Giáo trình Kỹ thuật số - Chương 3: Cổng logic - Nguyễn Trung Lập
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 1
ꢀ CHƯƠNG 3 CỔNG LOGIC
CÁC KHÁI NIỆM LIÊN QUAN
CỔNG LOGIC CƠ BẢN
THÔNG SỐ KỸ THUẬT
Họ TTL
Cổng cơ bản
Các kiểu ngã ra
Họ MOS
NMOS
CMOS
GIAO TIẾP GIỮA CÁC HỌ IC SỐ
TTL thúc CMOS
CMOS thúc TTL
Cổng logic là tên gọi chung của các mạch điện tử có chức năng thực hiện các hàm
logic. Cổng logic có thể được chế tạo bằng các công nghệ khác nhau (Lưỡng cực, MOS), có
thể được tổ hợp bằng các linh kiện rời nhưng thường được chế tạo bởi công nghệ tích hợp IC
(Integrated circuit).
Chương này giới thiệu các loại cổng cơ bản, các họ IC số, các tính năng kỹ thuật và sự
giao tiếp giữa chúng.
3.1 CÁC KHÁI NIỆM LIÊN QUAN
3.1.1 Tín hiệu tương tự và tín hiệu số
Tín hiệu tương tự là tín hiệu có biên độ biến thiên liên tục theo thời gian. Nó thường
do các hiện tượng tự nhiên sinh ra. Thí dụ, tín hiệu đặc trưng cho tiếng nói là tổng hợp của
các tín hiệu hình sin trong dải tần số thấp với các họa tần khác nhau.
Tín hiệu số là tín hiệu có dạng xung, gián đoạn về thời gian và biên độ chỉ có 2 mức
rõ rệt: mức cao và mức thấp. Tín hiệu số chỉ được phát sinh bởi những mạch điện thích hợp.
Để có tín hiệu số người ta phải số hóa tín hiệu tương tự bằng các mạch biến đổi tương tự sang
số (ADC)
3.1.2 Mạch tương tự và mạch số
Mạch điện tử xử lý các tín hiệu tương tự được gọi là mạch tương tự và mạch xử lý tín
hiệu số được gọi là mạch số.
Một cách tổng quát, mạch số có nhiều ưu điểm so với mạch tương tự:
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 2
- Dễ thiết kế và phân tích. Vận hành của các cổng logic dựa trên tính chất dẫn điện
(bảo hòa) hoặc ngưng dẫn của transistor. Việc phân tích và thiết kế dựa trên chức năng và đặc
tính kỹ thuật của các IC và các khối mạch chứ không dựa trên từng linh kiện rời
- Có thể hoạt động theo chương trình lập sẵn nên rất thuận tiện trong điều khiển tự
động, tính toán, lưu trữ dữ liệu và liên kết với máy tính.
- Ít bị ảnh hưởng của nhiễu tức có khả năng dung nạp tín hiệu nhiễu với biên độ lớn
hơn rất nhiều so với mạch tương tự.
- Dễ chế tạo thành mạch tích hợp và có khả năng tích hợp với mật độ cao.
Dựa vào số cổng trong một chip, người ta phân loại IC số như sau:
- Số cổng < 10: SSI (Small Scale Integrated), mức độ tích hợp nhỏ.
- 10 < Số cổng < 100: MSI (Medium Scale Integrated), mức độ tích hợp trung bình.
- 100 < Số cổng < 1000: LSI (Large Scale Integrated), mức độ tích hợp lớn.
- 1000 < Số cổng < 10000: VLSI (Very Large Scale Integrated), mức độ tích hợp rất
lớn
- Số cổng > 10000: ULSI (Ultra Large Scale Integrated), mức độ tích hợp siêu lớn.
3.1.3 Biểu diễn các trạng thái Logic 1 và 0
Trong hệ thống mạch logic, các trạng thái logic được biểu diễn bởi các mức điện thế.
Với qui ước logic dương, điện thế cao biểu diễn logic 1, điện thế thấp biểu diễn logic 0.
Ngược lại ta có qui ước logic âm. Trong thực tế, mức 1 và 0 tương ứng với một khoảng điện
thế xác định và có một khoảng chuyển tiếp giữa mức cao và thấp, ta gọi là khoảng không xác
định. Khi điện áp của tín hiệu rơi vào khoảng này, mạch sẽ không nhận ra là mức 0 hay 1.
