Trong bài này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về cổng logic, cấu tạo và phân loại cổng logic. Đây là một bước tiến cách mạng trong công nghiệp điện tử nói chung và sinh ra các nghành lập trình sau này nói riêng. Hãy cùng tìm hiểu nhé!
Khái niệm các cổng logic
Trong điện tử học, cổng logic (tiếng Anh: logic gate) là mạch điện thực hiện một hàm Boole lý tưởng hóa. Có nghĩa là, nó thực hiện một phép toán logic trên một hoặc nhiều logic đầu vào, và tạo ra một kết quả logic ra duy nhất, với thời gian thực hiện lý tưởng hóa là không có trễ.
Các đại lượng nhị phân trong thực tế là những đại lượng Vật lý khác nhau (dòng điện, điện áp,áp suất…). Các đại lượng đó có thể thể hiện bằng hai trạng thái có ‘1’ hoặc không ’0’.
Các cổng logic là các phần tử đóng vai trò chủ yếu để thực hiện các chức năng logic đơn giản nhất trong các sơ đồ logic nhằm thực hiện một hàm logic nào đó. Quan hệ logic cơ bản nhất có ba loại: AND, OR, NOT. Cổng logic gồm các phần tử có nhiều đầu vào và chỉ có một đầu ra. Đầu ra là tổ hợp của các đầu vào. Từ các cổng logic ta có thể kết hợp lại để tạo ra nhiều mạch logic thực hiện các hàm logic phức tạp hơn.
Bảng chân lý (Bảng sự thật)
Mô tả đáp ứng của mạch tại ngõ ra đối với các tổ hợp mức logic khác nhau tại các ngõ vào. Mức logic tại các ngõ vào/ra chỉ nhận một trong hai giá trị 0 hoặc 1. Với mạch logic có N ngõ vào thì sẽ có 2N tổ hợp hay trạng thái của ngõ ra.
Ví dụ:
Mạch logic 2 ngõ vào, 1 ngõ ra:
Mạch logic 3 ngõ vào, 1 ngõ ra:
Phân loại các cổng logic
Trước khi đi vào tìm hiểu một số loại cổng logic, bạn nên biết quy định về mức 0 và mức 1 như sau:
- Nếu IC của TTL thì điện áp vào là 5V, khi đó ta có mức 1 = 5V và mức 0 là = 0V.
- Nếu IC của CMOS thì điện áp vào Vdd = 3V – 18V cho nên mức 1 = Vdd và mức 0 vẫn là = 0V.
Các cổng logic cơ sở
Cổng OR (HOẶC)
Cổng HOẶC có 2 hoặc nhiều lối vào và chỉ có một lối ra. Lối ra ở mức 1 nếu có ít nhất một lối vào ở mức 1 (Lối ra có tín hiệu khi một lối vào có tín hiệu ).Ta có bảng chân lý sau:
Ta viết Y = A + B và nói cổng HOẶC thực hiện phép cộng logic.
Nhận xét:
Y = 0 : khi tất cả các biến vào đều bằng 0
Y = 1: khi có ít nhất một biến vào bằng 1
Giản đồ xung:
Trường hợp tổng quát cổng OR có nhiều biến vào độc lập
Ta có thể xem cổng HOẶC như một mạch điện mắc song song như hình dưới:
Trong mạch điện, ta thấy chỉ cần một chuyển mạch A, B hoặc C đóng, đèn sẽ sáng ngay.
Cổng logic OR thực hiện quan hệ: một sự kiện sẽ xảy ra khi chỉ cần một điều kiện quyết định sự kiện đó được đáp ứng.
Cổng AND (VÀ)
Cổng VÀ có 2 hoặc nhiều lối vào và chỉ có một lối ra. Lối ra chỉ ở mức 1 nếu tất cả lối vào đều ở mức 1 (Lối ra có tín hiệu khi tất cả lối vào đều có tín hiệu).
