Mạch tổ hợp SSI (Small Scale Integration)
🎯 Mục tiêu bài học
Sau khi học xong chương này, sinh viên có thể:
- Nhận biết và phân biệt các loại cổng logic cơ bản.
- Hiểu nguyên lý hoạt động và bảng sự thật của từng cổng logic.
- Biết các họ logic thông dụng và đặc điểm của từng họ.
- Giải thích được cổng logic phổ dụng (universal gates) và ứng dụng trong thiết kế mạch tổ hợp.
- Thiết kế mạch tổ hợp đơn giản từ các cổng logic.
3.1. GIỚI THIỆU MẠCH TỔ HỢP SSI
🔹 Mạch tổ hợp là gì?
Mạch tổ hợp là loại mạch số không có bộ nhớ, đầu ra chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu vào hiện tại.
🔹 SSI – Small Scale Integration
SSI (Tích hợp quy mô nhỏ) là mức tích hợp chỉ chứa tối đa vài cổng logic (khoảng <10) trên một vi mạch.
📌 Ví dụ: IC 7408 chứa 4 cổng AND 2 ngõ vào → thuộc SSI.
3.2. CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN
| Tên cổng | Ký hiệu | Biểu thức logic | Bảng sự thật (ví dụ 2 ngõ vào A, B) |
|---|---|---|---|
| NOT | A̅ | A̅ | A = 0 → Y = 1 A = 1 → Y = 0 |
| AND | A · B | A AND B | A B → Y 0 0 → 0 0 1 → 0 1 0 → 0 1 1 → 1 |
| OR | A + B | A OR B | A B → Y 0 0 → 0 0 1 → 1 1 0 → 1 1 1 → 1 |
| NAND | (A · B)̅ | NOT(AND) | A B → Y 0 0 → 1 0 1 → 1 1 0 → 1 1 1 → 0 |
| NOR | (A + B)̅ | NOT(OR) | A B → Y 0 0 → 1 0 1 → 0 1 0 → 0 1 1 → 0 |
| XOR | A ⊕ B | A khác B | A B → Y 0 0 → 0 0 1 → 1 1 0 → 1 1 1 → 0 |
| XNOR | (A ⊕ B)̅ | A bằng B | A B → Y 0 0 → 1 0 1 → 0 1 0 → 0 1 1 → 1 |
📌 Các cổng này được dùng để xây dựng mọi mạch tổ hợp, từ đơn giản (bộ so sánh, cổng điều kiện) đến phức tạp (ALU, CPU).
3.3. MỘT SỐ CỔNG LOGIC KHÁC
| Cổng | Biểu thức | Mô tả |
|---|---|---|
| NAND | A·B̅ | Phủ định của AND |
| NOR | (A+B)̅ | Phủ định của OR |
| XOR | A ⊕ B | Bật khi A khác B |
| XNOR | A ⊕ B̅ | Bật khi A = B |
🔸 Ví dụ bảng sự thật cổng XOR:
| A | B | A ⊕ B |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
3.4. HỌ LOGIC (LOGIC FAMILIES)
Họ logic là các loại vi mạch logic có công nghệ chế tạo và đặc tính khác nhau. Dưới đây là 2 họ phổ biến nhất:
| Họ logic | Ký hiệu | Công nghệ | Đặc điểm nổi bật |
|---|---|---|---|
| TTL (Transistor-Transistor Logic) | 74xx | Bán dẫn rời rạc | Nhanh, tiêu thụ nhiều điện |
| CMOS (Complementary MOSFET) | 40xx / 74HCxx | MOSFET | Tiết kiệm điện, chậm hơn TTL |
🔸 So sánh TTL và CMOS
| Thuộc tính | TTL | CMOS |
|---|---|---|
| Điện áp hoạt động | 5V cố định | 3 – 15V |
| Tốc độ | Nhanh | Trung bình |
| Công suất tiêu thụ | Cao | Thấp |
| Ứng dụng | Công nghiệp | Thiết bị cầm tay |
3.5. CỔNG LOGIC PHỔ DỤNG (UNIVERSAL GATES)
🔹 Khái niệm:
- Cổng NAND và cổng NOR được gọi là cổng phổ dụng vì ta có thể xây dựng mọi cổng logic khác chỉ bằng NAND hoặc NOR.
🔸 Ví dụ: Dùng NAND tạo các cổng khác
- NOT A = A NAND A
- A AND B = NOT (A NAND B)
- A OR B = (NOT A) NAND (NOT B)
👉 Việc thiết kế mạch chỉ dùng một loại cổng giúp giảm chi phí, dễ chế tạo.
📚 GHI NHỚ NHANH
| Thuật ngữ | Diễn giải |
|---|---|
| SSI | Mạch tích hợp nhỏ, chứa <10 cổng logic |
| NOT | Đảo giá trị, 1 thành 0, 0 thành 1 |
| AND | Kết quả là 1 khi cả hai đều là 1 |
| OR | Kết quả là 1 khi ít nhất một là 1 |
| XOR | Kết quả là 1 khi hai đầu vào khác nhau |
| TTL & CMOS | Họ logic phổ biến |
| NAND, NOR | Cổng logic phổ dụng |
🧪 BÀI TẬP ÁP DỤNG
Bài 1:
Viết bảng sự thật cho các biểu thức sau:
- a) F = A·B̅
- b) F = A + B·C̅
- c) F = (A + B)·C
Bài 2:
Dùng chỉ cổng NAND để xây dựng:
- a) Cổng NOT
- b) Cổng AND
- c) Cổng OR
Bài 3:
So sánh tốc độ và điện năng tiêu thụ giữa hai họ logic TTL và CMOS. Gợi ý: tham khảo datasheet IC 7400 (TTL) và 4011 (CMOS).
Bài 4:
Vẽ sơ đồ mạch tổ hợp sử dụng SSI để thực hiện hàm:
F = A·B + A̅·C