ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI

BÙI VĂN CƠNG (Chủ biên)

GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT SỐ
Nghề: Cơ điện tử
Trình độ: Trung cấp
(Lưu hành nội bộ)

Hà Nội - Năm 2019

1


LỜI NĨI ĐẦU
Trong chương trình đào tạo của các trường trung cấp nghề, cao đẳng
nghề Điện tử dân dụng thực hành nghề giữ một vị trí rất quan trọng: rèn luyện
tay nghề cho học sinh. Việc dạy thực hành đòi hỏi nhiều yếu tố: vật tư thiết bị
đầy đủ đồng thời cần một giáo trình nội bộ, mang tính khoa học và đáp ứng với
yêu cầu thực tế.
Nội dung của giáo trình “KỸ THUẬT SỐ” đã được xây dựng trên cơ sở
kế thừa những nội dung giảng dạy của các trường, kết hợp với những nội dung
mới nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục vụ sự nghiệp cơng
nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước,.
Giáo trình được biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức mới
và biên soạn theo quan điểm mở, nghĩa là, đề cập những nội dung cơ bản, cốt
yếu để tùy theo tính chất của các ngành nghề đào tạo mà nhà trường tự điều
chỉnh cho thích hợp và khơng trái với quy định của chương trình khung đào tạo
cao đẳng nghề.
Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình chắc

chắn khơng tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự tham gia đóng
góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp và các chuyên gia kỹ thuật đầu ngành.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2019
Chủ biên: Bùi Văn Công

1


MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU .................................................................................................. 1
MỤC LỤC ........................................................................................................ 2
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT SỐ ................................................................. 4
Bài 1 .............................................................................................................. 6
Các quan hệ logic cơ bản và thông dụng .................................................. 6
1.1. Các hàm logic và các cổng cơ bản ..................................................... 6
1.2. Thiết lập hàm Boole ........................................................................ 10
1.3. Đơn giản hàm Boole ........................................................................ 14
Bài 2 ............................................................................................................ 18
Vi mạch số thông dụng ............................................................................. 18
2.1. Họ TTL............................................................................................. 18
2.2. Họ CMOS......................................................................................... 22
2.3. Giao tiếp giữa các họ logic .............................................................. 30
2.4. Sơ lược về PLA và PAL ................................................................. 31
Bài 3 ............................................................................................................ 35
Mạch tổ hợp ............................................................................................... 35
3.1. Bộ dồn kênh (Mux) và phân kênh (Demux) .................................... 35
3.2. Nguyên tắc dồn kênh........................................................................ 36
3.3. Thực hiện hàm logic bằng bộ dồn kênh ........................................... 36
3.4. Bộ dồn kênh họ TTL ........................................................................ 37

3.5. Nguyên tắc phân kênh ...................................................................... 39
3.6. Thực hiên hàm logic bằng bộ phân kênh ......................................... 39
3.7. Bộ phân kênh họ TTL ...................................................................... 40
Bài 4 ............................................................................................................ 42
Mạch tuần tự.............................................................................................. 42
4.1. Các loại FF cơ bản: .......................................................................... 42
4.2. RS – FF ............................................................................................ 43
4.3. D – FF .............................................................................................. 45
4.4. JK – FF ............................................................................................. 46
4.5. T – FF ............................................................................................... 48
Bài 5 ............................................................................................................ 50
Mạch ghi dịch ............................................................................................ 50
5.1. Nguyên lý chung .............................................................................. 50
2


5.2. Phân loại ........................................................................................... 52
5.3. Ứng dụng .......................................................................................... 53
5.4. Mạch ghi dịch TTL .......................................................................... 53
Bài 6 ............................................................................................................ 55
Mạch đếm ................................................................................................... 55
6.1. Phân loại ........................................................................................... 55
6.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc ......................................................... 55
6.3. Ứng dụng .......................................................................................... 64
6.4. Mạch đếm TTL và CMOS ............................................................... 65
Cấu trúc và thông số cơ bản của CMOS................................................. 72
Bài 7 ............................................................................................................ 84
Mạch giao tiếp D/A, A/D ........................................................................... 84
7.1. Mạch chuyển đổi số-tương tự (DAC). ............................................. 84
7.2. Mạch chuyển đổi tương tự-số (ADC). ............................................. 93


3


GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT SỐ
Tên mơ đun : Kỹ thuật số
Mã số mô đun : MĐ 18
Thời gian của mô đun: 45 giờ

( LT: 7 giờ, TH: 35 giờ, KT: 3 giờ)

