpmin với
b.Ngõ ra 3 trạng thái
TTL có ngõ ra 3 trạng thái là TTL có ngõ ra ở tầng cuối cùng là loại 3 trạng thái
Cấu trúc của một TTL ngõ ra 3 trạng thái
Có một đường điều khiển C hay đường cho phép G và một diode được thêm
vào.Khi C ở cao diode D không dẫn mạch vận hành bình thường như một cổng
NAND ở trước.
Khi C ở thấp chẳng hạn nối mass,lập tức Q1 dẫn,dòng đổ qua R1 xuống mass mà
không đổ vào Q2,Q2 ngắt kéo theo Q3 ngắt.Cùng lúc dòng qua R2 sẽ đổ qua diode
D1 xuống mass,tức là Q4 cũng không dẫn.
Trong điều kiện cả Q3 và Q4 đều không dẫn,ngõ ra Y chẳng nối với mass hay
nguồn gì cả,tổng trở ngõ ra là rất cao,đây chính là trạng thái thứ 3 của mạch.Khi
này nếu có nối nhiều ngo ra lại với nhau thì khi ở trạng thái thứ 3,các ngõ ra sẽ
không bị ảnh hưởng bởi nhau.
Lợi dụng đặc điểm này ta có thể tạo nên đường bus chung
Hình minh họa cách tạo đường bus
Như hình trên cho thấy khi C1,C2,C3 ở mức cao,ngõ ra 3 cổng này ở Z cao,nếu C0
ở mức thấp thì tín hiệu D0 sẽ được đưa tới Y
Khi C1 ở mức thấp còn các C0,C2,C3 ở mức cao thì tín hiệu D1 sẽ được đưa tới Y
Tương tự khi ta đưa đường điều khiển của cổng nào xuống thấp thì tín hiệu đường
đó được đưa lên bus
Tuy nhiên khi đã nối chung các ngõ ra 3 trạng thái lại với nhau thì không nên cho
nhiều ngõ điều khiển xuống thấp vì khi này sẽ xảy ra tình trạng tranh chấp bus

Thông số kỹ thuật 74 74L 74H 74S 74LS 74AS 74LS 74F
Thời gian trễ truyền 9 33 6 3 9.5 1.7 4 3
Công suất tiêu tán 10 1 23 20 2 8 1.2 6
Tích số công suất vận tốc 90 33 138 60 19 13.6 4.8 18
Tần số xung Ck (max) 35 3 50 125 45 200 70 100
Fan out 10 20 10 20 20 40 20 33
Voh(min) 2.4 2.4 2.4 2.7 2.7 2.5 2.5 2.5
Vol(max) 0.4 0.4 0.4 0.5 0.5 0.5 0.4 0.5
Vih(min) 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0
Vil(max) 0.8 0.7 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8
-Loại 74 : Là loại ra đời sớm nhất(1964) do hãng Texas sản xuất.Đặc điểm:
+ dung hòa giữa tốc độ chuyển mạch và công suất tiêu tán(mất mát năng
lượng)
+bên trong thường cấu trúc theo kiểu ngõ ra cột chạm
-Loại 74Lxx :
+công suất tiêu tán giảm 10 lần so với loại thường nhưng tốc độ chuyển
mạch cũng giảm 10 lần.
-Loại 74Hxx:
+tốc độ chuyển mạch tăng 2 lần nhưng công suất tiêu tán cũng tăng theo
2 lần.
Ngày nay cả 2 loại trên đều không được sử dụng nữa mà thay bằng công nghệ
CMOS và schottky.
-Loại 74S và 74LS:các transistor trong mạch được mắc thêm một Diot schottky
giữa hai cực CB với mục đích giảm thời gian chuyển trạng thái của transistor do đó
làm giảm thời gian trễ truyền.
+Loại 74LS điện trở phân cực được giảm xuống đáng kể so với loại 74S
nhằm giảm công suất tiêu tán của mạch.Nó được coi là TTL chủ lực trong những
năm 1980 và ngày nay vẫn còn phổ dụng.
-Loại 74AS và 74 ALS là cải tiến của 74S nhưng có thêm nhiều cải tiến hơn:
+Hoạt động logic và chân ra nói chung là giống với các loại trước.

+PMOS dùng MOSFET kênh P
+NMOS dùng MOSFET kênh N
+CMOS(MOS bù) dùng cả 2 thiết bị kênh trên
Các IC số PMOS và NMOS:
+ có mật độ đóng gói lớn hơn(nhiều transistor trong một chip hơn)→kinh tế
hơn CMOS.
+NMOS có mật độ đóng gói gấp 2 lần PMOS và cũng có tốc độ gấp 2 lần
PMOS vì các hạt tải dòng trong NMOS là các điện tích tự do và các hạt tải dòng trong
PMOS là các lỗ trống (chuyển động chậm hơn)
CMOS có mật độ đóng gói thấp nhất và rắc rối nhất nhưng công suất tiêu tán thấp hơn
và tốc độ cao hơn
CMOS và NMOS được dùng rộng rãi trong lĩnh vực kỹ thuật số còn PMOS tuy không
được dùng trong các thiết kế mới nữa nhưng nó vẫn rất quan trọng trong mạch CMOS.
4.2 IC số họ CMOS
4.2.2 CMOS(complementary MOS) có cấu tạo kết hợp cả NMOS và PMOS trong
cùng 1 mạch nhờ đó tận dụng được các thế mạnh của cả 2 loại,nói chung là nhanh hơn
và mất mát năng lượng còn thấp hơn cả khi dùng từng loại riêng biệt.Cấu tạo cơ bản
nhất của CMOS cũng là một cổng NOT gồm một transistor NMOS và một transistor
PMOS như hình sau:

-Khi ngõ vào (nối chung cực cổng 2 transistor) ở cao thì chỉ có Q1 dẫn mạnh do đó
áp ra lấy từ điểm chung của 2 cực máng của 2 transistor sẽ xấp xỉ 0V nên ngõ ra ở
thấp.
-Khi ngõ vào ở thấp Q1 sẽ ngắt còn Q2 dẫn mạnh, áp ra xấp xỉ nguồn, tức ngõ ra ở
mức cao.
-Ở đây 2 transistor không dẫn cùng một lúc nên không có dòng điện từ nguồn đổ
qua 2 transistor xuống mass nhờ đó công suất tiêu tán gần như bằng 0V.Nhưng khi
2 transistor đang chuyển mạch và khi có tải thì sẽ có dòng điện chảy qua một hay
cả 2 transistor nên khi này công suất tiêu tán lại tăng lên.
-Trên nguyên tắc cổng đảo cũng giống như trước bằng cách mắc song song hay nối

+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 từ 2V đến 6V.
+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.
Ngày nay 74HC và 74HCT trở thành loại CMOS hay dùng nhất mà lại có
thể thay thế trực tiếp cho loại TTL thông dụng.
-Loại CMOS tiên tiến 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 lý do giá thành còn
cao.Chẳng hạn cấu trúc mạch và chân ra được sắp xếp hợp lý 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.Ký 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 so với 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.
Ngoài ra công nghệ CMOS cũng phát triển một số loại mới như BiCMOS,loại CMOS
điện thế thấp(74LV,74LC,74LVT)
4.2.4 Mạch CMOS cực máng để hở
(Do dùng MOSFET nên ngõ ra không phải là cực thu mà là cực máng.
Nếu 2 đầu vào ở cao thì 2P ngắt,2N dẫn ngõ ra mức cao bình thường.