Bµi 12
c¸c s¬ ®å chuyÓn m¹ch t−¬ng tù
Môc ®Ých: Nghiªn cøu vÒ cÊu t¹o, ho¹t ®éng cña bé chuyÓn m¹ch t−¬ng tù. Ph©n
tÝch vµ kh¶o s¸t c¸c s¬ ®å cã sö dông c¸c bé chuyÓn m¹ch t−¬ng tù.
PhÇn lý thuyÕt
1. Hä CMOS vµ øng dông
Hä vi m¹ch nµy sö dông phèi hîp 2 lo¹i transistor tr−êng MOSFET kªnh n
vµ MOSFET kªnh p.
M¹ch §¶o (Phñ ®Þnh NOT) hä CMOS
• Hµm logic : xy =
• S¬ ®å m¹ch nh− trªn h×nh 12.1
M¹ch ho¹t ®éng nh− sau:
Khi lèi vµo X ë møc ®iÖn ¸p cao
(H), ë ®©y møc H b»ng ®iÖn ¸p nguån
transistor tr−êng kªnh
p T
)153( VVVDD ÷=
1 cÊm, transistor tr−êng kªnh n T2
th«ng, lèi ra Y ë møc L. Khi X = L (møc
L = 0V) T2 cÊm T1 th«ng m¹ch Y = H.
Nh− vËy ®iÖn ¸p ra lu«n lµ ®¶o cña ®iÖn
¸p vµo, ho¹t ®éng cña m¹ch diÔn ra ®óng
nh− ph−¬ng tr×nh l«gic cña m¹ch NOT
®· nªu ë trªn.
→
←
oY
X o
oVDD
T1
T2
P
N
••
H×nh 12.1
M¹ch Kh«ng HoÆc (NOR)
S¬ ®å cho trªn h×nh 12.2
B¶ng ch©n lý lµ b¶ng 12.1
224
X1X221 xxY +=
L L H
H L L
L H L
H H L
B¶ng 12.1: b¶ng ch©n lý cña m¹ch NOR
←
T4N
→
o
oVDD
T1P
→
T2P’
o←
T3N
oY
•
•
•
•
•
•
•
X2
X1
H×nh 12.2
Gi¶i thÝch ho¹t ®éng cña m¹ch:
a) Khi 2 lèi vµo Lxx
=
=21 :
T1, T2 th«ng vµ T3, T4 cÊm dÉn ®Õn
H
y
=
b) Khi : , : Tõ s¬ ®å m¹ch ta thÊy khi cÊm, THx =
1Lx =
2 21 THx →= 4
th«ng nªn y nèi ®Êt lµm cho Y = L.
32 TLx →= cÊm, T1 th«ng nh−ng T2 cÊm nªn lèi ra y vÉn ®−îc nèi xuèng
®Êt qua T1 lµm cho y = L.
c) Khi , TLx =
1→= Hx24, T1 cÊm cßn T2, T3 th«ng .
Ly =→
d) Khi c¶ THxx == 21 1, T2 cÊm vµ T3, T4 th«ng .
Ly =→
M¹ch ho¹t ®éng ®óng nh− b¶ng ch©n lý 12.1
M¹ch Kh«ng Vµ (NAND)
X1X221.xxY =
L L H
H L H
L H H
H H L
B¶ng 12.2: M¹ch NOR hä CMOS
→
oVDD
T2P’
o
•
←
T4N
N
•
•
o
→
T1P
←
T3
•
•
oY
•
•
X1
X2
H×nh 12.2
225
Gi¶i thÝch ho¹t ®éng cña m¹ch:
a) Khi 2 lèi vµo Lxx
=
=21 ; T1, T2 th«ng vµ T3, T4 cÊm dÉn ®Õn
H
y
=
b) Khi : , ; Hx =
1Lx =
2
T2 cÊm T3 th«ng ; T1 th«ng T4 cÊm. Lèi ra y ®−îc nèi víi nguån VDD :
H
y=.
c) Khi , TLx =
1→= Hx21 cÊm, T2 th«ng, T3 cÊm, T4 th«ng
H
y=→ .
d) Khi c¶ THxx == 21 1, T2 cÊm T3, T4 th«ng Ly
=
→.
(*) ¦u ®iÓm cña hä CMOS : Cã ®iÖn trë lèi vµo rÊt lín.
