kỹ thuật số và các thiết bị hiển thị điện tửtên đề tài cấu tạo mạch điện cổng logic

Cổng logic có nhiềuloại khác nhau và được chế tạo bằng nhiều công nghệ khác nhau:  Lưỡng cực: sử dụng các transistor lưỡng cực. MOS: sử dụng các transistor MOS.. a IC số loại TTL Trans

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM

KHOA KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG

KỸ THUẬT SỐ VÀCÁC THIẾT BỊ HIỂN THỊ ĐIỆN TỬ

TÊN ĐỀ TÀI:“CẤU TẠO MẠCH ĐIỆN CỔNG LOGIC”

GIẢNG VIÊN : NGUYỄN MINH TÙNGSINH VIÊN: NGUYỄN HOÀNG ÂN

MÃ SỐ SV: 2255200042LỚP: 22ĐHKT01

Thành phố Hồ Chí Minh – tháng 2 / năm 2024

MỤC LỤC

CHƯƠNG III: CẤU TẠO MẠCH ĐIỆN CỔNG LOGIC 4

I Khái niệm mạch điện cổng logic: 4

1 Các họ IC cổng logic: 4

a) IC số loại TTL (Transistor – Transistor Logic) 5

b) IC số loại CMOS 5

2 Các loại vi mạch 5

a) SSI (Small Scale Integration): 5

b) MSI (Medium Scale Integration): 6

c) LSI (Large Scale Integration): 6

d) VLSI (Very Large Scale Integration): 6

II Mạch logic tổ hợp TTL: 6

1 Loại 74 Standard (tiêu chuẩn): 6

2 Loại 74L (Low Power – Công suất thấp): 7

3 Loại 74H (High Power – High Speed): 7

4 Loại 74S (Schottky TTL): 7

III Cấu tạo mạch điện cổng NAND TTL: 8

1 Sơ đồ nguyên lý: 8

2 Giải thích hoạt động: 8

3 Tính toán các mức điện áp, dòng điện trong mạch: 9

IV Cấu tạo mạch điện cổng logic có cực thu để hở (open collector): 10

1 Sơ đồ nguyên lý: 10

2 Giải thích hoạt động: 10

3 Tính khả năng tỏa ra khi kết nối các chủng IC khác nhau: 13

TÀI LIỆU THAM KHẢO 14

CHƯƠNG III: CẤU TẠO MẠCH ĐIỆN CỔNG LOGICI Khái niệm mạch điện cổng logic:

Là một mạch điện thực hiện một hàm Boole lý tưởng hóa Nó thực hiện mộtphép toán logic trên một hoặc nhiều logic đầu vào và tạo ra một kết quả logic raduy nhất Thời gian thực hiện lý tưởng hóa của cổng logic là không có trễ

Mạch điện cổng logic là thành phần cơ bản trong các mạch điện tử kỹ thuậtsố, thường được ứng dụng trong các thiết bị điện tử như máy tính, điện thoại diđộng, các bộ phần vi xử lý, vi điều khiển, các mạch điện Cổng logic có nhiềuloại khác nhau và được chế tạo bằng nhiều công nghệ khác nhau:

 Lưỡng cực: sử dụng các transistor lưỡng cực. MOS: sử dụng các transistor MOS

 Tích hợp (IC): sử dụng các vi mạch tích hợp để kết hợp nhiều cổng logicvào một chip

Chúng được phân ra thành nhiều họ: RTL, DTL, TTL, ECL, CMOS Trongđó họ TTL và CMOS được dùng phổ biến

Tiền thân của IC số công nghệ CMOS là dòng IC logic TTL Ngày nay, haicông nghệ TTL và CMOS vẫn được sử dụng song hành để truyền tín hiệu trongkỹ thuật chuyển đổi, truyền tín hiệu Điện áp nguồn cung cấp, giới hạn điện ápvà dòng điện của các ngõ In, Out là những điểm chính phân biệt TTL và CMOS

a) IC số loại TTL (Transistor – Transistor Logic)

Là một loại công nghệ dùng để chế tạo mạch tích hợp, bao gồm một lớp mạchkỹ thuật số được xây dựng từ các transistor lưỡng cực (BJT) và một số điện trởphụ trợ

Các IC số họ TTL có nhiều tên gọi khác nhau, nhưng thông dụng nhất là haidòng 74 và 54 Hai dòng IC này các chức năng đều giống nhau nhưng khác nhauvề nhiệt độ hoạt động:

Dòng 74: nhiệt độ hoạt động tốt nhất từ khoảng 0 C đến 70 C Thông dụngoohơn, được dùng trong các hoạt động dân sự và thương mại

