Bài giảng kỹ thuật số ứng dụng - Chương 2 ppt

Chng 2. Các phn t logic c bn - Cng logic Trang 23
Chng 2
CÁC PHN T LOGIC C BN
2.1. KHÁI NIM V MCH S
2.1.1. Mch tng t
ch tng t (còn gi là mch Analog) là mch dùng  x lý các tín hiu tng t. Tín hiu
ng t là tín hiu có biên  bin thiên liên tc theo thi gian.
Vic x lý bao gm các vn : Chnh lu, khuch i, u ch, tách sóng…
Nhc m ca mch tng t:
- Kh nng chng nhiu thp (nhiu d xâm nhp).
- Vic phân tích thit k mch phc tp.
 khc phc nhng nhc m này ngi ta s dng mch s.
2.1.2. Mch s
ch s (còn gi là mch Digital) là mch dùng  x lý tín hiu s. Tín hiu s là tín hiu có
biên  bin thiên không liên tc theo thi gian hay còn gi là tín hiu gián n, c biu din
i dng sóng xung vi 2 mc n th cao và thp mà tng ng vi hai mc n th này là hai
c logic 1 và 0 ca mch s.
Vic x lý trong mch s bao gm các vn  nh:
- Lc s.
- u ch s / Gii u ch s.
- Mã hóa / Gii mã …
u m ca mch s so vi mch tng t :
-  chng nhiu cao (nhiu khó xâm nhp).
- Phân tích thit k mch s tng i n gin.
Vì vy, hin nay mch sc s dng khá ph bin trong tt c các lnh vc nh: o lng s,
truyn hình s, u khin s. . .
2.1.3. H logic dng/âm
Trng thái logic ca mch s có th biu din bng mch n n gin nh trên hình 2.1:
Hot ng ca mch n này nh sau:
- K M : èn Tt
- K óng : èn Sáng

Trng thái óng/M ca khóa K hoc trng thái Sáng/Tt ca
èn  cng c c trng cho hai trng thái logic ca mch s.

K
v
i
Hình 2.1
Khoa TVT – HBKN – Tháng 08.2006 Trang 24
ng có th thay khóa K bng khóa n t dùng BJT nh sau (hình 2.2):
Gii thích các s mch:
Hình 2.2a
:
- Khi V
i
= 0 : BJT tt
→
V
0
= +Vcc
- Khi V
i
= Vcc : BJT dn bão hòa → V
0
= V
ces
= 0,2 (V) ≈ 0 (V).
Hình 2.2b
:
- Khi V
i

= 0 : BJT tt
→
V
0
= -Vcc
- Khi V
i
= -Vcc : BJT dn bão hòa → V
0
= V
ces
= -V
ecs
= - 0,2 (V) ≈ 0 (V).
y, trong c 2 s  mc n th vào/ra ca khoá n t dùng BJT cng tng ng vi 2
trng thái logic ca mch s.
Ngi ta phân bit ra hai h logic tùy thuc vào mc n áp:
- Nu chn : V
logic 1
> V
logic 0
→  logic dng
- Nu chn : V
logic 1
< V
logic 0
→  logic âm
Logic dng và logic âm là nhng h logic t, ngoài ra còn có h logic m (Fuzzy Logic) hin
ang c ng dng khá ph bin trong các thit bn t và các h thng u khin tng.
2.2. CNG LOGIC (LOGIC GATE)

2.2.1. Khái nim
ng logic là mt trong các thành phn c bn  xây dng mch s. Cng logic c ch to
trên c s các linh kin bán dn nh Diode, BJT, FET  hot ng theo bng trng thái cho trc.
Có ba cách phân loi cng logic:
- Phân loi cng theo chc nng: BUFFER, NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR
- Phân loi cng theo phng pháp ch to: Diode, BJT, MOSFET
- Phân loi cng theo ngõ ra: Totem-pole, Open-Collector, Tri-states
2.2.2. Phân loi cng logic theo chc nng
1. Cng M (BUFFER)
a)
RB
Rc
Q
+Vcc
V
i
V
0
b)
Rc
Q
R
B
-
Vcc
V
i
V
0
Hình 2.2. Biu din trng thái logic ca mch s bng khóa n t dùng BJT

