Bài giảng Điện tử số 1 - Chương 3

Tài liệu tham khảo Bài giảng điện tử số I

Bài ging N T S 1 Trang 26Chng 3CÁC PHN T LOGIC C BN3.1. KHÁI NIM V MCH S3.1.1. Mch tng tch tng t (còn gi là mch Analog) là mch dùng  x lý các tín hiu tng t. Tín hiung t là tín hiu có biên  bin thiên liên tc theo thi gian.Vic x lý bao gm các vn : Chnh lu, khuch i, u ch, tách sóng… Nhc m ca mch tng t:- Kh nng chng nhiu thp (nhiu d xâm nhp).- Vic phân tích thit k mch phc tp. khc phc nhng nhc m này ngi ta s dng mch s.3.1.2. Mch sch s (còn gi là mch Digital) là mch dùng  x lý tín hiu s. Tín hiu s là tín hiu cóbiên  bin thiên không liên tc theo thi gian hay còn gi là tín hiu gián n, c biu dini dng sóng xung vi 2 mc n th cao và thp mà tng ng vi hai mc n th này là haic logic 1 và 0 ca mch s.Vic x lý trong mch s bao gm các vn  nh:- Lc s.- u ch s / Gii u ch s.- Mã hóa / Gii mã …u m ca mch s so vi mch tng t :-  chng nhiu cao (nhiu khó xâm nhp).- Phân tích thit k mch s tng i n gin.Vì vy, hin nay mch sc s dng khá ph bin trong tt c các lnh vc nh: o lng s,truyn hình s, u khin s. . .3.1.3. H logic dng/âmTrng thái logic ca mch s có th biu din bng mch n n gin nh trên hình 3.1:Hot ng ca mch n này nh sau:- K M : èn Tt- K óng : èn SángTrng thái óng/M ca khóa K hoc trng thái Sáng/Tt caèn  cng c c trng cho hai trng thái logic ca mch s.KviHình 3.1 Chng 3. Các phn t logic c bn Trang 27ng có th thay khóa K bng khóa n t dùng BJT nh sau (hình 3.2):Gii thích các s mch:Hình 3.2a:- Khi Vi = 0 : BJT tt → V0 = +Vcc- Khi Vi > a : BJT dn bão hòa → V0 = Vces = 0,2 (V) ≈ 0 (V).Hình 3.2b:- Khi Vi = 0 : BJT tt → V0 = -Vcc- Khi Vi < -a: BJT dn bão hòa → V0 = Vces = -Vecs = - 0,2 (V) ≈ 0 (V).y, trong c 2 s mc n th vào/ra ca khoá n t dùng BJT cng tng ng vi 2trng thái logic ca mch s.Ngi ta phân bit ra hai h logic tùy thuc vào mc n áp:- Nu chn : Vlogic 1 > Vlogic 0→ h logic dng- Nu chn : Vlogic 1 < Vlogic 0→ h logic âm Logic dng và logic âm là nhng h logic t, ngoài ra còn có h logic m (Fuzzy Logic) hinang c ng dng khá ph bin trong các thit bn t và các h thng u khin tng.3.2. CNG LOGIC (LOGIC GATE)3.2.1. Khái nimng logic là mt trong các thành phn c bn  xây dng mch s. Cng logic c ch totrên c s các linh kin bán dn nh Diode, BJT, FET  hot ng theo bng trng thái cho trc.3.2.2 Phân loiCó ba cách phân loi cng logic:- Phân loi cng theo chc nng.- Phân loi cng theo phng pháp ch to.