điều khiển từ xa bằng hồng ngoại điều khiển 8 thiết bị điện khác nhau bằng bàn phím

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
Lời cám ơn
Đề tài luận văn của em đã được thực hiện với những
kiến thức học hỏi được từ thầy cô, bạn bè, sách vở… Em
xin chân thành cám ơn các thầy cô đã dạy bảo cho em để
hoàn thành luận văn này. Đặc biệt em xin gởi lời cám ơn
đến cô Nguyễn Như Anh, người thầy đã tâm huyết chỉ dẫn
cho em những kiến thức quý giá cho sự hiểu biết nghề
nghiệp. Cám ơn thư viện trường Đại Học Bách Khoa, Bộ
Môn Điện Tử, cha mẹ, bạn bè… đã động viên và giúp đỡ
em trong suốt thời gian vừa qua.
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 1

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay điều khiển từ xa đã trở thành một kỹ thuật
quen thuộc được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng
như trong đời sống. Tùy theo ứng dụng của nó mà các hệ
thống điều khiển từ xa được thiết kế theo nhiều cách khác
nhau. Ở đề tài này em xin trình bày một hệ thống đơn giản
sử dụng LED hồng ngoại. Luận văn gồm 3 phần :
 Phần 1: GIỚI THIỆU CHUNG
 Phần 2: GIỚI THIỆU CÁC IC ĐƯC SỬ DỤNG
 Phần 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
 Phần 4: HƯỚNG MỞ RỘNG ĐỀ TÀI
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 2

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
PHẦN I
GIỚI THIỆU CHUNG
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 3

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ
ĐIỀU KHIỂN TỪ XA
Điều khiển từ xa ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong các lónh vực
khác nhau trong khoa học và đời sống thực tiễn. Có hai phương pháp cơ bản
được sử dụng nhiều trong lónh vực điện tử của chúng ta hiện nay là điều khiển
dùng sóng vô tuyến tần số radio (RF) và dùng hồng ngoại.
Một hệ thống điều khiển từ xa bao gồm phần phát và phần thu. Phần
phát phát đi sóng điện từ hoặc ánh sáng hồng ngoại đến phần thu. Phần thu
nhận được các tín hiệu này sẽ biến đổi thành tín hiệu điện điều khiển thiết bò.
• Điều khiển từ xa dùng sóng vô tuyến:
Đặc điểm của phương pháp này là phải sử dụng antena cho cả phần phát
và phần thu. Máy phát dùng antena bức xạ sóng điện từ ở một tần số nhất đònh
mang theo tín hiệu điều khiển ra môi trường. Máy thu thu tin tức từ môi trường,
giải điều chế và thực hiện việc điều khiển.
Phương pháp này có các ưu điểm sau:
- Điều khiển được các thiết bò ở khoảng cách xa.
- Các vật cản không gây ảnh hưởng nhiều đến việc điều khiển.
- Tầm phát rộng theo nhiều hướng nên có thể điều khiển cùng lúc các
thiết bò ở những nơi khác nhau.
Bất lợi của việc điều khiển từ xa dùng sóng vô tuyến:
- Mạch phức tạp, khó thực hiện, cần dùng antena.
Chòu ảnh hưởng của nhiễu và phải tránh các tần số phát sóng chuyên
nghiệp.
• Điều khiển từ xa dùng tia hồng ngoại:
Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong đời sống để điều khiển
đèn, quạt, TV… nhờ các ưu điểm sau:
- Nhỏ, gọn, dễ lắp ráp và sử dụng.
- Linh kiện rẻ tiền, thông dụng.

- Độ tin cậy cao.
- Áp cung cấp thấp, công suất nhỏ.
- Một hệ thống điều khiển được nhiều thiết bò khác nhau.
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 4

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
Chương 2: GIỚI THIỆU CHUNG
VỀ ĐỀ TÀI
Đề tài: “Điều khiển từ xa bằng hồng ngoại” này thực hiện để điều khiển
8 thiết bò điện khác nhau bằng bàn phím. Mỗi phím điều khiển một thiết bò
riêng biệt có tác dụng như một công tắc ON/OFF: khi nhấn phím lần thứ nhất
(trạng thái ON), thiết bò mở; khi nhấn phím lần thứ hai (trạng thái OFF), thiết bò
tắt.
Hệ thống gồm 2 phần: phần phát và phần thu.
o Sơ đồ khối hoạt động của phần phát :
o Nguyên lý hoạt động của phần phát:
Khi một phím được nhấn, bộ điều khiển nhận biết thiết bò nào đang được
điều khiển để đưa vào mạch monostable. Mạch monostable sẽ tạo ra xung
vuông có độ rộng ứng với thiết bò được chọn. Xung vuông này được điều chế
lên tần số cao giúp LED hồng ngoại phát tốt hơn.
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 5

