Bên trong chíp định thời 555


Nếu bạn đã từng thiết kế mạch điện tử, có lẽ bạn biết chíp định thời 555 [1], được cho là chíp tích hợp bán chạy nhất thế giới với số lượng lên đến hàng tỷ. Được thiết kế bởi thiên tài mạch tích hợp analog Hans Camenzind [2] vào năm 1970, chíp 555 được bình chọn là một trong những con chíp thành công nhất trong lịch sử với nhiều cuốn sách được dành trọn để viết về các mạch điện định thời 555.

Do sự phổ biến của mạch định thời 555, tôi nghĩ rằng việc tìm hiểu chi tiết bên trong và cách hoạt động của nó sẽ là một điều thú vị. Mặc dù chíp 555 thường được bán dưới dạng đóng gói bằng nhựa màu đen, nó cũng có dạng vỏ kim loại mà ta có thể cưa ra [3] và xem miếng silicon tí hon bên trong.

555_1

Bên trong mạch định thời 555. Miếng silicon tí hon bên trong lớp vỏ được nối với 8 chân bằng các dây kim loại.

Sơ lược về hoạt động của chíp 555

Chíp 555 có hàng trăm ứng dụng từ mạch định thời hay mạch chốt (latch) cho đến bộ dao động có tần số điều khiển bằng điện áp hay bộ điều chế. Sơ đồ mạch dưới đây trình bày cách chíp 555 hoạt động như một bộ dao động đơn giản. Bên trong chíp 555, ba điện trở tạo thành một bộ chia điện áp để tạo thành các điện áp tham khảo có giá trị bằng 1/3 và 2/3 điện áp nguồn. Tụ điện gắn ngoài sẽ nạp và xả giữa các mức điện áp này và tạo thành một dao động. Cụ thể hơn, tụ điện sẽ được nạp (A) thông qua các điện trở ngoài cho đến khi điện áp trên tụ bằng 2/3 điện áp nguồn. Khi đạt đến (B), mạch so sánh với điện áp tham khảo mức cao (threshold) sẽ làm cho flip-flop và điện áp ngõ ra chuyển sang mức thấp. Transistor xả sẽ được bật lên và tụ được xả điện (C). Khi điện áp trên tụ bằng 1/3 điện áp nguồn (D), bộ so sánh bên dưới (trigger) bật lên, ngõ ra của flip-flop được chuyển sang mức cao, rồi quá trình được lặp lại. Chu kỳ dao động, được thiết lập bởi giá trị của các điện trở và tụ điện, có thể từ vài phần triệu giây đến vài giờ [4].

555_2_vn

Sơ đồ mạch dao động dùng chíp 555.

Tóm lại, những thành phần chính của chíp 555 là các bộ so sánh với các điện áp tham khảo cao và thấp, bộ chia điện áp dùng 3 điện trở để tạo ra các điện áp tham khảo, và flip-flop để xác định mạch điện đang nạp hay xả. Chíp 555 còn có hai chân nữa (là chân reset và chân điện áp điều khiển) mà tôi chưa nhắc đến, chúng được dùng trong các mạch điện phức tạp hơn.

Cấu trúc của mạch tích hợp

Hình dưới đây là ảnh chụp chíp 555 qua kính hiển vi. Bên trên tấm silicon là một lớp kim loại mỏng dùng để nối các phần của con chíp lại với nhau. Lớp kim loại này có thể được nhìn thấy một cách rõ ràng trong hình, đó là các mảng và dây màu vàng sáng. Bên dưới lớp kim loại là một lớp silicon dioxide trong suốt tạo thành lớp cách điện giữa các dây kim loại với tấm nền silicon, ngoại trừ những nơi có các điểm kết nối xuyên qua lớp silicon dioxide để nối dây kim loại với silicon. Ở ngoài rìa của miếng silicon là các dây kim loại mảnh nối các pad trên miếng silicon với các chân trên vỏ của con chíp.

555_2

Hình chụp chíp 555.

