Bài giảng kỹ thuật điện tử số Các mạch số

Các mạch số
Nguyễn Quốc Cường – 3i
Digital Circuits 2
Nội dung
• Tín hiệu và cổng logic
• Họ logic CMOS
• Họ logic TTL
• Giao tiếp TTL/CMOS
Digital Circuits 3
Tài liệu tham khảo
• Digital Design: Principles & Practices – John F
Wakerly – Printice Hall
Digital Circuits 4
Tín hiệu logic
• Giá trị logic: “0” và “1”
• Thường sử dụng “LOW” và “HIGH” thay cho “0”
và “1”:
– LOW:
ứ
ng v
ớ
i d
ả
i
ñ
i
ệ
n áp th
ấ
p
– HIGH:

ứ
ng v
ớ
i d
ả
i
ñ
i
ệ
n áp cao
• Logic dương:
– LOW gán cho “0”
– HIGH gán cho “1”
• Logic âm:
– LOW gán cho “1”
– HIGH gán cho “0”
Digital Circuits 5
• Các mạch logic có thể ñược mô tả như các hộp
ñen
Digital Circuits 6
Mạch logic ñược mô tả thông quan bảng chân lý
Digital Circuits 7
Các cổng
Digital Circuits 8
Biểu ñồ thời gian
(timing diagram)
Digital Circuits 9
• Timing diagram: biểu diễn sự phụ thuộc của
output vào input theo thời gian:
– Tín hi

ệ
u logic thay
ñổ
i t
ừ
0
ñế
n 1 không th
ự
c hi
ệ
n
m
ộ
t cách t
ứ
c th
ờ
i
Digital Circuits 10
Các họ logic
• CMOS (Complementary Metal-Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor)
• TTL (Transistor-Transistor Logic)
Digital Circuits 11
CMOS Logic
• MOS logic ñược phát minh trước TTL, tuy nhiên
việc chế tạo lại gặp khó khăn
• Từ 1980s khi công nghệ bán dẫn phát triển, các
ICs dựa trên công nghệ CMOS dần ñược sử

dụng rộng rãi thay thế TTL:
– Công su
ấ
t tiêu th
ụ
th
ấ
p
– M
ậ
t
ñộ
tích h
ợ
p cao
Digital Circuits 12
Mức logic CMOS
ðiện áp cung cấp cho ICs CMOS có thể thay ñổi
Với ñiện áp cung cấp 5V, mức logic:
Digital Circuits 13
MOS transistor
• Có 2 loại: n-MOS và p-MOS
Digital Circuits 14
• n-MOS:
–
ð
i
ệ
n áp ng
ưỡ

ng V
T
> 0
– Khi V
GS
< V
T
dòng
ñ
i
ệ
n I
D
nh
ỏ  ñ
i
ệ
n tr
ở
R
ds
l
ớ
n (>
10
6
)
– Khi V
GS
> V

T
dòng
ñ
i
ệ
n I
D
t
ă
ng

R
ds
gi
ả
m (c
ỡ
10
ohms)
– Dòng I
G
nh
ỏ
(c
ỡ
10
-6
A) (leakage current)
• p-MOS: ñiện áp ngưỡng âm
Digital Circuits 15

Mạch ñảo cơ bản - CMOS
• n-MOS và p-MOS kết hợp tại thành một cặp
CMOS
Digital Circuits 16
Digital Circuits 17
• Cách ký hiệu khác của n-MOS và p-MOS trong
các mạch logic
Digital Circuits 18
Digital Circuits 19
CMOS NAND
Digital Circuits 20
Digital Circuits 21
CMOS NOR
Digital Circuits 22
Digital Circuits 23
Digital Circuits 24
CMOS AND
AND = NAND kết hợp NOT  phức tạp hơn NAND
Digital Circuits 25
buffer
Digital Circuits 26
CMOS AND – OR – INVERT gate
Digital Circuits 27
Digital Circuits 28
CMOS OR-AND-INVERT gate
Digital Circuits 29
Digital Circuits 30
Một số thông số của ICs CMOS
• Mức ñiện áp logic (Logic voltage levels)
• ðộ dư nhiễu DC (DC noise margin)

• Fanout
• Tốc ñộ
• Công suất tiêu thụ
• Nhiễu
• Sự phóng tĩnh ñiện
• ðầu ra hở cực máng (open-drain output)
• ðầu ra ba trạng thái (three-states output)
Digital Circuits 31
Mức logic
Thường các datasheet không ñưa dạng ñồ thị như trên
Digital Circuits 32
• Thường sử dụng các thông số
Digital Circuits 33
• Nói chung mức ñiện áp phụ thuộc vào nguồn
cung cấp cho ICs CMOS.
• Thường thì:
Digital Circuits 34
Dòng ñiện input
ðối với họ CMOS, dòng ñiện vào chính là dòng dò của cực gate  rất nhỏ
Nếu ñầu ra của ICs CMOS nối vào ñầu vào của ICs CMOS khác thì mức
logic hầu như không thay ñổi (do dòng vào của CMOS nhỏ)
Digital Circuits 35
Hoạt ñộng với tải ñiện trở
• Trong một số trường hợp, ñiện trở tải ảnh
hưởng ñến múc logic tại ñầu ra khi:
– M
ộ
t output ph
ả
i n