Bàn phím
Mạch monostable
tạo xung vuông
làm tín hiệu điều
khiển
Bộ điều khiển
nhận biết thiết bò
nào đang được

điều khiển
Điều chế tín
hiệu điều khiển
lên tần số cao
Khuếch đại và
xuất ra LED
hồng ngoại
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
o Sơ đồ khối hoạt động của phần thu:

. . .

o Nguyên lý hoạt động của bộ thu:
Photodiode nhận được tín hiệu điều khiển đã được điều chế lên tần số
phát, qua bộ giải mã nhận được xung vuông ban đầu. Xung vuông đưa qua bộ
đếm xác đònh độ rộng xung để nhận biết thiết bò nào được điều khiển. Mạch
phân kênh chọn thiết bò. Mạch chốt để nhận biết đang điều khiển công tắc ở
trạng thái ON hay OFF.
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 6

Bộ thu
hồng ngoại
Bộ giải mã giải
điều chế tín hiệu
Bộ đếm để nhận
biết thiết bò nào
được điều khiển
Bộ phân kênh
tới các thiết bò
Mạch điều khiển

nhận biết thiết bò 1
được điều khiển đang
ở trạng thái ON/OFF
Mạch điều khiển
nhận biết thiết bò 2
được điều khiển đang
ở trạng thái ON/OFF
Mạch điều khiển
nhận biết tín hiệu 8
được điều khiển đang
ở trạng thái ON/OFF
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ HỒNG NGOẠI
VÀ CÁC THIẾT BỊ THU – PHÁT
1. Đại cương về tia hồng ngoại:
Sóng hồng ngoại chiếm khoảng rộng nhất trong phổ tần số của sóng
điện từ, có bước sóng trên 700nm mà mắt người không thể nhìn thấy được.
Sóng hồng ngoại có những đặc tính quang học của sóng ánh sáng (sự hội tụ qua
thấu kính, tiêu cự…). nh sáng và sóng hồng ngoại khác nhau rất rõ trong sự
xuyên suốt qua vật chất. Vật liệu bán dẫn “trong suốt” đối với sóng hồng
ngoại, do đó tia hồng ngoại không bò yếu đi khi vượt qua các lớp bán dẫn để đi
ra ngoài.
Hồng ngoại gần được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ thông tin hiện
đại, trong sự tự động hóa công nghiệp. Lượng thông tin được truyền đi với ánh
sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ thường dùng.
Ánh nắng mặt trời bao gồm chủ yếu ánh sáng thấy được, thành phần
hồng ngoại gần như rất ít. Hồng ngoại bò bầu khí quyển hấp thu phần lớn.
2. LED hồng ngoại:
LED hồng ngoại còn được gọi là nguồn phát sóng hồng ngoại (infrared
emitters). Vật liệu chế tạo là GaAs với vùng cấm có độ rộng khoảng 1,43eV

tương ứng với bức xạ khoảng 900nm. LED hồng ngoại có hiệu suất lượng tử
cao hơn so với các loại LED phát ra ánh sáng thấy được. Đời sống của LED
hồng ngoại dài đến 100.000 giờ (hơn 11 năm). LED hồng ngoại không phát
sáng cho nhiều lợi điểm.
Các đặc tính của LED hồng ngoại:
o Bước sóng: 0.8 – 0.95µm, 1.3µm và 1.55µm
o Băng thông: 55nm
o p thuận (I
F
= 100mA):1.3V (≤ 1.5V)
o p đánh thủng (I
R
= 10µA): 30V
o Dòng ngược (V
R
= 5V): 0.01µA
o Switching time (I
F
= 100mA): 1µs
o Công suất phát xạ (I
F
= 100mA): 12 – 16mW
o Hiệu suất: 1 – 5%
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 7

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
Hiện nay trên thò trường phần lớn các LED hồng ngoại phát sóng trong 3
bước sóng: 880nm, 900nm, 940nm. Các LED 900nm tiêu biểu là các linh kiện
arsenide gallium có pha kẽm (GaAs) đại diện cho công nghệ sản xuất LED lâu
đời nhất. Tuy công suất ra tương đối thấp so với các loại khác nhưng thời gian

