Bài 6:Giao tiếp TTL với CMOS

2.1 Giao tiếp giữa các cổng logic với nhau

2.1.1 Giữa TTL với TTL

    Do cùng loại nên chúng đương nhiên có thể mắc nối trực tiếp với nhau. Dòng trung bình để đảm bảo mức điện áp vào, ra ở mức cao hay thấp cho phép thì:

I_OH = 400uA còn I_IH = 40uA khi ra mức cao

I_OL = 16mA còn I_IL = 16mA khi ra mức thấp

    Như vậy 1 cổng TTL có thể thúc được khoảng dưới 10 cổng logic cùng loại. Ở đây chỉ xét tính tương đối do TTL có nhiều loại nên khả năng thúc tải (tính số toả ra) cũng khác nhau như loại ALS có thể thúc được tới 20 cổng 74ALS khác. Để biết chính xác hơn có thể dựa vào thông số của dòng vào và ra của IC trong số tay tra cứu IC để tính toán

2.1.2 Giữa TTL với CMOS họ 74HC, 74HCT

    Ở mức thấp TTL có thể thúc được CMOS do V_OLmax(TTL)< V_ILmax(CMOS) và I_OLmax(TTL) > I_ILmax(CMOS)

    Ở mức cao TTL không thể thúc được CMOS do áp mức cao của TTL có khi chỉ còn 2,5 V trong khi CMOS chỉ chấp nhận áp mức cao không dưới 3,5V. nếu nối mạch thì hoạt động có thể sai logic.

    Có 1 cách để khắc phục là dùng điện trở kéo lên ở ngõ ra của cổng TTL. Khi đó, qua điện trở R này, dòng từ nguồn sẽ nâng dòng vào CMOS nhờ đó áp ra mức cao TTL sẽ không quá thấp, CMOS sẽ hiểu được.

Chẳng hạn một cổng 74LS01 có I_OLmax = 8mA, V_OLmax = 0,3V thúc một cổng 74HC00 có V_IHmin = 3,5V, I_IHmin = 1uA.

    Khi 74LS01 ở mức thấp 0,3V thì nó sẽ nhận dòng hết mức là 8mA được cấp thông qua điện trở kéo lên (trong khi dòng I_IHmin chỉ có dưới 1uA rất nhỏ), thế thì sẽ phải cần điện trở kéo lên có giá trị nhỏ nhất R_min.

                    

    Còn khi ở mức cao 3,5V 74LS01 nhận dòng 100uA và 74HC00 nhận dòng 1uA. Vậy khi này điện trở kéo lên sẽ phải có giá trị max để hạn lại dòng cho 2 cổng

                 

    Khi R_max thì công suất tiêu tán max sẽ nhỏ nhất

Tụ C = 15pF được thêm vào để khi đang ở mức thấp 0,3V mà chuyển lên mức cao thì tụ sẽ nạp cho áp lên 3,5V để CMOS “hiểu”

Hình 1.77 Giao tiếp giữa TTL với CMOS

2.1.3 TTL thúc CMOS có áp nguồn cao hơn 5V

Cũng giống như ở trường hợp trên, nếu ra mức thấp thì TTL có thể thúc trực tiếp CMOS nhưng nếu ra mức cao V_OH(TTL) chỉ có 2,7V đến 5V thì chắc chắn không thể thúc được CMOS vì khoảng áp này rơi vào vùng bất định của ngõ vào CMOS. Ta cũng phải dùng điện trở kéo lên, có thể dùng TTL ngõ ra cực thu để hở cho trường hợp này.

2.1.4 Giao tiếp CMOS-CMOS

Với cùng điện thế cấp, một cổng CMOS có thể thúc cho rất nhiều cổng cùng loại CMOS vì dòng cấp khoảng 0,5 đến 5mA trong khi dòng nhận rất nhỏ (dưới 1uA)

Tuy nhiên nếu tần số hoạt động càng cao thì khả năng thúc tải sẽ càng giảm đi (có khi chỉ còn dưới 10 cổng). Lý do là ở tần số cao, các điện dung ngõ vào của các cổng tải sẽ làm tăng công suất tiêu tán và trì hoãn truyền của mạch.

2.1.5 CMOS thúc TTL

Khi thúc tải ở mức cao thường V_OH(CMOS) > V_IH(TTL) còn dòng nhận I_IH(TTL) chỉ vài chục uA nên CMOS có thể thúc nhiều tải TTL.

Khi thúc TTL ở mức thấp thì rất phức tạp tuỳ loại.

CMOS cũ (4000) không thúc được TTL.

CMOS mới (74HC) thì có thể, số cổng thúc được tuỳ thuộc VOL(CMOS) > VIL(TTL) và dòng tổng ngõ ra (CMOS) phải lớn hơn tổng các dòng ngõ vào IIL của các tải TTL.

