Bài 3:Vi mạch số họ TTL

Trước khi đi vào cấu trúc của mạch TTL cơ bản, xét một số mạch điện cũng có khả năng thực hiện chức năng logic như các cổng logic trong vi mạch TTL:

 

Mạch ở hình 1.46  hoạt động như một cổng AND. Thật vậy, chỉ khi cả hai đầu A và B đều nối với nguồn, tức là để mức cao, thì cả hai diode sẽ ngắt, do đó áp đầu ra Y sẽ phải ở mức cao. Ngược lại, khi có bất cứ một đầu vào nào ở thấp thì sẽ có diode dẫn, áp trên diode còn 0,6 hay 0,7V do đó ngõ ra Y sẽ ở mức thấp.

Tiếp theo là một mạch thực hiện chức năng của một cổng logic bằng cách sử dụng trạng thái ngắt dẫn của transistor (hình 1.47).

Hai ngõ vào là A và B, ngõ ra là Y.

Phân cực từ hai đầu A, B để Q hoạt động ở trạng thái ngắt và dẫn bão hoà

Cho     A = 0, B = 0 Þ Q ngắt, Y = 1

            A = 0, B = 1 Þ Q dẫn bão hoà, Y = 0

            A = 1, B = 0 Þ Q dẫn bão hoà, Y = 0

            A = 1, B = 1 Þ Q dẫn bão hoà, Y = 0

Có thể tóm tắt lại hoạt động của mạch qua bảng dưới đây

Nghiệm lại thấy mạch thực hiện chức năng như một cổng logic NOR

Vì có cấu tạo ở ngõ vào là điện trở, ngõ ra là transistor nên mạch NOR trên được xếp vào dạng mạch RTL

Với hình trên, nếu mạch chỉ có một ngõ vào A thì khi này sẽ có cổng NOT, còn khi thêm một tầng transistor trước ngõ ra thì sẽ có cổng OR

Bây giờ để có cổng logic loại DTL, ta thay hai R bằng hai diode ở ngõ vào (hình 1.48)

Khi A ở thấp, B ở thấp hay cả 2 ở thấp thì diode dẫn làm transistor ngắt do đó ngõ ra Y ở cao.

Khi A và B ở cao thì cả hai diode ngắt => Q dẫn => y ra ở thấp

Rõ ràng đây là 1 cổng NAND dạng DTL (diode ở đầu vào và transistor ở đầu ra)

Các mạch RTL, DTL ở trên đều có khả năng thực hiện chức năng logic nhưng chỉ được sử dụng ở dạng đơn lẻ không được tích hợp thành IC chuyên dùng bởi vì ngoài chức năng logic cần phải đảm bảo người ta còn quan tâm tới các yếu tố khác như :

 Tốc độ chuyển mạch (mạch chuyển mạch nhanh và hoạt động được ở tần số cao không).

 Tổn hao năng lượng khi mạch hoạt động (mạch nóng, tiêu tán mất năng lượng dưới dạng nhiệt).

 Khả năng giao tiếp và thúc tải, thúc mạch khác.

 Khả năng chống các loại nhiễu không mong muốn xâm nhập vào mạch, làm sai mức logic.

Chính vì thế mạch TTL đã ra đời, thay thế cho các mạch loại RTL, DTL. Mạch TTL ngoài transistor ngõ ra như ở các mạch trước thì nó còn sử dụng cả các transistor đầu vào, thêm một số cách nối đặc biệt khác, nhờ đó đã đảm bảo được nhiều yếu tố đã đề ra. Hình 1.49 là cấu trúc của một mạch logic TTL cơ bản :

 

Mạch này hoạt động như một cổng NAND.

Hai ngõ vào là A và B được đặt ở cực phát của transistor Q1 (đây là transistor có nhiều cực phát có cấu trúc mạch tương đương như hình bên )

Hai diode mắc ngược từ 2 ngõ vào xuống mass dùng để giới hạn xung âm ngõ vào, nếu có, giúp bảo vệ các mối nối BE của Q1

Ngõ ra của cổng NAND được lấy ra ở giữa 2 transistor Q3 và Q4, sau diode D0

Q4 và D0 được thêm vào để hạn dòng cho Q3 khi nó dẫn bão hoà đồng thời giảm mất mát năng lượng toả ra trên R4 (trường hợp không có Q4,D0) khi Q3 dẫn.

Điận áp cấp cho mạch này cũng như các mạch TTL khác thường luôn chuẩn là 5V

Mạch hoạt động như sau :

Khi A ở thấp, B ở thấp hay cả A và B ở thấp Q1 dẫn điện; phân cực mạch để áp sụt trên Q1 nhỏ sao cho Q2 không đủ dẫn; kéo theo Q3 ngắt.

Như vậy nếu có tải ở ngoài thì dòng sẽ đi qua Q4, D0 ra tải xuống mass. Dòng này gọi là dòng ra mức cao kí hiệu là I_OH

Giả sử tải là một điện trở 3k9 thì dòng là:

 

Khi cả A và B đều ở cao, nên không thể có dòng ra A và B được, dòng từ nguồn V_cc sẽ qua R1, mối nối BC của Q1 thúc vào cực B làm Q2 dẫn bão hòa.

Nếu mắc tải từ nguồn V_cc tới ngõ ra Y thì dòng sẽ đổ qua tải, qua Q3 làm nó dẫn bão hoà luôn. Ngõ ra sẽ ở mức thấp vì áp ra chính là áp VCE của Q3 khoảng 0,2 đến 0,5V tuỳ dòng qua tải. Khi này ta có dòng ra mức thấp kí hiệu là I_OL. Sở dĩ gọi là dòng ra vì dòng sinh ra khi cổng logic ở mức thấp (mặc dù dòng này là dòng chảy vào trong cổng logic)

Ví dụ nếu tải là 470 ohm thì dòng I_OL khi này là:

 

Vậy mạch logic ở trên có chức năng hoạt động như 1 cổng NAND 2 ngõ vào

Nếu để hở hai ngõ vào A và B thì Q1 vẫn ngắt, Q2 vẫn dẫn, kéo theo Q3 dẫn khi có tải ngoài tức là ngõ ra Y vẫn ở cao, do đó giống như trường hợp ngõ A và B nối lên mức cao.

Nếu A và B nối chung với nhau hay Q1 chỉ có 1 cực phát thì mạch NAND chuyển thành mạch NOT

Việc sắp xếp thứ tự Rc, Q4, D0, Q3 thành hình cột giống như hình cột chạm-totem pole-hình tổ vật của người Mĩ da đỏ nên dạng mạch này được gọi là mạch logic ngõ ra cột chạm, cấu trúc của các loại cổng logic khác như and, or, exor cũng giống như vậy. Tuy vậy ta cũng sẽ gặp các mạch logic có ngõ ra kiểu khác như mạch ngõ ra cực thu để hở, ngõ ra ba trạng thái. Những mạch này ta sẽ tìm hiểu ở phần sau. Riêng đối với mạch loại này, khi ngõ ra chuyển tiếp trạng thái từ thấp lên cao có thể xảy ra trường hợp cả Q3 và Q4 cùng dẫn (Q3 chưa kịp tắt). Điều này làm cho dòng bị hút từ nguồn lớn hơn hẳn và có thể làm sụt áp nguồn trong vài ns. Vấn đề này ta cũng sẽ nói kỹ hơn ở bài sử dụng cổng logic.

Mạch ngõ ra cột chạm thuộc loại mạch ra kéo lên tích cực (active pull up) tức là ngõ ra được cấp nguồn thông qua Q4 (linh kiện điện tử tích cực). Còn các mạch khác như  RTL, DTL ngõ ra được cấp điện thông qua R (linh kiện điện tử thụ động)

Để tăng tốc độ chuyển mạch cao hơn hẳn loại trên, một số cải tiến mới và công nghệ mới đã được thêm vào

Diode thường được được thay thế bởi diode schottky. Cấu trúc lớp tiếp xúc loại này là Si_Al (chất bán dẫn loại p). Áp ngưỡng chỉ còn 0,35V. Kí hiệu của diode như

Tiếp đến, transistor được mắc thêm diode schottky giữa cực nền và cực thu như hình. kí hiệu của transistor sẽ như hình trên.

Khi này thay vì dẫn bão hoà, transistor sẽ chỉ dẫn gần bão hoà do diode đã dẫn ở khoảng 0,3V rồi. Điều này có nghĩa là transistor sẽ chuyển mạch nhanh hơn.

QUY MÔ TÍCH HỢP

Các mạch cổng logic như trên được tích hợp lại thành một mạch tổ hợp bán dẫn rất rất nhỏ và được đặt vào giữa một vỏ bọc, có dây kim loại nối ra ngoài các chân. Thường thì với mạch cổng nand như ở trên sẽ có bốn mạch như thế được tích hợp trong một vỏ bọc, chúng thuộc loại tích hợp cỡ nhỏ: small scale integration (SSI), một số IC đặc biệt có số cổng lớn hơn một chút hay quy mô phức tạp hơn nên thuộc loại tích hợp cỡ vừa: medium scale integration (MSI). Khi nằm trong IC tích hợp, sự sắp xếp mạch và các chân ra vào cho loại cổng chuẩn này (ví dụ với loại cổng nand) sẽ là:

Có nhiều mạch khác sẽ tích hợp nhiều cổng hơn và tất nhiên thành phần chính của những mạch này sẽ là các transistor và quy mô tích hợp có  thể từ hàng trăm đến hàng trăm triệu transistor trên một phiến bán dẫn, chỉ được đặt trong một vỏ bọc không lớn quá vài xen ti mét vuông. Chẳng hạn

Các mạch chuyển đổi mã, dồn tách kênh, mạch logic và số học mà chúng ta sẽ tìm hiểu ở phần sau thuộc loại tích hợp cỡ vừa, một số là loại tích hợp cỡ lớn : large scale integration (LSI) vì cấu trúc mạch gồm khoảng từ 12 đến 100 cổng cơ bản (MSI) hay 100 đến 1000 cổng cơ bản (LSI)

Các mạch nhớ, vi điều khiển, vi xử lí, lập trình có thể tích hợp từ hàng ngàn đến hàng triệu cổng logic trong nó và được xếp vào loại tích hợp cỡ rất lớn (VLSI) siêu lớn (ULSI).

Phạm Văn Ngọc Anh- 01644326695

Phạm Minh Nhật       - 01649679474