I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠ ĐUN:
- Vị trí: Trước khi học mơ đun này học sinh phải hoàn thành: MH 07; MH
08; MH 10; MĐ 12 và MĐ 15
- Tính chất: Là mơ đun bắt buộc trong chương trình đào tạo nghề Cơ điện tử.
II. MỤC TIÊU MƠ ĐUN:
- Đọc sơ đồ và phân tích ngun lý hoạt động của mạch
- Đo thử, kiểm tra mạch điều khiển
- Phán đoán nguyên nhân gây hư hỏng
- Thay thế mới và tương đương linh kiện hư hỏng
- Tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập.
III. NỘI DUNG MÔ ĐUN:
1. Nội dung tổng quát và phân bố thời gian:
Thời gian
Số
TT

1

2


3

Tên các bài trong mô đun

Tổng
số

Bài 1: Các quan hệ logic cơ bản
và thông dụng
2
1.1. Các hàm logic và các cổng
cơ bản.
1.2. Thiết lập hàm Boole.
1.3. Đơn giản hàm Boole.
Bài 2: Vi mạch số thông dụng 2
2.1. Họ TTL
2.2. Họ CMOS
2.3. Giao tiếp giữa các họ logic
2.4. Sơ lược về PLA và PAL
Bài 3: Mạch tổ hợp
8

4

Thực
hành/thực
Lý
Kiểm
tập/ /bài

tra
thuyết
tập/thảo
luận

1

1

1

1

1

6

1


4

5

6

7

3.1. Bộ dồn kênh (Mux) và
phân kênh (Demux)

3.2. Nguyên tắc dồn kênh
3.3. Thực hiện hàm logic bằng
bộ dồn kênh
3.4. Bộ dồn kênh họ TTL
3.5. Nguyên tắc phân kênh
3.6. Thực hiên hàm logic bằng
bộ phân kênh
3.7. Bộ phân kênh họ TTL
Bài 4: Mạch tuần tự
4.1. Các loại FF cơ bản:
4.2. RS – FF
4.3. D – FF
4.4. JK – FF
4.5. T – FF
Bài 5: Mạch ghi dịch
5.1. Nguyên lý chung
5.2. Phân loại
5.3. Ứng dụng
5.4. Mạch ghi dịch TTL
Bài 6: Mạch đếm
6.1. Phân loại
6.2. Cấu tạo và nguyên lý làm
việc
6.3. Ứng dụng
6.4. Mạch đếm TTL và CMOS
Bài 7: Mạch giao tiếp D/A,
A/D
7.1. Mạch chuyển đổi số-tương
tự (DAC).
7.2. Mạch chuyển đổi tương tựsố (ADC).


8

1

7

8

1

6

8

1

7

9

1

7

Tổng

45

7


1

1

35

3

Ghi chú: Thời gian kiểm tra được tích hợp giữa lý thuyết với thực hành

*

được tính vào giờ thực hành.
5


Bài 1
Các quan hệ logic cơ bản và thông dụng
Mục tiêu:
- Sử dụng thành thạo các phần tử logic cơ bản.
- Ghép nối được các phần tử Logic trong mạch số.
- Tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập.
1.1. Các hàm logic và các cổng cơ bản
1.1.1.Khái niệm
- Đại số Boole (hay còn gọi là đại số logic do George Boole, nhà toán học
người Anh, sáng tạo vào thế kỷ XIX) là một cấu trúc đại số được xây dựng trên
tập các phần tử nhị phân (Binary) cùng với 2 phép toán cộng và nhân thỏa các
điều kiện sau :
- Kín với các phép tốn cộng (+) và nhân (*). Tức là  A,B €X thì:

A+B €X và A.B €X.
- Đối với phép cộng sẽ có phần tử trung hòa 0 (đồng nhất) : x + 0 = x.
- Đối với phép tốn nhân sẽ có phần tử trung hòa 1 ( đồng nhất) : x * 1 = x.
- Giao hoán :
x + y = y + x.
x . y = y . x.
- Phân bố và kết hợp :
a . (b + c) = (a . b) + (a . c)
a + (b . c) = (a + b) .(a + c)
- Luôn luôn tồn tại một phần tử nghịch (bù) sao cho :
x + x= 1
x. x = 0
Ghi chú: Các ký hiệu 0 và 1 là ký hiệu cho 2 mức Logic 0 và 1 chứ không
phải là ký hiệu của số nhị phân.Do đó các phép tốn phải tn thủ theo ngun
tắc riêng của nó.
Các phép tốn (gồm có ba phép tốn cơ bản) :
a. Phép cộng (OR) :
a
0
0
1
1

b
0
1
0
1

a+b

0
1
1
1
6


b. Phép nhân (AND) :
a

b

a.b

0
0
1
1

0
1
0
1

0
0
0
1

c. Phép bù (NOT) :

a

a

0

1

1

0

1.1.2. Các tính chất cơ bản
a. Quan hệ giữa các hằng số
Những quan hệ dưới đây giữa hai hằng số ( 0, 1) làm tiên đề của đại số
Boole. Đó là các quy tắc phép toán cơ bản đối với tư duy logic.
0 . 0= 0