- Phân loi cng theo ngõ ra.1. Phân loi cng logic theo chc nnga)RBRcQ+VccViV0b)RcQRB-VccViV0Hình 3.2. Biu din trng thái logic ca mch s bng khóa n t dùng BJT Bài ging N T S 1 Trang 28a. Cng M (BUFFER)ng m (BUFFER) hay còn gi là cng không o là cng có mt ngõ vào và mt ngõ ra viký hiu và bng trng thái hot ng nh hình v.Phng trình logic mô t hot ng ca cng m: y = xTrong ó:- x là ngõ vào có tr kháng vào Zv vô cùng ln → do ó dòng vào ca cng m rt nh.- y là ngõ ra có tr kháng ra Zra nh → cng m có kh nng cung cp dòng ngõ ra ln.Chính vì vy ngi ta s dng cng m theo 2 ý ngha sau:- Dùng  phi hp tr kháng.- Dùng  cách ly và nâng dòng cho ti. phng din mch n có th xem cng m (cng không o) ging nh mch khuych i Cchung (ng pha).b.Cng O (NOT)ng O (còn gi là cng NOT) là cng logic có 1 ngõ vào và 1 ngõ ra, vi ký hiu và bngtrng thái hot ng nh hình v:Phng trình logic mô t hot ng ca cng O: y =xng o gi chc nng nh mt cng m, nhng ngi ta gi là m o vì tín hiu ngõ rangc mc logic (ngc pha) vi tín hiu ngõ vào.Trong thc t ta có th ghép hai cng O ni tng vi nhau  thc hin chc nng ca cngM (cng không o) (hình 3.5):ng trng tháixy001 1xyHình 3.3. Ký hiu và bng trng thái ca cng mng trng thái:xy011 0xyHình 3.4. Ký hiu và bng trng thái hot ng ca cng oxxxxx =Hình 3.5. S dng 2 cng O to ra cng M Chng 3. Các phn t logic c bn Trang 29 phng din mch n, cng O ging nh tng khuych i E chung.c. Cng VÀ (AND)ng AND là cng logic thc hin chc nng ca phép toán nhân logic các tín hiu vào. CngAND 2 ngõ vào có 2 ngõ vào 1 ngõ ra ký hiu nh hình v:Phng trình logic mô t hot ng ca cng AND:y = x1.x2ng trng thái hot ng ca cng AND 2 ngõ vào:x1x2 y0 0 00 1 01 0 01 1 1 bng trng thái này có nhn xét: Ngõ ra y ch bng 1 (mc logic 1) khi c 2 ngõ vào u bng1, ngõ ra y bng 0 (mc logic 0) khi có mt ngõ vào bt k (x1 hoc x2) bng 0.Xét trng hp tng quát cho cng AND có n ngõ vào x1, x2 . xn:yAND===∀=∃)n1,(i1x10x0iiy, c m ca cng AND là: ngõ ra y ch bng 1khi tt c các ngõ vào u bng 1, ngõ ra y bng 0 khicó ít nht mt ngõ vào bng 0. dng cng AND óng m tín hiu:Cho cng AND có hai ngõ vào x1 và x2. Ta chn:- x1óng vai trò ngõ vào u khin (control). - x2óng vai trò ngõ vào d liu (data).Xét các trng hp c th sau ây:- Khi x1= 0: y = 0 bt chp trng thái ca x2, ta nói ng AND khóa li không cho d liu avào ngõ vào x2 qua cng AND n ngõ ra.