Đề tài chương 3 cấu tạo mạch Điện cổng logic

Khái niệm mạch điện cổng logic:Mạch điện cổng logic là một loại mạch điện sử dụng ể thực hiện các phép toán logic trong hệ thống điện tử.. Mạch điện cổng logic thường được ứng dụng trong

Tp.HồChíMinh, tháng 2 năm 2024

Lớp: 22ĐHKT01 MSSV: 2255200008 SVTH: ĐỖ TRẦN NGỌC HẢI GVHD: Nguyễn Minh Tùng.

CHƯƠNG 3: CẤU TẠO MẠCH ĐIỆN CỔNG LOGIC

TÊN ĐỀ TÀI :

TIỂU LUẬN

-o0o

-KHOA KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM

BỘ GIAO THÔNG VẬNTẢI

Mục Lục

I Khái niệm mạch điện cổng logic: 3

II Mạch logic tổ hợp TTL: 5 III Trình bày cấu tạo mạch điện cổng NAND TTL: 8

IV Trình bày cấu tạo mạch điện cổng logic có cực thu để hở (open collector)

12

V Trình bày cấu tạo mạch điện cổng logic ngõ ra 3 trạng thái: 13

VI Khả năng tỏa ra là gì (FAN out), cho ví dụ và tính toán khả năng tỏa ra khi kết nối các chủng loại IC khác nhau 16 VII TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

I Khái niệm mạch điện cổng logic:

Mạch điện cổng logic là một loại mạch điện sử dụng ể thực hiện các phép toán logic trong hệ thống điện tử Mạch điện này thực hiện một hàm Boole

lý tưởng hóa, nghĩa là một phép toán logic trên một hoặc nhiều logic đầu vào, và tạo ra một kết quả logic ra duy nhất, với thời gian thực hiện lý tưởng hóa là không có trễ

Mạch điện cổng logic thường được ứng dụng trong các thiết bị điện tử như máy tính, điện thoại di động hay cụ thể hơn là trong các bộ phận vi xử lý, vi điều khiển, các ứng dụng hệ thống nhúng và trong các mạch điện

Cổng logic có thể được chế tạo bằng nhiều công nghệ khác nhau hoặc có thể được tổ hợp bằng các linh kiện rời, nhưng thường được chế tạo bởi công nghệ mạch tích hợp IC (Integrated Circuit)

1 Các họ IC cổng logic

IC logic (IC số) là IC kỹ thuật số chỉ hoạt động ở một số trạng thái hoặc mức logic nhất định

Cấu tạo cơ bản của IC kỹ thuật số là các cổng logic, hoạt động với dữ liệu nhị phân, các tín hiệu chỉ có 2 trạng thái khác nhau, được gọi là mức thấp (logic 0) và mức cao (logic 1)

IC kỹ thuật số được phân ra thành nhiều họ: RTL, DTL, TTL, ECL, CMOS Trong đó họ TTL và CMOS được dùng khá phổ biến

Dòng IC logic TTL, là tiền thân của IC số công nghệ CMOS Mặc dù vậy, trong kỹ thuật chuyển đổi, truyền tín hiệu, ngày nay vẫn đang song hành hai công nghệ TTL và CMOS Khác biệt giữa TTL và CMOS cơ bản là điện áp nguồn cung cấp, giới hạn điện áp và dòng điện các ngõ In, Out

a IC số loại TTL

TTL (Transitor-Transitor Logic) là một loại công nghệ dùng để chế tạo mạch tích hợp, bao gồm một lớp mạch kỹ thuật số được xây dựng từ các transistor lưỡng cực (BJT) và một số điện trở phụ trợ Các IC số họ TTL có thể có nhiều tên gọi

khác nhau, nhưng thông dụng nhất là hai

dòng 74 và 54

Hai dòng IC này các chức năng đều giống

nhau nhưng chỉ khác nhau về nhiệt độ hoạt

động:

