Điện, điện tử - Chương 6: TTL - CMOS

1 NỘI DUNG CHÍNH 1. GIỚI THIỆU 2. HỌ VI MẠCH TTL 3. HỌ VI MẠCH CMOS 4. HỌ VI MẠCH ECL 2 1. GIỚI THIỆU  Có nhiều loại mạch logic tùy thuộc vào loại transistor và cách sắp xếp như: RTL (Resistor to Transistor Logic) DTL (Diode to Transisotor Logic)  TTL (Transistor to Transistor Logic) ECL (Emitter Coupled Logic) PMOS (Cổng logic sử dụng Mosfet kênh P) NMOS (Cổng logic sử dụng Mosfet kênh N) CMOS (Complementary MOS) 3  Quy mô tích hợp SSI (Small Scale Integration) MSI (Medium Scale Integration)  LSI (Large Scale Intergration VLSI (Very Large Scale Integration) ULSI (Ultra Large Scale Integration) GSI (Great Scale Integration) 1. GIỚI THIỆU 4 2. HỌ VI MẠCH TTL Cổng logic DR  Khi A = 0, B = 0 DA, DB dẫn,D1 không dẫn Y = 0  Khi A = 1, B = 0 DA không dẫn,DB dẫn, D1 không dẫn Y = 0  Khi A = 0, B = 1 DA dẫn,DB, D1 không dẫn Y = 0  Khi A = 1, B = 1 DA, DB không dẫn, D1 dẫn Y= 1  Mạch trên hình là cổng AND 5 Cổng logic RTL Cổng NOR 2. HỌ VI MẠCH TTL 6 Mạch logic DTL Cổng NAND 2. HỌ VI MẠCH TTL 7 Các mạch RTL, DTL nêu trên đều có khả năng thực hiện chức năng logic nhưng không được tích hợp thành IC chuyên dùng vì ngoài chức năng logic người ta còn quan tâm đến các yếu tố khác như:  Tốc độ chuyển mạch (mạch logic chuyển mạch có nhanh và hoạt động được ở tần số cao hay không)  Tổn hao năng lượng khi mạch hoạt động (mạch có nó hay không, tổn hao năng lượng dưới dạng nhiệt)  Khả năng giao tiếp và thúc tải  Khả năng chống nhiễu  Chính vì thế nên TTL ra đời thay thế cho RTL và DTL 2. HỌ VI MẠCH TTL 8 Mạch logic TTL cơ bản Khi A = 0, B = 0  Q1 dẫn, Q2 ngắt Q4 dẫn, Q3 ngắt Y = 1 Khi A = 0, B = 1  Q1 dẫn, Q2 ngắt Q4 dẫn, Q3 ngắt Y = 1 2. HỌ VI MẠCH TTL 9 Mạch logic TTL cơ bản Khi A = 1, B = 0  Q1 dẫn, Q2 ngắt Q4 dẫn, Q3 ngắt Y = 1 Khi A = 1, B = 1  Q1 ngắt, Q2 dẫn Q4 ngắt, Q3 dẫn Y = 0  Mạch trên hình là cổng NAND 2. HỌ VI MẠCH TTL 10 Mạch logic TTL Schottky Để tăng tốc độ chuyển mạch của cổng, có một số cải tiến được thêm vào mạch như sau: Diode thường được thay thế bằng diode schottky Transistor được mắc thêm diode schottky giữa cực nền và cực thu 2. HỌ VI MẠCH TTL 11 Mạch logic TTL Schottky 2. HỌ VI MẠCH TTL 12 TTL có cực thu để hở  Trong cấu trúc mạch không có điện trở hay transistor nối vào cực thu của Q3 (ngõ ra) Khi giao tiếp tải phải lắp thêm một điện trở bên ngoài nối lên Vcc gọi là điện trở kéo lên (Rp)có giá trị từ vài trăm  đến vài K tùy thuộc vào loại tải 2. HỌ VI MẠCH TTL 13 TTL có cực thu để hở  Ví dụ: Với mạch cổng NAND trên ta muốn lái tải là một đèn led, led sáng khi ngõ ra mức thấp. Điện trở kéo lên được tính như sau:  Có thể dùng điện trở 270 hay để đảm bảo an toàn cho LED ta có thể dùng điện trở 330  270mA10 3,025 I )Q(VVVR LED 3CELEDCC 2. HỌ VI MẠCH TTL 14 TTL có cực thu để hở Khi muốn LED sáng ở mức cao thì:  300mA10 25 I VVR LED LEDCC 2. HỌ VI MẠCH TTL 15 TTL có cực thu để hở Đối với cổng NAND thường nếu muốn nối chung các ngõ ra với nhau thì phải thông qua cổng. Còn đối với cổng NAND có cực thu để hở thì không cần phải thêm cổng mà nối trực tiếp với nhau. Cổng NAND thường Cổng NAND có cực thu hở 2. HỌ VI MẠCH TTL 16 TTL có cực thu để hở  Nếu nối trực tiếp 2 ngõ ra của 2 cổng NAND thường thì:  Khi mức logic ngõ ra của 2 cổng này đều ở mức thấp hoặc mức cao thì không có vấn đề gì xảy ra  Khi ngõ ra cổng 1 mức cao, cổng 2 mức thấp, dòng điện sẽ chạy từ Q4 cổng 1 sang Q3 cổng 2 2. HỌ VI MẠCH TTL 17 TTL có cực thu để hở  Khi ngõ ra cổng 1 mức thấp, cổng 2 mức cao, dòng điện sẽ chạy từ Q4 cổng 2 sang Q3 cổng 1  làm nóng IC có thể dẫn đến chết IC 2. HỌ VI MẠCH TTL 18  TTL có cực thu để hở  Nếu nối trực tiếp 2 ngõ ra của 2 cổng có cực thu hở thì trong mọi trường hợp dòng điện chỉ chạy qua điện trở Rp  Nếu ngõ ra cổng 1 mức thấp thì dòng điện chạy qua Rp và Q31  Nếu ngõ ra cổng 2 mức thấp thì dòng điện chạy qua Rp và Q32 2. HỌ VI MẠCH TTL 19 TTL có cực thu để hở Cách tính điện trở kéo lên Rp  Nếu có M ngõ ra cực thu để hở thúc N ngõ vào thì  Giá trị lớn nhất của Rp được tính  Giá trị nhỏ nhất của Rp được tính IHOH OHCC P NIMI (min)VV(max)R   ILOL OLCC P NII (max)VV(min)R   2. HỌ VI MẠCH TTL 20 TTL có cực thu để hở Một số trị số sử dụng để tính Rp A250)74(IOH  A100)LS74(IOH  A40)74(IIH  A20)LS74(IIH  mA16)74(IOL  mA8)LS74(IOL  mA6,1)74(IIL  mA4,0)LS74(IIL  2. HỌ VI MẠCH TTL 21 TTL có cực thu để hở Ví dụ: 4 cổng ngõ ra cực thu hở thúc 3 cổng tải. Tính Rp max và Rp min (các cổng thuộcloại thường). Áp dụng công thức ta có:   K3,2mA12,1 V6,2 A40.3A250.4 V4,2V5(max)R P   K4,0mA2,11 V6,4 mA6,1.3mA16 V4,0V5(min)R P 2. HỌ VI MẠCH TTL 22 TTL ngõ ra 3 trạng thái Nếu C = 1 mạch hoạt động như một cổng đảo bình thường Nếu C = 0 thì Q1 luôn dẫnbất chấp ngõ vào A, Q2 luônngắt, Q3 và Q4 cũng ngắt  Ngõ ra Y có trạng thái High Z (là trạng thái thứ 3 của mạch) 2. HỌ VI MẠCH TTL 23 TTL ngõ ra 3 trạng thái Ký hiệu cổng đệm ngõ ra 3 trạng thái C mở cổng mức cao C mở cổng mức thấp A Y C A Y C C = 1 Y = A C = 0 Y = High Z = 0 Y = A = 1 Y = High Z C C 2. HỌ VI MẠCH TTL 24 * Phân loại TTL  TTL bắt đầu bằng mã số 54 hay 74 Mã 54 được dùng trong quân sự hay công nghệ cao Mã 74 dùng trong dân sự hay thương mại nên ở đây chúng ta chỉ nói đến loại này  Tùy theo công nghệ chế tạo, có các loại 74 sau: 2. HỌ VI MẠCH TTL 25 * Phân loại TTL  TTL loại thường 74XX:  TTL công suất thấp 74LXX  TTL công suất cao 74HXX  TTL Schottky 74SXX và 74LSXX  TTL Schottky cải tiến 74ASXX và 74ALSXX  TTL nhanh 74FXX 2. HỌ VI MẠCH TTL 26 Một số thông số chất lượng của các loại TTL Thông số 74 74S 74LS 74AS 74ALS 74F Trì hoãn truyền (ns) Công suất tiêu tán (mW) Tích tốc độ - công suất (pJ) Tần số tối đa (MHz) Hệ số chia tải (cùng loại) 9 10 90 35 10 3 20 60 125 20 9,5 2 19 45 20 1,7 8 13,6 200 40 4 1,2 4,8 70 20 3 6 18 100 23 2. HỌ VI MẠCH TTL 27 * Đặc tính điện của TTL  Một số thông số về áp và dòng  VIH (min): điện áp ngõ vào mức cao, mức điện ápnhỏ nhất mà cổng logic có thể hiểu là mức cao (1)  VIL (max): điện áp ngõ vào mức thấp, mức điện áplớn nhất mà cổng logic có thể hiệu là mức thấp (0)  VOH (min): điện áp ngõ ra mức cao, mức điện ápnhỏ nhất mà cổng logic cho ra ở mức cao (1)  VOL (max): điện áp ngõ ra mức thấp, mức điện áplớn nhất mà cổng logic cho ra ở mức thấp (0) 2. HỌ VI MẠCH TTL 28  Một số thông số về áp và dòng  IIH: dòng ngõ vào mức cao, là dòng điện sinh ra khingõ vào cổng logic đang ở mức cao (1)  IIL: dòng ngõ vào mức thấp, là dòng điện sinh ra khingõ vào cổng logic đang ở mức thấp (0)  IOH: dòng ngõ ra mức cao, là dòng điện sinh ra khingõ ra cổng logic đang ở mức cao (1)  IOL: dòng ngõ ra mức thấp, là dòng điện sinh ra khingõ ra cổng logic đang ở mức thấp (0) * Đặc tính điện của TTL 2. HỌ VI MẠCH TTL 29 Giá trị dòng và áp của một cổng TTL chuẩn 1 0 1 0 VCC = 5V VCC = 5V VOH = 2,4VIOH = -400µA Ngõ ra Ngõ vào VOL = 0,4VIOL = 16mA Vùng bất định VIH = 2VIIH = 40µAVIL = 0,8VIIL = -1,6mA 2. HỌ VI MẠCH TTL 30 Các đặc tính của loại 74, 74LS Loại 74 Loại 74LS Đơn vịmin nom max min nom max Điện thế cung cấp VCCDòng ra mức cao IOHDòng ra mức thấp IOLKhoảng nhiệt độ hoạt động Điện thế vào mức cao VIHĐiện thế vào mức thấp VILĐiện thế ra mức cao VOHĐiện thế ra mức thấp VOLDòng vào mức cao IIHDòng vào mức thấp IIL 4,7 5 0 2,0 2,4 5 3,4 0,2 5,25 -400 16 70 0,8 0,4 40 -1,6 4,75 0 2,0 2,5 5 0,25 5,25 -400 8 70 0,8 3,5 0,5 20 0,4 V µA mA oC V V V V µA mA 2. HỌ VI MẠCH TTL 31 Các đặc tính của loại 74AS và 74ALS Loại 74ALS Loại 74AS Đơn vịmin nom max min nom max Điện thế cung cấp VCCĐiện thế vào mức cao VIHĐiện thế vào mức thấp VILDòng ra mức cao IOHDòng ra mức thấp IOLKhoảng nhiệt độ hoạt động 4,5 2,0 0 5,0 5,5 0,8 -0,4 8 70 4,5 2,0 0 5 5,5 0,8 -0,4 20 70 V V V mA mA oC 2. HỌ VI MẠCH TTL 32 Tóm lược đặc tính điện thế và dòng điện VOH(min) V VOL(max) V VIH(min) V VIL(max) V IOHµA IOLmA IIHµA IILmA 74 74S 74LS 74AS 74ALS 74F 2,4 2,7 2,7 2,5 2,5 2,7 0,4 0,5 0,5 0,5 0,4 0,5 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 -400 -1000 -400 -2000 -400 -1000 16 20 8 20 8 20 40 50 20 20 20 20 -1,6 -2 -0,4 -0,5 -0,1 -0,6 2. HỌ VI MẠCH TTL 33 Hệ số chia tải (Fan out) Các thông số dòng áp vào ra còn liên quan đến một thông số khác đó là hệ số chia tải, tức là với dòng và áp ra của một cổng có khả năng lái tối đa bao nhiêu ngõ vào của cổng cùng loại Với TTL thường thì fan out là 10 Với các loại TTL khác nhau thì fan out khác nhau 2. HỌ VI MẠCH TTL 34  Hệ số chia tải (Fan out)  Ví dụ:  IOH (max) = 400µA  IOL (min) = 8mA  IIH (max) = 20µA  IIL (min) = 0,1mA Hệ số chia tải ở mức cao Hệ số chia tải mức thấp Vậy hệ số chia tải chung là 20 20A20 A400   80mA1,0 mA8  2. HỌ VI MẠCH TTL 35 3. HỌ VI MẠCH CMOS  Giới thiệu  Công nghệ MOS (Metal Oxide Semiconductor)  Transistor sử dụng trong công nghệ MOS là transistor hiệu ứng trường MOSFET Ưu điểm của Mosfet là dễ chế tạo, chi phí thấp, kích thước nhỏ, tiêu hao rất ít điện năng, ít bị hư do tĩnh điện Mạch số sử dụng Mosfet chia làm 3 nhóm  PMOS dùng Mosfet kênh P  NMOS dùng Mosfet kênh N  CMOS dùng cả Mosfet kênh P lẫn kênh N 36  Giới thiệu  Trước khi đi vào tìm hiểu công nghệ CMOS chúng ta tìm hiểu qua NMOS  Cấu tạo một cổng NOT NMOS Mạch gồm 2 MOSFET: Q1 làm tải cốđịnh và luôn dẫn, Q2 làm chuyểnmạch, điện trở của Q1 khoảng 100K  Ngõ vào đặt ở cực G của Q2 cònngõ ra là điểm chung giữa S của Q1và D của Q2 3. HỌ VI MẠCH CMOS 37 Giới thiệu Xét cổng logic  A = 0, B = 0 Y = 1  A = 0, B = 1 Y = 1  A = 1, B = 0 Y = 1  A = 1, B = 1 Y = 0   Mạch cổng NAND B.AY  3. HỌ VI MẠCH CMOS 38 Giới thiệu Xét cổng logic  A = 0, B = 0 Y = 1  A = 0, B = 1 Y = 0  A = 1, B = 0 Y = 0  A = 1, B = 1 Y = 0   Mạch cổng NOR BAY  3. HỌ VI MẠCH CMOS 39  Giới thiệu Một số đặc điểm của NMOS  Tốc độ chuyển mạch: chậm hơn so với TTL do điện trở ngõ vào lớn  Hệ số chia tải: trên lý thuyết là rất lớn do điện trở ngõ vào lớn. Tuy nhiên nếu hoạt động với tần số cao (trên 100KHz) điện dung ký sinh sẽ làm tăng thời gian chuyển mạch làm giảm khả năng giao tiếp tải. Nhưng so với TTL thí NMOS vẫn có hệ số tải cao hơn trung bình là 50 cổng cùng loại. 3. HỌ VI MẠCH CMOS 40  Giới thiệu Một số đặc điểm của NMOS  Công suất tiêu tán rất nhỏ đây là ưu điểm nổi bật của NMOS. Chính nhờ ưu điểm này mà NMOS có quy mô tích hợp cỡ LSI và VLSI 3. HỌ VI MẠCH CMOS 41 Cấu tạo của CMOS  Cấu tạo một cổng NOT cơ bản:  Khi ngõ vào A = 1 thì Q2 dẫn mạnh,Q1 không dẫn nên ngõ ra Y = 0  Khi ngõ vào A = 0 thì Q1 dẫn mạnh,Q2 không dẫn nên ngõ ra Y = 1 Ở đây 2 transistor không dẫn cùng lúc nên sẽ không có dòng điện từ nguồn đổ xuống mass nên công suất tiêu tán gần như bằng 0 3. HỌ VI MẠCH CMOS 42 Cấu tạo của CMOS  Tương tự kết hợp giữa các transistor NMOS và PMOS ta cũng có các loại cổng khác Cổng NOR Cổng NAND BAY  B.AY  3. HỌ VI MẠCH CMOS 43 Phân loại CMOS CMOS cũ họ 4000 và 4500 Đặc điểm chung loại này là: Điện áp nguồn cung cấp từ 3V đến 18V mà thường thì từ 5V đến 15V 3. HỌ VI MẠCH CMOS 44 Phân loại CMOS  CMOS cũ họ 4000 và 4500  Loại 74CXX  Loại CMOS cải tiến 74AC, 74ACT  Loại CMOS điện thế thấp 74LV (low voltage), 74LVC (low voltage CMOS), 74ALVC (advanced low voltage CMOS), 74LVT (low voltage BiCMOS)  Loại CMOS tốc độ cao FACT  Loại CMOS tốc độ cao cải tiến 74AHC và 74AHCT 3. HỌ VI MẠCH CMOS 45  So sánh công suất tiêu tán và tốc độ truyền của TTL và CMOS ở nguồn cung cấp 5V Loại PD (mW) tD (ns) TTL 74 74S 74LS 74AS 74ALS 74F 10 20 2 8 2 4 10 3 10 2 4 3 CMOS 4000 4500 74C 74HC 74HCT 74AC 74ACT 0 0 0 0 0 0 0 100 100 50 10 10 3 3 3. HỌ VI MẠCH CMOS 46 Đặc tính kỹ thuật Nguồn nuôi cho các loại CMOS Loại CMOS Điện áp nguồn 4000A, 4000B, 4500 14000A, 14000B, 14400 74C 74HC 74HCT 3V-15V (có thể 18) 3V-15V (có thể 18) 3V-15V (có thể 18) 2V-6V 4,5V-5,5V 3. HỌ VI MẠCH CMOS 47  Đặc tính kỹ thuật  Các điện thế logic ở ngõ vào Mức 1 Bất định Mức 0 4000, 4500, 74C, 74HC Mức 1 Bất định Mức 0 74HCT VDD = 5V VDD = 5V VIH = 3,5V VIL = 1,5V GND = 0V VIH = 2V VIL = 0,8V GND = 0V 3. HỌ VI MẠCH CMOS 48  Đặc tính kỹ thuật  Các điện thế logic ở ngõ ra Mức 1 Mức 0 Bất định VDD = 5V 4,9V (không tải) 4V (VOH ở IOH) 0,5V (VOL ở IOL) 0,1V (không tải) 0V = GND 3. HỌ VI MẠCH CMOS 49 Đặc tính kỹ thuật Các mức điện áp của các loại CMOS Thông số 4000B 74HC 74HCT 74AC 74ACT 74AHC 74AHCT VIH (min)VIL (max)VOH (min)VOL (max) 3,5 1,5 4,95 0,05 3,5 1,0 4,9 0.1 2,0 0,8 4,9 0,1 3,5 1,5 4,9 0,1 2,0 0,8 4,9 0,1 3,85 1,65 4,4 0,44 2,0 0,8 3,15 0,1 3. HỌ VI MẠCH CMOS 50  Đặc tính kỹ thuật  Dòng điện vào và dòng điện ra 74 74LS 74ALS 4000 74HC(T) IIHIILIOHIOL 40µA -1,6µA -400µA 16mA 20µA -400µA -400µA 8mA 20µA -100µA -400µA 8mA < 1µA < 1µA -0,5mA 0,5mA < 1µA < 1µA -4mA 4mA 3. HỌ VI MẠCH CMOS 51 4. HỌ VI MẠCH ECL Mạch logic ECL (Emitter – Coupled Logic) dựa trên nguyên lý transistor lưỡng cực. ECL có thể hoạt động với tần số 300MHz so với TTL nhanh nhất cũng chỉ đạt 200MHz Công suất tiêu tán cao, dùng nguồn âm, các mức điện thế khác xa so với TTL  ECL ít được dùng 52 Cấu tạo của mạch ECL  Hai transistor Q1 và Q2 tạothành mạch khuếch đại vi sai.  Nguồn cung cấp -5,2V, cực B của Q2 được giữ cốđịnh ở VBB = -1,3V  A là ngõ vào  A = -1,7V mức logic 0  A = -0,8V mức logic 1 4. HỌ VI MẠCH ECL 53 Cấu tạo của mạch ECL Ngõ vào Ngõ ra -1,7V (logic 0) VC1 = 0V (Q1 ngưng)VC2 = -0,96V (Q2dẫn) -0,8V (logic 1) VC1 = -0,96V (Q1dẫn) VC2 = 0V (Q2 ngưng) 4. HỌ VI MẠCH ECL 54 Cấu tạo của mạch ECL  Các điện thế ra ở cực thu của Q1 và Q2 không phù hợp với logic vào (giao tiếp ECL-ECL). Do đó người ta thêm vào các mạch đệm để chuyển mức điện áp ngõ ra phù hợp với điện áp ngõ vào  Logic 0 = -0,96V  -0,8V = -1,7V  Logic 1 = 0V  -0,8V = -0,8V Mạch điện chuyển đổi như sau: 4. HỌ VI MẠCH ECL 55 Cấu tạo của mạch ECL Mạch điện chuyển đổi như sau: Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ ký hiệu Y2 = A A AY1  4. HỌ VI MẠCH ECL 56 Cấu tạo mạch OR/NOR ECL Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ ký hiệu A + BA BA B 4. HỌ VI MẠCH ECL 57