______________________________________________________
Chương 3
Cổng
logic III - 5
______________________________________________________________
______________________________________________
Nguyễn Trung Lập
(H 3.7)
3.2.6 Cổng NOR
- Là kết hợp của cổng OR và cổng NOT, thực hiện hàm
BAY +=
Ký hiệu của cổng NOR (Gồm cổng OR và NOT, nhưng cổng NOT thu gọn lại một
vòng tròn)
(H 3.8)
Các bảng sự thật và các giản đồ thời gian của các cổng BUFFER, NAND, NOR, sinh
viên có thể tự thực hiện lấy
3.2.7 Cổng EX-OR
- Dùng để thực hiện hàm EX-OR.
BABABAY +=⊕=
- Cổng EX-OR chỉ có 2 ngã vào và 1 ngã ra
- Ký hiệu (H 3.9a)
- Một tính chất rất quan trọng của cổng EX-OR:
+ Tương đương với một cổng đảo khi có một ngã vào nối lên mức cao, (H
3.9b)
+ Tương đương với một cổng đệm khi có một ngã vào nối xuống mức thấp, (H
3.9c)
(a) (b) (c)
(H 3.9)
3.2.8 Cổng EX-NOR
- Là kết hợp của cổng EX-OR và cổng NOT
- Cổng EX-NOR có 2 ngã vào và một ngã ra
- Hàm logic ứng với cổng EX-NOR là
A.BBABAY +=⊕=
- Ký hiệu (H 3.10)
- Các tính chất của cổng EX-NOR giống cổng EX-OR nhưng có ngã ra đảo lại.
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________
Chương 3
Cổng
logic III - 6
______________________________________________________________
______________________________________________
Nguyễn Trung Lập
(H 3.10)
3.2.9 Cổng phức AOI (AND-OR-INVERTER)
Ưng dụng các kết quả của Đại số BOOLE, người ta có thể kết nối nhiều cổng khác
nhau trên một chip IC để thực hiện một hàm logic phức tạp nào đó. Cổng AOI là một kết hợp
của 3 loại cổng AND (A), OR (O) và INVERTER (I). Thí dụ để thực hiện hàm logic
D.EA.B.CY +=
, ta có cổng phức sau:
(H 3.11)
3.2.10 Biến đổi qua lại giữa các cổng logic
Trong chương Hàm Logic chúng ta đã thấy tất cả các hàm logic có thể được thay thế
bởi 2 hàm duy nhất là hàm AND (hoặc OR) kết hợp với hàm NOT. Các cổng logic có chức
năng thực hiện hàm logic, như vậy chúng ta chỉ cần dùng 2 cổng AND (hoặc OR) và NOT để
thực hiện tất cả các hàm logic. Tuy nhiên, vì cổng NOT cũng có thể tạo ra từ cổng NAND
(hoặc NOR). Như vậy, tất cả các hàm logic có thể được thực hiện bởi một cổng duy nhất, đó
là cổng NAND (hoặc NOR). Hàm ý này cho phép chúng ta biến đổi qua lại giữa các cổng với
nhau.
Quan sát Định lý De Morgan chúng ta rút ra qui tắc biến đổi qua lại giữa các cổng
AND, NOT và OR , NOT như sau:
Chỉ cần thêm các cổng đảo ở ngã vào và ngã ra khi biến đổi từ AND sang OR hoặc
ngược lại. Dĩ nhiên nếu ở các ngã đã có đảo rồi thì đảo này sẽ mất đi.
Thí dụ 1: Ba mạch dưới đây tương đương nhau:
(H 3.12b) có được bằng cách đổi AND - OR thêm các đảo ở các ngã vào và ra. Từ (H
3.12b) đổi sang (H 3.12c) ta bỏ 2 cổng đảo nối từ ngã ra cổng NOR đến ngã vào cổng AND
(a) (b) (c)
(H 3.12)
Thí dụ 2: Vẽ mạch tương đương của cổng EX-OR dùng toàn cổng NAND
Dùng định lý De-Morgan, biểu thức hàm EX-OR viết lại:
BA.BABABAY =+=
Và mạch tương đương cho ở (H 3.13)
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________
Chương 3
Cổng
logic III - 7
______________________________________________________________
______________________________________________
Nguyễn Trung Lập
(H 3.13)
3.3 THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA IC SỐ
Để sử dụng IC số có hiệu quả, ngoài sơ đồ chân và bảng sự thật của chúng, ta nên biết
qua một số thuật ngữ chỉ các thông số cho biết các đặc tính của IC.