1 + 1= 1

0 . 1= 0

1+ 0 = 1

0+ 0= 0

1. 1= 1

0 =1


1=0

- Quan hệ giữa biến số và hằng số :
x . 1= x
x+0=x
x.0= 0

x + 1= 1

x.x  0

x  .x  1

Biến số ở đây đặt là x, hai hằng số logic là 0 và 1.
- Luật giao hoán :
x + y = y+ x
x . y = y. x
- Luật kết hợp :
(x . y).z = x.(y. z)
(x + y) + z = x + (y+ z)
x . (y + z) = x.y+x.z
7


x + y . z = (x+y) . (x +z)
- Luật phân phối :
x+x =x
x.x =x
- Luật đồng nhất :


xx
- Định lý De_Morgan :

x  y  x. y
x. y  x  y
- Định lý hấp thu :
x + x.y = x
x . (x+y) = x
x+ x .y=x+y
- Ba quy tắc về đẳng thức :
b. Quy tắc thay thế :
Trong bất kỳ đẳng thức nào, nếu thay thế một biến nào đó bằng một hàm số
(nhiều biến) thì đẳng thức vẫn thiết lập. Quy tắc này được ứng dụng rất nhiều
trong việc biến đổi các công thức đã biết để cho ra một công thức mới hay để rút
gọn một hàm Boole nào đó.
Ví dụ :
Cho một hàm Boole F1 = (A + B) . C
Vì : x x
Thay thế (A + B) . C = x ta có
(A  B).C (A  B).C

c. Quy tắc đảo của hàm số
Z là đảo của hàm số Z sẽ có bằng cách đổi dấu “.” thành dấu “+”; “+” thành
dấu “.”; “0” thành “1”; “1” thành “0”; biến số thành đảo của biến số đó; đảo biến
số thành nguyên biến số.

8


d.Quy tắc đối ngẫu :

Hàm Z và Z’ được gọi là đối ngẫu khi các dấu cộng “+” và dấu “.” ; các
giá trị “0” và “1” đổi chỗ cho nhau một cách tương ứng.
Ví dụ :
Z=(A+B).C thì hàm Y=A.B+C là đối ngẫu của Z
1.1.3.Các cổng logic cơ bản
a. Cổng NOT
Ký hiệu:

Bảng giá trị (Truth table)

Hình 1.1.Cổng Not

b. Cổng AND
- Cổng AND 2 ngõ vào:

Hình 1.2. AND

- Bảng giá trị (Truth table)

X=0 khi  1 ngõ vào =0, X=1 khi  ngõ vào =1
- Cổng AND 3 ngõ vào:

Hình 1.3. AND ngõ vào 3

- Bảng giá trị (Truth table)
9


Hình 1.4.Bảng giá trị


c. Cổng OR
- Cổng OR 2 ngõ vào:

Hình 1.5. Cổng OR

Bảng giá trị (Truth table)

Hình 1.6. Cổng OR

1.2. Thiết lập hàm Boole
Một biến nhị phân (x, y, z, …) có thể lấy giá trị 0 hoặc 1. Hàm Boole là một
biểu thức tạo bởi các biến nhị phân, các phép toán cộng “+”; nhân “.”; phép bù
(đảo); các dấu bằng “=”; dấu ngoặc “( )”.
Một hàm Boole có thể được biểu diễn bằng các phương pháp khác nhau tùy
theo đặc điểm của từng hàm. Thường dùng bốn phương pháp sau:
1.2.1. Bảng giá trị (hay còn gọi là bảng sự thật hoặc bảng chân lý)
Bảng giá trị là bảng miêu tả quan hệ giữa các giá trị của hàm số tương ứng
với mọi giá trị có thể có của các biến số.

