Bài tập lớn cáu trúc điện từ tìm hiểu về 2 họ ICTTL và cmos và các kết nối 2 họ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG co ng c om *** an BÀI TẬP LỚN on g th Môn: Cấu kiện điện tử cách kết nối họ IC cu u du Chủ đề: Tìm hiểu họ IC TTL CMOS Sinh viên thực hiện: Lương Văn Minh Mã số sinh viên : 20152445 Lớp : Điện tử 06 – K60 Hà Nội, 2017 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt MỤC LỤC Tìm hiểu họ IC TTL 01 Tìm hiểu họ IC CMOS 05 Kết nối họ IC 12 Kết nối TTL – TTL 12 3.2 Kết nối TTL – CMOS 12 3.3 Kết nối CMOS – TTL 13 3.4 Kết nối CMOS – CMOS cu u du on g th an co ng c om 3.1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 13 TÌM HIỂU VỀ HỌ IC TTL: Transistor-transistor logic (viết tắt: TTL) lớp mạch kỹ thuật số xây dựng từ transistor lưỡng cực (BJT) số điện trở phụ trợ Tên gọi transistor-transistor logic hai chức cổng logic, ví dụ AND, chức khuếch đại transistor thực TTL bật lớp IC sử dụng rộng rãi đến ngày nhiều ứng dụng máy tính, điều khiển cơng nghiệp, thiết bị kiểm tra đo đạc, điện tử tiêu dùng, ng c om Trước vào cấu trúc mạch TTL bản, xét số mạch điện có khả thực chức logic cổng logic vi mạch TTL: co Hình 1: Cổng DR th an Mạch hình hoạt động cổng AND Thật vậy, hai đầu A B nối với nguồn, tức để mức cao hai diode ngắt, đầu Y phải mức cao Ngược lại, có đầu vào mức thấp có diode dẫn, điện áp diode cịn 0.6 – 0.7 V, ngõ Y mức thấp cu u du on g Tiếp theo ta xét đến mạch thực chức cổng logic cách sử dụng trạng thái ngắt dẫn transistor (hình 2) Hình 2: Cổng RTL Hai ngõ vào A B, ngõ Y Phân cực từ hai đầu A, B để Q hoạt động trạng thái ngắt dẫn bão hòa Cho A=0, B=0 => Q ngắt, Y=1 A=0, B=1 => Q dẫn bão hòa, Y=0 A=1, B=0 => Q dẫn bão hòa, Y=0 A=1, B=1 => Q dẫn bão hòa, Y=0 Nghiệm lại thấy mạch thực chức cổng logic NOR CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Vì có cấu tạo ngõ vào điện trở (resistor), ngõ transistor nên mạch NOR xếp vào dạng RTL Với mạch hình 2, mạch có ngõ vào A ta có cổng NOT, thêm tầng transistor trước ngõ có cổng OR .c om Bây giờ, để có cổng logic loại DTL, ta thay hai điện trở R hai diode ngõ vào (hình 3) ng Hình 3: Cổng NAND DTL co Khi A=0, B=0 => diode dẫn làm transistor ngắt => Y=1 Khi A=0, B=1 => diode dẫn làm transistor ngắt => Y=1 an Khi A=1, B=0 => diode dẫn làm transistor ngắt => Y=1 th Khi A=1, B=1 => hai diode ngắt làm transistor dẫn => Y=0 g Rõ ràng cổng NAND dạng DTL (diode-transistor logic) du on Ta thấy mạch RTL, DTL có khả thực chức logic sử dụng dạng đơn lẻ khơng tích hợp thành IC chun dùng ngồi chức logic cịn cần phải đảm bảo yếu tố khác như: u - Tốc độ chuyển mạch: mạch chuyển mạch nhanh hoạt động tần số cao không? cu - Tổn hao lượng mạch hoạt động: mạch nóng, tiêu tán lượng dạng nhiệt - Khả giao tiếp thúc tải, thúc mạch khác - Khả chống loại nhiễu không mong muốn xâm nhập vào mạch, làm sai mức logic Chính mạch TTL đời, thay cho mạch loại RTL, DTL Mạch TTL transistor ngõ mạch trước cịn sử dụng transistor đầu vào, thêm số cách nối đặc biệt khác, nhờ đảm bảo nhiều yếu tố đề Hình cấu trúc mạch logic TTL : CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt om Hình 4: Cổng NAND TTL c Mạch hoạt động cổng NAND ng Hai ngõ vào A B đặt cực phát transistor Q1 (đây transistor có nhiều cực phát có cấu trúc mạch tương đương hình bên) co Hai diode mắc ngược từ hai ngõ vào xuống mass dùng để giới hạn xung âm ngõ vào, có, giúp bảo vệ mối nối BE Q1 th an Ngõ cổng NAND lấy hai transistor Q3 Q4, sau diode D0 Q4 D0 thêm vào để hạn dịng cho Q3 dẫn bão hịa đồng thời giảm mát lượng tỏa R4 (trường hợp khơng có Q4, D0) Q3 dẫn Điện áp cấp cho mạch mạch TTL khác thường chuẩn g 5V on Mạch hoạt động sau: du Khi A mức 0, B mức hay A B mức Q1 dẫn, phân cực mạch để sụt áp Q1 nhỏ cho Q2 không đủ dẫn, kéo theo Q3 ngắt cu u Như vậy, có tải ngồi dịng qua Q4, D0 tải xuống mass Dòng gọi dòng mức cao khí hiệu IOH Giả sử tải điện trở 3k9 dịng là: I OH  VCC  VCE  VD  0.2  0.8   1mA R 3k Khi A B mức 1, nên khơng thể có dòng A B được, dòng từ nguồn VCC qua R1, mối nối BC Q1 thúc vào cực B Q2 dẫn bão hòa Nếu mắc tải từ nguồn VCC tới ngõ Y dịng đổ qua tải, qua R3 làm dẫn bão hịa ln Ngõ mức thấp điện áp áp VCE Q3 (khoảng 0.2 – 0.5 V tùy dịng qua tải) Lúc ta có dịng mức thấp kí hiệu IOL Ví dụ tải 470 Ohm dịng là: I OL  VCC  VCE  0.3   10mA R 470 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Vậy mạch logic có chức hoạt động cổng NAND ngõ vào Nếu để hở hai ngõ vào A B Q1 ngắt, Q2 dẫn, kéo theo Q3 dẫn có tải ngồi tức ngõ Y mức 1, giống trường hợp ngõ A B nối lên mức Nếu A B nối chung với hay Q1 có cực phát mạch NAND chuyển thành mạch NOT * Quy mơ tích hợp: on g th an co ng c om Các mạch cổng logic tích hợp lại thành mạch tổ hợp bán dẫn rất nhỏ đặt vào vỏ bọc, có dây kim loại nối ngồi chân Thường với mạch cổng NAND có bốn mạch tích hợp vỏ bọc, chúng thuộc loại tích hợp cỡ nhỏ: small scale integration (SSI), số IC đặc biệt có số cổng lớn chút hay quy mô phức tạp nên thuộc loại tích hợp cỡ vừa: medium scale integration (MSI) Khi nằm IC tích hợp, xếp mạch chân vào cho loại cổng chuẩn (ví dụ với loại cổng NAND) là: du Hình 5: Minh họa IC cổng NAND cu u Có nhiều mạch khác tích hợp nhiều cổng tất nhiên thành phần mạch transistor quy mơ tích hợp từ hàng trăm đến hàng trăm triệu transistor phiến bán dẫn, đặt vỏ bọc không lớn vài xen ti mét vuông Chẳng hạn: Các mạch chuyển đổi mã, dồn tách kênh, mạch logic số học thuộc loại tích hợp cỡ vừa, số loại tích hợp cỡ lớn : large scale integration (LSI) cấu trúc mạch gồm khoảng từ 12 đến 100 cổng (MSI) hay 100 đến 1000 cổng (LSI) Các mạch nhớ, vi điều khiển, vi xử lí, lập trình tích hợp từ hàng ngàn đến hàng triệu cổng logic xếp vào loại tích hợp cỡ lớn (VLSI) siêu lớn (ULSI) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TÌM HIỂU VỀ HỌ IC CMOS: Cơng nghệ MOS (Metal Oxide Semiconductor - kim loại oxit bán dẫn) có tên gọi xuất xứ từ cấu trúc MOS điện cực nằm lớp oxit cách nhiệt, lớp oxit đế bán dẫn Transistor công nghệ MOS transistor hiệu ứng trường, gọi MOSFET (metal oxide silicon field effect transistor) Có nghĩa điện trường phía điện cực kim loại lớp oxit cách nhiệt có ảnh hưởng đến điện trở đế Phần nhiều IC số MOS thiết kế hết MOSFET, không cần đến linh kiện khác an co ng c om Ưu điểm MOSFET dễ chế tạo, phí tổn thấp, kích thước nhỏ, tiêu hao điện Kĩ thuật làm IC MOS rắc rối 1/3 kĩ thuật làm IC lưỡng cực (TTL, ECL, ) Thêm vào đó, thiết bị MOS chiếm chỗ chip so với BJT, thông thường, MOSFET cần mi li vng diện tích chip, BJT địi hỏi khoảng 50 mi li vng Quan trọng hơn, IC số MOS thường không dùng thành phần điện trở IC, vốn chiếm nhiều diện tích chip IC lưỡng cực Vì vậy, IC MOS dung nạp nhiều phần tử mạch chip đơn so với IC lưỡng cực Bằng chứng ta thấy MOS dùng nhiều vi mạch tích hợp cỡ LSI, VLSI hẳn TTL Mật độ tích hợp cao IC MOS làm chúng đặc biết thích hợp cho IC phức tạp, chip vi xử lí chip nhớ Sửa đổi cơng nghệ IC MOS cho thiết bị nhanh 74, 74LS TTL, với đặc điểm điều khiển dòng gần Do vậy, thiết bị MOS đặc biệt CMOS đã sử dụng rộng rãi mạch MSI tốc độ có thua IC TTL cao cấp dễ bị hư hỏng bị tĩnh điện th Mạch số dùng MOSFET chia thành nhóm là: on g - PMOS dùng MOSFET kênh P - NMOS dùng MOSFET kênh N du - CMOS (MOS bù) dùng MOSFET kênh P N cu u Các IC số PMOS NMOS có mật độ đóng gói lớn (nhiều transistor chip hơn) kinh tế CMOS NMOS có mật độ đóng gói gần gấp đơi PMOS Ngồi ra, NMOS nhanh gần gấp lần PMOS nhờ kiện điện tử tự hạt tải dịng NMOS, cịn lỗ trống (điện tích dương chuyển động chậm hơn) hạt tải dòng cho PMOS CMOS rắc rối có mật độ đóng gói thấp họ MOS, có điểm mạnh tốc độ cao công suất tiêu thụ thấp IC NMOS CMOS dùng rộng rãi lĩnh vực kĩ thuật số, IC PMOS khơng cịn góp mặt thiết kế Tuy nhiên MOSFET kênh P quan trọng chúng dùng mạch CMOS Trước vào cơng nghệ CMOS ta tìm hiểu qua NMOS Cũng cần phải biết PMOS tương ứng giống hệt NMOS, khác chiều điện áp CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hình cấu tạo cổng NOT loại NMOS bản: om Hình 6: Cấu tạo cổng NOT loại NMOS c Mạch gồm MOSFET: Q2 làm chuyển mạch Q1 làm tải cố định dẫn, điện trở Q1 khoảng 100 kΩ ng Ngõ vào mạch dặt cực G Q2, ngõ lấy điểm chung cực S Q1 cực D Q2 Nguồn phân cực cho mạch giả sử dụng nguồn 5V co Khi Vin = 5V, ngõ vào mức kích cho Q2 dẫn, cầu phân áp RQ1 RQ2 cho phép áp khoảng 0.05 V tức ngõ mức th an Khi Vin= 0V, ngõ vào mức 0, Q2 ngắt, trở lớn, cầu phân áp RQ1 RQ2 đặt áp ngõ xấp xỉ nguồn, tức ngõ mức du on g Vậy