đáp ứng khá nhanh. Thời gian lên và xuống điển hình 50ns, thường nhỏ hơn
10ns. Loại LED hồng ngoại này ứng dụng cho khoảng cách ngắn hay băng
thông rộng.
Nguyên tắc hoạt đông của LED:
Tiếp xúc bán dẫn, thường được gọi là tiếp xúc p-n có khả năng phát xạ.
Các hạt dẫn tự do (gồm điện tử và lỗ) ở tiếp xúc p – n khuếch tán sang bên kia
và kết hợp lại, làm cho 2 bên của tiếp xúc xuất hiện miền nghèo (depletion
region). Khi tiếp xúc phân cực ngược, điện áp rào chắn tăng lên, miền nghèo
tăng lên và không có dòng điện đi qua tiếp xúc.
Khi phân cực thuận, sự phân cực trái với điện áp rào chắn làm cho miền
nghèo giảm. Khi phân cực vượt quá điện áp rào chắn, các điện tử và lỗ kết hợp
tạo dòng điện chảy qua tiếp xúc. Trong quá trình này, vì các điện tử ở dải dẫn
có mức năng lượng cao hơn các lỗ ở dải hóa trò, một số năng lượng ở dạng bức
xạ được giải phóng.
Bước sóng của sự bức xạ phụ thuộc vào 2 yếu tố sau:
- khe năng lượng hoặc điện áp rào chắn giữa các mức năng lượng p và n
- chế độ tái hợp
Ta có phương trình: λ = 1240/∆E
λ: bước sóng bức xạ(nm)ï
∆E: khe năng lượng(eV)
Các đặc tính điện và quang của LED:
Tương tự với diode tiếp xúc p – n thông thường.
Một hệ số giới hạn quan trọng của LED là tiêu tán công suất cực đại
(P
ïmax
), sự phụ thuộc của nó vào môi trường xung quanh và dòng điện đỉnh cực
đại cho phép (I
MP
). Với hoạt động ở chế độ xung, quan hệ giữa các tham số này
được cho trong các phương trình sau:

 Chu kỳ làm việc (duty cycle): d
c
= t
on
/T
 Dòng điện trung bình trong chuỗi xung: i
avg
= i
p
d
c
 Tiêu tán công suất ở chế độ xác lập: P
D
= i
D
V
D
- i
D
: dòng điện LED
- V
D
: điện áp LED
 Tiêu tán công suất trung bình: P
avg
= i
avg
[V
D0
+ R

D
(i
p
-i
D0
)]
- V
D0
: điện áp ở điểm chuẩn
- i
DO
: dòng điện ở điểm chuẩn
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 8

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
- R
D
: điện trở động của LED
 Điện trở động của LED: R
D
= ∆V
D
/∆i
D
 ∆V
D
, ∆i
D
: gia số điện áp, dòng điện ở điểm chuẩn

Dòng điện
i
p
i
avg
0 thời gian
t
on
t
OFF

T
Cường độ là tham số quan trọng nhất của LED. Cường độ là hàm phi
tuyến của dòng điện LED, cường độ tương đối (I
PR
) tăng khi dòng điện tăng. Sự
phi tuyến có thể được biểu diễn bằng đònh nghóa hiệu suất tương đối (relative
efficiency): η
PR
= I
PR
/I
PR0
Khi làm việc ở chế độ xung, cường độ trung bình có thể tính bằng
phương trình sau: I
Pravg
= I
PR0
(i
p

d
c
η
PR
/i
0
η
PR0
)
Ưu điểm lớn của LED là có thời gian đáp ứng nhanh.
Mạch lái LED:
LED hồng ngoại cần điện áp nằm trong khoảng 1.3 – 1.5V. Như đã thấy
trong đặc tính của LED, dòng điện rất nhạy với các thay đổi điện áp, từ đó ảnh
hưởng đến ánh sáng phát ra ở LED. Có thể dùng điện trở nối tiếp để giới hạn
dòng điện qua dụng cụ.
Hình (a), (b), (c) là 3 mạch lái đơn giản bao gồm: lái một LED, lái nhiều
LED nối tiếp và lái nhiều LED song song.
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 9

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh

VCC
R

VCC
RnR2R1
(a) (b) (c)

Để ổn đònh thông lượng ánh sáng bức xạ cần sử dụng nguồn dòng hằng
để ổn đònh dòng thuận i

F
qua LED.
Các mạch lái LED bằng nguồn dòng hằng:
VCC
VCC
VCC
R1
R R
Re
1 2
Re
12 12
Re

Một phương pháp lái thường sử dụng để lái LED hồng ngoại là lái bằng
xung. Mạch lái bằng xung có các đặc điểm sau:
- quang thông bức xạ lớn
- ít chòu ảnh hưởng của ánh sáng nhiễu
- truyền thông tin
Sau đây là hai mạch lái bằng xung điển hình dùng IC 555 và dùng mạch
dao động đa hài astable.
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 10