- Khi x1 = 12xy1y12x0y02x=⇒=⇒==⇒=Ta nói ng AND m cho d liu a vào ngõ vào x2 qua cng AND n ngõ ra.y, có th s dng mt ngõ vào bt k ca cng AND óng vai trò tín hiu u khin cho phéphoc không cho phép lung d liu i qua cng AND. dng cng AND  to ra cng logic khác:u s dng 2 t hp u và cui trong bng giá tr ca cng AND và ni cng AND theo snh hình 3.8 thì có th s dng cng AND  to ra cng m.Trong thc t, có th tn dng ht các cng cha dùng trong IC  thc hin chc nng ca cácng logic khác.x1yx2Hình 3.6. Cng ANDx1yxnHình 3.7. Cng AND vi n ngõ vào Bài ging N T S 1 Trang 30d. Cng HOC (OR)ng OR là cng thc hin chc nng ca phép toán cng logic các tín hiu vào. Trên hình v làký hiu ca cng OR 2 ngõ vào:Phng trình logic cng OR 2 ngõ vào: y = x1 + x2ng trng thái mô t hot ng:x1x2y = x1+x20 0 00 1 11 0 11 1 1Xét trng hp tng quát i vi cng OR có n ngõ vào.Phng trình logic:yOR ===∀=∃)n1,(i0x01x1iic m ca cng OR là: Tín hiu ngõ ra ch bng 0 khi và ch khi tt c các ngõ vào ung 0, ngc li tín hiu ngõ ra bng 1 khi ch cn có ít nht mt ngõ vào bng 1. dng cng OR óng m tín hiu:Xét cng OR có 2 ngõ vào x1, x2. Nu chn x1 là ngõ vào u khin (control), x2 ngõ vào d liu(data), ta có các trng hp c th sau ây:- x1= 1: y = 1, y luôn bng 1 bt chp x2→ Ta nói ng OR khóa không cho d liu i qua.x1x2y+x = 0  x1= x2= 0  y = 0+x = 1  x1= x2= 1  y = 1  y = xHình 3.8. S dng cng AND to ra cng m.Ký hiu Châu ÂuKý hiu theo M, Nht, Úcx1x2yx1x2yHình 3.9a Cng OR 2 ngõ vàox1xnyHình 3.9b Cng OR n ngõ vào Chng 3. Các phn t logic c bn Trang 31- x1= 0:2xy1y12x0y02x=⇒=⇒==⇒=→ Ta nói ng OR m cho d liu t ngõ vào x2 quang n ngõ ra y. dng cng OR  thc hin chc nng cng logic khác:  dng hai t hp giá tru vàcui ca bng trng thái ca cng OR và ni mch cng OR nh s hình 3.10:- x = 0, x1 = x2 = 0 ⇒ y = 0- x = 1, x1 = x2 = 1 ⇒ y = 1 ⇒ y = x: cng OR óng vai trò nh cng m.e. Cng NANDây là cng thc hin phép toán nhân o, v s logic cng NAND gm 1 cng AND mci tng vi 1 cng NOT, ký hiu và bng trng thái cng NAND c cho nh hình 3.11:Phng trình logic mô t hot ng ca cng NAND 2 ngõ vào:21.xxy =Xét trng hp tng quát: Cng NAND có n ngõ vào. yNAND ===∀=∃)n1,(i1x00x1iiy, c m ca cng NAND là: tín hiu ngõ ra ch bng 0 khi tt c các ngõ vào u bng1, và tín hiu ngõ ra s bng 1 khi ch cn ít nht mt ngõ vào bng 0. dng cng NAND óng m tín hiu:Xét cng NAND có hai ngõ vào. Chn x1 là ngõ vào u khin (control), x2 là ngõ vào d liu(data), ln lt xét các trng hp sau:- x1= 0: y = 1 (y luôn bng 1 bt chp giá tr ca x2) ta nói ng NAND khóa.