3.3.1 Các đại lượng điện đặc trưng
- V
CC
: Điện thế nguồn (power supply): khoảng điện thế cho phép cấp cho IC để hoạt
động tốt. Thí dụ với IC số họ TTL, V
CC
=5±0,5 V , họ CMOS V
DD
=3-15V (Người ta thường
dùng ký hiệu V
DD
và V
SS
để chỉ nguồn và mass của IC họ MOS)
- V
IH
(min): Điện thế ngã vào mức cao (High level input voltage): Đây là điện thế ngã
vào nhỏ nhất còn được xem là mức 1
- V
IL
(max): Điện thế ngã vào mức thấp (Low level input voltage): Điện thế ngã vào
lớn nhất còn được xem là mức 0.
- V
OH
(min): Điện thế ngã ra mức cao (High level output voltage): Điện thế nhỏ nhất
của ngã ra khi ở mức cao.
- V
OL
(max): Điện thế ngã ra mức thấp (Low level output voltage): Điện thế lớn nhất
của ngã ra khi ở mức thấp.
- I
IH
: Dòng điện ngã vào mức cao (High level input current): Dòng điện lớn nhất vào
ngã vào IC khi ngã vào này ở mức cao.
- I
IL
: Dòng điện ngã vào mức thấp (Low level input current) : Dòng điện ra khỏi ngã
vào IC khi ngã vào này ở mức thấp
- I
OH
: Dòng điện ngã ra mức cao (High level output current): Dòng điện lớn nhất ngã
ra có thể cấp cho tải khi nó ở mức cao.
- I
OL
: Dòng điện ngã ra mức thấp (Low level output current): Dòng điện lớn nhất ngã
ra có thể nhận khi ở mức thấp.
- I
CCH
,I
CCL
: Dòng điện chạy qua IC khi ngã ra lần lượt ở mức cao và thấp.
Ngoài ra còn một số thông số khác được nêu ra dưới đây
3.3.2 Công suất tiêu tán (Power requirement)
Mỗi IC khi hoạt động sẽ tiêu thụ một công suất từ nguồn cung cấp V
CC
(hay V
DD
).
Công suất tiêu tán này xác định bởi điện thế nguồn và dòng điện qua IC. Do khi hoạt động
dòng qua IC thường xuyên thay đổi giữa hai trạng thái cao và thấp nên công suất tiêu tán sẽ
được tính từ dòng trung bình qua IC và công suất tính được là công suất tiêu tán trung bình
CCCCD
(avg).VI(avg)P =
Trong đó
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________
Chương 3
Cổng
logic III - 8
______________________________________________________________
______________________________________________
Nguyễn Trung Lập
2
II
(avg)I
CCLCCH
CC
+
=
Đối với các cổng logic họ TTL, công suất tiêu tán ở hàng mW và với họ MOS thì chỉ
ở hàng nW.
3.3.3 Fan-Out:
Một cách tổng quát, ngã ra của một mạch logic đòi hỏi phải cấp dòng cho một số ngã
vào các mạch logic khác. Fan Out là số ngã vào lớn nhất có thể nối với ngã ra của một IC
cùng loại mà vẫn bảo đảm mạch hoạt động bình thường. Nói cách khác Fan Out chỉ khả năng
chịu tải của một cổng logic
Ta có hai loại Fan-Out ứng với 2 trạng thái logic của ngã ra:
IL
OL
L
IH
OH
H
I
I
OutFan
I
I
OutFan
=−
=−
Thường hai giá trị Fan-Out này khác nhau, khi sử dụng, để an toàn, ta nên dùng trị nhỏ
nhất trong hai trị này.
Fan-Out được tính theo đơn vị Unit Load UL (tải đơn vị).
3.3.4 Thời trễ truyền (Propagation delays)
Tín hiệu logic khi truyền qua một cổng luôn luôn có một thời gian trễ.
