Điều khiển từ xa bằng hồng ngoại

Trong photodiode các photon bịhấp thu tạo ra các hạt dẫn tự do, gây ra dòng điện đi qua tiếp xúc.Mạch tương đương của tiếp xúc: RL Tiếp xúc có thể được xem như là một diode lý tưởng với

Trang 1

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh

Lời cám ơn

Đề tài luận văn của em đã được thực hiện với những kiến thức học hỏi được từ thầy cô, bạn bè, sách vở… Em xin chân thành cám ơn các thầy cô đã dạy bảo cho em để hoàn thành luận văn này Đặc biệt em xin gởi lời cám ơn đến cô Nguyễn Như Anh, người thầy đã tâm huyết chỉ dẫn cho em những kiến thức quý giá cho sự hiểu biết nghề nghiệp Cám ơn thư viện trường Đại Học Bách Khoa, Bộ Môn Điện Tử, cha mẹ, bạn bè… đã động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian vừa

qua

SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 1

Trang 2

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay điều khiển từ xa đã trở thành một kỹ thuật quenthuộc được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong đờisống Tùy theo ứng dụng của nó mà các hệ thống điều khiển từ xađược thiết kế theo nhiều cách khác nhau Ở đề tài này em xin trìnhbày một hệ thống đơn giản sử dụng LED hồng ngoại Luận văn gồm

3 phần :

Phần 1: GIỚI THIỆU CHUNG Phần 2: GIỚI THIỆU CÁC IC ĐƯỢC SỬ DỤNG Phần 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

Phần 4: HƯỚNG MỞ RỘNG ĐỀ TÀI

Trang 3

PHẦN I

GIỚI THIỆU CHUNG

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ

ĐIỀU KHIỂN TỪ XA

Điều khiển từ xa ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnhvực khác nhau trong khoa học và đời sống thực tiễn Có haiphương pháp cơ bản được sử dụng nhiều trong lĩnh vực điện tử củachúng ta hiện nay là điều khiển dùng sóng vô tuyến tần số radio(RF) và dùng hồng ngoại

Một hệ thống điều khiển từ xa bao gồm phần phát và phần thu.Phần phát phát đi sóng điện từ hoặc ánh sáng hồng ngoại đếnphần thu Phần thu nhận được các tín hiệu này sẽ biến đổi thànhtín hiệu điện điều khiển thiết bị

Điều khiển từ xa dùng sóng vô tuyến:

Đặc điểm của phương pháp này là phải sử dụng antena cho cảphần phát và phần thu Máy phát dùng antena bức xạ sóng điệntừ ở một tần số nhất định mang theo tín hiệu điều khiển ra môitrường Máy thu thu tin tức từ môi trường, giải điều chế và thựchiện việc điều khiển

Phương pháp này có các ưu điểm sau:

Trang 4

- Điều khiển được các thiết bị ở khoảng cách xa

- Các vật cản không gây ảnh hưởng nhiều đến việc điều khiển

- Tầm phát rộng theo nhiều hướng nên có thể điều khiển cùng lúc các thiết bị ở những nơi khác nhau

Bất lợi của việc điều khiển từ xa dùng sóng vô tuyến:

Mạch phức tạp, khó thực hiện, cần dùng antena

Chịu ảnh hưởng của nhiễu và phải tránh các tần số phát sóngchuyên nghiệp

Điều khiển từ xa dùng tia hồng ngoại:

Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong đời sống để điềukhiển đèn, quạt, TV… nhờ các ưu điểm sau:

Nhỏ, gọn, dễ lắp ráp và sử dụng

Linh kiện rẻ tiền, thông dụng

Độ tin cậy cao

Áp cung cấp thấp, công suất nhỏ

Một hệ thống điều khiển được nhiều thiết bị khác nhau

Chương 2: GIỚI THIỆU CHUNG

VỀ ĐỀ TÀI

Đề tài: “Điều khiển từ xa bằng hồng ngoại” này thực hiện để điềukhiển 8 thiết bị điện khác nhau bằng bàn phím Mỗi phím điềukhiển một thiết bị riêng biệt có tác dụng như một công tắc ON/OFF:khi nhấn phím lần thứ nhất (trạng thái ON), thiết bị mở; khi nhấnphím lần thứ hai (trạng thái OFF), thiết bị tắt

Hệ thống gồm 2 phần: phần phát và phần thu

Sơ đồ khối hoạt động của phần phát:

Bộ điều khiểnnhận biết thiết

bị nào đangđược điều khiển

Điều chế tínhiệu điềukhiển lên tầnsố cao

Trang 5

Nguyên lý hoạt động của phần phát:

Khi một phím được nhấn, bộ điều khiển nhận biết thiết bị nàođang được điều khiển để đưa vào mạch monostable Mạchmonostable sẽ tạo ra xung vuông có độ rộng ứng với thiết bị đượcchọn Xung vuông này được điều chế lên tần số cao giúp LEDhồng ngoại phát tốt hơn

Sơ đồ khối hoạt động của phần thu:

Bànphím

Mạch monostabletạo xungvuông làm tínhiệu điều khiển

Khuếch đạivà xuất raLED hồngngoại

Bộ thuhồngngoại

Bộ đếm để nhậnbiết thiết bị nàođược điều khiển

Mạch điều khiểnnhận biết thiết bị

1 được điều khiểnđang ở trạng tháiON/OFF

Mạch điều khiểnnhận biết thiết bị

Trang 6

.

