BÀI TẬP NHÓM MÔN KỸ THUẬT SỐ CÁC HỌ CỔNG LOGIC

BÀI TẬP NHÓM MÔN KỸ THUẬT SỐ CÁC HỌ CỔNG LOGIC

CÁC HỌ CỔNG

LOGIC

September 162010

Table of Contents

I Họ DDL 3

II Họ DTL 4

III Họ RTL 4

IV HỌ TTL 6

Các loại TTL: 12

 TTL ngõ ra cực thu để hở 12

 TTL có ngõ ra 3 trạng thái 15

Phân loại TTL: 17

 TTL loại thường 74XX 17

 TTL công suất thấp 74LXX và TTL công suất cao 74HXX 18

 TTL schottky 74SXX và 74LSXX 18

 TTL shorttky tiên tiến 74ASXX và 74ALSXX 18

 TTL nhanh 74FXX 18

V Họ MOSFET 19

 Loại PMOS 20

 Loại NMOS 20

 Cổng CMOS 21

 Cổng truyền dẫn 22

VI Họ ECL 22

Task Sheet 23

Nguồn tham khảo 23

I Họ DDL

DDL (Diode Diode Logic) là họ cổng logic do các diode bán dẫn tạo thành Hình3-1a,b là sơ đồ cổng AND, OR 2 lối vào họ DDL

Hình 3-1 Mạch điện cổng AND và OR họ DDL.

Bảng trạng thái sau thể hiện nguyên lý hoạt động của mạch thông qua mức điện

áp vào/ra của các cổng AND và OR họ DDL

Bảng 3-1 Bảng trạng thái của cổng AND và OR họ DDL

Ưu điểm của họ DDL:

 Mạch điện đơn giản, dễ tạo ra các cổng AND, OR nhiều lối vào Ưu điểmnày cho phép xây dựng các ma trận diode với nhiều ứng dụng khác nhau;

 Tần số công tác có thể đạt cao bằng cách chọn các diode chuyển mạchnhanh;

 Công suất tiêu thụ nhỏ

Nhược điểm :

Hình 3-2 Sơ đồ mạch điện của họ cổng TDL.

Trong hai trường hợp trên, nhờ các diode D2, D3 độ chống nhiễu trên lối vào của

Q1 được cải thiện Mức logic thấp tại lối ra f giảm xuống khoảng 0,2 V ( bằngthế bão hoà UCE của Q1) Do IRHmax và IRLmax của bán dẫn có thể lớn hơn nhiều sovới diode nên hệ số ghép tải của cổng cũng tăng lên

Bằng cách tương tự, ta có thể thiết lập cổng NOR hoặc các cổng liên hợp phứctạp hơn Vì tải của các cổng là điện trở nên hệ số ghép tải (đặc biệt đối với NH)còn bị hạn chế, mặt khác trễ truyền lan của họ cổng này còn lớn Những tồn tạitrên sẽ được khắc phục từng phần ở các họ cổng sau

nối lên nguồn +5 V thông qua diode D nên giá trị điện áp lối ra lúc này khoảng5,7 V, nhận mức logic cao Khi điện áp lối vào là 5 V do hai điện trở lối vào cógiá trị lần lượt là 1 k và 10 k, nên điện áp tại base sẽ đủ lớn để làm transistorthông làm cho điện áp lối ra là 0 V Như vậy logic lối ra sẽ là đảo của logic củatín hiệu lối vào.

Tương tự như mạch hình 3-3, nếu một điện trở được nối thêm ở lối vào như hình3-4 sau mạch sẽ trở thành mạch NOR họ RTL

Hình 3-3 Cổng NOT họ RTL

Bảng 3-2 thể hiện quan hệ điện áp của cổng NOR họ RTL, chỉ khi cả hai lối vào A và B cùng ở giá trị 0 V thì transistor mới cấm và lối ra nhận logic cao Các trường hợp khác đều dẫn đến transistor thông và làm giá trị logic lối ra ở mức thấp.