Có hai loại thời trễ truyền: Thời trễ truyền từ thấp lên cao t
PLH
và thời trễ truyền từ
cao xuống thấp t
PHL
. Hai giá trị này thường khác nhau. Sự thay đổi trạng thái được xác định ở
tín hiệu ra. Thí dụ tín hiệu qua một cổng đảo, thời trễ truyền được xác định như ở (H 3.14)
Tùy theo họ IC, thời trễ truyền thay đổi tử vài ns đến vài trăm ns. Thời trễ truyền càng
lớn thì tốc độ làm việc của IC càng nhỏ.
(H 3.14)
3.3.5 Tích số công suất-vận tốc (speed- power product)
Để đánh giá chất lượng IC, người ta dùng đại lượng tích số công suất-vận tốc đó là
tích số công suất tiêu tán và thời trễ truyền. Thí dụ họ IC có thời trễ truyền là 10 ns và công
suất tiêu tán trung bình là 50 mW thì tích số công suất-vận tốc là:
10 ns x 5 mW =10.10
-9
x5.10
-3
= 50x10
-12
watt-sec = 50 picojoules (pj)
Trong quá trình phát triển của công nghệ chế tạo IC người ta luôn muốn đạt được các
IC có công suất tiêu tán và thời trễ truyền càng nhỏ càng tốt. Như vậy một IC có chất lượng
càng tốt khi tích số công suất-vận tốc càng nhỏ. Tuy nhiên trên thực tế hai giá trị này thay đổi
theo chiều ngược với nhau, nên ta khó mà đạt được các giá trị theo ý muốn, dù sao trong quá
trình phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử trị số này luôn được cải thiện .
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________
Chương 3
Cổng
logic III - 9
______________________________________________________________
______________________________________________
Nguyễn Trung Lập
3.3.6 Tính miễn nhiễu (noise immunity)
Các tín hiệu nhiễu như tia lửa điện, cảm ứng từ có thể làm thay đổi trạng thái logic
của tín hiệu do đó ảnh hưởng đến kết quả hoạt động của mạch.
Tính miễn nhiễu của một mạch logic tùy thuộc khả năng dung nạp hiệu thế nhiễu của
mạch và được xác định bởi lề nhiễu. Lề nhiễu có được do sự chênh lệch của các điện thế giới
hạn (còn được gọi là ngưỡng logic) của mức cao và thấp giữa ngã ra và ngã vào của các cổng
(H 3.15).
(H 3.15)
Tín hiệu khi vào mạch logic được xem là mức 1 khi có trị >V
IH
(min) và là mức 0 khi
<V
IL
(max). Điện thế trong khoảng giữa không ứng với một mức logic nào nên gọi là vùng
bất định. Do có sự khác biệt giữa V
OH
(min) với V
IH
(min) và V
OL
(max) với V
IL
(max) nên ta có
2 giá trị lề nhiễu:
Lề nhiễu mức cao: V
NH
= V
OH
(min) - V
IH
(min)
Lề nhiễu mức thấp: V
NL
= V
IL
(max) - V
OL
(max)
Khi tín hiệu ra ở mức cao đưa vào ngã vào, bất cứ tín hiệu nhiễu nào có giá trị âm và
biên độ >V
NH
đều làm cho điện thế ngã vào rơi vào vùng bất định và mạch không nhận ra
được tín hiệu thuộc mức logic nào. Tương tự cho trường hợp ngã ra ở mức thấp tín hiệu nhiễu
có trị dương biên độ >V
NL
sẽ đưa mạch vào trạng thái bất định.
3.3.7 Logic cấp dòng và logic nhận dòng
Một mạch logic thường gồm nhiều tầng kết nối với nhau. Tầng cấp tín hiệu gọi là tầng
thúc và tầng nhận tín hiệu gọi là tầng tải. Sự trao đổi dòng điện giữa hai tầng thúc và tải thể
hiện bởi logic cấp dòng và logic nhận dòng.
