Bài giảng kỹ thuật số ứng dụng - Chương 2 ppt

Chng 2. Các phn t logic c bn - Cng logic Trang 23 Chng 2 CÁC PHN T LOGIC C BN 2.1. KHÁI NIM V MCH S 2.1.1. Mch tng t ch tng t (còn gi là mch Analog) là mch dùng  x lý các tín hiu tng t. Tín hiu ng t là tín hiu có biên  bin thiên liên tc theo thi gian. Vic x lý bao gm các vn : Chnh lu, khuch i, u ch, tách sóng… Nhc m ca mch tng t: - Kh nng chng nhiu thp (nhiu d xâm nhp). - Vic phân tích thit k mch phc tp.  khc phc nhng nhc m này ngi ta s dng mch s. 2.1.2. Mch s ch s (còn gi là mch Digital) là mch dùng  x lý tín hiu s. Tín hiu s là tín hiu có biên  bin thiên không liên tc theo thi gian hay còn gi là tín hiu gián n, c biu din i dng sóng xung vi 2 mc n th cao và thp mà tng ng vi hai mc n th này là hai c logic 1 và 0 ca mch s. Vic x lý trong mch s bao gm các vn  nh: - Lc s. - u ch s / Gii u ch s. - Mã hóa / Gii mã … u m ca mch s so vi mch tng t : -  chng nhiu cao (nhiu khó xâm nhp). - Phân tích thit k mch s tng i n gin. Vì vy, hin nay mch sc s dng khá ph bin trong tt c các lnh vc nh: o lng s, truyn hình s, u khin s. . . 2.1.3. H logic dng/âm Trng thái logic ca mch s có th biu din bng mch n n gin nh trên hình 2.1: Hot ng ca mch n này nh sau: - K M : èn Tt - K óng : èn Sáng Trng thái óng/M ca khóa K hoc trng thái Sáng/Tt ca èn  cng c c trng cho hai trng thái logic ca mch s.  K v i Hình 2.1 Khoa TVT – HBKN – Tháng 08.2006 Trang 24 ng có th thay khóa K bng khóa n t dùng BJT nh sau (hình 2.2): Gii thích các s mch: Hình 2.2a : - Khi V i = 0 : BJT tt → V 0 = +Vcc - Khi V i = Vcc : BJT dn bão hòa → V 0 = V ces = 0,2 (V) ≈ 0 (V). Hình 2.2b : - Khi V i = 0 : BJT tt → V 0 = -Vcc - Khi V i = -Vcc : BJT dn bão hòa → V 0 = V ces = -V ecs = - 0,2 (V) ≈ 0 (V). y, trong c 2 s  mc n th vào/ra ca khoá n t dùng BJT cng tng ng vi 2 trng thái logic ca mch s. Ngi ta phân bit ra hai h logic tùy thuc vào mc n áp: - Nu chn : V logic 1 > V logic 0 →  logic dng - Nu chn : V logic 1 < V logic 0 →  logic âm Logic dng và logic âm là nhng h logic t, ngoài ra còn có h logic m (Fuzzy Logic) hin ang c ng dng khá ph bin trong các thit bn t và các h thng u khin tng. 2.2. CNG LOGIC (LOGIC GATE) 2.2.1. Khái nim ng logic là mt trong các thành phn c bn  xây dng mch s. Cng logic c ch to trên c s các linh kin bán dn nh Diode, BJT, FET  hot ng theo bng trng thái cho trc. Có ba cách phân loi cng logic: - Phân loi cng theo chc nng: BUFFER, NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR - Phân loi cng theo phng pháp ch to: Diode, BJT, MOSFET - Phân loi cng theo ngõ ra: Totem-pole, Open-Collector, Tri-states 2.2.2. Phân loi cng logic theo chc nng 1. Cng M (BUFFER) a) RB Rc Q +Vcc V i V 0 b) Rc Q R B - Vcc V i V 0 Hình 2.2. Biu din trng thái logic ca mch s bng khóa n t dùng BJT Chng 2. Các phn t logic c bn - Cng logic Trang 25 ng m (BUFFER) hay còn gi là cng không o là cng có mt ngõ vào và mt ngõ ra vi ký hiu và bng trng thái hot ng nh hình v. Phng trình logic mô t hot ng ca cng m: y = x Trong ó: - x là ngõ vào có tr kháng vào Zv vô cùng ln → do ó dòng vào ca cng m rt nh. - y là ngõ ra có tr kháng ra Zra nh → cng m có kh nng cung cp dòng ngõ ra ln. Chính vì vy ngi ta s dng cng m theo 2 ý ngha sau: - Dùng  phi hp tr kháng. - Dùng  cách ly và nâng dòng cho ti.  phng din mch n có th xem cng m (cng không o) ging nh mch khuych i C chung (ng pha). 2.Cng O (NOT) ng O (còn gi là cng NOT) là cng logic có 1 ngõ vào và 1 ngõ ra, vi ký hiu và bng trng thái hot ng nh hình v: Phng trình logic mô t hot ng ca cng O: y = x ng o gi chc nng nh mt cng m, nhng ngi ta gi là m o vì tín hiu ngõ ra ngc mc logic (ngc pha) vi tín hiu ngõ vào. Trong thc t ta có th ghép hai cng O ni tng vi nhau  thc hin chc nng ca cng M (cng không o):  phng din mch n, cng O ging nh tng khuych i E chung. ng trng thái x y 0 0 1 1 x y Hình 2.3. Ký hiu và bng trng thái ca cng m ng trng thái: x y 0 1 1 0 x y Hình 2.4. Ký hiu và bng trng thái hot ng ca cng o x x x xx = Hình 2.5. S dng 2 cng O to ra cng M Khoa TVT – HBKN – Tháng 08.2006 Trang 26 3. Cng VÀ (AND) ng AND là cng logic thc hin chc nng ca phép toán nhân logic các tín hiu vào. Cng AND 2 ngõ vào có 2 ngõ vào 1 ngõ ra ký hiu nh hình v: Phng trình logic mô t hot ng ca cng AND: y = x 1 .x 2 ng trng thái hot ng ca cng AND 2 ngõ vào: x 1 x 2 y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1  bng trng thái này có nhn xét: Ngõ ra y ch bng 1 (mc logic 1) khi c 2 ngõ vào u bng 1, ngõ ra y bng 0 (mc logic 0) khi có mt ngõ vào bt k (x 1 hoc x 2 ) bng 0. Xét trng hp tng quát cho cng AND có n ngõ vào x 1 , x 2 x n : y AND =    ==∀ =∃ )n1,(i1x1 0x0 i i y, c m ca cng AND là: ngõ ra y ch bng 1 khi tt c các ngõ vào u bng 1, ngõ ra y bng 0 khi có ít nht mt ngõ vào bng 0.  dng cng AND óng m tín hiu: Cho cng AND có hai ngõ vào x 1 và x 2 . Ta chn: - x 1 óng vai trò ngõ vào u khin (control). - x 2 óng vai trò ngõ vào d liu (data). Xét các trng hp c th sau ây: - Khi x 1 = 0: y = 0 bt chp trng thái ca x 2 , ta nói ng AND khóa li không cho d liu a vào ngõ vào x 2 qua cng AND n ngõ ra. - Khi x 1 = 1 2 xy 1y1 2 x 0y0 2 x =⇒ =⇒= = ⇒ =      Ta nói ng AND m cho d liu a vào ngõ vào x 2 qua cng AND n ngõ ra. y, có th s dng mt ngõ vào bt k ca cng AND óng vai trò tín hiu u khin cho phép hoc không cho phép lung d liu i qua cng AND.  dng cng AND  to ra cng logic khác : u s dng 2 t hp u và cui trong bng giá tr ca cng AND và