+ Dòng 74: nhiệt độ hoạt động tốt nhất từ khoảng 0oC đến 70oC + Dòng 54: nhiệt độ hoạt động tốt nhất từ khoảng -55oC đến 125oC Ứng dụng:

+ Dòng 74: thông dụng hơn khi được dùng trong các hoạt động dân

sự và thương mại

+ Dòng 54: hiếm gặp vì thường sử dụng trong các ứng dụng chuyên biệt như quân sự

b IC số loại CMOS

MOS (Metal Oxide Semiconductor: Kim

loại oxit bán dẫn) là loại công nghệ có cấu

trúc MOS cơ bản của một điện cực nằm

trên lớp oxit cách nhiệt, dưới lớp oxit là

đế bán dẫn

Phần nhiều IC số MOS được thiết kế bằng

MOSFET, không cần đến linh kiện nào

khác

IC số MOS có thể dung nạp nhiều phần tử mạch trên 1 chip đơn hơn so với IC họ khác

2 Các loại vi mạch: SSI, MSI, LSI, VLSI

- Vi mạch có thể được phân làm nhiều loại khác nhau dựa trên các đặc điểm về cấu trúc, chức năng hay mật độ tích hợp

- Một cách phân loại phổ biến dựa trên mật độ tích hợp là dựa vào số lượng transistor hoặc CMOS hoặc số cổng (gate) có trong vi mạch để chia thành các nhóm như sau:

a) Vi mạch mật độ tích hợp thấp SSI (Small Scale Integration) là những vi mạch chứa khoảng từ vài đến vài chục transistor

● Ví dụ: chip 74151 (Multiplexer), chip 7404 (cổng đảo),

b) Vi mạch mật độ tích hợp trung bình MSI (Medium Scale Integration) là những vi mạch chứa khoảng vài trăm transistor

● Ví dụ: chip 54157 (multiplexer) chứa khoảng 100 transistor, c) Vi mạch mật độ tích hợp cao LSI (Large Scale Integration) là những vi mạch chứa khoảng vài nghìn transistor

● Ví dụ: chip Intel 4004 chứa khoảng 2300 transistor, chip Intel 8008

khoảng 3500 transistor,

d) Vi mạch mật độ tích hợp rất cao VLSI (Very Large Scale Integration) là những vi mạch chứa khoảng vài chục nghìn transistor trở lên

● Ví dụ: chip 8088 chứa khoảng 29000 transistor, Motorola 68000

II Mạch logic tổ hợp TTL:

TTL bắt đầu bằng mã số 54 hay 74 Mã 54 được dùng trong quân sự hay công nghệ cao nên không trình bày, ở đây chỉ nói đến mã 74 dùng trong dân sự hay thương mại Theo công nghệ chế tạo, các loại 74 khác nhau

1 Các chủng loại IC họ TTL:

a 74 Standard (74 tiêu chuẩn)

Ra đời sớm nhất ngay từ năm 1964, được dùng cho đến ngày nay

- Đặc điểm: dung hòa giữa tốc độ chuyển mạch và mất mát năng lượng (công suất tiêu tán) Nền tảng bên trong thường là loại ngõ ra cột chạm

- Kí hiệu: có dạng XX74XX

+ Mã số chung đầu là 74, 2 số sau chỉ chức năng logic, còn có một

số chữ cái đứng trước mã 74 để chỉ nhà sản xuất như SN là của Texas Instrument, DM là của National Semiconductor,…

- 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 áp

nguồn và nhiệt độ hoạt động

b 74L (Low Power - Công suất thấp)

- Đặc điểm: Được thiết kế giống loại tiêu chuẩn Công suất tiêu tán

và tốc độ chuyển mạch giảm đi 10 lần so với loại thường.Thích hợp cho những ứng dụng đòi hỏi công suất thấp, hoạt động ở tần số thấp