Khoảng này tùy thuộc vào họ IC sử dụng và được cho trong bảng thông số kỹ thuật của linh
kiện. (H 3.1) là giản đồ điện thế của các mức logic của một số cổng logic thuộc họ TTL.
(H 3.1)
3.2 CỔNG LOGIC CƠ BẢN
3.2.1 Cổng NOT
- Còn gọi là cổng đảo (Inverter), dùng để thực hiện hàm đảo Y= A
- Ký hiệu (H 3.2), mũi tên chỉ chiều di chuyển của tín hiệu và vòng tròn là ký hiệu
đảo. Trong những trường hợp không thể nhầm lẫn về chiều này, người ta có thể bỏ mũi tên.
(H 3.2)
Bảng sự thật
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 3
3.2.2 Cổng AND
- Dùng thực hiện hàm AND 2 hay nhiều biến.
- Cổng AND có số ngã vào tùy thuộc số biến và một ngã ra. Ngã ra của cổng là hàm
AND của các biến ngã vào.
- Ký hiệu cổng AND 2 ngã vào cho 2 biến (H 3.3a)
(a)
(H 3.3)
(b)
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
Y=A.B
A
x
x
B
0
1
Y=A.B
0
0
0
1
Hoặc
0
A
- Nhận xét:
- Ngã ra cổng AND chỉ ở mức cao khi tất cả ngã vào lên cao.
- Khi có một ngã vào = 0, ngã ra = 0 bất chấp các ngã vào còn lại.
- Khi có một ngã vào =1, ngã ra = AND của các ngã vào còn lại.
Vậy với cổng AND 2 ngã vào ta có thể dùng 1 ngã vào làm ngã kiểm soát (H 3.3b),
khi ngã kiểm soát = 1, cổng mở cho phép tín hiệu logic ở ngã vào còn lại qua cổng và khi ngã
kiểm soát = 0, cổng đóng , ngã ra luôn bằng 0, bất chấp ngã vào còn lại.
Với cổng AND có nhiều ngã vào hơn, khi có một ngã vào được đưa lên mức cao thì
ngã ra bằng AND của các biến ở các ngã vào còn lại.
Hình (H 3.4) là giản đồ thời gian của cổng AND hai ngã vào. Trên giản đồ, ngã ra Y
chỉ lên mức 1 khi cả A và B đều ở mức 1.
(H 3.4)
3.2.3 Cổng OR
- Dùng để thực hiện hàm OR 2 hay nhiều biến.
- Cổng OR có số ngã vào tùy thuộc số biến và một ngã ra.
- Ký hiệu cổng OR 2 ngã vào
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 4
(H 3.5)
- Bảng sự thật
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
Y=A+B
A
x
x
B
1
0
Y=A+B
0
1
1
1
Hoặc
1
A
- Nhận xét: - Ngã ra cổng OR chỉ ở mức thấp khi cả 2 ngã vào xuống thấp.
- Khi có một ngã vào =1, ngã ra = 1 bất chấp ngã vào còn lại.
- Khi có một ngã vào =0, ngã ra = OR các ngã vào còn lại.
Vậy với cổng OR 2 ngã vào ta có thể dùng 1 ngã vào làm ngã kiểm soát, khi ngã kiểm
soát = 0, cổng mở, cho phép tín hiệu logic ở ngã vào còn lại qua cổng và khi ngã kiểm soát =
1, cổng đóng, ngã ra luôn bằng 1.
Với cổng OR nhiều ngã vào hơn, khi có một ngã vào được đưa xuống mức thấp thì
ngã ra bằng OR của các biến ở các ngã vào còn lại.
3.2.4 Cổng BUFFER
Còn gọi là cổng đệm. Tín hiệu số qua cổng BUFFER không đổi trạng thái logic. Cổng
BUFFER được dùng với các mục đích sau:
- Sửa dạng tín hiệu.
- Đưa điện thế của tín hiệu về đúng chuẩn của các mức logic.
- Nâng khả năng cấp dòng cho mạch.
- Ký hiệu của cổng BUFFER.
(H 3.6)
Tuy cổng đệm không làm thay đổi trạng thái logic của tín hiệu vào cổng nhưng nó giữ
vai trò rất quan trọng trong các mạch số.