- x1= 1:2xy0y12x1y02x=⇒=⇒==⇒=→ ng NAND m cho d liu vào ngõ vào x2nngõ ra ng thi o mc tín hiu ngõ vào x2, lúc này cng NAND óng vai trò là cng O.x1x2yxHình 3.10. S dng cng OR làm cng mHình 3.11. Cng NAND: Ký hiu, s logic tng ng và bng trng tháix1x2y0 0 10 1 11 0 11 1 0x1 yx2x1x2yx1yxnHình 3.12.Cng NAND n ngõ vào Bài ging N T S 1 Trang 32x1x2y1x2x y =212121. xxxxxx +=+=x1x2yHình 3.13d. Dùng cng NAND to cng OR dng cng NAND  to các cng logic khác: - dùng cng NAND to cng NOT: - dùng cng NAND to cng BUFFER (cng m): - dùng cng NAND to cng AND: - dùng cng NAND to cng OR:x1yx2x y =xxxxx =+=2121xyHình 3.13a.Dùng cng NAND to cng NOTxxy ==yxx1x2xxyHình 3.13b.Dùng cng NAND to cng M (BUFFER)yx1x221.xx y =2121.xxxx =x1x2yHình 3.13c. S dng cng NAND to cng AND Chng 3. Các phn t logic c bn Trang 33f. Cng NORng NOR, còn gi là cng Hoc-Không, là cng thc hin chc nng ca phép toán cng ologic, là cng có hai ngõ vào và mt ngõ ra có ký hiu nh hình v:Phng trình logic mô t hot ng ca cng :y =21xx +ng trng thái mô t hot ng ca cng NOR :x1x2y0 0 10 1 01 0 01 1 0Xét trng hp tng quát cho cng NOR có n ngõ vào.yNOR===∀=∃)n1,(i0x11x0iiy c m ca cng NOR là: Tín hiu ngõ ra chng 1 khi tt c các ngõ vào u bng 0, tín hiu ngõra s bng 0 khi có ít nht mt ngõ vào bng 1. dng cng NOR óng m tín hiu:Xét cng NOR có 2 ngõ vào, chn x1 là ngõ vào u khin, x2 là ngõ vào d liu. Ta có:- x1= 1: y = 0 (y luôn bng 0 bt chp x2), ta nói ng NOR khóa không cho d liu i qua.- x1= 0:2xy0y12x1y02x=⇒=⇒==⇒=→ ta nói ng NOR m cho d liu t ngõ vào x2 quang NOR n ngõ ra ng thi o mc tín hiu ngõ vào x2, lúc này cng NOR óng vai tròlà cng O. dng cng NOR  thc hin chc nng cng logic khác: - Dùng cng NOR làm cng NOT:x1x2yKý hiu theo Châu ÂuKý hiu theo M, Nhtx1x2yHình 3.14. Ký hiu cng NORx1xnyHình 3.15. Cng NOR n ngõ vào Bài ging N T S 1 Trang 34 - Dùng cng NOR làm cng OR : - Dùng cng NOR làm cng BUFFER : - Dùng cng NOR làm cng AND :x1yx2x y = xxxxx ==+2121.yxHình 3.16a. S dng cng NOR to cng NOT y =2121xxxx +=+yx1x221xx + Hình 3.16b. S dng cng NOR to cng ORx1x2yyxx1x2x y =xx =xyHình 3.16c. S dng cng NOR to cng BUFFER y =212121 xxxxxx ==+x1x2y1x2xx1x2yHình 3.16d. S dng cng NOR làm cng AND Chng 3. Các phn t logic c bn Trang 35- Dùng cng NOR làm cng NAND:g. Cng XOR (EX - OR)ây là cng logic thc hin chc nng ca mch cng modulo 2 (cng không nh), là cng cóhai ngõ vào và mt ngõ ra có ký hiu và bng trng thái nh hình v.Phng trình logic mô t hot ng ca cng XOR :yXOR = x12x +1x .x2 = x1⊕ x2ng XOR c dùng  so sánh hai tín hiu vào:- Nu hai tín hiu vào là bng nhau thì tín hiu ngõ ra bng 0- Nu hai tín hiu vào là khác nhau thì tín hiu ngõ ra bng 1.Các tính cht ca phép toán XOR:1. x1⊕ x2 = x2⊕ x12. x1⊕ x2⊕ x3 = (x1⊕ x2) ⊕ x3 = x1⊕ (x2⊕ x3)3. x1.(x2⊕ x3) = (x1.x2) ⊕ (x3.x1)Chng minh: trái = x1.