nghiên cứu về vi điện tử số

Vi điện tử số I Phân loại thông số mạch tổ hợp logic lỡng cực Nói chung mạch tổ hợp đợc chia làm hai nhóm lớn: Nhóm mạch tổ hợp tuyến tính (hay gọi mạch tổ hợp tơng tự, mạch tổ hợp analog) nhóm tổ hợp số mà không phụ thuộc vào đặc điểm công nghệ chế tạo trình thiết kế Mạch tổ hợp số dùng tranzito lỡng cực, mạch tổ hợp số dùng tranzito MOS gọi mạch tổ hợp MOS Để thuận tiện, chơng mạch tổ hợp số lỡng cực đợc gọi mạch tổ hợp số hay mạch tổ hợp logic Mạch tổ hợp số mạch tổ hợp dùng để thực toán tử logic (vì chúng đợc gọi mạch tổ hợp logic), chúng dựa việc sử dụng hay nhiều phần tử mạch tổ hợp làm việc hai trạng thái khác xa Trong kỹ thuật, mạch tổ hợp số đợc phân loại theo tiêu chuẩn sau: Tuỳ theo dạng tín hiệu phải thực hiện, mạch tổ hợp số lại đợc chia làm ba nhóm lớn sau: - Mạch logic xung - Mạch logic - Mạch logic xung - Trong tất loại mạch logic nói trên, mạch logic đợc sử dụng rộng rãi Nguyên nhân chế tạo mạch logic dù mạch có phức tạp đến đâu phải sử dụng đến phần tử mà thực tế kỹ thuật vi điện tử lỡng cực cha giải đợc Trong giới hạn chơng xét đến phần tử logic Tuỳ theo toàn từ logic phải thực hiện, mạch tổ hợp số lại đợc chia làm hai nhóm sau: - Nhóm phần tử thực mức logic: Đó phần tử logic đơn giản nhất, thực toán tử logic Và, hoặc, không, - không, - không, - không gọi mạch tổ hợp logic - Nhóm phần tử thực hai mức logic: Đó phần tử logic thực toán tử logic phức tap nh - hoặc, - và, không - Trong chơng nghiên cứu phần tử logic mà Trong sơ đồ điện, phần tử logic đợc ký hiệu nh sau (Hình 1) Các phần tử logic đợc ký hiệu hình chữ nhật Đầu vào đợc quy định bên trái, đầu bên phải hình chữ nhật Toán tử logic mà phần tử logic phải thực đợc ký hiệu phần hình chữ Toán tử logic Hoặc đợc ký hiệu số 1; - &; trigơ - T, phần tử đảo không đợc ký hiệu hình tròn đầu Các mạch logic thờng đợc đánh giá xác định thông số đặc trng khả phối hợp mạch logic thiết bị điện tử Các thông số thờng đợc xác định nh sau: Khả chịu tải (hay hệ số phân nhánh đầu ra) (ký hiệu n); Thông số đặc trng số cực đạ mạch logic họ đồng thời mắc vào đầu mà không làm ảnh hởng đến tín hiệu mà mạch logic phải thực Khả chịu tải mạch logic gọi hệ số phân nhánh đầu ký hiệu số n nguyên dơng Nếu số n lớn, có nghĩa khả sử dụng mạch logic lớn cần số mạch logic để lắp ráp thiết bị điện tử Tuy nhiên, số n lớn bao nhiều đợc, số n lớn thông số đặc trng khác mạch logic (chủ yếu độ ổn định nhiễu, thời gian trung bình trễ tín hiệu ) bị xấu Chính vậy, thành phần Vi điện tử số mạch tổ hợp logic họ thờng có nhiều phần tử logic với hệ số n khác Thông thờng hệ số n có giá trị n = ữ 25 1 & x1 x1 y x y y x2 x2 a.) x=x=y x1 x2 c.) y=x1+x2 b.) y=x1.x2 & x1 y x2 x1 y x2 T y1 y2 d.) g.) e.) y=x1+x Hình Iy=x -1:1.x a)2 Không; b) Và; c) Hoặc; d)2 Và-Không; e) Hoặc; g) Trigơ Hệ số kết hợp đầu vào (ký hiệu m): Hệ số kết hợp đầu vào đặc trng số cực đại đầu vào logic phần tử logic