Các loại silicon khác nhau trên con chíp thì khó phân biệt hơn. Các vùng trên chíp được xử lý (thêm các chất cho hay nhận điện tử) để thay đổi tính chất điện của silicon tại vùng đó. Vùng silicon được xử lý để có thêm electron được gọi là N-type (N là negative, chỉ điện tích âm) còn vùng silicon được xử lý để bị thiếu electron được gọi là P-type (P là positive, chỉ điện tích dương). Trong hình, các vùng này là những vùng có màu hơi khác và được bao quanh bởi những đường viền mỏng màu đen. Những vùng này là những cấu trúc tạo nên các transistor và điện trở trên con chíp.

Transistor NPN trên chíp tích hợp

Các transistor là thành phần chính của một con chíp. Chíp định thời 555 dùng các transistor lưỡng cực NPN và PNP. Nếu bạn từng học về điện tử, chắc bạn đã từng thấy kí hiệu của một transistor NPN như bên dưới đây với các cực thu (collector, C), gốc (base, B) và phát (emitter, E). Transistor NPN thường được mô tả như một cấu trúc có một lớp silicon loại P nằm giữa hai lớp silicon loại N; các lớp N-P-N tạo nên một transistor NPN. Tuy nhiên, thực tế thì trên con chíp các transistor chẳng hề giống như thế này, và cực B thì thường thậm chí chẳng nằm ở giữa.

555_3

Kí hiệu và mô tả cấu trúc của một transistor NPN.

Hình dưới đây trình bày một transistor trên con chíp 555 thực tế. Màu sắc hơi khác nhau của lớp silicon cho thấy các vùng được xử lý để tạo thành các vùng P và N. Các phần màu vàng sáng là lớp kim loại nằm bên trên lớp silicon để tạo thành các dây dẫn kết nối với cực C, E, và B. Ta có thể nhận ra cực E trên con chíp giống như tâm điểm của một cái bia tập bắn, còn hình chữ nhật tạo thành cực B thì bao quanh cực E.

555_4

Một transistor NPN trên chíp 555. Các cực C, E, và B được đánh dấu cùng với các vùng silicon N và P.

Bên dưới hình chụp là hình vẽ mặt cắt cho thấy cách mà transistor được hình thành. Có rất nhiều thứ chứ không chỉ đơn giản là cấu trúc xen kẽ N-P-N mà ta thấy trong sách. Nhưng nếu nhìn kĩ thì ta có thể nhận ra phần ngay bên dưới cực E là cấu trúc N-P-N của con transistor. Cực E được nối với phần silicon N+. Bên dưới đó là lớp silicon P được nối với cực B. Và bên dưới nữa là lớp N+ được nối (một cách gián tiếp) đến cực C [5]. Transistor được bao quanh bởi một vòng P+ để cách ly nó với các thành phần mạch xung quanh.

Transistor PNP trên chíp tích hợp

Bạn có thể nghĩ rằng transistor PNP sẽ tương tự như transistor NPN, chỉ khác ở chỗ các vùng P và N được hoán đổi với nhau. Nhưng do nhiều lý do, các transistor PNP có một cấu trúc hoàn toàn khác. Chúng bao gồm một vùng cực E hình tròn nhỏ (P) được bao quanh bởi một cực B hình vòng xuyến (N), rồi cực B lại được bao quanh bởi cực C (P). Cách sắp xếp này tạo thành một cấu trúc P-N-P xen kẽ theo phương ngang, chứ không phải là cấu trúc theo phương thẳng đứng như các transistor NPN.

Sơ đồ bên dưới cho thấy một transistor PNP trên chíp 555, cùng với mặt cắt của lớp silicon. Để ý rằng mặc dù điểm kết nối kim loại cho cực B nằm ở rìa của transistor, về mặt điện nó được nối bởi vùng N và N+ đến phần silicon nằm giữa cực C và E. Có một đường kim loại chạy giữa cực C và cực B nhưng nó không thuộc về cấu trúc của transistor.

555_5

Một transistor PNP trên chíp 555. Các cực C, E, và B được đánh dấu, cùng với các vùng silicon N và P. Cực B tạo thành một vòng xuyến xung quanh cực E, còn cực C bao quanh cực B.