VCC
R
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
VCC
R1
C2
R3

R2
C1
LM555
2
5
3
7
6
4
T R
CV
Q
DIS
THR
R
VCC
C1 C2
3. Photodiode:
Với hiệu ứng quang điện, ta có sự phát sinh một điện áp ở lớp chuyển tiếp
p – n khi lớp chuyển tiếp này được chiếu sáng. Tùy theo chức năng và cấu trúc
có thể phân photodiode làm nhiều loại: diode quang p – n, diode quang PIN,
diode quang loại Schockley, diode quang với hiệu ứng thác. Photodiode được
dùng với mạch khuếch đại có tổng trở cao.
Photodiode có các đặc tính:
- rất tuyến tính
- ít nhiễu
- dải tần số rộng
- nhẹ và có sức bền cơ học cao
- có đời sống dài
Photodiode hồng ngoại có độ nhạy cao nhất ở vùng bước sóng 1000nm.

Photodiode tiếp xúc là tiếp xúc bán dẫn loại n và p tương tự với tiếp xúc
được dùng trong LED. Tuy nhiên chức năng của tiếp xúc photodiode ngược lại
với tiếp xúc LED. Trong photodiode các photon bò hấp thu tạo ra các hạt dẫn tự
do, gây ra dòng điện đi qua tiếp xúc.
Mạch tương đương của tiếp xúc:
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 11

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
12
Rs h
Rs
RL
Cd
RL
Tiếp xúc có thể được xem như là một diode lý tưởng với điện trở của
miền nghèo được biểu diễn bằng R
SH
và điện dung tiếp xúc là C
D
được nối song
song với diode. Điện trở khối của bán dẫn n, p của tiếp xúc được biểu diễn bằng
điện trở nối tiếp R
S
. Dòng điện có trong tiếp xúc do bức xạ được biểu diễn bằng
nguồn dòng hằng i
λ
song song với diode.
Đường cong đặc tuyến có 4 góc phần tư. Trong phần tư thứ 1 diode phân
cực thuận và hoạt động tương tự diode thông thường. Đây không phải là ứng
dụng của photodiode. Trong góc phần tư thứ 2, diode không có đáp ứng. Góc

phần tư thứ 3 chỉ đặc tuyến diode ở chế độ phân cực ngược. Đây là chế độ
thường dùng để phát hiện bức xạ. Góc phần tư thứ tư là chế độ tế bào mặt trời
còn gọi là pin điện mặt trời. Ở chế độ này diode dùng để cung cấp năng lượng
cho tải.
Áp dụng đònh luật Kirchoff cho mạch tương đương diode:
i
λ
= i
SH
+i
D
+i
L
- i
λ
: dòng quang ở bước sóng λ
- i
SH
: dòng qua điện trở mắc rẽ nhánh
- i
D
: dòng qua diode lý tưởng
- i
L
: dòng qua tải
Đặc tính làm việc của photodiode trong điều kiện tối và điều kiện bức xạ
được biểu diễn bởi các đường cong như sau:

i
D

dòng tối
V
D
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 12

12
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
Dòng sáng
Trong điều kiện tối (không có bức xạ), dòng điện qua diode:
i
DD
= i
0
[exp(eV
D
/kT)-1]
- i
DD
= dòng diode không có bức xạ
- i
0
= dòng tối diode
- V
D
= điện áp diode
- e = điện tích điện tử
- k = hằng số Bolzmann
- T = nhiệt độ tuyệt đối
Khi được chiếu sáng, dòng quang i
λ

được tạo ra có giá trò:
i
λ
=ηIAeλ/hc
- i
λ

= dòng quang ở bước sóng λ
- η = hiệu suất lượng tử
- I = độ chiếu sáng
- A= diện tích diode
- h = hằng số Planck
- c = tốc độ ánh sáng
Các photodiode tín hiệu (signal photodiode) được thiết kế để làm việc như
các dụng cụ truyền thông và đo lường chính xác nhờ dải tuyến tính rộng, đáp
ứng nhanh và độ ổn đònh nhiệt cao. Phần lớn chúng được dùng trong góc phần tư
thứ III với phân cực ngược cho hoạt động tuyến tính. Với đáp ứng loga chúng
làm việc ở góc phần tư thứ tư ở chế độ hở mạch.
Phân cực ngược có thể có bất cứ giá trò nào thấp hơn điện áp đánh thủng
cực đại V
Rmax
cho trong sổ tay. Tăng điện áp phân cực ngược làm tăng dòng điện
tối và dải làm việc tuyến tính, giảm thời gian đáp ứng và điện dung tiếp xúc.
Photodiode thường được sử dụng cùng với một op amp.
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 13