Nguyên lý hoạt động của bộ thu:

Photodiode nhận được tín hiệu điều khiển đã được điều chế lêntần số phát, qua bộ giải mã nhận được xung vuông ban đầu Xungvuông đưa qua bộ đếm xác định độ rộng xung để nhận biết thiết bịnào được điều khiển Mạch phân kênh chọn thiết bị Mạch chốt đểnhận biết đang điều khiển công tắc ở trạng thái ON hay OFF

Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ HỒNG

NGOẠI VÀ CÁC THIẾT BỊ THU – PHÁT

Đại cương về tia hồng ngoại:

Sóng hồng ngoại chiếm khoảng rộng nhất trong phổ tần số của sóng điện từ, có bước sóng trên 700nm mà mắt người không thể nhìn thấyđược Sóng hồng ngoại có những đặc tính quang học của sóng ánh sáng (sự hội tụ qua thấu kính, tiêu cự…) Aùnh sáng và sóng hồng

Bộ giải mã giải

điều chế tín hiệu

Bộ phân kênhtới các thiếtbị

Mạch điều khiểnnhận biết tín hiệu

Trang 7

ngoại khác nhau rất rõ trong sự xuyên suốt qua vật chất Vật liệu bán dẫn “trong suốt” đối với sóng hồng ngoại, do đó tia hồng ngoại không bị yếu đi khi vượt qua các lớp bán dẫn để đi ra ngoài

Hồng ngoại gần được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ thôngtin hiện đại, trong sự tự động hóa công nghiệp Lượng thông tinđược truyền đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so vớisóng điện từ thường dùng

Ánh nắng mặt trời bao gồm chủ yếu ánh sáng thấy được, thành phầnhồng ngoại gần như rất ít Hồng ngoại bị bầu khí quyển hấp thu phần lớn

LED hồng ngoại:

LED hồng ngoại còn được gọi là nguồn phát sóng hồng ngoại

(infrared emitters) Vật liệu chế tạo là GaAs với vùng cấm có độ

rộng khoảng 1,43eV tương ứng với bức xạ khoảng 900nm LEDhồng ngoại có hiệu suất lượng tử cao hơn so với các loại LED phát

ra ánh sáng thấy được Đời sống của LED hồng ngoại dài đến100.000 giờ (hơn 11 năm) LED hồng ngoại không phát sáng chonhiều lợi điểm

Các đặc tính của LED hồng ngoại:

Bước sóng: 0.8 – 0.95m, 1.3m và 1.55mBăng thông: 55nm

Aùp thuận (IF = 100mA):1.3V ( 1.5V)Aùp đánh thủng (IR = 10A): 30VDòng ngược (VR = 5V): 0.01ASwitching time (IF = 100mA): 1sCông suất phát xạ (IF = 100mA): 12 – 16mWHiệu suất: 1 – 5%

Hiện nay trên thị trường phần lớn các LED hồng ngoại phát sóngtrong 3 bước sóng: 880nm, 900nm, 940nm Các LED 900nm tiêubiểu là các linh kiện arsenide gallium có pha kẽm (GaAs) đại diệncho công nghệ sản xuất LED lâu đời nhất Tuy công suất ra tươngđối thấp so với các loại khác nhưng thời gian đáp ứng khá nhanh.Thời gian lên và xuống điển hình 50ns, thường nhỏ hơn 10ns.Loại LED hồng ngoại này ứng dụng cho khoảng cách ngắn haybăng thông rộng

Trang 8

Nguyên tắc hoạt đông của LED:

Tiếp xúc bán dẫn, thường được gọi là tiếp xúc p-n có khả năng phát xạ Các hạt dẫn tự do (gồm điện tử và lỗ) ở tiếp xúc p – n khuếch tán sang bên kia và kết hợp lại, làm cho 2 bên của tiếp xúc xuất

hiện miền nghèo (depletion region) Khi tiếp xúc phân cực ngược,

điện áp rào chắn tăng lên, miền nghèo tăng lên và không có dòng điện đi qua tiếp xúc

Khi phân cực thuận, sự phân cực trái với điện áp rào chắn làm cho miền nghèo giảm Khi phân cực vượt quá điện áp rào chắn, các điện tử và lỗ kết hợp tạo dòng điện chảy qua tiếp xúc Trong quá trình này, vì các điện tử ở dải dẫn có mức năng lượng cao hơn các lỗ ở dải hóa trị, một số năng lượng ở dạng bức xạ được giải phóng

