Điện điện tử - 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: ứng với dải ñiện áp thấp – HIGH: ứng với dải ñiện 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 hiệu logic thay ñổi từ 0 ñến 1 không thực hiện một cách tức thời 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 suất tiêu thụ thấp – Mật ñộ tích hợp 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: – ðiện áp ngưỡng VT > 0 – Khi VGS 106) – Khi VGS > VT dòng ñiện ID tăng
Rds giảm (cỡ 10 ohms) – Dòng IG nhỏ (cỡ 10-6A) (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: – Một output phải nối với rất nhiều input CMOS – Một output nối với các thiết bị có trở kháng vào nhỏ – ....
xem xét hiệu ứng DC load: VOUT at LOW < VOLmax VỌUT at HIGH > VOHmin 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 tải sẽ không có dòng ñiện
công suất bằng không – Khi có tải dòng ñiện sẽ qua transistor “on” và qua tải 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 = IOLmax / IILmax • HIGH-state fanout = IOHmax / IIHmax • 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) sẽ làm tăng tải ñiện dung ñối với nguồn tín hiệu • 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 thời gian ñể output chuyển từ một trạng thái qua một trạng thái khác: – rise time (t_r): thời gian chuyển LOW
HIGH – fall time (t_f) : thời gian chuyển từ HIGH
LOW • Transition time phụ thuộc: – ðiện trở “on” của các transistor – Tải ñiện dung (capacitive load) hay tải AC (AC load) • Tải 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 Rp và Rn 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 RL = 1 và VL = 0 • Xem xét ví dụ: – CL = 100pF – Rp “on” = 200 Ω – Rn “on” = 100 Ω Digital Circuits 51 Xem xét mạch output chuyển từ HIGH
LOW: • Giả thiết các n-MOS và p-MOS chuyển trạng thái một cách ñồng thời Digital Circuits 52 • t = 0
VOUT = 5V • t = ∞
VOUT = 0V • Hàm ñiện áp CL = 100pF Rp “on” = 200 Ω Rn “on” = 100 Ω hằng số RC là 10ns Digital Circuits 53 • fall time: khoảng thời gian VOUT từ 3.5V
1.5V fall time cỡ 8.5 ns Digital Circuits 54 Digital Circuits 55 • Thay ñổi ñiện áp của VOUT khi output chuyển từ LOW
HIGH Digital Circuits 56 Digital Circuits 57 • rise time bằng khoảng thời gian VOUT từ 1.5V ñến 3.5V tr = 17ns tr gấp 2 lần tf do ñiện trở “on” của p-MOS lớn gấp 2 lần n-MOS Digital Circuits 58 • Trong các datasheet: – tr có thể ký hiệu tTLH : Transition LOW
HIGH – tf có thể ký hiệu tTHL : Transition HIGH
LOW Digital Circuits 59 Trễ lan truyền (Propagation Delay) • Trễ lan truyền: là khoảng thời gian ñể thời gian từ khi input thay ñổi cho ñến khi output thay ñổi Digital Circuits 60 • Thường thì tpLH và tpHL ñược ño tại ñiểm giữa như chỉ ra trên hình vẽ Digital Circuits 61 Công suất tiêu thụ • Nhắc lại: – Công suất tiêu thụ khi output của mạch không thay ñổi ñược gọi là tiêu tán công suất tĩnh (static power dissipation) – Công suất tiêu thụ khi output chuyển trạng thái ñược gọi là sự tiêu tán công suất ñộng (dynamic power dissipation) • ICs CMOS: – Tiêu tán công suất tĩnh là nhỏ – Tiêu tán công suất ñộng lớn Digital Circuits 62 Tiêu tán công suất bên trong mạch • Trong thời gian chuyển trạng thái cả n-MOS và p-MOS ñều dẫn
tạo ra ñiện trở cỡ 600 Ω hoặc nhỏ hơn từ VDD ñến GND
công suất tổn hao lớn. • Tiêu tán công suất trong mạch phụ thuộc: – Giá trị nguồn cung cấp – Tần số chuyển trạng thái của output Digital Circuits 63 Digital Circuits 64 • Lưu ý: transition frequency trong công thức trên sẽ bằng số transition trong một giây chia 2 • Thường nhà sản xuất yêu cầu tín hiệu input phải thay ñổi ñủ nhanh trong một khoảng phạm vi cho phép ñể công suất tiêu tán nhỏ Digital Circuits 65 Tiên tán công suất do tải ñiện dung • Với tải ñiện dung CL: – Khi output LOW
HIGH: dòng ñiện nạp từ VCC qua Rp “on” tới CL: • khi t
∞ Vtrên tụ = VCC, ñiện tích nạp là VCC · CL – Khi output HIGH
LOW: dòng xả từ CL qua Rn “on”: • khi t
∞ Vtrên tụ = 0, ñiện tích xả là VCC · CL – Công suất tiêu tốn trên 2 ñiện trở R_n và R_p do tải ñiện dung C_L với tần số tín hiệu là f (trong 1 giây sẽ có 2f lần chuyển trạng thái): Digital Circuits 66 • Tổn hao công suất ñộng Digital Circuits 67 ðầu ra ba trạng thái • Thường output có 2 trạng thái – LOW ứng với logic 0 – HIGH ứng với logic 1 • Tuy nhiên có mạch output có 3 trạng thái (three-state output hay tri-state output): – LOW – HIGH – High impedance, Hi-Z hay floating state • Các output ở trạng thái Hi-Z có thể nối với nhau mà không làm ảnh hưởng ñến hoạt ñộng chung – Tuy nhiên vẫn tồn tại một dòng dò chảy vào hoặc ra khỏi output (dòng rất nhỏ cỡ 0.1µA ñến 1 µA) Digital Circuits 68 Một gate có output 3 trạng thái thì có thêm một input ñặc biệt EN (Enable): -EN tích cực
output có thể có trạng thái LOW hoặc HIGH -EN không tích cực
output ở trạng thái Hi-Z Digital Circuits 69 ðầu ra hở cực máng (open-drain output) p-MOS không ñược sử dụng như một active pull-up resistor cực D của n-MOS ñể hở Digital Circuits 70 • Khi sử dụng cần nối một pull-up resistor bên ngoài ðiện trở pull-up ngoài có giá trị sao cho dòng sink chảy vào output trong mức LOW nhỏ hơn giá trị cho phép IOLmax Digital Circuits 71 • Sử dụng open-drain: – ðiều khiển LED và thiết bị ngoại vi – Nối dây logic (wired logic) – Hệ bus nhiều nguồn (multisource bus) Digital Circuits 72 ðiều khiển LED Digital Circuits 73 Multisource bus • EN = 0
thông tin không ñược ñưa lên bus • EN = 1
thông tin tương ứng ñược ñưa lên bus Digital Circuits 74 Wired logic Nối các open-drain cho phép thực hiện chức năng AND Digital Circuits 75 Các dòng CMOS • 4000: – là loại CMOS ñầu tiên (50ns, 0.1mW), mức ñiện áp là không tương thích với TTL • 74Cxx: CMOS – loại CMOS có ñặc tính gần với loại 4000, nhưng có chức năng và sơ ñồ chân vi mạch tương ứng vói TTL • 74HCxx: High-Speed CMOS – là loại 74C có tốc ñộ cao • 74 HCTxx: High-Speed CMOS, TTL compatible – hoàn toàn tương thích với TTL • 74 VHCxx: Very-High Speed CMOS • 74 VHCTxx: Very-High Speed CMOS, TTL compatible Digital Circuits 76 bảng sau sẽ ñưa ra một số ñặc tính ñiện của IC : 74xx00 (NAND) và 74xx138( giả mã 3-8) Digital Circuits 77 Digital Circuits 78 • Total power dissipation • Speed-Power Product: Digital Circuits 79 Digital Circuits 80 Digital Circuits 81 Digital Circuits 82 Digital Circuits 83 Digital Circuits 84 Digital Circuits 85 Mạch logic lưỡng cực • Dựa trên công nghệ bipolar: – Diode – Transistor lưỡng cực – Schottky transistor Digital Circuits 86 Diode Digital Circuits 87 ðặc tính Digital Circuits 88 Mô hình Digital Circuits 89 Mạch logic sử dụng diode Digital Circuits 90 Digital Circuits 91 Bipolar junction transistor Digital Circuits 92 Digital Circuits 93 tra n sisto r logic Digital Circuits 94 Digital Circuits 95 Digital Circuits 96 Schottky transistor • storage time: – Khi BJT ñang ở trạng thái “ON” (saturation) muốn chuyển qua trạng thái “OFF” (cut-off) cần một khoảng thời gian lớn – ðể giảm storage time cần tránh cho BJT ở trạng thái saturation Digital Circuits 97 Digital Circuits 98 off
on on
off Digital Circuits 99 Schottky diode khác với diode thường là ñiện áp rơi trên diode cỡ 0.25V (thay vì 0.6V) Khi BJT “ON”: VBE = 0.6V VBC = 0.25V VCE = 0.35V > VCEsat = 0.2V Digital Circuits 100 Digital Circuits 101 Digital Circuits 102 thời gian on
off giảmðiện áp của collector không về 0 do diode clammping Digital Circuits 103 Mạch logic sử dụng Schottky transistor Digital Circuits 104 Transistor-Transistor logic • Mạch logic thông dụng hiện nay dựa trên công nghệ bipolar là TTL (Transistor-Transistor logic) • Có nhiều họ TTL: – TTL standard – LS-TTL (Low-power Schottky TTL) Digital Circuits 105 Digital Circuits 106 • D1X và D1Y và R1: tạo ra mạch AND • D2X và D2Y : bảo vệ mạch khi input có ñiện thế âm (bình thường không hoạt ñộng) • phase splitter: tạo bởi Q2 và các ñiện trở – Khi VA = LOW
Q2 = “OFF” – Khi VA = HIGH
Q2 = “ON” • output stage: tạo bởi Q4 và Q5: – Tại một thời ñiểm ổn ñịnh chỉ một trong 2 transistor làm việc – Q4 = “ON”
Z = HIGH – Q5 = “ON”
Z = LOW • R5: hạn chế dòng khi tại thời ñiểm chuyển trạng thái cả Q4 và Q5 ñều “ON” • Tác dụng của Q3 và Q6: – Q3: mắc Darlington với Q4
tăng hệ số khuếch ñại dòng – Q6: thay ñiện trở pull-dow làm cho Q5 “ON” và “OFF” nhanh hơn Digital Circuits 107 Digital Circuits 108 Digital Circuits 109 Digital Circuits 110 Mức logic và ñộ dư chống nhiễu Digital Circuits 111 Fanout Digital Circuits 112 Các input không sử dụng • Xử lý giống như ñối với CMOS • Mặc dù nếu input không ñược nối với TTL sẽ ñược hiểu là input = HIGH. Tuy nhiên có thể bị ảnh hưởng của nhiễu Digital Circuits 113 Digital Circuits 114 Digital Circuits 115 Open-collector Digital Circuits 116 Mạch 3 trạng thái • Tương tự như mạch CMOS 3 trạng thái: – Thêm tín hiệu ñiều khiển 3 trạng thái EN – 2 transistor BJT tại output sẽ ñều ở trạng thái “OFF” khi EN không tích cực Digital Circuits 117 Các họ TTL • 74-xx: họ TTL chuẩn, hiện nay ít sử dụng • 74Sxx: Schottky TTL – Tốc ñộ cao hơn 74xx TTL chuẩn nhưng công suất tiêu thụ lớn hơn. • 74LSxx: Low-power Schottky TTL – Tốc ñộ như 74xx TTL chuẩn nhưng công suất nhỏ hơn cỡ 1/5 • 74ASxx: Advanced Schottky TTL – Tốc ñộ gấp 2 lần 74S nhưng công suất tiêu thụ tương ñương • 74ALSxx: Advanced Low-power Schottky TTL – Tốc ñộ cao hơn 74LS và công suất nhỏ hơn • 74Fxx: Fast TTL – ðặc tính nằm giữa AS và ALS Digital Circuits 118 Digital Circuits 119 data sheet Digital Circuits 120 Digital Circuits 121 Digital Circuits 122 Digital Circuits 123 Giao tiếp TTL/CMOS • Nếu hệ thống thiết kế cùng họ IC
không có vần ñề gì, quan tâm chủ yếu là – fanout – tải ñiện dung • Nếu hệ thống có nhiều họ IC logic: Xem xét tính tương thích: – m
c logic output và input – fanout – tải ñiện dung Digital Circuits 124 mức logic Nếu thiết bị output A ñiều khiển thiết input B: VOHminA >VIHminB VOLmaxA < VILmaxB Digital Circuits 125 fanout • phải ñảm bảo: – IOHmax > Σ IIHmax – IOLmax > Σ IIHmax Digital Circuits 126 tải ñiện dung • Khi tải ñiện dung tăng sẽ làm: – tăng công suất tổn hao – tăng thời gian trễ