- Công suất tiêu thụ trung bình: 1mW

- Thời gian trễ truyền dẫn trung bình: 33ns

c 74H (High Power, High Speech - Công suất cao)

- Đặc điểm: Mạch điện cơ bản giống TTL chuẩn, chuyển mạch nhanh hơn Công suất tiêu tán và tốc độ chuyển mạch gấp đôi loại thường - Công suất tiêu thụ trung bình: 23mW - Thời gian trễ truyền dẫn trung bình: 6ns

d 74S (Schottky TTL):

- Đặc điểm: Các tranzitor trong mạch này được mắc thêm một diode

schottky giữa 2 cực CB với mục đích giảm thời gian chuyển trạng thái, từ

đó giảm được thời gian trễ truyền dẫn

+ 74LS (Low Power Schottky - Schottky công suất thấp)

+ 74ALS (Advanced Low Power Schottky - Schottky công suất thấp nâng cấp)

+ 74AS (Advanced Schottky - Schottky nâng cấp)

* 74ALS và 74AS được phát triển từ 74S và 74LS nhưng có thêm nhiều sửa đổi trong mạch nên có nhiều đặc điểm nổi bật hơn hẳn

● Dập 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 như trên nhưng giá thành của 74ALS và 74AS khá cao, nên

chúng chưa được dùng rộng rãi bằng 74LS Thường là được dùng trong máy vi

tính hay các ứng dụng đòi hỏi tần số cao

III Trình bày cấu tạo mạch điện cổng

NAND TTL:

a) sơ đồ nguyên lý

- Cấu tạo của cổng logic NAND bao gồm 2 đầu vào A và B, một đầu ra là tỷ lệ nghịch của tích A, B (1/A*B)

- Cổng logic NAND có: 3 Diode, 2 điện trở và 1 transistor

- Đem 2 cổng NAND mà điểm công tác tĩnh thiết lập trong vùng chuyển tiếp ghép điện dung thành mạch vòng như hình trên, ta được

bộ dao động đa hài Vk là đấu vào điều khiển ở mức cao thì phát xung, Vk ở mức thấp thì ngừng phát

- Điện áp đầu vào chế độ tĩnh của mỗi cổng NAND phụ thuộc Vo và RF Giá trị điện trở các RF (RF1 và RF2) chọn giữa các giá trị điện trở đóng cổng Roff và giá trị điện trở mở cộng Ron

b) Giải thích hoạt động

- Nếu các cổng I, cổng II thiết lập điểm công tác tĩnh trong vùng chuyển tiếp, thl mạch sẽ dao động phát xung khi nối nguồn Già sử do tác dụng của nhiễu, Vì tâng một chút, lập tức xuất hiện quá trình phản hồi dương sau đây:

- Do đó, cổng I nhanh chóng

trở thành thông bão hòa,

cổng II nhanh chóng ngát,

mạch bước vào trạng thái

tạm ổn định Lúc này, C1

nạp điện và C2 phóng điện

theo mạch (đơn giản hóa)

- Vì C1 được nạp điện qua 2 nhánh R1 và RF2 nên tốc độ nạp cao Vậy V12 tăng nhanh đến ngưỡng thông VT, khi đó xuất hiện quá trình phản hồi dương sau:

- Kết quả quá trình này là: cổng I nhanh chóng ngắt, cổng II nhanh chóng thông, mạch điện bước vào một trạng thái tạm ổn định mới Lúc này, C2 nạp điện, C1 phóng điện theo các mạch tương tự C2 nạp điện nhanh nên VT tăng nhanh đến ngưỡng thông làm xuất hiện quá trình phản hồi dương đưa mạch điện vẽ lại trạng thái ổn định tạm thời ban đầu : cổng I thông, cổng II ngắt Vậy mạch điện không ngừng dao động một cách chu kì Khi bỏ qua điện trở đầu ra các cổng NAND, dựa vào hình 7-1-4, ta có thể vẽ dạng sóng các điểm trên mạch bộ dao động đa hài như hình 7-1-5

