Mạch tích hợp (IC - Integrated Circuits) là gì?

Bài viết liên quan

Các mạch tích hợp hay IC là các thiết bị được sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện tử hiện nay. Sự phát triển của công nghệ bán dẫn và phương pháp chế tạo dẫn đến việc phát minh ra Mạch tích hợp. Trước khi phát minh ra IC, tất cả các thiết bị cho các nhiệm vụ tính toán đã sử dụng ống chân không để thực hiện cho các cổng logic và công tắc. Ống chân không, thời sơ khai là thiết bị tương đối lớn, tiêu thụ điện năng cao. Đối với bất kỳ mạch nào, các phần tử mạch rời rạc phải được kết nối bằng tay. Ảnh hưởng của các yếu tố này dẫn đến các thiết bị điện tử khá lớn và đắt tiền ngay cả đối với nhiệm vụ tính toán nhỏ nhất. Do đó, một chiếc máy tính, năm thập kỷ trước có kích thước khổng lồ và rất đắt tiền, và máy tính cá nhân là một giấc mơ rất xa vời.

Các bóng bán dẫn và điốt (transistors and diodes) dựa trên chất bán dẫn (Semiconductor), có hiệu suất năng lượng cao hơn và kích thước siêu nhỏ, đã thay thế các ống chân không và việc sử dụng chúng. Do đó, một mạch lớn có thể được tích hợp trên một mảnh nhỏ của vật liệu bán dẫn cho phép tạo ra các thiết bị điện tử tinh vi hơn. Mặc dù các mạch tích hợp đầu tiên chỉ có một số lượng nhỏ các bóng bán dẫn trong đó, nhưng hiện tại trong một khu vực nhỏ như móng tay của bạn có thể tích hợp hàng tỷ bóng bán dẫn. Bộ xử lý Intel Core Six-Core, Core i7 (Sandy Bridge-E) chứa 2.270.000.000 bóng bán dẫn trong miếng silicon kích thước 434 mm². Dựa trên số lượng bóng bán dẫn có trong một IC, chúng được phân loại thành nhiều thế hệ.

SSI – Small Scale Integration – Tích hợp quy mô nhỏ - một vài bóng bán dẫn (<100)

MSI –Medium Scale Integration – Tích hợp quy mô trung bình (< 1000)

LSI – Large Scale Integration – Tích hợp quy mô lớn - hàng ngàn bóng bán dẫn (10,000 ~ 100,000)

VLSI-Very Large Scale Integration – Tích hợp quy mô rất lớn - hàng triệu đến hàng tỷ (106~ 109)

Dựa trên nhiệm vụ, IC được phân thành ba loại, tín hiệu số, tín hiệu tương tự và tín hiệu hỗn hợp (Digital, Analog and mixed signal). Digital IC được thiết kế để hoạt động ở các mức điện áp riêng biệt và chứa các phần tử kỹ thuật số như flip-flop, bộ ghép kênh-multiplexers, bộ mã hóa tách kênh-demultiplexers encoders, bộ giải mã-decoders và thanh ghi-registers. IC kỹ thuật số thường là bộ vi xử lý-microprocessors, vi điều khiển-microcontrollers, bộ hẹn giờ-timers, Mảng logic khả trình (FPGA-Field Programmable Logic Arrays) và các thiết bị bộ nhớ-memory devices (RAM, ROM và Flash), trong khi IC tương tự-analog IC là các cảm biến-sensors, bộ khuếch đại thuật toán-operational amplifiers và các mạch quản lý nguồn thu gọn. Bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC-Analog to Digital Converters) và Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC-Digital to Analog Converters) sử dụng cả hai yếu tố tương tự và kỹ thuật số; do đó, các IC này xử lý cả các giá trị điện áp rời rạc và liên tục. Vì cả hai loại tín hiệu được xử lý, chúng được đặt tên là IC hỗn hợp-Mixed IC.


Đóng gói IC
IC được đóng gói trong vỏ ngoài chắc chắn làm bằng vật liệu cách điện có độ dẫn nhiệt cao, với các đầu tiếp xúc (chân-pins) của mạch kéo dài ra khỏi thân IC. Dựa trên cấu hình chân mà phân ra nhiều dạng đóng gói IC. Dual In-line Package (DIP), Plastic Quad Flat Pack (PQFP) and Flip-Chip Ball Grid Array (FCBGA) là những ví dụ về các loại vỏ IC.

Cách đánh số các chân
Tất cả các IC đều được phân cực, và mỗi chân đều riêng biệt cả về vị trí và chức năng. Điều này có nghĩa là các gói phải có một số cách để chỉ ra vị trí các chân. Hầu hết các IC sẽ sử dụng hoặc là một vết khía hoặc một dấu chấm để chỉ ra chân đầu tiên (chân 1). (Đôi khi dùng cả hai cách).

Các kiểu gắn kết
Một trong những đặc điểm chính để phân biệt IC là cách chúng được gắn kết với một bảng mạch. Tất cả các IC đều thuộc một trong hai kiểu gắn kết: Through-hole (PTH): xuyên qua lỗ hoặc Surface-mount (SMD or SMT): gắn kết bề mặt. Loại gắn kết thông qua lỗ được sử dụng nhiều hơn, và cách này dễ thực hiện gắn kết hơn. Chúng được thiết kế để các chân được xuyên kẹt qua board mạch và hàn sang phía bên kia.

Loại Surface-mount (IC dán) có kích thước từ nhỏ đến rất nhỏ. Chúng đều được thiết kế để dán lên một bên của một bảng mạch và được hàn bề mặt (khò hơi nóng).

Các IC thông dụng
Logic Gates (các cổng logic): họ 7400, Timers (các bộ định thời): 555, 556, Shift Registers: bộ ghi dịch 74HC164, 74HC595, Vi điều khiển (PIC16F877A, ATmega328P), Bộ vi xử lý (8086, 80386, MC68030), FPGA: Field-Programmable Gate Array (mảng cổng lôgíc có thể lập trình được), Cảm biến (LM35, 5843), RTC (Real-time clock): đồng hồ thời gian thực DS3231, DS1307), v.v...

Chia sẻ bài viết