Các transistor ngõ ra của chíp 555 thì lớn hơn nhiều so với các transistor còn lại và chúng được cấu trúc khác đi để có thể cung cấp một dòng điện lớn cho ngõ ra. Hình bên dưới cho thấy một transistor ngõ ra. Để ý các nhánh của cực E và B đan xen với nhau còn cực C thì bao xung quanh.

555_6

Transistor ngõ ra trên chíp 555 có kích thước lớn để cấp dòng cho ngõ ra. Các cực C, B, và E được đánh dấu.

Điện trở trên chíp tích hợp

Điện trở là một thành phần cơ bản của chip analog. Thật không may là các điện trở trên vi mạch tích hợp lại lớn và không chính xác; giá trị điện trở có thể khác nhau đến 50% giữa các chíp. Vì vậy, mạch tích hợp analog được thiết kế để hoạt động dựa trên giá trị tương đối giữa các điện trở, chứ không phải giá trị tuyệt đối, do tỷ số giá trị của hai điện trở được giữ gần như không đổi.

555_7

Một điện trở trong chíp 555. Điện trở này được tạo thành từ một dải silicon loại P và được nối với mạch điện nhờ các điểm kết nối bằng kim loại ở hai đầu.

Hình trên cho thấy một điện trở 1kOhm trên chíp 555. Nó được tạo thành từ một dải silicon loại P (có thể nhìn thấy từ đường viền). Để ý rằng điện trở được nối với hai sợi kim loại ở hai đầu và có một dây kim loại khác chạy ngang qua nó. Điện trở trong hình dưới đây là một điện trở 100kOhm có dạng chữ L. Một lớp silicon loại N được hình thành bên trên điện trở để làm cho phần dẫn điện bị mỏng đi. Điều này làm cho nó có điện trở cao hơn nhưng lại ít chính xác hơn.

555_8

Một điện trở bên trong chíp định thời 555. Điện trở được hình thành bởi một vùng silicon loại P nằm giữa hai cực kim loại. Một lớp silicon loại N được hình thành bên trên điện trở để làm tăng giá trị của nó.

Mạch chép dòng (current mirror)

Có một số mạch điện rất phổ biến trong chíp analog nhưng mới nhìn qua thì chúng có vẻ rất kì lạ. Mạch chép dòng là một trong số đó. Nhìn vào các sơ đồ mạch analog, bạn có thể thấy các ký hiệu bên dưới đây được dùng để chỉ một nguồn dòng, và có thể tự hỏi nguồn dòng là gì và tại sao ta phải dùng nó. Ý tưởng ở đây là nếu ta có sẵn một dòng điện thì ta có thể “nhân bản” nó thành nhiều dòng điện khác bằng một mạch điện đơn giản dùng transistor. Đó là một mạch chép dòng.

555_9

Các ký hiệu dùng trong sơ đồ mạch để chỉ nguồn dòng.

Mạch điện dưới đây cho thấy cách tạo ra một mạch chép dòng dùng hai transistor giống nhau [6]. Một dòng điện tham khảo chạy qua transistor bên trái. (Trong trường hợp này, độ lớn của dòng điện được xác định bởi giá trị của điện trở.) Do cả hai transistor có cùng điện áp cực E và cực B, chúng sẽ tạo ra dòng điện giống nhau, do đó dòng điện chạy qua transistor bên phải sẽ giống với dòng điện tham khảo bên trái.

555_10

Mạch chép dòng. Dòng điện bên phải là một bản sao của dòng điện bên trái.

Một ứng dụng phổ biến của mạch chép dòng là thay thế các điện trở. Như đã nói ở phần trên, các điện trở bên trong mạch tích hợp vừa lớn vừa không chính xác. Bằng cách dùng mạch chép dòng thay vì điện trở khi nào có thể, ta sẽ tiết kiệm được diện tích silicon. Hơn nữa, các dòng điện được tạo ra từ mạch chép dòng hầu như là giống nhau, trong khi các dòng điện tạo ra từ các điện trở thì không.