- Tính toán chu kì dao động, vì quá trình nạp điện nhanh hơn quá trình phóng điện, nên thời gian duy trì trạng thái ổn định tạm thời phụ thuộc thời gian nạp điện của hai tụ điện C1 , C2 Dựa vào hình 7-l-4a

ta có hằng số thời gian nạp điện của tụ là = (RF2 // R1 ) C1 Vậy, V12 nạp điện đến VT cần một thời gian là:

c) Tính toán các mức điện áp, dòng điện trong mạch

- Khi A=B=0-> Q1dẫn-> Q2 Ngưng-> Q3

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 Mạch

hoạt động như sau:

- Giả sử tải là một điện trở 1k9 thì dòng là:

Ioh= (Vcc−Vce−Vd 0)

R =(5−0,2−0,8)1 k 9 =2mA

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

- Nếu mắc tải từ nguồn Vcc tới ngõ ra Y thì dòng sẽ đổ quá tải, qua Q3 làm nó dẫn bão hoà luôn Ngõ ra sẽ ở mức thấp vì áp ra chính là

áp VCE của Q3 khoảng 0,2 đến 0,5V tuỳ dòng qua tải Khi này ta

có dòng ra mức thấp kí hiệu là IOL Sở dĩ gọi là dòng ra vì dòng sinh ra khi cổng logic ở mức thấp (mặc dù dòng này là dòng chảy vào trong cổng logic)

Ví dụ nếu tải là 235ohm thì dòng IOL khi này là:

Ioh= (Vcc−Vce )

R =(5−0,3)235 =20mA

- Vậy mạch logic ở trên có chức năng hoạt 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 dẫn khi có tải ngoài tức là ngõ ra Y vẫn ở cao, do

đó giống như trường hợp ngõ A và B nối lên mức cao

IV Trình bày cấu tạo mạch điện cổng

logic có cực thu để hở (open collector)

a) sơ đồ nguyên lý

b) Giải thích hoạt động

- Về phương diện cấu tạo gần giống với ngõ ra cột chạm nhưng khác với ngõ ra cột 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 ) lên nguồn V’CC bằng phần tử thụ động R Nguồn V’CC có thể cùng giá trị với VCC hoặc khác tùy thuộc vào mục đích thiết kế Chúng ta 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 nền của Q1 làm cho tiếp giáp BC/Q1 mở nên Q2 dẫn bão hòa, Q2

dẫn bão hòa kéo theo Q3 dẫn bão hòa => y=0, do đó điện áp tại ngõ

ra y: VY = Vlogic0 = 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 một tiếp 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’CC qua điện trở R cấp cho tải ở mạch ngoài => y=1, người ta gọi

là dòng ngõ ra mức cao IOH - Ta có: VY = Vlogic1 = VCC - IOH.R

c) Nêu ưu khuyết điểm

 Tiết kiệm điện năng: Khi không có tải, transistor ở trạng thái tắt, không

tiêu thụ dòng điện.

 Tốc độ đóng ngắt nhanh: Transistor có khả năng đóng ngắt nhanh hơn

so với các loại transistor khác.

 Khả năng khuếch đại dòng điện cao: Transistor có thể khuếch đại dòng

điện lớn hơn so với dòng điện cơ sở.

 Tính linh hoạt: Cho phép kết nối nhiều ngõ ra của các cổng logic khác

nhau với nhau bằng điện trở kéo lên, tạo ra chức năng logic mới.

 Giảm chi phí: Sử dụng ít linh kiện hơn so với các loại mạch điện khác.

 Điện áp ra không ổn định: Điện áp ra phụ thuộc vào điện áp nguồn và

điện áp bù, cũng như điện trở kéo lên.

 Dễ bị nhiễu: Mạch điện có thể bị ảnh hưởng bởi các nhiễu điện từ bên

ngoài.

