Bài giảng Kỹ thuật số - Chương 3: Cổng Logic

CỔNG LOGIC 
 CÁC KHÁI NIỆM LIÊN QUAN 
 CỖNG LOGIC CƠ BẢN 
 THÔNG SỐ KỸ THUẬT 
 GIAO TIẾP GIỮA CÁC HỌ IC SỐ 
CHƢƠNG 3 
Chương 3: Cổng Logic 2 
 CÁC KHÁI NIỆM LIÊN QUAN 
- Tín hiệu tƣơng tự là tín hiệu có biên độ liên tục theo thời gian, 
thường do các hiện tượng tự nhiên sinh ra. 
- Tín hiệu số là tín hiệu có dạng xung gián đoạn về thời gian biên 
độ chỉ có 2 mức rõ rệt: mức cao và mức thấp. 
- Mạch điện xử lý tín hiệu tương tự gọi là mạch tƣơng tự. Mạch 
điện xử lý tín hiệu số gọi là mạch số. 
Ưu điểm của mạch số so với mạch tương tự: 
- Dễ thiết kế, phân tích. 
- Hoạt động theo chương trình lập sẵn 
- Ít bị ảnh hưởng của nhiễu. 
- Dễ chế tạo thành mạch tích hợp. 
Chương 3: Cổng Logic 3 
Phân loại IC số dựa vào số cổng trong một chip: 
- Số cổng < 10: SSI (Small Scale Integrated) 
- 10 < Số cổng < 100: MSI (Medium Scale Integrated) 
- 100 < Số cổng < 1000: LSI (Large Scale Integrated) 
- 1000 < Số cổng < 10000: VLSI (Very Large SI) 
- 10000 < Số cổng: ULSI (Ultra Large Scale Integrated) 
Chương 3: Cổng Logic 4 
Biểu diễn trạng thái Logic 1 và 0 
- Người ta thường gán: Logic dương: 
 Điện thế cao Logic 1 ; Điện thế thấp Logic 0 
Thực tế, mức Logic 1 và mức logic 0 tương ứng với môt khoảng điện thế xác định, 
có một khoảng chuyển tiếp giữa mức cao và mức thấp là khoảng không xác định 
(ngưỡng logic). Khoảng này tùy thuộc vào họ IC sử dụng và được cung cấp trong 
bảng thông số kỹ thuật – Trong khoảng điện áp này có thể gây ra lỗi trong mạch số. 
-Logic âm ngược lại 
VD giản đồ điện thế các mức logic của IC số họ TTL 
Chương 3: Cổng Logic 5 
 CỔNG LOGIC CƠ BẢN (Cổng logic là các mạch điện 
tử có chức năng thực hiện các hàm logic). 
1. Cổng NOT (Cổng đảo) 
- Chức năng: Dùng thực hiện phép đảo logic, còn gọi là cổng (INVERTER). 
Cổng NOT có 1 ngõ vào và 1 ngõ ra 
- Bảng sự thật 
- Giản đồ thời gian 
A 
Y 
0 
1 
0 
1 Note: Khi cổng đảo được ghép chung với cổng khác thì 
ký hiệu được đơn giản thành 1 dấu tròn nhỏ 
- Ký hiệu 
Chương 3: Cổng Logic 6 
2. Cổng AND (toán tử . “và”) 
- Chức năng: Dùng thực hiện phép nhân logic giữa 2 hay nhiều biến nhị 
phân. Cổng AND có 2 hay nhiều ngõ vào và có 1 ngõ ra 
- Bảng sự thật 
- Giản đồ thời gian 
A 
Y 
0 
1 
0 
1 
Note: Ngõ ra cổng AND chỉ ở mức cao khi tất cả các 
ngõ vào đều ở mức cao 
- Ký hiệu 
A B Y = A.B 
0 
0 
1 
1 
0 
1 
0 
1 
0 
0 
0 
1 
B 
0 
1 
Chương 3: Cổng Logic 7 
3. Cổng OR (toán tử + “hoặc”) 
- Chức năng: Dùng thực hiện phép cộng logic giữa 2 hay nhiều biến nhị 
phân. Cổng OR có 2 hay nhiều ngõ vào và có 1 ngõ ra 
- Bảng sự thật 
- Giản đồ thời gian 
A 
Y 
0 
1 
0 
1 
Note: Ngõ ra cổng OR chỉ ở mức thấp khi tất cả các 