Chng 2. Các phn t logic c bn - Cng logic Trang 25
ng m (BUFFER) hay còn gi là cng không o là cng có mt ngõ vào và mt ngõ ra vi
ký hiu và bng trng thái hot ng nh hình v.
Phng trình logic mô t hot ng ca cng m: y = x
Trong ó:
- x là ngõ vào có tr kháng vào Zv vô cùng ln → do ó dòng vào ca cng m rt nh.
- y là ngõ ra có tr kháng ra Zra nh → cng m có kh nng cung cp dòng ngõ ra ln.
Chính vì vy ngi ta s dng cng m theo 2 ý ngha sau:
- Dùng  phi hp tr kháng.
- Dùng  cách ly và nâng dòng cho ti.
 phng din mch n có th xem cng m (cng không o) ging nh mch khuych i C
chung (ng pha).
2.Cng O (NOT)
ng O (còn gi là cng NOT) là cng logic có 1 ngõ vào và 1 ngõ ra, vi ký hiu và bng
trng thái hot ng nh hình v:
Phng trình logic mô t hot ng ca cng O: y =
x
ng o gi chc nng nh mt cng m, nhng ngi ta gi là m o vì tín hiu ngõ ra
ngc mc logic (ngc pha) vi tín hiu ngõ vào.
Trong thc t ta có th ghép hai cng O ni tng vi nhau  thc hin chc nng ca cng
M (cng không o):
 phng din mch n, cng O ging nh tng khuych i E chung.
ng trng thái
x
y
0
0
1 1
x
y

Hình 2.3. Ký hiu và bng trng thái ca cng m
ng trng thái:
x
y
0
1
1 0
x
y
Hình 2.4. Ký hiu và bng trng thái hot ng ca cng o
x
x
x
xx =
Hình 2.5. S dng 2 cng O to ra cng M
Khoa TVT – HBKN – Tháng 08.2006 Trang 26
3. Cng VÀ (AND)
ng AND là cng logic thc hin chc nng ca phép toán nhân logic các tín hiu vào. Cng
AND 2 ngõ vào có 2 ngõ vào 1 ngõ ra ký hiu nh hình v:
Phng trình logic mô t hot ng ca cng AND:
y = x
1
.x
2
ng trng thái hot ng ca cng AND 2 ngõ vào:
x
1
x
2
y

0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
 bng trng thái này có nhn xét: Ngõ ra y ch bng 1 (mc logic 1) khi c 2 ngõ vào u bng
1, ngõ ra y bng 0 (mc logic 0) khi có mt ngõ vào bt k (x
1
hoc x
2
) bng 0.
Xét trng hp tng quát cho cng AND có n ngõ vào x
1
, x
2
x
n
:
y
AND
=



==∀
=∃
)n1,(i1x1
0x0
i
i
y, c m ca cng AND là: ngõ ra y ch bng 1

khi tt c các ngõ vào u bng 1, ngõ ra y bng 0 khi
có ít nht mt ngõ vào bng 0.
 dng cng AND óng m tín hiu:
Cho cng AND có hai ngõ vào x
1
và x
2
. Ta chn:
- x
1
óng vai trò ngõ vào u khin (control).
- x
2
óng vai trò ngõ vào d liu (data).
Xét các trng hp c th sau ây:
- Khi x
1
= 0: y = 0 bt chp trng thái ca x
2
, ta nói ng AND khóa li không cho d liu a
vào ngõ vào x
2
qua cng AND n ngõ ra.
- Khi x
1
= 1
2
xy
1y1
2

x
0y0
2
x
=⇒
=⇒=
=
⇒
=





Ta nói ng AND m cho d liu a vào ngõ vào x
2
qua cng AND n ngõ ra.
y, có th s dng mt ngõ vào bt k ca cng AND óng vai trò tín hiu u khin cho phép
hoc không cho phép lung d liu i qua cng AND.
 dng cng AND  to ra cng logic khác
:
u s dng 2 t hp u và cui trong bng giá tr ca cng AND và ni cng AND theo s
nh hình 3.8 thì có th s dng cng AND  to ra cng m.
Trong thc t, có th tn dng ht các cng cha dùng trong IC  thc hin chc nng ca các
ng logic khác.
x
1
y
x
2