Hệ số m lớn làm tăng khả logic mạch logic tăng khả thực hàm số logic với nhiều biến số phần tử logic Tuy nhiên tăng hệ số n, thông số đặc trng khác phần tử logic bị xấu ví dụ nh tốc độ tác động mạch, độ ổn định nhiễu ) Cần ý phần tử logic khác có hệ số m khác Ví dụ: mvà = ữ 6; mhoặc = ữ Thời gian trung bình trễ tín hiệu (t ttb): Đây thông số thông dụng để đánh giá mạch logic Thời gian trung bình trễ đặc trng cho tốc độ tác động (hay tác động nhanh) mạch logic Đó thời gian trung bình tín hiệu qua hệ thống logic thiết bị Nếu thiết bị cấu tạo từ n mạch logic thời gian tín hiệu qua toàn mạch thiết bị đợc xác định nh sau: TN = N + N tt + tt 2 (I-1) Với t +t t t thời gian trễ tín hiệu đóng ngắt mạch logic Nh vậy, theo định nghĩa thời gian trung bình trễ tín hiệu, có: tttb = TN N (I-2) tttb = tt + tt (I-3) Và: Thời gian trung bình trễ tín hiệu tttb phụ thuộc chủ yếu vào chế độ làm việc tranzito sử dụng mạch logic vào loại tranzito mà ta sử dụng Độ ổn định nhiễu (Un): Thông số đặc trng cho khả làm việc mạch logic (mạch làm việc riêng rẽ hay kết hợp với mạch logic khác d ới tác dụng nhiễu cho phép Độ ổn định nhiễu mạch logic đợc xác định phụ thuộc vào loại mạch logic, vào chế độ làm việc tranzito mạch, vào điện áp nguồn nuôi Vi điện tử số Đây thông số sử dụng thuận tiện để so sánh hay đánh giá loại mạch logic Công suất tiêu thụ mạch logic (P): Công suất tiêu thụ mạch logic đợc xác định công thức sau: P= j= n (I-4) E jI j j=1 Với Ej điện áp nguồn nuôi j; Ij dòng mạch logic j Cần lu ý rằng, công suất tiêu thụ mạch logic thời điểm cố định mà phụ thuộc vào trạng thái logic, loại logic thay đổi đóng ngắt mạch Chình ngời ta không sử dụng công suất tức thời mà sử dụng công suất tiêu thụ trung bình khoảng thời gian đủ lớn Công suất tiêu thụ trung bình đợc tính công thức sau: Ptb = ( + P + P ) (I-5) P+ công suất tiêu thụ mạch trạng thái đóng P - công suất tiêu thụ mạch trạng thái mở Tuỳ theo công suất tiêu thụ, mạch tổ hợp logic đợc chia thành nhóm sau: - Loại công suất (25 mW < Ptb < 250 mW) - Loại công suất trung bình (3 mW < Ptb < 25mW) - Loại công suất thấp (0,3 mW < Ptb < mW) - Loại công suất thấp (1 àW < Ptb < 300 àW) - Loại siêu công suất siêu thấp (Ptb < àW) II Các phần tử mạch logic Nh nói hình I - 1, tuỳ theo dạng tín hiệu đợc mã hoá phần tử logic đợc chia phần tử thế, xung xung - Nếu tín hiệu xung phơng pháp mã hoá nh sau: Mức logic (1) - có xung, mức logic (0) - xung (tơng ứng với hệ logic dơng) Trong phần tử logic thế, mức logic đợc mã hoá theo mức khác Đối với phần tử xung tín hiệu vào vừa xung vừa mức điện thế, nhng tín hiệu luôn tín hiệu xung Hiện nay, phần lớn mạch tổ hợp logic lỡng cực, để thực biến đổi logic ngời ta thờng dùng phần tử logic Trong chơng này, nghiên cứu phần tử logic Phần tử đảo thực hàm logic không Phần tử đảo phần tử làm việc nh sau: Nếu đầu vào có tín Ic đợc ký hiệu tr Trong sơ đồ phần tử đảo (hình I- 1) nhận thấy