Cơ sở kĩ thuật điện tử số giáo trình tinh giản phần 1 đh bách khoa hà nội

LỜI GIỚI THIỆU Cừ.ng với tiến khoa học công nghệ, thiết bị điện tử tiếp tụ c dược ứng dụng ngày rộng rải vầ mang lại hiệu quà cao hầu hét căc lỉnh vực kinh té k ỉ thuật đời sống xã hội Việc gia công xử lí tín hiệu cảc thiét bị diện tử dại đầu dựa sơ ngun lí số vĩ cảc thiểt bị làm việc dựa sô nguyên li số có ưu điềm hân thiết bị điện tủ làm việc sỏ nguyên lí tương tựj đặc biệt k i thuật tính toản Bỏỉ hiểu biết sâu sác vè điện tủ số không thề thiếu dược dối vôi k ỉ sư diện tử Nhu cầu hiều biết vè kỉ thuật số khơng phải riêng dối vói k ỉ sư điện tủ mà cịn đói với nhiều cán kỉ thuật ngành khấc có sử dụng thiết bị điện tử, Để đáp ứng nhu càu lón lao nhyt anh Vủ Đức Thọ cán giảng dạy Khoa Điện tử - Viễn thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội chọn dịch "Cơ 8Ỏ kỉ thuật điện tử số - Giáo trình tinh giản'' Bộ môn Điện tủ Trường dại học Thanh Hoa B&c Kinh "Cơ sỏ kỉ thuật điện tử 8Ố - Giảo trĩnh tinh giản'' tập giảo trình soạn thảo đ ề dạy cho sin h viên Trường Đại học với thời gian 120 tiết (không ké thời gian thực nghiệm), Giảo trĩnh giói thiệu cách hệ thống phần tử chn dũng mạch điện tử số, két hợp vói m ột s6 mạch điền hĩnh, giải thích khái niệm uè cổng điện tủ số, phương pháp phân tích củng cức phương phảp thiết ké logic Tồn giảo trình bao gịm kiến thức co vầ cẩu kiện bán dâriy mạch cống logic, sỏ đại số logic, mạch logic tổ hợp, mạch trigơt mạch logic dãy, sản sinh tín hiệu xung củng sửa dạng xung, câc khái niệm vè chuyển đồi số - tương tụ tương tự " số Tăt gịm chương Sau chương dầu cỏ phần tóm tàt nội dung d ề dộc giả dẻ dàng ghi nhớ, câu hỏi gợi ý tập để dộc giả kiềm tra mức độ nảm kiến thức sau học chương, Cách cáu trúc giáo trình logic từ đơn giản đến phức tạp, từ dễ dén khó, phần trưóc tạo tiền dầ kiến thức cho phần sau Cách trình bầy văn đẽ rõ ràng khúc triết Nội dung chương rát ch&t lọc, bỏ qua dẫn d ả i toản học dài dbngy văn đảm bảo tính bản, cót lõi vấn đè, khái niệm nhăn mạnh mức, Trên sỏ kiến thức kinh điển giáo trình có gắng tiếp cận cảc ván đầ đại, địng thời liên hệ vói thực tế k ỉ thuật, v í dụ giảo trình bỏ qua mạch diện xăy dụng sỏ cáu kiện rời rạc mà chả yếu nói vè mạch điện xây dựng sỏ mạch tổ hợp vi điện tủ (IC) Trong chủ yếu giới thiệu hệ thống xây dựng sỏ IC cỡ nhô uà cờ trung bĩnh thích dáng đè cập đến hệ thống xây dụng sỏ IC cỡ ¿ớn uà siêu lớn, Chúng nghỉ, dọc giáo trĩnh này, độc giả mau chóng nằm dược văn dầ cốt lơi kỉ thuật diện tử số, tăng cường lực giải ván đè kĩ thuật thực tế bòi dưỡng lực tự học Bởi sách giảo trình trước hết thích hạp cho độc giả muốn tự học Các học sinh cao đâng k i thuật ngành Diện tử - Vién thông, làm tài liệu bổ trạ cho sinh viên cảc trường đại học, nói chung cho tá t cd quan tăm đến k i thuật điện tử số Cũng cần nói thêm thuật ngữ tiếng Việt chúng tơi dùng dịch vào thuật ngữ dùng trình giảng dạy Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, có thuật ngữ chưa thỏa đáng, mong dộc giả gàn xa góp ý kiến Các ý kiến xin gửi uề Khoa Điện tủ - Viễn thõng, Trường Dại học Bách khoa Hà Nội Nỉià xuất Giáo dục Xin trăn trọng cám an ĐỔ XUÂN THỤ Chủ nhiệm K H O A Đ IỆ N T Ử - VIỄN THƠ N G T R Ư ỏíN G Đ Ạ I H Ọ C BÁCH K H O A HÀ NỘI Chương NHÚNG KIỂN THÚC cờ BẨN VỀ CẤU KIỆN BÁN DẪN 1.1 CẤC KIỂN THÚC CO BẨN v l VẬT LIỆU BẮN DẪN 1.1.1 Vật liệu dẫn điện, cách điện bán dẫn TVong đời sống hàng ngày thực tiễn sản xuất, người đểu biết ràng, bạc nhồm sát vật ỉiệu dẫn điện tốt ; nhựa, sứ, da, thủy tinh vật liệu cách điện tốt (dù cho có cao áp đặt vào khơng cđ dịng điện chạy qua chúng ) Đặc tính dẫn điện vật liệu bán dẫn nằm dẫn điện cách điện Vì vật ỉiệu lại cổ tính dẫn điện khác ? nguyên nhân d cách liên kết nguyên tử với kết cấu thân nguyôn tử vật liệu Chúng ta đéu biết rầng, nguyên tử tạo thành từ hạt nhân mang điện dương điện tử mang điện âm, điện tử chia thành nhiổu tẩng vây quanh hạt nhân không ngừng chuyển động Vật liệu dân điện : So sánh tương đổi với vật dẫn khác, kim loại, cácđiện tử lớp nguyên tử bị hạt nhân hút yếu ; cđ nhiểu điện tử khổng bị ràng buộc với hạt nhân trở thành điện tử tự Những điện tử tự trở thành hạt dẫn mang điện Dưới tác dụng điện trường ngồi, chúng dichuyển ctí hướng hinh thành dòng điện Do đổ kim ỉoại dẫn điện tốt Vật liệu cách điện : Trong vật liệu cách điện, lực ràng buộc với hạt nhân điện tử lớn ; chứng khd cđ thể tách khỏi hạt nhân, nên số điện tử tự ; đd tính dẫn điện Vật liệu bán dán : Cấu trúc nguyéxi tử vật liệu bán đẫn Các điện tử lớp ngồi khơng dễ dàng tách khỏi liên kết với hạt dẫn điện, mà không ràng buộc chặt với hạt nhân Do đó, đặc tính dẫn điện nd nàm vật liệu dẫn điện tương đối đặc biệt nhân vật liệu vật ỉiộu cách điện vật liệu cách điện 1.1.2 