Giáo trình Kỹ thuật số (Nghề: Điện công nghiệp - Trình độ: Cao đẳng) - Trường CĐ Cơ điện-Xây dựng và Nông lâm Trung bộ

Đặc trưng của mạch điện tử - số là các tín hiệu ngõ vào và ngõ ra các cổng logic, các mạch tích hợp, các bộ ghi dịch hoặc các bộ đếm, bộ chuyển đổi ADC hoặc DAC, bộ nhớ.... Nội dung của

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN – XÂY DỰNG VÀ NÔNG LÂM TRUNG BỘ

LỜI GIỚI THIỆU

Trong các thiết bị điện tử công nghiệp hiện đại người ta thường dùng các mạch điện

tử - số Đặc trưng của mạch điện tử - số là các tín hiệu ngõ vào và ngõ ra các cổng logic, các mạch tích hợp, các bộ ghi dịch hoặc các bộ đếm, bộ chuyển đổi ADC hoặc DAC, bộ nhớ đều là các dạng xung Các mạch điện tử-số cũng được hoạt động đồng

bộ do các xung nhịp tác động

Giáo trình Kỹ thuật số gồm 09 bài Nội dung của giáo trình nhằm trang bị kiến thức

và kỹ năng cho học viên để khi hoàn thành môn học, học viên có khả năng : Phát biểu được các khái niệm cơ bản về xung điện, các thông số cơ bản của xung điện, ý nghĩa của xung điện trong kỹ thuật điện tử; Trình bày được cấu tạo các mạch dao động tạo xung và mạch xử lí dạng xung ; Phát biểu khái niệm về kỹ thuật số, các cổng logic cơ bản Kí hiệu, nguyên lí hoạt động, bảng sự thật của các cổng lôgic ; Trình bày cấu tao, nguyên lý các mạch số thông dụng như: Mạch đếm, mạch đóng ngắt, mạch chuyển đổi, mạch ghi dịch, mạch điều khiển ; Lắp ráp, kiểm tra được các mạch tạo xung và

xử lí dạng xung ; Lắp ráp, kiểm tra được các mạch số cơ bản trên panel và trong thực

tế

Trong quá trình biên soạn giáo trình, chúng tôi đã có gắng tham khảo nhiều tài liệu chuyên ngành, tạp chí chào hàng, thiết bị chuyên dụng trong lĩnh vực kỹ thuật số, … với mong muốn cập nhật kịp thời tiến bộ khoa học trong lĩnh vực cung cấp điện năng Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn, giáo trình không tránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi rất mong được bạn đọc lượng thứ và đóng góp ý kiến nhận xét để giáo trình ngày càng được hoàn thiện hơn

Nhóm biên soạn :

- Ks Lê Kim Ngọc

- Ths Nguyễn Văn Loi

MỤC LỤC

4 Giao tiếp giữa mạch logic và tải công suất 37

2.6 Mạch giải mã BCD sang chỉ thị tinh thể lỏng 63

Bài 5: Mạch ghép kênh và tách kênh 65

1.3 Mạch DAC dùng điện trở có trị số khác nhau 99

2 Mạch chuyển đổi tương tự - số (ADC) 103

2.3 Mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc thang 105

Bài 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT SỐ

Mục tiêu:

Học xong chương này học viên có khả năng:

- Trình bày các khái niệm cơ bản về mạch tương tự và mạch số

- Trình bày cấu trúc của hệ thống số và mã số

- Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các cổng logic cơ bản

- Chuyển đổi được giữa hệ cơ số 2 và 10

- Thực hiện được các phép tính cơ bản trong đại số Bool

- Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, nghiêm túc trong công việc

Mặc khác mạch số xử lý tín hiệu số thường là tín hiệu nhị phân(gồm logic 0 và 1 ) có dạng sóng xung với hai mức biên độ: mức cao ( logic 1) ví dụ bằng 5V, và mức thấp ( logic 0 ) ví dụ bằng 0V Thời gian biến thiên giữa hai mức, gọi thời gian chuyển tiếp, là đột biến ( vô cùng ngắn ) nên tín hiệu số có thể xem như gián đoạn về biên độ Tín hiệu tương tự có thể được chuyển đổi thành tín hiệu số bởi mạch chuyển đổi tương tự sang số ( Analog to Digital Conventer - ADC) Dĩ nhiên tín hiệu số cũng được phát sinh bởi chính các mạch số ( kể cả máy tính)

1.2 Ưu nhược điểm của kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự

* Ưu điểm của mạch số

Mạch số có nhiều ưu điểm so với mạch tương tự khiến mạch số ngày càng phổ biến

Ơ gần nhu mọi lãnh vực từ đo lường, điều khiển đến tính toán, thông tin ( điện thoại

số thay thế điện thoại tương tự, truyền hình số sẽ thay thế truyền hình tương tự vv ) Tuy mạch điện tương tự và các thiết bị tương tự cũng có những đặc tính riêng khiến không bao giờ bị thay thế hoàng toàn bởi mạch số và vác thiết bị số

Sau đây là một số ưu điểm của mạch số:

* Khả năng chống nhiều và sự méo dạng cao: Nhiễu là những tín hiệu lộn xộn do chính mạch điện tử tạo ra hay từ bên ngoài thâm nhập vào chồng lên tín hiệu đích

thực biểu thị thông tin mà ta cần xử lý hay truyền đi Ngoài ra tín hiệu truyền trong mạch điện tử và môi trường thông tin ( dây điện cáp, sợi quang, không gian vv ) còn

bị méo dạng Kết quả là tín hiệu nhận được ở máy thu bị méo dạng và bị nhiễu Ơ máy thu tín hiệu được so sánh với một ngưỡng ( thời điểm so sánh là tại giữa thời gian của xung biểu thị 1 hoặc 0) để xác định lại hai mức: nếu tín hiệu nhỏ hơn ngưỡng

là mức thấp, nếu cao hơn ngưỡng là mức cao Sau đó dạng xung vuông được tái tạo giống như ở đầu truyền Như vậy, nhiễu và sự méo dạng, ngoại trừ khi trầm trọng, không ảnh hưởng lên kết quả

