Điện, điện tử - Chương 6: Giới thiệu về IC

Chương 6: Giới thiệu về IC 6.1 Khái niệm 6.2 Đặc điểm 6.3 Phân loại 1. Khái niệm:  IC (Intergated-Circuit) là một mạch điện tử mà các thành phần tác động và thụ động đều được chế tạo trong hoặc trên một đế (subtrate) hay thân hoặc không thể tách rời nhau được. Đế này, có thể là một phiến bán dẫn (hầu hết là Si) hoặc một phiến cách điện. Ý tưởng này lần đầu tiên được đưa ra bởi Dummer năm 1952. Các mạch tích hợp đầu tiên được phát minh bởi Kilby năm 1958 1. Khái niệm: Những hệ thống điện tử công phu và phức tạp gồm rất nhiều thành phần, bộ phận. Do đó nảy ra nhiều vấn đề cần giải quyết: 1. Khoảng không gian mà số lượng lớn các thành phần chiếm đoạt (thể tích). Một máy tính điện tử cần dùng đến hàng triệu, hàng vài chục triệu bộ phận rời. Nếu không thực hiện bằng mạch IC, thì không những thể tích của nó sẽ lớn một cách bất tiện mà điện năng cung cấp cho nó cũng sẽ vô cùng phức tạp. Mà nếu có thỏa mãn chăng nữa, thì máy cũng không thực dụng. 1. Khái niệm: 2. Độ khả tín (reliability) của hệ thống điện tử: là độ đáng tin cậy trong hoạt động đúng theo tiêu chuẩn thiết kế. Độ khả tín của một hệ thống tất nhiên phụ thuộc vào độ khả tín của các thành phần cấu thành và các bộ phận nối tiếp giữa chúng. Hệ thống cáng phức tạp, số bộ phận càng tăng và chỗ nối tiếp càng nhiều. Vì vậy, nếu dùng bộ phận rời cho các hệ thống phức tạp, độ khả tín của nó sẽ giảm thấp. Một hệ thống như vậy sẽ trục trặc rất nhanh. 1. Khái niệm: 3. Tuổi thọ trung bình t của một hệ thống điện tử gồm n thành phần sẽ là: Nếu t1=t2=...=tn thì Vậy nếu một transistor có tuổi thọ là 108h, thì một máy tính gồm 500000 ngàn transistor sẽ chỉ có tuổi thọ là 108/5.105=200 giờ Các thành phần trong IC được chế tạo đồng thời và cũng cùng phương pháp, nên tuổi thọ IC xấp xỉ một tuổi thọ một transistor planar 2.Giới thiệu: Năm 1947 1950 1961 1966 1971 1980 1985 1990 Công nghệ Phát minh Transi -stor Linh kiện rời SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI Số Transistor trên 1 chip trong các sản phẩm thương mại 1 1 10 100  1000 1000  20000 20000  500000 >500000 >1000000 Các sản phẩm tiêu biểu BJT Diode Linh kiện planar, Cổng logic, Flip Flop Mạch đếm, đa hợp, mạch cộng Vi xử lý 8 bit, ROM, RAM Vi xử lý 16 và 32 bit Vi xử lý chuyên dụng, xử lý ảnh, thờI gian thực 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 theo qui mô lớn GSI: Ultra large scale integration: Tích hợp qui mô khổng lồ 2.Giới thiệu: Tóm lại, công nghệ IC đưa đến những điểm lợi so với kỹ thuật linh kiện rời như sau: - Giá thành sản phẩm hạ - Kích cỡ nhỏ - Độ khả tín cao (tất cả các thành phần được chế tạo cùng lúc và không có những điểm hàn, nối). - Tăng chất lượng (do giá thành hạ, các mặt phức tạp hơn có thể được chọn để hệ thống đạt đến những tính năng tốt nhất). - Các linh kiện được phối hợp tốt (matched). Vì tất cả các transistor được chế tạo đồng thời và cùng một qui trình nên các thông số tương ứng của chúng về cơ bản có cùng độ lớn đối với sự biến thiên của nhiệt độ. - Tuổi thọ cao. Các đại lượng điện đặc trưng :  VCC: Điện thế nguồn (power supply): khoảng điện thế cho phép cấp cho IC để hoạt động tốt. Thí dụ với IC số họ TTL, VCC=5±0,5 V , họ CMOS VDD=3-15V (Người ta thường dùng ký hiệu VDD và VSS để chỉ nguồn và mass của IC họ MOS)  VIH(min): Điện thế ngã vào mức cao (High level input voltage): Đây là điện thế ngã vào nhỏ nhất còn được xem là mức 1  VIL(max): Điện thế ngã vào mức thấp (Low level input voltage): Điện thế ngã vào lớn nhất còn được xem là mức 0.  VOH(min): Điện thế ngã ra mức cao (High level output voltage): Điện thế nhỏ nhất của ngã ra khi ở mức cao.  VOL(max): Điện thế ngã ra mức thấp (Low level output voltage): Điện thế lớn nhất của ngã ra khi ở mức thấp. Các đại lượng điện đặc trưng : IIH: Dòng điện ngã vào mức cao (High level input current): Dòng điện lớn nhất vào ngã vào IC khi ngã vào này ở mức cao. IIL: Dòng điện ngã vào mức thấp (Low level input current) : Dòng điện ra khỏi ngã vào IC khi ngã vào này ở mức thấp IOH: Dòng điện ngã ra mức cao (High level output current): Dòng điện lớn nhất ngã ra có thể cấp cho tải khi nó ở mức cao. IOL: Dòng điện ngã ra mức thấp (Low level output current): Dòng điện lớn nhất ngã ra có thể nhận khi ở mức thấp. ICCH,ICCL: Dòng điện chạy qua IC khi ngã ra lần lượt ở mức cao và thấp. Ngoài ra còn một số thông số khác được nêu ra dưới đây Công suất tiêu tán (Power requirement) Mỗi IC khi hoạt động sẽ tiêu thụ một công suất từ nguồn cung cấp VCC (hay VDD). Công suất tiêu tán này xác định bởi điện thế nguồn và dòng điện qua IC. Do khi hoạt động dòng qua IC thường xuyên thay đổi giữa hai trạng thái cao và thấp nên công suất tiêu tán sẽ được tính từ dòng trung bình qua IC và công suất tính được là công suất tiêu tán trung bình Trong đó Đối với các cổng logic họ TTL, công suất tiêu tán ở hàng mW và với họ MOS thì chỉ ở hàng nW. Fan-Out: Một cách tổng quát, ngã ra của một mạch logic đòi hỏi phải cấp dòng cho một số ngã vào các mạch logic khác. Fan Out là số ngã vào lớn nhất có thể nối với ngã ra của một IC cùng loại mà vẫn bảo đảm mạch hoạt động bình thường. Nói cách khác Fan Out chỉ khả năng chịu tải của một cổng logic Ta có hai loại Fan-Out ứng với 2 trạng thái logic của ngã ra: Thường hai giá trị Fan-Out này khác nhau, khi sử dụng, để an toàn, ta nên dùng trị nhỏ nhất trong hai trị này. Fan-Out được tính theo đơn vị Unit Load UL (tải đơn vị). Thời gian trễ truyền (Propagation delays) Tín hiệu logic khi truyền qua một cổng luôn luôn có một thời gian trễ. Có hai loại thời trễ truyền: Thời trễ truyền từ thấp lên cao tPLH và thời trễ truyền từ cao xuống thấp tPHL. Hai giá trị này thường khác nhau. Sự thay đổi trạng thái được xác định ở tín hiệu ra. Thí dụ tín hiệu qua một cổng đảo, thời trễ truyền được xác định như ở (H 3.14) Tùy theo họ IC, thời trễ truyền thay đổi tử vài ns đến vài trăm ns. Thời trễ truyền càng lớn thì tốc độ làm việc của IC càng nhỏ. Tích số công suất-vận tốc (speed- power product) Để đánh giá chất lượng IC, người ta dùng đại lượng tích số công suất- vận tốc đó là tích số công suất tiêu tán và thời trễ truyền. Thí dụ họ IC có thời trễ truyền là 10 ns và công suất tiêu tán trung bình là 50 mW thì tích số công suất-vận tốc là: 10 ns x 5 mW =10.10-9x5.10-3 = 50x10-12 watt-sec = 50 picojoules (pj) Trong quá trình phát triển của công nghệ chế tạo IC người ta luôn muốn đạt được các IC có công suất tiêu tán và thời trễ truyền càng nhỏ càng tốt. Như vậy một IC có chất lượng càng tốt khi tích số công suất-vận tốc càng nhỏ. Tuy nhiên trên thực tế hai giá trị này thay đổi theo chiều ngược với nhau, nên ta khó mà đạt được các giá trị theo ý muốn, dù sao trong quá trình phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử trị số này luôn được cải thiện . Tính miễn nhiễu (noise immunity) Các tín hiệu nhiễu như tia lửa điện, cảm ứng từ có thể làm thay đổi trạng thái logic của tín hiệu do đó ảnh hưởng đến kết quả hoạt động của mạch. Tính miễn nhiễu của một mạch logic tùy thuộc khả năng dung nạp hiệu thế nhiễu của mạch và được xác định bởi lề nhiễu. Lề nhiễu có được do sự chênh lệch của các điện thế giới hạn (còn được gọi là ngưỡng logic) của mức cao và thấp giữa ngã ra và ngã vào của các cổng Tính miễn nhiễu (noise immunity) Tín hiệu khi vào mạch logic được xem là mức 1 khi có trị >VIH(min) và là mức 0 khi <V IL(max). Điện thế trong khoảng giữa không ứng với một mức logic nào nên gọi là vùng bất định. Do có sự khác biệt giữa VOH(min) với VIH(min) và VOL(max) với VIL(max) nên ta có 2 giá trị lề nhiễu: Lề nhiễu mức cao: VNH = VOH(min) - VIH(min) Lề nhiễu mức thấp: VNL = VIL(max) - VOL(max) Khi tín hiệu ra ở mức cao đưa vào ngã vào, bất cứ tín hiệu nhiễu nào có giá trị âm và biên độ >VNH đều làm cho điện thế ngã vào rơi vào vùng bất định và mạch không nhận ra được tín hiệu thuộc mức logic nào. Tương tự cho trường hợp ngã ra ở mức thấp tín hiệu nhiễu có trị dương biên độ >VNL sẽ đưa mạch vào trạng thái bất định. Logic cấp dòng và logic nhận dòng Một mạch logic thường gồm nhiều tầng kết nối với nhau. Tầng cấp tín hiệu gọi là tầng thúc và tầng nhận tín hiệu gọi là tầng tải. Sự trao đổi dòng điện giữa hai tầng thúc và tải thể hiện bởi logic cấp dòng và logic nhận dòng. (H a) cho thấy hoạt động gọi là cấp dòng: Khi ngã ra mạch logic 1 ở mức cao, nó cấp dòng IIH cho ngã vào của mạch logic 2, vai trò như một tải nối mass. Ngã ra cổng 1 như là một nguồn dòng cấp cho ngã vào cổng 2 (H b) cho thấy hoạt động gọi là nhận dòng: Khi ngã ra mạch logic 1 ở mức thấp, nó nhận dòng IIL từ ngã vào của mạch logic 2 xem như nối với nguồn VCC. (a) (b) Logic cấp dòng và logic nhận dòng Thường dòng nhận của tầng thúc khi ở mức thấp có trị khá lớn so với dòng cấp của nó khi ở mức cao, nên người ta hay dùng trạng thái này khi cần gánh những tải tương đối nhỏ, ví dụ khi chỉ cần thúc cho một led, người ta có thể dùng mạch (a) mà không thể dùng mạch (b) ◦ (a) (b) Tính Schmitt Trigger Trong phần giới thiệu lề nhiễu, ta thấy còn một khoảng điện thế nằm giữa các ngưỡng logic, đây chính là khoảng điện thế ứng với transistor làm việc trong vùng tác động. Khoảng cách này xác định lề nhiễu và có tác dụng làm giảm độ rộng sườn xung (tức làm cho đường dốc lên và dốc xuống của tín hiệu ra dốc hơn) khi qua mạch. Lề nhiễu càng lớn khi vùng chuyển tiếp của ngã vào càng nhỏ, tín hiệu ra thay đổi trạng thái trong một khoảng thời gian càng nhỏ nên sườn xung càng dốc. Tuy nhiên vẫn còn một khoảng sườn xung nằm trong vùng chuyển tiếp nên tín hiệu ra không vuông hoàn toàn. (H 3.18a) và (H 3.18b) minh họa điều đó Tính Schmitt Trigger Để cải thiện hơn nữa dạng tín hiệu ngã ra, bảo đảm tính miễn nhiễu cao, người ta chế tạo các cổng có tính trễ điện thế (H 3.19a), được gọi là cổng Schmitt Trigger (H 3.19b) mô tả mối quan hệ giữa Vout và Vin của một cổng đảo Schmitt Trigger. ký hiệu các cổng Schmitt Trigger HỌ TTL Trong quá trình phát triển của công nghệ chế tạo mạch số ta có các họ: RTL (Resistortransistor logic), DCTL (Direct couple-transistor logic), RCTL (Resistor-Capacitor-transistor logic), DTL (Diod-transistor logic), ECL (Emitter- couple logic) v.v.... Đến bây giờ tồn tại hai họ có nhiều tính năng kỹ thuật cao như thời trễ truyền nhỏ, tiêu hao công suất ít, đó là họ TTL (transistor-transistor logic) dùng công nghệ chế tạo BJT và họ MOS (Công nghệ chế tạo MOS) Dưới đây, lần lượt khảo sát các cổng logic của hai họ TTL và MOS Cổng cơ bản họ TTL Lấy cổng NAND 3 ngã vào làm thí dụ để thấy cấu tạo và vận hành của một cổng cơ bản Khi một trong các ngã vào A, B, C xuống mức không T1 dẫn đưa đến T2 ngưng, T3 ngưng, ngã ra Y lên cao; khi cả 3 ngã vào lên cao, T1 ngưng, T2 dẫn, T3 dẫn, ngã ra Y xuống thấp. Đó chính là kết quả của cổng NAND. Tụ CL trong mạch chính là tụ ký sinh tạo bởi sự kết hợp giữa ngã ra của mạch (tầng thúc) với ngã vào của tầng tải, khi mạch hoạt động tụ sẽ nạp điện qua R4 (lúc T3 ngưng) và phóng qua T3 khi transistor này dẫn do đó thời trễ truyền của mạch quyết định bởi R4 và CL, khi R4 nhỏ mạch hoạt động nhanh nhưng công suất tiêu thụ lúc đó lớn, muốn giảm công suất phải tăng R4 nhưng như vậy thời trễ truyền sẽ lớn hơn (mạch giao hoán chậm hơn). Để giải quyết khuyết điểm này đồng thời thỏa mãn một số yêu cầu khác , người ta đã chế tạo các cổng logic với các kiểu ngã ra khác nhau. Các kiểu ngõ ra @ Ngã ra totempole R4 trong mạch cơ bản được thay thế bởi cụm T4, RC và Diod D, trong đó RC có trị rất nhỏ, không đáng kể. T2 bây giờ giữ vai trò mạch đảo pha: khi T2 dẫn thì T3 dẫn và T4 ngưng, Y xuống thấp, khi T2 ngưng thì T3 ngưng và T4 dẫn, ngã ra Y lên cao. Tụ CL nạp điện qua T4 khi T4 dẫn và phóng qua T3 (dẫn), thời hằng mạch rất nhỏ và kết quả là thời trễ truyền nhỏ. Ngoài ra do T3 & T4 luân phiên ngưng tương ứng với 2 trạng thái của ngã ra nên công suất tiêu thụ giảm đáng kể. Diod D có tác dụng nâng điện thế cực B của T4 lên để bảo đảm khi T3 dẫn thì T4 ngưng. Mạch này có khuyết điểm là không thể nối chung nhiều ngã ra của các cổng khác nhau vì có thể gây hư hỏng khi các trạng thái logic của các cổng này khác nhau. Các kiểu ngõ ra @ Ngã ra cực thu để hở Ngã ra cực thu để hở có một số lợi điểm sau:  Cho phép kết nối các ngã ra của nhiều cổng khác nhau, nhưng khi sử dụng phải mắc một điện trở từ ngã ra lên nguồn Vcc, gọi là điện trở kéo lên, trị số của điện trở này có thể được chọn lớn hay nhỏ tùy theo yêu cầu có lợi về mặt công suất hay tốc độ làm việc. Điểm nối chung của các ngã ra có tác dụng như một cổng AND nên ta gọi là điểm AND Các kiểu ngõ ra Người ta cũng chế tạo các IC ngã ra có cực thu để hở cho phép điện trở kéo lên mắc vào nguồn điện thế cao, dùng cho các tải đặc biệt hoặc dùng tạo sự giao tiếp giữa họ TTL với CMOS dùng nguồn cao. Thí dụ IC 7406 là loại cổng đảo có ngã ra cực thu để hở có thể mắc lên nguồn 24 V Các kiểu ngõ ra @ Ngã ra ba trạng thái Mạch là một cổng đảo có ngã ra 3 trạng thái, trong đó T4 & T5 được mắc Darlington để cấp dòng ra lớn cho tải. Diod D nối vào ngã vào C để điều khiển. Hoạt động của mạch giải thích như sau:  Khi C=1, Diod D ngưng dẫn, mạch hoạt động như một cổng đảo  Khi C=0, Diod D dẫn, cực thu T2 bị ghim áp ở mức thấp nên T3, T4 & T5 đều ngưng, ngã ra mạch ở trạng thái tổng trở cao. Ký hiệu của cổng đảo ngã ra 3 trạng thái, có ngã điều khiển C tác động mức cao và bảng sự thật cho ở Đặc tính các loạt TTL Các IC số họ TTL được sản xuất lần đầu tiên vào năm 1964 bởi hãng Texas Instrument Corporation của Mỹ, lấy số hiệu là 74XXXX & 54XXXX. Sự khác biệt giữa 2 họ 74XXXX và 54 XXXX chỉ ở hai điểm: 74: VCC=5 ± 0,5 V và khoảng nhiệt độ hoạt động từ 0 o C đến 70o C 54: VCC=5 ± 0,25 V và khoảng nhiệt độ hoạt động từ -55 o C đến 125o C Các tính chất khác hoàn toàn giống nhau nếu chúng có cùng số. Trước số 74 thường có thêm ký hiệu để chỉ hãng sản xuất. Thí dụ SN của hãng Texas, DM của National Semiconductor, S của Signetics Ngoài ra trong quá trình phát triển, các thông số kỹ thuật (nhất là tích số công suất vận tốc) luôn được cải tiến và ta có các loạt khác nhau: 74 chuẩn, 74L (Low power), 74 H (High speed), 74S (Schottky), 74LS (Low power Schottky), 74AS (Advance Schottky), 74ALS (Advance Low power Schottky), 74F (Fast, Fair Child). Đặc tính các loạt TTL Thông số kỹ thuật 74 74L 74H 74S 74L S 74AS 74ALS 74F Thời trễ truyền (ns) Công suất tiêu tán (mW) Tích số công suất vận tốc (pJ) Tần số xung CK max (MHz) Fan Out (cùng loạt) Điện thế VOH(min) VOL (max) VIH (min) VIL (max) 9 10 90 35 10 2,4 0,4 2,0 0,8 33 1 33 3 20 2,4 0,4 2,0 0,7 6 23 138 50 10 2,4 0,4 2,0 0,8 3 20 60 125 20 2,7 0,5 2,0 0,8 9,5 2 19 45 20 2,7 0,5 2,0 0,8 1,7 8 13,6 200 40 2,5 0,5 2,0 0,8 4 1,2 4,8 70 20 2,5 0,4 2,0 0,8 3 6 18 100 33 2,5 0,5 2,0 0,8  Loạt 74S: Các transistor trong mạch được mắc thêm một Diod Schottky giữa hai cực CB với mục đích giảm thời gian chuyển trạng thái của transistor do đó làm giảm thời trễ truyền.  Loạt 74AS và 74ALS là cải tiến của 74S để làm giảm hơn nữa giá trị tích số Công suất - Vận tốc.  Loạt 74F: Dùng kỹ thuật đặc biệt làm giảm diện dung ký sinh do đó cải thiện thời trễ truyền của cổng. HỌ MOS Gồm các IC số dùng công nghệ chế tạo của transistor MOSFET loại tăng, kênh N và kênh P . Với transistor kênh N ta có NMOS, transistor kênh P ta có PMOS và nếu dùng cả hai loại transistor kênh P & N ta có CMOS. Tính năng kỹ thuật của loại NMOS và PMOS có thể nói là giống nhau, trừ nguồn cấp điện có chiều ngược với nhau do đó ta chỉ xét loại NMOS và CMOS. Các transistor MOS dùng trong IC số cũng chỉ hoạt động ở một trong 2 trạng thái: dẫn hoặc ngưng. Khi dẫn, tùy theo nồng độ pha của chất bán dẫn mà transistor có nội trở rất nhỏ (từ vài chục Ω đến hàng trăm KΩ) tương đương với một khóa đóng. Khi ngưng, transistor có nội trở rất lớn (hàng 1010Ω), tương đương với một khóa hở. Cổng cơ bản NMOS (a), ( b) và (c) là các cổng NOT, NAND và NOR dùng NMOS Bảng sau cho thấy quan hệ giữa các điện thế của các ngã vào , ra cổng NOT Đặc tính của họ MOS Một số tính chất chung của các cổng logic họ MOS (NMOS, PMOS và CMOS) có thể kể ra như sau: Nguồn cấp điện : VDD từ 3V đến 15V Mức logic: VOL (max) = 0V VOH (min) = VDD VIL (max) = 30% VDD VIH (min) = 70%VDD Lề nhiễu : VNH = 30%VDD VNL = 30%VDD Với nguồn 5V, lề nhiễu khỏang 1,5V, rất lớn so với họ TTL. Thời trễ truyền tương đối lớn, khỏang vài chục ns, do điện dung ký sinh ở ngã vào và tổng trở ra của transistor khá lớn. Công suất tiêu tán tương đối nhỏ, hàng nW, do dòng qua transistor MOS rất nhỏ. Số Fan Out: 50 UL Do tổng trở vào của transistor MOS rất lớn nên dòng tải cho các cổng họ MOS rất nhỏ, do đó số Fan Out của họ MOS rất lớn, tuy nhiên khi mắc nhiều tầng tải vào một tầng thúc thì điện dung ký sinh tăng lên (gồm nhiều tụ mắc song song) ảnh hưởng đến thời gian giao hoán của mạch nên khi dùng ở tần số cao người ta giới hạn số Fan Out là 50, nghĩa là một cổng MOS có thể cấp dòng cho 50 cổng tải cùng loạt. Như đã nói ở trên, CMOS có cải thiện thời trễ truyền so với loại NMOS và PMOS, tuy nhiên mật độ tích hợp của CMOS thì nhỏ hơn hai loại này. Dù sao so với họ TTL thì mật độ tích hợp của họ MOS nói chung lớn hơn rất nhiều, do đó họ MOS rất thích hợp để chế tạo dưới dạng LSI và VLSI. Các loạt CMOS CMOS có hai ký hiệu: 4XXX do hảng RCA chế tạo và 14XXX của hảng MOTOROLA, có hai loạt 4XXXA (14XXXA) và 4XXXB (14XXXB), loạt B ra đời sau có cải thiện dòng ra. Ngoài ra còn có các loạt :  74C : CMOS có cùng sơ đồ chân và chức năng với IC TTL nếu có cùng số. Thí dụ IC 74C74 là IC gồm 2 FF D tác động bởi cạnh xung đồng hồ giống như IC 7474 của TTL. Hầu hết (nhưng không tất cả) các thông số của loạt 74C giống với 74 TTL nên ta có thể thay thế 2 loại này cho nhau được.  74HC (High speed CMOS), 74HCT: Đây là loạt cải tiến của 74C, tốc độ giao hoán có thể so sánh với 74LS, riêng 74HCT thì hoàn toàn tương thích với TTL kể cả các mức logic. Đây là loạt IC CMOS được dùng rộng rãi.  74AC và 74ACT (Advance CMOS) cải tiến của 74 HC và HCT về mặt nhiễu bằng cách sắp xếp lại thứ tự các chân, do đó nó không tương thích với TTL về sơ đồ chân. GIAO TIẾP GIỮA CÁC HỌ IC SỐ Giao tiếp là thực hiện việc kết nối ngã ra của một mạch hay hệ thống với ngã vào của mạch hay hệ thống khác. Do tính chất về điện khác nhau giữa hai họ TTL và CMOS nên việc giao tiếp giữa chúng trong nhiều trường hợp không thể nối trực tiếp được mà phải nhờ một mạch trung gian nối giữa tầng thúc và tầng tải sao cho điện thế tín hiệu ra ở tầng thúc phù hợp với tín hiệu vào của tầng tải và dòng điện tầng thúc phải đủ cấp cho tầng tải. GIAO TIẾP GIỮA CÁC HỌ IC SỐ Có thể nói điều kiện để thúc trực tiếp Khi dòng điện ra của tầng thúc lớn hơn hoặc bằng dòng điện vào của tầng tải ở cả hai trạng thái thấp và cao. Khi hiệu thế ngã ra của tầng thúc ở hai trạng thái thấp và cao phù hợp với điện thế vào của tầng tải. Như vậy, trước khi xét các trường hợp cụ thể ta xem qua bảng kê các thông số của hai họ IC TTL thúc CMOS  TTL thúc CMOS dùng điện thế thấp (VDD = 5V): Từ bảng 3.4 dòng điện vào của CMOS có trị rất nhỏ so với dòng ra của các loạt TTL, vậy về dòng điện không có vấn đề Tuy nhiên khi so sánh hiệu thế ra của TTL với hiệu thế vào của CMOS ta thấy VOH(max) của tất cả các loạt TTL đều khá thấp so với VIH(min) của TTL, như vậy phải có biện pháp nâng hiệu thế ra của TTL lên. Điều này thực hiện được bằng một điện trở kéo lên mắc ở ngã ra của IC TTL TTL thúc CMOS  TTL thúc 74 HCT: Như đã nói trước đây, riêng loạt 74HCT là loạt CMOS được thiết kế tương thích với TTL nên có thể thực hiện kết nối mà không cần điện trở kéo lên. TTL thúc CMOS  TTL thúc CMOS dùng nguồn cao (VDD = +10V) Ngay cả khi dùng điện trở kéo lên, điện thế ngã ra mức cao của TTL vẫn không đủ cấp cho ngã vào CMOS, người ta phải dùng một cổng đệm có ngã ra để hở có thể dùng nguồn cao (Thí dụ IC 7407) để thực hiện sự giao tiếp CMOS thúc TTL  CMOS thúc TTL ở trạng thái cao: Bảng 3.4 cho thấy điện thế ra và dòng điện ra mức cao của CMOS đủ để cấp cho TTL . Vậy không có vấn đề ở trạng thái cao CMOS thúc TTL  CMOS thúc TTL ở trạng thái thấp: Dòng điện vào ở trạng thái thấp của TTL thay đổi trong khoảng từ 100 μA đến 2 mA. Hai loạt 74HC và 74HCT có thể nhận dòng 4 mA . Vậy hai loạt này có thể giao tiếp với một IC TTL mà không có vấn đề. Tuy nhiên, với loạt 4000B, IOL rất nhỏ không đủ để giao tiếp với ngay cả một IC TTL, người ta phải dùng một cổng đệm để nâng dòng tải của loạt 4000B trước khi thúc vài IC 74LS CMOS thúc TTL  CMOS dùng nguồn cao thúc TTL: Có một số IC loạt 74LS được chế tạo đặc biệt có thể nhận điện thế ngã vào cao khoảng 15V có thể được thúc trực tiếp bởi CMOS dùng nguồn cao, tuy nhiên đa số IC TTL không có tính chất này, vậy để có thể giao tiếp với CMOS dùng nguồn cao, người ta phải dùng cổng đệm để hạ điện thế ra xuống cho phù hợp với IC TTL Giao tiếp giữa cổng logic với các thiết bị điện 1 Giao tiếp với công tắc cơ khí Các công tắc thường sử dụng để đóng mở nguồn cấp tạo trạng thái logic cho cổng nhưng do làm dạng tiếp xúc cơ khí nên khi đóng mở sẽ sinh ra hiện tượng dội. Với điện gia dụng như đèn quạt thì hiện tượng dội này không ảnh hưởng gì cả vì dội xảy ra rất ngắn chỉ khoảng vài ms, đèn quạt không kịp sáng tắt hay quay dừng hoặc nếu có đi thì mắt cũng không thể thấy được. Nhưng với các vi mạch điện tử, rất nhạy với những thay đổi rất nhỏ và rất nhanh như vậy. Hiện tượng dội nảy sinh là do khi ta đóng công tắc thì thật ra là đóng mở nhiều lần rồi mới đóng hẳn hay khi mở công tắc thì thực ra cũng là công tắc cũng bị hở và đóng nhiều lần trước khi hở hẳn. 1 Giao tiếp với công tắc cơ khí Mạch kiểm tra hiện tượng dội của công tắc với mạch đếm bố Ở đây dùng cổng schmitt trigger CMOS để chuyển mạch tín hiệu tạo bởi công tắc. Do khi nhấn công tắc, gây ra dội, công tắc chuyển qua lại giữa mass và Vccđưa vào cổng logic, Schmitt trigger rất nhạy khi áp vào lớn hơn hay nhỏ hơn áp ngưỡng của nó thì lập tức áp ra sẽ là mức cao hay mức thấp, mức này cung cấp cho mạch đếm và mạch hiển thị nếu được nối từ mạch đếm sẽ cho số đếm là số lần dội ở công tắc. Hiện tượng này chỉ xảy ra vài chục ms nhưng với mạch logic đôi khi cũng là “nguy hiểm” rồi. Để chống dội ta có thể sử dụng phần cứng hay phần mềm. Chẳng hạn ở bàn phím máy tính đều là các công tắc cơ khí, 1 phần mềm trong máy sẽ dò đọc công tắc đó chuyển tiếp trong một khoảng thời gian ngắn khoảng 20ms, nếu thực sự công tắc được nhấn thì mức logic mới ấn ổn định sau khoảng thời gian dội ấy và phần mềm mới chấp nhận được trạng thái của công tắc. Còn ở đây trình bày cách chống dội bằng tụ và mạch chốt. Giao tiếp với tải nhỏ Tải hiện nay được sử dụng rất phong phú, nó có thể là R hay có tính cảm kháng, tải tuyến tính hay phi tuyến, tải ở áp thấp, dòng thấp hay là cao, xoay chiều hay một chiều. Các cổng logic được chế tạo ra có thể giao tiếp với hầu hết các loại tải nhưng các cổng đều có dòng thấp, áp thấp thì chúng thúc tải như thế nào? Tải có ảnh hưởng gì trở lại cổng logic không? Phần này sẽ trình bày một số khả năng của cổng logic khi giao tiếp với các loại tải khác nhau : Led đơn rất hay được sử dụng để hiển thị ở các vi mạch điện tử, áp rơi trên nó dưới 2V, dòng qua khoảng vài mA do đó nhiều cổng logic loại TTL và CMOS 74HC/HCT có thể thúc trực tiếp led đơn Tuy nhiên loại CMOS 4000, 14000 thì không thể do dòng vào ra mức cao và thấp đều rất nhỏ (dưới 1uA, và dưới 0,5mA) mặc dù chúng có thể hoạt động và cho áp lớn hơn loại 2 loại kia Mạch giao tiếp với led R là điện trở giới hạn dòng cho led, cũng tuỳ loại cổng logic được sử dụng mà R cũng khác nhau thường chọn dưới 330 ohm (điện áp Vcc =5VDC) tuỳ theo việc lựa chọn độ sáng của led. Ngoài led ra các cổng logic cũng có thể thúc trực tiếp các loại tải nhỏ khác như loa gốm áp điện (loa thạch anh) có dòng và áp hoạt động đều nhỏ, đây là loại loa có khả năng phát ra tần số cao. Mạch thúc cho loa gốm Lưu ý là loa gốm là tải có tính cảm kháng, khi cổng chuyển mạch có thể sinh dòng cảm ứng điện thế cao gây nguy hiểm cho transistor bên trong cổng vì vậy cần 1 diode mắc ngược với loa gốm để bảo vệ cổng. Giao tiếp với tải lớn Do không đủ dòng áp để cổng logic thúc cho tải, mặt khác những thay đổi ở tải như khi ngắt dẫn độ ngột, khi khởi động đều có thể gây ra áp lớn, dòng lớn đổ về vượt quá sức chịu đựng của tải nên cần có các phần trung gian giao tiếp, nó có thể là transistor, thyristor, triac hay opto coupler tuy theo mạch. Tải cần dòng lớn: Do dòng lớn vượt quá khả năng của cổng nên có thể dùng thêm transistor khuếch đại lên, khi tác động mức thấp dùng transistor pnp còn khi tác động mức cao nên dùng transistor loại npn Tải cần áp lớn Khác với trường hợp tải cần dòng lớn, không thể dùng transistor làm tầng đệm vì cất cổng logic cấu tạo bởi các transistor bên trong rất nhạy, áp ngược chịu đựng của chúng không lớn lắm nên với áp tải lớn có thể làm chết chúng thậm chí làm chết luôn cả transistor đệm ở bên ngoài. Giải pháp trong trường hợp này là phải dùng thêm 1 transistor khác làm nhiệm vụ cách li áp cao từ tải với cổng logic, cũng có thể dùng cổng đệm thúc chịu áp cao như 7407 Ở hình trên transistor cách li điện thế Q1 hoạt động ở cùng điện thế như mạch TTL còn transistor thúc Q2 hoạt động ở điện áp theo yêu cầu của tải. Ở mức thấp Q1 dẫn để dòng vào Q2 làm nó dẫn và động cơ sẽ chạy. Trong mạch R1, R3 phân cực cho Q1, Q3 và quyết định dòng ra tải, còn R2, R4 dùng để giảm dòng rỉ, diode D để bảo vệ transistor Q2 không bị quá dV/dt... Còn với cổng CMOS tác động mức thấp và cả mức cao khi thúc tải thì cũng tương tự. Transistor darlington được thay thế (như hình 1.86) nếu thấy cần phải dòng lớn cho tải. Riêng với cổng TTL tác động mức cao thì có thể không cần transistor cách li cũng được nếu đủ dòng cho tải (do phân cực nghịch tiếp giáp BC). Tuy nhiên phải lưu ý rằng điện áp phân cực nghịch không được vượt quá giới hạn điện áp chịu đựng của mối nối BE (thông thường khoảng 60VDC). Tải hoạt động ở áp xoay chiều Áp xoay chiều ở đây là áp lưới 220V/50Hz hay dùng, với giá trị lớn như vậy nên cần cách li cổng logic với tải, một số linh kiện hay dùng để cách li là thyristor, triac, rờ le, ghép nối quang (opto coupler). Ở đây trình bày cách dùng thyristor và opto coupler. Cách dùng rờ le cũng giống như ở phần trước, với hai đầu cuộn dây rờ le ở bên transistor thúc còn chuyển mạch nằm bên tải. Dùng triac: Transistor dùng đệm đủ dòng cho triac, các điện trở phân cực và mắc thêm để giảm dòng rỉ tính toán giống như trước. Triac được dùng cần quan tâm đến dòng thuận tối đa và điện áp nghịch đỉnh luôn nằm dưới giá trị định mức Dùng kết nối quang: Cách này cách li hoàn toàn giữa mạch áp thấp và áp cao nhờ 1 opto couple như hình vẽ. Cổng logic tác động ở mức thấp làm opto dẫn kéo theo SCR được kích để mở tải. Áp 20VDC nuôi opto được chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều, và ổn áp bởi diode zener. Mạch tác động mức cao cũng tương tự. THE END