Hiện tượng dẫn điện vật liệu bán dẫn Vật liệu bán dẫn thuẩn khiết gọi bán dẫn mà đặc trưng tính bán dẫn phụ thuộc nguyên tố hốa học Hạt dẫn điện bán dẫn ỉà điện tử 16 trống Lỗ trổng Để làm rõ lỗ trống gì, đẩu tiên ta quan sát cấu trúc nguyên tử hai nguyên tố bán dẫn Ge Si biểu thị hình 1.1.1 Chúng đặc điểm chung tẩng cố điện tử Các điện tử gọi điện tử hđa trị Nguyên tử cđ hda trị bàng số điện tử hđa trị chúng Vậy Ge Si nguyên tố hda trị Khi vật liệu bán dẫn Ge, Si chế tạo thành tinh thể từ trạng thái xếp lộn xộn thông thường, chúng trở thành '° s \\ // '\ ' trạng thái hoàn toàn trật tự cấu trúc tinh thể nguyên tử Khi đđ, khoảng cách nguyên tử đêu bàng nhau, ^ vào khoảng 2,35 , 10""^ /ím Bốn điện tử lớp ngồi nguyên tử không (b) (^) chịu ràng buộc với hạt nhân thán nguyên tử đd, mà liên kết với nguyên tử gần kẽ xung quanh Hai ngun uA • f , I , Hình -1 -1 Sơ đồ cáu trúc phẳng cùa nguyên tủ tử đứng canh co môt đôi điên tử gịp \ ° * • r gị ngun lử Ge(b) chung Mỗi điện tử đôi vừa chuyển động quanh hạt nhân nguyên tử nd, vừa cd mặt quỹ đạo nguyên tử đối tác gdp chung Sự liên kết gọi liến kết hda trị Xem hỉnh 1.1.2 , , , A e - / N ' * ' o' ' I ’ A A \ o-*—/0 ĩrong ’ ^ ị » ' í I ' í I I I 'Ac _ / ' ™ / u s / ' \ I ®‘ ■ '7 ^ 'í Hình I - ỉ - Sơ đồ biểu thị mối liên kết hóa trị linh th ẻ Si / Hình - - So đổ cấu trú c tinh th ẻ bán đẫn nhiệt độ định, chuyển động nhiệt, số điện tử gdp chung thoát khỏi ràng buộc với hạt nhân trở thành điện tử tự do, đd hạt dẫn điện tử Điều đáng ý là, sau điện tử gđp chung đôi trở thành điện tử tự để lại lỗ trống, hình 1.1.3 biểu thị Đâ cđ lỗ trống thế, điện tử góp chung đơi kề cận dễ dàng rơi vào lỗ trống đ ó , tạo thành di chuyển điện tử gdp chung Sự di chuyển này, dù xét vể hiệu hay xét tượng, giống di chuyển hạt mang điện tích dương Để phân biệt với di chuyển điện tử tự do, ta gọi lỗ trống Hạt mang điện tích dương lỗ trống di chuyển Vậy lỗ trống loại hạt mang điện Khi đật điện áp lên vật liệu bán dẫn, cd hai thành phẩn dòng điện chạy qua nđ : thành phẩn dòng điện điện tử tự di chuyển cđ hướng thành phẩn dòng 16 trống điện tử gtíp chung dịch lấp lỗ trống Sự khác hai thành phẩn điện tử mang điện âm, lỗ trống mang điện duớng Vậy vật liệu bán dẫn, cd hạt dẫn điện tử, mà cịn có hạt dẫn lỗ trống Đố đặc điểm quan trọng dẫn điện bán dẫn Vật chất vận động không ngừng, chuyển động nhiệt làm cho vật liệu bán dẫn khồng ngừng sản sinh điện tử tự thời xuất lỗ trống cố số lượng tương ứng Vì điện tử lỗ trống sinh thành cặp, nên ta gọi chúng cặp điện tử - lỗ trống Mặt khác, trỉnh vận động, điện tử lỗ trống gặp nhau, trung hịa điện tích Q trình ngược lại đđ gọi tái hợp Sự phát xạ tái hỢp cặp điện tử - lỗ trống thường cân điểu kiện nhiệt độ định Khi ấy, trình phát xạ tái hợp không ngừng diễn ra, số cặp điện tử - lỗ trống giữ nguyên giá trị đđ 1.1.3 Hiện tượng dẫn điện bán dẫn pha tạp Sự phân tích bán dẫn đơn tinh thể Trong loại vật liệu đố, cđ thêm hạt mang lỗ trống, số lượng tồn thể hạt mang ít, khả dẫn điện kém, cho nêĩi ứng dụng ít, nhờ phương pháp khuếch tán tạp chất có ích vào bán dẫn đơn tinh thể nên điều chỉnh xác đặc tính điện vật liệu bán dẫn Ví dụ, khuếch tán lượng nhỏ B vào đơn tinh thể Si số lượng hạt mang 16 trống vật liệu bán dẫn tăng mạnh, làm cho khả dẫn điện tăng mạnh, nhờ vật liệu bán dẫn cđ ứng dụng vô quan trọng Chăt bán dẫn p Hình 1.1.4 (a) trình bày sơ đổ cấu trúc liên kết htía trị nguyên tử Si B tạo sau khuếch tán B vào đơn tinh thể Si Hình -1 -4 Khuếch lán tạp chất vào 0@)@)CZ3@C* ^ í® n lính thẻ Si : a) Khuếch tán B tạo thành •>@ €I^(l)£Z3ẳC* •>ặ>c3ỈB cz3>© c- bán dẫn p ; b) Khuếch tán p tạo thành bán dẫn N +5 D©) (b) (Mũi tỄn vào điện tử) Vì Số lượng nguyên tử B nhỏ so với Si nên cấu trúc tinh thể bán dẫn không đổi Ta biết rằng, B nguyên tố hđa trị 3, ctí ba điện tử lớp Nên nđ với nguyên tử Si tạo thành liên kết hda trị hình thành lỗ trống líhuếch tán tạp chất B rổi nguyên tử B cung cấp lỗ trống, làm cho số lượng hạt mang lỗ trống đơn tinh thể Si tăng lên nhiều Vật liệu bán dẫn ỉoại khơng có điện tử tự do, dẫn điện chủ yếu dựa vào lỗ trống, nên gọi vật liệu bán dẫn 16 trống, gọi tất chất bán dẫn p Trong chất bán dẫn p, nồng độ lỗ trống lớn nhiổu nổng độ điện tử, nên lỗ trống gọi hạt mang đa số, điện tử hạt mang thiểu số Chất bán dẫn N Nếu khuếch tán nguyên tố hđa trị p, Zn vào đơn tinh thể Si xảy tình hình khác hẳn Sau nguyên tử Si vàp tạo thành liên kết hda trị, chi có điện tử lớp ngồi p tham gia liên kết, cịn lại điện tử ràng buộc yếu với hạt nhân dễ dànê trở thành điện tử tự Vậy loại bán dẫn này, số lượng hạt mang điện tử nhiều, chúng hạt mang đa số ; số lượiig hạt mang lỗ trống ít, chúng hạt mang thiểu sổ Chất bán dẫn dẫn điện đượe chủ yếu dựa vào điện tử, nên gọi vật liệu bándẫnđiện