(H 3.16a) cho thấy hoạt động gọi là cấp dòng: Khi ngã ra mạch logic 1 ở mức cao, nó
cấp dòng I
IH
cho ngã vào của mạch logic 2, vai trò như một tải nối mass. Ngã ra cổng 1 như là
một nguồn dòng cấp cho ngã vào cổng 2
(H 3.16b) cho thấy hoạt động gọi là nhận dòng: Khi ngã ra mạch logic 1 ở mức thấp,
nó nhận dòng I
IL
từ ngã vào của mạch logic 2 xem như nối với nguồn V
CC
.
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________
Chương 3
Cổng
logic III - 10
______________________________________________________________
______________________________________________
Nguyễn Trung Lập
(a) (b)
(H 3.16)
Thường dòng nhận của tầng thúc khi ở mức thấp có trị khá lớn so với dòng cấp của nó
khi ở mức cao, nên người ta hay dùng trạng thái này khi cần gánh những tải tương đối nhỏ, ví
dụ khi chỉ cần thúc cho một led, người ta có thể dùng mạch (H 3.17a) mà không thể dùng
mạch (H 3.17b).
(a) (H 3.17) (b)
3.3.8 Tính Schmitt Trigger
Trong phần giới thiệu lề nhiễu, ta thấy còn một khoảng điện thế nằm giữa các ngưỡng
logic, đây chính là khoảng điện thế ứng với transistor làm việc trong vùng tác động. Khoảng
cách này xác định lề nhiễu và có tác dụng làm giảm độ rộng sườn xung (tức làm cho đường
dốc lên và dốc xuống của tín hiệu ra dốc hơn) khi qua mạch. Lề nhiễu càng lớn khi vùng
chuyển tiếp của ngã vào càng nhỏ, tín hiệu ra thay đổi trạng thái trong một khoảng thời gian
càng nhỏ nên sườn xung càng dốc. Tuy nhiên vẫn còn một khoảng sườn xung nằm trong vùng
chuyển tiếp nên tín hiệu ra không vuông hoàn toàn. (H 3.18a) và (H 3.18b) minh họa điều đó
(a) (b)
(H 3.18)
Để cải thiện hơn nữa dạng tín hiệu ngã ra, bảo đảm tính miễn nhiễu cao, người ta chế
tạo các cổng có tính trễ điện thế (H 3.19a), được gọi là cổng Schmitt Trigger
(H 3.19b) mô tả mối quan hệ giữa V
out
và V
in
của một cổng đảo Schmitt Trigger.
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________
Chương 3
Cổng
logic III - 11
______________________________________________________________
______________________________________________
Nguyễn Trung Lập
(a) (b)
(H 3.19)
(H 3.20a&b) là ký hiệu các cổng Schmitt Trigger.
(a) (b)
(H 3.20)
3.4 HỌ TTL
Trong quá trình phát triển của công nghệ chế tạo mạch số ta có các họ: RTL (Resistor-
transistor logic), DCTL (Direct couple-transistor logic), RCTL (Resistor-Capacitor-transistor
logic), DTL (Diod-transistor logic), ECL (Emitter- couple logic) v.v Đến bây giờ tồn tại hai
họ có nhiều tính năng kỹ thuật cao như thời trễ truyền nhỏ, tiêu hao công suất ít, đó là họ TTL
(transistor-transistor logic) dùng công nghệ chế tạo BJT và họ MOS (Công nghệ chế tạo
MOS)
Dưới đây, lần lượt khảo sát các cổng logic của hai họ TTL và MOS
3.4.1 Cổng cơ bản họ TTL
Lấy cổng NAND 3 ngã vào làm thí dụ để thấy cấu tạo và vận hành của một cổng cơ
bản
(H 3.21)
Khi một trong các ngã vào A, B, C xuống mức không T
1
dẫn đưa đến T
2
ngưng, T
3
ngưng, ngã ra Y lên cao; khi cả 3 ngã vào lên cao, T
1
ngưng, T
2
dẫn, T
3
dẫn, ngã ra Y xuống
thấp. Đó chính là kết quả của cổng NAND.