(x2⊕ x3) = x1(x2.x3 +x2.x3) = x1x2x3 + x1x2 x3 + x1x1.x3 + x1x1.x2 = x1x2x3 + x1x2 x3 + x1x1.x3 + x1x1.x2 = x1x2(x3 +x1) + x1 x3(x2 +x1 ) = x1x231xx +21xx x1x3 = (x1x2)⊕(x1x3) = V phi (pcm).4. x1⊕ (x2. x3) = (x1⊕x3).(x1⊕x2)5. x⊕ 0 = xx ⊕ 1 = xx ⊕ x = 0x ⊕ x = 1Hình 3.16e. S dng cng NOR làm cng NAND y =212121.1 xxxxxxy =+=+=x1x2y11x2xx1x2yyx1x2y0 0 001 11 0 11 1 0yx1x2Hình 3.17. Cng XOR rng tính cht 5: u x1⊕x2 = x3 thì x1⊕x3=x2 [...]... ta có: DD DS(OFF)/Q3DS(OFF)/Q2DS(ON)/Q1 DS(OFF)/Q3DS(OFF)/Q2 y V RRR RR V ++ + = DD 77 77 V K10K10200K K10K10 ++ + = ⇒ V y  V DD ⇒ y = 1. - Khi x 1 = 1, x 2 =0 (hình 3. 30b): Q 1 , Q 2 dn và Q 3 tt lúc ó theo s tng ng ta có: DD QOFFDSQONDSQONDS QOFFDSQONDS y V RRR RR V 3/ )(2/) (1/ )( 3/ )(2/)( ++ + = DD V KKK KK 7 7 10 1200 10 1 ++ + = ⇒ V y  V DD ⇒ y = 1 - Khi x 1 = 0, x 2 =1: Q 1 , Q 3 dn và Q 2 tt, gii thích tng t ta có Vy  VDD → y = 1. - Khi x 1 =1, x 2 =1 (hình 3. 30c):... có: DD DS(OFF)/Q3DS(OFF)/Q2DS(ON)/Q1 DS(OFF)/Q3DS(OFF)/Q2 y V )])//(R[(RR ))//(R(R V + = DD 77 77 V K)K/ /10 (10 200K KK/ /10 10 + = ⇒ V y  V DD ⇒ y = 1 - Khi x 1 =0, x 2 =1 (hình 3. 31b): Q 1 và Q 3 dn, Q 2 tt, ta có: DD DS(ON)/Q3DS(OFF)/Q2DS(ON)/Q1 DS(ON)/Q3DS(OFF)/Q2 y V )])//(R[(RR ))//(R(R V + = DD 7 7 V K//1K) (10 200K K//1K10 + = ⇒ V y  2 01 1 V DD  0,005V ⇒ y = 0 - Khi x 1 =1, x 2 =0: Q 1 và Q 2 ... m): - dùng cng NAND to cng AND: - dùng cng NAND to cng OR: x 1 y x 2 x y = xxxxx =+= 212 1 x y Hình 3 . 13 a.Dùng cng NAND to cng NOT xxy == yx x 1 x 2 x x y Hình 3 . 13 b.Dùng cng NAND to cng M (BUFFER) y x 1 x 2 21 .xx y = 212 1 .xxxx = x 1 x 2 y Hình 3 . 13 c. S dng cng NAND to cng AND Bài ging N T S 1 Trang 46 V DD y R DS/ Q1 R DS/Q4 R DS/Q3 R DS/ Q2 Hình 3. 34. Hình 3. 32b (cng... : DD DS(OF)/Q4DS(ON)/Q3DS(OFF)/Q2DS(OFF)/Q1 DS(ON)/Q2DS(OFF)/Q1 y V )])//(R[(RRR ))//(R(R V ++ = DD 77 7 V K//1K) (10 1KK10 1KK10 ++ + = ⇒ V y ≈ V DD ⇒ y = 1 - Khi x 1 = 1, x 2 = 0: Q 3 và Q 2 dn, Q 1 và Q 4 tt: V y ≈ V DD ⇒ y = 1 - Khi x 1 = x 2 = 1: Q 2 và Q 1 dn, Q 3 và Q 4 tt, ta có: DD DS(OFF)/Q3DS(OFF)/Q4DS(ON)/Q2DS(ON)/Q1 DS(ON)/Q2DS(ON)/Q1 y V )])//(R[(RRR ))//(R(R V ++ = DD 77 V K)K/ /10 (10 1K1K 1K1K ++ + = ⇒ V y ≈ 0V⇒ y = 0 ⇒ây chính là mch thc hin cng NAND. V DD y R DS(ON)/Q1 R DS(OFF)/Q2 V DD y R DS(OFF)/Q1 R DS(ON)/Q2 Hình... 0. D R 4 R 2 x 1 x 2 Q 1 R 1 Q 2 R 3 R 5 y Q 3 Q 4 V cc Hình 3. 25. Cng logic h TTL dùng diode Schottky R4 x1 y2 Q2 Q4 R7 2 Q1 1 R1 Q3 y1 R6 1& apos; x2 R3 -VEE 3 VCC = 0V R5R2 RE Hình 3. 26. Cng logic h ECL (Emitter Coupled Logic) Bài ging N T S 1 Trang 44 Hình 3. 