Hình 2.6. Cng AND
x
1
y
x
n
Hình 2.7. Cng AND vi n ngõ vào
Chng 2. Các phn t logic c bn - Cng logic Trang 27
4. Cng HOC (OR)
ng OR là cng thc hin chc nng ca phép toán cng logic các tín hiu vào. Trên hình v là
ký hiu ca cng OR 2 ngõ vào:
Phng trình logic cng OR 2 ngõ vào: y = x
1
+ x
2
ng trng thái mô t hot ng:
x
1
x
2
y = x
1
+x
2
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
Xét trng hp tng quát i vi cng OR có n ngõ vào.
Phng trình logic:

y
OR
=



==∀
=∃
)n1,(i0x0
1x1
i
i
c m ca cng OR là: Tín hiu ngõ ra ch bng 0 khi và ch khi tt c các ngõ vào u
ng 0, ngc li tín hiu ngõ ra bng 1 khi ch cn có ít nht mt ngõ vào bng 1.
 dng cng OR óng m tín hiu
:
Xét cng OR có 2 ngõ vào x
1
, x
2
. Nu chn x
1
là ngõ vào u khin (control), x
2
ngõ vào d liu
(data), ta có các trng hp c th sau ây:
- x
1
= 1: y = 1, y luôn bng 1 bt chp x
2

→ Ta nói ng OR khóa không cho d liu i qua.
x
1
x
2
y
+x = 0  x
1
= x
2
= 0  y = 0
+x = 1  x
1
= x
2
= 1  y = 1  y = x
Hình 2.8. S dng cng AND to ra cng m.
Ký hiu Châu Âu
Ký hiu theo M, Nht, Úc
x
1
x
2
y
x
1
x
2
y
Hình 2.9a Cng OR 2 ngõ vào

x
1
x
n
y
Hình 2.9b Cng OR n ngõ vào
Khoa TVT – HBKN – Tháng 08.2006 Trang 28
- x
1
= 0:
2
xy
1y1
2
x
0y0
2
x
=⇒
=⇒=
=
⇒
=





→ Ta nói ng OR m cho d liu t ngõ vào x
2

qua
ng n ngõ ra y.
 dng cng OR  thc hin chc nng cng logic khác
:  dng hai t hp giá tru và
cui ca bng trng thái ca cng OR và ni mch cng OR nh s:
- x = 0, x
1
= x
2
= 0
⇒
y = 0
- x = 1, x
1
= x
2
= 1 ⇒ y = 1 ⇒ y = x: cng OR óng vai trò nh cng m.
5. Cng NAND
ây là cng thc hin phép toán nhân o, v s logic cng NAND gm 1 cng AND mc
i tng vi 1 cng NOT, ký hiu và bng trng thái cng NAND c cho nh trên hình:
Phng trình logic mô t hot ng ca cng NAND 2 ngõ vào:
21
.xxy =
Xét trng hp tng quát: Cng NAND có n ngõ vào.
y
NAND
=




==∀
=∃
)n1,(i1x0
0x1
i
i
y, c m ca cng NAND là: tín hiu ngõ ra ch bng 0 khi tt c các ngõ vào u bng
1, và tín hiu ngõ ra s bng 1 khi ch cn ít nht mt ngõ vào bng 0.
 dng cng NAND óng m tín hiu
:
Xét cng NAND có hai ngõ vào. Chn x
1
là ngõ vào u khin (control), x
2
là ngõ vào d liu
(data), ln lt xét các trng hp sau:
- x
1
= 0: y = 1 (y luôn bng 1 bt chp giá tr ca x
2
) ta nói ng NAND khóa.
- x
1
= 1:
2
xy
0y1
2
x
1y0

2
x
=⇒
=⇒=
=
⇒
=





→ ng NAND m cho d liu vào ngõ vào x
2
n
ngõ ra ng thi o mc tín hiu ngõ vào x
2
, lúc này cng NAND óng vai trò là cng O.
x
1
x
2
y
x
Hình 2.10. S dng cng OR làm cng m
Hình 2.11. Cng NAND: Ký hiu, s logic tng ng và bng trng thái
x
1
x
2

y
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
x
1
y
x
2
x
1
x
2
y
x
1
y
x
n
Hình 2.12.Cng NAND n ngõ vào
Chng 2. Các phn t logic c bn - Cng logic Trang 29
x
1
x
2
y
1
x
2