3.2.5 Cổng NAND
- Là kết hợp của cổng AND và cổng NOT, thực hiện hàm Y = A.B
(Ở đây chỉ xét cổng NAND 2 ngã vào, độc giả tự suy ra trường hợp nhiều ngã vào).
- Ký hiệu của cổng NAND (Gồm AND và NOT, cổng NOT thu gọn lại một vòng tròn)
- Tương tự như cổng AND, ở cổng NAND ta có thể dùng 1 ngã vào làm ngã kiểm
soát. Khi ngã kiểm soát = 1, cổng mở cho phép tín hiệu logic ở ngã vào còn lại qua cổng và bị
đảo, khi ngã kiểm soát = 0, cổng đóng, ngã ra luôn bằng 1.
- Khi nối tất cả ngã vào của cổng NAND lại với nhau, nó hoạt động như một cổng đảo
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 5
(H 3.7)
3.2.6 Cổng NOR
- Là kết hợp của cổng OR và cổng NOT, thực hiện hàm Y = A + B
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. Y = A ⊕ B = AB+ AB
- 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
Y = A ⊕ B = AB+ A.B
- Ký hiệu (H 3.10)
- Các tính chất của cổng EX-NOR giống cổng EX-OR nhưng có ngã ra đảo lại.
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 6
(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
Y = A.B.C + D.E , 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:
Y = AB + AB = AB.AB
Và mạch tương đương cho ở (H 3.13)
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 7
(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
- VCC: Điện thế nguồn (power supply): khoảng điện thế cho phép cấp cho IC để hoạt
động tốt. Thí dụ với IC số họ TTL, VCC=5±0,5 V , họ CMOS VDD=3-15V (Người ta thường
dùng ký hiệu VDD và VSS để chỉ nguồn và mass của IC họ MOS)
- VIH(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
- VIL(max): Điện thế ngã vào mức thấp (Low level input voltage): Điện thế ngã vào
lớn nhất còn được xem là mức 0.
- VOH(min): Điện thế ngã ra mức cao (High level output voltage): Điện thế nhỏ nhất
của ngã ra khi ở mức cao.
- VOL(max): Điện thế ngã ra mức thấp (Low level output voltage): Điện thế lớn nhất
của ngã ra khi ở mức thấp.
- IIH: 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.
- IIL: Dòng điện ngã vào mức thấp (Low level input current) : Dòng điện ra khỏi ngã
vào IC khi ngã vào này ở mức thấp
- IOH: 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.
- IOL: Dòng điện ngã ra mức thấp (Low level output current): Dòng điện lớn nhất ngã
ra có thể nhận khi ở mức thấp.
- ICCH,ICCL: 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 VCC (hay VDD).
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
P (avg)= ICC(avg).VCC
D
Trong đó
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 8
ICCH + ICCL
ICC(avg)=
2
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:
IOH
Fan− OutH =
IIH
IOL
IIL
Fan− OutL =
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 tPLH và thời trễ truyền từ
cao xuống thấp tPHL. 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 =10.10-9x5.10-3 = 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 .
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 9
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 >VIH(min) và là mức 0 khi
<V (max). Điện thế trong khoảng giữa không ứng với một mức logic nào nên gọi là vùng
IL
bất định. Do có sự khác biệt giữa VOH(min) với VIH(min) và VOL(max) với VIL(max) nên ta có
2 giá trị lề nhiễu:
Lề nhiễu mức cao: VNH = VOH(min) - VIH(min)
Lề nhiễu mức thấp: VNL = VIL(max) - VOL(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 >VNH 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 >VNL 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 IIH 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 IIL từ ngã vào của mạch logic 2 xem như nối với nguồn VCC.
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 10
(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 Vout và Vin của một cổng đảo Schmitt Trigger.
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 11
(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 T1 dẫn đưa đến T2 ngưng, T3
ngưng, ngã ra Y lên cao; khi cả 3 ngã vào lên cao, T1 ngưng, T2 dẫn, T3 dẫn, ngã ra Y xuống
thấp. Đó chính là kết quả của cổng NAND.
