BÀI TẬP NHÓM MÔN KỸ THUẬT SỐ CÁC HỌ CỔNG LOGIC

BÀI TẬP NHÓM MÔN KỸ THUẬT SỐ CÁC HỌ CỔNG LOGIC

P a g e | 1 BÀI TẬP NHÓM MÔN : KỸ THUẬT SỐ CÁC HỌ CỔNG LOGIC September 16 2010 NHÓM 1 1. Phan Đắc Sơn (Nhóm trưởng) 2. Lý Đông Hà 3. Nguyễn Đức Tiến 4. Nguyễn Thanh Sơn 5. Nguyễn Thị Bích Thủy P a g e | 2 Table of Contents Table of Contents 2 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. Hình 3-1a,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 P a g e | 3 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 điểm này 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 mạch nhanh; • Công suất tiêu thụ nhỏ. Nhược điểm : • Độ phòng vệ nhiễu thấp (V RL lớn) ; • Hệ số ghép tải nhỏ. Để cải thiện độ phòng vệ nhiễu ta có thể ghép nối tiếp ở mạch ra một diode. Tuy nhiên, khi đó V RH cũng bị sụt đi 0,6V. II. Họ DTL Để thực hiện chức năng đảo, ta có thể đấu nối tiếp với các cổng DDL một transistor công tác ở chế độ khoá. Mạch cổng như thế được gọi là họ DTL (Diode Transistor Logic). Ví dụ, hình 3-2a, b là các cổng NOT, NAND thuộc họ này. Hình 3-2. Sơ đồ mạch điện của họ cổng TDL. P a g e | 4 Trong hai trường hợp trên, nhờ các diode D2, D3 độ chống nhiễu trên lối vào của Q 1 được cải thiện. Mức logic thấp tại lối ra f giảm xuống khoảng 0,2 V ( bằng thế bão hoà U CE của Q 1 ). Do I RHmax và I RLmax của bán dẫn có thể lớn hơn nhiều so với 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 phức tạp hơn. Vì tải của các cổng là điện trở nên hệ số ghép tải (đặc biệt đối với N H ) còn bị hạn chế, mặt khác trễ truyền lan của họ cổng này còn lớn. Những tồn tại trên sẽ được khắc phục từng phần ở các họ cổng sau. III. Họ RTL Họ RTL (Resistor Transistor Logic) là các cổng logic được cấu tạo bởi các điện trở và transistor. Hình 3-3 là sơ đồ của một mạch NOT họ RTL. Khi điện áp lối vào là 0 V, điện áp trên base của transistor sẽ âm nên transistor cấm như vậy lối ra trên collector của transistor sẽ ở mức cao. Do lối ra này được nối lên nguồn +5 V thông qua diode D nên giá trị điện áp lối ra lúc này khoảng 5,7 V, nhận mức logic cao. Khi điện áp lối vào là 5 V do hai điện trở lối vào có giá trị lần lượt là 1 k và 10 k, nên điện áp tại base sẽ đủ lớn để làm transistor thông làm cho điện áp lối ra là 0 V. Như vậy logic lối ra sẽ là đảo của logic của tín hiệu lối vào. Tương tự như mạch hình 3-3, nếu một điện trở được nối thêm ở lối vào như hình 3-4 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. P a g e | 5 A (V) B (V) F (V) 0 0 5,7 0 5 0 5 0 0 5 5 0 P a g e | 6 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 có khả năng thực hiện chức năng logic như các cổng logic trong vi mạch TTL: P a g e | 7 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 sử dụng trạng thái ngắt dẫn của transistor (hình 1.47). Hai ngõ vào là A và B, ngõ ra là Y. Phân cực từ hai đầu A, B để Q hoạt động ở trạng thái ngắt và dẫn bão hoà Cho A = 0, B = 0  Q ngắt, Y = 1 A = 0, B = 1  Q dẫn bão hoà, Y = 0 A = 1, B = 0  Q dẫn bão hoà, Y = 0 A = 1, B = 1  Q dẫn bão hoà, Y = 0 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 được xếp vào dạng mạch RTL Với hình trên, nếu mạch chỉ có một ngõ vào A thì khi này sẽ có cổng NOT, còn khi 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 (hình 1.48) Khi A ở thấp, B ở thấp hay cả 2 ở thấp thì diode dẫn làm transistor ngắt do đó ngõ ra Y ở cao. Khi A và B ở cao thì cả hai diode ngắt => Q dẫn => y ra ở thấp P a g e | 8 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 nhưng chỉ 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 tố khác 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 