Tài liệu Khảo sát cổng logic và Flip-Flop doc

Tập hướng dẫn thí nghiệm KỸ THUẬT SỐ Trang 1
BÀI 1.
KHẢO SÁT CỔNG LOGIC VÀ FLIP-FLOP

I. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU
Khảo sát các cổng logic cơ bản dùng các vi mạch tích hợp TTL và CMOS, khảo sát hoạt động
của các FLIP-FLOP, thực hiện một số mạch điều khiển đơn giản: mạch điều khiển bus dữ liệu,
mạch chia tần số sử dụng JKFF, DFF…
Để hoàn thành bài thí nghiệm này sinh viên cần nắm vững lý thuyết đã được học trong giáo trình
Kỹ Thuật Số về đại số Boole, các cổng logic và Flip-Flop.

II. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
1. Các cổng logic cơ bản
Có các loại cổng logic cơ bản sau đây: BUFFER, NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR và
XNOR.
a. Cổng BUFFER (cổng Đệm):
Bảng trạng thái
y
x
11
0
0
y
x

Phương trình toán học: y = x
Cổng đệm, hay còn gọi là cổng không đảo, thường được sử dụng trong mạch số với vai trò phối
hợp trở kháng, cách ly và nâng dòng cấp cho tải.

b. Cổng NOT (cổng Đảo):

y
x
10
1
0
y
x
Phương trình toán học: y =
x

Cổng đảo đóng vai trò như cổng đệm, nhưng ở đây là đệm đảo, bởi tín hiệu ngõ ra ngược mức
logic với tín hiệu ngõ vào.

c. Cổng AND (cổng Và)
Cổng AND thực hiện phép toán nhân logic các tín hiệu ngõ vào. Cổng AND 2 ngõ vào thực hiện
phép toán nhân logic 2 tín hiệu ngõ vào với phương trình toán học như sau: y = x
1
.x
2

Bài 1 – Digital Logic Fundamentals Trang 2


x
1
x
2
y
0 0 0

0 1 0
1 0 0
1 1 1

x
2
y

x
1






d. Cổng OR (cổng Hoặc)
y

x
2
x
1
y

x
2
x
1
Ký hiệu Châu Âu

Ký hiệu theo Mỹ, Nhật, Úc


Cổng OR thực hiện phép toán cộng logic 2 tín hiệu vào, với phương trình toán học như sau:
y = x
1
+ x
2

e. Cổng NAND (cổng VÀ-KHÔNG)

x
1
x
2
y
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0

x
1
y
x
2
x
2
y

x
1

Phương trình toán học: y =
2121
xxxx +=


f. Cổng NOR (cổng HOẶC-KHÔNG)

y

x
n
x
1
x
1
x
2
y
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0


Phương trình toán học: y =
2

.
12
1
xxxx =+


g. Cổng XOR (eXclusive-OR)
Đây là cổng thực hiện so sánh xem 2 tín hiệu vào có khác nhau hay không: nếu 2 tín hiệu vào là
khác nhau cổng cho mức logic 1 ở ngõ ra và ngược lại.
Phương trình toán học và bảng trạng thái của cổng XOR như sau:
Tập hướng dẫn thí nghiệm KỸ THUẬT SỐ Trang 3
y
XOR
= x
1
2
x
+
1
x
.x
2
= x
1
⊕
x
2


x

1
x
2
y
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0

x
2
x
1
y



h. Cổng XNOR (eXclusive-OR)
Đây là cổng thực hiện việc so sánh xem 2 tín hiệu vào có giống nhau hay không? Nếu 2 tín hiệu
vào là giống nhau cổng cho mức logic 1 ở ngõ ra. Về mặt chức năng cổng XNOR bao gồm một
cổng XOR mắc nối tầng với một cổng NOT.
Phương trình toán học và bảng trạng thái hoạt động của cổng XNOR:
y =
212121
xxxxxx ⊕=+

x
1
x
2

y
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 1

x
2

x
1
y

2. Đặc tính của các vi mạch TTL và CMOS

a. Họ TTL (Transistor-Transistor-Logic)
Trên hình vẽ là cấu tạo của cổng NAND 2 ngõ vào họ TTL:
y
Vcc
D1
x2
x1
R5
R4
R3
R2
R1
Q4
Q3
Q2