ố
i v
ớ
i r
ấ
t nhi
ề
u input CMOS
– M
ộ
t output n
ố
i v
ớ
i các thi
ế
t b
ị
có tr
ở
kháng vào nh
ỏ
–
xem xét hiệu ứng DC load:
V
OUT at LOW
< V
OLmax
V
ỌUT at HIGH

> V
OHmin
Digital Circuits 36
Mô hình tải là một nguồn tín hiệu và một nội trở
Digital Circuits 37
ouput LOW
Digital Circuits 38
output HIGH
Digital Circuits 39
Dòng output
• Thực tế nhà sản xuất không ñưa ra các mô hình
tương ñương ñiện trở của các thiết bị  không
thể áp dụng tính giá trị ñiện áp tại ñầu ra
• Tuy nhiên, thường nhà sản xuất ñưa ra thông số
sau:
Digital Circuits 40
Một output của thiết bị ñược coi là sink dòng (sinking current) nếu
dòng ñiện từ nguồn qua tải và qua output của thiết bị rồi tới GND
Dòng sink thường quy ước có giá trị dương
Một output của thiết bị ñược coi là source dòng (sourcing current)
nếu dòng ñiện từ nguồn qua qua output của thiết bị qua tải rồi tới
GND. Dòng source quy ước có giá trị âm
Digital Circuits 41
Công suất
• Với cấu trúc CMOS tại output: luôn có một
transistor “on” và một “off”
– Khi không có t
ả
i s
ẽ

không có dòng
ñ
i
ệ
n

công su
ấ
t
b
ằ
ng không
– Khi có t
ả
i dòng
ñ
i
ệ
n s
ẽ
qua transistor “on” và qua t
ả
i
Digital Circuits 42
Fanout
• Fanout của một gate logic là số input mà nó có
thể ñiều khiển mà không sai lệch tín hiệu logic
• Fanout phụ thuộc không chỉ vào ñặc tính của
output mà còn phụ thuộc vào tín hiệu input ñiều
khiển nó

• Cần xem xét Fanout cả hai trường hợp:
– Output : LOW
– Output : HIGH
Digital Circuits 43
• LOW-state fanout = I
OLmax
/ I
ILmax
• HIGH-state fanout = I
OHmax
/ I
IHmax
• Nói chung hai hệ số fanout không nhất thiết
bằng nhau.
• Trong thiết kế thường sử dụng hệ số overall
fanout = min{LOW-state fanout, HIGH-state
fanout}
• Hệ số fanout tính như trên ñược coi là DC
fanout: tính toán khi trạng thái output ñã ổn ñịnh
• Khi tín hiệu output biến ñổi nhanh cần xem xét
hệ số AC fanout (tác ñộng của tải ñiện dung)
Digital Circuits 44
Các input không sử dụng
• Cổng có (n+1 ) input, nhưng ứng dụng yêu cầu
chỉ sử dụng n input  dư 1 input
• Các cách sử lý các input không sử dụng
Digital Circuits 45
• Thực tế khi cần làm việc tốc ñộ cao thường sử
dụng cách (b) và (c) hơn là sử dụng cách (a) vì:
– Cách (a) s

ẽ
làm t
ă
ng t
ả
i
ñ
i
ệ
n dung
ñố
i v
ớ
i ngu
ồ
n tín
hi
ệ
u
• Không bao giờ ñể hở input khi sử dụng ICs
CMOS
Digital Circuits 46
Một số ñặc tính ñộng của CMOS
• Thời gian chuyển trạng thái (Transition time)
• Trễ lan truyền (Propagation delay)
• Công suất tiêu thụ ñộng (dynamic power
dissipation)
Digital Circuits 47
Thời gian chuyển trạng thái
Digital Circuits 48

• Transition time: là th
ờ
i gian
ñể
output chuy
ể
n t
ừ
m
ộ
t
tr
ạ
ng thái qua m
ộ
t tr
ạ
ng thái khác:
– rise time (t_r): thời gian chuyển LOW  HIGH
– fall time (t_f) : thời gian chuyển từ HIGH  LOW
• Transition time ph
ụ
thu
ộ
c:
– ðiện trở “on” của các transistor
– Tải ñiện dung (capacitive load) hay tải AC (AC load)
• T
ả
i AC do:

– Tụ ñiện ký sinh của mạch output của gate , thường cỡ 2-10 pF
– Tụ ñiện do dây dẫn nỗi output với các input trong mạch (phụ
thuộc công nghệ mạch in), thường cỡ 1pF cho 1 inch
– Tụ ñiện của mạch input, cỡ 2 ñến 15 pF
Digital Circuits 49
Nhắc lại R
p
và R
n
mô tả cho ñiện trở của p-MOS và n-MOS
Digital Circuits 50
• Hiệu ứng DC ít tác ñộng ñến transition time 
bỏ qua coi R
L
= 1 và V
L
= 0
• Xem xét ví dụ:
– C
L
= 100pF
– R
p
“on” = 200 Ω
– R
n
“on” = 100 Ω