tử, gọi tát chất bán dẫn N Xem bình 1 4b 1.2 ĐIỐT BÁN DẪN 1.2.1 Đặc tính chuyển tiếp PN 1) Chuyển động hạt dẫn chuyền tiểp PN Khi chất bán dẫn p ghép với chất bán dẫn N thành khối tất yếu xảy khuếch tán hạt dẫn nồng độ không đểu chúng : lỗ trống khu vực p khuếch tán sang khu vực N, điện tử khu vực N khuếch tán sang khu vực p Xem hình a, b Nhờ trỉnh khuếch tán mà lỗ trống khu vực p giảm nhỏ tạo thành vùng ỉon âm, điện tử khu vực N giảm nhỏ tạo thành vùng ion dương / ,e e \© fe ° „ © ° Q ,© b) Bán dẫn N a) Bán dẫn p ; t^ũng nghẽo kiệt khu p „© khu N \© Q Ị e © e- ° e- ©'■© ©© © j e r © ^ © - o - ° °0 © © © © © 1đ â ^ đ Vy nờn sinh điện trưòng c) Chuyển liếp PN ỏ trạng thái cân hai bên vùng tiếp giáp Điện trường có hướng ngược lỉình -2 -1 Chuyẻn động hạt dẫn chuyển liếp PN với hướng khuếch tán dịng (Mũi tơn dưóí điện tiiíịng trong) điện, mũi tên từ khu vực N sang khu vực p hình c rõ Điện trường cản trở sựkhuếch tán củalỗ trống sang khuvực N điện tử sang khu vực p Trạngtháicân động xảy khiđiện tích khơng gian vùng tiếp giáp khơng tăng Khi cân bàng động, vùng tiếp giáp hình thành thiếu vắng hạt dản, hình c biểu thị, vùng gọi vùng điện tích khơng gian, hay cịn gọi vùng nghèo kiệt, đđ chuyển tiếp PN, độ rộng ntí chừng vài mươi ^m, cố thể cho bao gổm ion không th ể di chuyển Khi cân bầng động, qua chuyển tiếp PN không cđ khuếch tán hạt dẫn đa số (lỗ trống khu vực p điện tử khu vực N), mà cịn cđ trơi dạt hạt dẫn thiểu số (điện tử khu vực p lỗ trống khu vực N) Sự trôi dạt di chuyển hạt dẫn định hướng điện trường Điện trường cản trở khuếch tán hạt dẫn đa số, mà lại trỢ giúp trôi dạt cùa hạt dẫn thiểu số sang phía khu vực đổi phương Vậy trạng thái cân động, ngồi dịng điện khuếch tán lỗ trống từ khu vực p sang khu vực N, cịn cđ dịng điện trơi dạt iỗ trống theo hướng ngược lại, tất nhiên vể số trị Tương tự, dịng điện khuẽch tán dịng điện trơi dạt điện tử cững triệt tiêu Vậy nên khồng ctí dịng điện chạy qua chuyển tiếp PN điểu kiện khơng cđ tác động đỉện trường ngồi hay yếu tổ kích hoạt khác (chẳng hạn kích quang) 2) Chuyển tiếp PN có điện áp thuận đặt vào Hỉnh 1.2.2 biểu thị điện trường hướng thuận đặt vào chuyển tiếp PN : cực dương nguổn nối vào p, cực âm nguổn nối vào N Khi đd, điện trường ngược hướng với điện trường trong, làm suy yếu điện trường trong, nên điện tích khơng gian bể rộng vùng nghèo kiệt giảm nhỏ ; điận tử khu vực N lỗ trổng khu vực p đểu dễ dàng vượt qua chuyển tiếp PN, hlnh thành dòng điện khuếch tán lớn Vể dịng điện trơi dạt số hạt dẫn thiểu số tạo ra, ảnh hưởng nd dịng điện tổng khơng đáng kể Vậy chuyển tiếp PN cd điện áp thuận đặt vào biến thành trạng thái dẫn điện, điện trở nđ đd bé vũng nỹhèo Kỉẹt 1- H !â' â1 Ă0 đ N !â đ! -— £ tro/7ff ĩ - ^ _ «Ũ y ^ ^-2-2- Diện trưịng ngồi hng thuận, 3) Chuyển tiếp PN có điện áp nghịch đặt vào Hlnh 1.2.3 biểu thị điện trường hướng nghịch đặt vào chuyển tiếp PN : Cực dương nguổn nối vào N, Cực âm nguổn nối vào p Khi đd, điện trường hướng với điện trường trong, làm cho điện tích khống gian bề rộng vùng nghèo kiệt đểu tăng lên, gây khổ khăn cho khuếch tán, dòng điện khuếch tán giảm nhỏ nhiéu Dịng điện trơi dạt không đổi, phẩn chủ yếu dòng điện tổng qua chuyển tiếp PN Dòng điện (khi cđ điện áp nghịch đặt vào) gọi dịng điện nghịch Khi nhiệt độ khơng đổi nổng độ hạt dẫn thiểu số vúnfnỹhẽo klỀt © © © e! © ®! N 0 !0 "Ì© !© ự E ngoỡ/ I i tíình D ỉện irưịng ngồi hưóng nghịch :hơng đổi, nên dịng điện nghịch khồng phụ thuộc điện áp nghịch đặt vào (trong í ới hạn định), dịng điện nghịch gọi dòng điện bão hòa Ighịch Vỉ số lượng hạt dẫn thiểu số nhỏ, dòng điện nghịch nhỏ, nhỏ xấp ;ỉ Vậy chuyển tiếp PN cổ điện áp nghịch đặt vào biến thành trạng thái ngát 1.2.2 Cấu trúc điốt đặc tuyến Von “ ampe m n h -2 -4 , ' c i trú c kí hiệu đ iố i bán dẫn d S ỵ dơlì onof a) ìoại tiếp xúc điểm : CQỲô't \ b) ioại liếp xúc mặt ; * ^ /ơp bao vẹ y dân Si ỉo iP c) ỉoại bé mặt ; d ) kí hiệu ữ hợp ddydân caiot kim Àl c/ĩơỊ/ển Ỉiỉp PN Si ío o iN (0 ) ^hộp kim Aơ-Sâ day don eõt (t>) w {dì 1) Cấu trúc điốt Điốt bán dẫn chuyển tiếp PN ctí thêm dây dẫn vỏ bọc bảo vệ , Lem hình 1.2.4 Đặc điểm điốt loại tiếp xúc điểm diện tích chuyển tiếp PN nhỏ, hế điện dung chuyển tiếp PN nhỏ, thích hợp với tần số cao (vài tram ilHz) Đặc điểm cùa đi6 t loại tiếp xúc mặt diện tích chuyển tiếp PN lớn, cho )hép dòng điện hướng thuận đạt lớn, thứờng dùng làm bống chinh lưu (nấn dòng) ; ihưng điện dung chuyển tiếp PN lớn, chi làm việc với tần số tương đối hấp Điổt mặt Si cđ diện tích chuyển tiếp PN lớn, cd dòng qua lớn, phù lỢp yêu cẩu chỉnh lưu cơng suất lớn Điốt tiếp điểm Si có diện tích chuyển tiếp ương đối nhỏ, điện dung chuyển tiếp PN nhỏ, nên thường làm btíng chuyển nạch (nối - ngắt mạch) mạch số, mạch xung 2) Đặc tuyẽn