Ta viết Y = AB và nói cổng VÀ thực hiện phép nhân logic
Nhận xét:
Y = 0 : khi có ít nhất một biến vào bằng 0
Y = 1: khi tất cả các biến vào đều bằng 1
Giản đồ xung:
Trường hợp tổng quát cổng AND có nhiều biến vào độc lập
Ta có thể xem cổng AND như một mạch điện mắc nối tiếp:
Trong mạch điện, ta thấy khi tất cả các chuyển mạch A, B, C đều đóng, đèn mới sáng được.
Cổng logic AND thực hiện quan hệ: một sự kiện sẽ xảy ra khi tất cả mọi điều kiện quyết định sự kiện đó được đáp ứng.
Cổng NO (KHÔNG)
Còn gọi là cổng đảo. Cổng chỉ có một lối vào và một lối ra. Cổng KHÔNG thực hiện phép phủ định logic. Cổng KHÔNG còn gọi là cổng chặn.
Giản đồ xung:
Các cổng logic ghép
Cổng NAND (KHÔNG VÀ)
Cổng KHÔNG VÀ là cổng VÀ bị phủ định. Biểu diễn:
Bảng sự thật với hàm NAND 2 biến:
Nhận xét:
Y = 0 : khi tất cả các biến vào đều bằng 1
Y = 1: khi có ít nhất một biến vào bằng 0
Giản đồ xung:
Trường hợp tổng quát cổng NAND có nhiều biến vào độc lập
Cổng NOR (KHÔNG HOẶC)
Cổng KHÔNG HOẶC là cổng HOẶC bị phủ định. Biểu diễn:
Bảng sự thật với hàm NOR 2 biến:
Nhận xét:
Y = 0 : khi có ít nhất một biến vào bằng 1
Y = 1: khi tất cả các biến vào đều bằng 0
Giản đồ xung:
Trường hợp tổng quát cổng NOR có nhiều biến vào độc lập
Cổng khác dấu
Cổng Exclusive OR (HOẶC loại trừ)
Cổng hoặc loại trừ còn gọi là cổng cộng modul 2 hoặc là cộng không nhớ, gọi tắt là EX-OR. Có biểu thức logic:
Ta có sơ đồ mạch như hình:
Bảng sự thật với hàm EX-OR 2 biến:
Nhận xét:
Y = 0 : khi tất cả hai biến vào có giá trị giống nhau
Y = 1 : khi tất cả hai biến vào có giá trị khác nhau
So sánh với cổng logic OR, ta thấy 3 trạng thái đầu là của cổng logic OR chỉ khác trạng thái thứ tư, ta gọi là cổng logic KHÔNG đồng trị hay là HOẶC loại trừ (Exclusive OR), có ký hiệu:
Đầu ra của cổng EX-OR bằng 1 khi hai đầu vào khác trạng thái và bằng 0 khi cùng trạng thái. Nếu nhiều đầu vào thì đầu ra sẽ bằng 1 khi số bit 1 ở đầu vào là số lẻ và bằng 0 khi số bit 1 ở đầu vào là số chẵn.
Lưu ý: Cổng EX-OR chỉ có 2 ngõ vào.
Giản đồ xung:
Cổng Exclusive NOR (không hoặc loại trừ)
Một cổng logic khác cũng thường được sử dụng đó là cổng Exclusive NOR (EX-NOR) còn gọi là cổng đồng dấu. Biểu diễn:
Mạch logic để thực hiện hàm logic trên:
Bảng sự thật với hàm EX-NOR 2 biến:
Nhận xét:
Y = 0 : khi tất cả hai biến vào có giá trị khác nhau
Y = 1 : khi tất cả hai biến vào có giá trị giống nhau
Cổng EX-NOR logic:
Lưu ý: Cổng EX-NOR chỉ có 2 ngõ vào.