3 4
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
VR
VR

+
-
+
-
RL
RF
R1
RF
RF
CF
+ +
-
-
E0
E0
(a) (b)
Hình (a) là mạch khuếch đại áp không đảo có áp ra là:
E
0
= i
L
R
L
(R
F
+ R
1
)/R
1
Hình (b) là mạch khuếch đại áp đảo:

E
0
= -i
L
R
L
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 14

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
PHẦN II
GIỚI THIỆU CÁC IC
ĐƯC SỬ DỤNG
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỌ VI
MẠCH LOGIC
Các họ logic khác nhau ở thành phần chính. TTL và ECL sử dụng
transistor lưỡng cực như là cơ sở chính. PMOS, NMOS và CMOS dùng transistor
MOSFET đơn cực như là yếu tố cơ bản.
Các thuật ngữ vi mạch số:
Các thông số áp và dòng
V
IH
(min) – áp vào mức cao (High-Level Input Voltage)
V
IL
(max) – áp vào mức thấp (Low-Level Input Voltage)
V
OH
(min) – áp ra mức cao (High-Level Output Voltage)
V
OL

(max) – áp ra mức thấp (Low-Level Output Voltage)
I
IH
– dòng vào mức cao
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 15

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
I
IL
– dòng vào mức thấp
I
OH
– dòng ra mức cao
I
OL
– dòng ra mức thấp
Kéo tải ( Fan-out )
Được đònh nghóa là số ngõ vào chuẩn lớn nhất mà một ngõ ra có thể lái tin
cậy.
Thời gian trễ ( propagation delays)
t
PLH
: thời gian trễ khi đi từ mức thấp lên mức cao
t
PHL
: thời gian trễ khi đi từ nức cao xuống mức thấp
Yêu cầu về công suất ( power requirement )
Thường có một ngõ vào để cấp nguồn cho vi mạch ký hiệu là V
CC
(TTL)

và V
DD
(CMOS).
1. HỌ LOGIC TTL
Vi mạch TTL thường gặp là 54/74 series được sử dụng rộng rãi. Khác biệt
duy nhất giữa 54 series và 74 series là 54 series có tầm nhiệt độ cho phép và
tầm áp cung cấp rộng hơn. Chữ viết tắt đầu trong ký hiệu vi mạch là tên nhà sản
xuất. Ví dụ như Texas Instruments sử dụng chữ đầu tiên là SN, National
Semiconductor dùng chữ DM, Signetics dùng chữ S.
Các series TTL khác:
Low-Power TTL, 74L Series
High-Speed TTL, 74H Series
Schottky TTL, 74S Series
Low-Power Schottky TTL, 74LS Series
Advanced Schottky TTL, 74AS Series
Advanced Low-Power Schottky TTL, 74ALS Series
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 16

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
 Các đặc tính kỹ thuật của họ TTL:
Tầm nhiệt độ và áp cung cấp:
Cả 54/74 series đều sử dụng áp nguồn cung cấp 5V.
54 series: V
CC
= 4.5 – 5.5V
t= -25 – 55°C
74 series: V
CC
= 4.75 – 5.25V
t= 0 – 70°C

Mức điện áp:
Minimum Typical Maximum
V
OL
0.1 0.4
V
OH
2.4 3.4
V
IL
0.8
V
IH
2.0
Thời gian trễ:
Cổng NAND TTL chuẩn có thời gian trễ t
PLH
= 11ns, t
PHL
= 7ns. Thời gian
trễ trung bình là 9ns.
Kéo tải:
Một ngõ ra TTL chuẩn có thể lái 10 ngõ vào TTL chuẩn.
Bảng so sánh các series TTL
74 74L 74H 74S 74LS 74AS 74ALS
Thời gian trễ (ns)
9 33 6 3 9.5 1.7 4
Công suất hao mất
(mW)
10 1 23 20 2 8 1.2

Tích tốc độ-công
suất (pJ)
90 33 138 60 19 13.6 4.8
Tốc độ clock max
(MHz)
35 3 50 125 45 200 70
Fan-out (cùng
series)
10 20 10 20 20 40 20
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 17

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
V
OH
(min)
2.4 2.4 2.4 2.7 2.7 2.5 2.5
V
OL
(max)
0.4 0.4 0.4 0.5 0.5 0.5 0.4
V
IH
(min)
2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0
V
IL
(max)
0.8 0.7 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8
Các đặc tính khác:
Ngõ vào không kết nối (unconnected inputs):