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________
Chương 3
Cổng
logic III - 12
______________________________________________________________
______________________________________________
Nguyễn Trung Lập
Tụ C
L
trong mạch chính là tụ ký sinh tạo bởi sự kết hợp giữa ngã ra của mạch (tầng
thúc) với ngã vào của tầng tải, khi mạch hoạt động tụ sẽ nạp điện qua R
4
(lúc T
3
ngưng) và
phóng qua T
3
khi transistor này dẫn do đó thời trễ truyền của mạch quyết định bởi R
4
và C
L
,
khi R
4
nhỏ mạch hoạt động nhanh nhưng công suất tiêu thụ lúc đó lớn, muốn giảm công suất
phải tăng R
4
nhưng như vậy thời trễ truyền sẽ lớn hơn (mạch giao hoán chậm hơn). Để giải
quyết khuyết điểm này đồng thời thỏa mãn một số yêu cầu khác , người ta đã chế tạo các cổng
logic với các kiểu ngã ra khác nhau.
3.4.2 Các kiểu ngã ra
@ Ngã ra totempole
(H 3.22)
R
4
trong mạch cơ bản được thay thế bởi cụm T
4
, R
C
và Diod D, trong đó R
C
có trị rất
nhỏ, không đáng kể. T
2
bây giờ giữ vai trò mạch đảo pha: khi T
2
dẫn thì T
3
dẫn và T
4
ngưng,
Y xuống thấp, khi T
2
ngưng thì T
3
ngưng và T
4
dẫn, ngã ra Y lên cao. Tụ C
L
nạp điện qua T
4
khi T
4
dẫn và phóng qua T
3
(dẫn), thời hằng mạch rất nhỏ và kết quả là thời trễ truyền nhỏ.
Ngoài ra do T
3
& T
4
luân phiên ngưng tương ứng với 2 trạng thái của ngã ra nên công suất
tiêu thụ giảm đáng kể. Diod D có tác dụng nâng điện thế cực B của T
4
lên để bảo đảm khi T
3
dẫn thì T
4
ngưng.
Mạch này có khuyết điểm là không thể nối chung nhiều ngã ra của các cổng khác nhau
vì có thể gây hư hỏng khi các trạng thái logic của các cổng này khác nhau.
@ Ngã ra cực thu để hở
(H 3.23)
Ngã ra cực thu để hở có một số lợi điểm sau:
- Cho phép kết nối các ngã ra của nhiều cổng khác nhau, nhưng khi sử dụng phải mắc
một điện trở từ ngã ra lên nguồn Vcc, gọi là điện trở kéo lên, trị số của điện trở này có thể
được chọn lớn hay nhỏ tùy theo yêu cầu có lợi về mặt công suất hay tốc độ làm việc.
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________
Chương 3
Cổng
logic III - 13
______________________________________________________________
______________________________________________
Nguyễn Trung Lập
Điểm nối chung của các ngã ra có tác dụng như một cổng AND nên ta gọi là điểm
AND (H 3.24)
- Người ta cũng chế tạo các IC ngã ra có cực thu để hở cho phép điện trở kéo lên mắc
vào nguồn điện thế cao, dùng cho các tải đặc biệt hoặc dùng tạo sự giao tiếp giữa họ TTL với
CMOS dùng nguồn cao.
Thí dụ IC 7406 là loại cổng đảo có ngã ra cực thu để hở có thể mắc lên nguồn 24 V (H
3.25)
(H 3.24) (H 3.25)
@ Ngã ra ba trạng thái
(H 3.26) (H 3.27)
Mạch (H 3.26) là một cổng đảo có ngã ra 3 trạng thái, trong đó T
4
& T
5
được mắc
Darlington để cấp dòng ra lớn cho tải. Diod D nối vào ngã vào C để điều khiển. Hoạt động
của mạch giải thích như sau:
- Khi C=1, Diod D ngưng dẫn, mạch hoạt động như một cổng đảo
- Khi C=0, Diod D dẫn, cực thu T
2
bị ghim áp ở mức thấp nên T
3
, T
4
& T
5
đều ngưng,
ngã ra mạch ở trạng thái tổng trở cao.
Ký hiệu của cổng đảo ngã ra 3 trạng thái, có ngã điều khiển C tác động mức cao và
bảng sự thật cho ở (H 3.27)
Cũng có các cổng đảo và cổng đệm 3 trạng thái với ngã điều khiển C tác động mức
thấp mà SV có thể tự vẽ ký hiệu và bảng sự thật.