von - ampe điốt Quan hệ dòng điện qua điốt chuyển tiếp PN điện áp cực anốt cùa nđ biểu thị công thức sau : :atốt qv V I = I (eVx - 1) = I (e KT - _ 1) I : dòng qua điốt, Ig : dòng điện bão hịa nghịch V : điện áp ngồi đặt cực điốt KT Vt = : đương lượng điện áp nhiệt độ, với K = 1,381 10^^ J/K 10 q = , ,-19 c Vậy = 11600 nhiệt độ phòng 300K V, = 26 mV / ( ) đặc tính von- ampe điốt bán dẫn lý tưởng (cịn gọi phương trình điốt bán dẫn) Khi điện áp thuận đặt vào V lớn V mA 30 V + 0—w—® gấp vài lẩn VT> e^T > thỉ đặc tuyến von-am pe điốt hàm số mũ,biểu Va iỉO 10 thị thành đoạn OA hlnh 1.2.5 Khiđiện n g A t/ìự ậ '^ 20 100 \Ịo 0.5 V áp nghịch đặt vào lớn, = , I = - Ig nhiệt độ xác định Ig khơng đổi (khồng đổi phụ thuộc V), biểu thị thành đoạn OB hình 1.2.5 ’ dịng ỉĩghịch f'.o V[y) '■A Hĩnh -2 -S Đ ặc tuyến V - A Diốt a) Phần dịng thuận : đoạn^^trên hình 1.2.5 Khi điện áp thuận tương đối nhỏ, điện trường khồng áp đảo điện trường trong, mà điện trường ngăn trở dòng điện khuếch tán, nên dòng điện thuận nhỏ, điốt thể điện trở lớn Khi điện áp thuận vượt giá trị xác định (Vjj gọi điện áp mở, phụ thuộc vào nhiệt độ vật liệu bđng bán dẫn) thỉ điện trường bị khắc phục, điện trở điốt nhỏ, dòng điện thuận tăng nhanh theo điện áp điốt Si thường 0,5V, vùng chết điốt Ge khơng rõ vậy, nên cho Vq điổt Ge xấp xỉ 0,1 V b) Phần dịng nghịch : đoạn(g)trên hình 1.2.5 Khi đặt điện áp nghịch lên điốt, dòng điện nghịch bé nhiệt độ nhau, dòng nghịch điốt Si nhỏ nhiểu so với điốt Ge (cấp /iA điốt Ge, cấp nA điốt Si) Dòng điện nghịch điốt cổ đặc điểm : tăng nhanh theo nhiệt độ, giới hạn định điện áp khơng phụ thuộc vào điện áp c) Phần đánh thủng : đặt điện áp nghịch lớn đến giá trị xác định lên điốt, thỉ mổi liên kết hda trị bị phá hoại, bứt nhiễu điện tử, lượng hạt dẫn thiểu số tăng vọt Điện trường mạnh làm cho điện tử va đập vào nguyên tử, sinh cặp điện tử - lỗ trống mới, tăng vọt số lượng hạt dẫn Hai yếu tố dẫn đến tượng đánh thủng điện (Xem hình 1.2.5) Tương ứng, Vg gọi điện áp nghịch đánh thủng Nếu điện áp nghịch đặt vào điốt xấp xỉ lớn Vg, lại không cđ biện pháp hạn chế dịng điện cách thích hợp thỉ dòng điện lớn, điện áp cao làm điốt bán dẫn nống hỏng vĩnh viễn, đánh thủng nhiệt Vì điện trở dây dẫn nối thân vật liệu bán dẫn, cịn có nhiều nhân tố khác ảnh hưởng, dòng điện dò chẳng hạn, nên đặc tuyến V - A điốt thực đo có khác nhiều so với đặc tuyến V A lí tưởng (1.2.1) 11 4.6 BỘ CHỌN KÊNH Bộ chọn kênh gọi dổn kênh (MUX), gọi chọn liệu (DATA SELECTOR) Bộ chọn kênh thực dạng mạng cổng NORAND (hay ORAND) ứ n g dụng nd rộng Chức logic chọn kênh Àưòi điểu khiển tín hiệu chọn (n đấu vào điểu khiển) thực chọn kênh (trong số " kênh đẩu vào) để thơng tín hiệu kênh chọn đến đẩu (1 đẩu ra) Hình -6 -1 giới thiệu chọn kênh ctí đẩu vào để chọn Trong hình, B A n = đẩu vào điều khiển, D3 , D , Di, D„ 2" = 4, đầu vào liệu chọn, Y đẩu ra, G đẩu chọn chip (cho phép chọn kênh làm việc) Hình 4- 6- Bộ chọn kenh (M UX) Từ Sơ đổ lo g ic h ìn h -6 -1 ta v iế t h àm lo g ic đ ẩ u : Y = GB Ã D + GBADj + ÕBÃD2 + ÕBAD3 = G(BÃD^ + BADj + BÃD + BAD ) (4-6-1) Khi G = Y = 0, tức chọn kênh bị cấm, nd khơng làm việc Khi G = Y = B AD q + BADj + BADj + BADj (4-6-2) Kênh chọn, phụ thuộc tín hiệu chọn (đấu vào điểu khiển) Nếu BA = 00 Y = Dq, BA = 01 Y = Dp BA = 10 thỉ Y = D2 , Nếu BA = 11 thỉ Y = D Bảng 4-6-1 bảng chức chọn kênh Bàng 4- -1 ; BẢNG CHỨC NẢNG BỘ CHỌN KÊNH B A Do Di D2 D3 G H X L L L L H H H H X L L H H L L H H X L H X X X X X X X X X L H X X X X X X X X X L H X X X X X X X X X L H H L L L L L L L L L L H L H L H L H 165 Cđ thể viết rút gọn bảng -6 -1 thành dạng đơn giản bảng -6 -2 Bảng 4- - : BẢNG CHỨ C NĂN G R Ú T GỌN CỦA BỘ CHỌN KÊNH B L Do Di D2 Di 4.7 ROM (bộ nhớ đọc - Read Only Memory) ROM gọi nhớ cố định, v i liệu lưu giữ ROM khơng dễ thay đổi, liệu chung không thay đổi, đọc Phần tử nhớ ROM đơn giản, đd IC ROM cd độ tích hợp cao Có nhiễu chủng loại ROM Căn vào phẩn tử nhớ ROM, có loại : ROM điốt, ROM tranzito lưỡng cực ROM tranzito trường (MOS) Căn cách viết liệu vào ROM, cđ loại : ROM cố định (ROM mặt nạ - Maskable ROM), PROM EPROM ROM cố định chế tạo nhà máy nạp sẵn liệu thông qua công đoạn mặt nạ, nội dung đđ thạy đổi trình sử dụng PROM (ROM cd thể nạp chương trình Programable ROM) ngưịi sử dụng nạp chương trình vào (bằng thiết bị đặc biệt), liệu viết vào PROM lần mà thôi, sau đd thay đổi Nội dung lưu giữ EPROM(erasableROM) cđ thể thay đổi (viết mới) bàng thiết bị đặc biệt Nhưng q trìnhviết phiềnphức, nên thơng thường tiến hành đọc 4.7.1 Bộ nhó cố định đọc (ROM) ROM cổ định cđ phẩn mạch : giải mã địa chỉ, ma trận phẩn tử nhớ, mạch điện đẩu Hình -7 -1 giồi thiệu mạch địên đơn giản nhẵt ROM điốt +£ Hình 4- 7- R O M điốt _ _ _ 11_ _ ỏ [k í Hĩ S J X k i ŨíẨí /77^ cA/^ 166 Dùng phương pháp phân tích logic, ta viết : Hàm logic tín hiệu dây từ : W3 = Hàm logic tín hiệu đẩu : D3 = \V3Wj = A,A„ = A, D2 = W3W2W„ = A,A„ = AjA„ + = A + Ao Dj = W3W, = Do = W,W^ = Bảng - - : BẢNG CHÂN LÍ CỦA ROM ĐI ĨT Ai Ao D3 D2 Di Do 0 1 1 1 i 1 1 0 Từ bảng chân lí, ta thấy sơ đổ hình -7 -1 thực chất chuyển mâ từ mã AjAq sang mâ D3D2 DjDq Quá trình diễn sau :bộ giải mã địa tiến hành giải mã AjAq, ma trận cổng AND điốt (đầu racủaAND điốt dây bit, đầu vào AND điốt dây từ qua điốt nối dây bit tương ứng) đảo (mạch điện đẩu ra) thực việc mã htía tín hiệu đẩu giải mâ Cuối ta cd mă D 3D2DjDq Trong mạch điện hình -7 -1 , từ mẫ cùa tín hiệu đầu vào đấu cd quan hệ đơn trị Vì vậy, ngưịi ta thường xem từ mã đẩu vào AjAq địa từ mã D3 D2DjDq lưu giữ ROM, thân D 3D 2D 2Dq xem nội dung liệu lưu giữ địa chi tương ứng AjAp Trong ma trận phẩn tử nhớ, đường ngang để chọn từ gọi tát dây từ, đường đọc để chọn bit gọi tát dây bit Chỗ giao dây từ dây bit gọi phẩn tử nhớ Iki phẩn tử nhơ, cđ điốt liệu lưu giữ 1, khơng cđ điốt liệu lưu giữ Nội dung liệu lưu giữ ma trận nhớ khơng thể thay đổi sau hồn thành chế tạo ROM, tức đọc mà khơng viết Hình -7 -2 ma trận phẩn tử nhớ dùng tranzito trường MOS (cđ nôi dung nhớ mach hình 4-7-1) \ Tai phẩn tử nhớ (nơi giao dây từ dây ^ ^ ^ 167 ■ 5^ 4 Hình 4- 7- Ma trận tìhà ' c ủ a ROM NMOS bit) cd tranzito MOS thi nội dung lưu giữ 1, khơng ctí 0) Ngun lí cơng tác mạch hình -7 -2 giống mạch hình -7 -1 Chỉ lưu ý tín hiệu dây từ tích cực mức cao (Cũng cđ thể dùng tranzito lưỡng cực để cấu trúc ma trận nhớ ROM) Khi chế tạo ma trận nhớ mặt nạ Điều chi cđ lợi công đoạn liên quan tới thời xuất không lớn, dùng PROM ROM, nội dung cần lưu giữ mà thiết kế số lượng sản xuất lớn (vỉ chế tác mặt nạ gian, giá thành cao) Trong trường hợp số lượng sản kinh tế 4.7.2 Bộ nhó đọc ghi trình tự (PROM) Khi xuất xưởng, PROM cd phần tử nhớ đểu 1, người sử dụng nộidung cẩn lưũ trữ mà tùy ý chọn phần tử nhớ không thay đổi (1), phẩn tử nhớ -nào phải thay đổi (0) để thực thao tác viết vào nhớ lẩn viết mà Nhưng C£ũcÁ/ Hinh -7 -3 giới thiệu phần tử nhớ PROM, gồm ctí tranzito lưỡng cực cẩu chì (hợp kim Ni Cr ) Khi xuất xưởng, cầu chì phần tử nhớ đêu thơng Hình 4- 7- Người sử dụng muổn ghi bit vào phần tử nhớ thi Phẩn tủ nhó PROM giữ nguyên cầu chỉ, muốn ghi bit vào phẩn tử nhớ làm cẩu chl đứt dòng điện đủ lớn theo quy định Cầu chì phẩn tử nhớ đứt rổi khơng ctí cách ^ nối lại CÛ được, tức khơng thay đổi nội dung Ngồi hình thức cẩu chì, người ta cịn chế tạo PROMdùng điốtSchottky thay phương án cẩu chì Khi xuất xưởng, tất điốtSchottky đểu ngắt (ở trạng thái phân cực ngược), tương ứng bit Để tạo bit 1, người sử dụng phải đặt điện áp ngược đủ lớn để điốt Schottky đánh thủng tạo thành chập cực thông mạch vĩnh viễn 4.7.3 Bộ nhổ đọc viết lại (EPROM) Thực tiễn cd nhu cẩu sữa chữa, đổi số liệu đd ROM, người ta không thỏa mân với ROM cố định PROM EPROM giải đáp ứng nhu cẩu nên cđ ứng đụng rộng rãi Hiện EPROM sử dụng phẩn tử nhớ sở tranzito FAMOS (Floating - gate Avalanche - injection Metal Oxide Semiconductor - Bán dẫn oxýt kim loại phun cực cổng thác lũ thả nổi) Hình -7 -4 trình bày kết cấu tranzito FAMOS Nò tranzito MOS cực cổng Sị kênh p Điểm khác biệt nđ cực cổng hồn tồn bị SÌO2 cách li, nên trạng thái "bổng bẽnh", ctí tên cực cổng thả Cực vốn khổng mang điện, nên khồng cd kênh dẫn cực nguổn s cực máng D, tranzito FAMOS trạng thái ngắt Nhưng đặt điện Hình 4- 7- Kết cấu tranzito FAMOS 168 áp tương đối lớn (-30V chẳng hạn) D s, làm cho chuyển tiếp PN cực máng D đế bị đánh thủng thác lũ, điện tử vùng nghèo kiệt nhờ điện trường mạnh gia tốc lớn bay từ vùng ngồi Do tốc độ cao, có phẩn điện tử xuyên qua lớp oxýt tương đối mỏng để tới cực cổng thả nổi,chúng tổn trữ ỏ Q trình gọi phun thác lũ Khi khơng cịn điện áp đặtgiữa D vàs, điện tích cực cổng khơng có lối đi, nên bảo tổn lâu dài cực cổng, (ơ 100°c, năm suy giảm chưa tới 1%) Điểu chỉnh biên độ thời gian điện áp DS, cd thể điều khiển lượng điện tử phun vào Khi cực cổng đă cđ đủ nhiều điện tử (điện tích âm) tạo kênh dẫn D s làm cho tranzito FAMOS trở thành thông Nếu dùng tia cực tím tia X chiếu vào tranzito FAMOS làm trung hịa điện tích cực cổng, kênh dẫn biến mất, tranzito FAMOS trỏ lại trạng thái ngát Để tiện tiến hành việc khử bỏ kênh dẫn, bao gđi, người ta để cửa sổ thạch anh cho việc chiếu xạ cẩn Hình -7 -5 giới thiệu EPROM cấu trúc từ tranzito trường, phần tử nhớ gổm tranzito MOS nối tiếp với tranzito FAMOS Dây từ điểu khiển cực cổng Khi xuất xưởng, tất FAMOS trạng thái hở mạch Người sử dụng vào liệu cần lưu giữ, đưa xung điện áp âm vào dây bit chọn, lại điểu khiển dây từ cho MOS theo địa thông dẫn FAMOS dây bit đă chọn đánh thủng thác lũ, phun điện tử vào cực cổng nd / Khi đọc