Trong bất kỳ IC TTL nào, mọi ngõ vào ở mức logic 1 nếu nó không nối
với nguồn hoặc đất. Khi một ngõ vào không kết nối, ta nói nó bò thả nổi
(floating).
Ngõ vào không sử dụng (unused inputs):
Có 3 cách áp dụng cho các ngõ vào không sử dụng.
Ở hình (a), ngõ vào không sử dụng không kết nối nên hoạt động như logic
1. Ngõ ra cổng NAND cho kết quả như mong muốn là: x= /(A.B.1)= /(A.B)
Mặc dù kết quả đúng nhưng không được sử dụng vì lúc này chân thả nổi hoạt
động như một antenna dễ dàng nhận các tín hiệu tạp âm gây sai.
Kỹ thuật tốt hơn cho ở hình (b). Ở đây chân không sử dụng nối đến nguồn
+5V qua trở 1KΩ, do đó có mức logic 1. Trở 1KΩ là cách bảo vệ dòng đơn giản
trong trường hợp có gai áp nguồn cung cấp.
Hình (c) cho thấy ngõ vào không sử dụng nối chung với một ngõ vào
được sử dụng. Điều này giúp ngõ vào B dễ dàng lái mạch. Kỹ thuật này có thể
sử dụng cho bất kỳ loại cổng nào.
Với cổng OR và NOR, các ngõ vào không sử dụng nên nối đất hoặc nối
chung với một ngõ vào được sử dụng như trong hình (b).

+5v

1K

A

A

A

B

B

B

(a)

(b)

(c)

Các ngõ vào nối chung:
Khi hai hoặc nhiều ngõ vào kết nối thành một ngõ vào chung như trong
hình (c), ngõ vào chung có hệ số tải là tổng các hệ số tải của các ngõ vào khác
nhau. Ngoại trừ cổng NAND và AND, ngõ vào chung ở mức thấp giống như một
ngõ vào đơn.
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 18

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
 Ngõ ra totem-pole
Trong nhiều trường hợp do hiệu ứng thác (Avalanche-Effect), điện trở nối
tiếp ở ngõ vào rất bé và dòng thác dâng cao nhanh chóng với điện áp vào. Để
tránh IC hư hỏng, phải giữ dòng điện của tín hiệu bé hơn 5mA và điện áp vào bé
hơn 5.5V. Thông thường cổng ra loại TTL hay CMOS có trạng thái cao hay thấp
được giữ bởi một transistor lưỡng cực hay MOSFET. Với họ TTL người ta gọi đó
là ngõ ra totem-pole có tổng trở thấp cho cả hai mức logic cao và thấp, thời gian
đóng mở nhanh và chống nhiễu tốt.
Tuy nhiên ngõ ra totem-pole không thể kết nối theo kiểu wired-AND đơn
giản và khó sử dụng trong hệ thống bus của máy tính. Để giúp những ứng dụng
này, chúng ta có ngõ ra cực thu hở và ngõ ra ba trạng thái.
 Ngõ ra cực thu hở (TTL open-collector outputs)

Xét 2 mạch tương đương như hình vẽ. Mạch thứ nhất có 2 cổng NAND 4
và 5 mang ý nghóa hàm chức năng AND. Do đó ngõ ra cuối cùng x= /(AB)./
(CD)./(EF). Mạch thứ 2 đơn giản hơn sử dụng các cổng cực thu hở cũng cho kết
quả tương tự. Ta nói ngõ ra nối chung hoạt động như một cổng AND (wired-
AND): điểm nối chung sẽ xuống mức thấp khi một trong các ngõ ra nối chung
xuống mức thấp, và sẽ ở mức cao khi tất cả các ngõ ra nối chung ở mức cao.
Cần lưu ý trở R
p
(khoảng vài trăm đến vài nghìn ohm) kéo lên nguồn cần
thiết khi ngõ ra ở mức cao. Với điện trở có trò số bé ta có vận tốc làm việc
nhanh, tính miễn nhiễu tốt nhưng công suất tiêu tán tăng. Vi mạch với ngõ ra cực
thu hở làm việc chậm và bò nhiễu nhiều hơn. Tuy nhiên có 3 trường hợp cần
chọn IC cực thu hở: tải bên ngoài, wired-AND (hay wired-OR) và bus ngoại vi.
AND
1
2
3
4 5
x
/(AB)
/(CD)
/(EF)
A
B
C
D
E
F
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 19

