IC là gì: kiểu vỏ, đếm chân, đọc datasheet và tụ decoupling

IC là gì, bên trong có gì, các kiểu vỏ DIP, SOIC, QFP, QFN và kiểu nào hàn tay được, cách tìm chân 1 và đếm chân, đọc mã in trên IC, các mục cần đọc trong datasheet và tụ decoupling 100 nF.

Đến đây loạt bài đã đi qua từng linh kiện rời: điện trở, tụ, diode, transistor. Một mạch đếm, một bộ khuếch đại hay một vi điều khiển có thể cần hàng trăm đến hàng tỉ linh kiện như thế, và không ai hàn chúng từng con. Chúng được làm sẵn trên một miếng silicon, đóng trong một vỏ nhỏ: đó là IC (integrated circuit, mạch tích hợp). Bài viết giải thích bên trong IC có gì, các kiểu vỏ thường gặp và kiểu nào hàn tay được, cách tìm chân 1 và đếm chân, cách đọc mã in trên IC, các mục cần đọc trong datasheet, và vì sao IC nào cũng cần một tụ 100 nF bên cạnh.

1. IC là gì

• Bên trong vỏ là một miếng silicon nhỏ (die), thường chỉ vài milimét vuông. Trên đó transistor, điện trở, tụ nhỏ và dây nối được tạo cùng lúc bằng quang khắc, nên làm một triệu transistor cũng không tốn hơn làm một nghìn bao nhiêu.
• Các dây nối vàng hoặc đồng mảnh hơn sợi tóc nối từng điểm hàn trên die ra khung chân kim loại; cả khối được đúc trong nhựa epoxy để chống ẩm, chống va đập.
• IC đơn giản như 74HC00 (bốn cổng NAND) chỉ có vài chục transistor; op-amp LM358 có khoảng mười mấy transistor mỗi kênh; riêng bộ nhớ RAM của chip ESP32 đã cần hàng chục triệu transistor.

Có thể chia IC thành vài nhóm lớn theo kiểu tín hiệu:

2. Các kiểu vỏ IC

Cùng một con IC thường được bán với nhiều kiểu vỏ. Hai nhóm lớn:

• Chân xuyên lỗ (THT): DIP (hai hàng chân, bước 2,54 mm), TO-92, TO-220. Chân dài cắm qua lỗ mạch in, hàn mặt dưới. DIP cắm thẳng vào breadboard, vắt qua rãnh giữa, nên rất hợp để học và thử mạch.
• Dán bề mặt (SMD): SOIC (bước 1,27 mm), SOT-23, TSSOP (0,65 mm), QFP (0,4–0,8 mm, chân bốn cạnh), QFN (chân là miếng hàn nằm dưới mép thân, thường có miếng tản nhiệt ở giữa), BGA (bi hàn dưới đáy). Nhỏ hơn nhiều lần, rẻ hơn khi sản xuất hàng loạt, nhưng khó hàn tay.

Với người mới tự hàn: DIP dễ nhất; SOIC, SOT-23 hàn bằng mỏ hàn thường được nếu có nhíp và kính lúp; TSSOP, QFP cần mũi hàn nhỏ, nhựa thông và kỹ thuật kéo thiếc; QFN, BGA gần như phải dùng máy khò hoặc lò. Khi chỉ có IC vỏ SMD, có thể hàn lên mạch chuyển đổi (adapter SOIC sang DIP) để cắm breadboard.

Trên bo ESP32 DevKit V1 có thể thấy cùng lúc nhiều kiểu vỏ: module ESP32 có nắp kim loại (bên trong là chip vỏ QFN), IC chuyển USB sang UART vỏ QFN, ổn áp AMS1117 vỏ SOT-223, transistor vỏ SOT-23.

3. Tìm chân 1 và đếm chân

1. Tìm dấu chân 1: khấc nửa tròn ở một đầu vỏ DIP, chấm tròn lõm hoặc in ở một góc, cạnh vát trên vỏ SOIC, góc có tam giác trên vỏ QFP, BGA.
2. Nhìn từ mặt trên (mặt có chữ). Với DIP, đặt khấc về bên trái: chân 1 ở hàng dưới, ngoài cùng bên trái.
3. Đếm ngược chiều kim đồng hồ: dọc hàng dưới sang phải, vòng lên hàng trên, đi ngược về trái. DIP-8 thì chân 8 nằm đối diện chân 1.
4. Cẩn thận khi nhìn từ mặt hàn: lật mạch lại để hàn thì thứ tự bị đảo gương, chân 1 nằm ở phía ngược lại. Lỗi hàn ngược IC hay gặp nhất là do quên điều này.

Chân nguồn không phải lúc nào cũng ở góc. Một vài ví dụ phổ biến: họ 74HC 14 chân có V_CC ở chân 14, GND ở chân 7; NE555 có V_CC chân 8, GND chân 1; LM358 có V+ chân 8, GND chân 4. Luôn tra sơ đồ chân trong datasheet trước khi cấp nguồn: cấp ngược nguồn vào IC thường làm IC nóng lên và hỏng chỉ sau vài giây.

4. Đọc mã in trên IC

• Phần lõi chỉ chức năng và thường giống nhau giữa các hãng: 555 là bộ định thời, 358 là op-amp kép, 7805 là ổn áp 5 V, 74xx00 là bốn cổng NAND.
• Tiền tố cho biết hãng hoặc dải nhiệt độ: NE555 (thương mại) và SE555 (quân sự, −55 đến 125 °C); 74HC (thương mại) và 54HC (quân sự).
• Hậu tố chỉ kiểu vỏ, dải nhiệt độ, cách đóng gói. Mỗi hãng ghi một kiểu: cùng là vỏ DIP, hãng này ghi P, hãng khác ghi N. Muốn chắc, tra mục Ordering Information hoặc Package Option của datasheet.
• Dòng số thứ hai trên vỏ thường là mã lô và ngày sản xuất, nhiều hãng ghi theo năm và tuần. Logo trên vỏ cho biết hãng sản xuất; datasheet nên lấy đúng của hãng đó.

5. Đọc datasheet

Datasheet là tài liệu hãng sản xuất phát hành cho từng IC, thường bằng tiếng Anh, tải miễn phí trên trang của hãng. Không cần đọc hết; trước khi nối IC vào mạch, đọc kỹ năm mục:

1. Pin Configuration: sơ đồ chân cho từng kiểu vỏ. Cùng một IC, vỏ DIP và vỏ QFN có thể có thứ tự chân khác nhau.
2. Absolute Maximum Ratings: giới hạn mà vượt qua là IC có thể hỏng ngay hoặc giảm tuổi thọ. Đây không phải điều kiện làm việc: LM358 ghi tối đa 32 V không có nghĩa nên chạy nó ở 32 V.
3. Recommended Operating Conditions: dải điện áp, nhiệt độ mà hãng bảo đảm IC chạy đúng thông số.
4. Electrical Characteristics: bảng thông số với ba cột min, typ (điển hình), max và điều kiện thử ghi kèm. Khi tính mạch, dùng giá trị min hoặc max tùy trường hợp xấu nhất; giá trị typ chỉ để tham khảo.
5. Application Information: mạch mẫu của hãng, giá trị tụ đi kèm, gợi ý vẽ mạch in. Lắp đúng mạch mẫu là cách chắc ăn nhất khi mới dùng một IC.

Ví dụ với LM358: datasheet ghi điện áp vào chỉ được từ 0 đến V_CC − 1,5 V. Chạy LM358 bằng 3,3 V thì tín hiệu vào chỉ nên tới khoảng 1,8 V; quá mức đó op-amp làm việc sai. Không đọc dòng này thì rất dễ nghĩ mạch hỏng. Bài 26 về op-amp sẽ thấy rõ giới hạn này bằng thí nghiệm.

6. Tụ decoupling: 100 nF cạnh mỗi IC

Mỗi lần các transistor bên trong IC đổi trạng thái, dòng nguồn tăng vọt trong vài nano giây. Dây nối từ nguồn tới IC tuy ngắn nhưng có điện cảm (khoảng 1 nH mỗi milimét): điện áp rơi trên dây là ΔU = L × di/dt. Với dây 5 cm (khoảng 50 nH) và dòng tăng 50 mA trong 5 ns, sụt áp khoảng 0,5 V, đủ để vi điều khiển khởi động lại hoặc IC logic đọc sai.

• Tụ gốm 100 nF đặt sát giữa chân V_CC và GND của từng IC làm kho điện tại chỗ, cấp dòng tức thời thay cho dây nguồn dài. Vòng dòng từ chân V_CC qua tụ về chân GND càng ngắn càng tốt.
• Tụ 10 µF (tụ hóa hoặc gốm) chung cho một vùng mạch, gần chỗ nguồn đi vào, bù cho những lần tải thay đổi chậm hơn.
• IC có nhiều chân nguồn (vi điều khiển, IC số lớn) thì mỗi cặp chân nguồn một tụ 100 nF.
• Trên breadboard, cắm tụ 100 nF (tụ gốm ghi 104) vắt từ hàng của chân V_CC sang thanh GND gần nhất. Nhiều lỗi "lúc chạy lúc không" của mạch số biến mất chỉ nhờ con tụ này. Tụ gốm, tụ hóa và cách đọc mã 104 có trong bài 11 về tụ điện.

7. Lưu ý khi dùng IC

8. Xem thêm

• Mạch hạ áp LM2596 và MP1584: hai IC nguồn xung hay dùng để cấp điện cho ESP32.
• Dùng mạch tạo trễ NE555 có relay: một IC 555 trong mạch thật.
• Các bài tiếp theo của loạt điện tử căn bản: IC ổn áp 7805 và AMS1117 (bài 24), IC 555 (bài 25), op-amp (bài 26).