Bước sóng của sự bức xạ phụ thuộc vào 2 yếu tố sau:

khe năng lượng hoặc điện áp rào chắn giữa các mức năng lượng p và n

chế độ tái hợp

Ta có phương trình:  = 1240/E

: bước sóng bức xạ(nm)ï

E: khe năng lượng(eV)

Các đặc tính điện và quang của LED:

Tương tự với diode tiếp xúc p – n thông thường

Một hệ số giới hạn quan trọng của LED là tiêu tán công suất cựcđại (Pïmax), sự phụ thuộc của nó vào môi trường xung quanh vàdòng điện đỉnh cực đại cho phép (IMP) Với hoạt động ở chế độxung, quan hệ giữa các tham số này được cho trong các phươngtrình sau:

Chu kỳ làm việc (duty cycle): dc = ton/TDòng điện trung bình trong chuỗi xung: iavg = ipdc

Tiêu tán công suất ở chế độ xác lập: PD = iDVD

- iD: dòng điện LED

- VD: điện áp LED Tiêu tán công suất trung bình: Pavg = iavgVD0 + RD(ip-iD0)

- VD0: điện áp ở điểm chuẩn

- iDO: dòng điện ở điểm chuẩn

- RD: điện trở động của LEDĐiện trở động của LED: RD = VD/iD

Trang 9

VD, iD: gia số điện áp, dòng điện ở điểm chuẩn

Dòng điện

Cường độ là tham số quan trọng nhất của LED Cường độ là hàm phituyến của dòng điện LED, cường độ tương đối (IPR) tăng khi dòng điện tăng Sự phi tuyến có thể được biểu diễn bằng định nghĩa hiệu

suất tương đối (relative efficiency): PR = IPR/IPR0

Khi làm việc ở chế độ xung, cường độ trung bình có thể tính bằng phương trình sau: IPravg = IPR0(ipdcPR/i0PR0)

Ưu điểm lớn của LED là có thời gian đáp ứng nhanh

Mạch lái LED:

LED hồng ngoại cần điện áp nằm trong khoảng 1.3 – 1.5V Như đã thấy trong đặc tính của LED, dòng điện rất nhạy với các thay đổi điện áp, từ đó ảnh hưởng đến ánh sáng phát ra ở LED Có thể dùng điện trở nối tiếp để giới hạn dòng điện qua dụng cụ

Hình (a), (b), (c) là 3 mạch lái đơn giản bao gồm: lái một LED,lái nhiều LED nối tiếp và lái nhiều LED song song

VCC

R

Trang 10

(a) (b) (c)

Để ổn định thông lượng ánh sáng bức xạ cần sử dụng nguồndòng hằng để ổn định dòng thuận iF qua LED

Các mạch lái LED bằng nguồn dòng hằng:

quang thông bức xạ lớn

ít chịu ảnh hưởng của ánh sáng nhiễu

truyền thông tin

Sau đây là hai mạch lái bằng xung điển hình dùng IC 555 vàdùng mạch dao động đa hài astable

VCC R1

C2

R3

R2

C1 LM555

2

5

3 7 6

TR

CV

Q DIS THR

Trang 11

Với hiệu ứng quang điện, ta có sự phát sinh một điện áp ở lớpchuyển tiếp p – n khi lớp chuyển tiếp này được chiếu sáng Tùy theochức năng và cấu trúc có thể phân photodiode làm nhiều loại: diodequang p – n, diode quang PIN, diode quang loại Schockley, diodequang với hiệu ứng thác Photodiode được dùng với mạch khuếch đạicó tổng trở cao

Photodiode có các đặc tính:

rất tuyến tính

ít nhiễu

dải tần số rộng

nhẹ và có sức bền cơ học cao

có đời sống dài

Photodiode hồng ngoại có độ nhạy cao nhất ở vùng bước sóng1000nm

Photodiode tiếp xúc là tiếp xúc bán dẫn loại n và p tương tự vớitiếp xúc được dùng trong LED Tuy nhiên chức năng của tiếp xúcphotodiode ngược lại với tiếp xúc LED Trong photodiode các photon bịhấp thu tạo ra các hạt dẫn tự do, gây ra dòng điện đi qua tiếp xúc.Mạch tương đương của tiếp xúc:

RL

Tiếp xúc có thể được xem như là một diode lý tưởng với điện trở của miền nghèo được biểu diễn bằng RSH và điện dung tiếp xúc là CD được nối song song với diode Điện trở khối của bán dẫn n, p của tiếp xúc được biểu diễn bằng điện trở nối tiếp RS Dòng điện có trong tiếp xúc