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 12
Tụ CL 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 R4 (lúc T3 ngưng) và
phóng qua T3 khi transistor này dẫn do đó thời trễ truyền của mạch quyết định bởi R4 và CL,
khi R4 nhỏ mạch hoạt động nhanh nhưng công suất tiêu thụ lúc đó lớn, muốn giảm công suất
phải tăng R4 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)
R4 trong mạch cơ bản được thay thế bởi cụm T4, RC và Diod D, trong đó RC có trị rất
nhỏ, không đáng kể. T2 bây giờ giữ vai trò mạch đảo pha: khi T2 dẫn thì T3 dẫn và T4 ngưng,
Y xuống thấp, khi T2 ngưng thì T3 ngưng và T4 dẫn, ngã ra Y lên cao. Tụ CL nạp điện qua T4
khi T4 dẫn và phóng qua T3 (dẫn), thời hằng mạch rất nhỏ và kết quả là thời trễ truyền nhỏ.
Ngoài ra do T3 & T4 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 T4 lên để bảo đảm khi T3
dẫn thì T4 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.
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 13
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 T4 & T5 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 T2 bị ghim áp ở mức thấp nên T3, T4 & T5 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
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 14
(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, Y0 = 1 (Y1=Y2=Y3=0) G1 mở, D0 truyền qua G1 đến ngã ra, trong lúc G2,
G3, G4 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: VCC=5 ± 0,5 V và khoảng nhiệt độ hoạt động từ 0o C đến 70o C
54: VCC=5 ± 0,25 V và khoảng nhiệt độ hoạt động từ -55o C đến 125o 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 74AS
S
74ALS
74F
Thời trễ truyền (ns)
Công suất tiêu tán (mW)
Tích số công suất vận tốc (pJ) 90
Tần số xung CK max (MHz)
Fan Out (cùng loạt)
Điện thế
9
10
33
1
33
3
6
23
138
50
10
3
20
60
125
20
9,5
2
19
45
20
1,7
8
13,6
200
40
4
3
6
18
100
33
1,2
4,8
70
20
35
10
20
VOH(min)
VOL (max)
VIH (min)
VIL (max)
2,4 2,4
0,4 0,4
2,0 2,0
0,8 0,7
2,4
0,4
2,0
0,8
2,7
0,5
2,0
0,8
2,7
0,5
2,0
0,8
2,5
0,5
2,0
0,8
2,5
0,4
2,0
0,8
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
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 15
nói là giống nhau, trừ nguồn cấp điện có chiều ngược với nhau do đó ta chỉ xét loại NMOS và
CMOS.
Các transistor MOS dùng trong IC số cũng chỉ hoạt động ở một trong 2 trạng thái: dẫn
hoặc ngưng.
- Khi dẫn, tùy theo nồng độ pha của chất bán dẫn mà transistor có nội trở rất nhỏ (từ
vài chục Ω đến hàng trăm KΩ) tương đương với một khóa đóng.
- Khi ngưng, transistor có nội trở rất lớn (hàng 1010Ω), tương đương với một khóa hở.
3.5.1 Cổng cơ bản NMOS
(a)
(b)
(c)
(H 3.29)
(H 3.29a), (H 3.29b) và (H3.29c) là các cổng NOT, NAND và NOR dùng NMOS
Bảng 3.2 cho thấy quan hệ giữa các điện thế của các ngã vào , ra cổng NOT
Vin
T1
T2
Vout
RON = 100KΩ ROFF=1010Ω
RON = 100KΩ RON = 1KΩ
Bảng 3.2
0V (logic 0)
+5V (logic1)
+5V (logic 1)
0,05V (logic 0)
Ngoài ra vận hành của cổng NAND và NOR được giải thích như sau:
Cổng NAND:
- Khi 2 ngã vào nối lên mức cao, T2 và T3 dẫn, ngã ra xuống thấp.
- Khi có 1 ngã vào nối xuống mức thấp, một trong 2 transistor T2 hoặc T3
ngưng, ngã ra lên cao.
Đó chính là kết quả của cổng NAND 2 ngã vào.
Cổng NOR:
- Khi 2 ngã vào nối xuống mức thấp, T2 và T3 ngưng, ngã ra lên cao.
- Khi có 1 ngã vào nối lên mức cao, một trong 2 transistor T2 hoặc T3 dẫn, ngã
ra xuống thấp.
Đó chính là kết quả của cổng NOR 2 ngã vào.