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
+ 5V
Rp
1
2
3
x
/(AB)
/(CD)
/(EF)
A
B
C
D
E
F
Lái và đệm cực thu hở (Open-Collector Buffer/Drivers):
Bất kỳ mạch logic nào được gọi là Buffer/Driver, Buffer hay Driver đều
được thiết kế có áp và dòng ngõ ra lớn hơn rất nhiều so với các mạch logic thông
thường. Các vi mạch Buffer/Driver có thể dùng với ngõ ra totempole và ngõ ra
cực thu hở.
 TTL ba trạng thái (tristate TTL)
Gọi là TTL ba trạng thái vì vi mạch cho phép ngõ ra có thể có ba trạng
thái là: HIGH, LOW và Hi-Z (trạng thái tổng trở cao). Trạng thái tổng trở cao là
trạng thái ngõ ra có một trở kháng cao. Trên thực tế ngõ ra không hở mạch mà
có một điện trở khoảng vài megohm hoặc hơn.
Trạng thái cho phép (The Enabled State):
Với ngõ vào cho phép E= 1, vi mạch hoạt động bình thường như các IC
khác.
Trạng thái tổng trở cao (Hi-Z):

Khi E= 0, ngõ ra ở trạng thái tổng trở cao bất chấp trạng thái của ngõ vào
logic.
Như vậy có thể nối nhiều ngõ ra loại này với data bus.
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 20

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
2. HỌ LOGIC CMOS:
Họ logic CMOS (Complementary MOS) sử dụng cả MOSFET kênh n và
MOSFET kênh p trong cùng một vi mạch nên nhanh hơn và tiêu thụ ít công suất
hơn các họ MOS khác. Công nghệ chế tạo CMOS đơn giản hơn TTL do đó được
sử dụng rộng rãi hơn và giá thành thấp hơn. CMOS chỉ sử dụng một phần nhỏ
công suất cần cho series TTL công suất thấp và do đó thích hợp cho ứng dụng sử
dụng pin. Nói chung CMOS chậm hơn TTL mặc dù các series CMOS tốc độ cao
mới có thể so sánh với 74 và 74LS series.
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 21

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
CMOS có một số đặc tính quan trọng như: công suất tiêu tán bé, tầm điện
áp làm việc rộng, chống nhiễu tốt…
Các series CMOS:
4000 Series
74C Series: Series này có thể thay thế cho TTL cùng loại vì có sơ đồ chân
và chức năng tương đương.
74HC Series (High-Speed CMOS): là version cải tiến của 74C Series, tốc
độ có thể so sánh với 74LS TTL Series.
74HCT Series: Cũng là High-Speed CMOS, điểm khác biệt chính là chúng
có thể được lái bởi ngõ ra TTL.
Các đặc tính của CMOS:
Công suất – áp nguồn:
4000, 74C Series: V

DD
= 3 – 15V
74HC, 74HCT Series: V
DD
= 2 – 6V
Mức điện áp:
V
OH
(min)= V
DD
V
OL
(max)= 0
V
IL
(max)= 30%V
DD
V
IH
(min)= 70%V
DD
Khoảng nhiệt độ làm việc:
Thương mại: -40°C - 85°C
Công suất tiêu tán:
Khi V
DD
= 5V, công suất tiêu tán là 2.5nW mỗi cổng.
P
D
tăng tỉ lệ với tần số.

Công suất tiêu tán cao hơn loại LS TTL trong khoảng 100KHz đến 2MHz.
Trên thực tế công suất tiêu tán trên IC CMOS không cao đáng kể so với các loại
khác do: các cổng CMOS chỉ dẫn điện khi nó làm việc và ở tần số cao không phải cổng
cũng làm việc.
Fan-out:
Ngõ vào CMOS có trở kháng vào rất lớn (10
12
Ω) nên hạn chế dòng từ
nguồn. Tuy nhiên ngõ vào lại có tải điện dung 5pF làm hạn chế số cổng CMOS
mà một ngõ ra CMOS có thể tải. Ngõ ra CMOS cần thời gian nạp và xả dung
kháng ngõ vào mắc song song. Do đó khả năng fan-out phụ thuộc vào thời gian
trễ cho phép lớn nhất. Ngõ ra CMOS điển hình có thể tải 50 ngõ vào ở tần số
thấp (≤ 1MHz). Ở tần số cao hơn thì khả năng tải thấp hơn.
Các ngõ vào không sử dụng:
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 22

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
Các ngõ vào CMOS không sử dụng không bao giờ để hở mạch mà cần
được nối với một mức điện áp cố đònh (0V hoặc V
DD
) hoặc nối với một ngõ vào
khác.
Bảng so sánh CMOS và TTL
74HC 4000B 74 74S 74LS 74AS 74ALS
Công suất tiêu
tán mỗi cổng
(mW)
Trạng thái tónh
Tại 100KHz
2,5.10

