Trong khi hệ thống số nhị phân là một phép toán trừu tượng thú vị, chúng ta vẫn chưa thấy ứng dụng thực tế của nó đối với điện tử. Chương này được dành cho mục đích: thực tế áp dụng khái niệm bit nhị phân vào mạch.

Điều làm cho số nhị phân trở nên quan trọng đối với ứng dụng của điện tử kỹ thuật số là sự dễ dàng trong đó các bit có thể được biểu diễn bằng các thuật ngữ vật lý. Bởi vì một bit nhị phân chỉ có thể có một trong hai giá trị khác nhau, hoặc 0 hoặc 1, bất kỳ phương tiện vật lý nào có khả năng chuyển đổi giữa hai trạng thái bão hòa đều có thể được sử dụng để biểu diễn một bit.

Do đó, bất kỳ hệ thống vật lý nào có khả năng biểu diễn các bit nhị phân đều có thể biểu diễn các đại lượng số và có khả năng điều khiển các số đó. Đây là khái niệm cơ bản nền tảng cho máy tính kỹ thuật số.

Mạch nhị phân và điện tử

Hoạt động nhị phân của bóng bán dẫn

Các mạch điện tử là hệ thống vật lý có lợi cho việc biểu diễn các số nhị phân. Các bóng bán dẫn, khi hoạt động ở giới hạn phân cực của chúng, có thể ở một trong hai trạng thái khác nhau: cắt (không có dòng điện điều khiển) hoặc bão hòa (dòng điện điều khiển tối đa). Nếu mạch bóng bán dẫn được thiết kế để tối đa hóa xác suất rơi vào một trong hai trạng thái này (và không hoạt động ở chế độ tuyến tính hoặc hoạt động), thì nó có thể dùng như một biểu diễn vật lý của một bit nhị phân. 

Đầu vào bóng bán dẫn ở “Cao”

Một tín hiệu điện áp được đo ở đầu ra của mạch như vậy cũng có thể là biểu diễn của một bit đơn lẻ, điện áp thấp biểu thị “0” nhị phân và điện áp cao (tương đối) biểu thị một nhị phân “1” Lưu ý mạch bóng bán dẫn sau có thể xem thêm ở  Học điện tử 

Trong mạch này, bóng bán dẫn ở trạng thái bão hòa nhờ điện áp đầu vào được áp dụng (5 vôn) thông qua công tắc hai vị trí. Bởi vì nó bão hòa, bóng bán dẫn giảm rất ít điện áp giữa bộ thu và bộ phát, dẫn đến điện áp đầu ra (thực tế) là 0 vôn.

Nếu chúng ta sử dụng mạch này để biểu diễn các bit nhị phân, chúng ta sẽ nói rằng tín hiệu đầu vào là nhị phân “1” và tín hiệu đầu ra là nhị phân “0.” Bất kỳ điện áp nào gần với điện áp nguồn cung cấp đầy đủ (tất nhiên được đo theo quy chiếu với đất) được coi là “1” và thiếu điện áp được coi là “0.”

Các thuật ngữ thay thế cho các mức điện áp này là cao (giống như nhị phân “1”) và thấp  (giống như nhị phân “0”). Một thuật ngữ chung để biểu diễn một bit nhị phân bằng điện áp mạch là mức logic .

Đầu vào bóng bán dẫn ở “Thấp”

Di chuyển công tắc sang vị trí khác, chúng tôi áp dụng một “0” nhị phân cho đầu vào và nhận một “1” nhị phân ở đầu ra:

Cổng Logic là gì?

Những gì chúng tôi đã tạo ra ở đây với một bóng bán dẫn duy nhất là một mạch thường được gọi là cổng logic, hoặc đơn giản là cổng . Cổng là một loại mạch khuếch đại đặc biệt được thiết kế để chấp nhận và tạo ra các tín hiệu điện áp tương ứng với nhị phân 1 và 0.

Do đó, các cổng không được sử dụng để khuếch đại tín hiệu tương tự (tín hiệu điện áp từ 0 đến đầy đủ điện áp). Được sử dụng cùng nhau, nhiều cổng có thể được áp dụng cho nhiệm vụ lưu trữ số nhị phân (mạch nhớ) hoặc thao tác (mạch tính toán), đầu ra của mỗi cổng đại diện cho một bit của số nhị phân nhiều bit.

Việc này được thực hiện như thế nào là chủ đề cho chương sau. Ngay bây giờ điều quan trọng là phải tập trung vào hoạt động của các cổng riêng lẻ.

Biến tần hoặc Cổng KHÔNG

Cổng được hiển thị ở đây với bóng bán dẫn đơn được gọi là bộ biến tần , hoặc cổng KHÔNG vì nó xuất ra tín hiệu kỹ thuật số hoàn toàn ngược lại với đầu vào. Để thuận tiện, các mạch cổng thường được biểu thị bằng các ký hiệu riêng của chúng thay vì bằng các bóng bán dẫn và điện trở cấu thành của chúng. Sau đây là ký hiệu của biến tần:

Biểu tượng thay thế cho biến tần được hiển thị ở đây:

Ký hiệu giản đồ cổng NOT

Lưu ý hình dạng tam giác của biểu tượng cổng, giống như của một bộ khuếch đại hoạt động. Như đã nói trước đây, mạch cổng thực sự là bộ khuếch đại.