Dòng 54: nhiệt độ hoạt động tốt nhất từ khoảng -55 C đến 125 C Hiếm gặpoohơn vì giá thành cao và thường chỉ sử dụng trong các ứng dụng chuyên biệt nhưhệ thống quân sự, thiết bị y tế…

Hình 3.1

b) IC số loại CMOS

Công nghệ MOS (MetalOxide Semiconductor - kim loạioxit bán dẫn) có tên gọi xuất xứtừ cấu trúc MOS cơ bản của một

điện cực nằm trên lớp oxit cách nhiệt, dưới lớp oxit là đế bán dẫn Phần nhiều ICsố MOS được thiết kế bằng MOSFET, không cần đến linh kiện nào khác.

Ưu điểm chính của MOSFET là dễ chế tạo, phí tổn thấp, cỡ nhỏ, tiêu hao rấtít điện năng Kĩ thuật làm IC MOS chỉ bằng 1/3 kĩ thuật làm IC lưỡng cực (TTL,ECL,…), thiết bị MOS chiếm ít chỗ trên chip hơn so với BJT Vì vậy, IC MOScó thể dung nạp nhiều phần tử mạch trên 1 chip đơn hơn so với IC họ khác

2 Các loại vi mạch

Vi mạch được phân loại dựa trên số lượng linh kiện bán dẫn (transistor) đượctích hợp trên một chip:

a) SSI (Small Scale Integration):

 Mức độ tích hợp thấp, với số lượng transistor từ vài đến vài chục

 Ví dụ: IC 7400 (cổng NAND 4 đầu vào), IC 7474 (bộ đếm D 4 bit)

b) MSI (Medium Scale Integration):

 Mức độ tích hợp trung bình, với số lượng transistor từ vài trăm

 Ví dụ: IC 74154 (bộ giải mã 4 đến 16), IC 74181 (bộ đếm thập phân 4bit)

c) LSI (Large Scale Integration):

 Mức độ tích hợp cao, với số lượng transistor từ vài nghìn

 Ví dụ: CPU Intel 8086, bộ nhớ RAM 1MB

d) VLSI (Very Large Scale Integration):

 Mức độ tích hợp rất cao, với số lượng transistor từ vài chục nghìn

 Ví dụ: CPU Intel Core i7, chip đồ họa NVIDIA GeForce RTX 3080

Tổ hợp quy mô rất lớn VLSI Lớn hơn 1000 Lớn hơn 10000

Bảng 3.1

II Mạch logic tổ hợp TTL:1 Loại 74 Standard (tiêu chuẩn):

Được hãng Texas Instrument cho ra đời sớm nhất ngay từ năm 1964, là mộthọ IC được sử dụng phổ biến nhất

Ký hiệu: XX74XX (mã số chung đầu là 74, 2 số sau chỉ chức năng logic, còncó một số chữ cái đứng trước mã 74 để chỉ nhà sản xuất (SN là của TexasInstrument, DM là của National Semiconductor…)

Đặc điểm: Loại này dung hoà giữa tốc độ chuyển mạch và mất mát nănglượng (công suất tiêu tán) Nền tảng bên trong mạch thường là loại ngõ ra cộtchạm

Các tính chất của các loại hoàn toàn giống nhau nếu chúng có cùng số.Hai dòng IC 54XX và 74XX có chức năng giống nhau, chỉ khác điện ápnguồn và nhiệt độ hoạt động

2 Loại 74L (Low Power – Công suất thấp):

Đặc điểm: có công suất tiêu tán giảm đi 10 lần so với loại thường nhưng tốcđộ chuyển mạch cũng giảm đi 10 lần Thích hợp cho ứng dụng đòi hỏi công suấtthấp, hoạt động ở tần số thấp

Công suất tiêu thụ trung bình khoảng 1mWThời gian trễ truyền dẫn trung bình: 33ns

3 Loại 74H (High Power – High Speed):

Đặc điểm: tốc độ gấp đôi loại thường nhưng công suất cũng gấp đôi Mạchđiện cơ bản giống TTL chuẩn, nhưng chuyển mạch nhanh hơn

Công suất tiêu thụ trung bình: 23mWThời gian trễ truyền dẫn trung bình: 6ns

74ALS và 74AS được phát triển từ 74S và 74LS, có thêm nhiều cải tiến trongmạch nên có nhiều đặc điểm nổi bật hơn hẳn:

 Giập dao động trên đường dẫn tốt hơn. Chống nhiễu và ổn định cao hơn trong suốt cả khoảng nhiệt độ chạy Dòng ngõ vào giảm đi một nửa, sức thúc tải gấp đôi