ra, dây từ chọn hàng phấn tử nhớ, FAMOS có điện tử phun vào cực cổng dẫn điện, dây bit tương ứng cđ mức cao ; FAMOS không cđ điện tử phun vào cực cổng thỉ hở mạch, dây bit tương ứng có mức thấp Hình 4- 7- M a trận nhó EPROM Cẩn lưu ý ràng tranzito FAMOS có hình thức cấu trúc khác với cấu trúc giới thiệu 4.8 MẨNG LOGIC LẬP TRÌNH (PLA) Hình -8 -1 giới thiệu PLA cáu trúc từ mảng cổng AND mảng cổng OR Mảng cổng AND thực phép nhân logic biến số tín hiệu đầu vào Aq -ỉTín hiệu đẩu Pq -ilà tích (Hội) biến số đẩu vào Mảng cổng OR thực phép cộng logic tích Tín hiệu đẩu mảng OR (cũng PLA) tổng (Tuyển) tích đố Ttím lại, đẩu PLA ta có hàm logic dạng chuẩn tắc tuyển Người sử dụng PLA tùy ý thiết kế tổng -ỉ- 12a -C SK T 169 Hình -8 -1 Sơ đổ khối cáu trúc PLA tích nào, tích biến Vậy cáu trúc hỉnh -8 -1 gọi mảng logic lập trình PLA Mọi người đểu biết ràng hàm logic bất kỉ đê cđ thể biểu thị dạng chuấn tác tuyển (ORAND) Vậy dùng PLA thực hàm logic dạng chuẩn tắc tuyển ỉã vô thuận tiện VI đưa biến logic đến đẩu vào PLA, thiết kế tích mảng AND, sau đ ó thiết kế tổng tích bàng mảng OR đẩu PLA hàm logic chuẩn tác tuyển cẩn ctí 5? r Qua ví dụ tương đối đơn giản đây, thấy cụ thể ngun lí cơng tác PLA ¥ > >*'ỉ Hình -8 -2 trinh bày mảng cđ cổng NAND PMOS ^ W4 biến số đẩu vào Yq -í- Y4 hàm sổ đẩu ra; Đặc điểm công tác tranzito trường PMOS : thông dẫn điện áp mức thấp cực cổng, hở ngát điện áp mức cao cực cổng Vậy ta cđ bảng chức kê bảng 4-8-1 > w % Hìn/i 4- 8- Màng cổng NA N D PMOS Ấp dụng logic dương (mức cao H biểu thị 1, mức thấp L biểu thị 0), ta cổ thể viết hàm Yị từ Bảng -8 -1 : Y„o = w o W,2 = W,W3W, Y2 = W3 Y3 = (4 -8 -1 ) Băng 4-8-1 : BẢNG CHỨ C N Ă N G Y4 = W3W, ị Wo Yo W W3 W4 Yi W3 Y2 L L L H H L H H H H H L L L L L L H L H H L H L H H H H H H H H H H H L L H H L ' I - y i L H L H L H L H y t Yj Wo ' L L H H Hình - - PLA cáp mảng cổog NAND 170 L H L H Y3 W3 W4 Y4 H H H L L L H H L H L H H H H L PLA hỉnh -8 -3 gổm mảng cổng NAND PMOS Để đơn giản hình vẽ, irét chấm đậm biểu thị tranzito PMOS chỗ giao Từ hình -8 -3 ta cd Zo = Ỵ,Y3 Zi = (4-8-2) Z3 = W Z4 = Thay biểu thức (4-8-1) vào (4-8-2), áp dụng định lí Demoorgan ta ctí : Zo = W1W3W, + Z j = W3 Z2 = + W3W, Z = W„W + + W W, Z4 = (4-8-3) W 1W 3W , Tuy hình -8 -3 cấu trúc hai mảng cổng NAND, kết cách đấu nối thể hàm đẩu (4 -8-3) chứng tỏ sơ đồ hình -8 -3 tương đương hình -8 -1 Dùng sơ đổ cấu trúc hỉnh -8 -3 , đưa tín hiệu đẩu vào đến đẩu vào mảng (Wj), tích biến đấu vào mà thiết kế vỊ trí tranzito MOS, rổi tổng tích mà thiết kế vị trí tranzito MOS mảng ; hiển nhiên toàn sơ đổ hình -8 -3 (hai mảng) thỉ đẩu ta ctí hàm logic dạng chuẩn tác tuyển theo yêu cẩu thiết kế Trong PLA IC hđa, khơng ctí mảng OR - AND đây, mà cịn cd đảo cho tín hiệu đẩu vào, cổng trạng thái đệm đẩu Vậy chip, ta cấu trúc mạng tổ hợp Nếu thêm vào chip đtí số Flip Flop (sẽ giới thiệu sau) thl ta cđ thể cấu trúc mạch sớ ntíi chung (bao gổm mạch dãy) Cũng ROM sản xuất thành loại ROM cổ định, PROM, EPROM, PLA sàn xuất thành loại PLA cố định, PLA cd thể nạp chương trình PLA cd thể viết Chúng ta cd thể để ý thấy kết cấu mạch điện mảng cổng PLA giống với ma trận nhớ ROM Chúng khác phương thức công tác Đẩu vào PLA biến logic, cố thể nhiễu biến thời tác động Đầu vào ma trận nhớ ROM tín hiệu giải mã địa chỉ, lần chl tác động vào dây từ Giả sử cẩn thực hàm logic phức tạp đố, thl phẩn tử nhớ PLA nhiều so với số phẩn tử nhớ ROM tương đương, ứng dụng sản xuất IC PLA ngày rộng rãi 4.9 NGUY HIỂM CHẠY ĐUA TRONG CÁC MẠCH T ổ H ộ p Nguy hiểm chạy đua tượng mạch tổ hợp xuất tín hiệu giả, vốn xung nhiễu độ tín hiệu đầu vào chuyển đổi trạng thái Nếu phụ tải mạch xét nhậy cảm xung nhiễu Flip Flop chẳng hạn, cần tìxn cách trừ bỏ nguy hiểm chạy đua 171 4.9.1 Nguyên nhân sinh tượng nguy chạy đua Trong mạch số, cổng mà có hai tín hiệu đẩu vào đồng thời chuyển đổi trạng thái theo hướng ngược (ví dụ, từ 01 sang 10) sinh xung nhiễu đẩu Ta minh họa điều bàng cổng AND (TTL) hỉnh -9 -1 Vi chức cổng AND, z = A.B Nếu AB = 01, hay AB = 10 z phải ln ln Hinh 4- 9- Nguy hiẻm chạy đua ro (n cổng A N D : a) cổng A ND (TTL) ; Krr s- A b) D ặc tính tniyển đạt điện áp cổng A ND ; /oOí /í c) X ung nhiễu sinh nguy hiểm chạy đua đ) c) Trong trình chuyển đổi từ 01 sang 10 cđ thể sinh xung nhiễu : 1- Tín hiệu A, B khơng thể đột biến, chuyển đổi trạng thái đêu trải qua thời gian độ - Sự chuyển đổi trạng thái tín hiệu A B xảy cổ sớm muộn so với (quãng đường truyền tín hiệu khác nhau, trễ truyền đạt mạch điện khơng hồn tồn nhau) Chẳng hạn, tín hiệu A tảng lên mức khổa cổng giảm xuống đến mức md cổng Vqj^, đố đẩu z sinh xung nhiễu dương Cịn trường hợp tín hiệu B giảm xuống đến Vqị^ trước tín hiệu A t ả n g đ ế n V q p p th ì ỉại không sinh xung nhiễu Vậy mạch điện