Bảng 3-2 Bảng trạng thái của cổng NOR họ RTL

Hình 3.4 Cổng NOR họ RTL

IV HỌ TTL

Trước khi đi vào cấu trúc của mạch TTL cơ bản, xét một số mạch điện cũng cókhả năng thực hiện chức năng logic như các cổng logic trong vi mạch TTL:

Mạch ở hình 1.46 hoạt động như một cổng AND Thật vậy, chỉ khi cả hai đầu A

và B đều nối với nguồn, tức là để mức cao, thì cả hai diode sẽ ngắt, do đó áp đầu

ra Y sẽ phải ở mức cao Ngược lại, khi có bất cứ một đầu vào nào ở thấp thì sẽ

có diode dẫn, áp trên diode còn 0,6 hay 0,7V do đó ngõ ra Y sẽ ở mức thấp.Tiếp theo là một mạch thực hiện chức năng của một cổng logic bằng cách sửdụng trạng thái ngắt dẫn của transistor (hình 1.47)

Có thể tóm tắt lại hoạt động của mạch qua bảng dưới đây

Nghiệm lại thấy mạch thực hiện chức năng như một cổng logic NOR

Vì có cấu tạo ở ngõ vào là điện trở, ngõ ra là transistor nên mạch NOR trên đượcxếp vào dạng mạch RTL

Với hình trên, nếu mạch chỉ có một ngõ vào A thì khi này sẽ có cổng NOT, cònkhi thêm một tầng transistor trước ngõ ra thì sẽ có cổng OR

Bây giờ để có cổng logic loại DTL, ta thay hai R bằng hai diode ở ngõ vào (hình1.48)

Khi A ở thấp, B ở thấp hay cả 2 ở thấp thì diode dẫn làm transistor ngắt do đóngõ ra Y ở cao

Khi A và B ở cao thì cả hai diode ngắt => Q dẫn => y ra ở thấp

Rõ ràng đây là 1 cổng NAND dạng DTL (diode ở đầu vào và transistor ở đầu ra)Các mạch RTL, DTL ở trên đều có khả năng thực hiện chức năng logic nhưngchỉ được sử dụng ở dạng đơn lẻ không được tích hợp thành IC chuyên dùng bởi

vì ngoài chức năng logic cần phải đảm bảo người ta còn quan tâm tới các yếu tốkhác như :

 Tốc độ chuyển mạch (mạch chuyển mạch nhanh và hoạt động được ở tần

số cao không)

 Tổn hao năng lượng khi mạch hoạt động (mạch nóng, tiêu tán mất nănglượng dưới dạng nhiệt)

 Khả năng giao tiếp và thúc tải, thúc mạch khác

 Khả năng chống các loại nhiễu không mong muốn xâm nhập vào mạch,làm sai mức logic

Chính vì thế mạch TTL đã ra đời, thay thế cho các mạch loại RTL, DTL MạchTTL ngoài transistor ngõ ra như ở các mạch trước thì nó còn sử dụng cả cáctransistor đầu vào, thêm một số cách nối đặc biệt khác, nhờ đó đã đảm bảo đượcnhiều yếu tố đã đề ra Hình 1.49 là cấu trúc của một mạch logic TTL cơ bản :

Mạch này hoạt động như một cổng NAND

Hai ngõ vào là A và B được đặt ở cực phát của transistor Q1 (đây là transistor cónhiều cực phát có cấu trúc mạch tương đương như hình bên )

Hai diode mắc ngược từ 2 ngõ vào xuống mass dùng để giới hạn xung âm ngõvào, nếu có, giúp bảo vệ các mối nối BE của Q1

Ngõ ra của cổng NAND được lấy ra ở giữa 2 transistor Q3 và Q4, sau diode D0

Q4 và D0 được thêm vào để hạn dòng cho Q3 khi nó dẫn bão hoà đồng thời giảmmất mát năng lượng toả ra trên R4 (trường hợp không có Q4,D0) khi Q3 dẫn.Điận áp cấp cho mạch này cũng như các mạch TTL khác thường luôn chuẩn là5V

Mạch hoạt động như sau :

Khi A ở thấp, B ở thấp hay cả A và B ở thấp Q1 dẫn điện; phân cực mạch để ápsụt trên Q1 nhỏ sao cho Q2 không đủ dẫn; kéo theo Q3 ngắt

Như vậy nếu có tải ở ngoài thì dòng sẽ đi qua Q4, D0 ra tải xuống mass Dòngnày gọi là dòng ra mức cao kí hiệu là IOH

Giả sử tải là một điện trở 3k9 thì dòng là:

Khi cả A và B đều ở cao, nên không thể có dòng ra A và B được, dòng từ nguồn

Vcc sẽ qua R1, mối nối BC của Q1 thúc vào cực B làm Q2 dẫn bão hòa

Nếu mắc tải từ nguồn Vcc tới ngõ ra Y thì dòng sẽ đổ qua tải, qua Q3 làm nó dẫnbão hoà luôn Ngõ ra sẽ ở mức thấp vì áp ra chính là áp VCE của Q3 khoảng 0,2đến 0,5V tuỳ dòng qua tải Khi này ta có dòng ra mức thấp kí hiệu là IOL Sở dĩgọi là dòng ra vì dòng sinh ra khi cổng logic ở mức thấp (mặc dù dòng này làdòng chảy vào trong cổng logic)