* Tự phát hiện sai và sửa sai: khi nhiểu hay sự méo dạng trầm trọng thì kết quả nhận được bị sai Điều hay là bằng cách mã hoá dữ liệu nhj phân một cách thích hợp người

ta lam hệ thống mạch số có khả năng tự biết chỗ sai và tự sửa lại cho đúng

* Lưu trữ và truy cập dễ dàng và nhanh chóng: Do tín hiệu số chỉ có hai mức nên việc lưu trữ ở các môi trường khác nhau ( bộ nhơ bán dẫn ,băng từ, ), và truy cập rất thận tiên

* Tính toán, lý luận nhanh chóng: Tính toán ý nói các phép tính cơ bản cộng trừ nhân chia và sự kết hợp các phép toán này để giải bài toán phức tạp hơn Lý luận ( logic ) ý nói các phép so sánh, dịch chuyển, phân loại, xếp hạng vv Máy tính là kết hợp các khả năng tính toán, lý luận và lưu trữ

* Độ chính xác và độ phân giải cao: Trong việc đo đạc thời gian, tần số, điện thế vv

kỹ thuật số cho độ chính xác và độ phân giả cao hơn kỹ thuật tương tự

* Thuận tiện cho công việc tích hợp: Mạch số dù là một máy tính , một mạng điện thoại số, vv chủ yếu là do một số mạch cơ bản nhưng được lập đi lập lại hàng ngàn, hàng ttriẹu lân tạo nên Chính sự lặp đi lặp lại này rất thận lợi cho việc chế tạo các mạch tích hợp ( Intergrated Circuit _ IC ) Thực tế đã có hàng ngàn các IC số khác nhau làm các chức năng từ giản đơn đến vô cùng tinh vi phức tạp

* Dễ thiết kế, kắp ráp, sửa chữa: Do có rất nhiều mạch IC cho các chức năng khác nhau, mà các IC này gần như không cần các linh kiện thụ động hỗ trợ ( khác với các

IC tương tự bao giờ cũng cần nhiều là tụ điện, điện trở vv chung quanh ) và do điện thế ở các nơi trong mạch số chỉ hoặc ở mức cao hoặc mức thấp khiến sự thiét kế, lắp ráp và sửa chữa mạch số dễ dàng hơn mạch tương tự

* Nhược điểm của mạch số

Chỉ nói ưu điểm mà không nói nhược điểm là không công bằng Mạch số có hai nhược điểm lớn Trước tiên thế giới vật lý ta đang sống chủ yếu là thế giới tương tự: nhiệt độ tăng lên giảm xuống liên tục chứ không nhảy vọt, chiếc xe từ dừng đến lăn bánh rồi mới nhanh dần chớ không dột biến, dạng sóng biểu thị tiếng nói biến thiên liên tục từ biên độ này sang biên độ khác vv Do đó để có một lượng vật lý tự nhiên lọt được vào mạch số hay từ mạch số tác động trở lại thế giới tự nhiên phải có sự chuyển đổi Kế đến, trong vài trường hợp mạch số có thể tốn kém hơn Ví dụ hệ thống truyền hình số, bên cạnh nhiều ưu điểm, trước mắt sẽ tốn kém hơn nhiều so với hện thống truyền hình tươntg tự như hiện nay Tuy nhiên trong hầu hết trường hợp mạch

số mới cá khả năng về tốc độ, độ chính xác, mức độ phức tạp cần thiết, ví dụ máy tính

số, bẳng đèn quang báo.vv Sự tiến triển nhanh chóng của công nghệ mạch tích hợp khiến cho mạch số càng ngày cảng rẻ

2 Hệ thống số và mã số

Nhu cầu về định lượng trong quan hệ giữa con người với nhau, nhất là trong những trao đổi thương mại, đã có từ khi xã hội hình thành Đã có rất nhiều cố gắng trong việc tìm kiếm các vật dụng, các ký hiệu dùng cho việc định lượng này như các que gỗ, vỏ sò, số La mã Hiện nay số ả rập tỏ ra có nhiều ưu điểm khi được sử dụng trong định lượng, tính toán

Việc sử dụng hệ thống số hằng ngày trở nên quá quen thuộc khiến chúng ta có thể đã quên đi sự hình thành và các qui tắc để viết các con số

Chương này nhắc lại một cách sơ lược nguyên lý của việc viết số và giới thiệu các hệ thống số khác ngoài hệ thống thập phân quen thuộc, phương pháp biến đổi qua lại của các số trong các hệ thống khác nhau Chúng ta sẽ đặc biệt quan tâm đến hệ thống nhị phân là hệ thống được dùng trong lãnh vực điện tử-tin học như là một phương tiện để giải quyết các vấn đề mang tính logic

Phần cuối của bài sẽ giới thiệu các loại mã thông dụng để chuẩn bị cho các bài kế tiếp

Nguyên lý của việc viết số

Một số được viết bằng cách đặt kề nhau các ký hiệu, được chọn trong một tập hợp xác định Mỗi ký hiệu trong một số được gọi là số mã (số hạng, digit)

Thí dụ, trong hệ thống thập phân (cơ số 10) tập hợp này gồm 10 ký hiệu rất quen thuộc, đó là các con số từ 0 đến 9:

10 = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}

Khi một số gồm nhiều số mã được viết, giá trị của các số mã tùy thuộc vị trí của nó

trong số đó Giá trị này được gọi là trọng số của số mã

Thí dụ số 1998 trong hệ thập phân có giá trị xác định bởi triển khai theo đa thức của 10:

1998

10 = 1x103 + 9x102 +9x101 + 9x100 = 1000 + 900 + 90 + 8

Trong triển khai, số mũ của đa thức chỉ vị trí của một ký hiệu trong một số với qui ước vị trí của hàng đơn vị là 0, các vị trí liên tiếp về phía trái là 1, 2, 3, Nếu có phần lẻ, vị trí đầu tiên sau dấu phẩy là -1, các vị trí liên tiếp về phía phải là -2, -3,

Ta thấy, số 9 đầu tiên (sau số 1) có trọng số là 900 trong khi số 9 thứ hai chỉ là 90