10


Khi lập bảng ta cho biến số giá trị 0 và 1 để tạo thành các tổ hợp biến (không
trùng nhau) rồi tính giá trị hàm. Đặc điểm của phương pháp này tương đối rõ ràng,
trực quan nhưng sẽ rắc rối nếu biến số nhiều, không áp dụng được các cơng thức
và định lý logic để tính tốn.
Ví dụ :
b
c
F

a
0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

1

1


1

1

0

0

0

1

0

1

0

1

1

0

0

1

1


1

1

a. Biểu thức hàm số :
Biểu thức hàm số dạng đại số logic dùng các phép toán nhân (AND), cộng
(OR), bù (NOT) biểu thị quan hệ giữa các biến trong hàm.
Có hai dạng để biểu diễn hàm số, đó là dạng chuẩn 1 (tổng các tích hay tích
chuẩn - Minterm) ký hiệu là m và dạng chuẩn 2 (tích các tổng chuẩn hay tổng
chuẩn - Maxterm) ký hiệu là M
Ví dụ :
Dạng chuẩn 1:
f(A,B,C)  (1,2,5)  A B C  A B C  A B C  m1  m2  m5

Dạng chuẩn 2:
f(A,B,C)  (0,3,7) (A  B  C) (A  B  C) ( A  B  C)  M0 .M3 .M5

Bìa Karnaugh :
Bìa Karnaugh là phương pháp hình vẽ biểu thị hàm logic

Hình 1.7 . Biểu thức hàm số

11


 Sơ đồ mạch logic :
Sơ đồ logic có được khi ta dùng các ký hiệu logic (ký hiệu các cổng logic)
biểu thị hàm số.


Hình 1.8. Sơ đồ mạch logic

1.2.2. Các dạng chuẩn của hàm Boole
Dạng chuẩn 1 : (tổng các Minterm - tích chuẩn)
a. Khái niệm Minterm :
Các mintern có được là khi ta kết hợp n biến bằng phép tốn AND.
Nếu có n biến ta sẽ có 2n tổ hợp biến  có 2n minterm.
Nếu biến có giá trị “1” ta sử dụng dạng nguyên biến số, ngược lại, nếu biến
có giá trị “0” ta sử dụng dạng bù biến số.
Ký hiệu của minterm là mi, với i là giá trị thập phân của tổ hợp các biến.
b. Dạng chuẩn 1 :
Dạng chuẩn 1 là biểu thức đại số dùng phép toán cộng (OR) để cộng tất cả
các minterm làm cho hàm số logic bằng “1”.
y
z
mi
F1
F2
x
0

0

0

x y z = m0

0

0


0

0

1

x y z = m1

1

1

0

1

0

x y z = m2

1

0

0

1

1


x y z = m3

1

0

1

0

0

x y z = m4

0

1

1

0

1

x y z = m5

0

1


1

1

0

x y z = m6

0

0

1

1

1

x y z= m7

0

1

12


Lưu ý :
- Các biến x, y, z có dấu bù hoặc không bù là tùy thuộc vào giá trị “0” hoặc “1”

- Giá trị của F1 hoặc F2 là giá trị tự cho và ta có thể chọn giá trị khác
- Căn cứ vào bảng trên ta có dạng chuẩn 1 của hai hàm F1 và F2 là
F1 = x yz + xyz + xyz
=

m1 + m2 + m3

=  (1, 2, 3)
F2 = x yz + xyz + x yz + xyz
=

m1 + m4 + m5 + m7

=  (1, 4, 5, 7)
b. Dạng chuẩn 2 : (tích các Maxterm – tổng chuẩn)
Khái niệm Maxterm :
Các maxterm có được là khi ta kết hợp n biến bằng phép tốn OR.
Nếu có n biến ta sẽ có 2n tổ hợp biến  có 2n maxterm.
Nếu biến có giá trị “1” ta sử dụng dạng bù biến số, ngược lại, nếu biến có
giá trị “0” ta sử dụng dạng nguyên biến số.
Ký hiệu của maxterm là Mi ; với i là giá trị thập phân của tổ hợp các biến.
Dạng chuẩn 2 :
Dạng chuẩn 2 là biểu thức đại số dùng phép toán nhân (AND) để nhân tất
cả các maxterm làm cho hàm số logic bằng “0”.
Ví dụ :
x