Ví dụ nếu tải là 470 ohm thì dòng IOL khi này là:

Vậy mạch logic ở trên có chức năng hoạt động như 1 cổng NAND 2 ngõ vàoNếu để hở hai ngõ vào A và B thì Q1 vẫn ngắt, Q2 vẫn dẫn, kéo theo Q3 dẫn khi

có tải ngoài tức là ngõ ra Y vẫn ở cao, do đó giống như trường hợp ngõ A và Bnối lên mức cao

Nếu A và B nối chung với nhau hay Q1 chỉ có 1 cực phát thì mạch NANDchuyển thành mạch NOT

Việc sắp xếp thứ tự Rc, Q4, D0, Q3 thành hình cột giống như hình cột totem pole-hình tổ vật của người Mĩ da đỏ nên dạng mạch này được gọi là mạchlogic ngõ ra cột chạm, cấu trúc của các loại cổng logic khác như and, or, exorcũng giống như vậy Tuy vậy ta cũng sẽ gặp các mạch logic có ngõ ra kiểu khácnhư mạch ngõ ra cực thu để hở, ngõ ra ba trạng thái Những mạch này ta sẽ tìmhiểu ở phần sau Riêng đối với mạch loại này, khi ngõ ra chuyển tiếp trạng thái

chạm-từ thấp lên cao có thể xảy ra trường hợp cả Q3 và Q4 cùng dẫn (Q3 chưa kịp tắt).Điều này làm cho dòng bị hút từ nguồn lớn hơn hẳn và có thể làm sụt áp nguồntrong vài ns Vấn đề này ta cũng sẽ nói kỹ hơn ở bài sử dụng cổng logic

Mạch ngõ ra cột chạm thuộc loại mạch ra kéo lên tích cực (active pull up) tức làngõ ra được cấp nguồn thông qua Q4 (linh kiện điện tử tích cực) Còn các mạchkhác như RTL, DTL ngõ ra được cấp điện thông qua R (linh kiện điện tử thụđộng)

Để tăng tốc độ chuyển mạch cao hơn hẳn loại trên, một số cải tiến mới và côngnghệ mới đã được thêm vào

Diode thường được được thay thế bởi diode schottky Cấu trúc lớp tiếp xúc loạinày là Si_Al (chất bán dẫn loại p) Áp ngưỡng chỉ còn 0,35V Kí hiệu của diodenhư

Tiếp đến, transistor được mắc thêm diode schottky giữa cực nền và cực thu nhưhình kí hiệu của transistor sẽ như hình trên

Khi này thay vì dẫn bão hoà, transistor sẽ chỉ dẫn gần bão hoà do diode đã dẫn ởkhoảng 0,3V rồi Điều này có nghĩa là transistor sẽ chuyển mạch nhanh hơn.

Quy mô tích hợp:

Các mạch cổng logic như trên được tích hợp lại thành một mạch tổ hợp bán dẫnrất rất nhỏ và được đặt vào giữa một vỏ bọc, có dây kim loại nối ra ngoài cácchân Thường thì với mạch cổng nand như ở trên sẽ có bốn mạch như thế đượctích hợp trong một vỏ bọc, chúng thuộc loại tích hợp cỡ nhỏ: small scaleintegration (SSI), một số IC đặc biệt có số cổng lớn hơn một chút hay quy môphức tạp hơn nên thuộc loại tích hợp cỡ vừa: medium scale integration (MSI).Khi nằm trong IC tích hợp, sự sắp xếp mạch và các chân ra vào cho loại cổngchuẩn này (ví dụ với loại cổng nand) sẽ là:

Có nhiều mạch khác sẽ tích hợp nhiều cổng hơn và tất nhiên thành phần chínhcủa những mạch này sẽ là các transistor và quy mô tích hợp có thể từ hàng trămđến hàng trăm triệu transistor trên một phiến bán dẫn, chỉ được đặt trong một vỏbọc không lớn quá vài xen ti mét vuông Chẳng hạn

Các mạch chuyển đổi mã, dồn tách kênh, mạch logic và số học mà chúng ta sẽtìm hiểu ở phần sau thuộc loại tích hợp cỡ vừa, một số là loại tích hợp cỡ lớn :large scale integration (LSI) vì cấu trúc mạch gồm khoảng từ 12 đến 100 cổng cơbản (MSI) hay 100 đến 1000 cổng cơ bản (LSI)

Các mạch nhớ, vi điều khiển, vi xử lí, lập trình có thể tích hợp từ hàng ngàn đếnhàng triệu cổng logic trong nó và được xếp vào loại tích hợp cỡ rất lớn (VLSI)siêu lớn (ULSI)

Các loại TTL:

 TTL ngõ ra cực thu để hở

Hình 1.56 là cấu trúc của một cổng nand 2 ngõ vào và có ngõ ra cực thu để hở.Nhận thấy trong cấu trúc của mạch không có điện trở hay transistor nối từ cựcthu của transistor ra dưới Q3 (transistor nhận dòng ) lên Vcc Khi giao tiếp tải taphải thêm bên ngoài mạch một điện trở nối từ ngõ ra Y lên Vcc gọi là điện trở kéolên (pull up resistor Rp) có trị số từ trên trăm ohm đến vài kilo ohm tuỳ theo tải

Hình 1.56 Cấu trúc của 1 cổng nand 2 ngõ vào và có ngõ ra cực thu để hở

Chẳng hạn với mạch cổng nand ở trên ta muốn điều khiển tải là một đèn led, ledsáng khi ngõ ra ở mức thấp, vậy điện trở kéo lên có thể được tính toán như sau :

Có thể dùng 270 hay 330 ohm, đây cũng chính là điện trở hạn dòng cho led

Còn khi muốn led sáng ở mức cao thì

Khi này dòng ra sẽ là

Với điện áp đặt trên led bằng áp VCE của Q3, led sẽ tắt

Bây giờ ta sẽ thực hiện nối chung nhiều ngõ ra cực thu để hở lại với nhau (chẳnghạn 3 cổng NAND) xem có gì xảy ra

Hình 1.57 Cách nối chung nhiều ngõ ra cực thu để hở

Nếu Q3 của cả 3 cổng NAND đều tắt, tức là ngõ ra đều ở cao, chúng nối chunglại với nhau, vậy ngõ ra chung tất nhiên ở cao

Khi một trong 3 cổng NAND có ngõ ra ở thấp (Q3 dẫn) thì sẽ có dòng đổ từnguồn qua điện trở kéo lên để đi vào cổng not này, vậy ngõ ra nối chung sẽ phải

ở thấp, mức thấp này không ảnh hưởng gì đến 2 transistor Q3 của 2 cổng kia cả

Như vậy ngõ ra nối chung này hoạt động như là ngõ ra của 1 cổng AND mà 3ngõ vào chính là 3 ngõ ra của các cổng nối chung ngõ ra Đây được gọi là cáchnối AND các ngõ ra lại với nhau, ta cũng có thể chuyển qua cách nối NOR theođịnh lý De Morgan.

Qua hình so sánh ở trên sẽ thấy cách dùng cổng nand thường sẽ tốn kém và phứctạp hơn cách dùng cổng nand cực thu để hở (open colector : CO) mặc dù cả 2cách đều dùng để thực hiện hàm logic

 Tổng quát cách tính điện trở kéo lên

Nói chung khi tính điện trở kéo lên thì phải xem xét đến khả năng chịu dòng củatransistor ra cổng cực thu hở cũng như điện thế VOL (max) và VOH (min) Tuỳtheo yêu cầu sử dụng, khi muốn giảm công suất tiêu tán thì có thể giảm giá trịđiện trở kéo lên, còn khi muốn tăng tốc độ chuyển mạch thì có thể tăng điện trởkéo lên tuy nhiên giá trị điện trở này phải nằm trong giới hạn giữa Rpmax vàRpmin với

Chẳng hạn với loại TTL chuẩn ra cực thu để hở nối chung lại 4 ngõ với nhau vàthúc 3 cổng TTL khác thì

Hình 1.58 Cách kết nối với điện trở kéo lên

 TTL có ngõ ra 3 trạng thái

TTL có ngõ ra 3 trạng thái (hình 1.59) là TTL có ngõ ra ở tầng cuối cùng là loại

3 trạng thái

Hình 1.59 Cấu trúc của một loại TTL ngõ ra 3 trạng thái

Có một đường điều khiển C (hay đường cho phép G) và một diode được thêmvào

Khi C ở cao, diode D không dẫn thì mạch hoạt động bình thường như cổng nand

ở trước

Bây giờ đặt C xuống thấp, chẳng hạn nối mass, lập tức Q1 dẫn, dòng đổ qua R1xuống mass, mà không đổ vào Q2 Q2 ngắt kéo theo Q3 ngắt Cùng lúc dòng quaR2 sẽ đổ qua diode D1 xuống mass, tức là Q4 cũng không dẫn

