Điều khiển từ xa bằng hồng ngoại

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
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:
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 3

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
- 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.
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.
Sơ đồ khối hoạt động của phần phát :
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 4

Bộ điều khiển
nhận biết thiết
bò nào đang
được điều khiển
Điều chế tín
hiệu điều
khiển lên tần
số cao
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
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.
Sơ đồ khối hoạt động của phần thu:
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 5

Bàn
phím
Mạch monostable
tạo xung
vuông làm tín
hiệu điều khiển
Khuếch đại
và xuất ra
LED hồng
ngoại
Bộ thu
hồng
ngoại
Bộ đếm để nhận
biết thiết bò nào
được điều khiển
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
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh


. . .

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.
Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ HỒNG
NGOẠI VÀ CÁC THIẾT BỊ THU – PHÁT
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
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 6

Bộ giải mã giải
điều chế tín hiệu
Bộ phân kênh
tới các thiết
bò
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
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.
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:
Bước sóng: 0.8 – 0.95µm, 1.3µm và 1.55µm
Băng thông: 55nm
p thuận (I
F
= 100mA):1.3V (≤ 1.5V)
p đánh thủng (I
R
= 10µA): 30V
Dòng ngược (V

R
= 5V): 0.01µA
Switching time (I
F
= 100mA): 1µs
Công suất phát xạ (I
F
= 100mA): 12 – 16mW
Hiệu suất: 1 – 5%
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.
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 7

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
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
- R
D
: điện trở động của LED
Điện trở động của LED: R
D
= ∆V
D
/∆i
D
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 8

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
∆V
D
, ∆i
D
: gia số điện áp, dòng điện ở điểm chuẩn

Dòng điện
i
p
i
avg
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
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
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 12

12
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh

V

D
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.
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 13

3 4
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
Photodiode thường được sử dụng cùng với một op amp.
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)
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 15

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
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
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).
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:
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 16

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
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
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:
Minimu
m

Typical Maximu
m
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 74
H
74S 74LS 74AS 74AL
S
Thời gian trễ 9 33 6 3 9.5 1.7 4
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 17

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
(ns)
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
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).
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 18

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh

+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.
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.
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 19

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
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
+ 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
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 20

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
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 21

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
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.
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

SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 22

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
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:
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 40 12 35 12.5 45 200 70
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 23

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
max (MHz)
Mức nhiễu
max (V)
0.9 1,5 0,
4
0,3 0,3 0,3 0,4
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
4
000B
7
4HC
7
4HCT
7
4
7
4LS
7
4AS

7
4AL
S
V
IH
(mi
n) (V)
3
.5
3
.5
2 2 2 2 2
V
IL
(ma
x)(V)
1
.5
1 0
.8
0
.8
0
.8
0
.8
0
.8
V
OH

(mi
n)(V)
4
.95*
4
.9*
4
.9*
2
.4
2
.7
2
.7
2
.7
V
OL
(m
ax)(V)
0
.05*
0
.1 *
0
.1 *
0
.4
0
.5

0
.5
0
.4
I
IH
(ma
x)(µA)
1 1 1 4
0
2
0
2
00
2
0
I
IL
(ma
x) (µA)
1 1 1 1
.6m
0
.4m
2
m
1
00
I
OH

(ma
x)(mA)
0
.4
4 4 0
.4
0
.4
2 4
00µ
SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 24

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh
I
OL
(ma
x)(mA)
0
.4
4 4 1
6
8 2
0
8
*CMOS lái chỉ một ngõ vào CMOS
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.
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 25