-6
0,17
0,001
0,1
10
10
20
20
2
2
8
8
1,2
1,2
Thời gian trễ
(ns)
8 50 9 3 9,5 1,7 4
Tốc độ.công
suất (tại
100KHz) (pJ)
1,4 5 90 60 19 13,6 4,8
Tốc độ clock
max (MHz)
40 12 35 12.5 45 200 70
Mức nhiễu max
(V)
0.9 1,5 0,4 0,3 0,3 0,3 0,4
3. GIAO TIẾP GIỮA Ï TTL VÀ CMOS:
Bảng giá trò giới hạn cho giao tiếp CMOS/TTL với áp cung cấp là 5V
CMOS TTL

Thông số 4000
B
74HC 74HCT 74 74LS 74AS 74AL
S
V
IH
(min) (V) 3.5 3.5 2 2 2 2 2
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 23

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
V
IL
(max)(V) 1.5 1 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8
V
OH
(min)(V) 4.95* 4.9* 4.9* 2.4 2.7 2.7 2.7
V
OL
(max)(V) 0.05* 0.1 * 0.1 * 0.4 0.5 0.5 0.4
I
IH
(max)(µA) 1 1 1 40 20 200 20
I
IL
(max) (µA) 1 1 1 1.6m 0.4m 2m 100
I
OH
(max)(mA) 0.4 4 4 0.4 0.4 2 400µ
I
OL

(max)(mA) 0.4 4 4 16 8 20 8
*CMOS lái chỉ một ngõ vào CMOS
a. TTL lái CMOS
Bảng trên cho thấy giá trò dòng vào của CMOS rất thấp so với dòng ra
của các TTL khác. Do đó TTL có thể tải vô số cổng CMOS mà không làm mất
fan-out ở mức thấp.
Tuy nhiên khi so sánh áp ngõ ra TTL với đòi hỏi áp vào của CMOS chúng
ta thấy rằng áp ra mức cao (min) của mọi TTL thì quá thấp so với yêu cầu áp
vào mức cao (min) của 4000B và 74HC.
Cách giải quyết thông dụng nhất là nối ngõ ra TTL với nguồn 5V qua một
điện trở kéo lên. Với điện trở này ngõ ra TTL xấp xỉ 5V ở mức cao đủ cho ngõ
vào CMOS. Nếu TTL chỉ lái một CMOS, giá trò thông thường của điện trở kéo
lên là 1 – 10KΩ.
TTL lái 74HCT:
74HCT được thiết kế để giao tiếp thẳng với TTL.
TTL lái CMOS điện áp cao:
Khi CMOS hoạt động với V
DD
lớn hơn 5V, ngõ ra của nhiều vi mạch TTL
có thể sử dụng một điện trở kéo lên nguồn 10V. Trong trường hợp không thể
kéo lên áp V
DD
, người ta thường dùng IC đệm cực thu hở 7407 để giao tiếp giữa
ngõ ra totem-pole TTL với CMOS có V
DD
> 5V.
Một cách khác là sử dụng IC chuyển mức (level-translator) như IC 40104.
b. CMOS lái TTL
Xét đặc tính ngõ ra CMOS ở mức thấp và mức cao có mạch tương đương
như hình vẽ.

SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 24

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
VDD VDD
Ro n
Ro n
+ +
-
-
VOH
VOL
HIGH LOW
Ở mức cao điện trở R
ON
của MOSFET loại p nối ngõ ra với nguồn V
DD
. Do
đó ngõ ra CMOS ở mức cao giống như nguồn V
DD
với trở kháng nguồn R
ON
. Ở
mức thấp, điện trở R
ON
của MOSFET loại n nối ngõ ra với đất. Giá trò R
ON
khoảng 100 đến 1000 ohm.
CMOS mức cao lái TTL
Ở mức cao CMOS cung cấp đủ áp và dòng yêu cầu cho TTL.
CMOS mức thấp lái TTL

74HC và 74HCT đáp ứng yêu cầu về dòng của TTL. Các series CMOS khác
cần mạch giao tiếp. Có thể dùng vi mạch đệm không đảo 4050B hoặc vi mạch đệm 3
trạng thái 74LS125.
CMOS điện áp cao lái TTL
Một số IC 74LS TTL có thể chòu được áp vào lên đến 15V. Những IC này
có thể được lái trực tiếp bởi CMOS hoạt động với nguồn 15V. Tuy nhiên hầu hết
các vi mạch TTL không chòu được áp vào quá 7V, do đó khi giao tiếp cần bộ
chuyển mức điện áp (voltage-level translator) để chuyển xuống điện áp 5V
tương thích với TTL.
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 25