GT ÑIEÄN TÖÛ CÔ BAÛN

Ch10. CAÙC PHAÀN TÖ ÛTÍCH TRÖÛ NAÊNG LÖÔÏNG

1

8.1 Ñaïi Cöông

ÔÛ caùc chöông treân, ta xeùt keát quaû daùp öùng ngoõ ra theo taùc ñoäng ngoõ vaøo trong thôøi gian xaûy ra nhanh voâ haïn, hoaëc xeùt trong cheá ñoä tónh. Trong thöïc teá, ñaùp öùng cuûa maïch ñieän coøn tuyø thuoäc thôøi gian, vaø thôøi gian treå ñoù thöôøng coù yù nghóa quan troïng nhö seõ xeùt ñeán sau ñaây. Thí duï, xeùt maïch treå vaø söï quan troïng cuûa thôøi gian trong bieåu thò ñaùp öùng cuûa maïch goàm hai maïch ÑAÛO (Inverter – Not) ôû H. 8.1 sau

H.8.1

Ñaùp öùng ngoõ ra laø ñaùp öùng lyù töôûng, ñaùp öùng treå coù daïng nhö H. 8.2

2

Ñaùp öùng thöïc teá- Ñaùp öùng quan saùt: vi

voA Ñaùp öùng lyù töôûng ( mong muoán)

Ñaùp öng quan saùt

voB

Ñaùp öùng lyù töôûng Ñaùp öùng quan saùt

Treå

3

Ñeå giaûi thích tính chaát thôøi gian cuûa ñaùp öùnh maïch, ta phaûi ñöa theâm vaøo hai phaàn töû môùi laø tuï ñieän vaø cuoän caûm. Vôùi MOSFET ta coù ñieän dung lieân cöïc CGS nhö ñieãn taû ôûH. 8.3

Cöïc thoaùt D

n

keânh n

Cöïc coång MOSFET keânh n

Oxid Kim loaïiï

D

p Silicon

n G

Cöïc nguoàn S

CGS

S

Chuù yù: Vôùi BJT coù hai tuï lieân cöïc Cbe vaø Cbc.

4

8.2 Tuï ñieän

1. Tuï ñieän

Trò soá ñieän dung A

Ñ i eä n m oâ i

- - - - - - + + + + + +

: haèng soá ñieän moâi töông ñoái A tieát dieän baûng kim loaïi ( m2) d khoaûng caùch hai baûng cöïc(m) d Ñaëc tính cuûa tuï ñieän

Tuï ñieän laø linh kieän tích tröû naêng löôïng, laø linh kieän nhôù ( memory device)

5

Various types of capacitor A capacitor is an electronic device for storing charge. Capacitors can be found in almost any complex electronic device. They are second only to resistors in their There are many different types of capacitor but they all work in essentially the same way. A simplified view of a

6

• Ảnh hưởng điện trường và thông lượng

7

• Điện dung cổng MOSFET

• Điện dung cổng – kênh được tính gần đúng:

•

trong đó là hằng số điện môi của oxid silic , d là bề dày của lớp oxid silic, L là độ dài kênh, và W là độ rộng kênh. Tích số WL là điện tích cổng.

8

• Vì số điện tích của cổng trải dài kênh nên ta có

•

trong đó

N nnlà điện dung cổng – kênh trên đơn vị diện tích của

cổng MOSFET

• Ta có mạch tương đương của mạch inverter MOSFET

như hình sau:

9

• Thí dụ: Hảy tính trị số điện dung CGS của các MOSFET có

kích thước sau ( hình) , tất cả cùng có Cox = 4fF/

• Các MOSFET M3, M4, M5 : có trị sô điện dung là 48 fF, vì

đều có cùng điện tích 12 , • M6 có điện dung lớn nhất 144fF • M2 có điện nhỏ nhất 36fF • M1 có điện dung 64fF và M7 có điện dung 108 fF.

10

8.4 Maïch RC nối tiếp

Phaân tích maïch RC sau ( H.8.5) AÙp duïng KVL cho:

Giaû söû coù:

( Vo cho tröôùc) H.8.5

Giaûi cho:

11

vCtc(t) = vCtd(t) + vCxl(t)

8.3 Cuoän caûm

Trò soá ñieän caûm loõi töø L ( H – Henry) Ñaëc tính cuoän caûm

daây ñoàng

Cuoän daây coù tính tích tröû naêng löôïng ñieän, cuoän daây laø linh kieän nhôù.