y

z


Mi

F1

F2

0

0

0

x+y+z = M0

0

0

0

0

1

x + y + z = M1 1

1

0


1

0

x+ y +z = M2

1

0

0

1

1

x+ y +

= M3

1

0

1

0

0


x + y+z = M4

0

1

1

0

1

x +y+ z = M5

0

1

1

1

0

x + y +z = M6

0

0


1

1

1

x + y + z = M7

0

1

z

13


Lưu ý : Các biến x, y, z có dấu bù hoặc không bù là tùy thuộc vào giá trị “1”
hoặc “0”. Giá trị của F1 hoặc F2 là giá trị tự cho và ta có thể chọn giá trị khác.
Căn cứ vào bảng trên ta có dạng chuẩn 2 của hai hàm F1 và F2.
F1 = ( x + y + z ) ( x + y + z ). ( x + y + z ) . ( x + y + z ) . ( x + y + z )
= M0.M4.M5.M6.M7 =  (0, 4, 5, 6, 7).
F2 = ( x + y + z ) . ( x + y + z ) . ( x + y + z ) . ( x + y + z )
= M0.M2.M3.M6 =  (0, 2, 3, 6).
1.3. Đơn giản hàm Boole
1.3.1. Phương pháp tối thiểu hàm logic (hàm Boole)
a. Phương pháp đại số
Sử dụng các công thức ,các tiên đề và định lý để rút gọn
Ví dụ: Rút gọn hàm sau

F(A,B,C)=ABC+AB+C =AB(C+1) + C = AB+C
F(x,y) = x(x+y) = xx+xy = x+xy=x
F(x,y,z) = xyz+xyz+xy = xyz+xy=xy
F(x,y,z) = xy+xz+yz (không rút gọn được nữa)
Phương pháp đại số rút gọn hàm Boole bắt buộc ta phải nhớ các công
thức,các quy tắt,các định lý …Kết quả cuối cùng ta cũng khơng biết là đã tối ưu
chưa.Ta có một phương pháp khác có thể khắc phục được những vấn đề trên là
phương pháp rút gọn bằng bìa K
b. Phương pháp rút gọn bằng bìa K
Định nghĩa bìa Karnaugh:
Bìa Karnaugh là bìa có số ơ bằng 2n ,với n là số biến của hàm Boole, một ô
sẽ tương đương với một tổ hợp của các biến đã cho.
Hai ô được gọi là liên tiếp nhau(kế cận nhau)khi nó chỉ khác nhau 1 biến.
Các biến phải được sắp xếp với nhau sau cho 2 ô kế cận nhau chỉ khác nhau
1 bit. Nếu khơng tn theo ngun tắc này thì khơng cịn là bìa karnaugh nữa.
Bìa Karnaugh cho 2 biến
Số ơ cần biểu diễn hàm là 22= 4 ô
Biểu diễn hàm sau bằng Bìa K :F(A,B)=(0,2).

Hình 1.9 . Bảng bìa k

14


Tuy nhiên để ngắn gọn ta có thể biểu diễn hàm trên như sau:
F

F

A


B
0

0

1

1

1

A

B

0

1

0

0

0

1

1


Bìa Karnaugh 3 biến
Số ơ cần biểu diễn hàm là 23= 8 ô
VD: Cho hàm Boole F(A,B,C)=(1,2,4,7).Ta biểu diễn dạng bìa K như sau:
F
AB
F AB
C

00 01 11 10
0

1

1

1

C

1

00 01 11 10
0

1

0

1


0
0

0

Bìa Karnaugh 4 biến
VD : Cho hàm Boole F(A,B,C,D)=(0,1,2,4,7,10,14,15).
Biểu diễn bằng bìa Karnaugh như sau:
F

AB

CD

F
00 01 11 10

00

1

01

1

11

AB

CD


1

00 01 11 10
00
01

1

1

11

0
0

0

0

0

0
0

10 1
1 1
10
0
Phương pháp rút gọn bằng bìa K:

Ngun tắc:
Khi gom 2 ơ liên tiếp với nhau thì ta sẽ loại đi được 1 biến. Biến bị loại
chính là biến khác nhau trong 2 ơ liên tiếp.Ta có thể gom cùng lúc 2 ơ,4 ơ,8 ơ,16
ơ tức là gom 2n ô kế cận nhau.Khi gom 2n ô kế cận nhau ta loại bỏ được n biến.
Vị trí các ô kế cận cho phép như sau:

15


Hình 1.10. Bìa k rút gọn

Khi gom các ơ kế cận nhau ta loại bỏ những biến khác nhau,chỉ giữ lại những
biến giống nhau.Khi ta gom những ô kế cận có giá trị là 1 thì biến giữ lại là chính
nó nếu biến đó mang giá trị là 1 và sẽ có giá trị bù nếu biến đó là 0
Ví dụ: Có 2 tổ hợp được gom có giá trị là
Tổ hợp 1: ABC
010
16


Tổ hợp 2: ABC
011
Khi gom 2 ô này ta loại bỏ biến C và giữ lại biến AB.Vì A có giá trị là 0 và
B có giá trị là 1 nên tổ hợp này sẽ được biểu diễn là A B
Ví dụ 1: Cho hàm Boole có bảng giá trị như sau. Rút gọn bằng bìa K

Hình 1.11. Bìa K rút gọn

1.3.2. Trạng thái tùy định (don’t care) thường ký hiệu là d(vị trí của ơ)
Ví dụ: Cho hàm Boole F(A,B,C)=(0,1,4,5,6)+d2

Khi biễu diễn bằng bìa K ta có thể cho ô thứ 2 là 0 hoặc 1 tùy ý sao cho có
lợi nhất khi rút gọn.