Q1
Khi ngõ ra có mức logic 1 (mức cao – HIGH): Q
4
dẫn bão hòa và Q
3
tắt, cổng cấp dòng ra, dòng
ngõ ra lúc này gọi là dòng ngõ ra mức cao I
OH
, điện áp của ngõ ra y lúc này có giá trị V
OH
gọi là
điện áp ngõ ra mức cao.
Khi ngõ ra có mức logic 0 (mức thấp – LOW): Q
3
dẫn bão hòa và Q
4
tắt, cổng hút dòng vào,
dòng ngõ ra lúc này gọi là dòng ngõ ra mức thấp I
OL
, điện áp của ngõ ra y lúc này có giá trị V
OL
gọi
là điện áp ngõ ra mức thấp.
Bài 1 – Digital Logic Fundamentals Trang 4

Nguồn cung cấp của các vi mạch họ TTL là nguồn +5V DC. Họ TTL thuộc họ logic dương. Một
cách lý tưởng mức logic 1 sẽ tương ứng với giá trị điện áp 5V, và mức logic 0 tương ứng giá trị
điện áp 0V. Thực tế giá trị điện áp các mức ‘1’ và ‘0’ thay đổi trong một dải điện áp cho phép, có
thể được biểu diễn trên hình vẽ sau:

Dải điện áp ra Dải điện áp vào
V
NH
V
NL
5V
0V
V
IH
(min)

( 2.0 V)

( 0.8 V)

V
IL
(max)
( 0.4 V)

V
OL
(max)
V
OH
(min)

( 2.4 V)
Điện áp

Logic 0




Logic 1
Dải không xác định


Logic 0



Logic 1

Dải
không cho phép

Từ hình vẽ này ta thấy: mức
điện áp logic 0
cho phép ở ngõ vào thay đổi từ
0(V) đến 0.8 (V)
,
mức
điện áp logic 1
ở ngõ vào thay đổi từ
2.0(V) đến 5(V)
.
Các giá trị điện áp lề nhiễu:

• V
NH
= 0.4 (V)
: điện áp lề nhiễu mức cao (high-state noise margin).
• V
NL
= 0.4 (V)
: điện áp lề nhiễu mức thấp (low-state noise margin).
Về cấu tạo ngõ ra có 3 loại ngõ ra khác nhau là: ngõ ra cột chạm (totem-pole), ngõ ra cực thu hở
(open-collector) và ngõ ba trạng thái (three-state).
Đối với ngõ ra cột chạm tuyệt đối không được nối chung ngõ ra của các cổng lại với nhau có thể
gây nên hiện tượng quá dòng và làm hỏng cổng.
Đối với ngõ ra cực thu để hở khi sử dụng cần mắc thêm một điện trở từ ngõ ra của cổng kéo lên
nguồn để đảm bảo mức 1, giá trị điện trở khoảng từ vài trăm Ohm đến vài k
Ω
. Ngõ ra cực thu để hở
có thể nối chung các ngõ ra lại với nhau và khi nối chung như vậy có thể tạo ra các cổng logic mới.
Đối với các cổng ngõ ra 3 trạng thái có thể được ứng dụng để chế tạo các bus đệm dữ liệu 2
chiều, được ứng dụng rất nhiều trong các hệ vi xử lý và vi điều khiển.
Họ TTL các ngõ vào để trống tương đương mức logic 1. Các ngõ ra không dùng đến của vi mạch
TTL có thể nối đất hoặc nối lên nguồn thông qua điện trở có giá trị khoảng vài k
Ω
.
Họ vi mạch TTL được ký hiệu: 74xxx, 54xxx.

