Pengenalan Kepada Mikroelektronik

Objektif

• Memahami perkembangan bidang mikroelektronik
• Perbezaan ringkas peranti diskrit, litar bersepadu monolitik dan hibrid
• Perbandingan teknologi litar bersepadu
• Beberapa contoh litar bersepadu analog dan digital

Pengenalan

Elektronik  mempunyai ciri-ciri kuasa lesapan yang rendah, ringan, kecil, kos yang murah dan mampu untuk menjalankan fungsi yang komplek. Secara khususnya litar bersepadu telah berjaya menjadikan reka bentuk elektronik lebih berkuasa dan hebat dengan saiz produk elektronik yang semakin kecil dan ringan. Tekonologi peranti elektronik pada awalnya diperolehi oleh tiub vakum sehingga tahun 1950an. Tekonologi elektronik masa kini adalah hasil daripada penciptaan transistor pada tahun 1947. Ianya dicipta oleh Willin B. Shockley H. Brattain dan John Braden di Bell Telephone Laboratories yang kemudian diikuti dengan pembangunan litar bersepadu.

• IC yang pertama telah wujud pada awal tahun 1960 dan hingga kini telah ada beberapa generasi IC :-
• SSI(Small Scale Integration ; litar bersepadu skala kecil)
• MSI(Medium Scale Integration ; litar bersepadu skala medium)
• LSI(Large Scale Integration ; litar bersepadu skala besar)
• VLSI(Very Large Scale Integration ; litar bersepadu sangat besar)
• ULSI(Ultra Scale  Integration)
• GSI(Giant Scale Integation)

Beberapa tahun yang lepas teknologi silikon CMOS menjadi pelopor utama dalam proses fabrikasi disebabkab prestasi yang tinggi dan kos efektif. Perkembangan tekonolgi boleh dilihat dengan bilangan transistor di dalam litar bersepadu dalam satu cip seperti yang gambarajah dibawah. Teknologi berasaskan GaAs (gallium arsenide) sedang mengambil tempat penggantikan silikon dan germanium. GaAs mempunyai sifat foto elektronik boleh menjadi penerima dan pemancar cahaya. Gabungan GaAs dan silikon boleh memberi kelebihan menarik dalam produk –produk elektronik.

Gambarajah dibawah menunjukkan perbandingan beberapa teknologi yang terdapat dalam mikroelektronik ; CMOS, nMOS, BiCMOS, ECL dan GaAs dari aspek prestasi halaju dan kuasa lesapan untuk satu get.

Peranti Diskrit

• Peranti diskrit atau satu elemen atau komponen individu.
• Contohnya seperti perintang, kapasitor, diod, transistor  dan sebagainya.

Perintang

Kapasitor

Induktor

Diod

Litar Bersepadu

• Mempunyai dua atau lebih peranti-peranti diskrit seperti perintang, kapasitor dan transistor.
• Dapat mengurangkan saiz produk dan mengurangkan penyambungan-penyambungan di dalam sesuatu litar.
• Terdiri daripada IC monolitik dam IC hibrid.

Litar Monolitik

• Berasal dari perkataan Greek.
• Monos bermaksud satu (tunggal).
• Lithos bermaksud batu.
• Hasil kombinasi ini menjadikan satu batu.
• Dibina dalam wafer bahan separuh pengalir.
• Wafer adalah senipis 1/1000 inci.

Litar Hibrid

• Terdiri daripada satu atau lebih IC monolitik.
• Menggunakan teknik filem tebal dan filem nipis.
• Semua komponen dan cip dipasang ke dalam pakej yang lebih kecil.
• Mengandungi substrat penebat dengan rangkaian yang telah didepostikan , pengalir dan perintang di mana peranti separuh pengalir.
• IC dan elemen pasif dilekat dalam bentuk cip.

Era Litar Bersepadu

• Satu ukuran untuk menentukan perkembangan yang begitu pesat dalam litar bersepadu silikon ialah bilangan transistor.
• Dalam kurang 3 dekad bilangan tersebut telah naik dari puluhan kepada juataan seperti gambarajag dibawah.

Litar Bersepadu Digital dan Analog

• Litar bersepadu (IC) boleh mempunyai litar analog dan digital.

