Bài giảng Kỹ thuật số - Chương 2: Cổng logic - Cao Thị Thu Hương

C T H C T H GIỚI THIỆU MÔN HỌC KỸ THUẬT SỐ (DIGITAL ENGINEERING) ☺: Cao Thị Thu Hương : huongct@neu.edu.vn : A1-1310 C T H huongct@neu.edu.vn NỘI DUNG HỌC PHẦN KỸ THUẬT SỐ ĐẠI SỐ LOGIC CÁC CỔNG LOGIC CÁC MẠCH TỔ HỢP CÁC MẠCH DÃY 2 C T H C T H CHƯƠNG 2: CỔNG LOGIC KỸ THUẬT SỐ (DIGITAL ENGINEERING) ☺: Cao Thị Thu Hương : huongct@neu.edu.vn : A1-1310 C T H huongct@neu.edu.vn CHƯƠNG 2: CỔNG LOGIC 2.1. Các cổng logic cơ bản 2.2. Một số cổng ghép thông dụng 2.3. Tính đa chức năng của cổng NAND, NOR 2.4. IC số 4 C T H huongct@neu.edu.vn CHƯƠNG 2: CỔNG LOGIC 2.1. Các cổng logic cơ bản 2.2. Một số cổng ghép thông dụng 2.3. Tính đa chức năng của cổng NAND, NOR 2.4. IC số 5 C T H huongct@neu.edu.vn 2.1. Các cổng logic cơ bản ❖Để thể hiện các hàm logic bằng mạch điện người ta sử dụng các cổng logic. ❖Các cổng logic được xây dựng dựa trên cấu hình mạch chuyên biệt được gọi là họ mạch logic, điển hình là: ▪ Mạch logic Điện trở - Transistor (RTL) ▪ Mạch logic Điốt – Transistor (DTL) ▪ Mạch logic Transistor – Transistor (TTL), CMOS, 6 C T H huongct@neu.edu.vn 2.1. Các cổng logic cơ bản ❖Cổng NOT ▪ Cổng NOT thực hiện hàm phủ định: Y = ഥA ▪ Kí hiệu cổng: ▪ Hoạt động của cổng NOT được mô tả ở bảng trạng thái sau: 7 A H (High) L (Low) C T H huongct@neu.edu.vn 2.1. Các cổng logic cơ bản ❖Cổng OR ▪ Cổng OR thực hiện hàm cộng logic: Y =A+B hoặc với hàm nhiều biến: Y(X1,X2,,Xn) = X1+X2+ +Xn ▪ Kí hiệu cổng: • VD: 8 A C T H huongct@neu.edu.vn 2.1. Các cổng logic cơ bản ❖Cổng OR ▪ Nguyên lý hoạt động của cổng OR: ▪ Ví dụ: 9 A A B Y t0 t1 t2 t3 t4 t0 t1 t2 t3 t4 C T H huongct@neu.edu.vn 2.1. Các cổng logic cơ bản ❖Cổng AND ▪ Cổng AND thực hiện hàm nhân logic: Y =A.B hoặc với hàm nhiều biến: Y(X1,X2,,Xn) = X1.X2 Xn ▪ Kí hiệu cổng: • VD: 10 A C T H huongct@neu.edu.vn 2.1. Các cổng logic cơ bản ❖Cổng AND ▪ Nguyên lý hoạt động của cổng AND: ▪ Ví dụ: 11 A A B Y t0 t1 t2 t3 t4 t0 t1 t2 t3 t4 C T H huongct@neu.edu.vn CHƯƠNG 2: CỔNG LOGIC 2.1. Các cổng logic cơ bản 2.2. Một số cổng ghép thông dụng 2.3. Tính đa chức năng của cổng NAND, NOR 2.4. IC số 12 C T H huongct@neu.edu.vn 2.2. Một số cổng ghép thông dụng ❖Cổng NAND ▪ Là cổng ghép nối tiếp một cổng AND với một cổng NOT • Mức logic của cổng NAND là phủ định của cổng AND. ▪ Cổng NAND có thể có hai đầu vào hoặc nhiều đầu vào. ▪ Kí hiệu cổng: 13 C T H huongct@neu.edu.vn 2.2. Một số cổng ghép thông dụng ❖Cổng NAND ▪ Nguyên tắc hoạt động: 14 C T H huongct@neu.edu.vn 2.2. Một số cổng ghép thông dụng ❖Cổng NOR ▪ Là cổng ghép nối tiếp một cổng OR với một cổng NOT. • Mức logic