3.5.2 Cổng cơ bản CMOS
Họ CMOS sử dụng hai loại transistor kênh N và P với mục đích cải thiện tích số công
suất vận tốc, mặc dù khả năng tích hợp thấp hơn loại N và P. (H 3.30a), (H 3.30b) và (H
3.30c) là các cổng NOT, NAND và NOR họ CMOS
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 16
(a)
(b)
(c)
(H 3.30)
Bảng 3.3 cho thấy quan hệ điện thế của các ngã vào , ra cổng NOT
Vin
T1
T2
Vout
ROFF=1010Ω
RON = 1KΩ
RON = 1KΩ
ROFF=1010Ω
VDD (logic1)
0V (logic0)
0V (logic 0)
VDD (logic 1)
Bảng 3.3
Ngoài ra vận hành của cổng NAND và NOR được giải thích như sau:
Cổng NAND:
- Khi 2 ngã vào nối lên mức cao, T1 và T2 ngưng, T3 và T4 dẫn, ngã ra xuống
thấp.
- Khi có 1 ngã vào nối xuống mức thấp, một trong 2 transistor T3 hoặc T4
ngưng, một trong 2 transistor T1 hoặc T2 dẫn, ngã ra lên cao.
Đó chính là kết quả của cổng NAND 2 ngã vào.
Cổng NOR:
- Khi 2 ngã vào nối xuống mức thấp, T1và T2 dẫn, T3 và T4 ngưng, ngã ra lên
cao.
- Khi có 1 ngã vào nối lên mức cao, một trong 2 transistor T3 hoặc T4 dẫn, một
trong 2 transistor T1 hoặc T2 ngưng, ngã ra xuống thấp.
Đó chính là kết quả của cổng NOR 2 ngã vào.
3.5.3 Các cổng CMOS khác
Người ta cũng sản xuất các cổng CMOS với cực Drain để hở và ngã ra 3 trạng thái để
sử dụng trong các trường hợp đặc biệt như họ TTL
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 17
(a)
(H 3.31)
(b)
(H 3.31a) là một cổng NOT có cực D để hở, khi sử dụng phải có điện trở kéo lên
(H 3.31b) là một cổng NOT có ngã ra 3 trạng thái:
- Khi ngã vào Enable =1, T1 và T4 dẫn, mạch hoạt động như là cổng đảo,
- Khi ngã vào Enable =0, T1 và T4 đều ngưng đưa mạch vào trạng thái Z cao.
Ngoài ra lợi dụng tính chất của transistor MOS có nội trở rất nhỏ khi dẫn, người ta
cũng chế tạo các mạch có khả năng truyền tín hiệu theo 2 chiều, gọi là khóa 2 chiều. (H 3.32)
là một khóa 2 chiều với A là ngã vào điều khiển. Khi A = 0 khóa hở, khi A = 1, khóa đóng
cho tín hiệu truyền qua theo 2 chiều
A
0
1
X to Y
OFF
ON
Y to X
OFF
ON
(H 3.32)
Vận hành: T3 và T4 vai trò là một cổng đảo
- Khi A = 0, cực G của T2 ở mức thấp nên T2 (kênh N) ngưng, cực G của T1 (kênh P)
ở mức cao nên T1 ngưng, mạch tương đương với khóa hở.
- Khi A =1, cực G của T2 ở mức cao nên T2 dẫn, cực G của T1 ở mức thấp nên T1 dẫn,
mạch tương đương với khóa đóng. Tín hiệu truyền qua một chiều nhờ T1 (loại P) và theo
chiều ngược lại nhờ T2 (loại N)
Biên độ của tín hiệu Vi truyền qua khóa phải thỏa điều kiện 0 <Vi < VDD
.
Như vậy nếu ta sử dụng nguồn ± VDD thì khóa cho tín hiệu xoay chiều đi qua.
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 18
3.5.3 Đặc tính của họ MOS
Một số tính chất chung của các cổng logic họ MOS (NMOS, PMOS và CMOS) có thể
kể ra như sau:
- Nguồn cấp điện :VDD từ 3V đến 15V
- Mức logic:
VOL (max) = 0V
VIL (max) = 30% VDD
VNH = 30%VDD
VOH (min) = VDD
VIH (min) = 70%VDD
VNL = 30%VDD
- Lề nhiễu :
Với nguồn 5V, lề nhiễu khỏang 1,5V, rất lớn so với họ TTL.