- Vi m¹ch chØ tiªu thô dßng ®iÖn khi chuyÓn m¹ch (lóc chuyÓn m¹ch míi
cã dßng qua). V× vËy c«ng suÊt tiªu thô cùc kú nhá (cì nw).
- CMOS cã hÖ sè m¾c t¶i ë lèi ra (FAN OUT) rÊt lín. (Sè cæng l«gic cïng
lo¹i cã thÓ m¾c vµo lèi ra cña nã lµ 50, gÊp 10 ÷ 20 lÇn hä TTL).
(*) Nh−îc ®iÓm:
Tèc ®é chuyÓn m¹ch thÊp nªn tÇn sè lµm viÖc kh«ng cao vµ phô thuéc vµo
nguån nu«i.
Khi MHzfVVDD 15
=
→= , MHzfVVDD 6,110
=
→
=
,
MHzfVVDD 215
=
→=
B¶o vÖ CMOS khái bÞ háng:
- V× ®iÒu khiÓn b»ng ®iÖn tr−êng, líp ®iÖn m«i cùc cöa rÊt máng nªn lèi
vµo dÔ bÞ háng khi ®iÖn ¸p ®Æt vµo lín. §Ó b¶o vÖ lèi vµo IC hä CMOS ng−êi ta
m¾c thªm c¸c m¹ch b¶o vÖ cùc cöa khái bÞ qu¸ ¸p nh− h×nh 12.4.
→
←
oY
oVDD
T1
T2
P
N
•
•
•
•
D2
D4
X o •
D1
D3
H×nh 12.4: M¹ch b¶o vÖ lèi vµo CMOS
M¹ch b¶o vÖ gåm 4 diode.
- NÕu xung d−¬ng vµo x lín h¬n VDD th× D1, D2 dÉn th«ng m¹ch lèi vµo x
®−îc nèi lªn nguån VDD.
226
- NÕu xung vµo x ©m so víi ®Êt th× D3, D4 dÉn th«ng m¹ch, lèi vµo x ®−îc
nèi xuèng ®Êt. Nhê c¸c diode b¶o vÖ mµ ®iÖn ¸p ®−a vµo cùc cöa cña c¸c
transistor T1,T2 kh«ng v−ît qu¸ møc l«gic VH vµ VL cña hä l«gic CMOS. Nh−
vËy c¸c transistor tr−êng MOS ®· ®−îc b¶o vÖ khi c¸c xung lèi vµo qu¸ lín.
MÆc dï ®· cã m¹ch b¶o vÖ lèi vµo nh−ng khi dïng hoÆc b¶o qu¶n vi m¹ch
ta vÉn ph¶i cã biÖn ph¸p phßng ngõa c¸c ®iÖn ¸p tÜnh ®iÖn cã ®iÖn ¸p cao hoÆc
nguån cao ¸p xoay chiÒu c¶m øng th©m nhËp vµo ph¸ háng cöa c¸ch ®iÖn cña vi
m¹ch CMOS. Khi hµn c¸c panel trªn ®ã cã vi m¹ch thuéc hä CMOS, má hµn tay
ng−êi hµn ph¶i ®−îc nèi ®Êt thËt tèt ®Ó tr¸nh nh÷ng h− háng ®¸ng tiÕc kh«ng ngê
tíi xÈy ra trong khi hµn m¹ch.
Khi dïng nguån nu«i 5V ta cã thÓ ghÐp CMOS víi TTL vµ DTL. Hä
CMOS ®−îc nu«i b»ng nguån VVVDD 153
+
÷
+
=
, cã ký hiÖu CD40 xx hoÆc 40
xxx c¸c ch÷ ë ®Çu dïng ®Ó chØ h·ng s¶n xuÊt; 2 hoÆc 3 ch÷ sè ®øng sau sè 40 ®Ó
chØ chøc n¨ng cña m¹ch vÝ dô:
CD 4001: CD lµ ký hiÖu cña h·ng RCA cña Hoa kú;
40 chØ râ lµ vi m¹ch thuéc hä CMOS;
2 sè sau cïng 01 chØ chøc n¨ng cña m¹ch lµ m¹ch cã 4 cöa NOR 2 lèi vµo;
4011: 4 cöa NAND hai lèi vµo hä CMOS;
4049: 6 cöa NOT;
4050: 6 cöa ®Öm.
Ký hiÖu vi m¹ch CMOS cña h·ng Motorola: MC 14001 lµ m¹ch 4 m¹ch
NOR hai lèi vµo, hä CMOS ta thÊy 4 sè sau trong ký hiÖu cña h·ng Motorola ®Òu
gièng ký hiÖu cña h·ng kh¸c.