Hình 1.12. Bìa K 2 tùy chọn

Đơn giản hóa theo dạng chuẩn 2
Phương pháp:Vẫn thực hiện tương tự như dạng chuẩn 1 nhưng khi gom các
ơ kế cận ta gom những ơ có ký hiệu là 0 .Mỗi số hạng là một tổng.Kết quả cuối
cùng là tích của các tổng đó.Khi liên kết thì ta chú ý các biến có giá trị là 0 thì là
chính nó và có giá trị là 1 thì sẽ lấy bù (đảo).

17


Bài 2
Vi mạch số thông dụng
Mục tiêu:
- Sử dụng thành thạo các vi mạch thông dụng.
- Ghép nối được các vi mạch trong mạch số.
- Tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập.
2.1. Họ TTL
2.1.1. Cấu trúc và thông số cơ bản của TTL
a. Cơ sở của việc hình thành cổng logic họ TTL
Trước khi đi vào cấu trúc của mạch TTL cơ bản, xét một số mạch điện (
Hình 2.1 cũng có khả năng thực hiện chức năng logic như các cổng logic trong vi
mạch TTL:

Hình 2.1a: Cổng DR

Hình 2.1b: Cổng RTL


Hình 2.1c: Cổng NAND DTL

Mạch ở hình 2.1a 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 cịn 0,6V 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 2.1b).
Hai ngõ vào là A và B, ngõ ra là Y.
18


Phân cực từ hai đầu A, B để Q hoạt động ở trạng thái ngắt và dẫn bão hoà
Cho A = 0, B = 0  Q ngắt, Y = 1
A = 0, B = 1  Q dẫn bão hoà, Y = 0
A = 1, B = 0  Q dẫn bão hoà, Y = 0
A = 1, B = 1  Q dẫn bão hồ, Y = 0
Có thể tóm tắt lại hoạt động của mạch qua bảng trạng thái dưới đây, hình
2.2
A

B

Y

0
0
1

1

0
1
0
1

1
0
0
0
Hình 2.2

Bây giờ để có cổng logic loại DTL, ta thay hai R bằng hai diode ở ngõ vào
(hình 2.1c)
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 khơng được tích hợp thành IC chun dùng
bởi vì ngồi 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 cịn 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.

19


b. Cấu trúc cơ bản của TTL
Cấu trúc của một mạch logic TTL cơ bản :
Lấy cổng NAND 3 ngã vào làm thí dụ để thấy cấu tạo và vận hành của một
cổng cơ bản của TLL như hình 2.3

Hình 2.3. Cấu trúc TTL

Khi một trong các ngã vào A, B, C xuống mức không T1 dẫn đưa đến T2
ngưng, ngã ra Y lên cao; khi cả 3 ngã vào lên cao, T1 ngưng, T2 dẫn, T3 dẫn, ngã
ra Y xuống thấp. Đó chính là kết quả của cổng NAND.
Tụ CL trong mạch chính là tụ ký sinh tạo bởi sự kết hợp giữa ngã ra của
mạch (tầng thúc) với ngã vào của tầng tải, khi mạch hoạt động tụ sẽ nạp điện qua
R4 (lúc T3 ngưng) và nạp điện qua T3 khi transistor này dẫn, do đó thời gian trễ
truyền của mạch quyết định bởi R4 và C1 , khi R4 nhỏ mạch hoạt động nhanh
nhưng công suất tiêu thụ lúc đó lớn, muốn giảm cơng suất phải tăng R 4 nhưng
như vậy thời gian trễ truyền sẽ lớn hơn (mạch giao hoán chậm hơn). Để giải
quyết khuyết điểm này đồng thời thỏa mãn một số yêu cầu khác , người ta đã chế
tạo các cổng logic với các kiểu ngã ra khác nhau.
- Các kiểu ngã ra
Ngã ra Totempole