Chuù yù: Tuï ñieän coù tính nhôù theo ñieän theá

12

Cuoän caûm coù tính nhôù theo doøng ñieän

13

• Tự cảm do dây nối

• Điện dung và cuộn cảm dây nối trong IC

14

• Với các hình dạng trên , ta lần lượt có:

• và cả hai cách nối cho:

• Thí dụ: Xét cách kết nối trong IC theo hình 27, có W = 2 , G = 0,1 , và . Hảy tính điện dung và tự cảm trên đơn vị chiều dài.

Tính được theo công thức (9.53) và (9.54) trên:

15

• Thí dụ 2: • Xét mô hình bản mạch in có điện dẫn hình trụ trên một mặt phẳng như ở hình 28. Cho R = 0,5mm, H =2 mm, và . Tính điện dung và tự cảm trên đơn vị choiều dài. • Giải: • Áp dụng hai công thức (9.55) và (9.56) lần lược tính

được kết quả sau:

16

8.4 Maïch RC

Phaân tích maïch RC sau ( H.8.5) AÙp duïng KVL cho:

Giaû söû coù:

( Vo cho tröôùc) H.8.5

Giaûi cho:

17

vCtc(t) = vCtd(t) + vCxl(t)

1. Nghieäm thuaàn nhaát ( töï do)

2. Nghieäm xaùc laäp ( cöôõng böùc) Giaûi phöông trình coù veá sau:

18

Coù theå thay theá vc(t) vaø vaø giaûi tìm trò soá cuûa A, hoaëc coù theå lyù luaän ôû cheá ñoä xaùc laäp (hay cheá ñoä döøng) khi t  voâ haïn hay dvc(t) / dt 0, neân cho:

Vaäy nghieäm toång coäng:

Xaùc ñònh A:

Thay vaøo laïi vc(t) ñöôïc:

Xaùc ñònh trò soá doøng ñieän:

19

Ñieän theá qua ñieän trôû R:

Ñaùp öùng ñieän theá hai ñaàu tuï: vc(t)

VI

Vo

0 RC t

Neáu vc(0) = 0, phöông trình cho:

20

• Tụ nạp điện (Charging a Capacitor)

21

Đường cong nạp

22

Khi VI = 0 Tuï xaõ, ñieän theá hai ñaàu tuï giaûm daàn töø VI ( trò tuï naïp ñaày deán 0 theo haøm muõ:

vC(t) VI

ta coù ñaùp öùng theo h.

0 RC t Do ñoù , neáu ta taùc ñoäng vaøo maïch RC moät chuoåi xung, ñaùp öùng ngoõ ra:

vC(t)

23

t

• Đường cong nạp – xã (tích - phóng)

• Tại t = 0, 693 ta có trị 50%

24

25

8.5 Maïch RL

Töông töï nhö phaân tích maïch RC, ta coù:

26

Ta coù nghieäm thuaàn nhöùt (töï do):

Vaø:

Giản đồ nạp xả của mạch RL tương tự như của mạch RC nhưng với doøng ñieän thay vì vôùi ñieän theá.

Khi cho chuoåi xung vaøo, ta coù ñaùp öùng ra laø chuoåi xung nhoïn.

27

8.5. Truyeàn treå vaø maïch soá

Xeùt maïch logic goàm hai coång ñaûo

28

Ta coù maïch töông ñöông 01 taïi B: Giaû söû vB(0) =0 khi t =0 vaø t > 0 AÙp duïng coâng thöùc ñieän theá hai ñaàu tuï CGS:

Tìm thôøi gian leân tr ñeå vB = VOH. Hay vB

vOH

Tính tr:

t 0 tr

29

Thí duï: Cho RL = 1 K , CGS = 0,pF, VS = 5V, VOH = 4V

Thôøi gian xuoáng tf khi 10 Maïch töông ñöông khi 1  0 taïi B Do MOSFET daãn, tuï xaõ ta coù maïch:

30

Thôøi gian treå tf khi vB giaûm ñeán VOL cho:

Thí duï: Vôùi MOSFET coù: RL = 1k , RON = 10 , VS = 5 V, CGS = 0,1 fF, VOH = 4 V VOL = 1 V, VTH = 0V.

Tính ñöôïc:

31

Chuù yù: Ñeå coù toác ñoä cao, töùc caùc tr vaø tf phaûi nhoû  RL nhoû vaø RON nhoû

Thí du 2ï:

Cho maïch goàm hai coång Inverter noái tieáp nhau nhö ôû hình 8.1, nhöng

Vôùi MOSFET coù: RL = 10k , RON = 10k , VS = 5 V, CGS = 100 fF, VOL = 1 V, VOH = 4V.

laàn löôït tính ñöôïc:

32

Thí duï 2: AÛnh höôûng ñoä daøi daây noái trong chip VLSI Giaû söû daây noái giöõa hai coång INVERTER ñoái nhau vaø daøi 1 cm. Keát quaû daây noái daøi taïo neân tuï ñieän vaø ñieän trôû. Thôøi gian treå RC naøy lôùn thôøi gian treå RC cuûa caùc Inverter noái nhau vôùi daây ngaén hôn. Xeùt maïch sau:

Vôùi :

33

Vôùi: L = 1000/um, W = 1 /um, R = 2 , Co = 2pF/um2. Tính ñöôïc:

Maïch töông ñöông cho: vôùi VOH = 4V, VOL = 1V , RL = 10k, RON = 1k vaø CGS2 = 100fF, Vs = 5V Keát quaû:

34

Thôøi gian treå lôùn hôn khi khoâng coù aûnh höôûng daây noái trong VLSI

8.6 Traïng thaùi vaø nhôù

Nhôù laïi maïch RC cho:

VI bieân ñoä xung, Vi trò ban ñaàu, Vf trò cuoái vI vC

VI VI

vC=VI + ((vc(0)-VI)e-t/RC

vC(0)

t > 0 0 t t

35

Löu yù, ñieän theá tuï ñieän taïi laø ñoäc laäp vôùi daïng cuûa ñieän theá vaøo tröôùc t = 0. Thay vaøo ñoù, noù chæ phuï thuoäc vaøo ñieän theá tuï ñieän taïi t = 0, vaø ñieän theá vaøo ôû . Traïng thaùi laø toùm taét nhöõng ngoõ vaøo xaùc ñaùng ñaõ qua ( quaù khöù) ñeå döï ñoaùn töông lai. Vôùi:

q = CV

vôùi tuï ñieän tuyeán tính , ñieän theá tuï ñieän V cuõng laø bieân traïng thaùi

thöïc teá laø bieán traïng thaùi Trôû laïi bieåu thöùc cuûa maïch RC:

36

Toùm taét ngoõ vaøo xaùc ñaùng quaù khöù ñeå döï ñoaùn töông lai

Ta thöôøng quan taâm ñeán ñaùp öùng maïch vôiù:

Traïng thaùi zero vC(0) = 0 Ngoõ vaøo zero vI (t) = 0

Töông öùng:

Ñaùp öùng traïng thaùi zero hoaëc ZSR (Zero state response):

Ñaùp öùng vaøo Zero hoaëc ZIR ( Zero input response):

37

8.7. Bộ nhớ số

Tröôùc tieân ta chöùng toû khía caïnh cuûa tuï ñieän C vaø cuoän caûm L taïo neân boä nhôù baèng caùch duøng khaùi nieäm traïng thaùi ñöôïc duøng trong laõnh vöïc töông töï. Ñaëc tính nhôù cuõng ñöôïc duøng trong laõnh vöïc soá ñeå caáy vaøo boä nhôù soá baèng caùch duøng khaùi nieäm töông töï traïng thaùi soá. 1. Khaùi nieäm traïng thaùi soá Thí duï:

M+

Xeùt coäng saùu soá treâm maùy tính tay sau: 2 + 9 + 6 + 5 + 3 + 8 duøng phím

Thí duï 2:

Tính (a x b) + ( cx d)

Trò soá löu tröû trong boä nhôù ñôn giaûn laø bieán traïng thaùi soá töông ñöông nhö trò soá bieán traïng thaùi töông töï treân tuï ñieän.

38

2. Toùm löôïc phaàn töû nhôù soá

dIN

dIN

store

Store M dout

dOUT

nhôù 1

Nhôù ngoõ vaøo khi store leân möùc cao. Gioáng nhö camera ghi vaøo (dIN) khi ngöôøi duøng aán nuùt môû maøn traäp. Giaù trò ghi ñöôïc nhìn taïi dOUT.

39

3. Thieát keá phaàn töû nhôù

A. Maïch thöû laàn ñaàu

Phaàn töû nhôù

vC

5V

trò soá löu tröû luoân bò ró

VOH

40

Ñoä roäng xung store >> RONC T t

Maïch thöû laàn hai Ñeå coâ laäp tuï vôùi vôùi maïch ñoïc trò soá nhôù, maïch buffer theâm vaøo raát coù lôïi.

41

RIN >> RL, Maïch toát hôn, nhöng coøn chöa hoaøn haûo. Ñeå traùnh tuï bò ró ta maéc theâm RP:

C. Maïch thöû laàn ba- Boä nhôù tónh Ñeå khaéc phuïc söï rỉ cuûa tuï, ta cuøng hoài tieáp vaø coâng taéc ñaûo storage

buffer + refresh

Khi ngoõ ra phaàn töû nhôù leân möùc 1, coâng taéc ñoùng vaø cho moät doøng ñieän tích nhoû vaøo nuùt storage ñeå buø söï rỉ cuûa tuï. Vì noù naïp ñieän vaøo nuùt neân coâng taéc naøy ñöôïc goïi laø coâng taéc naïp (trickle switch). Ñieän trôû ON cuûa coâng taéc naïp lôùn hôn ñieän trôû coâng taéc nhôù, ñeå ngoõ vaøo naïp coù theå deã daøng laøm taêng naêng suaát bôûi ngoõ vaøo dIN. Giaù trò beân ngoaøi khoâng aûnh höôûng ñeán nuùt nhôù. Boä nhôù ñöôïc goïi laø phaàn töû nhôù tónh 1-bit hay maïch choát-D tónh.

42

D. Maïch thöû thöù tö Ñeå coâ laäp ngoõ ra vôùi taûi baèng coång daûo

buffer + decoupled refresh

43

Sô ñoà: Boä nhôù 4-bit(4-bit Memory dIN

Decoder store

M

00

Address

dIN S M dOUT

dOUT

01

dIN S M dOUT

10

ao a1 2 Address

dIN S M dOUT

11

dIN S M dOUT

IN store OUT

44

Sơ đồ RAM ( dung lượng C = 2m X2n)

45

Vaøi maïch logic tuaàn töï

Maïch logic tuaàn töï laø maïch khoâng chæ tuaân theo caùc ñònh luaät ñaïi soá Boole, maø coøn phaûi tuaân theo traïng thaùi quaù khöù (tröôùc ñoù) cuûa maïch.  Tính nhôù( löu tröû traïng thaùi) Caùc maïch logic tuaàn töï thöôøng gaëp laø: RS flip-Flop, JK Flip-Flop, T-Flip-Flop, D – Flip Flop…

46

IV. Mạch logic tuần tự 1.Mạch FlipFlop • SR-FF

S

S

Q

Q

Q

Q

R

47

R

FlipFlop SR-FF Bảng chân trị

S

R

Q+

function

Q-

store

0

0

S

S

Q

0

1

0

reset

Q

1

0

1

set

1

1

X

inhibit

Q

Q

R

48

R

Mạch SR-FlipFlop và bảng trạng thái

S

Q

Inputs Outputs

R Q

Q S R

0 Present state 0

1 Reset 0

0 Set 1

0

Disallowed

1

49

Giản đồ thời gian RS flip-flop

S

R

Q

Time

1

0

1

S

1

0 0

0 0

1 1

R

0 1

0

1

0

0

0

0

0 1

Q

0

0

0

0

0

1

0

Flip-flop is reset

Flip-flop is set

Flip-flop is set

0 1

0 0

0 1

0

0

1

Flip-flop is reset (but Q = 0) already

50

RS flip-flop với các ngõ enable, preset, và clear

Preset

Preset (P )

S

Clear

Q

S

E

R

Q

Q

R

Enable

Clear (C)

51

Timing diagram

Mạch D flip-flop : Sơ đồ chức năng, ký hiệu, và giản đồ thời gian

D

Q

1

Q

S

Q

D

D

Q

2

Q 2

1

Q

Q

R

S 1 R1

2

1

Q 2

Q =Q 2

Q

CLK

E

1

E 2

CLK

CLK

Device symbol

Functional diagram

Timing diagram

52

Mạch chốt(Data latch) và giản đồ thời gian

Q

D

Q

D Enable

Q

E

S E R

Q

D

Enable Q

53

• JK- Flip Flop

4027

54

Ký hiệu xung kích ( xung nảy)

• Nảy bằng mức cao của xung:

= 1

• Nảy bằng cạnh lên (hướng dương) của

xung:

=

• Nảy bằng cạnh xuống (hướng âm) của

xung:

=

55

• Do có mắc các cổng ở ngõ vào như sau: a.Nảy ở cạnh lên: b.Nảy bởi cạnh xuống

CK

Vo

/CK

ck CK

/ck /CK

tp tp

Vo Vo

56

a. Nảy bởi cạnh lên b. Nảy bởi cạnh xuống

JK flip-flop : sơ đồ chức năng và ký hiệu linh kiện

Q

J

Q

Slave Q S2

2

Master Q S 1 1

J CLK

CLK

Q

E 1

E2

Q2

K

K

Q

R1

Q 1

R2

Device symbol

Functional diagram

57

Bảng chân lý của JK flip-flop

J

Q

CLK

K

Q

JK flip-flop

Q

Jn

Kn

n +1

0

Q

0

n

1

0 (reset)

0

0

1 (set)

1

Q

1

1

(toggle) n

58

• JK-Flip Flop

CK J K Q /Q

JK-FF

J Q CK K /Q

0 x x Qo /Qo

0 0 Qo /Qo

0 1

0 1

1 0 1 0

1 1 /Qo Qo

Khắc phục trạng thái S = R = 1 bị cấm, trở thành J = K = 1 các ngõ ra bị đảo ( togle). JK-FF có rất nhiều ứng dụng trong kỹ thuật số.

59

JK-Flip Flop với Preset (hoặc S) và Clear (hoặc R)

PRE CLR CK S R 0 0 x x x

Q /Q * *

Nonstable

0 1 x x x

1 0

1 0 x x x

0 1

1 1

1 0 0 Qo /Qo Hold

1 1 1 0 1 0 1 Reset

1 1

1 1 0 1 0 Set

1 1 1 1 1 /Qo Qo Toggle

60

• D-Flip Flop và T- Flip Flop

61

D-Flip Flop

CK Dn Qn+1

0 x

Qn

1 0

0

1 1

1

Ứng dụng D-FF : bộ truyền số liệu, bộ ghi dịch. 62

• T-Flip Flop

CK Tn Qn+1

T J Q

0 Qn

Ck T-FF K /Q

1

/Qn

T-FF được sử dụng trong thiết kế các mạch đếm ( counter) ( xem lại chương 8. IC)

63

Sơ đồ chân các IC FlipFlop thường gặp

64

Flip-Flop Types with State Tables

65

2.Mạch đếm ( counter) ký hiệu,bảng trạng thái và giản đồ thời gian

Reset

Input pulses

0

State b 1 0

b 2 0

b 0 0

1

0

0

1

2

0

1

0

3-bit binary counter

Clock input

3 4

0 1

1 0

1 0

5

1

0

1

b2

b0

6

1

1

0

7

1

1

1

b1 Functional representation of binary counter

Timing table

Clock

t

b0

t

b1

t

b2

t

Timing diagram

66

Mạch đếm 10

Input pulses

b3

b2

b1

b0

0

0

0

0

0

Reset

1

0

0

0

1

2

0

0

1

0

4-bit

3

0

0

1

1

Clock

binary

counter

4

0

1

0

0

5

0

1

0

1

b

b

b

3

2

b 1

0

6

0

1

1

0

7

0

1

1

1

8

1

0

0

0

9

1

0

0

1

10

1

0

1

0

Reset

67

Mạch đếm không đồng bộ ( Ripple counter)