Có thể nhận xét là với 2 ký hiệu giống nhau trong hệ 10, ký hiệu đứng trước có trọng

số gấp 10 lần ký hiệu đứng ngay sau nó Điều này hoàn toàn đúng cho các hệ khác, thí

dụ, đối với hệ nhị phân ( cơ số 2) thì tỉ lệ này là 2

Tổng quát, một hệ thống số được gọi là hệ b sẽ gồm b ký hiệu trong một tập hợp:

N=(anan-1an-2 ai a0,a-1ê-2 a-m)b với aiSb

i

i b a i

i b

a chính là trọng số của một ký hiệu trong S

b ở vị trí thứ i

2.1 Hệ thống số thập phân

Hệ thập phân là hệ thống số rất quen thuộc, gồm 10 số mã như nói trên

Dưới đây là vài ví dụ số thập phân:

Mỗi số mã trong một số nhị phân đƣợc gọi là một bit (viết tắt của binary digit)

n là bit có trọng số lớn nhất, đƣợc gọi là bit MSB (Most significant bit) và a

Thí dụ: N = 20EA,8H = 20EA,8

16 = 2x163 + 0x162 + 14x161 + 10x160 + 8x16-1

- Biểu diễn số nhị phân dưới dạng HEXA

Số nhị phân được biểu diễn dưới dạng HEXA bằng cách nhóm 4 bit một, bắt đầu

từ phải qua trái và biểu diễn mỗi nhóm bit này bằng một chữ số (còn gọi là Digit) HEXA

ASCII là từ viết tắt của American Standard Code for Information Interchange có nghĩa là chuẩn mã trao đổi thông tin Hoa Kỳ Đây là bộ mã hóa ký tự cho bảng chữ cái La Tinh và được dùng để hiển thị văn bản trong máy tính

Về bản chất, có thể hiểu ASCII là một bộ mã quy ước giúp máy tính có hiểu và hiển thị được các ký tự mà bạn muốn nhập vào máy tính hay đơn giản hơn là các ký tự trên bàn phím máy tính chuẩn Anh Tập hợp các mã ASCII tạo thành bảng mã ASCII Năm 1963, ASCII được công bố làm bộ tiêu chuẩn bởi Hiệp hội Tiêu chuẩn Hoa Kỳ,

và hiện nay trở thành bộ mã được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới, do Tiếng Anh

đã trở thành ngôn ngữ quốc tế

Để biểu diễn thông tin về ký tự, ASCII sử dụng mã 7 bit (kiểu bit sử dụng 7 số nhị phân để biểu diễn) Chẳng hạn số 0 được biểu diễn trong ngôn ngữ ASCII là 0110000

Bảng mã ASCII được sử dụng như thế nào?

Nó là một mã sử dụng số để biểu diễn các ký tự Mỗi chữ cái được gán một số từ 0 đến 127 Một ký tự viết hoa và viết thường được gán các số khác nhau Ví dụ, ký tự A được gán số thập phân 65, trong khi a được gán số thập phân 97 như được hiển thị bên dưới trong bảng ASCII

Khi máy tính gửi dữ liệu, các phím bạn nhấn hoặc văn bản gửi và nhận được gửi dưới dạng một loạt các số Những con số này đại diện cho các ký tự đã nhập hoặc tạo Vì phạm vi của ASCII tiêu chuẩn là 0 đến 127 nên nó chỉ yêu cầu 7 bit hoặc 1 byte dữ liệu

Ví dụ: Để gửi chuỗi wikimaytinh.com dưới dạng ASCII, máy tính sẽ dịch thành các

Bảng mã chuẩn giúp máy tính hiểu và hiển thị được trọn vẹn các từ, ký tự sử dụng trong tiếng Anh

3 Chuyển đổi giữa các hệ cơ số

Khi đã có nhiều hệ thống số, việc xác định giá trị tương đương của một số trong hệ này so với hệ kia là cần thiết Phần sau đây cho phép ta biến đổi qua lại giữa các số trong bất cứ hệ nào sang bất cứ hệ khác trong các hệ đã được giới thiệu

3.1 Đổi một số từ hệ nhị phân sang hệ thập phân

Thí dụ: Đổi số 10110,11

2 sang hệ 10 10110,11

4: a

4 = 1

5 Các cổng logic cơ bản

Cổng logic là tên gọi chung của các mạch điện tử có chức năng thực hiện các hàm logic Cổng logic có thể được chế tạo bằng các công nghệ khác nhau (Lưỡng cực, MOS), có thể được tổ hợp bằng các linh kiện rời nhưng thường được chế tạo bởi công nghệ tích hợp IC (Integrated circuit)

Phần này giới thiệu các loại cổng cơ bản, các họ IC số, các tính năng kỹ thuật và sự giao tiếp giữa chúng

* Biểu diễn các trang thái logic 1 và 0

Trong hệ thống mạch logic, các trạng thái logic được biểu diễn bởi các mức điện thế

Với qui ước logic dương, điện thế cao biểu diễn logic 1, điện thế thấp biểu diễn logic

0 Ngược lại ta cứ qui ước logic âm Trong thực tế, mức 1 và 0 tương ứng với một

khoảng điện thế xác định và cú một khoảng chuyển tiếp giữa mức cao và thấp, ta gọi

là khoảng không xác định Khi điện áp của tín hiệu rơi vào khoảng này, mạch sẽ

không nhận ra là mức 0 hay 1 Khoảng này tùy thuộc vào họ IC sử dụng và được cho trong bảng thông số kỹ thuật của linh kiện

5.1 Cổng AND

- Thực hiện phép tính nhân logic các biến đầu vào

- Cổng AND có số ngã vào tùy thuộc số biến và một ngã ra Ngã ra của cổng là hàm AND của các biến ngã vào

- Ký hiệu cổng AND 2 ngã vào cho 2 biến

Bảng trạng thái:

Nhận xét:

- Ngã ra cổng AND chỉ ở mức cao khi tất cả ngã vào lên cao

- Khi có một ngã vào = 0, ngã ra = 0 bất chấp các ngã vào còn lại

- Khi có một ngã vào =1, ngã ra = AND của các ngã vào còn lại

Vậy với cổng AND 2 ngã vào ta có thể dùng 1 ngã vào làm ngã kiểm soát, khi ngã

kiểm soát = 1, cổng mở cho phép tín hiệu logic ở ngã vào còn lại qua cổng và khi ngã kiểm soát = 0, cổng đóng , ngã ra luôn bằng 0, bất chấp ngã vào còn lại