- Thời trễ truyền tương đối lớn, khỏang vài chục ns, do điện dung ký sinh ở ngã vào và
tổng trở ra của transistor khá lớn.
- Công suất tiêu tán tương đối nhỏ, hàng nW, do dòng qua transistor MOS rất nhỏ.
- Số Fan Out:
50 UL
Do tổng trở vào của transistor MOS rất lớn nên dòng tải cho các cổng họ MOS rất
nhỏ, do đó số Fan Out của họ MOS rất lớn, tuy nhiên khi mắc nhiều tầng tải vào một tầng
thúc thì điện dung ký sinh tăng lên (gồm nhiều tụ mắc song song) ảnh hưởng đến thời gian
giao hoán của mạch nên khi dùng ở tần số cao người ta giới hạn số Fan Out là 50, nghĩa là
một cổng MOS có thể cấp dòng cho 50 cổng tải cùng loạt.
- Như đã nói ở trên, CMOS có cải thiện thời trễ truyền so với loại NMOS và PMOS,
tuy nhiên mật độ tích hợp của CMOS thì nhỏ hơn hai loại này. Dù sao so với họ TTL thì mật
độ tích hợp của họ MOS nói chung lớn hơn rất nhiều, do đó họ MOS rất thích hợp để chế tạo
dưới dạng LSI và VLSI.
3.5.4 Các loạt CMOS
CMOS có hai ký hiệu: 4XXX do hảng RCA chế tạo và 14XXX của hảng
MOTOROLA, có hai loạt 4XXXA (14XXXA) và 4XXXB (14XXXB), loạt B ra đời sau có
cải thiện dòng ra.
Ngoài ra còn có các loạt :
- 74C : CMOS có cùng sơ đồ chân và chức năng với IC TTL nếu có cùng số. Thí dụ
IC 74C74 là IC gồm 2 FF D tác động bởi cạnh xung đồng hồ giống như IC 7474 của TTL.
Hầu hết (nhưng không tất cả) các thông số của loạt 74C giống với 74 TTL nên ta có thể thay
thế 2 loại này cho nhau được.
- 74HC (High speed CMOS), 74HCT: Đây là loạt cải tiến của 74C, tốc độ giao hoán
có thể so sánh với 74LS, riêng 74HCT thì hoàn toàn tương thích với TTL kể cả các mức
logic. Đây là loạt IC CMOS được dùng rộng rãi.
- 74AC và 74ACT (Advance CMOS) cải tiến của 74 HC và HCT về mặt nhiễu bằng
cách sắp xếp lại thứ tự các chân, do đó nó không tương thích với TTL về sơ đồ chân.
3.6 GIAO TIẾP GIỮA CÁC HỌ IC SỐ
Giao tiếp là thực hiện việc kết nối ngã ra của một mạch hay hệ thống với ngã vào của
mạch hay hệ thống khác. Do tính chất về điện khác nhau giữa hai họ TTL và CMOS nên
việc giao tiếp giữa chúng trong nhiều trường hợp không thể nối trực tiếp được mà phải nhờ
một mạch trung gian nối giữa tầng thúc và tầng tải sao cho điện thế tín hiệu ra ở tầng thúc phù
hợp với tín hiệu vào của tầng tải và dòng điện tầng thúc phải đủ cấp cho tầng tải.
CMOS (VDD=
TTL
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 19
5V)
Thông số
VIH(min)
VIL(max)
VOH(min)
VOL(max)
IIH(max)
IIL(max)
4000B
3,5V
1,5V
4,95V
0,05V
1μA
1μA
74HC 74HCT
74
2,0V
0,8V
2,4V
0,4V
74LS
2,0V
0,8V
2,7V
0,5V
74AS 74ALS
3,5V
1,0V
4,9V
0,1V
2,0V
0,8V
4,9V
0,1V
2,0V
0,8V
2,7V
0,5V
2,0V
0,8V
2,7V
0,4V
1μA
1μA
1μA
1μA
40μA
1,6 mA 0,4 mA
20μA 200μA
20μA
100μA
2 mA
IOH(max)
IOL(max)
0,4 mA
0,4 mA
4 mA
4 mA
4 mA
4 mA
0,4 mA 0,4 mA
16 mA
Bảng 3.4
2 mA 0,4 mA
8 mA 20 mA 8 mA
Có thể nói điều kiện để thúc trực tiếp
- Khi dòng điện ra của tầng thúc lớn hơn hoặc bằng dòng điện vào của tầng tải ở cả hai
trạng thái thấp và cao.