hoạt động mạch giống cổng NOT Cổng NOT xem mạch công nghệ MOS Nếu ta thêm Q3 mắc nối tiếp giống với Q2 ta cổng NAND Nếu ta mắc Q3 song song giống với Q2 ta cổng NOR Cổng AND cổng OR tạo cách thêm cổng NOT ngõ cổng NAND cổng NOR vừa tạo cu u Như nói trước, NMOS khơng phải để tạo cổng mà thường dùng để xây dựng mạch tổ hợp, mạch quy mô thường cỡ MSI trở lên, tất mạch tổ hợp mạch cổng logic kể * Một số đặc điểm NMOS: - Tốc độ chuyển mạch: chậm so với loại TTL điện trở đầu vào cao đồng thời bị ảnh hưởng tải dung tính mà thúc Giới hạn nhiễu khoảng 1.5V với nguồn 5V tăng tỉ lệ nguồn cấp tăng Như tính kháng nhiễu TTL - Hệ số tải: lý thuyết lớn trở đầu vào mạch lớn Tuy nhiên, tần số hoạt động cao (trên 100kHz) điện dung sinh làm suy giảm thời gian chuyển mạch kéo theo giảm khả giao tiếp tải So với TTL NMOS có hệ số tải cao hẳn trung bình 50 cổng loại CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt - Công suất tiêu tán: Đây ưu điểm bật logic MOS Chính nhờ ưu điểm mà CMOS tích hợp cỡ LSI VLSI, nơi mà nhiều cổng, nhiều flip flop, nhiều mạch khác tích hợp chíp mà khơng sinh nhiệt lớn làm hỏng chip * CMOS: an co ng c om CMOS (Complementary MOS) có cấu tạo kết hợp PMOS NMOS mạch nhờ tận dụng mạnh loại, nói chung nhanh đồng thời mát lượng thấp so với dùng rời loại Cấu tạo CMOS cổng NOT gồm transistor NMOS transistor PMOS hình th Hình 7: Cấu tạo cổng loại CMOS g Hoạt động mạch tương tự NMOS du on Khi ngõ vào (nối chung cực cổng transistor) mức có Q1 dẫn mạnh áp lấy từ điểm chung cực máng transistor xấp xỉ 0V nên ngõ mức cu u Khi ngõ vào mức Q1 ngắt cịn Q2 dẫn mạnh, áp xấp xỉ nguồn nên ngõ mức Để ý khác với cổng NOT NMOS, transistor khơng dẫn lúc nên khơng có dòng điện từ nguồn đổ qua transistor xuống mass nhờ cơng suất tiêu tán gần Tuy nhiên, transistor chuyển mạch có tải có dịng điện chảy qua hay transistor nên công suất tiêu tán lại tăng lên Trên nguyên tắc cổng NOT, giống trước cách mắc song song hay nối tiếp thêm transistor ta thực cổng logic khác (hình 8) Chẳng hạn mắc chồng NMOS mắc song song PMOS ta cổng NAND Còn mắc chồng PMOS mắc song song NMOS ta cổng NOR CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt om Hình 8: Cách mắc cổng c * Đặc tính kĩ thuật: co ng - Cơng suất tiêu tán: Khi mạch CMOS trạng thái tĩnh (không chuyển mạch) cơng suất tiêu tán PD mạch nhỏ Tuy nhiên PD gia tăng đáng kể cổng CMOS phải chuyển mạch nhanh cu u du on g th an Lý có điều chuyển mạch transistor dẫn khiến dòng bị hút mạnh để cấp cho phụ tải điện dung (sinh xung nhọn làm biên độ dịng bị đẩy lên có cỡ 5mA thời gian tồn khoảng 20 đến 30 ns) Tần số chuyển mạch lớn sinh nhiều xung nhọn làm I tăng kéo theo P tăng theo P cơng suất động lưu trữ điện dung tải Điện dung bao gồm điện dung đầu vào kết hợp tải kích thích điện dung đầu riêng thiết bị Hình 9: Ảnh hưởng tải điện dung - Tốc độ chuyển mạch (tần số chuyển mạch): Cũng giống mạch TTL, mạch CMOS phải có trì hỗn truyền để thực chuyển mạch Nếu trì hỗn làm tPH nửa chu kì tín hiệu vào dạng xung vng trở thành xung tam giác khiến mạch tác dụng logic Tuy nhiên tốc độ chuyển mạch CMOS nhanh hẳn loại TTL điện trở đầu thấp trạng thái Tốc độ chuyển mạch tăng lên tăng nguồn điều làm tăng cơng suất tiêu tán, ngồi ảnh hưởng tải điện dung CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giới hạn tốc độ chuyển mạch cho phép làm nên tần số chuyển mạch tối đa tính dựa tPH Bảng sau cho phép so sánh fmax số loại cổng NAND loại TTL với CMOS om - Điện áp vào loại CMOS: cu u du on g th an co ng c Cũng giống bên TTL kí hiệu, tên gọi bên CMOS có phức tạp nguồn ni cho loại IC khác nhau, ta rút tương đối điều kiện nguồn Vdd = 5V Hình bảng nêu thông số áp vào Riêng loại 74HCT CMOS tốc độ cao tương thích với TTL nên thơng số giống bên TTL CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt - Dòng điện ngõ vào ngõ ra: Bảng so sánh dòng vào số loại CMOS với số loại TTL om Nói chung ta quan tâm đến dịng nhiều dịng tối đa cho phép mà đảm bảo mức logic phần Còn áp quan tâm tính đến việc giao tiếp cổng khác loại khác áp nuôi co ng c - Hệ số tải: Dòng CMOS lớn lúc điện trở vào CMOS lại lớn (thường khoảng 1012 ohm) tức dòng vào rất nhỏ nên số toả lớn Nhưng cổng CMOS có điện dung ngõ vào thường khoảng 5pF nên có nhiều cổng tải mắc song song số điện dung tăng lên làm tốc độ chuyển mạch chậm lại khiến số toả tần số thấp (dưới 1MHz) vài chục, tần số cao số tạo giảm 10 * Các IC cổng logic: cu u du on g th an Có nhiều IC loại CMOS có mã số chức logic tương tự IC TTL chẳng hạn bên TTL IC cổng NAND ngõ vào 7400, 74LS00, 74AS00, bên CMOS tương tự có 74C00, 74HC/HCT00, 74AC11000, Tuy nhiên khơng phải tất bên TTL có bên CMOS có CMOS có loại riêng, chẳng hạn với cổng nảy schmitt trigger 74HC/HCT14 gồm cổng NOT, 74HC/HCT132 gồm cổng NAND ngõ vào cịn có 4014, 4534 gồm cổng NOT, 4093 gồm cổng NAND ngõ vào; hay 4066 cổng truyền chiều số tương tự vv 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt om c ng co an th cu u du on g Hình 10: Sơ đồ chân số IC CMOS 11 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt KẾT NỐI HỌ IC: 3.1 Kết nối TTL – TTL: Do loại nên chúng đương nhiên mắc nối trực tiếp với Dịng trung bình để đảm bảo mức điện áp vào, mức cao hay thấp cho phép thì: IOH = 400µA cịn IIH = 40µA mức IOL = 16mA IIL = 16mA mức c om Như cổng TTL thúc khoảng 10 cổng logic loại Ở xét tính tương đối TTL có nhiều loại nên khả thúc tải (tính số toả ra) khác loại ALS thúc tới 20 cổng 74ALS khác Để biết xác dựa vào thơng số dịng vào IC số tay tra cứu IC để tính tốn 3.2.1 TTL với CMOS họ 74HC, 74HCT: ng 3.2 Kết nối TTL – CMOS: co Ở mức thấp TTL thúc CMOS