Với cổng AND có nhiều ngã vào hơn, khi có một ngã vào đƣợc đƣa lên mức cao thì ngã ra bằng AND của các biến ở các ngã vào còn lại

5.2 Cổng OR

- Dùng để thực hiện phép cộng logic các biến đầu vào

- Cổng OR có số ngã vào tùy thuộc số biến và một ngã ra

- Ký hiệu cổng OR 2 ngã vào

Bảng trạng thái:

Nhận xét:

- Ngã ra cổng OR chỉ ở mức thấp khi cả 2 ngã vào xuống thấp

- Khi có một ngã vào =1, ngã ra = 1 bất chấp ngã vào còn lại

- Khi có một ngã vào =0, ngã ra = OR các ngã vào còn lại

Vậy với cổng OR 2 ngã vào ta có thể dùng 1 ngã vào làm ngã kiểm soát, khi ngã kiểm

soát = 0, cổng mở, cho phép tín hiệu logic ở ngã vào còn lại qua cổng và khi ngã kiểm soát = 1, cổng đóng, ngã ra luôn bằng 1

Với cổng OR nhiều ngã vào hơn, khi có một ngã vào đƣợc đƣa xuống mức thấp thì

ngã ra bằng OR của các biến ở các ngã vào còn lại

- Ký hiệu của cổng NAND (Gồm AND và NOT, cổng NOT thu gọn lại một vòng tròn)

- Tương tự như cổng AND, ở cổng NAND ta có thể dùng 1 ngã vào làm ngã kiểm soát Khi ngã kiểm soát = 1, cổng mở cho phép tín hiệu logic ở ngã vào còn lại qua cổng và bị đảo, khi ngã kiểm soát = 0, cổng đóng, ngã ra luôn bằng 1

- Khi nối tất cả ngã vào của cổng NAND lại với nhau, nó hoạt động như một cổng đảo

5.5 Cổng NOR

- Là kết hợp của cổng OR và cổng NOT, thực hiện hàm

- Ký hiệu của cổng NOR (Gồm cổng OR và NOT, nhưng cổng NOT thu gọn lại một vòng tròn)

5.6 Cổng EX-OR

- Dùng để thực hiện phép tính , còn gọi là A so B

- Cổng EX-OR chỉ có 2 ngã vào và 1 ngã ra

- Một tính chất rất quan trọng của cổng EX-OR:

+ Tương đương với một cổng đảo khi có một ngã vào nối lên mức cao,

+ Tương đương với một cổng đệm khi có một ngã vào nối xuống mức thấp

+ Khi A=B thì Y=0; khi A≠B thì Y=1

5.7 Cổng EX-NOR

- Là kết hợp của cổng EX-OR và cổng NOT

- Cổng EX-NOR có 2 ngã vào và một ngã ra

- Hàm logic ứng với cổng EX-NOR là

- Các tính chất của cổng EX-NOR giống cổng EX-OR nhƣng có ngã ra đảo lại, tức: Khi A=B thì Y=1; khi A≠B thì Y=0

5.8 Cổng đệm (BUFFER)

Tín hiệu số qua cổng BUFFER không đổi trạng thái logic Cổng BUFFER đƣợc dùng với các mục đích sau:

- Sửa dạng tín hiệu

- Đƣa điện thế của tín hiệu về đúng chuẩn của các mức logic

- Nâng khả năng cấp dòng cho mạch

- Ký hiệu của cổng BUFFER

Tuy cổng đệm không làm thay đổi trạng thái logic của tín hiệu vào cổng nhƣng nó giữ vai trò rất quan trọng trong các mạch số

6 Đại số Bool và định lý Demorgan

+ Biến logic là một khái niệm dùng thay cho thuật ngữ mệnh đề tuỳ ý, mệnh đề này

có thể đúng hoặc sai và không có khả năng một mệnh đề vừa đúng vừa sai, nghĩa là biến logic chỉ nhận một trong hai giá trị là đúng hoặc sai

Ví dụ: Câu “Hôm nay là thứ Năm và trời đang mƣa” có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

C = A.B

với A : hôm nay là thứ Năm

B: trời đang mưa

C: toàn bộ câu

Khi nào thì toàn bộ câu là đúng?

Có thể thiết lập một bảng liệt kê các trường hợp đúng (True) hay sai (False) cho A và B:

Nếu “1” được sử dụng để thay thế cho phát biểu đúng và “0” cho phát biểu sai thì bảng trên có thể được biểu diễn lại như sau:

Như vậy, toàn bộ câu là đúng khi A và B đều đúng còn các trường hợp khác C sai + Một mệnh đề phức tạp được tạo thành từ các mệnh đề đơn giản ban đầu, nó nhận một trong 2 giá trị là đúng hoặc sai Khi đó, ký hiệu là F(A, B, C … ) hay F(x1, x2, x3

…), người ta gọi đó là hàm logic của các biến A, B, C … hay của x1, x2, x3 …

+ Trong kỹ thuật số các giá trị đúng và sai của biến logic hay hàm logic được ký hiệu

là 1 và 0 (đây đơn thuần là ký hiệu mà không phải là chữ số của hệ hai) Thêm nữa việc thực hiện các giá trị logic còn phụ thuộc vào việc chọn các trị số vật lý để biểu diễn

6.1 Hàm Bool một biến

6.2 Hàm nhiều biến

6.3 Định lý De Morgan

Định lý De Morgan được phát biểu bởi hai biểu thức:

Định lý De Morgan cho phép biến đổi qua lại giữa hai phép cộng và nhân nhờ vào phép đảo

Định lý De Morgan được chứng minh bằng cách lập bảng sự thật cho tất cả trường hợp có thể có của các biến A, B, C với các hàm AND, OR và NOT của chúng

Bài 2

HỌ VI MẠCH TTL - CMOS

Mục tiêu bài

- Trình bày được cấu trúc, các đặc tính cơ bản của IC số

- Phân loại được các phương thức giao tiếp giữa các loại IC số

- Lắp ráp được mạch giao tiếp giữa IC số và tải công suất

- Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác

Nội dung của bài:

1 Cấu trúc và các thông số cơ bản của TTL

Thành phần cơ bản của các vi mạch công nghệ lưỡng cực là sử dụng các transistor lưỡng cực Công nghệ này có một số họ cơ bản sau:

1.1 Cơ sở của việc hình thành cổng logic họ TTL (Transistor – Transistor – Logic)

Để chuyển trạng thái từ 1 (OFF) về 0 (ON) một đầu vào sẽ có mức thế đất còn đầu vào kia nối với Vcc Khi điện áp ở đầu vào ở mức thấp tăng, dòng điện đầu vào sẽ giảm và khi tăng đạt tới 0,8V Q2 bắt đầu dẫn và điện áp trên collector của nó giảm Kết quả, điện áp đầu ra giảm cho đến khi điện áp đầu vào đạt khoảng 1,4-1,5V, lúc này điện áp đầu ra có giá trị khoảng 2V Điện áp trên base của Q2 là khoảng 1,4V và

do vậy, cả Q2 và Q4 đều dẫn

Bắt đầu từ thời điểm này, điện áp đầu ra nhanh chóng giảm xuống giá trị VceSat của

Q4, tức là Q2 đạt bão hoà còn Q3 chuyển sang trạng thái ngắt (OFF)

Có một khoảng thời gian rất ngắn khi mà cả Q3 và Q4 đều dẫn; trong khoảng thời gian này có dòng chảy qua R4, Q3, D1 và T4

Dòng này đƣợc hạn chế chủ yếu bởi R4

Khi chuyển từ trạng thái thấp (low) lên cao (High), ban đầu các đầu vào ở trạng thái cao

Khi điện áp của một (hay nhiều) đầu vào giảm xuống 1,4V, Q1 bắt đầu dẫn khiến cho

Q2 và Q4 cũng rơi vào trạng thái dẫn Dòng qua Q2 giảm điện áp trên collector của Q2tăng khiến Q3 rơi vào trạng thái dẫn vì thế đầu ra sẽ ở mức thấp

1.2 Cấu trúc cơ bản của TTL

1.2.1 Cổng NAND TTL

Transistor Q1, trở R1 và các diode D1, D2 tạo thành mạch ngõ vào, mạch này thực hiện chức năng NAND Transistor Q2, các trở R2, R4 tạo thành mạch giữa Q3, Q4, R3 và diode D3 tạo thành mạch ngõ ra

Khi bất kỳ một lối vào ở mức thấp thì Q1 đều trở thành thông bão hoà, do đó, Q2 và

Q4 đóng, còn Q3 thông nên đầu ra của mạch sẽ ở mức cao Lối ra sẽ chỉ xuống mức thấp khi tất cả các lối vào đều ở mức logic cao và làm transistor Q1 cấm Diode D3đƣợc sử dụng nhƣ mạch dịch mức điện áp, nó có tác dụng làm cho Q3 cấm hoàn toàn khi Q2 và Q4 thông Diode này nhiều khi còn đƣợc mắc vào mạch giữa collector Q2 và base của Q3

1.2.2 Cổng OR TTL

Trong trường hợp này, mạch vào sử dụng các bán dẫn đơn Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động của mạch vào này cũng giống với cổng NAND

1.3 Nhận dạng, đặc điểm, các thông số cơ bản

- Loạt IC TTL chuẩn đầu tiên gọi là seri 54/74, tùy theo hãng chế tạo sẽ có thêm các tiền tố Ví dụ, Texas Instruments có tiền tố SN, National Semiconductor dùng DM, Signetic là S

Ví dụ, cổng NOR sẽ có các mã số khác nhau DM7402, SN7402…

- Khoảng nhiệt độ và điện thế nguồn:

Seri 74 vận hành trong khoảng điện thế 4.75 đến 5.25 và nhiệt độ 00C đến 700

C

Seri 54 chấp nhận điện thế nguồn trong khoảng 4.5 đến 5.5 và nhiệt độ -550C đến

1250C

Mức điện thế của seri 74

- Công suất tiêu hao bình quân một cổng khoảng 10mW

- Thời gian trễ tiêu biểu tpLH=11ns và tpHL=7ns, trung bình 9ns

- Đầu ra TTL chuẩn có thể kích thích 10 đầu vào TTL chuẩn

Chúng gồm:

S TTL (Schottky TTL): tốc độ tăng gấp 3 lần nhưng công suất tiêu thụ tăng lên tới 20mW/cổng

AS TTL (Advanced Schottky): tốc độ gần bằng ECL (1 đến 2ns)

LS TTL (Low Power Schottky TTL): cùng tốc độ nhưng công suất tiêu thụ giảm 5 lần 10ns, 2mW/cổng

F TTL (Fast TTL) : tốc độ gấp 4 lần, công suất tiêu thụ giảm một nửa

Độ ổn định nhiễu Cao Mức logic mức 0 bằng +0,4V;

mức 1 bằng +3,6V Nguồn cung cấp 5V ± 10%

Các cổng logic cơ bản NOR; NAND

1.5 TTL có cực thu hở

Hình bên dưới là cấu trúc của một cổng nand 2 ngõ vào và có ngõ ra cực thu để hở Nhận thấy trong cấu trúc của mạch không có điện trở hay transistor nối từ cực thu của transistor ra dưới Q3 (transistor nhận dòng ) lên Vcc Khi giao tiếp tải ta phải thêm bên ngoài mạch một điện trở nối từ ngõ ra Y lên Vcc gọi là điện trở kéo lên (pull up resistor Rp) có trị số từ trên trăm ohm đến vài kilo ohm tuỳ theo tải

1.6 TTL có ngõ ra ba trạng thái

TTL có ngõ ra 3 trạng thái là TTL có ngõ ra ở tầng cuối cùng là loại 3 trạng thái

Cấu trúc của một loại TTL ngõ ra 3 trạng thái

Có một đường điều khiển C (hay đường cho phép G) và một diode được thêm vào Khi C ở cao, diode D không dẫn thì mạch hoạt động bình thường như cổng nand ở trước