điện trở tải RL mà điện áp bazơ tranzito tiếp tục tăng lên dòng I c tiếp tục tăng lên đến lúc đánh thủng tranzito Tuy nhiên, nhờ có điện trở tải R L dòng Ic gây nên độ giảm điện áp VRL RL điện áp coletơ tranzitơ (EC - VRL) Trong lức điện áp bazơ tranzito tiếp tục tăng lên đến hiệu số (EC - VRL) nhỏ điện áp bazơ tranzito, lúc tranzito đứng ranh giới chế độ bão hoà Nếu tiếp tục tăng điện áp bazơ tranzito, lớp chuyển bazơ - colectơ đợc phân cực thuận tranzito chuyển sang chế độ bão hoà Lúc hạt tải từ miền emitơ colectơ đợc chích vào bazơ tranzito Trong trờng hợp tranzito npn hạt tải điện Vi điện tử số tử thời điểm t3, lúc điện áp bazơ giảm xuống đột ngột dới giá trị bảo đảm cho tranzito làm việc chế độ bão hoà Lúc hạt tải điện (các điện tử) bị giảm miền bazơ bắt đầu chuyển động phía colectơ cực dơng Vì vậy, tín hiệu tắt nhng dòng Ic tiếp tục đợc trì khoảng thời gian điện tử trớc tích tụ bazơ chuyển dời sang miền colectơ Rõ ràng rằng, dòng IC đợc trì hạt tải đợc giải phóng hoàn toàn từ miền bazơ Khoảng thời gian từ lúc tín hiệu t đến thời điểm dòng IC bắt đầu giảm (t3 - t4) gọi thời gian tích tụ điện tích ký hiệu t S Các hạt tải điện, sau khỏi vùng bazơ chuyển dời vào vùng colectơ dòng I C không giảm xuống đột ngột Đó điện dung chuyển tiếp colectơ emitơ lúc bắt đầu phóng điện Khoảng thời gian (t - t5) đợc gọi thời gian giảm tín hiệu ký hiệu t f Nh vậy, rõ ràng để thực việc đóng ngắt phần tử logic đảo phải cần thời gian trễ lớn: (t - t2) (t3 t5) Trong mạc logic, chất lợng phần tử đảo thờng đợc đánh giá qua độ lóng điện áp tranzito chế độ ngắt dòng I C khí tranzito chế độ bão hoà Trên H.V.3b đặc tuyền truyền đạt tranzito mô tả hoạt động tranzito chuyển từ chế độ ngắt sang chế độ bão hoà ngợc lại Ngoài ra, yếu tố quan ảnh hởng đến chất lợng phần tử đảo, thời gian chuyển tranzito từ chế độ sang chế độ hay gọi thời gian chuyển mạch Thời gian chuyển mạch đảo đợc xác định thời gian đóng (tđóng) hay thời gian ngắt (tngắt) Các mạch logic tổ hợp Tuỳ theo cách thực hàm logic bản, mạch tổ hợp logic lỡng cực đợc chia làm tổ hợp sau: a Mạch logic tổ ghép R-C b Mạch logic hợp điện trở - tranzito RTL c Mạch logic tổ hợp tổ hợp điot - tranzito DTL d Mạch logic tổ hợp tranzito - tranzito TTL e Mạch logic tổ hợp Emitơ nối chung ECL mạch logic tổ hợp ghép R - C Nh biết, trình độ chuyển từ tắt sang thông, dòng bazơ I b tranzito phải lớn để làm cho tranzito thông nhanh nhng muốn dòng Ib tăng lớn ta phải giảm nhỏ điện trở bazơ Rb +E Rk cb P1 P2 Rb cb cb T1 Pm Rb T2 P=P1+P2+ +Pm Rb Tm Hình II-1a Mạch Hay - Phủ định ghép R-C Khi giảm Rb tầng trớc dòng cung cấp cho tải lớn nhng hạn chế khả tải n để giải mâu thuẩn ta phải mắc thêm tụ C b song song với điện trở Rb KHi ta không cần giảm R b mà trình độ dòng I b đảm bảo lớn Mạch tụ Cb ta gọi mạc ghép điện trở - điện dung, ký hiệu RCTL (Resitor - Capacitor Tranzito Logic) Mạch điện bạn loại Hay - Phủ địnhcho hình II-2a