ngõ vào đều ở mức thấp 
- Ký hiệu 
B 
0 
1 
A B Y=A+B 
0 
0 
1 
1 
0 
1 
0 
1 
0 
1 
1 
1 
Chương 3: Cổng Logic 8 
4. Cổng NAND 
- Chức năng: Thực hiện cùng 1 lúc 2 chức năng: AND và NOT. Cổng 
NAND có 2 hay nhiều ngõ vào và có 1 ngõ ra 
- Bảng sự thật 
Note: Ngõ ra chỉ bằng 0 khi 
tất cả A và B đều bằng 1 
- Ký hiệu 
A B 
0 
0 
1 
1 
0 
1 
0 
1 
1 
1 
1 
0 
Bất kỳ mạch logic nào cũng có thể được xây dựng từ 3 cổng cơ bản: 
AND, OR và NOT 
A.BY 
Khi nối chung 2 ngõ vào của 
cổng NAND Cổng NOT 
Chương 3: Cổng Logic 9 
5. Cổng NOR 
- Chức năng: Thực hiện cùng 1 lúc 2 chức năng: OR và NOT. Cổng NOR 
2 hay nhiều ngõ vào và có 1 ngõ ra 
- Bảng sự thật 
Note: Ngõ ra chỉ bằng 1 khi 
tất cả A và B đều bằng 0 
- Ký hiệu 
Khi nối chung 2 ngõ vào của 
cổng NOR Cổng NOT 
A B 
0 
0 
1 
1 
0 
1 
0 
1 
1 
0 
0 
0 
BAY 
Chương 3: Cổng Logic 10 
6. Cổng BUFFER (Cổng đệm) 
- Chức năng: Dùng như mạch khếch đại logic. Tín hiệu qua cổng đệm 
không làm thay đổi trạng thái logic. 
- Dùng cổng đệm để sửa dạng tín hiệu vuông hơn, đưa điện thế tín hiệu 
về đúng mức logic. Cổng BUFFER có 1 ngõ vào và có 1 ngõ ra 
- Bảng sự thật - Ký hiệu 
A Y=A 
0 
1 
0 
1 
Chương 3: Cổng Logic 11 
7. Cổng EX-OR 
- Chức năng: Thực hiện phép toán EX-OR (cộng ngoại trừ - cộng bỏ qua số 
nhớ) giữa 2 biến nhị phân. Cổng EX-OR có 2 ngõ vào và có 1 ngõ ra 
- Hàm: - Bảng sự thật 
Y=0 khi A và B cùng mức logic 
Y=1 khi A và B cùng mức logic 
- Ký hiệu: 
-Khi có một ngõ vào nối lên mức cao thì 
cổng EX-OR = Cổng NOT 
-Khi có một ngõ vào nối xuống mức 
thấp thì cổng EX-OR = Cổng ĐỆM 
A B Y=AB 
0 
0 
1 
1 
0 
1 
0 
1 
0 
1 
1 
0 
BA..BABAY  
= AB 
Chương 3: Cổng Logic 12 
8. Cổng EX-NOR 
- Chức năng: Thực hiện phép toán EX-OR và NOT. Cổng EX-NOR có 2 ngõ 
vào và có 1 ngõ ra 
- Hàm: - Bảng sự thật 
Y=1 khi A và B cùng mức logic 
Y=0 khi A và B cùng mức logic 
- Ký hiệu: 
-Khi có một ngõ vào nối lên mức cao thì 
cổng EX-NOR = Cổng ĐỆM 
-Khi có một ngõ vào nối xuống mức 
thấp thì cổng EX-NOR = Cổng NOT 
A B 
0 
0 
1 
1 
0 
1 
0 
1 
1 
0 
0 
1 
A.BB.ABAY  
BA 
BAY  
Chương 3: Cổng Logic 13 
9. Cổng PHỨC (AOI) 
- Khi kết nối nhiều cổng khác nhau để thức hiện 1 hàm logic nào đó được gọi là 
cổng Phức (AOI) 
VD: Từ mạch điện viết biểu thức 
BC.DAY ).( 
DB.AC.BAC.B.AY 
VD: Từ biểu thức Vẽ mạch điện 
Chương 3: Cổng Logic 14 
10. SỰ CHUYỂN ĐỔI QUA LẠI GIỮA CÁC CỔNG LOGIC 
 Chỉ cần dùng AND và NOT hoặc OR và NOT là xây dựng đƣợc tất cả các hàm 
khác có nghĩa là có thể xây dựng tất cả các cổng khác từ AND và NOT hoặc OR 
và NOT. Mặt khác cổng Not có thể tạo ra từ cổng NAND hoặc cổng NOR Tất 
cả các hàm logic có thể đƣợc thực hiện bởi cổng NAND hoặc cổng NOR. 
 Qui tắc: Biến đổi giữa AND, NOT OR, NOT: Thêm các cổng đảo ở ngõ vào 
và ngõ ra, nếu ơ các ngõ đã có đảo rồi thì đảo này sẽ mất đi. (Thực chất là sử dụng 
Định lý De-morgan). 
BAB.AY BAY:OR 
BABAY .BAY:NOR 
BABAY . BAY:NAND . 
B.ABAY A.BY:AND 
AY AY:NOT 
Chương 3: Cổng Logic 15 
11. TỪ NAND XÂY DỰNG CÁC CỔNG KHÁC 
A.A AY:NOT 
A.B A.BY:AND 
BA BAY:OR 
B.A BAY:NOR 
BA..BA BA..BA BAY:OR-EX  BA..BA . 
A.BB.A A.BB.A BAY:NOR-EX  A.BB.A . 
B.A 
B.A 
Chương 3: Cổng Logic 16 
11. TỪ NOR XÂY DỰNG CÁC CỔNG KHÁC 
AA AY:NOT 
A.B A.BY:AND 
BA BAY:OR 
BA BAY:NAND . 
BA. .BA BA..BA BAY:OR-EX  BA...BA 
A.BB.A A.BB.A BAY:NOR-EX  A.BB.A . 
BA 
BA 
BA.BA BABA 
BA.BA BABA 
Chương 3: Cổng Logic 17 
 THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA IC SỐ 
Các đại lƣợng điện đặc trƣng 
- VCC: Điện thế nguồn 
- VIH(min): Điện thế ngã vào mức cao 
- VIL(max): Điện thế ngã vào mức thấp 
- VOH(min): Điện thế ngã ra mức cao 
- VOL(max): Điện thế ngã ra mức thấp 
- IIH: Dòng điện ngã vào mức cao 
- IIL: Dòng điện ngã vào mức cao 
- IOH: Dòng điện ngã ra mức cao 
- IOL: Dòng điện ngã ra mức thấp 
- ICCH, ICCL: Dòng điện qua IC, khi ngã ra ở mức cao, thấp 
Chương 3: Cổng Logic 18 
Công suất tiêu tán 
PD(avg) = ICC(avg).VCC 
2
II
)avg(I CCLCCHCC
Fan-Out là số ngã vào lớn nhất có 
thể nối với ngã ra của một IC cùng 
loại, hay là khả năng chịu tải của một 
cổng logic 
IL
OL
L
IH
OH
H
I
I
OutFan
I
I
OutFan
(Unit Load) 
Thời trễ truyền là thời gian 
trễ của tín hiệu logic truyền 
qua một cổng 
tPLH: thời trễ truyền từ thấp 
lên cao 
tPHL: thời trễ truyền từ cao 
xuống thấp 
Chương 3: Cổng Logic 19 
Tích số công suất - vận tốc 
Dùng để đánh giá chất lượng IC, đó là tích số công suất tiêu tán và thời 
trễ truyền. 
Tính miễn nhiễu tuỳ thuộc 
khả năng dung nạp hiệu thế 
nhiễu của mạch, được xác 
định bởi lề nhiễu. 
Lề nhiễu mức cao: 
VNH = VOH(min) – VIH(min) 
Lề nhiễu mức thấp: 
VNL = VOL(max) – VIL(max) 
Chương 3: Cổng Logic 20 
Logic nhận dòng và Logic cấp dòng 
Thể hiện sự trao đổi dòng điện giữa hai tầng thúc và tầng tải 
Tính Schimitt Trigger 
Chương 3: Cổng Logic 21 
Để cải thiện dạng tín hiệu ngã ra, tính miển nhiễu cao chế tạo 
các cổng có tính trễ điện thế, gọi là cổng Schmitt Trigger. 
Ký hiệu: 
Chương 3: Cổng Logic 22 
 HỌ TTL 
Cổng cơ bản họ TTL 
Ngã ra totempole 
Không thể nối chung ngã 
ra của các cổng khác nhau. 
Chương 3: Cổng Logic 23 
Ngã ra cực thu để hở 
- Cho phép nối các ngã ra của 
nhiều cổng khác nhau. 
- Phải mắc điện trở kéo lên khi 
sử dụng. 
- Cho phép điện trở kéo lên mắc 
vào nguồn điện thế cao. 
Ngã ra ba trạng thái 
Chương 3: Cổng Logic 24 
Đặc tính của loạt TTL 
Thông số kỹ thuật 74 74L 74H 74S 74LS 74AS 74ALS 74F 
Thời trễ truyền (ns) 
CS tiêu tán (mW) 
Tích số CS-VT (pJ) 
Tần số Ck max (MHz) 
Fan-Out 
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 
Chương 3: Cổng Logic 25 
 HỌ MOS 
Cổng cơ bản NMOS 
Vin T1 T2 Vout 
0V (logic 0) RON = 100K ROFF = 10
10 +5V (logic 1) 
+5V (logic 1) RON = 100K RON = 1K 0,05V (logic 0) 
Chương 3: Cổng Logic 26 
Cổng cơ bản CMOS 
Vin T1 T2 Vout 
VDD (logic 1) ROFF = 10
10 RON = 1K 0V (logic 0) 
0V (logic 0) RON = 1K ROFF = 10
10 VDD (logic 1) 
Chương 3: Cổng Logic 27 
Các cổng CMOS khác 
Chương 3: Cổng Logic 28 
Đặc tính của họ CMOS 
- Nguồn: VDD 3V – 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 
- Số Fan-Out: 50UL 
Các loạt CMOS 
- 4XXX, 14XXX 
- 74C: CMOS, có cùng chức năng, sơ đồ chân với IC TTL 
- 74HC: High speed CMOS, cải tiến tốc độ giao hoán của 74C 
- 74AC: Advance CMOS, cải tiến của 74HC về mặt nhiễu 
Chương 3: Cổng Logic 29 
 GIAO TIẾP GIỮA CÁC HỌ IC SỐ 
Điều kiện để thúc trực tiếp: 
- Dòng điện ra của tầng thúc dòng điện vào của tầng tải 
- Điện thế ra của tầng thúc phù hợp với điện thế vào của tầng tải 
Thông số 
CMOS (VDD = 5V) TTL 
4000B 74HC 74HCT 74 74LS 74AS 74ALS 
VIH(min) 
VIL(max) 
3,5V 
1,5V 
3,5V 
1,0V 
2,0V 
0,8V 
2,0V 
0,8V 
2,0V 
0,8V 
2,0V 
0,8V 
2,0V 
0,8V 
VOH(min) 
VOL(max) 
4,95V 
0,05V 
4,9V 
0,1V 
4,9V 
0,1V 
2,4V 
0,4V 
2,7V 
0,5V 
2,7V 
0,5V 
2,7V 
0,4V 
IIH(max) 
IIL(max) 
1A 
1A 
1A 
1A 
1A 
1A 
40A 
1,6mA 
20A 
2mA 
200A 
2mA 
20A 
100A 
IOH(max) 
IOL(max) 
0,4mA 
0,4mA 
4mA 
4mA 
4mA 
4mA 
0,4mA 
16mA 
0,4mA 
8mA 
2mA 
20mA 
0,4mA 
8mA 
Chương 3: Cổng Logic 30 
TTL thúc CMOS 
- TTL thúc CMOS nguồn thấp (VDD = 5V): Mắc điện trở kéo lên ở 
ngã ra TTL để nâng điện thế ra của TTL 
- TTL thúc 74HCT: Kết nối không cần điện trở kéo lên 
- TTL thúc CMOS nguồn cao (VDD = 10V): Dùng cổng đệm có ngã 
ra để hở dùng nguồn cao 
Chương 3: Cổng Logic 31 
CMOS thúc TTL 
- CMOS thúc TTL ở trạng thái cao: Không có vấn đề 
- CMOS thúc TTL ở trạng thái thấp: Dùng cổng đệm đối với 
loạt 4000B 
- CMOS nguồn cao thúc TTL: Dùng cổng đệm để hạ điện thế ra