 Tần số hoạt động tăng lên, công suất tiêu tán giảm xuống.Có nhiều ưu điểm nhưng giá thành của 74ALS và 74AS khá cao, nên chúngchưa được dùng rộng rãi bằng 74LS Thường là được dùng trong máy vi tínhhay các ứng dụng đòi hỏi tần số cao

III Cấu tạo mạch điện cổng NAND TTL:1 Sơ đồ nguyên lý:

Hàm logic: y = AB

Phân tích nguyên lý hoạt động:- Nếu A = B = H => Q2, Q3thông, Q4 cấm y = L

- Nếu A hoặc B hoặc cả 2 đều =L => Q2, Q3 cấm, Q4 thông y = H

Ta thấy sơ đồ hoạt động theođúng bảng chân lý

2 Giải thích hoạt động:

Mạch này hoạt động như một cổng NAND: Hai ngõ vào là A và B được đặt ở cực phát của transistor Q1 (đây làtransistor có nhiều cực phát)

 Hai diode mắc ngược từ 2 ngõ vào xuống mass dùng để giới hạn xung âmngõ 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, saudiode D0

 Q4 và D0 được thêm vào để hạn dòng cho Q3 khi nó dẫn bão hoà đồngthời giảm mất mát năng lượng toả ra trên R4 (trường hợp không có Q4, D0) khiQ3 dẫn

Điện áp cấp cho mạch này cũng như các mạch TTL khác thường luôn chuẩnlà 5V.

3 Tính toán các mức điện áp, dòng điện trong mạch:

Khi A = B = 0 => Q1 dẫn => Q2 Ngưng => Q3 ngưng, Q4 dẫn => Vo = 2,4 3,6V = VoH = logic 1

-Khi có hoặc A hoặc B xuống 0 => Q1 dẫn, Q2, Q3 ngưng, Q4 dẫn => Vo =VoH =logic 1

Khi A=B=Vcc => nối B-E 1 ngưng, nhưng nối C-B1 dẫn, Q2 dẫn => Q3 dẫn,Q4 ngưng => Vo = 0,2V = VoL

Giả sử tải là một điện trở 3k9 thì dòng là:

- Khi cả A và B đều ở cao, nên không thể códòng ra A và B được, dòng từ nguồn V sẽ qua R1, mối nối BC của Q1 thúcCCvào cực B làm Q2 dẫn bão

- Nếu mắc tải từ nguồn V tới ngõ ra Y thì dòng sẽ đổ quá tải, qua Q3 làm nóCCdẫn bão hoà Ngõ ra sẽ ở mức thấp vì áp ra chính là áp V của Q3 khoảng 0,2CEđến 0,5V tuỳ dòng qua tải Khi này ta có dòng ra mức thấp kí hiệu là IOL Sở dĩgọi là dòng ra vì dòng sinh ra khi cổng logic ở mức thấp (mặc dù dòng này làdòng chảy vào trong cổng logic)

Ví dụ: Nếu tải là 470 Ohm thì dòng là:Vậy mạch logic ở trên có chức nănghoạt 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 dẫnkhi có tải ngoài tức là ngõ ra Y vẫn ở cao, do đó giống như trường hợp ngõ A vàB nối lên mức cao

IV Cấu tạo mạch điện cổng logic có cực thu để hở (open collector):1 Sơ đồ nguyên lý:

Mạch có cực thu để hở có thể được dùng như mạch logic thông thường bằngcách mắc thêm R thích hợp với tình trạng của tải

2 Giải thích hoạt động:

Về phương diện cấu tạo gần giống với ngõ ra cột chạm nhưng khác với ngõ racột chạm là không có Q4, diode D, R5 và lúc này cực thu (cực C) của Q3 để hở.Do đó để cổng làm việc trong thực tế ta nối ngõ ra của cổng (cực C của Q3) lênnguồn V’ bằng phần tử thụ động R Nguồn V’ có thể cùng giá trị với VCCCCCChoặc khác tùy thuộc vào mục đích thiết kế

Lần lượt phân tích các trường hợp hoạt động của mạch:- Khi x1 = x2 = 1: Tiếp giáp BE1, BE2 phân cực ngược, điện thế tại cực nềncủa Q1 làm cho tiếp giáp BC/Q1 mở nên Q2 dẫn bão hòa, Q2 dẫn bão hòa kéotheo Q3 dẫn bão hòa => y=0, do đó điện áp tại ngõ ra y: V = VYlogic0 = VC/Q3 =Vces/Q3 = 0,2V xấp xỉ 0V Lúc này cổng sẽ hút dòng vào và Q3 là nơi nhận dòng,ta gọi là dòng ngõ ra mức thấp IOL