Như vậy, việc giao tiếp các cổng với nhau cũng rất đa dạng tuỳ thuộc yêu cầu người sử dụng. Một vấn đề khác cũng cần phải quan tâm là các IC giao tiếp nhau chung nguồn cấp hay giao tiếp cùng khoảng mức áp sẽ đảm bảo hoạt động hơn. Vì vậy có một số IC đã được sản xuất để phục vụ cho việc chuyển mức điện áp giao tiếp giữa CMOS với TTL hay CMOS 4000 với CMOS 74HC.

2.2 Giao tiếp giữa cổng logic với các thiết bị điện

2.2.1 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.

Hình 1.78 Giao tiếp với công tắc cơ khí

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.

Bạn có thể kiểm tra hiện tượng dội này của công tắc với mạch đếm bố trí như hình 1.78.

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 V_cc đưa 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.

Chống dội dùng tụ lọc đầu vào

Tụ C giá trị khoảng 0,01us được nối ở ngõ vào của cổng logic như hình vẽ. Khi nhấn công tắc, tụ C nạp qua công tắc vào tụ. Tới khi công tắc nhả ra, có hiện tượng dội tụ sẽ xả qua R xuống mass. Thời hằng xả là 100k x 0,01uF = 1ms lớn hơn chu kì dội tối đa của công tắc chỉ vài trăm ns. Do đó khi này cổng logic chưa chuyển mạch, tới khi áp xả trên tụ giảm xuống tới dưới mức ngưỡng của cổng logic thì trạng thái logic ngõ ra mới lật lại (hình 1.79).

Hình 1.79 Cách chống dội dùng tụ lọc

Cổng logic NOT được dùng có thể là loại TTL thường hay Schitt trigger

Chống dội dùng mạch chốt

Mạch chốt cơ bản dùng 2 cổng nand mỗi cổng 2 ngõ vào có hồi tiếp chéo được kết hợp với 2 điện trở kéo lên mắc ở ngõ vào để tạo thành mạch chống dội từ công tắc

Khi công tắc bật lên vị trí 1 (như hình 1.80) ngõ vào NAND1 ở mức 0 do đó ngõ ra Q' = 1

Hình 1.81 Cách chống dội dùng mạch chốt

Q' = 1 đưa về ngõ vào NAND2, đồng thời ngõ vào còn lại ở mức 1 đó nối qua R2 lên Vcc nên ra Q= 0, Q= 0 đưa về ngõ vào nand1 khi này nếu dội có xảy ra đi chăng nữa làm cho ngõ vào từ công tắc từ 1 xuống 0 thì do = 0 nên ngõ ra nand1 luôn là 1.

Như vậy chứng tỏ rằng Q và không hề bị ảnh hưởng bởi công tắc bị dội. Trạng thái của nó chỉ chuyển mạch dứt khoát một lần khi công tắc được nhấn qua a và chỉ lật lại trạng thái khi công tắc được nhấn qua 2.

một dạng khác cũng có thể chống dội được thể hiện như hình 1.82:

Hình 1.82 Chống dội dùng cổng NOT

Bật công tắc sang mass, ngõ ra I2 ở mức 0 đưa về qua R ngõ vào I1 nên vẫn làm I2 ra ở 0 cho dù công tắc có bị dội lên xuống nhiều lần. Do đó ngõ ra I3 luôn ở mức 1

Ngược lại nhấn công tắc qua Vcc, ngõ  ra I2 mức 1 đưa về ngõ vào I1 mức 1 lại vẫn làm I2 ra mức 1 bất chấp công tắc bị dội, kết quả ra I3 luôn ở mức 0

Cổng logic được sử dụng trong mạch chốt ở trên có thể là loại TTL hay CMOS thường hay schmitt trigger đều được cả như cổng NOT 4069, 4040; cổng NAND 7400, 4011, 74132,…

2.2.2 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 như hình 1.83 :

         

Hình 1.83 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 V_cc =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 như hình 1.84 dưới  đây

      

Hình 1.84 Cổng logic thúc loa

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.

2.2.3 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. Hãy xét một số trường hợp cụ thể :

a. 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

            

Hình 1.85 Giao tiếp với tải cần dòng lớn

Khi này cần tính toán các điện trở phân cực cho mạch

Giả sử tải cần dòng 100mA. Khi transistor dẫn bão hoà β_s= 25

Vậy tính dòng I_B = I_C/25 = 4mA Þ R1 = (V_cc - V_BE - V_CE)/I_B ≈ 1K

R2 được thêm vào để giảm dòng rỉ khi transistor ngưng dẫn, R2 khoảng 10K

Trường hợp tải cần dòng lớn hơn nữa ta có thể dùng transistor ghép Darlington để tăng dòng ra

b. 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

Hình 1.86 Giao tiếp với tải cần áp lớn

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).

c. 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

 Hình 1.87 Giao tiếp với tải hoạt động ở điện áp xoay chiều

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.

Hình 1.88 Giao tiếp dùng kết nối quang

Phạm Văn Ngọc Anh- 01644326695

Phạm Minh Nhật       - 01649679474