có nguy hiểm chạy đua khơng phải định phải cố xung nhiễu đẩu Tuy nhiên, ta biết trước xác sai lệch gây sớm muộn ntíi Vậy ý nghĩa tượng nguy hiểm chạy đua khả nâng sinh xung nhiễu V q p p trước tín hiệu B \ (^õ) (/ĩổ) C /ĩẽ ) B y (Ẩ ể ) Zo í ;^ õ ) Mi đ) Hình 4- 9- Bộ giải mã nhị phân bit : a) Sơ đổ logic : b) Xung nhiễu nguy hiẻm chạy đ u a sinh 172 i) Hình -9 -2 ví dụ vể xung nhiễu sinh nguy hiểm chạy đua Giả sử tín hiệu đẩu vào chuyển đổi trạng thái theo chiểu mũi tên bảng -9 -2 Theo đổ thị thời gian hỉnh 4-9-2b, tương ứng sai lệch thời gian độ tín hiệu A B sinh xung nhiễu đẩu cổng AND M4 , tương ứng sai lệch thời gian trễ truyền đạt cđ thể sinh xung nhiễu đẩu cổng AND Mj Đó xung nhiễu sinh BA chuyển từ sang (đánh dấu -T~Ltrong bảng -9 -2 ) Bảng 4-9-2 BẢ N G CHÂN LÍ MẠCH Đ IỆ N HÌN H - - B A B A BA BA 0 1 0 1 0 : BA BA 0 0 _TL 0 0 1 0 0 y 4.9.2 Phương pháp trừ bỏ nguy hiểm chạy đua Cđ nhiều phương pháp để nhận biết mạch tổ hợp cổ nguy hiểm chạy đua Phương pháp trực quan k ê bảng chân lí cho cấp mạch điện xét Tìm xem cổng chịu tác động tín hiệu đẩu vào thời sang sang Phán đoán khả sinh xung nhiễu đẩu tồn mạch xét, tức có nguy hiểm chạy đua hay khồng Nếu phụ tải mạch xét nhậy cảm với xung nhiễu cẩn tỉm cách trừ bỏ nguy hiểm chạy đua Dưới giới thiệu phương pháp thơng dụng 1) Đưa vào xung khóa Trên hỉnh -9 -3 , xung âm xung khda đưa vào thời gian độ để khtía cổng Mp M4 (Như đâ trình bày trên, Mj M4 cd nguy hiểm chạy đua) Xung P j phải với chuyển đổi trạng thái tín hiệu vào không nhỏ thời gian độ At M4 Ct ổ - ỉ> ’ > M6 i\i — Mi L_ I I \_ ồ) Hình 4-9-3 Các phương pháp trừ bỏ nguy hiểm chạy đua 2) Đưa vào xung mở Trên hình -9 -3 , xung dương P xung dùng để mở thông mạch, đưa vào sau thời gian độ, lúc mạch đạt đến trạng thái ổn định mới, để mở thông Mj M4 Tín hiệu đẩu Mj bây giò cđ dạng xung bề rộng bàng xung mở 173 Pj Ví dụ, tín hiệu đẩu vào BA = 11, Z3 không tức thời chuyển lên mức cao, đă xuất P2 , Z3 hình thành xung dương 3) Mắc thêm tụ lọc VI xung nhiễu nguy hiểm chạy đua tạo hạp (hẹp thời gian độ At) nên mác thêm tụ điện lọc (điện dung khơng lớn) đấu để trừ bỏ Đó hình -9 -3 Đối với mạch TTL, cd điện dung vài trăm pF đủ để suy giảm biên độ xung nhiễu đến mức không đáng kể 4) Sửa đổi thiểt kể logic Khi nguy hiểm chạy đua biến số chuyển đổi trạng thái gây ra, cd thể dùng sửa đổi thiết kố logic để trừ bỏ Xét ví dụ sau Giả sử hàm logic cho z = AB + AC Sơ đồ logic hàm đường nét liền hình -9 -4 Khi B = c_= z = AB +_AC = A + A z = A + A Hàm logic chứng tỏ xuất nguy hiểm chạy đua tín hiệu đẩu vào A chuyển đổi trạng thái Căn công thức 17 chương 3(3-1-36), ta cd : z = AB + Ăc = AB + ÃC + BC Tương ứng ta thêm cổng Mj (đường nét đứt) sơ đổ hình -9 -4 , B = c = thi đẩu M5 mức thấp, khổa sinh xung nhiễu đẩu m n h 4- 9- Sửa đổi thiết ké logic đ ể trừ bỏ nguy hiẻm chạy đua Hình -9 -5 bảng Karnaugh hàm logic AC z = AB + AC Ta cd thể nhận biết nguy hiểm chạy đua khỉ xem xét bảng Karnaugh : Hai số hạng ÁC ÂB ỉiền kề (ô m3 = ẢBC liền kề ô = ABG) Tk dựa vào bảng Karnaugh mà tim cách trừ bỏ nguy hiểm chạy đua = thêm vào hàm logic số hạng tương ứng hai ô ỉiển kề m niy, số hạng BC (nét đứt hỉnh -9 -5 ), z = AB + Ãc + BC 0 (1 0 ị Xét thêm ví dụ Ví dụ 4-9-ỊỊ_^xét xem mạch tổ hợp thực hàm số z = A B C + BD + ACD ctí nguy hiểm chạy đua biến số chuyển đổitrạng thái Nếu cố tỉm cách trừ bỏ 174 Hình 4- 9-S Bảng Karnaugh hàm logic z ACD CD AB\ 00 00 01 01 1 11 i LU 11 10 0 11 10 0 -^ -A B C 'I _-'J l _J1 1i i1 M • | J -1 c i ; \ í ) Hình 4- - : ì Ả A 1 Bảng Karnaugh hàm logic Hình 4- 9—7 Sd đổ logic Bài giải : Vẽ bảng Karnaugh hàm logic z = ABC + BD + ACD hỉnh -9 -6 Hai sổ hạng A B c BD_liền _kề, hai số hạng ACD_yà BD liển kể Vậy cđ nguy_hiểm chạy đua (Khi A = C = D = t h l Z = B + B , A = B = c z = D + D) Cách trừ bỏ nguy hiểm chạj;_đua thêm vào hai số hạng tương ứng liền kê (nét đứt hình -9 -6 ) A CD ABC, Hỉnh -9 -7 ià sơ đổ logic hàm : z = A BC + BD + ACD + ĂCD + ABC sơ đổ phức tạp thêm, trừ bỏ nguy hiểm chạy đua Chúng ta so sánh phương phảp trừ bỏ nguy hiểm chạy đua đa trinh bày Hai phương pháp đầu tương đổi đơn giản, không làm tàng số linh kiện Nhưng chứng bị hạn chế chỗ phải tỉm xung khda hay xung mở Những xung có u cầu xác cao vể bẽ rộng thdi gian Mác thêm tụ lọc cđ ưu điểm đơn giản dễ ỉàm, làm xấu dạng sổng đẩu ra, điổu đố khổng thể chấp nhận số tình đđ Phương pháp sửa đổi thiết kế logic lí tưởng IC cđ sản cổng chưa dùng đến mạch TÓM TẮT Trong chương này, giới thiệu mạch logic tổ hợp Mạch tổ hợp phẩn tử logic cấu trúc nên Đặc điểm mạch tổ hợp tín hiệu đầu thời điểm phụ thuộc vào tín hiệu đẩu vào thời điểm đd mà không liên quan gỉ đến trạng thái vốn cd mạch Mạch tổ hợp vô nhiều, ta xem xét hết trõng trỉnh bày Trọng tâm nắm vững đặc điểm