ni cng AND theo s nh hình 3.8 thì có th s dng cng AND  to ra cng m. Trong thc t, có th tn dng ht các cng cha dùng trong IC  thc hin chc nng ca các ng logic khác. x 1 y x 2 Hình 2.6. Cng AND x 1 y x n Hình 2.7. Cng AND vi n ngõ vào Chng 2. Các phn t logic c bn - Cng logic Trang 27 4. Cng HOC (OR) ng OR là cng thc hin chc nng ca phép toán cng logic các tín hiu vào. Trên hình v là ký hiu ca cng OR 2 ngõ vào: Phng trình logic cng OR 2 ngõ vào: y = x 1 + x 2 ng trng thái mô t hot ng: x 1 x 2 y = x 1 +x 2 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Xét trng hp tng quát i vi cng OR có n ngõ vào. Phng trình logic: y OR =    ==∀ =∃ )n1,(i0x0 1x1 i i c m ca cng OR là: Tín hiu ngõ ra ch bng 0 khi và ch khi tt c các ngõ vào u ng 0, ngc li tín hiu ngõ ra bng 1 khi ch cn có ít nht mt ngõ vào bng 1.  dng cng OR óng m tín hiu : Xét cng OR có 2 ngõ vào x 1 , x 2 . Nu chn x 1 là ngõ vào u khin (control), x 2 ngõ vào d liu (data), ta có các trng hp c th sau ây: - x 1 = 1: y = 1, y luôn bng 1 bt chp x 2 → Ta nói ng OR khóa không cho d liu i qua. x 1 x 2 y +x = 0  x 1 = x 2 = 0  y = 0 +x = 1  x 1 = x 2 = 1  y = 1  y = x Hình 2.8. S dng cng AND to ra cng m. Ký hiu Châu Âu Ký hiu theo M, Nht, Úc x 1 x 2 y x 1 x 2 y Hình 2.9a Cng OR 2 ngõ vào x 1 x n y Hình 2.9b Cng OR n ngõ vào Khoa TVT – HBKN – Tháng 08.2006 Trang 28 - x 1 = 0: 2 xy 1y1 2 x 0y0 2 x =⇒ =⇒= = ⇒ =      → Ta nói ng OR m cho d liu t ngõ vào x 2 qua ng n ngõ ra y.  dng cng OR  thc hin chc nng cng logic khác :  dng hai t hp giá tru và cui ca bng trng thái ca cng OR và ni mch cng OR nh s: - x = 0, x 1 = x 2 = 0 ⇒ y = 0 - x = 1, x 1 = x 2 = 1 ⇒ y = 1 ⇒ y = x: cng OR óng vai trò nh cng m. 5. Cng NAND ây là cng thc hin phép toán nhân o, v s logic cng NAND gm 1 cng AND mc i tng vi 1 cng NOT, ký hiu và bng trng thái cng NAND c cho nh trên hình: Phng trình logic mô t hot ng ca cng NAND 2 ngõ vào: 21 .xxy = Xét trng hp tng quát: Cng NAND có n ngõ vào. y NAND =    ==∀ =∃ )n1,(i1x0 0x1 i i y, c m ca cng NAND là: tín hiu ngõ ra ch bng 0 khi tt c các ngõ vào u bng 1, và tín hiu ngõ ra s bng 1 khi ch cn ít nht mt ngõ vào bng 0.  dng cng NAND óng m tín hiu : Xét cng NAND có hai ngõ vào. Chn x 1 là ngõ vào u khin (control), x 2 là ngõ vào d liu (data), ln lt xét các trng hp sau: - x 1 = 0: y = 1 (y luôn bng 1 bt chp giá tr ca x 2 ) ta nói ng NAND khóa. - x 1 = 1: 2 xy 0y1 2 x 1y0 2 x =⇒ =⇒= = ⇒ =      → ng NAND m cho d liu vào ngõ vào x 2 n ngõ ra ng thi o mc tín hiu ngõ vào x 2 , lúc này cng NAND óng vai trò là cng O. x 1 x 2 y x Hình 2.10. S dng cng OR làm cng m Hình 2.11. Cng NAND: Ký hiu, s logic tng ng và bng trng thái x 1 x 2 y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 