Trang 12

do bức xạ được biểu diễn bằng nguồn dòng hằng i song song với

diode

Đường cong đặc tuyến có 4 góc phần tư Trong phần tư thứ 1diode phân cực thuận và hoạt động tương tự diode thông thường Đâykhông phải là ứng dụng của photodiode Trong góc phần tư thứ 2,diode không có đáp ứng Góc phần tư thứ 3 chỉ đặc tuyến diode ở chếđộ phân cực ngược Đây là chế độ thường dùng để phát hiện bức xạ.Góc phần tư thứ tư là chế độ tế bào mặt trời còn gọi là pin điện mặttrời Ở chế độ này diode dùng để cung cấp năng lượng cho tải

Áp dụng định luật Kirchoff cho mạch tương đương diode:

i = iSH+iD+iL

i : dòng quang ở bước sóng 

iSH : dòng qua điện trở mắc rẽ nhánh

iD : dòng qua diode lý tưởng

iL : dòng qua tải

Đặc tính làm việc của photodiode trong điều kiện tối và điều kiện bức xạ được biểu diễn bởi các đường cong như sau:

Trang 13

Trong điều kiện tối (không có bức xạ), dòng điện qua diode:

iDD= i0[exp(eVD/kT)-1]

- iDD = dòng diode không có bức xạ

- i0 = dòng tối diode

- VD = điện áp diode

- e = điện tích điện tử

- k = hằng số Bolzmann

- T = nhiệt độ tuyệt đối

Khi được chiếu sáng, dòng quang i được tạo ra có giá trị:

i=IAe/hc

i = dòng quang ở bước sóng 

 = hiệu suất lượng tử

I = độ chiếu sáng

- A= diện tích diode

h = hằng số Planck

c = tốc độ ánh sáng

Các photodiode tín hiệu (signal photodiode) được thiết kế để làm

việc như các dụng cụ truyền thông và đo lường chính xác nhờ dảituyến tính rộng, đáp ứng nhanh và độ ổn định nhiệt cao Phần lớnchúng được dùng trong góc phần tư thứ III với phân cực ngược chohoạt động tuyến tính Với đáp ứng loga chúng làm việc ở góc phần tưthứ tư ở chế độ hở mạch

Phân cực ngược có thể có bất cứ giá trị nào thấp hơn điện ápđánh thủng cực đại VRmax cho trong sổ tay Tăng điện áp phân cựcngược làm tăng dòng điện tối và dải làm việc tuyến tính, giảm thờigian đáp ứng và điện dung tiếp xúc

Photodiode thường được sử dụng cùng với một op amp

Trang 14

VR VR

+

-+ - RL

RF R1

Trang 15

Các thuật ngữ vi mạch số:

Các thông số áp và dòng

Trang 16

VIH(min) – áp vào mức cao (High-Level Input Voltage)

VIL(max) – áp vào mức thấp (Low-Level Input Voltage)

VOH(min) – áp ra mức cao (High-Level Output Voltage)

VOL(max) – áp ra mức thấp (Low-Level Output Voltage)

IIH – dòng vào mức cao

IIL – dòng vào mức thấp

IOH – dòng ra mức cao

IOL – dòng ra mức thấp

Được định nghĩa là số ngõ vào chuẩn lớn nhất mà một ngõ ra cóthể lái tin cậy

tPLH: thời gian trễ khi đi từ mức thấp lên mức cao

tPHL: thời gian trễ khi đi từ nức cao xuống mức thấp

Thường có một ngõ vào để cấp nguồn cho vi mạch ký hiệu là VCC

(TTL) và VDD (CMOS)

HỌ LOGIC TTL

Vi mạch TTL thường gặp là 54/74 series được sử dụng rộng rãi.Khác biệt duy nhất giữa 54 series và 74 series là 54 series có tầmnhiệt độ cho phép và tầm áp cung cấp rộng hơn Chữ viết tắt đầutrong ký hiệu vi mạch là tên nhà sản xuất Ví dụ như TexasInstruments sử dụng chữ đầu tiên là SN, National Semiconductor dùngchữ DM, Signetics dùng chữ S

Trang 17

Các series TTL khác:

Low-Power TTL, 74L Series

High-Speed TTL, 74H Series

Schottky TTL, 74S Series

Low-Power Schottky TTL, 74LS Series

Advanced Schottky TTL, 74AS Series

Advanced Low-Power Schottky TTL, 74ALS Series

Các đặc tính kỹ thuật của họ TTL:

Tầm nhiệt độ và áp cung cấp:

Cả 54/74 series đều sử dụng áp nguồn cung cấp 5V

Thời gian trễ:

Cổng NAND TTL chuẩn có thời gian trễ tPLH= 11ns, tPHL= 7ns Thời gian trễ trung bình là 9ns

Kéo tải:

Một ngõ ra TTL chuẩn có thể lái 10 ngõ vào TTL chuẩn

Bảng so sánh các series TTL

H

74S 74LS 74AS 74AL

S

Trang 18

Thời gian trễ

Các đặc tính khác:

Ngõ vào không kết nối (unconnected inputs):

Trong bất kỳ IC TTL nào, mọi ngõ vào ở mức logic 1 nếu nó không nối với nguồn hoặc đất Khi một ngõ vào không kết nối, ta nói nó bị

thả nổi (floating).