Trong điều kiện cả Q3 và Q4 đều không dẫn, ngõ ra Y chẳng nối với mass haynguồn gì cả, tổng trở ngõ ra là rất cao, đây chính là trạng thái thứ 3 của mạch.Khi này nếu có nối nhiều ngõ ra lại với nhau thì khi ở trạng thái thứ 3, các ngõ ra

sẽ không bị ảnh hưởng bởi nhau

Lợi dụng đặc điểm này ta có thể tạo nên đường bus chung

Hình 1.60 Cách tạo đường bus

Như hình 1.60 cho thấy khi C1, C2, C3 ở mức cao, ngõ ra 3 cồng này ở Z cao,nếu C0 ở mức thấp thì tín hiệu D0 sẽ được đưa tới Y

Khi C1 ở mức thấp còn các C0, C2, C3 ở mức cao thì tín hiệu D1 sẽ được đưatới Y

Tương tự khi ta đưa đường khiển của cổng nào xuống thấp thì tín hiệu đường đóđược đưa lên bus

Tuy nhiên khi đã nối chung các ngõ ra 3 trạng thái lại với nhau thì không nêncho nhiều ngõ điều khiển xuống thấp vì khi này sẽ xảy ra tình trạng tranh chấpbus

Đây có thể coi là một cách ghép kênh dữ liệu, cách này ngày nay đang được sửdụng rộng rãi, đặc biệt trong lĩnh vực máy tính

Kí hiệu cho mạch có ngõ ra 3 trạng thái là thêm dấu tam giác nhỏ như hình 1.61.Cũng cần lưu ý là ngõ điều khiển C cũng có thể tác động ở mức cao để đặt ngõ

ra ở trạng thái tổng trở cao, điều này do công nghệ chế tạo thay đổi mạch thêmmột chút

Hình 1.61 kí hiệu cho mạch ngõ ra 3 trạng thái

Phân loại TTL:

TTL bắt đầu bằng mã số 54 hay 74 Mã 54 được dùng trong quân sự hay côngnghệ cao nên không trình bày, ở đây chỉ nói đến mã 74 dùng trong dân sự haythương mại Theo công nghệ chế tạo, các loại 74 khác nhau bao gồm:

 TTL loại thường 74XX

Loại này được ra đời sớm nhất ngay từ năm 1964, là sản phẩm của tập đoànTexas Instruments Ngày nay vẫn còn dùng Loại này dung hoà giữa tốc độchuyển mạch và mất mát năng lượng (công suất tiêu tán) Nền tảng bên trongmạch thường là loại ngõ ra cột chạm như đã nói ở phần trước Một số kí hiệu chocổng logic loại này như 7400 là IC chứa 4 cổng nand 2 ngõ vào, 7404 là 6 cổngđảo,… Cần để ý là khi tra IC, ngoài mã số chung đầu là 74, 2 số sau chỉ chức

năng logic, còn có một số chữ cái đứng trước mã 74 để chỉ nhà sản xuất như SN

là của Texas Instrument, DM là của National Semiconductor,…

 TTL công suất thấp 74LXX và TTL công suất cao 74HXX

Loại 74LXX có công suất tiêu tán giảm đi 10 lần so với loại thường nhưng tốc

độ chuyển mạch cũng giảm đi 10 lần Còn loại 74HXX thì tốc độ gấp đôi loạithường nhưng công suất cũng gấp đôi luôn Hai loại này ngày nay không cònđược dùng nữa, công nghệ schottky và công nghệ CMOS (sẽ học ở bài sau) đãthay thế chúng

 TTL shorttky tiên tiến 74ASXX và 74ALSXX

Hai loại này được phát triển từ 74SXX và 74LSXX nhưng có thêm nhiều sửa đổimới trong mạch do đó có nhiều đặc điểm nổi bật hơn hẳn các loại trước

- Có hoạt động logic và chân ra nói chung là giống như các loại trước

- Giập dao động trên đường dẫn tốt hơn

- Chống nhiễu và ổn định cao hơn trong suốt cả khoảng nhiệt độ chạy

- Dòng ngõ vào giảm đi một nửa

- Sức thúc tải gấp đôi

- Tần số hoạt động tăng lên trong khi công suất tiêu tán lại giảm xuống

Điểm mạnh của nó thì có nhiều nhưng giá thành còn khá cao, nên chúng dùngchưa rộng rãi bằng 74LSXX, thường được dùng trong máy vi tính hay các ứngdụng đòi hỏi tần số cao

 TTL nhanh 74FXX

Đây là loại TTL mới nhất sử dụng kĩ thuật làm mạch tích hợp kiểu mới nhằmgiảm bớt điện dung giữa các linh kiện hầu rút ngắn thời gian trễ do truyền, tức