Bây giờ đặt C xuống thấp, chẳng hạn nối mass, lập tức Q1 dẫn, dòng đổ qua R1 xuống mass, mà không đổ vào Q2 Q2 ngắt kéo theo Q3 ngắt Cùng lúc dòng qua R2 sẽ đổ qua diode D1 xuống mass, tức là Q4 cũng không dẫn

Trong điều kiện cả Q3 và Q4 đều không dẫn, ngõ ra Y chẳng nối với mass hay nguồn

gì cả, tổng trở ngõ ra là rất cao, đây chính là trạng thái thứ 3 của mạch

Khi này nếu có nối nhiều ngõ ra lại với nhau thì khi ở trạng thái thứ 3, các ngõ ra sẽ không bị ảnh hưởng bởi nhau

Lợi dụng đặc điểm này ta có thể tạo nên đường bus chung

Cách tạo đường bus

Như hình trên cho thấy khi C1, C2, C3 ở mức cao, ngõ ra 3 cồng này ở Z cao, nếu C0

ở mức thấp thì tín hiệu D0 sẽ được đưa tới Y

Khi C1 ở mức thấp còn các C0, C2, C3 ở mức cao thì tín hiệu D1 sẽ được đưa tới Y Tương tự khi ta đưa đường khiển của cổng nào xuống thấp thì tín hiệu đường đó được đưa lên bus

Tuy nhiên khi đã nối chung các ngõ ra 3 trạng thái lại với nhau thì không nên cho nhiều ngõ điều khiển xuống thấp vì khi này sẽ xảy ra tình trạng tranh chấp bus

Đây có thể coi là một cách ghép kênh dữ liệu, cách này ngày nay đang được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong lĩnh vực máy tính

Kí hiệu cho mạch có ngõ ra 3 trạng thái là thêm dấu tam giác nhỏ Cũng cần lưu ý là ngõ điều khiển C cũng có thể tác động ở mức cao để đặt ngõ ra ở trạng thái tổng trở cao, điều này do công nghệ chế tạo thay đổi mạch thêm một chút

Ký hiệu cho mạch ngõ ra 3 trạng thái

2 Cấu trúc và các thông số cơ bản của CMOS

2.1 Đặc trưng của các vi mạch số họ CMOS

Công nghệ CMOS có ưu điểm là dễ chế tạo vì công đoạn thực hiện ít quy trình hơn, mật độ tích hợp cao do transistor đơn cực có kích thước nhỏ và đặc biệt là tiêu thụ điện năng rất ít

Họ CMOS sử dụng các cặp MOSFET kênh N và kênh P ở chế độ tải tích cực do đó công suất tiêu thụ nhỏ, 10 W/cổng Ngưỡng đổi trạng thái bằng khoảng 1/2 điện áp nguồn nuôi

Họ logic CMOS

Mạch này gồm 2 Transistor trường khác loại, NMOS (T1) và PMOS (T2)

Đầu vào được nối tới cực cửa G và đầu ra nối tới cực máng D

Điện áp cung cấp trong các mạch logic CMOS thường được ký hiệu Vdd

Hoạt động

Khi đầu vào ở mức logic thấp, NMOS sẽ ngắt (vì VGS 0V) và PMOS dẫn (vì VGS

-Vdd ) Bởi thế, điện áp đầu ra có mức cao thực tế bằng Vdd (khi không tải)

Tương tự, khi đầu vào có mức logic cao, dẫn đến đầu ra có mức logic thấp bằng 0V (không tải)

Ưu điểm của việc sử dụng mạch 2 T khác loại (bù)

Việc sử dụng 2 T bù, khiến công nghệ CMOS có những ưu điểm so với các họ logic khác:

Giảm công suất tiêu thụ trong điều kiện tĩnh xuống khoảng vài W (không có dòng tại mạch ra vì khi 1 T dẫn, T kia sẽ ngắt)

Khi chuyển trạng thái, sườn xung sẽ dốc hơn và có thời gian đối xứng hơn, tức: tTHL =

tTLH

Mức logic 0 và 1 tại đầu ra sẽ xấp xỉ 0V và Vdd

Giảm dòng đầu vào trong điều kiện tĩnh, thậm chí về 0A do cực G được cách ly đối với MOS

Tuy nhiên, ưu điểm của việc giảm công suất tiêu thụ do cực cửa G được cách ly đối với công nghệ MOS sẽ dẫn đến nhược điểm là: các đầu vào có thể lưu trữ các điện tích tĩnh điện tạo nên một lớp mỏng chất cách điện đọng lại trên kênh Do đó, cần có mạch chống tĩnh điện tại đầu vào, nằm bên trong mạch tích hợp Mạch này, về cơ bản

là một nhóm các Diode được nối với nhau như hình dưới đây bởi thế điện áp VGS không thể lớn hơn Vdd hay giảm xuống 0V

Mạch chống tĩnh điện tại đầu vào

Không giống các họ logic khác, công suất tiêu thụ của CMOS tăng nhanh khi tần số hoạt động tăng vì 2 lý do chính:

+ Số lần nạp và phóng trên một giây của các điện dung ký sinh (tạo bởi cực của G) tăng lên

+ Trong khoảng thời gian chuyển mức logic, cả hai MOS đều dẫn

Vì các lý do này, công suất tiêu thụ, mà được bỏ qua dưới điều kiện tĩnh, sẽ tăng khi tần số tăng, cho đến tần số khoảng vài MHz thì công suất tiêu thụ của họ CMOS sẽ xấp xỉ như các họ lưỡng cực