Ngõ vào không sử dụng (unused inputs):

Có 3 cách áp dụng cho các ngõ vào không sử dụng

Ở hình (a), ngõ vào không sử dụng không kết nối nên hoạt độngnhư logic 1 Ngõ ra cổng NAND cho kết quả như mong muốn là: x=/(A.B.1)= /(A.B)

Mặc dù kết quả đúng nhưng không được sử dụng vì lúc này chân thảnổi hoạt động như một antenna dễ dàng nhận các tín hiệu tạp âm gâysai

Kỹ thuật tốt hơn cho ở hình (b) Ở đây chân không sử dụng nối đến nguồn +5V qua trở 1K, do đó có mức logic 1 Trở 1K là cách bảo vệ dòng đơn giản trong trường hợp có gai áp nguồn cung cấp

Hình (c) cho thấy ngõ vào không sử dụng nối chung với một ngõvào được sử dụng Điều này giúp ngõ vào B dễ dàng lái mạch Kỹthuật này có thể sử dụng cho bất kỳ loại cổng nào

Với cổng OR và NOR, các ngõ vào không sử dụng nên nối đất hoặc nối chung với một ngõ vào được sử dụng như trong hình (b)

Trang 19

Các ngõ vào nối chung:

Khi hai hoặc nhiều ngõ vào kết nối thành một ngõ vào chungnhư trong hình (c), ngõ vào chung có hệ số tải là tổng các hệ số tảicủa các ngõ vào khác nhau Ngoại trừ cổng NAND và AND, ngõ vàochung ở mức thấp giống như một ngõ vào đơn

Ngõ ra totem-pole

Trong nhiều trường hợp do hiệu ứng thác (Avalanche-Effect), điện trở

nối tiếp ở ngõ vào rất bé và dòng thác dâng cao nhanh chóng với điệnáp vào Để tránh IC hư hỏng, phải giữ dòng điện của tín hiệu bé hơn 5mA và điện áp vào bé hơn 5.5V Thông thường cổng ra loại TTL hay CMOS có trạng thái cao hay thấp được giữ bởi một transistor lưỡng cực hay MOSFET Với họ TTL người ta gọi đó là ngõ ra totem-pole có tổng trở thấp cho cả hai mức logic cao và thấp, thời gian đóng mở nhanh và chống nhiễu tốt

Tuy nhiên ngõ ra totem-pole không thể kết nối theo kiểu wired-AND đơn giản và khó sử dụng trong hệ thống bus của máy tính Để giúp

những ứng dụng này, chúng ta có ngõ ra cực thu hở và ngõ ra ba trạngthái

Ngõ ra cực thu hở (TTL open-collector outputs)

Xét 2 mạch tương đương như hình vẽ Mạch thứ nhất có 2 cổng NAND

4 và 5 mang ý nghĩa hàm chức năng AND Do đó ngõ ra cuối cùng x= /(AB)./(CD)./(EF) Mạch thứ 2 đơn giản hơn sử dụng các cổng cực thu hở cũng cho kết quả tương tự Ta nói ngõ ra nối chung hoạt động như

một cổng AND (wired-AND): điểm nối chung sẽ xuống mức thấp khi

một trong các ngõ ra nối chung xuống mức thấp, và sẽ ở mức cao khi tất cả các ngõ ra nối chung ở mức cao

Cần lưu ý trở Rp (khoảng vài trăm đến vài nghìn ohm) kéo lên nguồn cần thiết khi ngõ ra ở mức cao Với điện trở có trị số bé ta có vận tốc

Trang 20

làm việc nhanh, tính miễn nhiễu tốt nhưng công suất tiêu tán tăng

Vi mạch với ngõ ra cực thu hở làm việc chậm và bị nhiễu nhiều hơn Tuy nhiên có 3 trường hợp cần chọn IC cực thu hở: tải bên ngoài,

wired-AND (hay wired-OR) và bus ngoại vi.

Lái và đệm cực thu hở (Open-Collector Buffer/Drivers):

Bất kỳ mạch logic nào được gọi là Buffer/Driver, Buffer hay Driver

đều được thiết kế có áp và dòng ngõ ra lớn hơn rất nhiều so với các

mạch logic thông thường Các vi mạch Buffer/Driver có thể dùng với

ngõ ra totempole và ngõ ra cực thu hở

TTL ba trạng thái (tristate TTL)

Gọi là TTL ba trạng thái vì vi mạch cho phép ngõ ra có thể có ba

trạng thái là: HIGH, LOW và Hi-Z (trạng thái tổng trở cao) Trạng

thái tổng trở cao là trạng thái ngõ ra có một trở kháng cao Trên thực

Trang 21

tế ngõ ra không hở mạch mà có một điện trở khoảng vài megohm hoặc hơn.