- Khi hiệu thế ngã ra của tầng thúc ở hai trạng thái thấp và cao phù hợp với điện thế
vào của tầng tải.
Như vậy, trước khi xét các trường hợp cụ thể ta xem qua bảng kê các thông số của hai
họ IC
3.6.1 TTL thúc CMOS
- TTL thúc CMOS dùng điện thế thấp (VDD = 5V):
Từ bảng 3.4 dòng điện vào của CMOS có trị rất nhỏ so với dòng ra của các loạt TTL,
vậy về dòng điện không có vấn đề
Tuy nhiên khi so sánh hiệu thế ra của TTL với hiệu thế vào của CMOS ta thấy
VOH(max) của tất cả các loạt TTL đều khá thấp so với VIH(min) của TTL, như vậy phải có
biện pháp nâng hiệu thế ra của TTL lên. Điều này thực hiện được bằng một điện trở kéo lên
mắc ở ngã ra của IC TTL (H 3.33)
- TTL thúc 74 HCT:
Như đã nói trước đây, riêng loạt 74HCT là loạt CMOS được thiết kế tương thích với
TTL nên có thể thực hiện kết nối mà không cần điện trở kéo lên.
- TTL thúc CMOS dùng nguồn cao (VDD = +10V)
Ngay cả khi dùng điện trở kéo lên, điện thế ngã ra mức cao của TTL vẫn không đủ cấp
cho ngã vào CMOS, người ta phải dùng một cổng đệm có ngã ra để hở có thể dùng nguồn cao
(Thí dụ IC 7407) để thực hiện sự giao tiếp (H 3.34)
(H 3.33)
(H 3.34)
3.6.2 CMOS thúc TTL
- CMOS thúc TTL ở trạng thái cao:
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
______________________________________________________Chương 3 Cổng
logic III - 20
Bảng 3.4 cho thấy điện thế ra và dòng điện ra mức cao của CMOS đủ để cấp cho TTL
. Vậy không có vấn đề ở trạng thái cao
- CMOS thúc TTL ở trạng thái thấp:
Dòng điện vào ở trạng thái thấp của TTL thay đổi trong khoảng từ 100 μA đến 2 mA.
Hai loạt 74HC và 74HCT có thể nhận dòng 4 mA . Vậy hai loạt này có thể giao tiếp với một
IC TTL mà không có vấn đề. Tuy nhiên, với loạt 4000B, IOL rất nhỏ không đủ để giao tiếp với
ngay cả một IC TTL, người ta phải dùng một cổng đệm để nâng dòng tải của loạt 4000B trước
khi thúc vài IC 74LS (H 3.35)
- CMOS dùng nguồn cao thúc TTL:
Có một số IC loạt 74LS được chế tạo đặc biệt có thể nhận điện thế ngã vào cao
khoảng 15V có thể được thúc trực tiếp bởi CMOS dùng nguồn cao, tuy nhiên đa số IC TTL
không có tính chất này, vậy để có thể giao tiếp với CMOS dùng nguồn cao, người ta phải
dùng cổng đệm để hạ điện thế ra xuống cho phù hợp với IC TTL (H 3.36)
(H 3.35)
(H 3.36)
Vài thí dụ dùng cổng thiết kế mạch
1. Dùng cổng NAND 2 ngã vào thiết kế mạch tạo hàm Y = f(A,B,C) =1 khi thỏa các điều kiện
sau:
a. A=0, B=1 và C=1
b. A=1, B=1 bất chấp C
Giải
Dự vào điều kiện của bài toán ta có bảng sự thật của hàm Y
A
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
C
0
1
0
1
0
1
0
1
Y
0
0
0
1
0
0
1
1
Rút gọn hàm:
______________________________________________________________
______________________________________________ Nguyễn Trung Lập
KỸ THUẬT SỐ
Tải về để xem bản đầy đủ
23 trang
22380
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật số - Chương 3: Cổng logic - Nguyễn Trung Lập", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_ky_thuat_so_chuong_3_cong_logic_nguyen_trung_lap.pdf