x
y =
212121
. xxxxxx +=+=
x
1
x
2
y
Hình 2.13d. Dùng cng NAND to cng OR
 dng cng NAND  to các cng logic khác:
- dùng cng NAND to cng NOT:
- dùng cng NAND to cng BUFFER (cng m):
- dùng cng NAND to cng AND:
- dùng cng NAND to cng OR:
x
1
y
x
2
x
y =
xxxxx =+=
2121
x
y
Hình 2.13a.Dùng cng NAND to cng NOT
xxy ==
y
x

x
1
x
2
x
x
y
Hình 2.13b.Dùng cng NAND to cng M (BUFFER)
y
x
1
x
2
2
1
.xx
y =
2
1
2
1
.xxxx =
x
1
x
2
y
Hình 2.13c. S dng cng NAND to cng AND
Khoa TVT – HBKN – Tháng 08.2006 Trang 30
6. Cng NOR

ng NOR, còn gi là cng Hoc-Không, là cng thc hin chc nng ca phép toán cng o
logic, là cng có hai ngõ vào và mt ngõ ra có ký hiu nh hình v:
Phng trình logic mô t hot ng ca cng :
y =
21
xx +
ng trng thái mô t hot ng ca cng NOR :
x
1
x
2
y
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
Xét trng hp tng quát cho cng NOR có n ngõ vào.
y
NOR
=



==∀
=∃
)n1,(i0x1
1x0
i
i
y c m ca cng NOR là: Tín hiu ngõ ra ch

ng 1 khi tt c các ngõ vào u bng 0, tín hiu ngõ
ra s bng 0 khi có ít nht mt ngõ vào bng 1.
 dng cng NOR óng m tín hiu
:
Xét cng NOR có 2 ngõ vào, chn x
1
là ngõ vào u khin, x
2
là ngõ vào d liu. Ta có:
- x
1
= 1: y = 0 (y luôn bng 0 bt chp x
2
), ta nói ng NOR khóa không cho d liu i qua.
- x
1
= 0:
2
xy
0y1
2
x
1y0
2
x
=⇒
=⇒=
=
⇒
=






→ ta nói ng NOR m cho d liu t ngõ vào x
2
qua
ng NOR n ngõ ra ng thi o mc tín hiu ngõ vào x
2
, lúc này cng NOR óng vai trò
là cng O.
 dng cng NOR  thc hin chc nng cng logic khác
:
- Dùng cng NOR làm cng NOT:
x
1
x
2
y
Ký hiu theo Châu Âu
Ký hiu theo M, Nht
x
1
x
2
y
Hình 2.14. Ký hiu cng NOR
x
1

x
n
y
Hình 2.15. Cng NOR n ngõ vào
x
1
y
x
2
x
y = xxxxx ==+
2121
.
y
x
Hình 2.16a. S dng cng NOR to cng NOT
Chng 2. Các phn t logic c bn - Cng logic Trang 31
- Dùng cng NOR làm cng OR :
- Dùng cng NOR làm cng BUFFER :
- Dùng cng NOR làm cng AND :
- Dùng cng NOR làm cng NAND:
y =
2121
xxxx +=+
y
x
1
x
2
2

1
xx +
Hình 2.16b. S dng cng NOR to cng OR
x
1
x
2
y
y
x
x
1
x
2
x
y =
xx =
x
y
Hình 2.16c. S dng cng NOR to cng BUFFER
y =
212121
xxxxxx ==+
x
1
x
2
y
1
x

2
x
x
1
x
2
y
Hình 2.16d. S dng cng NOR làm cng AND
Hình 2.16e. S dng cng NOR làm cng NAND
y =
212121
.1 xxxxxxy =+=+=
x
1
x
2
y
1
1
x
2
x
x
1
x
2
y
y
Khoa TVT – HBKN – Tháng 08.2006 Trang 32
7. Cng XOR (EX - OR)

ây là cng logic thc hin chc nng ca mch cng modulo 2 (cng không nh), là cng có
hai ngõ vào và mt ngõ ra có ký hiu và bng trng thái nh hình v.
Phng trình logic mô t hot ng ca cng XOR :
y
XOR
= x
1
2
x
+
1
x
.x
2
= x
1
⊕ x
2
ng XOR c dùng  so sánh hai tín hiu vào:
- Nu hai tín hiu vào là bng nhau thì tín hiu ngõ ra bng 0
- Nu hai tín hiu vào là khác nhau thì tín hiu ngõ ra bng 1.
Các tính cht ca phép toán XOR:
1. x
1
⊕ x
2
= x
2
⊕ x
1