2.2 Cấu trúc CMOS của các cổng logic cơ bản

2.2.1 Cổng NOT và cổng NAND

Hình bên dưới là mạch điện của cổng NOT và cổng NAND thuộc họ CMOS Điểm nổi bật trong mạch điện của họ cổng này là không tồn tại vai trò các điện trở Chức năng logic được thực hiện bằng cách thay đổi trạng thái các chuyển mạch có cực tính ngược nhau Dấu trừ và dấu cộng trên cực cửa các MOSFET chỉ ra cực tính điều khiển chuyển mạch Nhờ đặc điểm cấu trúc mạch, mức VRL, VRH đạt được gần như

lý tưởng

Mạch điện cổng NOT họ CMOS

Mạch điện cổng NAND họ CMOS

Để minh hoạ, ta có thể tìm hiểu hoạt động của cổng NOT Dễ thấy rằng, nếu tác động tới lối vào A logic thấp thì Q1 sẽ thông, Q2 khoá Lối ra f gần như được nối tắt tới VDD

và cách ly hẳn với đất, nghĩa là VRH  VDD Ngược lại, khi A lấy mức cao, Q1 mở và

Q2 đóng Do đó, lối ra f gần như nối đất và cách ly với VDD Nói khác đi, VRL 0

2.2.3 Các thông số cơ bản của vi mạch số họ CMOS

Seri HC (CMOS tốc độ cao High Speed) được giới thiệu vào những năm bắt đầu thập

kỷ 80 Loại này có tốc độ và dòng cao hơn CMOS chuẩn khoảng 10 lần, sơ đồ chân tương thích với họ TTL; khoảng lề chống nhiễu cao hơn TTL và Vdd từ 2 đến 6V Khi làm việc với điện áp 5V như TTL tốc độ của các họ trên giảm đi rất nhiều

Seri mới này có công suất tiêu thụ thấp hơn họ TTL; khả năng chống nhiễu cao hơn; khả năng điều khiển đầu ra cao hơn và điện áp hoạt động từ 2 – 6V

Vì điện áp ra của HC không tương thích với TTL nên seri HCT được phát triển, với cùng tính năng như HC nhưng có khả năng tương thích TTL với điện áp cung cấp Vdd = 5V

Thời gian trễ 30 – 100ns Công suất tiêu tán 0,01mW (1mW ở tần số 1MHz) Khả năng tải 50

Độ ổn định nhiễu ~ 45%Vdd Mức logic Mức 0 bằng 0V; mức 1 bằng Vdd Nguồn cung cấp 3 – 15V

Các cổng logic cơ bản NOR; NAND Công nghệ CMOS tung ra các sản phẩm có đặc điểm hiệu suất ngày càng tốt hơn, cung cấp không chỉ tất cả chức năng logic có ở TTL, mà còn nhiều chức năng đặc biệt không có ở TTL

Lưu ý: Không bao giờ được phép thả nổi các đầu vào CMOS không dùng đến, tất cả

đầu vào CMOS phải được nối hoặc với mức điện thế cố định (0 hoặc VDD) hoặc với

đầu vào khác (Lý do đầu vào CMOS thả nổi rất nhạy với tạp âm nhiễu và tĩnh điện vốn có thể dễ dàng phân cực MOSFET ở trạng thái dẫn điện)

3 Giao tiếp TTL – CMOS

Trong nhiều ứng dụng, yêu cầu chuyển đổi các tín hiệu giữa các mức logic khác nhau như từ TTL sang CMOS hoặc ngược lại Các cổng logic collector hở hoặc các mạch khuếch đại transistor đơn giản thường được sử dụng trong các mạch chuyển đổi này

3.1 TTL kích thích CMOS

Để tạo được giao tiếp giữa TTL và CMOS thì ta phải để ý đến nguồn cung cấp của 2

họ Họ TTL cần điện áp cung cấp là + 5V, họ CMOS có thể dùng điện áp cung cấp từ +3V đến +15V

3.1.1 Cùng điện áp cung cấp +5V

Trong trường hợp này điện áp ra của TTL nhỏ hơn so với điện áp vào của CMOS Do vậy ta phải dùng mạch bổ sung để tương hợp hai loại IC khác nhau

Giải pháp tiêu chuẩn là dùng điện trở kéo lên giữa điều khiển TTL và tải CMOS

Điều khiển TTL và tải CMOS

3.1.2 Khác điện áp cung cấp

Điện áp cung cấp dùng cho IC CMOS thích hợp nhất là từ +9V đến +12V Một cách dùng để điện áp cung cấp lớn là sử dụng IC TTL hở mạch Collector, vì tầng ra của TTL hở cực C chỉ gồm transistor nhận dòng với cực C thả nổi ở hình này cực C để hở được nối với nguồn cung cấp +12V qua điện trở kéo lên 6,8kΩ Khi lối ra của họ TTL

ở mức L thì dòng của nó là:

mA K

Điều khiển TTL hở mạch collector và tải CMOS

3.1.3 Bộ chuyển mức nguồn dùng CMOS

Hình dưới là bộ chuyển mức CMOS 40109 Tầng lối vào của IC dùng điện áp cung cấp +5V trong khi tầng lối ra dùng +12V

Trong hình IC TTL tiêu chuẩn điều khiển bộ chuyển mức nguồn, nó kéo IC TTL lên ít nhất là +2,4V Điện trở kéo lên tiếp tục đưa điện áp lên cao đến mức +5V, mức này đảm bảo chắc chắn lối vào ở mức H Lối ra của bộ chuyển mức nối với nguồn +12V

Bộ chuyển mức CMOS cho phép sử dụng hai loại nguồn +5V và +12V

3.2 CMOS kích thích TTL

Để tạo ra được giao tiếp giữa họ CMOS và TTL thì ta phải quan tâm đến vấn đề chuyển mức điện áp cho tới khi trạng thái lối ra của CMOS phù hợp với lối vào của TTL Ta phải đảm bảo chắc chắn lối ra ở trạng thái L của CMOS luôn luôn nhỏ hơn 0,8 V(đây là điện áp lối vào lớn nhất ở trạng thái L của họ TTL) Điện áp lối ra ở trạng thái H của CMOS luôn luôn lớn hơn 2V(đây là điện áp lối vào nhỏ nhất ở trạng thái H của họ TTL)

3.2.1 Cùng điện áp cung cấp +5V

Theo số liệu kỹ thuật của IC 74Cxx thì trường hợp xấu nhất dòng lối ra của CMOS điều khiển TTL là:

Đối với loại IC TTL công suất thấp thì có dòng lối vào là 180µA thì hệ số ghép tải giữa CMOS và 74L là bằng 2