Trạng thái cho phép (The Enabled State):

Với ngõ vào cho phép E= 1, vi mạch hoạt động bình thường như các

IC khác

Trạng thái tổng trở cao (Hi-Z):

Khi E= 0, ngõ ra ở trạng thái tổng trở cao bất chấp trạng tháicủa ngõ vào logic

Như vậy có thể nối nhiều ngõ ra loại này với data bus.

Trang 22

HỌ LOGIC CMOS:

Họ logic CMOS (Complementary MOS) sử dụng cả MOSFET kênh n

và MOSFET kênh p trong cùng một vi mạch nên nhanh hơn và tiêu thụ ít công suất hơn các họ MOS khác Công nghệ chế tạo CMOS đơn giản hơn TTL do đó được sử dụng rộng rãi hơn và giá thành thấp hơn.CMOS chỉ sử dụng một phần nhỏ công suất cần cho series TTL công suất thấp và do đó thích hợp cho ứng dụng sử dụng pin Nói chung CMOS chậm hơn TTL mặc dù các series CMOS tốc độ cao mới có thể

so sánh với 74 và 74LS series

CMOS có một số đặc tính quan trọng như: công suất tiêu tán bé, tầm điện áp làm việc rộng, chống nhiễu tốt…

Các series CMOS:

4000 Series

74C Series: Series này có thể thay thế cho TTL cùng loại vì có sơ đồ

chân và chức năng tương đương

74HC Series (High-Speed CMOS): là version cải tiến của 74C Series,

tốc độ có thể so sánh với 74LS TTL Series

74HCT Series: Cũng là High-Speed CMOS, điểm khác biệt chính là

chúng có thể được lái bởi ngõ ra TTL

Các đặc tính của CMOS:

Công suất – áp nguồn:

Trang 23

Khoảng nhiệt độ làm việc:

Thương mại: -40C - 85C

Công suất tiêu tán:

Khi VDD= 5V, công suất tiêu tán là 2.5nW mỗi cổng

Công suất tiêu tán cao hơn loại LS TTL trong khoảng 100KHz đến 2MHz.Trên thực tế công suất tiêu tán trên IC CMOS không cao đáng kể so với cácloại khác do: các cổng CMOS chỉ dẫn điện khi nó làm việc và ở tần số cao không phải cổng cũng làm việc

Fan-out:

Ngõ vào CMOS có trở kháng vào rất lớn (1012) nên hạn chế dòng từ nguồn Tuy nhiên ngõ vào lại có tải điện dung 5pF làm hạn chế số cổng CMOS mà một ngõ ra CMOS có thể tải Ngõ ra CMOS cần thời gian nạp và xả dung kháng ngõ vào mắc song song Do đó khả năng fan-out phụ thuộc vào thời gian trễ cho phép lớn nhất Ngõ ra CMOS điển hình có thể tải 50 ngõ vào ở tần số thấp ( 1MHz) Ở tần số cao hơn thì khả năng tải thấp hơn

Các ngõ vào không sử dụng:

Các ngõ vào CMOS không sử dụng không bao giờ để hở mạch mà cần được nối với một mức điện áp cố định (0V hoặc VDD) hoặc nối với một ngõ vào khác

Bảng so sánh CMOS và TTL

1010

2020

22

88

1,21,2

Thời gian trễ

Trang 24

GIAO TIẾP GIỮA Ï TTL VÀ CMOS:

Bảng giá trị giới hạn cho giao tiếp CMOS/TTL với áp cung cấp là 5V

Thông

số

4 000B

7 4HC

7 4HCT

7 4

7 4LS

7 4AS

7 4AL S

VIH(mi

n) (V)

3.5

VIL(ma

x)(V)

1.5

.8

0.8

VOH(mi

n)(V)

4.95*

4.9*

2.4

2.7

VOL(m

ax)(V)

0.05*

0.1 *

0.4

0.5

0.4

200

20

2m

100

IOH(ma

x)(mA)

0.4

.4

0.4

00

Trang 25

x)(mA)

0.4

không làm mất fan-out ở mức thấp.