Litar Bersepadu Analog

• Op-amp diperkenalkan pada pertengahan 1960 dibina dari BJT sahaja kerana tekonologi fabrikasi yang terhad.
• Keseluruhan gandaan boleh menjadi setinggi  atau lebih bagi reka bentuk BJT.
• Satu contoh litar bersepadu analog yang popular ialah penguat kendalian LM74I.
• Mula diperkenalkan pada pertengahan 1960, satu versi yang membaiki op-amp yang terlebih dahulu daripadnya.
• Dibina dari transistor dwikutub (BJT).

Litar Bersepadu DAC (penukaran digital ke analog)

• AD7524 ilah IC CMOS penukaran D/A 8 bit yang menggunakan rangkaiaan tangga R/2R
• IC AD 7524 ditunjukkan gambarjah dibawah.
• Masukan 8 bit boleh diselak secara dalaman dibawah kawalan masukan ‘Chip Select’ (CS) dan ‘WRITE’(WR).

                                                                                                                                              

(a) 8 bit AD7524  (b) AD7524 disambung unutk memberi voltan keluaran analog dari 0V ke lebih kurang -10V

• Apabila kedua-dua CS dan WR adalah RENDAH, data masukan digital D0-D7 akan menghasilkan arus keluaran analog OUT1(OUT2 biasanyta dibumikan ).
• Apabila salah satu masukan kawalan menjadi TINGGI, data digital masukan akan terselak dan tiada sebarang kesan pada OUT1 jika berlaku perubahan pada data digital masukan.

Litar Bersepadu Penukar Analog Dan Digital

• Kaedah termudah ialah tanjakan digital (digital ramp).
• Menggunakan pembilangan binari sebagai pendaftar dan membenarkan untuk menokok pembilangan satu langkah pada satu-satu masa.
• Kaedah kedua penukaran pendekatan berurutan (successive approximation).
• Mempunyaui litar yang lebih komplek daripada tanjakan digital tetapi masa penukaran adalah lebih cepat.
• Penukaran pendekatan berurutan (SAC) mempunyai masa penukaran yang tetap dan tidak bergantung kepada nilai masukan analog.
• Litar Bersepadu SAC ADC0804.
• ADC0804 ialah serpin 20 pin IC MOS yang menggunakan kaedah pendekatan berurutan seperti gamrajah dibawah.

• Ia mempunyai dua masukan analog VIN ( + ) dan VIN ( - ) untuk membenarkan masukan –masukan kebezaan.
• Masukan analog sebenar ialah perbezaan voltan yang dikenakan pada pin-pin tersebut VIN = VIN ( + ) – VIN ( - ).
• Dalam operasi normal, penukaran menggunakan Vcc = +5Vsebagai voltan rujukan dan masukan analog boleh berada di antara 0 ke 5 V skala penuh.
• Dengan 8 bit , resolusinya ialah 5V/255 = 19.6V.
• Dengan frekunsi jam 606 kHz, masa penukaran ialah lebih kurang 100 µs.
• Fungsi-fungsi masukan dan keluaran ditakrifkan seperti berikut:-
• CS(Chip Select) = masukan ini mesti dalam keadaan RENDAH supaya masukan RD atau WR akan memberi kesan.
• RD(READ) = masukan diguna untuk membolehkan penimbal ke keluran digital. Dengan CS = RD = RENDAH, pin-pin keluaran digital akan mempunyai paras logik yang mewakili hasil dari penukaran terakhir.
• WR(WRITE) = denyutan RENDAH dikenakan kepada masukan ini untuk memulakan satu penukaran baru. Ia adalah masukan penukaran mula.
• INTR(INTERRRUPT) = isyarat keluran ini akan menjadi TINGGI pada permulaan penukaran dan akan kembali RENDAH sebagai menandakan penukaran berakhir.
• Vref/2 = masukan optional unutk mengurangkan voltan rujukan dalaman. Jika tidak disambung, ia akan berada pada 2.5V.
• CLK OUT = Satu perintang disambungkan kepada pin untuk menggunakan jam dalaman. Isyarat jam muncul pada pin ini.
• CLK IN = Digunakan dalm masukan jam luaran atau kepada kapasitor apabila jam dalaman digunakan.

Rujukan

• http://sekaranindya.wordpress.com/2012/12/08/adc-dan-dac/
• http://www.monografias.com/trabajos89/conceptos-electronica-teoria-circuitos/conceptos-electronica-teoria-circuitos3.shtml
• http://lynjyctrz.blogspot.com/2011/03/nota-khb-tingkatan-tiga-teras-bab-3.html