mạch tổ hợp phương pháp chung thiết kế, phân tích mạch tổ hợp vậy, giới thiệu cách chọn lọc mâ hóa, giải mã, so sánh, cộng đủ, chọn kênh, ROM, PLA 175 q trình đó, ta xem xét phương pháp phân tích phương pháp thiết kế mạch tổ hợp, Khi phân tích mạch tổ hợp cho, ta cđ thể viết hàm logic đẩu cho cấp sơ đổ, rổi tiến hành tối thiểu hđa hàm logic đđ để biểu thị rố ràng quan hệ logic đẩu với đẩu vào Các bước thiết kế mạch tổ hợp đâ giới thiệu phán đầu Cẩn lưu ý thêm phải xem xét nguy hiểm chạy đua phụ tải nhạy cảm với xung nhiễu Nếu cd, phải tìm cách trừ bỏ (Nếu phụ tài tiếp thu mức điện chiểu đẩu khơng cẩn kiểm tra nguy hiểm chạy đua) Việc tối thiểu hda hàm logic quan trọng Vỉ việc làm cho mạch logic đơn giản, kinh tế Chúng ta mong muốn mạch điện linh kiện tốt, số đầu vào mạch cổng nhiểu BÀI TẬP -1 Đặc điểm mạch tổ hợp vễ mặt chức logic -2 Giới thiệu phương pháp phân cấu trúc tích mạch tổ hợp -3 Nhiệm vụ thiết kế logic mạch tổ hợp ? Thuyết 4“ Phân tích ngun lí cơng tác mạch minhcácbước thiết kế mạch mã hđa a - Bộ mă hđa hệ đếm b - Khi chuyển mạch W3 nối, trạng thái đầu Y2, Yp Yq c - Khi chuyển mạch nối, trạng thái đẩu Y2 , Yp Yq ^4 fs n “ ^ ■ \ ^7 p/r ĩ_ Xí -5 Hãy thiết kế mạch điện kiểm tra lẻ cd đẩu vào, đầu Chức logic mạch sau : tín hiệu đầu vào cd số lẻ mức cao đầu có mức cao, ngược lại đẩu có mức thấp -6 Thế mâ hda mâ hóa Tầi xem tín hiệu đẩu vào mã hóa biến không -7 Hăy thiết kế mà hđa vào số thập phân, đẩu mã vòng dư (Bảng -2 -5 ) -8 Hăy thiết kế mạch kiểm tra chân lẻ mã nhị phân bít Nếu số bít từ mã chẵn đẩu Ngược lại, 176 -9 Giải mă giải mã ? Tại trạng thái đẩu vào khồng xuất ctí thể giúp xử lí tối thiểu hđa -1 Hãy thiết kế giải mã nhị phân bít -1 Hây thiết kế mạch điện lấy biểu đa số đầu vào, đầu Chức nàng mạch : tín hiệu đầu có mức theo đa số mức tín hiệu đầu vào Xem bảng chân lí : Dẩu vào Đầu A B c 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 -1 Hây thiết kế mạch tổ hợp thỏa mân bảng chân lí sau : A B c z 0 0 1 1 0 1 0 1 l 1 1 1 0 -1 Hãy thiết kế mạch tổ hợp chuyển từ mã nhị phân bít sang -1 Hãy thiết kế mạch tổ hợp chuyển từ mã vòng dư sang mã -1 Hãy thiết kế mạch tổ hợp, đẩu vào DCBA số nhị phân bít, đẩu chia hết cho z = 1, khác z = z Khi DCBA mã Gray BCD 8421 -1 Trong giải mã kích hiển thị bán dẫn hỉnh 4-3 -1 , đẩu vào DCBA xuất 1010 -i- 1111 đầu giải mã xuất trạng thái gỉ Hiển thị tương ứng hiển thị số ? -1 Bộ so sánh Hăy kê bảng chân lí so sánh A = Đẩu G, L, M B = bjb^ -1 Bộ cộng nửa, cộng đủ p Hăy vẽ cộng cấu true từ cổng NAND I -1 Hãy thiết kế trừ, đầu vào số trừ, số bị trẩ số nhớ chuyển vị từ bit thấp lên Đẩu hiệu số số nhớ chuyển lên bít cao h0fi -2 Hãy thiết kế nhân, đầu vào số nhị phân bỉl tích số (số nhị phân bit) 177 -2 Bộ chọn kênh ? Chức chức chọn kênh ; Hãy viết hàm logic nđ Dưới bảng Đ ẩu vào chọn c L L L L H H W - Hãy vẽ Bơ đổ logic thực (Dùng đảo, cổng NÓRAND) Do Đ„ Dn ỉà đẩu vào ỉiệu H H Đầu B A w L L H H L L L H Do H H Dĩ Di L H L H D3 Da D5 Dó D? L H 4-22 Dưới bảng chức chuyển mạch - chọn kênh đẩu trạng thái : Dđu vào chọn Ghi ; z lảtrạ n g thâi trò kháng cao B A Đẩu vào liộu Đ iéu khiẻn D ầu Co Ct C2 C3 G Y z X X X X X X L L L L H X X X X X X X X H L L L X X L X X L L L L L L H H H H L H H L L H H X L H X X X X L H X X X X X X X H L H L H L H L H -2 ROM gỉ Có loại ROM Đặc điểm loại - Hây viết hàm chuẩn tấc tuyển tối thiểu htía đẩu Dg, Dj, Dj, D q ROM điốt hình - - Hãy vẽ sơ đổ logic thực cổng AND cổng OR -2 Hây thiết kế chuyển mã dùng ROM ma trận phẩn tử nhớ 16 vào mâ nhị phân bít BjBjBiBq, Đẩu ma Gray bit G3 G2 G1GQ X 4,Đáu -2 PLA ? So với ROM thỉ cđ ^ khác biệt -2 Hãy dùng PLA thiết kế chuyển mã tập 4-25 Mảng cổng AND cđ đẩu vào, đẩu ra, mảng cổng OR cđ đẩu -2 Nguy hiểm chạy đua ? Làm phán đoán nguy hiểm chạy đua mạch tổ hợp -2 Cho bảng chân ỉí sau, thiết kế giải mã tương ứng Hây xét xem khả nguy hiểm chạy đua mạch (giả sử thứ tựbiến tín hiệu đẩu vào theo bảng) 178 đổi Dđu Đẩu vào D Đ -3 Trong hình vẽ đây, tín hiệu đầu vào chuyển đổi trạng thái theo hướng ngược nhau, tín hiệu đấu ctí chác tạo xung nhiễu kbổng Điêu kiện thi sinh xung nhiễu ? Điều kiện khơng ? õ t> 179 ... thiết bị điện tử, Để đáp ứng nhu càu lón lao nhyt anh Vủ Đức Thọ cán giảng dạy Khoa Điện tử - Viễn thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội chọn dịch "Cơ 8Ỏ kỉ thuật điện tử số - Giáo trình tinh giản'' ''... hai thành phẩn dòng điện chạy qua nđ : thành phẩn dòng điện điện tử tự di chuyển cđ hướng thành phẩn dịng 16 trống điện tử gtíp chung dịch lấp lỗ trống Sự khác hai thành phẩn điện tử mang điện. .. loại, cácđiện tử lớp nguyên tử bị hạt nhân hút yếu ; cđ nhiểu điện tử khổng bị ràng buộc với hạt nhân trở thành điện tử tự Những điện tử tự trở thành hạt dẫn mang điện Dưới tác dụng điện trường