IC CMOS không thể điều khiển trực tiếp IC TTL tiêu chuẩn, vì dòng lối vào ở trạng thái L yêu cầu là 1,6 mA, mà transistor nhận dòng của IC CMOS có điện trở xấp xỉ 1,11kΩ (trường hợp xấu nhất) Nên điện áp lối ra của IC CMOS bằng 1,6 mA x 1,11kΩ = 1,78 V Điện áp này quá lớn đối với lối vào ở trạng thái L của IC TTL

- Dùng tầng đệm bằng CMOS

Tầng đệm CMOS có thể điều khiển tải TTL tiêu chuẩn

Tầng đệm có dòng ra lớn Ví dụ IC 74C902 có 6 tầng đệm CMOS, mỗi tầng đệm có dòng ở lối ra trong trường hợp xấu nhất là:

3.2.2 Khác điện áp cung cấp

Các tầng đệm CMOS như 74C902 có thể dùng điện áp cung cấp từ +3V đến +15V và điện áp lối vào từ -0,3 V đến +15V> Điện áp lối vào có thể lớn hơn điện áp cung cấp

mà không làm hỏng loại IC dùng làm tầng đệm này Ví dụ ta có thể dùng điện áp lối vào ở trạng thái H là +12V ngay khi điện áp cung cấp chỉ bằng 5V

Hình dưới là mạch điều khiển CMOS dùng điện áp cung cấp +12V, trong khi tầng đệm CMOS có điện áp cung cấp là +5V

Điều khiển CMOS hoạt động thích hợp nhất với nguồn cung cấp +12V

4 Giao tiếp giữa mạch logic với tải công suất

4.1 Giao tiếp với tải DC

Led đơn rất hay được sử dụng để hiển thị ở các vi mạch điện tử, áp rơi trên nó dưới 2V, dòng qua khoảng vài mA do đó nhiều cổng logic loại TTL và CMOS 74HC/HCT

có thể thúc trực tiếp led đơn

Tuy nhiên loại CMOS 4000, 14000 thì không thể do dòng vào ra mức cao và thấp đều rất nhỏ (dưới 1uA, và dưới 0,5mA) mặc dù chúng có thể hoạt động và cho áp lớn hơn loại 2 loại kia

Giao tiếp với LED

R là điện trở giới hạn dòng cho led, cũng tuỳ loại cổng logic được sử dụng mà R cũng khác nhau thường chọn dưới 330 ohm (điện áp Vcc =5VDC) tuỳ theo việc lựa chọn độ sáng của led

Ngoài led ra các cổng logic cũng có thể thúc trực tiếp các loại tải nhỏ khác như loa gốm áp điện (loa thạch anh) có dòng và áp hoạt động đều nhỏ, đây là loại loa có khả năng phát ra tần số cao

Cổng logic thúc loa

Lưu ý là loa gốm là tải có tính cảm kháng, khi cổng chuyển mạch có thể sinh dòng cảm ứng điện thế cao gây nguy hiểm cho transistor bên trong cổng vì vậy cần 1 diode mắc ngược với loa gốm để bảo vệ cổng

Giao tiếp với tải lớn

Do không đủ dòng áp để cổng logic thúc cho tải, mặt khác những thay đổi ở tải như khi ngắt dẫn độ ngột, khi khởi động… đều có thể gây ra áp lớn, dòng lớn đổ về vượt quá sức chịu đựng của tải nên cần có các phần trung gian giao tiếp, nó có thể là transistor, thyristor, triac hay opto coupler tuy theo mạch Hãy xét một số trường hợp

cụ thể :

a Tải cần dòng lớn:

Do dòng lớn vượt quá khả năng của cổng nên có thể dùng thêm transistor khuếch đại lên, khi tác động mức thấp dùng transistor pnp còn khi tác động mức cao nên dùng transistor loại npn

cả transistor đệm ở bên ngoài Giải pháp trong trường hợp này là phải dùng thêm 1 transistor khác làm nhiệm vụ cách li áp cao từ tải với cổng logic, cũng có thể dùng cổng đệm thúc chịu áp cao như 7407

Giao tiếp với tải cần áp lớn

Ở hình trên transistor cách li điện thế Q1 hoạt động ở cùng điện thế như mạch TTL còn transistor thúc Q2 hoạt động ở điện áp theo yêu cầu của tải Ở mức thấp Q1 dẫn

để dòng vào Q2 làm nó dẫn và động cơ sẽ chạy Trong mạch R1, R3 phân cực cho Q1, Q3 và quyết định dòng ra tải, còn R2, R4 dùng để giảm dòng rỉ, diode D để bảo

vệ transistor Q2 không bị quá dV/dt Còn với cổng CMOS tác động mức thấp và cả mức cao khi thúc tải thì cũng tương tự

Riêng với cổng TTL tác động mức cao thì có thể không cần transistor cách li cũng được nếu đủ dòng cho tải (do phân cực nghịch tiếp giáp BC) Tuy nhiên phải lưu ý rằng điện áp phân cực nghịch không được vượt quá giới hạn điện áp chịu đựng của mối nối BE (thông thường khoảng 60VDC)

4.2 Giao tiếp với tải AC

Áp xoay chiều ở đây là áp lưới 220V/50Hz hay dùng, với giá trị lớn như vậy nên cần cách li cổng logic với tải, một số linh kiện hay dùng để cách li là thyristor, triac, rờ le, ghép nối quang (opto coupler) Ở đây trình bày cách dùng thyristor và opto coupler Cách dùng rờ le cũng giống như ở phần trước, với hai đầu cuộn dây rờ le ở bên transistor thúc còn chuyển mạch nằm bên tải

Dùng triac:

Transistor dùng đệm đủ dòng cho triac, các điện trở phân cực và mắc thêm để giảm dòng rỉ tính toán giống như trước Triac được dùng cần quan tâm đến dòng thuận tối

đa và điện áp nghịch đỉnh luôn nằm dưới giá trị định mức

Giao tiếp với tải hoạt động ở điện áp xoay chiều 4.3 Giao tiếp sử dụng nối quang

Cách này cách li hoàn toàn giữa mạch áp thấp và áp cao nhờ 1 opto couple như hình

vẽ Cổng logic tác động ở mức thấp làm opto dẫn kéo theo SCR được kích để mở tải

Áp 20VDC nuôi opto được chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều, và ổn áp bởi diode zener Mạch tác động mức cao cũng tương tự