Điện thế tín hiệu 0 và 1 trong CPU và các thiết bị điện tử khác.

Rin

Rin Tohsaka

Các trạng thái logic kỹ thuật số​

Các cổng logic kỹ thuật số là khối xây dựng cơ bản mà từ đó tất cả các mạch điện tử kỹ thuật số và hệ thống vi xử lý dựa trên được xây dựng từ. Các cổng logic kỹ thuật số cơ bản thực hiện các phép toán logic AND , OR và NOT trên các số nhị phân.

Trong thiết kế logic kỹ thuật số, chỉ cho phép hai mức hoặc trạng thái điện áp và các trạng thái này thường được gọi là Logic “1” và Logic “0”, hoặc CAO và THẤP, hoặc ĐÚNG và SAI. Hai trạng thái này được biểu diễn trong Đại số Boolean và bảng chân lý chuẩn bằng các chữ số nhị phân của “ 1 ” và “ 0 ” tương ứng.

Một ví dụ điển hình về trạng thái kỹ thuật số là một công tắc đèn đơn giản. Công tắc có thể là “BẬT” hoặc “TẮT”, trạng thái này hoặc trạng thái khác, nhưng không phải cả hai cùng một lúc. Sau đó, chúng ta có thể tóm tắt mối quan hệ giữa các trạng thái kỹ thuật số khác nhau này như là:

Đại số BooleanBoolean LogicTrạng thái điện áp
Logic “1”ĐÚNG (T)CAO (H)
Logic “0”FALSE (F)THẤP (L)
Hầu hết các cổng logic kỹ thuật số và hệ thống logic kỹ thuật số sử dụng “Logic tích cực”, trong đó mức logic “0” hoặc “THẤP” được biểu thị bằng điện áp 0, 0v hoặc đất và mức logic “1” hoặc “CAO” được biểu thị bằng điện áp cao hơn chẳng hạn như +5 vôn, với việc chuyển đổi từ mức điện áp này sang mức điện áp khác, từ mức logic “0” sang “1” hoặc “1” sang “0” được thực hiện nhanh nhất có thể ngăn chặn bất kỳ hoạt động bị lỗi nào của mạch logic.

Cũng tồn tại một hệ thống “Logic phủ định” bổ sung trong đó các giá trị và quy tắc của logic “0” và logic “1” được đảo ngược nhưng trong phần hướng dẫn này về cổng logic kỹ thuật số, chúng tôi sẽ chỉ đề cập đến quy ước logic dương như nó được sử dụng phổ biến nhất.

Trong IC TTL (bóng bán dẫn-logic) tiêu chuẩn có một dải điện áp được xác định trước cho các mức điện áp đầu vào và đầu ra, xác định chính xác mức logic “1” là gì và mức logic “0” là gì và chúng được hiển thị bên dưới .

Mức điện áp đầu vào và đầu ra TTL​

ttl mức logic



Có rất nhiều loại cổng logic trong cả họ lưỡng cực 7400 và CMOS 4000 cổng logic kỹ thuật số như 74Lxx, 74LSxx, 74ALSxx, 74HCxx, 74HCTxx, 74ACTxx, v.v., mỗi loại có những ưu điểm và nhược điểm riêng biệt so với cai khac. Điện áp chuyển mạch chính xác cần thiết để tạo ra logic “0” hoặc logic “1” phụ thuộc vào nhóm hoặc họ logic cụ thể.

Tuy nhiên, khi sử dụng nguồn cung cấp +5 volt tiêu chuẩn, bất kỳ đầu vào điện áp TTL nào trong khoảng từ 2.0v đến 5v được coi là logic “1” hoặc “HIGH” trong khi bất kỳ đầu vào điện áp nào dưới 0.8v được công nhận là logic “0” hoặc “LOW ”. Vùng điện áp ở giữa hai mức điện áp này là đầu vào hoặc đầu ra được gọi là Vùng không xác định và hoạt động trong vùng này có thể khiến cổng logic tạo ra đầu ra sai.