năng lượng 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. Mạch TTL ngoài transistor ngõ ra như ở các mạch trước thì nó còn sử dụng cả các transistor đầu vào, thêm một số cách nối đặc biệt khác, nhờ đó đã đảm bảo được nhiều 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 có nhiều 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 ngõ vào, 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 P a g e | 9 Q4 và D0 được thêm vào để hạn dòng cho Q3 khi nó dẫn bão hoà đồng thời giảm mất 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 là 5V 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 áp sụt 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. Dòng này gọi là dòng ra mức cao kí hiệu là I OH 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 V cc sẽ qua R1, mối nối BC của Q1 thúc vào cực B làm Q2 dẫn bão hòa. Nếu mắc tải từ nguồn V cc tới ngõ ra Y thì dòng sẽ đổ qua tải, qua Q3 làm nó dẫn bão hoà luôn. Ngõ ra sẽ ở mức thấp vì áp ra chính là áp VCE của Q3 khoảng 0,2 đến 0,5V tuỳ dòng qua tải. Khi này ta có dòng ra mức thấp kí hiệu là I OL . Sở dĩ gọi là dòng ra vì dòng sinh ra khi cổng logic ở mức thấp (mặc dù dòng này là dòng chảy vào trong cổng logic) Ví dụ nếu tải là 470 ohm thì dòng I OL khi này là: Vậy mạch logic ở trên có chức năng hoạt động như 1 cổng NAND 2 ngõ vào Nếu 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 B nối lên mức cao. Nếu A và B nối chung với nhau hay Q1 chỉ có 1 cực phát thì mạch NAND chuyển thành mạch NOT P a g e | 10 Việc sắp xếp thứ tự Rc, Q4, D0, Q3 thành hình cột giống như hình cột chạm- totem pole-hình tổ vật của người Mĩ da đỏ nên dạng mạch này được gọi là mạch logic ngõ ra cột chạm, cấu trúc của các loại cổng logic khác như and, or, exor cũng giống như vậy. Tuy vậy ta cũng sẽ gặp các mạch logic có ngõ ra kiểu khác như mạch ngõ ra cực thu để hở, ngõ ra ba trạng thái. Những mạch này ta sẽ tìm hiểu ở phần sau. Riêng đối với mạch loại này, khi ngõ ra chuyển tiếp trạng thái 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 nguồn trong 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 là ngõ ra được cấp nguồn thông qua Q4 (linh kiện điện tử tích cực). Còn các mạch khác như RTL, DTL ngõ ra được cấp điện thông qua R (linh kiện điện tử thụ động) Để tăng tốc độ chuyển mạch cao hơn hẳn loại trên, một số cải tiến mới và công nghệ mới đã được thêm vào Diode thường được được thay thế bởi diode schottky. Cấu trúc lớp tiếp xúc loại này là Si_Al (chất bán dẫn loại p). Áp ngưỡng chỉ còn 0,35V. Kí hiệu của diode như Tiếp đến, transistor được mắc thêm diode schottky giữa cực nền và cực thu như hình. kí hiệu của transistor sẽ như hình trên. [...]... dẫn Các cổng đảo (trong sơ đồ ký hiệu) đảm bảo cực tính điều khiển phù hợp cho cả hai cực G của mỗi MOSFET Tính dẫn điện của cổng truyền dẫn phụ thuộc mạnh vào tần số công tác và giá trị tải Vì sử dụng công nghệ CMOS nên tần số công tác của cổng chỉ giới hạn ở 6 MHz Họ CMOS cũng có cổng D để hở và cổng ba trạng thái như họ TTL VI Họ ECL ECL (Emitter Coupled Logic) là họ cổng logic có cực E của một số. .. với nhau Họ mạch này cũng sử dụng công nghệ TTL, nhưng cấu trúc mạch có những điểm khác hẳn với họ TTL Ngoài việc sử dụng hồi tiếp âm trên điện trở RE để chống bão hoà, mạch điện của họ ECL còn tận dụng được ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai, nên tần số công tác họ này là cao nhất trong các họ Ngoại trừ thời gian trễ, tất cả các tham số còn lại đều kém hơn các họ khác P a g e | 23 Hình 3-16 Cổng OR/NOR... nghệ CMOS, người ta sản xuất