Tuy nhiên khi so sánh áp ngõ ra TTL với đòi hỏi áp vào củaCMOS chúng ta thấy rằng áp ra mức cao (min) của mọi TTL thì quáthấp so với yêu cầu áp vào mức cao (min) của 4000B và 74HC

Cách giải quyết thông dụng nhất là nối ngõ ra TTL với nguồn5V qua một điện trở kéo lên Với điện trở này ngõ ra TTL xấp xỉ 5V ởmức cao đủ cho ngõ vào CMOS Nếu TTL chỉ lái một CMOS, giá trịthông thường của điện trở kéo lên là 1 – 10K

TTL lái 74HCT:

74HCT được thiết kế để giao tiếp thẳng với TTL

TTL lái CMOS điện áp cao:

Khi CMOS hoạt động với VDD lớn hơn 5V, ngõ ra của nhiều vimạch TTL có thể sử dụng một điện trở kéo lên nguồn 10V Trongtrường hợp không thể kéo lên áp VDD, người ta thường dùng IC đệmcực thu hở 7407 để giao tiếp giữa ngõ ra totem-pole TTL với CMOS có

Trang 26

Ở mức cao điện trở RON của MOSFET loại p nối ngõ ra với

nguồn VDD Do đó ngõ ra CMOS ở mức cao giống như nguồn VDD với trở kháng nguồn RON Ở mức thấp, điện trở RON của MOSFET loại n nối ngõ ra với đất Giá trị RON khoảng 100 đến 1000 ohm

CMOS mức cao lái TTL

Ở mức cao CMOS cung cấp đủ áp và dòng yêu cầu cho TTL

CMOS mức thấp lái TTL

74HC và 74HCT đáp ứng yêu cầu về dòng của TTL Các series CMOS khác cần mạch giao tiếp Có thể dùng vi mạch đệm không đảo 4050B hoặc vi mạch đệm 3 trạng thái 74LS125

CMOS điện áp cao lái TTL

Một số IC 74LS TTL có thể chịu được áp vào lên đến 15V Những IC này có thể được lái trực tiếp bởi CMOS hoạt động với nguồn 15V Tuy nhiên hầu hết các vi mạch TTL không chịu được áp vào quá 7V, do đó

khi giao tiếp cần bộ chuyển mức điện áp (voltage-level translator) để

chuyển xuống điện áp 5V tương thích với TTL

Trang 27

Chương 2: CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN

10

Cổng NOT chỉ có một ngõ vào

Trong một IC có 6 cổng

Hàm chức năng: Y= X1.X2 (nhân logic)

Bảng chân lý:

Trang 28

1 0 0

Đối với hàm nhiều biến: Y= fAND(X1, X2, …,Xn)= X1.X2…Xn

Y= 0 nếu Xi= 0Y= 1 nếu Xi=1

Cổng AND 4 ngõ vào – IC 7421

IC 7421 gồm 2 cổng AND 4 ngõ vào có sơ đồ chân như sau:

8

Cổng AND 2 ngõ vào – IC 7408

IC 7408 gồm 4 cổng AND 2ngõ vào như sau:

Hàm chức năng: Y= X1 + X2 (cộng logic)

Bảng chân lý:

Trang 29

Y= 1 nếu Xi= 1 Y= 0 nếu Xi= 0

Cổng OR 2 ngõ vào – IC 7432

IC 7432 gồm 2 cổng OR 2 ngõ vào:

Cổng OR 4 ngõ vào – IC 4072

IC 4072 gồm 2 cổng OR 4 ngõ vào:

Y

Trang 30

1 0 1

Đối với hàm nhiều biến: Y= fNAND(X1, X2, …,Xn)= /(X1.X2…Xn)

Y= 1 nếu Xi= 0Y= 0 nếu Xi=1

X2

Trang 31

Đối với hàm nhiều biến:

Y= fNOR(X1, X2, …,Xn)= /(X1 + X2 + … +Xn )Y= 0 nếu Xi= 1

Y= 1 nếu Xi= 0

Các loại cổng OR, AND, NAND, NOR

Loại 2 ngõ vào: trong 1 IC có 4 cổng

11

Trang 32

Cổng EX-NOR

Ký hiệu:

YX1

X2

Hàm chức năng: Y= /(X1  X2) = X1X2 + /(X1X2) (so sánh khác)

Bảng chân lý:

Trang 33

Chương 3: CÁC VI MẠCH CHỨC

Các FlipFlop (trigger) có 2 trạng thái phân biệt Do đó ta có thể nói

chúng là dao động đa hài 2 trạng thái bền Các FlipFlop có ngõ vào xung Clock thường được ký hiệu là CK, CLK, CP Hầu hết các

FlipFlop kích khởi bằng cạnh xung Clock Ngoài ra là các ngõ vào điều khiển có tên khác nhau tùy thuộc vào hoạt động của chúng Các ngõ vào này không ảnh hưởng đến Q cho đến khi xung Clock tác động Vì lí do này mà chúng được gọi là ngõ vào điều khiển đồng bộ Mạch có 2 ngõ ra: Q (thuận) và /Q (đảo)

Quy ước đối với các ngõ vào:

Preset: Khi ở mức tích cực, FlipFlop được thiết lập ở trạng thái Q= 1 mà không phụ thuộc vào các ngõ vào thông tin

Clear: Khi ở mức tích cực, FlipFlop được thiết lập ở trạng thái Q= 0 mà không phụ thuộc vào các ngõ vào thông tin

CK: ngõ nhịp: không có tác động của xung nhịp, FlipFlop không đổi trạng thái

Trang 34

Các loại FlipFlop:

D FlipFlop

D flip-flop có 1 ngõ vào điều khiển đồng bộ là D Thực tế DFlipFlop là phần tử làm trễ vì tín hiệu ra chính là tín hiệu vào trướcđó

01

Qn

/Qn

Sự chuyển đổi từ D FlipFlop thành T FlipFlop

Bảng kích thích:

Trang 35

0110

Khi chân EN ở mức cao, ngõ vào D tạo ra mức thấp ở cả chân SET

lẫn chân CLEAR của NAND LATCH làm cho Q cùng mức với D Nếu

D thay đổi khi EN ở mức cao, Q sẽ thay đổi theo, nghĩa là ngõ ra Q

giống như D Đây là chế độ “transparent” của D latch.

Khi chân EN xuống mức thấp, ngõ vào D bị cấm bởi ảnh hưởng của

NAND LATCH Do đó ngõ ra Q và /Q sẽ ở mức mà nó có trước khi

chân EN xuống mức thấp Ta nói ngõ ra chốt và không thể thay đổi khi EN vẫn ở mức thấp ngay cả khi D thay đổi

Trang 36

“latch” “transparent” “latch” “transparent” “latch”

tại Q=0 Q=D tại Q=1 Q=D tại Q=0

IC 7474

IC 7474 gồm 2 D FlipFlop riêng biệt với xung Clock kích cạnh lên

Bảng hoạt động:

Trang 37

D CLK

Q Q

3Q

Bảng hoạt động:

C lear

C lock

Trang 38

CLK Q

D

CLK Q

D

CLK Q

C lock

Trang 39

Bộ đếm gồm nhiều FlipFlop kết nối với nhau, nội dung thay đổitùy theo số lượng xung Clock Còn được gọi là hệ tuần tự không đầuvào.

Bộ đếm phân thành 2 loại chính:

Đếm tuần tự (nối tiếp, không đồng bộ): ngõ ra của FlipFlop trước đượckết nối với ngõ CK của FlipFlop sau Do đó sự đổi trạng thái của FlipFlop trước sẽ gây tác động chuyển đổi trạng thái cho FlipFlop sau.Đếm song song (đồng bộ): xung CK đến tất cả các FlipFlop nên tất cả các FlipFlop đổi trạng thái trong cùng một thời điểm

Bộ đếm không tuần tự có nhược điểm: thời gian trễ ở mỗiFlipFlop trước sẽ được tích lũy dần và truyền tới các FlipFlop sau Dovậy nếu số lượng FlipFlop lớn thì thời gian trễ có thể rất lớn gây nêngiải mã sai Vì vậy đối với đếm tuần tự người ta không xây dựng bộđếm có dung lượng quá lớn

Mạch chia tần số:

Một mạch chia tần số đơn giản được cho như hình vẽ Mỗi FlipFlop cóngõ vào J và K ở mức 1 Do đó FlipFlop sẽ đổi trạng thái khi ngõ vào xung CK đi từ mức cao xuống mức thấp Chỉ cấp xung Clock cho ngõ vào CLK của FlipFlop X0 Mạch này giống như bộ đếm nhị phân 3 bit

J CLK K

X0

J CLK K

FlipFlop X0 đổi trạng thái ở cạnh xuống mỗi xung CK Do đó dạng sóng ở ngõ ra X0 có tần số đúng bằng ½ tần số xung CK

FlipFlop X1 đổi trạng thái mỗi khi ngõ ra X0 chuyển từ mức cao xuống mức thấp Dạng sóng ra của X1 có tần số đúng bằng ½ tần số của X0

và bằng ¼ tần số xung CK

FlipFlop X2 cũng đổi trạng thái khi X1 chuyển từ mức cao xuống mức thấp Tương tự X2 có tần số bằng ½ X1 và bằng 1/8 xung CK

Mỗi FlipFlop có dạng sóng vuông ở ngõ ra (50% chu kỳ làm việc)

Trang 40

Dạng sóng cho thấy các FlipFlop đổi trạng thái như là các xung.

Thường người ta ứng dụng bộ đếm làm mạch chia tần

IC 7493

Đây là bộ đếm nhị phân 4 bit (4-bit binary counter) thông dụng.

Vi mạch tương đương của nó là 74293

Biểu đồ logic:

J CLK K Q Q

Vi mạch 7493 có 4 J–K FlipFlop với ngõ ra Q0, Q1, Q2, Q3 với Q0

là bit trọng số thấp (LSB) và Q3 là bit trọng số cao (MSB)

Mỗi FlipFlop có ngõ vào xung Clock (CLK) kích cạnh xuống.Xung Clock ký hiệu là A và B cho Q0 và Q1

Định dạng
Số trang	95
Dung lượng	499 KB