(H 3.28) là một ứng dụng của cổng đệm có ngã ra 3 trạng thái: Mạch chọn dữ liệu
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________
Chương 3
Cổng
logic III - 14
______________________________________________________________
______________________________________________
Nguyễn Trung Lập
(H 3.28)
Vận chuyển: Ứng với một giá trị địa chỉ AB , một ngã ra mạch giải mã địa chỉ được
tác động (lên cao) cho phép một cổng mở và dữ liệu ở ngã vào cổng đó được truyền ra ngã ra.
Thí dụ khi AB = 00, Y
0
= 1 (Y
1
=Y
2
=Y
3
=0) G
1
mở, D
0
truyền qua G
1
đến ngã ra, trong lúc G
2
,
G
3
, G
4
đóng, có ngã ra ở trạng thái Z cao, không ảnh hưởng đến hoạt động của mạch.
3.4.3 Đặc tính các loạt TTL
Các IC số họ TTL được sản xuất lần đầu tiên vào năm 1964 bởi hãng Texas
Instrument Corporation của Mỹ, lấy số hiệu là 74XXXX & 54XXXX. Sự khác biệt giữa 2 họ
74XXXX và 54 XXXX chỉ ở hai điểm:
74: V
CC
=5
±
0,5 V và khoảng nhiệt độ hoạt động từ 0
o
C đến 70
o
C
54: V
CC
=5
±
0,25 V và khoảng nhiệt độ hoạt động từ -55
o
C đến 125
o
C
Các tính chất khác hoàn toàn giống nhau nếu chúng có cùng số.
Trước số 74 thường có thêm ký hiệu để chỉ hãng sản xuất. Thí dụ SN của hãng Texas,
DM của National Semiconductor, S của Signetics
Ngoài ra trong quá trình phát triển, các thông số kỹ thuật (nhất là tích số công suất
vận tốc) luôn được cải tiến và ta có các loạt khác nhau: 74 chuẩn, 74L (Low power), 74 H
(High speed), 74S (Schottky), 74LS (Low power Schottky), 74AS (Advance Schottky),
74ALS (Advance Low power Schottky), 74F (Fast, Fair Child).
Bảng 3.1 cho thấy một số tính chất của các loạt kể trên:
Thông số kỹ thuật 74 74L 74H 74S 74L
S
74AS 74ALS 74F
Thời trễ truyền (ns)
Công suất tiêu tán (mW)
Tích số công suất vận tốc (pJ)
Tần số xung C
K
max (MHz)
Fan Out (cùng loạt)
Điện thế
V
OH
(min)
V
OL
(max)
V
IH
(min)
V
IL
(max)
9
10
90
35
10
2,4
0,4
2,0
0,8
33
1
33
3
20
2,4
0,4
2,0
0,7
6
23
138
50
10
2,4
0,4
2,0
0,8
3
20
60
125
20
2,7
0,5
2,0
0,8
9,5
2
19
45
20
2,7
0,5
2,0
0,8
1,7
8
13,6
200
40
2,5
0,5
2,0
0,8
4
1,2
4,8
70
20
2,5
0,4
2,0
0,8
3
6
18
100
33
2,5
0,5
2,0
0,8
Bảng 3.1
- Loạt 74S: Các transistor trong mạch được mắc thêm một Diod Schottky giữa hai cực
CB với mục đích giảm thời gian chuyển trạng thái của transistor do đó làm giảm thời trễ
truyền.
- Loạt 74AS và 74ALS là cải tiến của 74S để làm giảm hơn nữa giá trị tích số Công
suất - Vận tốc.
- Loạt 74F: Dùng kỹ thuật đặc biệt làm giảm diện dung ký sinh do đó cải thiện thời trễ
truyền của cổng.
3.5 HO MOS
Gồm các IC số dùng công nghệ chế tạo của transistor MOSFET loại tăng, kênh N và
kênh P . Với transistor kênh N ta có NMOS, transistor kênh P ta có PMOS và nếu dùng cả hai
loại transistor kênh P & N ta có CMOS. Tính năng kỹ thuật của loại NMOS và PMOS có thể
KỸ THUẬT SỐ
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét