Transcript Document

CHƯƠNG 3
CỔNG LOGIC
 CÁC KHÁI NIỆM LIÊN QUAN
 CỖNG LOGIC CƠ BẢN
 THÔNG SỐ KỸ THUẬT
 GIAO TIẾP GIỮA CÁC HỌ IC SỐ
 CÁC KHÁI NIỆM LIÊN QUAN
- Tín hiệu tương tự là tín hiệu có biên độ liên tục theo thời gian,
thường do các hiện tượng tự nhiên sinh ra.
- Tín hiệu số là tín hiệu có dạng xung gián đoạn về thời gian biên
độ chỉ có 2 mức rõ rệt: mức cao và mức thấp.
- Mạch điện xử lý tín hiệu tương tự gọi là mạch tương tự. Mạch
điện xử lý tín hiệu số gọi là mạch số.
Ưu điểm của mạch số so với mạch tương tự:
- Dễ thiết kế, phân tích.
- Hoạt động theo chương trình lập sẵn
- Ít bị ảnh hưởng của nhiễu.
- Dễ chế tạo thành mạch tích hợp.
Chương 3: Cổng Logic
2
Phân loại IC số dựa vào số cổng trong một chip:
- Số cổng < 10: SSI (Small Scale Integrated)
- 10 < Số cổng < 100: MSI (Medium Scale Integrated)
- 100 < Số cổng < 1000: LSI (Large Scale Integrated)
- 1000 < Số cổng < 10000: VLSI (Very Large SI)
- 10000 < Số cổng: ULSI (Ultra Large Scale Integrated)
Chương 3: Cổng Logic
3
Biểu diễn trạng thái Logic 1 và 0
- Người ta thường gán: Logic dương:
Điện thế cao  Logic 1 ; Điện thế thấp  Logic 0
Thực tế, mức Logic 1 và mức logic 0 tương ứng với môt khoảng điện thế xác định,
có một khoảng chuyển tiếp giữa mức cao và mức thấp là khoảng không xác định
(ngưỡng logic). Khoảng này tùy thuộc vào họ IC sử dụng và được cung cấp trong
bảng thông số kỹ thuật – Trong khoảng điện áp này có thể gây ra lỗi trong mạch số.
-Logic âm ngược lại
VD giản đồ điện thế các mức logic của IC số họ TTL
Chương 3: Cổng Logic
4
 CỔNG LOGIC CƠ BẢN (Cổng logic là các mạch điện
tử có chức năng thực hiện các hàm logic).
1. Cổng NOT (Cổng đảo)
-
Chức năng: Dùng thực hiện phép đảo logic, còn gọi là cổng (INVERTER).
Cổng NOT có 1 ngõ vào và 1 ngõ ra
- Bảng sự thật
- Ký hiệu
- Giản đồ thời gian
1
A
0
1
Y
Note: Khi cổng đảo được ghép chung với cổng khác thì
ký hiệu được đơn giản thành 1 dấu tròn nhỏ
0
Chương 3: Cổng Logic
5
2. Cổng AND (toán tử . “và”)
-
Chức năng: Dùng thực hiện phép nhân logic giữa 2 hay nhiều biến nhị
phân. Cổng AND có 2 hay nhiều ngõ vào và có 1 ngõ ra
- Ký hiệu
- Bảng sự thật
A
0
0
1
1
- Giản đồ thời gian
A
B
1
0
1
Y = A.B
0
0
0
1
0
1
Y
B
0
1
0
1
0
Note: Ngõ ra cổng AND chỉ ở mức cao khi tất cả các
ngõ vào đều ở mức cao
Chương 3: Cổng Logic
6
3. Cổng OR (toán tử + “hoặc”)
-
Chức năng: Dùng thực hiện phép cộng logic giữa 2 hay nhiều biến nhị
phân. Cổng OR có 2 hay nhiều ngõ vào và có 1 ngõ ra
- Ký hiệu
- Bảng sự thật
A
0
0
1
1
- Giản đồ thời gian
A
B
1
0
1
Y=A+B
0
1
1
1
0
1
Y
B
0
1
0
1
0
Note: Ngõ ra cổng OR chỉ ở mức thấp khi tất cả các
ngõ vào đều ở mức thấp
Chương 3: Cổng Logic
7
Bất kỳ mạch logic nào cũng có thể được xây dựng từ 3 cổng cơ bản:
AND, OR và NOT
4. Cổng NAND
-
Chức năng: Thực hiện cùng 1 lúc 2 chức năng: AND và NOT. Cổng
NAND có 2 hay nhiều ngõ vào và có 1 ngõ ra
- Bảng sự thật
- Ký hiệu
Khi nối chung 2 ngõ vào của
cổng NAND  Cổng NOT
A
B
Y  A.B
0
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
Note: Ngõ ra chỉ bằng 0 khi
tất cả A và B đều bằng 1
Chương 3: Cổng Logic
8
5. Cổng NOR
-
Chức năng: Thực hiện cùng 1 lúc 2 chức năng: OR và NOT. Cổng NOR
2 hay nhiều ngõ vào và có 1 ngõ ra
- Bảng sự thật
- Ký hiệu
Khi nối chung 2 ngõ vào của
cổng NOR  Cổng NOT
A
B
Y AB
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
0
Note: Ngõ ra chỉ bằng 1 khi
tất cả A và B đều bằng 0
Chương 3: Cổng Logic
9
6. Cổng BUFFER (Cổng đệm)
-
Chức năng: Dùng như mạch khếch đại logic. Tín hiệu qua cổng đệm
không làm thay đổi trạng thái logic.
-
Dùng cổng đệm để sửa dạng tín hiệu vuông hơn, đưa điện thế tín hiệu
về đúng mức logic. Cổng BUFFER có 1 ngõ vào và có 1 ngõ ra
- Ký hiệu
- Bảng sự thật
Chương 3: Cổng Logic
A
Y=A
0
1
0
1
10
7. Cổng EX-OR
- Chức năng: Thực hiện phép toán EX-OR (cộng ngoại trừ - cộng bỏ qua số
nhớ) giữa 2 biến nhị phân. Cổng EX-OR có 2 ngõ vào và có 1 ngõ ra
- Hàm: Y  A  B  A.B  A.B
- Bảng sự thật
- Ký hiệu:
= AB
-Khi có một ngõ vào nối lên mức cao thì
cổng EX-OR = Cổng NOT
-Khi có một ngõ vào nối xuống mức
thấp thì cổng EX-OR = Cổng ĐỆM
A
B
0
0
1
1
0
1
0
1
Y= AB
0
1
1
0
Y=0 khi A và B cùng mức logic
Y=1 khi A và B cùng mức logic
Chương 3: Cổng Logic
11
8. Cổng EX-NOR
- Chức năng: Thực hiện phép toán EX-OR và NOT. Cổng EX-NOR có 2 ngõ
vào và có 1 ngõ ra
- Hàm:
- Bảng sự thật
Y  A  B  A.B  A.B
- Ký hiệu:
 A B
-Khi có một ngõ vào nối lên mức cao thì
cổng EX-NOR = Cổng ĐỆM
-Khi có một ngõ vào nối xuống mức
thấp thì cổng EX-NOR = Cổng NOT
A
B
Y  A B
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
1
Y=1 khi A và B cùng mức logic
Y=0 khi A và B cùng mức logic
Chương 3: Cổng Logic
12
9. Cổng PHỨC (AOI)
- Khi kết nối nhiều cổng khác nhau để thức hiện 1 hàm logic nào đó được gọi là
cổng Phức (AOI)
VD: Từ mạch điện  viết biểu thức
Y  (A .D  C).B
VD: Từ biểu thức  Vẽ mạch điện
Y  A .B.C  A B.C  A .BD
Chương 3: Cổng Logic
13
10. SỰ CHUYỂN ĐỔI QUA LẠI GIỮA CÁC CỔNG LOGIC
 Chỉ cần dùng AND và NOT hoặc OR và NOT là xây dựng được tất cả các hàm
khác  có nghĩa là có thể xây dựng tất cả các cổng khác từ AND và NOT hoặc OR
và NOT. Mặt khác cổng Not có thể tạo ra từ cổng NAND hoặc cổng NOR  Tất
cả các hàm logic có thể được thực hiện bởi cổng NAND hoặc cổng NOR.
 Qui tắc: Biến đổi giữa AND, NOT  OR, NOT: Thêm các cổng đảo ở ngõ vào
và ngõ ra, nếu ơ các ngõ đã có đảo rồi thì đảo này sẽ mất đi. (Thực chất là sử dụng
Định lý De-morgan).
NOR : Y  A  B
 Y  A .B  A  B
 Y  A .B  A  B
NAND : Y  A .B
 Y  A  B  A .B
AND : Y  A.B
 Y  A  B  A .B
NOT : Y  A
 YA
OR : Y  A  B
Chương 3: Cổng Logic
14
11. TỪ NAND XÂY DỰNG CÁC CỔNG KHÁC
NOT : Y  A
 A.A
AND : Y  A.B  A.B
OR : Y  A  B
NOR : Y  A  B
 A  B  A .B
 A .B  A .B
EX - OR : Y  A  B  A .B  A.B  A.B  A.B
 A .B. A.B
EX - NOR : Y  A  B  A .B  A.B  A.B  A.B
 A .B. A.B
Chương 3: Cổng Logic
15
11. TỪ NOR XÂY DỰNG CÁC CỔNG KHÁC
NOT : Y  A
OR : Y  A  B  A  B
AA
AND : Y  A.B  A.B
A B
NAND : Y  A .B  A  B  A  B
EX - OR : Y  A  B  A .B  A.B
 A.B  A.B  A.B . A.B
 A B . A B  A B  A B
EX - NOR : Y  A  B  A .B  A.B  A.B  A.B  A.B . A.B
A B . A B
 A B  A B
Chương 3: Cổng Logic
16
 THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA IC SỐ
Các đại lượng điện đặc trưng
- VCC: Điện thế nguồn
- VIH(min): Điện thế ngã vào mức cao
- VIL(max): Điện thế ngã vào mức thấp
- VOH(min): Điện thế ngã ra mức cao
- VOL(max): Điện thế ngã ra mức thấp
- IIH: Dòng điện ngã vào mức cao
- IIL: Dòng điện ngã vào mức cao
- IOH: Dòng điện ngã ra mức cao
- IOL: Dòng điện ngã ra mức thấp
- ICCH, ICCL: Dòng điện qua IC, khi ngã ra ở mức cao, thấp
Chương 3: Cổng Logic
17
Thời trễ truyền là thời gian
trễ của tín hiệu logic truyền
qua một cổng
Công suất tiêu tán
PD(avg) = ICC(avg).VCC
I CCH  I CCL
I CC(avg) 
2
Fan-Out là số ngã vào lớn nhất có
thể nối với ngã ra của một IC cùng
loại, hay là khả năng chịu tải của một
cổng logic
I OH
Fan  Out H 
I IH
I OL
Fan  Out L 
I IL
(Unit Load)
tPLH: thời trễ truyền từ thấp
lên cao
tPHL: thời trễ truyền từ cao
xuống thấp
Chương 3: Cổng Logic
18
Tích số công suất - vận tốc
Dùng để đánh giá chất lượng IC, đó là tích số công suất tiêu tán và thời
trễ truyền.
Tính miễn nhiễu tuỳ thuộc
khả năng dung nạp hiệu thế
nhiễu của mạch, được xác
định bởi lề nhiễu.
Lề nhiễu mức cao:
VNH = VOH(min) – VIH(min)
Lề nhiễu mức thấp:
VNL = VOL(max) – VIL(max)
Chương 3: Cổng Logic
19
Logic nhận dòng và Logic cấp dòng
Thể hiện sự trao đổi dòng điện giữa hai tầng thúc và tầng tải
Tính Schimitt Trigger
Chương 3: Cổng Logic
20
Để cải thiện dạng tín hiệu ngã ra, tính miển nhiễu cao  chế tạo
các cổng có tính trễ điện thế, gọi là cổng Schmitt Trigger.
Ký hiệu:
Chương 3: Cổng Logic
21
 HỌ TTL
Cổng cơ bản họ TTL
Ngã ra totempole
Không thể nối chung ngã
ra của các cổng khác nhau.
Chương 3: Cổng Logic
22
Ngã ra cực thu để hở
- Cho phép nối các ngã ra của
nhiều cổng khác nhau.
- Phải mắc điện trở kéo lên khi
sử dụng.
- Cho phép điện trở kéo lên mắc
vào nguồn điện thế cao.