Q Q Input Q

2

1 1 1

3 0

0

1 0

0 0

0 1

1 0

J

J

Q Q Q J

0

1

1

CLK CLK CLK Clock input

1

0

0

K K

K

1

0

1

Q 3 Q2

0 1 1 1 1 1

68

Q1

Mạch đếm không đồng bộ

69

• Dạng sóng mạch đếm

70

Mạch đếm đồng bộ 3- bit

Q 0

Q 1

Q 2

1

T Q 0

T Q 1

T Q 2

CLK

CLK

CLK

Q

Q 0

Q 2

1

Clock input

71

Mạch đếm nhị phân 3-bit và giản đồ trạng thái

1

Q 3

Q 2

Q 1

T 3

T 2

T 1

Q 3

Q 2

Q 1

CLK

000

001

010

011

111

110

101

100

72

Sơ đồ trạng thái mạch đếm lên - xuống 4 bit

01

00

10

11

73

Mạch đếm vòng (Ring counter)

Init

Q3

Q2

Q1

Q 0

PR S

CLR Q 2 S

CLR Q1 S

CLR Q0 S

Q 3 CLK

CLK

CLK

CLK

R Q

R Q

R Q 3

2

1

R Q 0

Clock input

74

• IC đếm thường gặp

• Đếm 10 Đếm 12 Đếm 16

75

3.Mạch ghi dịch song song 4 – bit (Four- bit parallel register)

Q 0

Q1

Q2

Q3

D Q

D Q

0 CLK

D Q 1 CLK

2 CLK

D Q 3 CLK

“Load” input

b0

b1

b2

b3

76

Mạch ghi dịch 4-bit (Four-bit shift register)

Q0

Q1

Q2

Q3

b1

Serial

Q

D

D

D

Q1

Q 2D

Q 3

0

input

Serial output

CLK

CLK

CLK

CLK

Clock

input

77

• IC Ghi dịch thông dụng

vào song song-ra nối tiếp Phổ dụng

78

Sơ đồ RAM dùng MOS

79

• IC RAM

80

DRAM ( Dynamic RAM-Dynamic MOS cell)

• Khác với SRAM ( Static RAM) gồm 1 tế

bào nhớ là FlipFlop MOS.

• DRAM 1 tế bào nhớ là 1 tụ MOS , khi nạp đầy là mức cao, khi xã hết là ở mức thấp.

Word line

D

C T

81

7.Cấu trúc 1 hệ thống nhận và điều khiển

Sensor signals

Other computers and instrumentation systems

Signal interface

Software

Microcomputer

User

Communication links

Signal interface

To displays

To actuators

82

• Sơ đồ DRAM Row decoders

Cấu trúc bên trong DRAM

Row clock Column clock

Address demultiplexer

Data out

A i

Data in

Memory array

Ao

Sense Amp.

Write signal

WE

write signals

Memory array

RAS,CAS clock generator

Write timing

CAS column clock

Column decoder RAS Row clock signal

83

Cách đọc tên ghi trên IC

(2) loại linh kiện

• Mã số IC 14

13

9

8

uA 741 C N

(4) loại vỏ

F 95 16

1

2 3 4

765

(3) Dãi nhiệt độ

(1) Tên hãng

(7) Chử tắt (6)Tuần lễ của năm

tên hãng

(5)Năm sản xuất

84

• Giải thích từ ngữ:

(1). Tên hãng:

85

uA – FND hãng Failchild; AD - Analog Devices; CA , CD – RCA; TL,TIL,SN Texas Intruments; LM-National Semiconductor Corp. MC, MOC - Motorola ICM – Intersil BB – BurrBrown NE, SE Signetics

(2) Chức năng linh kiện:

OP.amp:

LM741; 52 741; 72 741; CA 3741; TL062/082/084 ; MC 1741;

IC số:

7474; 7476 FlipFlop 74LS00, CD 4011 Cổng NAND 7447; 4511 Giải mã

(3). Dải nhiệt độ:

C ( commercial -thương mại): từ 0 đến

75oC

I ( Industrial -công nghiệp) : từ -25

đến + 80oC

86

M ( Militaty -quân đội) : từ - 55

đến + 125oC

(4) Loại vỏ:

D plastic dual-in-line package ( DIL, DIP) FH, FK ceramic chip carrier FN plastic chip carrier J, JD, JG ceramic dual-in-line LP, LU plastic plug-in N, P plastic dual-in-line U , W ceramic flat

87