Vòng tròn nhỏ hoặc “bong bóng” hiển thị trên đầu vào hoặc đầu ra là tiêu chuẩn để biểu diễn hàm đảo ngược. Như bạn có thể nghi ngờ, nếu chúng tôi xóa bong bóng khỏi biểu tượng cổng, chỉ để lại một hình tam giác, biểu tượng kết quả sẽ không còn biểu thị sự đảo ngược mà chỉ đơn thuần là khuếch đại trực tiếp.

Một biểu tượng như vậy và một cổng như vậy thực sự tồn tại, và nó được gọi là vùng đệm , chủ đề của phần tiếp theo.

Giống như một ký hiệu bộ khuếch đại hoạt động, các kết nối đầu vào và đầu ra được hiển thị dưới dạng dây đơn, điểm tham chiếu ngụ ý cho mỗi tín hiệu điện áp là “đất”. Trong các mạch cổng kỹ thuật số, đất hầu như luôn luôn là kết nối âm của một nguồn điện áp duy nhất (nguồn điện).

Nguồn điện kép, hoặc “phân chia”, hiếm khi được sử dụng trong mạch cổng. Bởi vì mạch cổng là bộ khuếch đại, chúng yêu cầu một nguồn điện để hoạt động. Giống như các bộ khuếch đại hoạt động, các kết nối cung cấp điện cho cổng kỹ thuật số thường bị bỏ qua khỏi biểu tượng vì mục đích đơn giản. 

KHÔNG phải cổng trong mạch

Nếu chúng tôi hiển thị tất cả các kết nối cần thiết cần thiết để vận hành cổng này, sơ đồ sẽ trông giống như sau:

Các dây dẫn cung cấp điện hiếm khi được hiển thị trong sơ đồ mạch cổng, ngay cả khi các kết nối cung cấp điện ở mỗi cổng đều có. Giảm thiểu các dòng trong giản đồ của chúng tôi, chúng tôi nhận được điều này:

“Vcc” là viết tắt của điện áp không đổi được cung cấp cho bộ thu của mạch bóng bán dẫn mối nối lưỡng cực , liên quan đến đất. Tất cả các điểm trong mạch cổng được đánh dấu bằng nhãn “Vcc” được kết nối với cùng một điểm và điểm đó là cực dương của nguồn điện áp một chiều, thường là 5 vôn.

Như chúng ta sẽ thấy trong các phần khác của chương này, có khá nhiều loại cổng logic khác nhau, hầu hết chúng đều có nhiều thiết bị đầu cuối đầu vào để chấp nhận nhiều hơn một tín hiệu. Đầu ra của bất kỳ cổng nào phụ thuộc vào trạng thái của (các) đầu vào và chức năng logic của nó.

Thể hiện các chức năng của mạch cổng với bảng chân lý

Một cách phổ biến để thể hiện chức năng cụ thể của mạch cổng được gọi là bảng chân trị. Bảng chân trị hiển thị tất cả các tổ hợp điều kiện đầu vào theo trạng thái mức logic (“cao” hoặc “thấp”, “1” hoặc “0” cho mỗi đầu vào của cổng), cùng với mức logic đầu ra tương ứng, “Cao hoặc thấp.” Đối với mạch biến tần, hoặc KHÔNG, chỉ được minh họa, bảng sự thật thực sự rất đơn giản:


Tất nhiên, bảng chân trị cho các cổng phức tạp hơn sẽ lớn hơn bảng hiển thị cho cổng NOT. Bảng sự thật của cổng phải có càng nhiều hàng càng có khả năng cho các kết hợp đầu vào duy nhất.

Đối với cổng một đầu vào như cổng NOT, chỉ có hai khả năng, 0 và 1. Đối với cổng hai đầu vào, có bốn khả năng (00, 01, 10 và 11) và do đó bốn hàng cho chân lý tương ứng bàn.

Đối với cổng ba đầu vào, có tám khả năng (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 và 111) và do đó cần có một bảng chân trị với tám hàng. Người có khuynh hướng toán học sẽ nhận ra rằng số hàng của bảng chân trị cần thiết cho một cổng bằng 2 được nâng lên với sức mạnh của số lượng thiết bị đầu cuối đầu vào.

ÔN TẬP:

  • Trong các mạch kỹ thuật số, các giá trị bit nhị phân của 0 và 1 được biểu diễn bằng các tín hiệu điện áp được đo tham chiếu đến một điểm mạch chung gọi là mặt đất. Sự vắng mặt của điện áp đại diện cho một “0” nhị phân và sự hiện diện của điện áp nguồn DC đầy đủ đại diện cho một “1” nhị phân.
  • Cổng logic, hay đơn giản là cổng, là một dạng mạch khuếch đại đặc biệt được thiết kế để đầu vào và đầu ra điện áp mức logic (điện áp dùng để biểu diễn các bit nhị phân). Các mạch cổng thường được biểu diễn trong một sơ đồ bằng các ký hiệu độc đáo của riêng chúng chứ không phải bằng các bóng bán dẫn và điện trở cấu thành của chúng.
  • Cũng giống như với các bộ khuếch đại hoạt động, các kết nối cung cấp điện với các cổng thường bị bỏ qua trong sơ đồ giản đồ vì mục đích đơn giản.
  • Bảng sự thật là một cách tiêu chuẩn để biểu diễn các mối quan hệ đầu vào / đầu ra của mạch cổng, liệt kê tất cả các tổ hợp mức logic đầu vào có thể có với mức logic đầu ra tương ứng của chúng.

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here