Hình 2.4. Cấu trúc TTL

20


Theo mạch như hình 2.4, R4 trong mạch cơ bản được thay thế bởi cụm T4,
RC, và Diod D, trong đó Rc có trị rất nhỏ, khơng đáng kể. T2 bây giờ giữ vai trò
mạch đảo pha: khi T2 dẫn thì T3 dẫn và T4 ngưng, Y xuống thấp, khi T2 ngưng
thì T3 ngưng và T4 dẫn, ngã ra Y lên cao. Tụ CL nạp điện qua T4 làm cho T4 dẫn,
kéo theo T3 (dẫn), thời hằng mạch rất nhỏ và kết quả là thời trễ truyền nhỏ. Ngoài
ra do T3 & T4 luân phiên ngưng tương ứng với 2 trạng thái của ngã ra nên công
suất tiêu thụ giảm đáng kể. Diod D có tác dụng nâng điện thế cực B của T4 lên
để bảo đảm khi T3 ngưng.
Mạch này có khuyết điểm là khơng thể nối chung nhiều ngã ra của các cổng
khác nhau vì có thể gây hư hỏng khi các trạng thái logic của các cổng này khác
nhau.
Ngã ra cực thu để hở, hình 2.5
- Cho phép kết nối các ngã ra của nhiều cổng khác nhau, nhưng khi sử dụng
phải mắc một điện trở từ ngã ra lên nguồn Vcc, gọi là điện trở kéo lên, trị số của
điện trở này có thể được chọn lớn hay nhỏ tùy theo yêu cầu có lợi về mặt cơng
suất hay tốc độ làm việc.

Hình 2.5. Ngõ ra cực thu

Ðiểm nối chung của các ngã ra có tác dụng như một cổng AND nên ta gọi
là điểm AND (H 2.6). - Người ta cũng chế tạo các IC ngã ra có cực thu để hở cho
phép điện trở kéo lên mắc vào nguồn điện thế cao, dùng cho các tải đặc biệt hoặc
dùng tạo sự giao tiếp giữa họ TTL với CMOS dùng nguồn cao.

Hình 2.6. Điểm AND


21


2.1.2. Đặc điểm và các thông số cơ bản
Đây là những thông tin đi kèm với IC ở dạng tờ dữ liệu để cho việc sử dụng
IC chính xác hiệu quả.
Vì có nhiều loại TTL khác nhau nên các đặc tính điện của chúng cũng khác
nhau, tuỳ loại. Có thể xem chi tiết ở sách dữ liệu (data book) hay bảng dữ liệu
(data sheet),… Có 4 loại đặc tính kĩ thuật của một IC bao gồm:
Các định trị tối đa tuyệt đối (absolute maximum ratings): đây là những giá
trị ngưỡng đỉnh mà ta khơng vượt qua vì sẽ làm hư IC.
Các điều kiện hoạt động khuyến cáo (Recommended operating conditions):
thường chỉ nói đến áp ni Vcc, điện thế ra mức cao VOH, điện thế ra mức thấp
VOL, khoảng nhiệt độ. Đây là các trị số mà ta không nên vượt qua vì sẽ khơng bảo
đảm hoạt động logic bình thường cho các IC.
Các đặc tính điện (Electrical characteristics) trong khoảng nhiệt độ cho
phép: nhiều đặc tính điện cần cho việc sử dụng, thiết kế mạch logic.
Các đặc tính chuyển mạch (Switching characteristics): thường ghi ở điện
thế cấp điện Vcc = 5V và nhiệt độ phòng 20 độ C. Đây là các đặc tính nói đến các
trì hỗn cũng như các thời tăng, thời giảm khi chuyển mạch. Các thông số này
phụ thuộc vào tải ở ngõ ra nhất là điện dung của tải.
Các bảng dưới đây liệt kê đặc tính của loạt 74XX và 74LSXX hay được
dùng, các đặc tính của các loại khác hay của từng IC cụ thể có thể xem trong bảng
dữ liệu của IC
Các định trị tối đa tuyệt đối:
Điện thế cung cấp Vcc : 7 V
Điện thế vào VIOL : 7 V
Khoảng nhiệt độ hoạt động TA : 0 đến 740 độ C
Khoảng nhiệt độ lưu trữ Ts :-65 độ C đến 150 độ C

Các điều kiện hoạt động khuyến cáo:
2.2. Họ CMOS
2.2.1. Cấu trúc và thơng số cơ bản họ CMOS
CMOS (Complementary MOS) có cấu tạo kết hợp cả PMOS và NMOS
trong cùng 1 mạch nhờ đó tận dụng được các thế mạnh của cả 2 loại, nói chung là
nhanh hơn đồng thời mất mát năng lượng còn thấp hơn khi dùng rời từng loại một.
Cấu tạo cơ bản nhất của CMOS cũng là một cồng NOT gồm một transistor NMOS
và một transistor PMOS như hình 5.16
22