Tụ Cb gọi điệm dung tăng tốc Vi điện tử số chế độ tỉnh, tụ Cb tác dụng cả, ta lấy kết mạch ghép R áp dụng cho mạch ghép R - C chế độ động, mạch ghép R - C hoàn toàn khác với mạch ghép điện trở, xét định tính tác dụng tụ tăng tốc C b (việc tính chi tiết tham khảo giáo trình kỹ thuật xung ) Ví dụ ta xét mạch ghép liên tiếp với hình II.1b Khi tranzito T chuyển từ trạng thái thông sang tắt colectơ T1 chuyển từ thấp(mức logic ) lên cao ( mức logic 1) Đột biến đợc đa vào bazơ tranzito T2 qua tụ Cb2 điện trở Rb2 Trong giai đoạn độ này, điện trở R b2 bị tụ Cb2 ngắt mạch, tụ Cb2 Cv2 tạo phân áp điện dung lúc dòng I b2 tăng nhanh làm cho tranzito T2 thông nhanh Tụ Cb đảm bảo cho tranzito thông nhanh, nhng chọn Cb lớn đợc, trình hồi phục tăng lên (khi tranzito T1 chuyển từ tắt sang thông) E Rk Rb1 Rk Rk Cb2 Ib2 Cb1 Ck1 T1 Rb2 Ra Ck2 Cv2 T T E Rk (II-1) Hình II-1b Trong trờng hợp dòng Ib2 đợc tính công thức sau (tính qúa trình độ chuyển tranzito T2 từ tắt sang thông) I b mã Trong đó, mạch ghép điện trở, dòng Ib2 cực đại phụ thuộc vào điện trở Rb theo công thc: I b mã = E R k + Rb' (II-2) Vì mạch ghép điện trở - điện dung, ngời ta thờng chọn Rb lớn R : R' = b b n Rk nhiều mà đảm bảo khả tải Rb = (3 ữ5)Rk (II-3) Ek Ek Rk Rk Rb/n Ck nCv Ub(t) Ck Cb Rb n Cv Ub(t) Vi điện tử số a.) b.) Hình II-2 a) Với mạch ghép điện trở; b) Với mạch ghép điện trở điện - dung So sánh chi tiết trình độ hai loại mạch ghép điện trở điện trở - điện dung Sơ đồ tính trễ tranzito chuyển từ tắt sng thông hai loại mạch cho hình II-2 Nh nói phần trên, điện trở Rb mạch ghép điện trở thờng trọn Rb (0,4 ữ 0,6) Rk (II 4) Với mạch ghép điện trở, khả tải n thờng lấy - 4, nh Rb/n nên ta bỏ qua đợc lợng RK2/ (B +1 ) Re2 [...]... nguồn qua điện trơ R 4 (R4 6k) Nếu sơ đồ này làm vi c với tải điện dung thì thời gian biến đổi tín hiệu trên tải sẽ rất lớn, nguyên nhân là tụ điện (tải) sẽ phải tích điện qua một điện trở có trị số lớn (R4) Hãy xét một ví dụ khi điện áp ra ở mức thấp, nghĩa là điện áp trên colectơ của tranzito T3 cũng là điện áp trên tải điện dung sẽ là VCEbão hoà Nếu bây giờ T3 chuyển sang trạng thái ngắt, điện áp... Ip tăng lớn ta chỉ cần tăng điện áp phân cực thuận cho tiếp xúc B -E của Tpnp chính là điện áp +E nguồn E Khi chỉ cần tăng E lên khoảng 60mV thì Mạch 2 dòng Ip sẽ tăng 10 lần Ip Ip/2 Ip/2 Mạch 3 Mạch 1 20 Vi điện tử số Vì vậy khi dùng mạch IIL, điện áp nguồn E chỉ cần cỡ 0,7 V Khi dùng điện áp cấp nhỏ nh vậy, thì điện dung ký sinh cũng nhỏ(vì điện dung ký sinh ở đây là điện dung hàng rào của tiếp xúc... cao, điện áp ra Ural sẽ ở mức logic 1 Còn ở điểm B, do tranzito T o thông, dẫn đến điện áp ở điểm B giảm, tranzito Bra2 tắt, có dòng rất nhỏ qua Re2 gây sụt áp nhỏ tơng ứng với mức logic thấp Điện áp Ura2 ở mức logic 0 Khi đù chỉ một đầu vào ở mức logic cao (logic 1), ví dụ đầu vào, T1 thông (khi thiết kế, các tham số sẽ đảm bảo tranzito T1 thông ở 14 Vi điện tử