loại cổng có thể cho qua cả tín hiệu số lẫn tín hiệu tương tự Bởi vậy cổng được gọi là cổng truyền dẫn Sơ đồ nguyên lý và ký hiệu cổng truyền dẫn như hình 3-15 Hình 3-15 Cổng truyền dẫn Mạch nguyên lý của cổng truyền dẫn cũng sử dụng hai MOSFET có kênh dẫn ngược nhau Tuy nhiên cách điều khiển trạng thái các chuyển mạch lại khác với cổng logic thông thường Trong trường hợp... transistor Q3 của 2 cổng kia cả P a g e | 14 Như vậy ngõ ra nối chung này hoạt động như là ngõ ra của 1 cổng AND mà 3 ngõ vào chính là 3 ngõ ra của các cổng nối chung ngõ ra Đây được gọi là cách nối AND các ngõ ra lại với nhau, ta cũng có thể chuyển qua cách nối NOR theo định lý De Morgan Qua hình so sánh ở trên sẽ thấy cách dùng cổng nand thường sẽ tốn kém và phức tạp hơn cách dùng cổng nand cực thu... Chính vì thế mà công suất tiêu thụ của họ cổng, đặc biệt trong trạng thái tĩnh là rất bé Hình 3-14 là mạch điện của cổng NOT và NAND thuộc họ CMOS Điểm nổi bật trong mạch điện của họ cổng này là không tồn tại vai trò các điện trở Chức năng logic được thực hiện bằng cách thay đổi trạng thái các chuyển mạch có cực tính ngược nhau Dấu trừ và dấu cộng trên cực cửa các MOSFET chỉ ra cực tính điều khiển chuyển... rất phổ biến để xây dựng mạch điện các loại cổng logic Đặc điểm chung và nổi bật của họ này là: Mạch điện chỉ bao gồm các MOS FET mà không có điện trở Dải điện thế công tác rộng, có thể từ +3 đến +15 V P a g e | 20 Độ trễ thời gian lớn, nhưng công suất tiêu thụ rất bé Tuỳ theo loại MOS FET được sử dụng, họ này được chia ra các tiểu họ sau • Loại PMOS Mạch điện của họ cổng này chỉ dùng MOSFET có kênh... TTL kể trên Còn bảng dưới đây tóm tắt các thông số điện thế và dòng điện ở ngõ vào và ngõ ra của các loại TTL kể trên Theo kiểu ngõ ra, như đã tìm hiểu ở trên TTL gồm loại: Ngõ ra cột chạm Ngõ ra cực thu để hở Ngõ ra 3 trạng thái Ngoài ra cũng có một số loại TTL được chế tạo dùng cho chức năng riêng như cổng đệm, cổng thúc, cổng nảy schmitt trigger, cổng AOI, V Họ MOSFET Bán dẫn trường (MOS FET) cũng... chuyển đổi mã, dồn tách kênh, mạch logic và số học mà chúng ta sẽ tìm 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 cơ bản (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 đến hàng triệu cổng logic trong nó và được xếp vào loại... suất tiêu tán) Nền tảng bên trong mạch thường là loại ngõ ra cột chạm như đã nói ở phần trước Một số kí hiệu cho cổng logic loại này như 7400 là IC chứa 4 cổng nand 2 ngõ vào, 7404 là 6 cổng đảo,… Cần để ý là khi tra IC, ngoài mã số chung đầu là 74, 2 số sau chỉ chức P a g e | 18 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... loại P Công nghệ PMOS cho phép sản xuất các mạch tích hợp với mật độ cao nhất Hình 3-12 là sơ đồ cổng NOT và cổng NOR loại PMOS Ở đây MOSFET Q2, Q5 đóng chức năng các điện trở Hình 3-12 Mạch điện của cổng NOT và NOR theo công nghệ PMOS • Loại NMOS Hình 3-13 Mạch điện cổng NAND và NOR theo công nghệ NMOS Hình 3-13 là sơ đồ cổng NAND và NOR dùng NMOS Dấu + trên các lối vào muốn chỉ cực tính của tín hiệu . P a g e | 1 BÀI TẬP NHÓM MÔN : KỸ THUẬT SỐ CÁC HỌ CỔNG LOGIC September 16 2010 NHÓM 1 1. Phan Đắc Sơn (Nhóm trưởng) 2. Lý Đông Hà 3. Nguyễn Đức Tiến 4. Nguyễn. truyền lan của họ cổng này còn lớn. Những tồn tại trên sẽ được khắc phục từng phần ở các họ cổng sau. III. Họ RTL Họ RTL (Resistor Transistor Logic) là các cổng logic được cấu tạo bởi các điện trở. khảo 23 I. Họ DDL DDL (Diode Diode Logic) là họ cổng logic do các diode bán dẫn tạo thành. Hình 3-1a,b là sơ đồ cổng AND, OR 2 lối vào họ DDL. Hình 3-1. Mạch điện cổng AND và OR họ DDL. Bảng