của cổng NOR là phủ định của cổng OR. ▪ Cổng NOR có thể có 2 đầu vào hoặc nhiều đầu vào. ▪ Kí hiệu cổng: 15 C T H huongct@neu.edu.vn 2.2. Một số cổng ghép thông dụng ❖Cổng NOR ▪ Nguyên tắc hoạt động: 16 C T H huongct@neu.edu.vn 2.2. Một số cổng ghép thông dụng ❖Cổng XOR ▪ Cổng XOR còn gọi là cổng khác dấu hoặc cổng cộng modulo 2. ▪ Cổng XOR thực hiện hàm cộng modulo 2: ▪ Kí hiệu cổng: 17 C T H huongct@neu.edu.vn 2.2. Một số cổng ghép thông dụng ❖Cổng XOR ▪ Nguyên tắc hoạt động: 18 C T H huongct@neu.edu.vn 2.2. Một số cổng ghép thông dụng ❖Cổng XNOR ▪ Cổng XNOR còn có tên gọi là cổng đồng dấu. ▪ Cổng XNOR thực hiện hàm tương đương: ▪ Kí hiệu cổng: 19 C T H huongct@neu.edu.vn 2.2. Một số cổng ghép thông dụng ❖Cổng XNOR ▪ Nguyên tắc hoạt động: 20 C T H huongct@neu.edu.vn CHƯƠNG 2: CỔNG LOGIC 2.1. Các cổng logic cơ bản 2.2. Một số cổng ghép thông dụng 2.3. Tính đa chức năng của cổng NAND, NOR 2.4. IC số 21 C T H huongct@neu.edu.vn 2.3. Tính đa chức năng của cổng NAND, NOR ❖ Theo tính chất của các cổng logic cơ bản, mọi hàm logic đều có thể thực hiện được nhờ cách kết hợp 3 hàm cơ sở AND, OR và NOT ▪ Mọi cấu trúc mạch phức tạp đều có thể tổng hợp được từ các hệ hàm này. ❖ Do công nghệ chế tạo các cổng AND, OR và NOT có nhiều điểm khác nhau → khó có thể thực hiện được trong các mạch tích hợp số. → Do vậy, để khắc phục được nhược điểm này phải tìm ra cổng có thể tạo ra hệ hàm đầy đủ. Cổng NAND và cổng NOR có thể thỏa mãn điều kiện này. ❖ Từ cổng NAND hoặc cổng NOR có thể tạo ra các cổng logic cơ bản khác. 22 C T H huongct@neu.edu.vn 2.3. Tính đa chức năng của cổng NAND, NOR ❖2.3.1. Tính đa chức năng của cổng NAND ❖2.3.2. Tính đa chức năng của cổng NOR 23 C T H huongct@neu.edu.vn 2.3.1. Tính đa chức năng của cổng NAND ❖Từ cổng NAND có thể tạo ra các cổng NOT, AND, OR và NOR 24 A AA A A B AB A B AB A B A+B A B A+B A B A B A+BA+B C T H huongct@neu.edu.vn 2.3.2. Tính đa chức năng của cổng NOR ❖Từ cổng NOR có thể tạo ra các cổng NOT, AND, OR và NAND. 25 A A AB A B AB A B A+B A B A+B AB A A A B A B A B AB C T H huongct@neu.edu.vn 2.3. Tính đa chức năng của cổng NAND, NOR ❖→ mọi mạch logic tổ hợp có thể xây dựng chỉ từ một loại cổng là cổng NAND hoặc cổng NOR. ▪ Đây là đặc điểm quan trọng trên quan điểm tính đồng nhất của công nghệ chế tạo → giá thành chi phí giảm, độ tin cậy cao. 26 C T H huongct@neu.edu.vn 2.3. Tính đa chức năng của cổng NAND, NOR ❖Ví dụ: tạo cổng logic XOR từ các cổng NAND hai đầu vào: 27 F AB AB= + ( ) ( ) F AB AB AB AA AB BB A B A B A B AAB BAB AAB BAB AAB BAB = + = + + + = + + + = + = + = C T H huongct@neu.edu.vn 2.3. Tính đa chức năng của cổng NAND, NOR ❖Ví dụ: tạo cổng logic XOR từ các cổng NAND hai đầu vào: ▪ Hàm trên có sơ đồ mạch như sau: 28 ( ) ( ) F AB AB AB AA AB BB A B A B A B AAB BAB AAB BAB AAB BAB = + = + + + = + + + = + = + = A B A B FF C T H huongct@neu.edu.vn CHƯƠNG 2: CỔNG LOGIC 2.1. Các cổng logic cơ bản 2.2. Một số cổng ghép thông dụng 2.3. Tính đa chức năng của cổng NAND, NOR 2.4. IC số 29 C T H huongct@neu.edu.vn 2.4. IC số ❖Các phần tử logic được cấu thành từ các linh kiện điện tử. ❖Các linh kiện điện tử này khi kết hợp với nhau thường ở dạng các mạch tích hợp hay còn gọi là IC (Integrated Circuit). ❖Mỗi IC có một chức năng xác định và được chế tạo bởi một công nghệ thích hợp. ❖Các IC hiện đại thường là đa năng và có thể sử dụng linh hoạt trong nhiều thiết bị điện tử khác nhau. 30 C T H huongct@neu.edu.vn 2.4. IC số ❖Các đặc điểm của IC: ▪ Ưu điểm: tăng mật độ linh kiện, làm giảm thể tích, giảm trọng lượng và kích thước mạch. ▪ Nhược điểm: hỏng một linh kiện thì hỏng cả IC. ❖Phân loại IC: có thể phân loại IC theo nhiều tiêu chí khác nhau: ▪ Phân loại theo bản chất của tín hiệu điện vào/ra của IC. ▪ Phân loại theo mật độ tích hợp. ▪ Phân loại theo công nghệ chế tạo 31 C T H huongct@neu.edu.vn 2.4.1. Phân loại IC ❖ Phân loại theo bản chất của tín hiệu điện vào/ra của IC. ▪ Tín hiệu điện được chia thành 2 loại: tín hiệu tương tự và tín hiệu số. • Tín hiệu tương tự là tín hiệu có biên độ biến thiên liên tục theo thời gian. • Tín hiệu số là tín hiệu có biên độ chỉ có thể quy vào hai giá trị hữu hạn mang ý nghĩa logic 0 hay 1, ứng với hai mức thế thấp L (Low) hay cao H (High); tín hiệu gián đoạn theo thời gian. ▪ IC làm việc với các tín hiệu tương tự được gọi là IC tương tự. IC làm việc với các tín hiệu số được gọi là IC số. 32 C T H huongct@neu.edu.vn 2.4.1. Phân loại IC ❖ Phân loại theo bản chất của tín hiệu điện vào/ra của IC. ▪ IC tương tự: • Phần lớn các IC tương tự là các vi mạch chuyên dụng, xử lý các tín hiệu tương tự. Ở đây, chỉ tập trung xem xét các IC số. ▪ IC số: • IC số bao gồm từ các cổng logic cơ bản, các cổng logic thường dùng, các mạch nhớ, các mạch tổ hợp, các bộ đếm, cho đến các loại mạch phức tạp hơn như các mạch điều khiển ngoại vi, các vi xử lý, • Các IC số được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực. 33 C T H huongct@neu.edu.vn 2.4.1. Phân loại IC ❖ Phân loại theo mật độ tích hợp ▪ Mật độ tích hợp là tổng số những phần tử tích cực (transistor) hoặc cổng logic chứa trên một đơn vị diện tích của mảnh tinh thể bán dẫn trong mạch tích hợp. ▪ Mức tích hợp là tổng số những phần tử tích cực (transistor) hoặc cổng logic chứa trên mảnh tinh thể bán dẫn trong mạch tích hợp. 34 C T H huongct@neu.edu.vn 2.4.1. Phân loại IC ❖ Phân loại theo mật độ tích hợp ▪ Một số loại mạch tích hợp theo mật độ tích hợp: •SSI: Small scale integration - Tích hợp qui mô nhỏ. •MSI: Medium scale intergration - Tích hợp qui mô trung bình. • LSI: Large scale integration - Tích hợp qui mô lớn. •VLSI: Very large scale integration - Tích hợp qui mô rất lớn. •ULSI: Ultra-large scale integration - Tích hợp qui mô cực kỳ lớn. •GSI: Giga scale integration - Tích hợp qui mô mức giga. 35 C T H huongct@neu.edu.vn 2.4.1. Phân loại IC ❖ Phân loại theo công nghệ chế tạo 36 IC nguyên khối (Monolithic IC) I i ( lit i I ) IC lai (hibrid IC) I l i ( i ri I ) IC màng (film IC) I (fil I ) Mạch tích hợp (IC) tí ( ) IC tương tự I t t IC số I s IC số I s IC tương tự I t t Transistor Lưỡng cực r sist r Transistor trường - FET r sist r tr - DTL TTL RTL ECL CMOS MOS C T H huongct@neu.edu.vn 2.4.2. Sơ đồ chân và ký hiệu trên thân IC ❖Các IC thường được chế tạo ở dạng vỏ dẹt, có 3 loại: ▪ IC một hàng chân SIP (Single Inline Package) hay SIPP (Single In-line Pin Package). ▪ IC có hai hàng chân DIP (Dual Inline Package). ▪ IC chân dạng lưới PGA (Pin Grid Array): vỏ vuông, chân xung quanh. 37 C T H huongct@neu.edu.vn 2.4.2. Sơ đồ chân và ký hiệu trên thân IC ❖Các ký hiệu ở trên thân IC cho biết các thông tin về tên hãng sản xuất, chức năng IC, ❖Người sử dụng có thể tra cứu các thông tin về IC thông qua sổ tay tra cứu IC của các hãng sản xuất. 38 C T H huongct@neu.edu.vn 2.4.3. IC họ TTL và CMOS ❖ IC họ TTL: ▪ IC họ TTL sử dụng cấu trúc nền tảng từ các transistor (BJT) nên có đầy đủ ưu điểm của một Transistor (công suất tiêu thụ thấp), điện áp Vdd = 5V. ▪ Một số ví dụ về IC tích hợp sẵn các cổng logic AND, NAND, NOR: 39 C T H huongct@neu.edu.vn 2.4.3. IC họ TTL và CMOS ❖ IC họ CMOS: ▪ IC họ CMOS sử dụng cấu trúc nền tảng từ các MOSFET nhưng cũng mang khá nhiều đặc điểm nổi trội của TTL ▪ Ban đầu khi mới ra đời tốc độ của các dòng CMOS chậm hơn các dòng TTL rất nhiều, nhưng sau này với hàng loạt cải tiến tốc độ của CMOS đã ngang bằng với TTL. ▪ Hiện nay, các dòng CMOS dần thay thế cho TTL. ▪ Điện áp hoạt động Vdd = 5V - 15V. 40 C T H huongct@neu.edu.vn 2.4.4. Xử lý cổng thừa, đầu vào thừa ❖Xử lý cổng thừa: ▪ Nối các đầu vào của cổng thừa với đất hoặc dương nguồn sao cho đầu ra có mức logic bằng 1. • Vì lúc này công suất tiêu thụ của cổng đạt giá trị nhỏ nhất. ❖Xử lý đầu vào thừa: ▪ Nối các đầu vào thừa với đất hoặc dương nguồn sao cho tính chất của cổng không bị thay đổi hoặc có thể nối chân thừa với một trong các chân đang sử dụng. 41 C T H 42