555_11_vn

Ba transistor tạo thành một mạch chép dòng trong chíp 555. Chúng có chung cực B, và hai transistor có chung cực E.

Ba transistor trong hình trên tạo thành một mạch chép dòng với hai ngõ ra. Để ý rằng cả ba transistor có cực B nối chung với nhau và nối với cực C bên phải. Các cực E bên phải cũng được nối với nhau. Transistor bên trái là một nguồn dòng kiểu Widlar, một biến thể của mạch chép dòng để tạo ra một dòng điện nhỏ hơn. Trên sơ đồ mạch [của chíp 555], hai transistor bên phải được vẽ thành transistor Q19 với hai cực C.

Bộ khuyếch đại vi sai

Mạch điện quan trọng thứ hai là bộ khuyếch đại vi sai, mạch điện dùng hai transistor phổ biến nhất trong các vi mạch analog [7]. Bạn có thể tự hỏi bộ so sánh thực hiện việc so sánh hai điện áp như thế nào, hay mạch khuyếch đại thuật toán (op-amp) trừ hai điện áp ra sao. Chúng được thực hiện bởi cặp khuyếch đại vi sai.

555_12

Sơ đồ một mạch khuyếch đại vi sai đơn giản. Nguồn dòng I tạo ra một dòng điện cố định chạy qua cặp vi sai. Nếu điện áp ở hai ngõ vào bằng nhau thì dòng điện được chia đều cho hai nhánh. Còn không thì nhánh nào có điện áp ngõ vào cao hơn sẽ nhận được dòng điện lớn hơn.

Sơ đồ trên trình bày một mạch khuyếch đại vi sai đơn giản. Nguồn dòng bên dưới cung cấp một dòng điện cố định, I, và dòng điện này được phân chia cho hai transistor. Nếu các điện áp ngõ vào bằng nhau thì dòng điện sẽ được chia đều cho hai nhánh (I1 và I2). Nếu một ngõ vào có điện áp hơi cao hơn điện áp ngõ bên kia thì transistor đó sẽ dẫn nhiều dòng hơn do vậy một nhánh sẽ có dòng điện lớn hơn còn nhánh kia nhận được ít dòng điện hơn. Chỉ cần các điện áp ngõ vào hơi khác nhau một chút cũng đủ để làm cho gần như toàn bộ dòng điện sẽ chạy qua nhánh có điện áp cao hơn và làm cho bộ so sánh chuyển trạng thái thành bật hay tắt.

Trong chíp 555, bộ so sánh điện áp tham khảo cao (điện áp ngưỡng) dùng các transistor NPN còn bộ so sánh điện áp tham khảo thấp (điện áp trigger) dùng transistor PNP. Điều này cho phép bộ so sánh ngưỡng hoạt động ở mức tín hiệu gần với điện áp nguồn còn bộ so sánh trigger hoạt động với mức tín hiệu gần với mức không. Các bộ so sánh trong chip 555 còn dùng hai transistor cho mỗi ngõ vào (kiểu Darlington) để tăng tín hiệu ngõ vào.

Sơ đồ mạch chíp 555

Hình chụp chíp 555 và sơ đồ mạch [8] dưới đây cho phép người đọc tương tác với chúng. Hãy nhấn chuột vào một thành phần trên con chíp hay trên sơ đồ mạch để xem giải thích ngắn về thành phần mạch đó. (Nếu muốn xem giải thích chi tiết về cách hoạt động của mạch 555, xin xem bài 555 Principles of Operation.)

Một cách sơ lược thì các transistor ngõ ra và transistor xả là các thành phần lớn và dễ thấy nhất trên con chíp. Bộ so sánh ngưỡng bao gồm các transistor từ Q1 đến Q8. Bộ so sánh trigger bao gồm các transistor từ Q10 đến Q13, cùng với bộ chép dòng Q9. Q16 và Q17 tạo thành bộ flip-flop. Ba điện trở 5kOhm tạo thành bộ chia điện áp thì nằm giữa chíp [9]. Người ta đoán rằng tên gọi 555 được hình thành do ba điện trở 5kOhm này, nhưng theo người thiết kế thì cái tên 555 chỉ là ngẫu nhiên do chíp này nằm trong loạt chíp 500.

