Giáo trình Các mạch số - Nguyễn Quốc Cường

Nội dung text: Giáo trình Các mạch số - Nguyễn Quốc Cường

1. Các mch s Nguy n Qu c Cưng – 3i Ni dung • Tín hi u và cng logic •H logic CMOS •H logic TTL • Giao ti p TTL/CMOS Digital Circuits 2
2. Tài li u tham kh o • Digital Design: Principles & Practices – John F Wakerly – Printice Hall Digital Circuits 3 Tín hi u logic • Giá tr logic: “0” và “1” • Th ưng s dng “LOW” và “HIGH” thay cho “0” và “1”: – LOW: ng vi di đin áp th p – HIGH: ng vi di đin áp cao • Logic dươ ng: – LOW gán cho “0” – HIGH gán cho “1” • Logic âm: – LOW gán cho “1” – HIGH gán cho “0” Digital Circuits 4
3. • Các mch logic cĩ th đưc mơ t nh ư các hp đen Digital Circuits 5 Mch logic đưc mơ t thơng quan bng chân lý Digital Circuits 6
4. Các cng Digital Circuits 7 Bi u đ th i gian (timing diagram) Digital Circuits 8
5. • Timing diagram: bi u di n s ph thu c ca output vào input theo th i gian: – Tín hi u logic thay đi t 0 đn 1 khơng th c hi n mt cách tc th i Digital Circuits 9 Các h logic • CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) • TTL (Transistor-Transistor Logic) Digital Circuits 10
6. CMOS Logic • MOS logic đưc phát minh tr ưc TTL, tuy nhiên vi c ch to li gp khĩ kh ăn •T 1980s khi cơng ngh bán dn phát tri n, các ICs da trên cơng ngh CMOS dn đưc s dng rng rãi thay th TTL: – Cơng su t tiêu th th p –Mt đ tích hp cao Digital Circuits 11 Mc logic CMOS ðin áp cung cp cho ICs CMOS cĩ th thay đi Vi đin áp cung cp 5V, mc logic: Digital Circuits 12
7. MOS transistor • Cĩ 2 lo i: n-MOS và p-MOS Digital Circuits 13 • n-MOS: – ðin áp ng ưng VT > 0 – Khi VGS 10 6) – Khi VGS > V T dịng đin ID tăng
   Rds gi m (c 10 ohms) -6 – Dịng IG nh (c 10 A) (leakage current) • p-MOS: đin áp ng ưng âm Digital Circuits 14
8. Mch đo cơ bn - CMOS • n-MOS và p-MOS kt hp ti thành mt cp CMOS Digital Circuits 15 Digital Circuits 16
9. • Cách ký hi u khác ca n-MOS và p-MOS trong các mch logic Digital Circuits 17 Digital Circuits 18
10. CMOS NAND Digital Circuits 19 Digital Circuits 20
11. CMOS NOR Digital Circuits 21 Digital Circuits 22
12. Digital Circuits 23 CMOS AND AND = NAND kt hp NOT
    ph c tp hơn NAND Digital Circuits 24
13. buffer Digital Circuits 25 CMOS AND – OR – INVERT gate Digital Circuits 26
14. Digital Circuits 27 CMOS OR-AND-INVERT gate Digital Circuits 28
15. Digital Circuits 29 Mt s thơng s ca ICs CMOS •Mc đin áp logic (Logic voltage levels) • ð dư nhi u DC (DC noise margin) • Fanout •Tc đ • Cơng su t tiêu th • Nhi u •S phĩng tĩnh đin • ðu ra h cc máng (open-drain output) • ðu ra ba tr ng thái (three-states output) Digital Circuits 30
16. Mc logic Th ưng các datasheet khơng đư a dng đ th nh ư trên Digital Circuits 31 • Th ưng s dng các thơng s Digital Circuits 32
17. • Nĩi chung mc đin áp ph thu c vào ngu n cung cp cho ICs CMOS. • Th ưng thì: Digital Circuits 33 Dịng đin input ði vi h CMOS, dịng đin vào chính là dịng dị ca cc gate
    rt nh Nu đu ra ca ICs CMOS ni vào đu vào ca ICs CMOS khác thì mc logic hu nh ư khơng thay đi (do dịng vào ca CMOS nh ) Digital Circuits 34
18. Ho t đng vi ti đin tr • Trong mt s tr ưng hp, đin tr ti nh hưng đn múc logic ti đu ra khi: –Mt output ph i ni vi rt nhi u input CMOS –Mt output ni vi các thi t b cĩ tr kháng vào nh –
    xem xét hi u ng DC load: VOUT at LOW VOHmin Digital Circuits 35 Mơ hình ti là mt ngu n tín hi u và mt ni tr Digital Circuits 36
19. ouput LOW Digital Circuits 37 output HIGH Digital Circuits 38
20. Dịng output • Th c t nhà sn xu t khơng đư a ra các mơ hình tươ ng đươ ng đin tr ca các thi t b
    khơng th áp dng tính giá tr đin áp ti đu ra • Tuy nhiên, th ưng nhà sn xu t đư a ra thơng s sau: Digital Circuits 39 Mt output ca thi t b đưc coi là sink dịng (sinking current) nu dịng đin t ngu n qua ti và qua output ca thi t b ri ti GND Dịng sink th ưng quy ưc cĩ giá tr dươ ng Mt output ca thi t b đưc coi là source dịng (sourcing current) nu dịng đin t ngu n qua qua output ca thi t b qua ti ri ti GND. Dịng source quy ưc cĩ giá tr âm Digital Circuits 40
21. Cơng su t •Vi cu trúc CMOS ti output: luơn cĩ mt transistor “on” và mt “off” – Khi khơng cĩ ti s khơng cĩ dịng đin
    cơng su t bng khơng – Khi cĩ ti dịng đin s qua transistor “on” và qua ti Digital Circuits 41 Fanout • Fanout ca mt gate logic là s input mà nĩ cĩ th điu khi n mà khơng sai lch tín hi u logic • Fanout ph thu c khơng ch vào đc tính ca output mà cịn ph thu c vào tín hi u input điu khi n nĩ •Cn xem xét Fanout c hai tr ưng hp: – Output : LOW – Output : HIGH Digital Circuits 42
22. • LOW-state fanout = IOLmax / IILmax • HIGH-state fanout = IOHmax / IIHmax • Nĩi chung hai h s fanout khơng nh t thi t bng nhau. • Trong thi t k th ưng s dng h s overall fanout = min{LOW-state fanout, HIGH-state fanout} •H s fanout tính nh ư trên đưc coi là DC fanout: tính tốn khi tr ng thái output đã n đnh • Khi tín hi u output bi n đi nhanh cn xem xét h s AC fanout (tác đng ca ti đin dung) Digital Circuits 43 Các input khơng s dng •Cng cĩ (n+1 ) input, nh ưng ng dng yêu cu ch s dng n input
    dư 1 input • Các cách s lý các input khơng s dng Digital Circuits 44
23. • Th c t khi cn làm vi c tc đ cao th ưng s dng cách (b) và (c) hơn là s dng cách (a) vì: – Cách (a) s làm tăng ti đin dung đi vi ngu n tín hi u • Khơng bao gi đ h input khi s dng ICs CMOS Digital Circuits 45 Mt s đc tính đng ca CMOS • Th i gian chuy n tr ng thái (Transition time) • Tr lan truy n (Propagation delay) • Cơng su t tiêu th đng (dynamic power dissipation) Digital Circuits 46
24. Th i gian chuy n tr ng thái Digital Circuits 47 • Transition time: là th i gian đ output chuy n t mt tr ng thái qua mt tr ng thái khác: – rise time (t_r): th i gian chuy n LOW
    HIGH – fall time (t_f) : th i gian chuy n t HIGH
    LOW • Transition time ph thu c: – ðin tr “on” ca các transistor –Ti đin dung (capacitive load) hay ti AC (AC load) •Ti AC do: –T đin ký sinh ca mch output ca gate , th ưng c 2-10 pF –T đin do dây dn ni output vi các input trong mch (ph thu c cơng ngh mch in), th ưng c 1pF cho 1 inch –T đin ca mch input, c 2 đn 15 pF Digital Circuits 48
25. Nh c li Rp và Rn mơ t cho đin tr ca p-MOS và n-MOS Digital Circuits 49 • Hi u ng DC ít tác đng đn transition time
    b qua coi RL = 1 và VL = 0 • Xem xét ví d: –CL = 100pF –Rp “on” = 200 Ω –Rn “on” = 100 Ω Digital Circuits 50
26. Xem xét mch output chuy n t HIGH
    LOW: • Gi thi t các n-MOS và p-MOS chuy n tr ng thái mt cách đng th i Digital Circuits 51 • t = 0
    VOUT = 5V • t = ∞
    VOUT = 0V • Hàm đin áp CL = 100pF Rp “on” = 200 Ω hng s RC là 10ns Rn “on” = 100 Ω Digital Circuits 52
27. • fall time: kho ng th i gian VOUT t 3.5V
    1.5V fall time c 8.5 ns Digital Circuits 53 Digital Circuits 54
28. • Thay đi đin áp ca VOUT khi output chuy n t LOW
    HIGH Digital Circuits 55 Digital Circuits 56
29. • rise time bng kho ng th i gian VOUT t 1.5V đn 3.5V tr = 17ns tr gp 2 ln tf do đin tr “on” ca p-MOS ln gp 2 ln n-MOS Digital Circuits 57 • Trong các datasheet: – tr cĩ th ký hi u tTLH : Transition LOW
    HIGH – tf cĩ th ký hi u tTHL : Transition HIGH
    LOW Digital Circuits 58
30. Tr lan truy n (Propagation Delay) • Tr lan truy n: là kho ng th i gian đ th i gian t khi input thay đi cho đn khi output thay đi Digital Circuits 59 • Th ưng thì tpLH và tpHL đưc đo ti đim gi a nh ư ch ra trên hình v Digital Circuits 60
31. Cơng su t tiêu th • Nh c li: – Cơng su t tiêu th khi output ca mch khơng thay đi đưc gi là tiêu tán cơng su t tĩnh (static power dissipation) – Cơng su t tiêu th khi output chuy n tr ng thái đưc gi là s tiêu tán cơng su t đng (dynamic power dissipation) • ICs CMOS: – Tiêu tán cơng su t tĩnh là nh – Tiêu tán cơng su t đng ln Digital Circuits 61 Tiêu tán cơng su t bên trong mch • Trong th i gian chuy n tr ng thái c n-MOS và p-MOS đu dn
    to ra đin tr c 600 Ω ho c nh hơn t VDD đn GND
    cơng su t tn hao ln. • Tiêu tán cơng su t trong mch ph thu c: – Giá tr ngu n cung cp –Tn s chuy n tr ng thái ca output Digital Circuits 62
32. Digital Circuits 63 •Lưu ý: transition frequency trong cơng th c trên s bng s transition trong mt giây chia 2 • Th ưng nhà sn xu t yêu cu tín hi u input ph i thay đi đ nhanh trong mt kho ng ph m vi cho phép đ cơng su t tiêu tán nh Digital Circuits 64
33. Tiên tán cơng su t do ti đin dung •Vi ti đin dung C L: – Khi output LOW
    HIGH: dịng đin np t VCC qua Rp “on” ti CL: • khi t
    ∞ Vtrên t = V CC , đin tích np là VCC · CL – Khi output HIGH
    LOW: dịng x t CL qua Rn “on”: • khi t
    ∞ Vtrên t = 0, đin tích x là VCC · CL – Cơng su t tiêu tn trên 2 đin tr R_n và R_p do ti đin dung C_L vi tn s tín hi u là f (trong 1 giây s cĩ 2f ln chuy n tr ng thái): Digital Circuits 65 •Tn hao cơng su t đng Digital Circuits 66
34. ðu ra ba tr ng thái • Th ưng output cĩ 2 tr ng thái – LOW ng vi logic 0 – HIGH ng vi logic 1 • Tuy nhiên cĩ mch output cĩ 3 tr ng thái (three-state output hay tri-state output): – LOW – HIGH – High impedance, Hi-Z hay floating state • Các output tr ng thái Hi-Z cĩ th ni vi nhau mà khơng làm nh hưng đn ho t đng chung – Tuy nhiên vn tn ti mt dịng dị ch y vào ho c ra kh i output (dịng rt nh c 0.1 µA đn 1 µA) Digital Circuits 67 Mt gate cĩ output 3 tr ng thái thì cĩ thêm mt input đc bi t EN (Enable): -EN tích cc
    output cĩ th cĩ tr ng thái LOW ho c HIGH -EN khơng tích cc
    output tr ng thái Hi-Z Digital Circuits 68
35. ðu ra h cc máng (open-drain output) p-MOS khơng đưc s dng nh ư mt active pull-up resistor cc D ca n-MOS đ h Digital Circuits 69 • Khi s dng cn ni mt pull-up resistor bên ngồi ðin tr pull-up ngồi cĩ giá tr sao cho dịng sink ch y vào output trong mc LOW nh hơn giá tr cho phép IOLmax Digital Circuits 70
36. •S dng open-drain: – ðiu khi n LED và thi t b ngo i vi –Ni dây logic (wired logic) –H bus nhi u ngu n (multisource bus) Digital Circuits 71 ðiu khi n LED Digital Circuits 72
37. Multisource bus • EN = 0
    thơng tin khơng đưc đư a lên bus • EN = 1
    thơng tin tươ ng ng đưc đư a lên bus Digital Circuits 73 Wired logic Ni các open-drain cho phép th c hi n ch c năng AND Digital Circuits 74
38. Các dịng CMOS • 4000: – là lo i CMOS đu tiên (50ns, 0.1mW), mc đin áp là khơng tươ ng thích vi TTL • 74Cxx: CMOS – lo i CMOS cĩ đc tính gn vi lo i 4000, nh ưng cĩ ch c năng và sơ đ chân vi mch tươ ng ng vĩi TTL • 74HCxx: High-Speed CMOS – là lo i 74C cĩ tc đ cao • 74 HCTxx: High-Speed CMOS, TTL compatible – hồn tồn tươ ng thích vi TTL • 74 VHCxx: Very-High Speed CMOS • 74 VHCTxx: Very-High Speed CMOS, TTL compatible Digital Circuits 75 bng sau s đư a ra mt s đc tính đin ca IC : 74xx00 (NAND) và 74xx138( gi mã 3-8) Digital Circuits 76
39. Digital Circuits 77 • Total power dissipation • Speed-Power Product: Digital Circuits 78
40. Digital Circuits 79 Digital Circuits 80
41. Digital Circuits 81 Digital Circuits 82
42. Digital Circuits 83 Digital Circuits 84
43. Mch logic lưng cc •Da trên cơng ngh bipolar: – Diode – Transistor lưng cc – Schottky transistor Digital Circuits 85 Diode Digital Circuits 86
44. ðc tính Digital Circuits 87 Mơ hình Digital Circuits 88
45. Mch logic s dng diode Digital Circuits 89 Digital Circuits 90
46. Bipolar junction transistor Digital Circuits 91 Digital Circuits 92
47. transistor logic Digital Circuits 93 Digital Circuits 94
48. Digital Circuits 95 Schottky transistor • storage time: – Khi BJT đang tr ng thái “ON” (saturation) mu n chuy n qua tr ng thái “OFF” (cut-off) cn mt kho ng th i gian ln – ð gi m storage time cn tránh cho BJT tr ng thái saturation Digital Circuits 96
49. Digital Circuits 97 off
    on on
    off Digital Circuits 98
50. Schottky diode khác vi diode th ưng là đin áp rơi trên diode c 0.25V (thay vì 0.6V) Khi BJT “ON”: VBE = 0.6V VBC = 0.25V VCE = 0.35V > VCEsat = 0.2V Digital Circuits 99 Digital Circuits 100
51. Digital Circuits 101 ðin áp ca collector khơng v 0 do diode clammping th i gian on
    off gi m Digital Circuits 102
52. Mch logic s dng Schottky transistor Digital Circuits 103 Transistor-Transistor logic •Mch logic thơng dng hi n nay da trên cơng ngh bipolar là TTL (Transistor-Transistor logic) • Cĩ nhi u h TTL: – TTL standard – LS-TTL (Low-power Schottky TTL) Digital Circuits 104
53. Digital Circuits 105 • D1X và D1Y và R1: to ra mch AND • D2X và D2Y : bo v mch khi input cĩ đin th âm (bình th ưng khơng ho t đng) • phase splitter: to bi Q2 và các đin tr – Khi VA = LOW
    Q2 = “OFF” – Khi VA = HIGH
    Q2 = “ON” • output stage: to bi Q4 và Q5: –Ti mt th i đim n đnh ch mt trong 2 transistor làm vi c – Q4 = “ON”
    Z = HIGH – Q5 = “ON”
    Z = LOW • R5: hn ch dịng khi ti th i đim chuy n tr ng thái c Q4 và Q5 đu “ON” • Tác dng ca Q3 và Q6: – Q3: mc Darlington vi Q4
    tăng h s khu ch đi dịng – Q6: thay đin tr pull-dow làm cho Q5 “ON” và “OFF” nhanh hơn Digital Circuits 106
54. Digital Circuits 107 Digital Circuits 108
55. Digital Circuits 109 Mc logic và đ dư ch ng nhi u Digital Circuits 110
56. Fanout Digital Circuits 111 Các input khơng s dng •X lý gi ng nh ư đi vi CMOS •Mc dù nu input khơng đưc ni vi TTL s đưc hi u là input = HIGH. Tuy nhiên cĩ th b nh hưng ca nhi u Digital Circuits 112
57. Digital Circuits 113 Digital Circuits 114
58. Open-collector Digital Circuits 115 Mch 3 tr ng thái •Tươ ng t nh ư mch CMOS 3 tr ng thái: – Thêm tín hi u điu khi n 3 tr ng thái EN – 2 transistor BJT ti output s đu tr ng thái “OFF” khi EN khơng tích cc Digital Circuits 116
59. Các h TTL • 74-xx: h TTL chu n, hi n nay ít s dng • 74Sxx: Schottky TTL –Tc đ cao hơn 74xx TTL chu n nh ưng cơng su t tiêu th ln hơn. • 74LSxx: Low-power Schottky TTL –Tc đ nh ư 74xx TTL chu n nh ưng cơng su t nh hơn c 1/5 • 74ASxx: Advanced Schottky TTL –Tc đ gp 2 ln 74S nh ưng cơng su t tiêu th tươ ng đươ ng • 74ALSxx: Advanced Low-power Schottky TTL –Tc đ cao hơn 74LS và cơng su t nh hơn • 74Fxx: Fast TTL – ðc tính nm gi a AS và ALS Digital Circuits 117 Digital Circuits 118
60. data sheet Digital Circuits 119 Digital Circuits 120
61. Digital Circuits 121 Digital Circuits 122
62. Giao ti p TTL/CMOS •Nu h th ng thi t k cùng h IC
    khơng cĩ vn đ gì, quan tâm ch yu là – fanout – ti đin dung •Nu h th ng cĩ nhi u h IC logic: Xem xét tính tươ ng thích: – m
    c logic output và input – fanout – ti đin dung Digital Circuits 123 mc logic Nu thi t b output A điu khi n thi t input B: VOHminA >VIHminB VOLmaxA < VILmaxB Digital Circuits 124
63. fanout • ph i đm bo: –IOHmax > Σ IIHmax –IOLmax > Σ IIHmax Digital Circuits 125 ti đin dung • Khi ti đin dung tăng s làm: – tăng cơng su t tn hao – tăng th i gian tr Digital Circuits 126