số chế độ tích cực, tạo ra dòng điện. .. nhờ có tranzito T1, chúng ta có thể sử dụng+Eđiện trở 5k =15V c 3k 15k 12k A Vào B 1.5k D1 D2 T1 Ra T2 5k D3 11 Vi điện tử số Hình II - 10 thay cho điện trở 20k để giải thoát các điện tích tập trung trong bazơ của tranzito T 2 và giảm thời gian chuyển mạch của phần tử Trên hình II - 10 là một biến dạng khác của mạch logic tổ hợp DTL Đây là một loại phần tử logic có độ ổn định nhiễu rất cao Sự khác... logic1 Giả sử P1 = 1, còn P2 = P3 = 0 Khi đó tranzito T1 thông ở chế độ tích cực, còn các tranzito T2 và T3 tắt Dòng emitơ của tranzito T1 chạy qua điện trở Re, gây sụt áp 16 Vi điện tử số trên điện trở Re lúc đó Ue = U1 - U btc Điện áp Ue này sẽ làm To tắt, điện áp ở đầu thứ hai ở mức cao, còn đầu ra thứ nhất ở mức thấp Xét đầu ra thứ hai: Tơng tự trờng hợp thứ nhất, ta có thể dễ dàng tìm đợc: U ra1... cũng tăng lên đột ngột đến mức điện áp cao Tuy nhiên điện áp trên tải điện dung không tăng nhanh lên nhanh nh vậy bởi vì tụ phải tích điện qua điện trở R 4 = 6k Vì vậy điện áp ra trên tải sẽ tăng lên rất chậm Để khắc phục nhợc điểm này trong nhiều trờng hợp ngời ta sử dụng một biến dạng của sơ đồ (hình - 11) nh trên hình II -12 Sơ đồ này làm vi c theo nguyên tắc nh sau: Khi điện áp ra ở mức thấp (cả tranzito... tiêu thụ của mạch vẫn nhỏ Về mặt chế tạo, mạch IIL chế tạo nhanh hơn TTL, mạch IIL mất 5 mask (mật nạ) trong khi đó mạch TTL mất 7 mask (mạch dung tranzito trờng MOS kênh p mất 4 mask) Mạch IIL có triển vọng lớn trong vi c chế tạo mạch cỡ lớn -***** - 21 Vi điện tử số Mục lục I Phân loại và các thông số cơ bản của mạch tổ hợp logic lỡng cự c 1 1 Khả năng chịu tải 2 Hệ số kết hợp ở đầu vào 3 Thời... T 2 lẫn T3 đều đứng ở vị trí bão hoà), điện áp trên colectơ của tranzito T2 nghĩa là trên bazơ 13 Vi điện tử số của tranzito T4 sẽ là 0,9V (VBT4 = VCEbão hoà+VBET3 = 0,7 + 0,2 = 0,9V) Lúc này điện áp trên colectơ của tranzito T3 sẽ là VBT4 R1 R3 R4 T4 T1 A Vào B C T2 R2 D Ra T3 C Hình II - 12 VCEbão hoàT3 = 0,9 - 0,2 = 0,7V Tuy nhiên, do có điot D trong mạch điện áp này cha đủ để làm cho tranzito T4... tính toán ở trên ta sẽ trọn đợc các tham số của mạch để mạch làm vi c tin cậy Nh trên đã nói điện áp Eb phải thoả mãn điều kiện UO < Eb < U1, thờng để có đặc tuyến truyền đạt đối xứng ra chọn: (II 29) E = 1 (U o + U 1 ) Hai đầu ra của mạch bECL2 đợc trọn sao cho hai mức loggic 0 và 1 tơng ứng nh nhau: U1ra1 = U1ra2 ; Uora1 = Uora2 c Quá trình quá độ 17 Vi điện tử số Mạch ECL là mạch có tác động nhanh... tần số làm vi c của nó lớn (tần số làm vi c của tần số 302 là 30MH z) nhng chênh lệch mức logic nhỏ (0,8 ữ 1V) nên độ ổn định nhiễu kém Mạch MC 302 có thể tổ hợp thành bộ đếm, bộ ghi dịch ngoài ra có thể dùng MC 302 làm bộ dao động đa hài Trong các loại mạch cỡ lớn (LSI) ngời ta cũng thờng dùng các phần tử ECL làm thiết bị nhớ e Nhận xét đặc điểm của mạch ECL - Khả năng tải n: Khả năng tải của phần tử