Các transistor MOS dùng trong IC số cũng chỉ hoạt động ở một trong 2 trạng
thái: dẫn hoặc ngưng.
- Khi dẫn, tùy theo nồng độ pha của chất bán dẫn mà transistor có nội trở rất
nhỏ (từ vài chục Ω đến hàng trăm KΩ) tương đương với một khóa đóng.
- Khi ngưng, transistor có nội trở rất lớn (hàng 1010Ω), tương đương với một
khóa hở.
Hoạt động của mạch cũng tương tự như ở NMOS. Khi ngõ vào (nối chung
cực cổng 2 transistor) ở cao thì chỉ có Q1 dẫn mạnh do đó áp ra lấy từ điểm chung
của 2 cực máng của 2 transistor sẽ xấp xỉ 0V nên ngõ ra ở thấp.
Khi ngõ vào ở thấp Q1 sẽ ngắt còn Q2 dẫn mạnh, áp ra xấp xỉ nguồn, tức
ngõ ra ở mức cao.
Để ý là khác với cổng NOT của NMOS, ở đây 2 transistor không dẫn cùng
một lúc nên khơng có dịng điện từ nguồn đổ qua 2 transistor xuống mass nhờ đó
cơng suất tiêu tán gần như bằng 0. Tuy nhiên khi 2 transistor đang chuyển mạch
và khi có tải thì sẽ có dịng điện chảy qua một hay cả 2 transistor nên khi này công
suất tiêu tán lại tăng lên.
Trên nguyên tắc cổng đảo, cũng giống như trước bằng cách mắc song song
hay nối tiếp thêm transistor ta có thể thực hiện được các cổng logic khác (hình
5.17). Chẳng hạn mắc chồng 2 NMOS và mắc song song 2 PMOS ta được cổng

NAND. Còn khi mắc chồng 2 PMOS và mắc song song 2 NMOS ta được cổng
NOR.
Nguyên lý:
Cổng NAND:
- Khi 2 ngã vào nối lên mức cao, T2 và T3 dẫn, ngã ra xuống thấp.
- Khi có 1 ngã vào nối xuống mức thấp, một trong 2 transistor T2 hoặc T3
ngưng, ngã ra lên cao.
Đó chính là kết quả của cổng NAND 2 ngã vào.
Cổng NOR:
- Khi 2 ngã vào nối xuống mức thấp, T2 và T3 ngưng, ngã ra lên cao.
- Khi có 1 ngã vào nối lên mức cao, một trong 2 transistor T2 hoặc T3 dẫn,
ngã ra xuống thấp.
Đó chính là kết quả của cổng NOR 2 ngã vào.

23


Hình 2.7. Ngõ ra NAND và NOR

2.2.2. Đặc trưng của các vi mạch họ CMOS
Tốc độ chuyển mạch: chậm hơn so với loại TTL do điện trở đầu vào khá
cao đồng thời bị ảnh hưởng bởi tải dung tính mà nó thúc
Giới hạn nhiễu khoảng 1,5V với nguồn 5V và sẽ tăng tỉ lệ khi nguồn cấp
tăng. Như vậy là tính kháng nhiễu kém hơn TTL
Hệ số tải: về lí thuyết là rất lớn do trở đầu vào của mạch rất lớn, tuy nhiên,
nếu tần số hoạt động càng cao (trên 100KHz) thì điện dung sinh ra có thể làm suy
giảm thời gian chuyển mạch kéo theo giảm khả năng giao tiếp tải. So với TTL thì
NMOS vẫn có hệ số tải cao hơn hẳn trung bình là 50 cổng cùng loại.
2.2.3. Cấu trúc CMOS của các cổng logic cơ bản
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 (dual inline
package): với hai hàng chân thẳng hàng 14 hay 16 chân là hay được dùng hơn cả.
CMOS cũ họ 4000, 4500
Hãng RCA của Mỹ đã cho ra đời loại CMOS đầu tiên lấy tên CD4000A. Về
sau RCA có cải tiến để cho ra loạt CD4000B có thêm tầng đệm ra, về sau nữa
hãng lại bổ sung thêm loạt CD4500, CD4700.
Hãng Motorola (Mỹ) sau đó cũng cho ra loạt CMOS MC14000, MC14000B,
MC14500 tương thích với sản phẩm cũ của RCA.
Loại 74CXX
24