x 1 y x 2 x 1 x 2 y x 1 y x n Hình 2.12.Cng NAND n ngõ vào Chng 2. Các phn t logic c bn - Cng logic Trang 29 x 1 x 2 y 1 x 2 x y = 212121 . xxxxxx +=+= x 1 x 2 y Hình 2.13d. Dùng cng NAND to cng OR  dng cng NAND  to các cng logic khác: - dùng cng NAND to cng NOT: - dùng cng NAND to cng BUFFER (cng m): - dùng cng NAND to cng AND: - dùng cng NAND to cng OR: x 1 y x 2 x y = xxxxx =+= 2121 x y Hình 2.13a.Dùng cng NAND to cng NOT xxy == y x x 1 x 2 x x y Hình 2.13b.Dùng cng NAND to cng M (BUFFER) y x 1 x 2 2 1 .xx y = 2 1 2 1 .xxxx = x 1 x 2 y Hình 2.13c. S dng cng NAND to cng AND Khoa TVT – HBKN – Tháng 08.2006 Trang 30 6. Cng NOR ng NOR, còn gi là cng Hoc-Không, là cng thc hin chc nng ca phép toán cng o logic, là cng có hai ngõ vào và mt ngõ ra có ký hiu nh hình v: Phng trình logic mô t hot ng ca cng : y = 21 xx + ng trng thái mô t hot ng ca cng NOR : x 1 x 2 y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 Xét trng hp tng quát cho cng NOR có n ngõ vào. y NOR =    ==∀ =∃ )n1,(i0x1 1x0 i i y c m ca cng NOR là: Tín hiu ngõ ra ch ng 1 khi tt c các ngõ vào u bng 0, tín hiu ngõ ra s bng 0 khi có ít nht mt ngõ vào bng 1.  dng cng NOR óng m tín hiu : Xét cng NOR có 2 ngõ vào, chn x 1 là ngõ vào u khin, x 2 là ngõ vào d liu. Ta có: - x 1 = 1: y = 0 (y luôn bng 0 bt chp x 2 ), ta nói ng NOR khóa không cho d liu i qua. - x 1 = 0: 2 xy 0y1 2 x 1y0 2 x =⇒ =⇒= = ⇒ =      → ta nói ng NOR m cho d liu t ngõ vào x 2 qua ng NOR n ngõ ra ng thi o mc tín hiu ngõ vào x 2 , lúc này cng NOR óng vai trò là cng O.  dng cng NOR  thc hin chc nng cng logic khác : - Dùng cng NOR làm cng NOT: x 1 x 2 y Ký hiu theo Châu Âu Ký hiu theo M, Nht x 1 x 2 y Hình 2.14. Ký hiu cng NOR x 1 x n y Hình 2.15. Cng NOR n ngõ vào x 1 y x 2 x y = xxxxx ==+ 2121 . y x Hình 2.16a. S dng cng NOR to cng NOT Chng 2. Các phn t logic c bn - Cng logic Trang 31 - Dùng cng NOR làm cng OR : - Dùng cng NOR làm cng BUFFER : - Dùng cng NOR làm cng AND : - Dùng cng NOR làm cng NAND: y = 2121 xxxx +=+ y x 1 x 2 2 1 xx + Hình 2.16b. S dng cng NOR to cng OR x 1 x 2 y y x x 1 x 2 x y = xx = x y Hình 2.16c. S dng cng NOR to cng BUFFER y = 212121 xxxxxx ==+ x 1 x 2 y 1 x 2 x x 1 x 2 y Hình 2.16d. S dng cng NOR làm cng AND Hình 2.16e. S dng cng NOR làm cng NAND y = 212121 .1 xxxxxxy =+=+= x 1 x 2 y 1 1 x 2 x x 1 x 2 y y Khoa TVT – HBKN – Tháng 08.2006 Trang 32 7. Cng XOR (EX - OR) ây là cng logic thc hin chc nng ca mch cng modulo 2 (cng không nh), là cng có hai ngõ vào và mt ngõ ra có ký hiu và bng trng thái nh hình v. Phng trình logic mô t hot ng ca cng XOR : y XOR = x 1 2 x + 1 x .x 2 = x 1 ⊕ x 2 ng XOR c dùng  so sánh hai tín hiu vào: - Nu hai tín hiu vào là bng nhau thì tín hiu ngõ ra bng 0 - Nu hai tín hiu vào là khác nhau thì tín hiu ngõ ra bng 1. Các tính cht ca phép toán XOR: 1. x 1 ⊕ x 2 = x 2 ⊕ x 1 2. x 1 ⊕ x 2 ⊕ x 3 = (x 1 ⊕ x 2 ) ⊕ x 3 = x 1 ⊕ (x 2 ⊕ x 3 ) 3. x 1 .