C¸c vi m¹ch CMOS cã ký hiÖu gièng nh− ë hä TTL cã chøc n¨ng vµ bè trÝ
ch©n gièng nh− vi m¹ch TTL cã thÓ thay thÕ cho vi m¹ch TTL 74L xx, 74LS xx
cã ký hiÖu ®Æc tr−ng b»ng ch÷ C ®Ó chØ hä CMOS vÝ dô:
74C00: NAND gièng nh− 7400 nh−ng lµ CMOS cã thÓ dïng thay thÕ cho
74L00.
74C02: NOR - CMOS cã thÓ dïng thay thÕ cho 74L02.
74HC00: NAND - CMOS cã tèc ®é cao cã thÓ dïng thay thÕ cho 74LS00.
Khi dïng vi m¹ch hä CMOS ghÐp nèi víi hä TTL th× CMOS ph¶i nu«i
b»ng nguån +5V cïng chung nguån nu«i víi ®iÖn ¸p nu«i vi m¹ch TTL.
2. CÊu tróc vµ ho¹t ®éng cña mét bé chuyÓn m¹ch t−¬ng tù
Bé chuyÓn m¹ch t−¬ng tù cßn ®−îc gäi lµ kho¸ t−¬ng tù ®−îc ®iÒu khiÓn
b»ng logic. Trªn h×nh 12.5 lµ cÊu tróc, s¬ ®å nguyªn lý cña mét chuyÓn m¹ch
t−¬ng tù thuéc hä logÝc CMOS.
227
ChuyÓn m¹ch t−¬ng tù lµ mét kho¸ ®iÖn tö cã hai lèi vµo A, C vµ lèi ra B.
C lµ lèi vµo ®iÒu khiÓn. Khi VC = H (møc cao) th× T3, T4 th«ng m¹ch vµ A ®−îc
nèi víi B. Khi VC = L (møc thÊp) th× T3, T4 bÞ cÊm vµ A ng¾t khái B. Bé kho¸
t−¬ng tù kh¸c víi kho¸ logÝc: ë bé kho¸ logÝc, tÝn hiÖu vµo vµ ra lµ nhÞ ph©n, cã
®iÖn ¸p cè ®Þnh (2 møc). ë kho¸ t−¬ng tù th× tÝn hiÖu vµo vµ ra ®Òu lµ t−¬ng tù vµ
tÝn hiÖu ra gièng tÝn hiÖu vµo c¶ vÒ biªn ®é, tÇn sè vµ d¹ng cña tÝn hiÖu vµo. Kho¸
t−¬ng tù gièng nh− c«ng t¾c ®iÖn c¬ khÝ cã thÓ ho¸n vÞ hai ®Çu vµo vµ ra A vµ B.
o
C
o
oB
o
A
T4
T3
o o B
C
A
o
C
o
B
o
A
T1
VDD
o
P
N
T2
T3T4
H×nh 12.5
C¸c th«ng sè c¬ b¶n cña bé kho¸ t−¬ng tù lµ:
- Tèc ®é chuyÓn m¹ch (hoÆc tÇn sè lµm viÖc) cã thÓ lªn ®Õn 10MHz.
- §iÖn trë th«ng m¹ch RON nhá - §iÖn trë ng¾t m¹ch R0FF lín.
Ng−êi ta th−êng thiÕt kÕ bé kho¸ t−¬ng tù dùa trªn transistor tr−êng JFET
hoÆc transistor MOSFET.
C¸c bé kho¸ t−¬ng tù th−êng ®−îc chÕ t¹o tæ hîp trong mét vi m¹ch. VÝ dô
nh− vi m¹ch: CD- 4016, CD- 4066 ... vi m¹ch nµy cã 14 ch©n vµ cã 4 kho¸ t−¬ng
tù. Ch©n 7 lµ ch©n ®Êt vµ ch©n 14 lµ nguån nu«i. V× vi m¹ch thuéc hä CMOS nªn
®iÖn ¸p nu«i cã thÓ lµ tõ 3V ®Õn 12V. §Ó m¹ch lµm viÖc b×nh th−êng th× c¸c ®iÖn
¸p vµo kh«ng ®−îc lín h¬n ®iÖn ¸p nguån. Hä lo¹i vi m¹ch nµy cã c¸c th«ng sè
c¬ b¶n sau:
228