Ngã ra ba trạng thái
Chương 3: Cổng Logic
23
Đặc tính của loạt TTL
Thông số kỹ thuật
74 74L 74H 74S
Thời trễ truyền (ns)
CS tiêu tán (mW)
Tích số CS-VT (pJ)
Tần số Ck max (MHz)
Fan-Out
Điện thế
VOH(min)
VOL(max)
VIH(min)
VIL(max)
9
10
90
35
10
33
1
33
3
20
6
23
138
50
10
3
20
60
125
20
9,5
2
19
45
20
1,7
8
13,6
200
40
4
1,2
4,8
70
20
3
6
18
100
33
2,4
0,4
2,0
0,8
2,4
0,4
2,0
0,7
2,4
0,4
2,0
0,8
2,7
0,5
2,0
0,8
2,7
0,5
2,0
0,8
2,5
0,5
2,0
0,8
2,5
0,4
2,0
0,8
2,5
0,5
2,0
0,8
Chương 3: Cổng Logic
74LS 74AS 74ALS 74F
24
 HỌ MOS
Cổng cơ bản NMOS
Vin
T1
T2
Vout
0V (logic 0) RON = 100K ROFF = 1010 +5V (logic 1)
+5V (logic 1) RON = 100K RON = 1K 0,05V (logic 0)
Chương 3: Cổng Logic
25
Cổng cơ bản CMOS
Vin
T1
T2
Vout
VDD (logic 1) ROFF = 1010 RON = 1K 0V (logic 0)
0V (logic 0) RON = 1K ROFF = 1010 VDD (logic 1)
Chương 3: Cổng Logic
26
Các cổng CMOS khác
Chương 3: Cổng Logic
27
Đặc tính của họ CMOS
- Nguồn: VDD
- Mức logic:
- Lề nhiễu:
- Số Fan-Out:
3V – 15V
VOL(max) = 0V
VIL(max) = 30%VDD
VNH = 30%VDD
50UL
VOH(min) = VDD
VIH(min) = 70%VDD
VNL = 30%VDD
Các loạt CMOS
- 4XXX, 14XXX
- 74C: CMOS, có cùng chức năng, sơ đồ chân với IC TTL
- 74HC: High speed CMOS, cải tiến tốc độ giao hoán của 74C
- 74AC: Advance CMOS, cải tiến của 74HC về mặt nhiễu
Chương 3: Cổng Logic
28
 GIAO TIẾP GIỮA CÁC HỌ IC SỐ
Điều kiện để thúc trực tiếp:
- Dòng điện ra của tầng thúc  dòng điện vào của tầng tải
- Điện thế ra của tầng thúc phù hợp với điện thế vào của tầng tải
Thông số
CMOS (VDD = 5V)
TTL
4000B
74HC
74HCT
74
74LS
74AS
74ALS
VIH(min)
VIL(max)
3,5V
1,5V
3,5V
1,0V
2,0V
0,8V
2,0V
0,8V
2,0V
0,8V
2,0V
0,8V
2,0V
0,8V
VOH(min)
VOL(max)
4,95V
0,05V
4,9V
0,1V
4,9V
0,1V
2,4V
0,4V
2,7V
0,5V
2,7V
0,5V
2,7V
0,4V
IIH(max)
IIL(max)
1A
1A
1A
1A
1A
1A
40A
1,6mA
20A
2mA
200A
2mA
20A
100A
IOH(max)
IOL(max)
0,4mA
0,4mA
4mA
4mA
4mA
4mA
0,4mA
16mA
0,4mA
8mA
2mA
20mA
0,4mA
8mA
Chương 3: Cổng Logic
29
TTL thúc CMOS
- TTL thúc CMOS nguồn thấp (VDD = 5V): Mắc điện trở kéo lên ở
ngã ra TTL để nâng điện thế ra của TTL
- TTL thúc 74HCT: Kết nối không cần điện trở kéo lên
- TTL thúc CMOS nguồn cao (VDD = 10V): Dùng cổng đệm có ngã
ra để hở dùng nguồn cao
Chương 3: Cổng Logic
30
CMOS thúc TTL
- CMOS thúc TTL ở trạng thái cao: Không có vấn đề
- CMOS thúc TTL ở trạng thái thấp: Dùng cổng đệm đối với
loạt 4000B
- CMOS nguồn cao thúc TTL: Dùng cổng đệm để hạ điện thế ra
Chương 3: Cổng Logic
31