28b (cng NOR) Ta ln lt xét các trng hp sau: (s tng ng hình 3. 31 ) - Khi x 1 = x 2 = 0 (hình 3. 31a) : Q 1 dn, Q 2 và Q 3 u tt, lúc... 3. 31a (x 1 =x 2 =0) V DD y R DS(ON)/Q1 R DS(ON)/Q3 R DS(OFF)/Q2 Hình 3. 31a (x 1 =0, x 2 =1) V DD y R DS(ON)/Q1 R DS(ON)/Q2 R DS(ON)/Q3 Hình 3. 31c (x 1 =x 2 =1) Chng 3. Các phn t logic c bn Trang 47 3. Phân loi cng logic theo ngõ ra a. Ngõ ra ct chm (Totem Pole Output) Xét cng logic h TTL vi s mch nh hình 3. 35. - Khi x 1 =x 2 =1: Tip giáp BE 1 , BE 2 ca Q 1 phân cc ngc nên Q 1 ... cm ca RSFF, khi J=K =1 ngõ ra  trng thái k tip o mc logic so vi ngõ ra  trng thái hin ti.  tìm bng u vào kích ca JKFF ta khai trin bng trng thái nh sau: J n K n Q n Q n +1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0  bng khai trin trên ta xây dng c bng u vào kích cho JKFF nh sau: Q n Q n +1 S n R n 0 0 0 X 0 1 1 X 1 0 X 1 1 1 X 0  th thi gian... trên s  3. 40. Hãy th gii thích s này ? x1 D2 R5 Q1 Q2 Q4 Q3 R2 . y R3 x2 VCC R4 R1 E D1 Hình 3. 38. Ngõ ra 3 trng thái x 1 y x 2 E    =⇒= =⇒= cao ZyE xxyE 0 1 21    =⇒= =⇒= 21 0 1 xxyE ZyE cao x 1 y x 2 E Hình 3. 39. Cng NAND 3 trng thái vi ngõ vào E a. E tích cc mc cao - b. E tích cc mc thp a) b) 1 3 4 2 A B C D Hình 3. 40. ng dng ca ngõ ra 3 trng thái E Chng 3. Các phn... nh sau: S n R n Q n Q n +1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 X 1 1 1 X Trong bng này, tín hiu ngõ ra  trng thái tip theo (Q n +1 ) s ph thuc vào tín hiu các ngõ vào data (S, R) và tín hiu ngõ  ra trng thái hin ti (Q n ). T bng khai trin trên ta xây dng c bng u vào kích cho RSFF: Q n Q n +1 S n R n 0 0 0 X 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 X 0 ng t bng trng thái... CMOS c cho trên hình 3. 34. - Khi x 1 =x 2 = 0: Q 4 và Q 3 dn, Q 2 và Q 1 tt, ta có: DD DS(ON)/Q3DS(ON)/Q4DS(OFF)/Q2DS(OFF)/Q1 DS(OFF)/Q1DS(OFF)/Q2 y V )])//(R[(RRR ))//(R(R V ++ = DD 77 77 V (1K//1K)KK/ /10 10 KK/ /10 10 + = ⇒ V y  V DD ⇒ y = 1 - Khi x 1 = 0, x 2 = 1: Q 2 và Q 3 dn, Q 1 và Q 4 tt, ta có : DD DS(OF)/Q4DS(ON)/Q3DS(OFF)/Q2DS(OFF)/Q1 DS(ON)/Q2DS(OFF)/Q1 y V )])//(R[(RRR ))//(R(R V ++ = DD 77 7 V K//1K) (10 1KK10 1KK10 ++ + = ⇒ . = x1.(x2⊕ x3) = x1(x2.x3 +x2.x3) = x1x2x3 + x1x2 x3 + x1x1.x3 + x1x1.x2 = x1x2x3 + x1x2 x3 + x1x1.x3 + x1x1.x2 = x1x2(x3 +x1) + x1 x3(x2 +x1 ) = x1x 231 xx. NAND y = 212 1 21. 1 xxxxxxy =+=+=x1x2y11x2xx1x2yyx1x2y0 0 0 01 11 0 11 1 0yx1x2Hình 3 .17 . Cng XOR rng tính cht 5: u x1⊕x2 = x3 thì x1⊕x3=x2 Bài ging