(x 2 ⊕ x 3 ) = (x 1 .x 2 ) ⊕ (x 3 .x 1 ) 4. x 1 ⊕ (x 2 . x 3 ) = (x 1 ⊕ x 3 ).(x 1 ⊕ x 2 ) 5. x ⊕ 0 = x x ⊕ 1 = x x ⊕ x = 0 x ⊕ x = 1 8. Cng XNOR (EX – NOR) ây là cng logic thc hin chc nng ca mch cng o modulo 2 (cng không nh), là cng có hai ngõ vào và mt ngõ ra có ký hiu và bng trng thái nh trên hình v. Phng trình logic mô t hot ng ca cng: y = 212121 xxxxxx ⊕=+ 2.2.3. Các thông s k thut ca cng logic 1. Công sut tiêu tán P tt t phn t logic khi làm vic phi tri qua các giai n sau: x 1 x 2 y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 y x 1 x 2 Hình 2.17. Cng XOR M rng: Nu x 1 ⊕ x 2 = x 3 thì x 1 ⊕ x 3 =x 2 và x 2 ⊕ x 3 =x 1 x 1 x 2 y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 y x 1 x 2 Hình 2.19. Cng XNOR [...]...Ch ng 2 Các ph n t logic c b n - C ng logic Trang 33 tr ng thái t t - Chuy n t tr ng thái t t sang tr ng thái d n tr ng thái d n - Chuy n t tr ng thái d n sang t t m i giai n, ph n t logic u tiêu th ngu n m t công su t i v i các ph n t logic dùng BJT, tiêu bi u là h TTL:... công su t ch y u trong tr ng thái chuy n m ch) Công su t tiêu tán: ng (trong th i gian 2 Ptt = CL f VDD Trong ó: CL là n dung c a t i ( n dung t i) f là t n s làm vi c c a vi m ch VDD là n áp ngu n cung c p Nh v y ta th y i v i vi m ch CMOS t n s ho t su t tiêu tán càng t ng ng (t n s chuy n m ch) càng l n công 2 Fanout (H s m c m ch ngõ ra) Fanout là h s m c m ch ngõ ra hay còn g i là kh n ng t i... g i là kh n ng t i c a m t ph n t logic i N là Fanout c a m t ph n t logic, thì nó c nh ngh a nh sau: S ngõ vào logic c i c n i n m t ngõ ra c a ph n t logic cùng h mà m ch v n ho t ng bình th ng Hình 2. 41 Khái ni m v Fanout 3 Fanin (H s m c m ch ngõ vào) i M là Fanin c a 1 ph n t logic thì M c nh ngh a nh sau: ó chính là “ ngõ vào logic c c i c a m t ph n t logic” i v i các ph n t logic th c hi n ch . = 21 2 121 xxxxxx ==+ x 1 x 2 y 1 x 2 x x 1 x 2 y Hình 2. 16d. S dng cng NOR làm cng AND Hình 2. 16e. S dng cng NOR làm cng NAND y = 21 2 121 .1 xxxxxxy =+=+= x 1 x 2 y 1 1 x 2 x x 1 x 2 y y Khoa. thái x 1 x 2 y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 x 1 y x 2 x 1 x 2 y x 1 y x n Hình 2. 12. Cng NAND n ngõ vào Chng 2. Các phn t logic c bn - Cng logic Trang 29 x 1 x 2 y 1 x 2 x y = 21 2 121 . xxxxxx. +Vcc - Khi V i = Vcc : BJT dn bão hòa → V 0 = V ces = 0 ,2 (V) ≈ 0 (V). Hình 2. 2b : - Khi V i = 0 : BJT tt → V 0 = -Vcc - Khi V i = -Vcc : BJT dn bão hòa → V 0 = V ces = -V ecs = - 0,2