Giản đồ xung:
Đầu ra của cổng EX-NOR bằng 1 khi hai đầu vào cùng trạng thái và bằng 0 khi khác trạng thái. Nếu nhiều đầu vào thì đầu ra sẽ bằng 1 khi số bit 0 ở đầu vào là số lẻ và bằng 0 khi số bit 0 ở đầu vào là số chẵn. Thí dụ: bảng trạng thái của một cổng EX-NOR 3 đầu vào:
Ta thường dùng các cổng EX-OR và EX-NOR trong các bộ so sánh, bộ cộng…
Trong các cổng trên, hai cổng NAND và NOR được dùng rất linh hoạt. Từ hai cổng này, ta có thể tạo ra các cổng logic cơ bản NO, AND, OR
- Dùng các cổng NAND:
- Dùng các cổng NOR:
Cổng logic 3 trạng thái TS (three state)
Cổng logic ba trạng thái là cổng logic mà đầu ra có thêm trạng thái thứ ba gọi là trạng thái treo ngoài hai trạng thái 1 và 0. Đầu ra Y có thể nằm ở một trong ba trạng thái sau:
Trạng thái mức cao và mức thấp 1 hoặc 0. Trạng thái thứ ba là trạng thái treo hay còn gọi là trạng thái tổng trở cao. Lúc đó đầu ra Y tách ra khỏi hệ thống.
Mô tả mạch logic 3 trạng thái:
Khi K1 đóng đầu ra có trạng thái 0, Khi K1, K2 đóng, đầu ra có trạng thái 1. Khi K1, K2 cùng tắt, mạch ở trạng thái thứ 3 tổng trở cao. Đầu ra Y tách khỏi mạch (dù thực tế nó vẫn nôi với mạch. CS (Chip Select) dùng để chọn chip. CS sẽ điều khiển mạch ở trạng thái thứ ba. Khi CS = 1 (hoặc 0 thì hai khóa đều mở, độc lập với tín hiệu vào A, B.
Cổng logic 3 trạng thái được sử dụng khi ta cần ghép kênh các tín hiệu cần truyền luân lưu trên một dây dẫn AB (AB còn gọi là bus).
- Trạng thái treo ở mức thấp:
- Trạng thái treo ở mức cao:
Ưu điểm nổi bật của các vi mạch logic ba trạng thái là ta có thể nối đầu ra của vi mạch lên cùng một kênh truyền chung. Điều này làm đơn giản rất nhiều cho việc tạo lập kênh truyền số liệu trong một hệ thống logic. Một ví dụ về việc nối vi mạch logic trên một kênh truyền:
Nếu tín hiệu điều khiển C, C’ , C’’ có thứ tự thời gian ở mức cao, thì các tín hiệu dữ liệu ở ba nhóm đầu vào sau khi đã thực hiện quan hệ logic sẽ đưa ra bus luân lưu theo thứ tự thời gian tương ứng. Để các cổng TS hoạt động bình thường thì ở một thời điểm bất kỳ chỉ cho phép một cổng duy nhất ở trạng thái công tác. Nếu không sẽ xảy ra trường hợp một lúc có đến hai đầu ra của cổng cùng thông với bus, nếu hai cổng này có đầu ra khác trạng thái một ở muác cao, một ở mức thấp sẽ đưa đến hỏng cổng.
Ứng dụng của các cổng logic
Các ứng dụng của cổng logic chủ yếu được xác định dựa trên bảng trạng thái của chúng, tức là phương thức hoạt động của chúng. Các cổng logic cơ bản được sử dụng trong nhiều mạch điện như khóa nút nhấn, kích hoạt báo trộm bằng ánh sáng, bộ điều chỉnh nhiệt độ, hệ thống tưới nước tự động, v.v.
Ngoài ra, cổng logic cũng chính là các phần tử cấu thành nên các mạch tổ hợp chẳng hạn như mạch giải mã, mạch mã hóa, mạch đa hợp, mạch giải đa hợp,…
Kết
Hi vọng sau bài viết này các bạn đã hiểu qua về cổng logic. Để thực sự nắm rõ chúng ta cần phải học thêm khá nhiều. Đây cũng là phần cốt lõi nếu các bạn muốn trở thành một kĩ sư thiết kế IC.
Nếu cảm thấy bài viết có ích hay đánh giá và chia sẻ cho bạn bè. Đừng quên tham gia nhóm Nghiện lập trình để cùng trao đổi và kết nối nhé!