Chú thích của người dịch: phần sơ đồ mạch tương tác này được Ken Shirriff làm rất trực quan. Do trang web của Chuyên Mục Công Nghệ không thể thực hiện được tính năng tương tác như trên trang web của Ken Shirriff nên xin mời độc giả nhấn vào link này và xem chi tiết ở phần “The 555 schematic interactive explorer” trong bài viết của Ken Shirriff.

Cách chụp hình chíp 555

Các chíp tích hợp thường được đóng gói bằng nhựa đen và để mở chúng ra ta phải dùng đến a-xít đậm đặc vốn nguy hiểm và bất tiện. Thay vì vậy, tôi mua một chíp 555 được đóng gói trong lớp vỏ kim loại (xem hình bên dưới). Để quan sát con chíp, tôi dùng một kính hiển vi luyện kim (metallurgical microscope). Khác với kính hiển vi thông thường, kính hiển vi luyện kim chiếu ánh sáng xuyên qua các thấu kính nên nó có thể dùng được cho các vật chắn sáng (như các con chíp chẳng hạn). Tôi ghép các ảnh lại với nhau bằng Hugin (xem chi tiết tại đây).

555_15

Chíp 555 với lớp vỏ kim loại.

Phiên bản cải tiến của chíp 555

Chíp 555 rất phổ biến mặc dù nó có hàng loại sai sót trong thiết kế chẳng hạn như các bộ so sánh không thực sự cân bằng, tiêu thụ dòng lớn, dạng sóng ngõ ra không đối xứng, và nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ [10].

Năm 1997, Camenzind thiết kế lại chíp 555 để tạo ra một con chíp tốt hơn và có thể hoạt động ở các mức điện áp thấp hơn nhiều. Chíp cải tiến này được Zetex bán dưới tên gọi ZSCT1555, nhưng thật không may là nó lại thất bại. Sự thành công của chíp 555 ban đầu và sự thất bại của phiên bản cải tiến có thể được xem như một ví dụ về nguyên tắc dở hơn là tốt hơn.

Kết luận

Hy vọng rằng độc giả thấy thích thú với những chi tiết bên trong con chíp định thời 555. Khi bạn sử dụng chíp 555 cho dự án kế tiếp, bạn biết một cách chính xác bên trong con chíp có gì. Nếu bạn thích bài báo này thì có thể xem thêm các bài viết của tôi về mạch khuyếch đại thuật toán 741chíp điều áp 7805. Cảm ơn Eric Schlaepfer [11] đã đóng góp nhiều ý kiến hữu ích.

Ghi chú và tham khảo

[1] Chíp 555 nổi tiếng đến mức nó được đưa lên cốc uống nước, túi xách, , và áo pull.

555_16

Chíp 555 được in trên áo pull. Hình: EEVlog.

[2] Quyển Designing Analog Chips, được viết bởi người phát minh ra chíp 555, Hans Camenzind, khá thú vị, và tôi khuyến khích các bạn đọc nó nếu muốn tìm hiểu thêm về cách hoạt động của các chíp analog. Chương 11 trình bày khá nhiều về lịch sử và hoạt động của chíp 555. Trang 11-3 nói rằng năm nào chíp 555 cũng là chíp bán chạy nhất nhưng tôi không rõ rằng điều đó có còn chính xác không. Bạn có thể tải bản PDF miễn phí ở đây hoặc mua quyển sách ở đây.

[3] Ta có thể cắt lớp vỏ của IC bằng một cái cưa kim loại bình thường, nhưng dùng loại cưa của thợ kim hoàn thì dễ hơn. Tôi mua loại cưa này trên eBay với giá 14 đô-la và dùng lưỡi cưa số 2. Nên cắt gần phần đỉnh của lớp vỏ  để khỏi phải chạm vào con chíp silicon như tôi đã bị.