b. Họ CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)
So với họ TTL, các vi mạch cổng họ CMOS có nhiều đặc tính ưu điểm hơn đó là:
•
Công suất tiêu tán thấp hơn.
•

Điện áp làm việc cho phép thay đổi rộng hơn từ 3V đến 15V, cực đại là 18V.
•
Độ miễn nhiễu tốt hơn, khả năng chống nhiễu phụ thuộc vào nguồn cung cấp.
•
DC Fanout > 50.
Đối với họ CMOS điện áp càng cao thì tốc độ hoạt động càng nhanh, nghĩa là thời gian trễ càng
nhỏ. Thời gian trễ gia tăng khi nhiệt độ tăng và giá trị điện dung tải tăng.
Tập hướng dẫn thí nghiệm KỸ THUẬT SỐ Trang 5
Khả năng chống nhiễu của CMOS rất tốt. Giá trị điện áp lề nhiễu tỉ lệ thuận với điện áp nguồn
cung cấp V
DD
, thường khoảng 30%V
DD
. Các giá trị điện áp ngõ vào và ngõ ra của một vi mạch
CMOS tiêu biểu (họ 40xx) như sau:
•
V
OL
(max) = 0 (V)
•
V
OH
(min) = V
DD

•
V
IL
(max) = 30%V
DD

•
V
IH
(min) = 70%V
DD

Với điện áp cấp V
DD
= +5V, CMOS vẫn làm việc bình thường với sự mất ổn định của điện áp
cung cấp hay điện áp nhiễu đến 1V.
Cấu tạo ngõ ra của vi mạch CMOS cũng gồm 3 dạng tương tự họ TTL: ngõ ra cột chạm (totem-
pole), ngõ ra cực thu để hở (open-collector) và ngõ ra 3 trạng thái (three-state). Các lưu ý khi sử
dụng 3 loại ngõ ra này hoàn toàn giống như đối với họ TTL.

c. Đặc tính truyền đạt của họ TTL và CMOS
Hàm số chuyển Vo = f(Vi) (đặc tính truyền đạt) của các mạch đảo ở 2 họ logic TTL và CMOS
có thể cho trên hình vẽ sau:
5
V
2.5
V

3
V

1.2
V
1.5 1.6
V

Vi
Vo
Vi
Vo

TTL phân cực V
CC
= +5V CMOS phân cực V
DD
= +5V

Từ đặc tính này cho thấy mức điện áp ngưỡng của họ TTL khoảng 1.5
÷
1.6 (V), trong khi mức
điện áp ngưỡng của họ CMOS cao hơn xấp xỉ bằng V
DD
/2. Chứng tỏ rằng đặc tính chuyển của
CMOS tốt hơn so với TTL, cũng như khả năng chống nhiễu của CMOS cũng tốt hơn.

d. Giao tiếp giữa CMOS và TTL:
Với điện áp nguồn cung cấp +5V họ CMOS giao tiếp trực tiếp với TTL, do tổng trở vào của
CMOS rất lớn nên cổng TTL có thể tải vô số cổng CMOS mà không làm mất Fanout. Tuy nhiên do
điện áp mức logic 1 của cổng TTL thông thường từ 3.0V
÷
3.5V nên cần mắc ở ngõ ra của cổng
TTL một điện trở pull-up lên nguồn có giá trị khoảng từ 1k
Ω

÷

10k
Ω
để nâng điện áp ngõ ra mức 1
của cổng TTL lên khoảng 4.0V, đảm bảo đủ điện áp mức 1 cho ngõ vào cổng CMOS.

e. Một số chú ý khi sử dụng các vi mạch CMOS:
•
Các vi mạch chưa dùng nên đựng trong các ống nhựa hay bọc trong giấy nhôm.
•
Mỏ hàn nên dùng loại hàn nhiệt, và nên dùng loại nối đất.
•
Tránh dùng tay tiếp xúc trực tiếp với vi mạch CMOS, bàn làm việc và người làm việc
nên được nối đất thông qua điện trở 1M
Ω
.
•
Không nên tháo lắp IC khi đang có điện.