2. x
1
⊕ x
2
⊕ x
3
= (x
1
⊕ x
2
) ⊕ x
3
= x
1
⊕ (x
2
⊕ x
3
)
3. x
1
.(x
2
⊕ x
3
) = (x
1
.x
2
) ⊕ (x

3
.x
1
)
4. x
1
⊕
(x
2
. x
3
) = (x
1
⊕
x
3
).(x
1
⊕
x
2
)
5. x ⊕ 0 = x
x ⊕ 1 =
x
x ⊕ x = 0
x ⊕
x
= 1
8. Cng XNOR (EX – NOR)

ây là cng logic thc hin chc nng ca mch cng o modulo 2 (cng không nh), là cng
có hai ngõ vào và mt ngõ ra có ký hiu và bng trng thái nh trên hình v.
Phng trình logic mô t hot ng ca cng: y =
212121
xxxxxx ⊕=+
2.2.3. Các thông s k thut ca cng logic
1. Công sut tiêu tán P
tt
t phn t logic khi làm vic phi tri qua các giai n sau:
x
1
x
2
y
0 0 0
0
1 1
1 0 1
1 1 0
y
x
1
x
2
Hình 2.17. Cng XOR
M rng: Nu x
1
⊕
x
2

= x
3
thì x
1
⊕
x
3
=x
2
và x
2
⊕
x
3
=x
1
x
1
x
2
y
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 1
y
x
1
x
2

Hình 2.19. Cng XNOR
Chng 2. Các phn t logic c bn - Cng logic Trang 33
-  trng thái tt.
- Chuyn t trng thái tt sang trng thái dn.
-  trng thái dn.
- Chuyn t trng thái dn sang tt.
 mi giai n, phn t logic u tiêu th ngun mt công sut.
i vi các phn t logic dùng BJT, tiêu biu là h TTL: tiêu th công sut ca ngun ch yu
khi  trng thái tnh (ang dn hoc ang tt).
i vi c vi mch (IC – Integrated Circuit) công sut tiêu tán c tính:
P
tt
= I
C
.V
CC
i vi vi mch h CMOS: ch tiêu th công sut ch yu trong trng thái ng (trong thi gian
chuyn mch). Công sut tiêu tán:
2

DDLtt
VfCP =
Trong ó: C
L
là n dung ca ti (n dung ti)
f là tn s làm vic ca vi mch
V
DD
là n áp ngun cung cp
Nh vy ta thy i vi vi mch CMOS tn s hot ng (tn s chuyn mch) càng ln công

sut tiêu tán càng tng.
2. Fanout (H s mc mch ngõ ra)
Fanout là h s mc mch  ngõ ra hay còn gi là kh nng ti ca mt phn t logic.
i N là Fanout ca mt phn t logic, thì
nó c nh ngha nh sau: S ngõ vào logic
c i c ni n mt ngõ ra ca phn t
logic cùng h mà mch vn hot ng bình
thng.
3. Fanin (H s mc mch ngõ vào)
i M là Fanin ca 1 phn t logic thì M c nh ngha nh sau: ó chính là “ ngõ vào
logic cc i ca mt phn t logic”.
i vi các phn t logic thc hin chc nng cng logic, thì s lng M ln nht là 4 ngõ vào.
i vi các phn t logic thc hin chc nng nhân logic, thì s lng M ln nht là 6 ngõ vào.
i vi h logic CMOS thì có fanin nhiu hn nhng cng không quá 8 ngõ vào.
4. Tr truyn t
Tr truyn t là khong thi gian u ra ca mch có áp ng i vi s thay i mc logic
a u vào.
Tr truyn t là tiêu chun ánh giá tc  làm vic ca mch. Tc  làm vic ca mch
ng ng vi tn s mà mch vn còn hot ng úng. Nh vy, tr truyn t càng nh càng tt
hay tc  làm vic càng ln càng tt.
i vi hu ht các vi mch s hin nay, tr truyn t là rt nh, c vài nano giây (ns). Mt vài
loi mch logic có thi gian tr ln c vài trm nano giây.
Khi mc liên tip nhiu mch logic thì tr truyn t ca toàn mch s bng tng các tr truyn
t ca mi tng.
Hình 2.41. Khái nim v Fanout