- Các trường hợp còn lại (x1=0, x2=1; x1=1, x2=0; x1=x2=0): Có ít nhất mộttiếp giáp BE/Q1 mở, ghim điện thế tại cực nền Q1 làm cho tiếp giáp BC/Q1, Q2,Q3 đều tắt, lúc này cổng gấp dòng ra đổ từ nguồn V’ qua điện trở R cấp choCCtải ở mạch ngoài => y=1, người ta gọi là dòng ngõ ra mức cao I OH

Ta có: V = VYlogic1 = V - I RCCOH

3 Ưu điểm:

Cho phép nối chung các ngõ ra lại với nhau.Trong một vài trường hợp khi nối chung các ngõ ra lại với nhau có thể tạo racổng logic khác

4 Nhược điểm:

Không thể nối chung nhiều ngã ra của các cổng khác nhau vì có thể gây hưhỏng khi các trạng thái logic của các cổng này khác nhau

V Cấu tạo mạch điện cổng logic ngõ ra 3 trạng thái:

Logic ba trạng thái (tri-state logic) là mạch logic có ngõ ra bố trí trạng tháithứ ba là trạng thái trở kháng cao cộng với mức logic 0 và 1, nhằm ngănchặn ngõ ra này tác động (tức là điều khiển sự truyền đưa các mức logic ra củamạch) lên đường truyền tín hiệu

Khi K1, K2 cùng đóng, thì đầu ra có trạng thái 1 Khi K1, K2 cùng tắt, lúc này mạch ở trạng thái thứ 3 tổng trở cao, đầu ra Ytách khỏi mạch (dù thực tế nó vẫn nối với mạch).

CS (Chip Select) dùng để chọn chip CS điều khiển mạch ở trạng thái thứ ba.Khi CS = 1 (hoặc 0) thì hai khóa đều mở, nó độc lập với tín hiệu vào A, B

VI Khả năng tỏa ra:1 Định nghĩa:

Fan out thể hiện khả năng ngõ ra của một IC có thể lái được bao nhiêu ngõvào của những IC khác mà vẫn đảm bảo mạch hoạt động bình thường

Ta có 2 loại Fan out ứng với 2 trạng thái logic của ngã ra: Fan out = IHOH/IIH

400 A

8 mA0.1 mA = 80

3 Tính khả năng tỏa ra khi kết nối các chủng IC khác nhau:

Với loạt TTL thường thì fan out là 10, với các loại TTL khác nhau thì fan outkhác nhau đơn cử một cổng logic TTL có thông số như sau:

 IOH (max) = 400A IOL (min) = 8mA

 IIH (max) = 20A IIL (min) = 100A- Thì số toả ra ở mức cao là 400A/20A = 20- Số toả ra ở mức thấp là 8mA/100 A = 80- Vậy số toả ra chung sẽ là 20 nghĩa là 1 cổng logic loại này sẽ thúc được 20cổng logic khác cùng loại với nó.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Wikipedia, “Cổng logic”, https://vi.wikipedia.org/wiki/C%E1%BB%95ng_logic#:~:text=Trong%20%C4%91i%E1%BB%87n%20t%E1%BB%AD%20h%E1%BB%8Dc%2C%20c%E1%BB%95ng,h%C3%B3a%20l

%C3%A0%20kh%C3%B4ng%20c%C3%B3%20tr%E1%BB%85 [2] thegioiic, “Tìm hiểu về IC số, IC logic: Chức năng và các loại thông dụng”, https://www.thegioiic.com/tin-tuc/tim-hieu-ve-ic-so-ic-logic-chuc-nang-va-cac-loai-thong-dung, [Dec 19, 2022]

[3] Nguyễn Kim Giao, “Kỹ thuật điện tử số” , ky-thuat-dien-tu-so-nguyen-kim-giao-uet/ , [May 22, 2006]

https://tailieuvnu.com/giao-trinh-[4] Lương Ngọc Hải, “Giáo trình Kỹ thuật xung số”, Vụ giáo dục chuyên nghiệp- Nhà xuất bản giáo dục

[5] Đam Mê Điện Tử, “Tìm hiểu Vi mạch họ TTL”, mach-ho-ttl-phan-1 , [June 19, 2022]

https://dammedientu.vn/vi-[6] LuanVan.co, “Các họ vi mạch logic cơ bản”, https://luanvan.co/luan-van/cac-ho-vi-mach-logic-co-ban-31708/