Họ logic CMOS 4000 sử dụng các mức điện áp khác nhau so với loại TTL vì chúng được thiết kế bằng bóng bán dẫn hiệu ứng trường, hoặc FET. Trong công nghệ CMOS, mức logic “1” hoạt động trong khoảng từ 3,0 đến 18 volt và mức logic “0” là dưới 1,5 volt. Sau đó, bảng sau đây cho thấy sự khác biệt giữa các mức logic của cổng logic TTL và CMOS truyền thống.

Mức độ logic TTL và CMOS​

Loại thiết bịLogic 0Logic 1
TTL0 đến 0,8v2.0 đến 5v (V CC )
CMOS0 đến 1.5v3.0 đến 18v (V DD )

Sau đó, từ các quan sát trên, chúng ta có thể xác định cổng logic kỹ thuật số TTL lý tưởng là cổng có mức logic “THẤP” là “0” 0 vôn (mặt đất) và logic mức “CAO” “1” là +5 vôn và đây là có thể được chứng minh là:


Cổng logic số cơ bản đơn giản​

Các cổng logic kỹ thuật số đơn giản có thể được tạo ra bằng cách kết hợp các bóng bán dẫn, điốt và điện trở với một ví dụ đơn giản về cổng AND Diode-Điện trở Logic (DRL) và cổng NAND Diode-Transistor Logic (DTL) được đưa ra dưới đây.

Mạch điện trở diodeMạch Diode-Transistor
logic điện trở diode


Cổng AND 2 đầu vào
diode bóng bán dẫn logic


Cổng NAND 2 đầu vào
Cổng AND của Diode-Điện trở 2 đầu vào đơn giản có thể được chuyển đổi thành cổng NAND bằng cách bổ sung một giai đoạn đảo ngược bóng bán dẫn ( NOT ). Việc sử dụng các thành phần rời rạc như điốt, điện trở và bóng bán dẫn để tạo mạch cổng logic kỹ thuật số không được sử dụng trong IC logic thương mại thực tế vì các mạch này bị trễ lan truyền hoặc trễ cổng và cũng mất điện do các điện trở kéo lên.

Một nhược điểm khác của logic diode-điện trở là không có cơ sở “Fan-out” là khả năng của một đầu ra duy nhất điều khiển nhiều đầu vào của các giai đoạn tiếp theo. Ngoài ra, kiểu thiết kế này không hoàn toàn "TẮT" vì Logic "0" tạo ra điện áp đầu ra 0,6v (sụt áp diode), do đó, các thiết kế mạch TTL và CMOS sau đây được sử dụng thay thế.

Cổng logic TTL cơ bản​

Cổng AND Diode-Resistor đơn giản ở trên sử dụng các điốt riêng biệt cho các đầu vào của nó, một cho mỗi đầu vào. Vì một bóng bán dẫn được tạo thành từ hai mạch điốt được kết nối với nhau đại diện cho một thiết bị NPN hoặc PNP, nên các điốt đầu vào của mạch DTL có thể được thay thế bằng một bóng bán dẫn NPN duy nhất với nhiều đầu vào bộ phát như hình minh họa.

cổng logic kỹ thuật số nand


Cổng NAND 2 đầu vào
Vì cổng NAND chứa mạch bóng bán dẫn NPN đảo ngược một giai đoạn ( TR 2 ) nên mức logic đầu ra “1” tại Q chỉ hiện diện khi cả hai bộ phát của TR 1 được kết nối với mức logic “0” hoặc nối đất cho phép dòng cơ bản đi qua thông qua các điểm nối PN của bộ phát và không phải bộ thu. Nhiều bộ phát TR 1 được kết nối làm đầu vào do đó tạo ra chức năng cổng NAND .

Trong các cổng logic TTL tiêu chuẩn, các bóng bán dẫn hoạt động hoàn toàn trong vùng “cắt”, hoặc hoàn toàn trong vùng bão hòa, Bóng bán dẫn hoạt động kiểu Công tắc.
 
Bên trên