VOLmax(TTL) IILmax(CMOS) g th an Ở mức cao TTL thúc CMOS điện áp mức cao TTL có cịn 2,5 V CMOS chấp nhận điện áp mức cao không 3,5V Nếu nối mạch hoạt động sai logic du on Có cách để khắc phục dùng điện trở kéo lên ngõ cổng TTL Khi đó, qua điện trở R này, dịng từ nguồn nâng dịng vào CMOS nhờ áp mức cao TTL không thấp, CMOS hiểu cu u Chẳng hạn cổng 74LS01 có IOLmax = 8mA, VOLmax = 0,3V thúc cổng 74HC00 có VIHmin = 3,5V, IIHmin = 1µA Khi 74LS01 mức thấp 0,3V nhận dịng hết mức 8mA cấp thông qua điện trở kéo lên (trong dịng IIHmin có 1µA nhỏ), nên cần có điện trở kéo lên có giá trị nhỏ Rmin Còn mức cao 3,5V 74LS01 nhận dịng 100µA 74HC00 nhận dịng 1µA Vậy điện trở kéo lên phải có giá trị cực hạn lại dòng cho cổng Khi Rmax cơng suất tiêu tán cực đại nhỏ 12 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tụ C = 15pF thêm vào để mức thấp 0,3V mà chuyển lên mức cao tụ nạp cho áp lên 3,5V để CMOS hiểu Hình 11: Giao tiếp TTL-CMOS 3.2.2 TTL thúc CMOS có áp nguồn cao 5V: ng c om Cũng giống trường hợp trên, mức thấp TTL thúc trực tiếp CMOS mức cao VOH(TTL) có 2,7V đến 5V chắn khơng thể thúc CMOS khoảng áp rơi vào vùng bất định ngõ vào CMOS Ta phải dùng điện trở kéo lên, dùng TTL ngõ cực thu để hở cho trường hợp co 3.3 Kết nối CMOS – TTL: an Khi thúc tải mức cao thường VOH(CMOS) > VIH(TTL) dòng nhận IIH(TTL) vài chục µA nên CMOS thúc nhiều tải TTL Khi thúc TTL mức thấp phức tạp tuỳ loại th CMOS cũ (4000) không thúc TTL on g CMOS (74HC) thúc TTL, số cổng thúc tuỳ thuộc VOL(CMOS)>VIL(TTL) dòng tổng ngõ (CMOS) phải lớn tổng dòng ngõ vào IIL tải TTL cu u du Như vậy, việc giao tiếp cổng với đa dạng tuỳ thuộc yêu cầu người sử dụng Một vấn đề khác cần phải quan tâm IC giao tiếp chung nguồn cấp hay giao tiếp khoảng mức áp đảm bảo hoạt động Vì có số IC sản xuất để phục vụ cho việc chuyển mức điện áp giao tiếp CMOS với TTL hay CMOS 4000 với CMOS 74HC 3.4 Kết nối CMOS – CMOS: Với điện cấp, cổng CMOS thúc cho nhiều cổng loại CMOS dịng cấp khoảng 0,5 đến 5mA dòng nhận nhỏ (dưới 1µA) Tuy nhiên tần số hoạt động cao khả thúc tải giảm (có 10 cổng) Lý tần số cao, điện dung ngõ vào cổng tải làm tăng công suất tiêu tán trì hỗn truyền mạch 13 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ...MỤC LỤC Tìm hiểu họ IC TTL 01 Tìm hiểu họ IC CMOS 05 Kết nối họ IC 12 Kết nối TTL – TTL 12 3 .2 Kết nối TTL – CMOS 12 3.3 Kết nối CMOS – TTL 13 3.4 Kết nối CMOS – CMOS cu u du on g th... nuôi co ng c - Hệ số tải: Dòng CMOS lớn lúc điện trở vào CMOS lại lớn (thường khoảng 10 12 ohm) tức dòng vào rất nhỏ nên số toả lớn Nhưng cổng CMOS có điện dung ngõ vào thường khoảng 5pF nên có... thúc tới 20 cổng 74ALS khác Để biết xác dựa vào thơng số dòng vào IC số tay tra cứu IC để tính tốn 3 .2. 1 TTL với CMOS họ 74HC, 74HCT: ng 3 .2 Kết nối TTL – CMOS: co Ở mức thấp TTL thúc CMOS VOLmax(TTL)