 Khó khăn trong việc thiết kế: Việc thiết kế mạch điện cần phải tính toán

cẩn thận để đảm bảo hoạt động ổn định, đặc biệt là giá trị điện trở kéo lên.

 Yêu cầu tải có điện trở pull-up: Mạch điện cần có tải để hoạt động bình

thường.

V Trình bày cấu tạo mạch điện cổng

logic ngõ ra 3 trạng thái:

a) sơ đồ nguyên lý

Bảng sự thật :

Mạch logic ba trạng thái là mạch logic có ngõ ra có bố trí trạng thái thứ ba là trạng thái trở kháng cao (trạng thái treo) ngoài hai trạng thái 0 và 1, nhằm có thể ngăn chặn ngõ ra này tác động (tức là điều khiển sự truyền đưa các mức logic ra của mạch) lên đường truyền tín hiệu

b) Giải thích hoạt động

- Cổng logic ngõ ra 3 trạng thái có thể được coi như một đầu vào điều khiển công tắc với đầu ra có thể “1” hoặc “0” bằng cách điều khiển từ bên ngoài “Enable” (C) tín hiệu đầu vào Tín hiệu điều khiển này có thể

là tín hiệu logic “0” hoặc tín hiệu loại logic “1” dẫn đến mạch ở một trạng thái cho phép đầu ra của nó hoạt động bình thường tạo ra đầu ra yêu cầu hoặc ở trạng thái khác đầu ra của nó bị chặn hoặc ngắt kết nối (kháng trở cao)

c) Ứng dụng

Mạch điện cổng logic ngõ ra 3 trạng thái (còn gọi là mạch logic ba trạng thái) được

sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm:

 Mạch logic ba trạng thái được sử dụng để chọn các ô nhớ cụ thể trong bộ nhớ

 Khi một ô nhớ được chọn, đầu ra của mạch logic ba trạng thái sẽ

ở trạng thái "0" hoặc "1", tùy thuộc vào dữ liệu được lưu trữ trong

ô nhớ đó

 Khi không có ô nhớ nào được chọn, đầu ra của mạch logic ba trạng thái sẽ ở trạng thái "Z" (trở kháng cao), giúp giảm thiểu tiêu thụ điện năng

- Bộ xử lý:

 Mạch logic ba trạng thái được sử dụng để điều khiển luồng dữ liệu trong bộ xử lý

 Ví dụ, mạch logic ba trạng thái có thể được sử dụng để chọn thanh ghi nguồn và thanh ghi đích cho một phép toán

 Việc sử dụng mạch logic ba trạng thái giúp tăng tốc độ xử lý của

bộ xử lý

- Các thiết bị ngoại vi:

 Mạch logic ba trạng thái được sử dụng để điều khiển giao tiếp giữa thiết bị ngoại vi và máy tính

 Ví dụ, mạch logic ba trạng thái có thể được sử dụng để điều khiển việc đọc và ghi dữ liệu từ ổ đĩa cứng

 Việc sử dụng mạch logic ba trạng thái giúp tăng độ tin cậy và hiệu quả của giao tiếp giữa thiết bị ngoại vi và máy tính

 Mạch logic ba trạng thái cũng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác, chẳng hạn như:

o Mạch điều khiển

o Mạch truyền thông

o Mạch lập trình

o Mạch robot

- Ưu điểm:

 Tiết kiệm điện năng

 Tăng tốc độ xử lý

 Tăng độ tin cậy và hiệu quả

 Giảm chi phí

 Thiết kế phức tạp hơn

 Dễ bị nhiễu

VI Khả năng tỏa ra là gì (FAN out),

cho ví dụ và tính toán khả năng tỏa ra khi kết nối các chủng loại IC khác nhau.

1 Định nghĩa

- Fan out thể hiện khả năng ngõ ra của một IC có thể lái được bao nhiêu ngõ vào 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:

2 Ví dụ: