Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
BÀI TẬP CHƯƠNG 3

BÀI TẬP CHƯƠNG 3

Tải bản đầy đủ - 0trang

Chương 4 : CỔNG LOGIC CMOS.

Chương này sẽ giới thiệu về một loại cổng logic dùng công nghệ CMOS thực hiện

bằng cách kết hợp transistor PMOS và transistor NMOS người ta tạo ra MOS bù (bổ túc)

gọi là CMOS. Hình 4.1 ở dưới là đơn vị CMOS cơ bản nhất gồm một PMOS Q2 và

NMOS Q1 tích hợp trên cùng một móng. Do đặc tính của transistor MOSFET, do có

chung lớp oxit cách điện cho vùng thoát D1, D2 cũng như do cấu trúc mạch đơn giản nên

mật độ tích hợp của cơng nghệ tích hợp CMOS cao hơn hẳn công nghệ lưỡng cực

(TTL,ECL) và việc chế tạo cũng dễ dàng hơn. Để ý transistor trên Q 2 là MOSFET tăng

kênh p có nguồn nối liền VDD , transistor dưới Q1 là MOSFET tăng kênh n có nguồn nối

đến điện thế VSS mà trong hầu hết trường hợp là đất tức 0V. Hai transistor có cổng chung

và là ngõ vào logic A,có thốt chung và ngõ ra logic Y. Hai transistor PMOS và NMOS

tích hợp này có đặc tính như nhau. Hoạt động chuyển mạch là :

-



Khi A = VDD (logic 1) thì Q2 ngưng (ROOF = 1010 ) Q1 dẫn mạch (RON = 1K) khiến YA



-



đảo.

Khi A = 0V (logic 0) thì Q2 dẫn mạnh (RON = 1K), Q1 ngưng (ROOF =1010 ) khiến YVDD



-



(logic 1),A đảo.

Ưu điểm của CMOS: cơng nghệ tích hợp lưỡng cực hơn hẳn cơng nghệ lưỡng cực

(TTL, LCD) và việc chế tạo cũng dễ dàng hơn. Nói chung CMOS tốc độ cao hơn và

có cơng suất tiêu tán thấp, thậm chí còn thấp hơn so với các họ MOS khác, có khả



-



năng miễn nhiễu cao hơn so với họ TLL.

Nhược điểm của CMOS: quy trình chế tạo phức tạp hơn NMOS và PMOS và mật độ

tích hợp cũng thấp hơn. So với TLL tốc độ chuyển mạch của CMOS cũng chậm hơn.



Tuy nhiên trong hai chục năm qua đã có những bước phát triển, cải tiến trong tất cả các

cơng nghệ khiến nhìn chung chúng xấp xỉ nhau về tốc độ. Công nghệ CMOS so với TTL

là độ miễn nhiễu cao hơn. Do đó trong các ứng dụng cần các IC SSI và MSI ta có thể

dùng loại TTL hay CMOS tùy thích, còn trong các ứng dụng cần các IC LSI và VLSI tiêu

thụ cơng suất thấp hay và có độ miễn nhiễu cao thì CMOS được dùng.



Hình 4.1: Cấu tạo của CMOS cơ bản



Hình 4.2: Cổng NAND và NOR

Để ý là khác với cổng ĐẢO NMOS, ở đây hai transistor không dẫn cùng một lúc nên

khơng có dòng điện từ V DD qua hai transistor xuống đất khiến công suất tiêu tán gần như

không. Tuy nhiên khi hai transistor đang chuyển mạch và khi có tải thì sẽ có dòng điện

qua cả hai hay một transistor khiến công suất tiêu tán tăng lên.

Trên nguyên tắc của cổng ĐẢO, bằng cách thêm transistor mắc song song hoặc nối

tiếp ta có thể thực hiện các cổng khác. Ở hình 4.2 là cổng NAND và NOR. Ở cổng

NAND hai PMOS mắc song song, hai NMOS mắc chồng, còn ở cổng NOR hai cổng

PMOS mắc chồng, hai NMOS mắc song song.

Nội dung chương 4 sẽ giới thiệu các phần:

1. Transistor MOSFET.

2. Các loạt IC logic CMOS.

3. Đặc tính điện của logic CMOS.



4. Giao tiếp mạch logic với tải DC, AC.

1.Transistor MOSFET

1.1 Transistor MOSFET

Transistor MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor: transistor hiệu ứng

trường oxit bán dẫn kim loại) có các cực cổng (Gate), thốt (Drain), nguồn ( Source ),

kim loại đặt trên lớp oxid bán dẫn cách điện SiO2. Có hai loại MOSFET: MOSFET tăng

(Enhancement) và MOSFET hiếm (Depletion ). Trong cơng nghệ tích hợp MOSFET loại

tăng được dùng phổ biến hơn. Tóm lại, transistor MOSFET là phần tử chuyển mạch tích

cực trong các mạch điện CMOS.



Hình 4.3: Ký hiệu của MOSFET kênh n và kênh p

1.2 Phân cực của MOSFET tăng kênh n và p

Hình 4.4 là phân cực của MOSFET tăng kênh n (thường được gọi NMOS hoặc ) và

hình 4.5 là phân cực của MOSFET tăng kênh p (thường được gọi là PMOS hoặc PFET).

Để ý là hai loại có cấu trúc bán dẫn ngược nhau và phân cực cũng ngược nhau. Ở PMOS

khi cổng G âm so với nguồn S thì điện tích âm của cổng hút lại thiểu số là lỗ trống trong

móng về tạo kênh p nối liền hai vùng p+ làm lỗ trống từ cực dương của nguồn VDD vào

cực thoát D, qua kênh đến nguồn S và về cực âm của nguồn V DD tạo nên dòng điện thốt

ID. Điều này thể hiện ở đặc tính truyền (Transfer characteristic) như hình 4.5. Để ý là điện

thế cổng phải trên điện thế ngưỡng V T thì kênh mới bắt đầu hình thành và dòng thốt Id

mới bắt đầu đáng kể. VT thường là âm volt. Ở điện thế cổng ít âm hơn điện thế ngưỡng và

ở điện thế cổng dương thật ra cũng đã có dòng thốt IDSS rất nhỏ.



Sự hoạt động và đặc tính chuyển của NMOS cũng tượng tự, ở PMOS dòng điện là do

hạt tải đa số lỗ trống còn ở NMOS dòng điện là do hạt tải đa số điện tử nên NMOS có thể

hoạt động tần số cao hơn PMOS.



Hình 4.4: MOSFET tăng kênh n

 Đặc tính chuyển của MOSFET



Hình 4.5: MOSFET tăng kênh p



Hình 4.6: Đặc tính chuyển của MOSFET

1.3 Trạng thái chuyển mạch

Trong kỹ thuật mức logic thường không cần quan tâm đến chi tiết biến thiên của một

thơng số (ví dụ dòng thốt ID) theo một hay nhiều thơng số khác (ví dụ VGS) mà thường

chỉ quan tâm đến hai trạng thái cực của MOSFET đó là ngưng dẫn và dẫn mạch tức hai

trạng thái logic mạch ứng với logic 0 và 1. Xem hình 4.6 cả ở PMOS và NMOS khi cổng

ở cùng điện thế với nguồn (VGS=0V) thì MOSFET ngưng dẫn, (I D =0 ngoại trừ dòng rỉ

IDSS nhỏ) và điện trở giữa thoát và nguồn rất lớn (điển hình 10000M) nên MOSFET xem

như hở giữa thốt và nguồn. Khi điện thế ở cổng bằng với điện thế ở thốt (V GS=VDD) thì

MOSFET dẫn mạch (bão hòa) và điển trở giữa thốt và nguồn nhỏ hẳn lại (điển hình 1K)

nên MOSFET xem như nối tắt giữa thoát và nguồn nếu so với điện trở lớn khi MOSFET



ngưng dẫn. Sự chuyển tiếp giữa hai trạng thái có ảnh hưởng lên một số đặc tính hoạt

động của MOSFET.



(A)



(B)



Hình 4.7: Trạng thái chuyển mạch ở NMOS: (A) ngưng dẫn, (B) dẫn mạch

2. Các loại IC logic CMOS

Có nhiều loại IC logic CMOS với các đóng vỏ (package) và chân ra giống như các

loại TTL. Ở các IC có quy mơ tích hợp nhỏ (SSI) vỏ DIP (vỏ hàng chân thẳng hàng) 14

chân và 16 chân là phổ biến nhất.

2.1 Loại 4000A, 4000B, 4500.

Nếu hãng TL (Texas Instrusment-Mỹ) đi đầu trong việc thương mại hóa rộng rãi các

IC TTL thì hãng RCA (Mỹ) đi đầu trong việc sản xuất các IC logic CMOS với loại đầu

tiên mang tên CD4000A. Về sau hãng này cho ra đời loại CMOS cải tiến mang tên loại

công nghiệp CD4000B có thêm tầng đệm ra. RCA cũng bổ sung mang tên CD4500 và

CD4700. Hãng Motorola (Mỹ) sản xuất các IC logic CMOS tương thích mang tên lần

lượt MC14000, MC14000B, MC14500.

Do có tầng đệm ra nên loạt B có một số ưu điểm như khả năng dòng cao hơn,đặc tính

chuyển dốc hơn dẫn đến độ miễn nhiễu cao hơn,thời tăng thời giảm của tín hiệu vng ra

ngắn hơn, và mặc dầu có thêm transistor nhưng ở loại B các transistor tích hợp có kích

thước nhỏ hơn nên tốc độ lại cao hơn loại A.



Hình 4.8: Sơ đồ chân các IC họ CMOS - 40

Các loại CMOS nói ở trên hoạt động ở điện thế V DD từ 3V đến 18V mà thường nhất là

từ 5V đến 15V.

2.2 Loại 74C.

Đây là loại logic CMOS nhằm thế logic TTL cùng chức năng. Để tiện dụng người ta

dùng mã số giống nhau và chân ra như sau; ví dụ 74C00 là 4 NAND hai ngõ vào giống

như 7400,74C74 là hai Flip Flop D nảy bằng cạnh giống như 7474. Không phải tất cả IC

TTL loại 74 đều có IC CMOS loạt 74C tương ứng. Các đặc tính hoạt động của loại 74C

tốt hơn loại 4000 một chút thật ra loạt 74C ít được dùng.

2.3 Loại 74HC, 74HCT (High Speed CMOS).

Trong gia đình logic TTL ta đã biết sau loại 74 thường gồm 74, 74H, 74L là loại

Schottky gồm 74S, 74LS. Do đó người ta đã sản xuất các loại logic CMOS có khả năng

tương đương, thay thế được loại Schottky công suất thấp 74LS và được gọi là CMOS tốc

độ cao viết HCMOS (hãng RCA viết QMOS). CMOS tốc độ cao gồm loại 74HC và

74HCT. Loại 74HC có tốc độ giống loại 74LS nghĩa là nhanh hơn hẳn loại 74C và có khả

năng dòng ra lớn hơn.

Bảng 4.1 So sánh các loại TTL và CMOS ở hai đặc tính quan trọng là công suất tiêu

tán ở mỗi cổng PD (ở tần số 0Hz đối với CMOS và dến 1MHz đối với TTL) và trì hỗn

truyền tP khi nguồn cấp điện là 5V. Loại 74HC hoạt động ở điện thế cấp 2 đến 6V. Loại

74HTC hoạt động ở điện thế cấp điện 4,5 đến 5,5V (so với các loại TTL hoạt động ở 4,75

đến 5,25V) và có mức điện thế ở ngõ vào tương thích TTL. Cũng giống như ở TTL,

ngồi gia đình 74 gồm 74C, 74HC, 74HCT còn có gia đình đặc biệt 54 gồm 54C, 54HC,



54HCT có khoảng nhiệt độ hoạt động rộng (-55 đến +125ở 54HC so với -40 đến +80 ở

74HC), còn các đặc tính khác thì khác ít thơi.

Gia đình 54 thường được dùng trong qn sự và du hành không gian hay trong 1 vài

môi trường đặc biệt.

So sánh công suất giữa TTL và CMOS được cho ở bảng 4.1. Trong đó: P là cơng suất

tiêu tán của một cổng ở 0Hz đối với CMOS và đến 1MHz đối với TTL; t D là trì hỗn

truyền ở nguồn cấp điện 5V.

Loại logic



Pp(mW)



tP(ns)



TTL

















74 (thường)

74S (Schottky)

74LS (Schottky cơng suất thấp)

74AS (Schottky cao cấp)

74ALS (Schottky cao cấp công suất thấp)

74F (tốc độ nhanh)



10

20

2

8

2

4



10

3

10

2

4

3



CMO

S



















4000 (cấp điện 3 đến 18V)

4500 (cấp điện 3 đến 18V)

74C (tương thích với TTL)

74HC (74C tốc độ cao)

74HCT (74HC có mức điện thế vào TTL)

74AC (74HC cao cấp)

74ACT (74HCT cao cấp)



0

0

0

0

0

0

0



100

100

50

10

10

3

3



Bảng 4.1: Bảng so sánh đặc tính họ CMOS và TTL

2.4 Loại 74AC, 74ACT (Advanced CMOS).

Ở TTL có loại các Schottky cao cấp 74AS, 74ALS trong đó loại sau được dùng nhiều

trong máy tính đời mới. Trường phái CMOS cũng chẳng chịu thua và đã phát triển loại

logic CMOS cao cấp (viết tắt là ACL) gồm 74AC, 74ACT thay thế được logic TTL cao

cấp (xem bảng 6.1). Loại CMOS cao cấp có chức năng tương đương với một số loại TTL



nhưng khơng tương thích về chân ra với TTL. Chân ra ở 74AC và 74ACT đã được chọn

sao cho các tín hiệu vào ít nhạy cảm với sự thay đổi tín hiệu ở các chân khác. Loại cao

cấp ACL có ưu thế loại tốc độ cao HC về độ miễn nhiễu, trì hỗn truyền, tốc độ đồng hồ

tối đa. Tên của loại ACL có 5 số bắt đầu bởi 11, ví dụ 74AC11004 (tương ứng với

74HC04).

2.5 Loại FACT (Fairchild Advanced CMOS Technology).

Năm 1985 hãng Fairchild (một công ty Mỹ đi tiên phong trong lĩnh vực vi điện tử kể

cả vi xử lý mặt dù không phải là một cơng ty có nhiều sản phẩm trên thị trường thế giới)

tung ra loại FACT gồm 74AC00, 74ACT00, 74FCT00 có tính năng trội hơn các loại

tương ứng của các loạt tương ứng của các hãng khác (loại IC CMOS FACT về sau thuộc

sở hữu của hãng National Semiconductor của Mỹ).

2.6 Loại 74AHC (Advanced High Speed CMOS).

Loại CMOS mới nhất này nhanh hơn, tiêu thụ ít cơng suất hơn và có thể thay thế trực

tiếp loại HC.

Thông số



4000B



74HC/H

CT



74AC/AC

T



74AHC/

T



74ALS



Công suất tiêu tán mỗi cổng

• Tĩnh (mW)

• 100KHz (mW)

Trì hỗn truyền (ns)

Tốc độ - công suất(pJ) ở 100KHz

Tốc độ đồng hồ tối đa (MHz)

Lề nhiễu dở nhất(V)



1,0 x 10-3

0,1

50

5

12

1,5



2,5 x 10-3

0,17

8

1,4

40

0,9



5,0 x 10-3

0,08

4,7

0,37

100

0,7



9,0 x 10-5

0,006

3,7

0,02

130

0,55



1,2

1,2

4

4,8

70

0,4



Bảng 4.2 : Thông kỹ thuật của các loại CMOS khi VDD=5v

3. Đặc tính điện của logic CMOS



Trong việc sử dụng các IC logic CMOS ta phải biết nhiều đặc tính và giới hạn của

chúng. Các đặc tính thơng dụng như điện thế cấp điện,số tỏa ra, khả năng dòng ra…

thường dễ vận dụng. Tất cả các IC logic đều dùng được ở 5V. Số tỏa ra với cùng loại

logic ít nhất là gần chục trong lúc thường chỉ cần vài. Tuy nhiên đôi khi cần tham khảo

tài liệu khi có nghi ngờ hay sử dụng ở trường hợp thái cực (điện thế cấp điện cao nhất,

tốc độ cao nhất, tải thuần dung,thuần cảm) hay giao tiếp các IC khác điện thế,khác loại.



Trong các sách tra cứu IC người ta liệt kê các chỉ tiêu tối đa, các điều kiện hoạt động

khuyến cáo, các đặc tính tĩnh điện và các đặc tính chuyển mạch.

3.1 Điện thế cấp điện

Ở TTL điện thế cấp điện thường được gọi V CC, còn ở CMOS thường được gọi là V DD

nhưng có khuynh hướng cũng gọi chung là V CC. Các loại CMOS có điện thê cấp điện rất

khác nhau mà nhầm lẫn có thể tai hại.

Để biết được thơng số mức điện áp các học CMOS, xem bảng 4.3 để từ đó ta có thể

chọn mức áp hợp lý cấp cho IC.

Loại CMOS

CD4000A,B,CD4500



Điện thế cấp điện VDD

3V đến 15V (có thể đến 18V)



MC14000A,B,C14500



3V đến 15V (có thể đến 18V)



74C



3V đến 15V (có thể đến 18V)



74HC



2V đến 6V



74HCT



4,5 đến 5,5V



Bảng 4.3: Điện thế cấp điện ở các loại CMOS khác nhau

Để ý loại CMOS nào cũng sử dụng được ở điện thế 5V như TTL. Trên thực tế, và

cũng đế so sánh với TTL, trong nhiều trường hợp tiếp theo ta sử dụng các CMOS ở điện

thế cấp điện 5V.

3.2 Các điện thế logic ở ngõ vào

Ta biết mức logic (trạng thái logic) không ứng với một điện thế nhất định mà là một

khoảng điện thế. Ở các loại logic CMOS người ta cũng định nghĩa các điện thế V IH, VIL

như ở TTL, hình 4.7 cho ta thấy khoảng điện thế ứng với mức cao, mức thấp ở các loại

logic CMOS. Để ý là loại 74HCT giống TTL. Đối với loại CD4000, 74C dùng điện thế

cấp điện lớn hơn 5v thì VIH 0,7 VDD,VIL 0,3VDD.



Hình 4.8: Mức điện

thế vào ứng với mức

cao,mức thấp ở

logic CMOS.

Khi các IC cùng

loạt ở cùng điện thế

cấp điện được dùng

trong mạch,và số

cổng tải nhỏ hơn số tỏa ra thì mạch tự nhiên chạy đúng và ta khơng cần quan tâm các

điện thế VIH, VIL. Ta quan tâm đến các điện thế này khi tuy cùng loạt CMOS nhưng ở điện

thế cấp điện khác nhau hoặc khi giao tiếp TTL với các loạt CMOS. Bảng 4.4 so sánh các

mức điện thế ở các loạt logic CMOS.

Thông số



4000B



74HC



74HCT



74AC



74ACT



74AHC



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



Bảng 4.4:Các mức điện thế (bằng volt) ở các CMOS khi VDD=5V

3.3 Các điện thế logic ở ngõ ra



74AHC

T

2,0

0,8

3,15

0,1



Hình 4.9: Các điện thế ra ứng với mức cao và mức thấp

Các thông số về điện thế và dòng ở các IC logic CMOS không rõ ràng như ở TTL, các

tài liệu tham khảo liệt kê rất khác nhau do ghi nhận ở điều kiện hoạt động khác nhau, loại

đóng vỏ, tùy hãng sản xuất…Tuy nhiên, ta vẫn có thể rút ra những điều chung nhất (hình

4.8). Khi ngõ ra để hở tức không tải, điện thế ra mức cao (transistor PMOS ở trên dẫn,

transistor NMOS ở dưới ngưng) rất sát V DD, khơng bao giờ xuống dưới 4,9V (nếu

VDD=5V). Khi dòng ra càng lớn (dòng điện từ V DD qua transistor PMOS ở trên và qua tải)

điện thế ra càng sụt và được cho phép xuống thấp nhất gọi V OH (khoảng 4.0V) ở dòng ra

tối đa cho phép IOH . Điện thế ra mức thấp (PMOS ngưng,NMOS dẫn) khi chưa có tải rất

sát điện thế đất, không bao giờ lên cao quá 0,1V. Khi dòng ra càng lớn (đây là dòng nhận

từ tải chảy vào NMOS) điện thế ra càng tăng và được cho phép lên cao nhất gọi V OL

(khoảng 0,5V) ở dòng ra tối đa cho phép IOL.

Cũng giống như điện thế ở ngõ vào,ta chỉ quan tâm đến các điện thế ra khi giao tiếp

CMOS khác điện thế, khác loạt nhất là khi giao tiếp CMOS với TTL, ECL.

3.4 Dòng điện vào và dòng điện ra

Bảng 4.6 cho biết dòng điện ở ngõ vào và ngõ ra ở hai mức logic. Dấu “-” chỉ dòng

chảy từ IC, dấu “+” (khơng dấu) chỉ dòng chảy vào IC.0,1V (hở).

Thơng số dòng điện



74



74LS



74ALS



4000



74HC(T)



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

BÀI TẬP CHƯƠNG 3

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×