[4] Điều hay nhất của chíp 555 là tần số dao động chỉ phụ thuộc vào các điện trở và tụ điện bên ngoài mà không phụ thuộc vào điện áp nguồn. Nếu điện áp nguồn giảm thì các điện áp tham khảo 1/3 và 2/3 cũng giảm. Điều này có thể làm cho ta nghĩ rằng dao động sẽ nhanh hơn. Nhưng điện áp thấp sẽ làm cho tụ điện nạp chậm hơn, và điều này cân bằng với việc điện áp tham khảo bị giảm. Kết quả là tần số được giữ không đổi.

Việc loại bỏ sự phụ thuộc vào điện áp này khá khó khăn và mãi cho đến khi gần hoàn tất con chíp thì người thiết kế chíp 555 mới thực hiện được, nhưng nó tạo ra sự khác biệt đáng kể. Thiết kế ban đầu phức tạp hơn và cần đến 9 chân giao tiếp, một con số quá tệ cho chíp tích hợp bởi vì chẳng có loại vỏ chíp nào có số lượng chân trong khoảng giữa 8 và 14 cả. Thiết kế cuối cùng, đơn giản hơn, có 8 chân nên việc đóng gói rẻ hơn nhiều (Xem chi tiết ở trang 11-3 của quyển Designing Analog Chips)

[5] Bạn có thể thắc mắc tại sao ta phải phân biệt cực C và cực E của một transistor, khi mà sơ sồ đơn giản của một transistor lại đối xứng. Như ta có thể nhận ra từ hình chụp con chíp, cực C và cực E trong transistor thực có kích thước rất khác nhau. Bên cạnh sự khác nhau về kích thước thì tính chất của silicon cũng khác nhau. Vậy nên nếu ta đảo cực C và cực E thì độ lợi của transistor sẽ rất kém.

[6] Thông tin thêm về mạch chép dòng có thể xem trên wikipedia, sách về chíp analog, hay chương 3 của quyển Designing Analog Chips.

[7] Cặp khuyếch đại vi sai còn được gọi là “long-tailed pairs”. Theo quyển Analysis and Design of Analog Integrated Circuits thì cặp khuyếch đại vi sai “có lẽ là mạch điện với hai transistor được dùng nhiều nhất trong mạch tích hợp analog.” (trang 214). Thông tin thêm về mạch khuyếch đại vi sai có thể xem trên wikipedia, sách về chíp analog, hay chương 4 của quyển Designing Analog Chips.

[8] Sơ đồ mạch chíp 555 trong bài viết này được lấy từ bản thông số kỹ thuật của hãng Philips.

[9] Để ý rằng ba điện trở của mạch chia điện áp được đặt song song cạnh nhau. Điều này giúp cho chúng có điện trở giống nhau cho dù đặc tính điện của silicon có thay đổi chăng nữa.

[10] Không phải là tôi chê chíp 555; Hans Camenzind là người chỉ ra các khuyết điểm này và nói rằng chúng là do “việc thiết kế mạch tích hợp còn trong thời kì đầu (và do sự non kinh nghiệm của một người mới vào nghề)”; xem trang 11-4, Designing Analog Chips. Việc thiết kế một con chíp thay thế cho chíp 555 được thảo luận chi tiết trong bài “Redesigning the old 555″ trên IEEE Spectrum số tháng 9 năm 1997. Bài báo đó chỉ ra rằng việc thiết kế chíp ngày nay nhanh hơn thời thập niên 1970 như thế nào. Người ta phải tốn đến hai tháng để làm layout cho chíp 555 và kiểm tra một cách thủ công rằng nó được vẽ đúng. Con chíp mới chỉ cần hai ngày để vẽ layout và 20 phút để kiểm tra.

[11] Evil Mad Scientist bán một bộ định thời 555 chế tạo bằng các transistor và điện trở rời—nó hoàn toàn tương đương với một chíp 555. Chiếc ghế gác chân của họ cũng đáng xem lắm.

555_17

Bộ định thời 555 cỡ lớn do Evil Mad Scientist Lab chế tạo.

Advertisements

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Đăng xuất / Thay đổi )

Connecting to %s

%d bloggers like this: