Bạn đã bao giờ tự hỏi các thiết bị điện tử trong các thiết bị hàng ngày của mình, chẳng hạn như điều khiển TV, lò vi sóng hay điện thoại di động, hoạt động như thế nào chưa? Chúng dựa trên các mạch phức tạp được cung cấp năng lượng bởi các họ logic khác nhau. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá những khác biệt chính giữa các họ logic TTL, CMOS, ECL và BiCMOS, giúp bạn hiểu rõ công nghệ đằng sau chúng và các ứng dụng thực tế của chúng.

Nhưng khoan đã, họ logic là gì? Vâng, nó có hai nghĩa.

• Họ Logic (IC Kỹ thuật số) : Một nhóm các mạch tích hợp sử dụng các mức điện áp và nguồn điện cụ thể để thực hiện các phép toán logic. Ví dụ bao gồm TTL (Transistor-Transistor Logic) và CMOS (Metal-Oxide-Semiconductor bổ sung).
• Họ Logic (Hệ thống VLSI) : Các quy tắc thiết kế xác định cách các cổng được kết nối trong một hệ thống lớn hơn, chẳng hạn như bộ vi xử lý hoặc hệ thống bộ nhớ. Việc lựa chọn họ logic ảnh hưởng đến hiệu suất, hiệu suất năng lượng và khả năng chống nhiễu của toàn bộ hệ thống.

Nói một cách đơn giản , họ logic là những cấu hình  cổng logic cụ thể được thiết kế cho các mục đích cụ thể. Các họ logic này chứa các hệ thống logic cơ bản được kết nối với nhau để tạo thành một họ mạch tích hợp lớn hơn.

Đặc điểm của các họ logic

Có một số yếu tố phân biệt các họ logic. Chúng ta hãy cùng xem xét những yếu tố quan trọng nhất.

• Tốc độ : Thời gian phản hồi giữa ứng dụng đầu vào và tín hiệu đầu ra.
• Fan-In : Số lượng đầu vào tối đa mà một cổng logic có thể xử lý.
• Fan-Out : Số lượng mạch mà một cổng logic có thể điều khiển.
• Khả năng chống nhiễu : Khả năng chịu được nhiễu điện của mạch.
• Độ trễ lan truyền : Thời gian giữa ứng dụng đầu vào và thay đổi đầu ra.
• Tiêu hao điện năng : Lượng điện năng mà hệ thống tiêu thụ.

Phân loại các họ logic

Các họ logic chủ yếu được phân loại theo cực tính của thiết bị được sử dụng. Chúng ta có hai phân loại chính – lưỡng cực và đơn cực .

Bipolar nghĩa là hai cực. Bi-hai, cực-phân cực. Ở đây, mạch có các thành phần lưỡng cực như điốt , transistor , v.v. Các thành phần thụ động khác, như điện trở và tụ điện, cũng tạo nên mạch. Chúng ta có thể chia các họ lưỡng cực thành các họ logic bão hòa và không bão hòa. Trong các họ logic bão hòa, các transistor được sử dụng trong IC được đưa vào trạng thái bão hòa. Và ngược lại đối với các hệ thống logic không bão hòa.

Dòng đơn cực có các linh kiện chỉ có một cực. Mạch điện có các linh kiện đơn cực như MOSFET  và các linh kiện thụ động.

Họ Logic Transistor-Transistor (TTL)

Các họ logic transistor-transistor được tạo thành hoàn toàn bằng các transistor tiếp giáp lưỡng cực (BJT) và điện trở.

Nhưng tại sao chúng lại được gọi là 'logic transistor-transistor' chứ không chỉ đơn giản là 'logic transistor'? Đó là vì BJT được sử dụng làm thành phần chính trong cả hệ thống logic của mạch cũng như phần khuếch đại của mạch.

Về mặt thương mại, các thành phần logic TTL bắt đầu bằng '74XX', chẳng hạn như 7404, 74S86, v.v.

Đối với các cổng logic được xây dựng bằng linh kiện TTL, điện áp đầu vào được áp dụng cho cực phát của transistor . Các mạch thuộc họ TTL thường bao gồm các transistor đa cực phát, tức là nhiều transistor song song với các đầu vào cực phát riêng biệt và các cực gốc và cực thu chung.

Transistor Schottky cũng được ưa chuộng cho các hệ thống logic TTL. Các transistor này mô phỏng hiệu ứng Schottky và do đó có tốc độ đóng cắt cao hơn và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn.

Hiệu ứng Schottky là gì?

Sự dẫn dòng điện xảy ra khi các electron bị kích thích từ bề mặt vật liệu dẫn điện, và sự kích thích này xảy ra do tác động của điện áp hoặc do kích thích nhiệt. Năng lượng tối thiểu cần thiết để kích thích một electron được gọi là công thoát. Nếu chúng ta tăng cường độ kích thích bên ngoài, các electron bắt đầu thoát khỏi bề mặt vật liệu với tốc độ nhanh hơn. Nếu tiếp tục tăng, công thoát sẽ giảm dần. Ở các giá trị rất cao của trường ngoài, sự phát xạ electron tăng lên quá mức. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Schottky.

TTL hiện nay được coi là hơi lỗi thời, nhưng vẫn được sử dụng làm thiết bị chuyển mạch trong rơ le và đèn điều khiển, trong máy in và thiết bị đầu cuối hiển thị video.

Đặc điểm của họ logic TTL

• Đầu ra của thiết bị TTL có thể đóng vai trò là đầu vào cho tối đa 10 cổng, tức là quạt ra  là 10 .
• Điện áp logic thấp cho TTL được xác định trong khoảng 0V-0,2V .
• Điện áp logic cao cho TTL là 5V .
• Biên độ nhiễu ở mức khoảng 4V .
• Độ trễ lan truyền là khoảng 9ns .
• Một linh kiện TTL thông thường có công suất khoảng 11mW .

Ưu điểm của họ logic TTL

• TTL có khả năng điều khiển mạnh mẽ.
• Nó ít bị hư hỏng do điện nhất.
• Chỉ cần một điện áp cung cấp (nếu không thì dùng CMOS)
• Khả năng chống nhiễu kém hơn so với ECL nhưng tốt hơn CMOS.
• Độ bão hòa nhanh nhất khi so sánh với các họ logic khác
• Trở kháng đầu ra thấp cho tất cả các trạng thái

Nhược điểm của họ logic TTL

• TTL tiêu tốn rất nhiều điện năng, do đó không phù hợp với các thiết bị chạy bằng pin.
• Không được khuyến khích sử dụng trong chip VLSI vì nó đòi hỏi nhiều không gian và cách ly hơn
• Đắt hơn so với MOSFET

IC logic TTL phổ biến

• 74  gia đình
• Dòng 74LS  (Schottky công suất thấp)
• Gia đình 74F  (Nhanh)
• Họ 74AS  (Schottky nâng cao)
• Dòng 74ALS  (Schottky công suất thấp tiên tiến)

Bộ phát – Họ logic ghép nối (ECL)

Các họ ECL sử dụng bộ khuếch đại vi sai BJT với đầu vào một cực. Các cực phát của transistor được kết nối hoàn toàn với nhau, do đó có tên là các họ logic "emitter-coupled".

Các transistor trong hệ thống này không bao giờ bị bão hòa; mức logic cao và mức logic thấp của chúng được chọn gần nhau, do đó loại bỏ khả năng bão hòa trong các transistor. Do đó, các transistor hoạt động ở vùng hoạt động hoặc vùng ngắt.

Các transistor này sử dụng đặc tính chuyển mạch dòng điện. Do đó, họ này còn được gọi là Logic Điều khiển Dòng điện (CSL) hoặc Họ Logic Chế độ Dòng điện (CML). Nó sử dụng bộ khuếch đại vi sai dựa trên transistor để khuếch đại và kết hợp các tín hiệu số.

Chúng ta có thể thấy ở đây rằng các bóng bán dẫn là bộ khuếch đại vi sai, với cực phát được ghép nối. Các ứng dụng mã hóa và yêu cầu tốc độ cao sử dụng Logic ECL.

Đặc điểm của các họ logic ECL

• Đầu ra của hệ thống ECL có trở kháng rất thấp, do đó có quạt ra khoảng 25 .
• Thời gian lan truyền khoảng 1ns , khiến nó trở thành họ logic nhanh nhất.
• Điện áp logic thấp cho ECL là khoảng -1,7V đến -1,75V .
• Điện áp logic cao cho ECL là khoảng -0,8V .
• Đây là họ logic nhanh nhất trong tất cả các họ logic.
• Nó có thời gian trễ lan truyền trung bình khoảng 1ns-4ns.

Ưu điểm của các họ logic ECL

• Có khả năng quạt tốt hơn so với họ Logic TTL
• Cung cấp tốc độ hoạt động cao nhất
• Hệ thống ECL tạo ra các đầu ra bổ sung (OR-NOR, AND-NAND).
• Các thông số không thay đổi nhiều theo nhiệt độ

Nhược điểm của các họ logic ECL

• Khả năng chống nhiễu kém nhất so với TTL và CMOS
• Tiêu thụ điện năng cao nhất khi so sánh với TTL và CMOS
• Thiết kế VLSI khó khăn vì mạch ECL cần có điện trở, do đó làm tăng kích thước hệ thống
• Tải điện dung làm giảm khả năng quạt ra

Các họ logic MOSFET bổ sung (CMOS)

Họ CMOS sử dụng MOSFET trong các mạch tích hợp. Cả NMOS và PMOS đều bổ sung cho nhau và được sử dụng đối xứng trong mỗi cấu hình của mạch, do đó có tên gọi là "bổ sung".

Vì cả PMOS và NMOS đều có mặt, nên việc cấp điện áp đầu vào sẽ bật bất kỳ loại transistor nào tại một thời điểm. Do đó, tại bất kỳ thời điểm nào, không có kết nối trực tiếp nào giữa nguồn điện và đất.

Hai đặc tính chính của thiết bị CMOS là khả năng chống nhiễu cao và mức tiêu thụ điện năng tĩnh thấp. CMOS chỉ bao gồm loại MOSFET tăng cường.

Đối với transistor NMOS, nếu đầu vào là 1, MOS sẽ bật; ngược lại, nó sẽ tắt. Mặt khác, đối với PMOS, nếu đầu vào là 0, MOSFET sẽ bật; ngược lại, transistor sẽ tắt. Do đó, nếu một trong hai đầu vào là 1, điện áp đầu ra bằng VDD.

Các FET được bố trí sao cho nếu một trong hai transistor NMOS hoặc PMOS được mắc nối tiếp, thì transistor còn lại được mắc song song. Do đó, chỉ một loại MOS được bật tại một thời điểm.

Chúng ta sử dụng chip CMOS trong các ứng dụng RF, truyền thông vệ tinh , Bluetooth và mạng di động. Chúng ta cũng thấy chúng được sử dụng trong các ứng dụng radar và công nghệ Wi-Fi. Thành thật mà nói, CMOS là xương sống của ngành công nghiệp bán dẫn. Ứng dụng của nó là vô tận.

Đặc điểm của họ logic CMOS

• CMOS hỗ trợ quạt ra rất lớn, hơn 50 bóng bán dẫn.
• Nó có khả năng chống ồn tuyệt vời đối với mọi gia đình.
• Điện áp logic thấp cho CMOS là khoảng
• Điện áp logic cao cho ECL nằm trong khoảng từ 4,5V đến 5V .
• Độ trễ lan truyền là tệ nhất khi so sánh với họ TTL và ECL ở mức khoảng 200ns.

Ưu điểm của họ logic CMOS

• Có độ phân tán cao nhất khi so sánh với TTL và ECL
• Hoạt động tốt trong phạm vi nhiệt độ rộng
• Khả năng chống nhiễu tốt hơn TTL và ECL

Nhược điểm của họ logic CMOS

• Độ trễ lan truyền trung bình là thấp nhất khi so sánh với TTL và ECL

IC logic TTL phổ biến

• 4000  gia đình
•  Họ 74C
•  Gia đình 74HC
• Gia đình 74HCT 
• Gia đình 74AC 
• Gia đình 74ACT 
• Gia đình 74AHC 

Họ Logic BiCMOS (CMOS lưỡng cực)

BiCMOS, hay CMOS lưỡng cực, kết hợp những đặc tính tốt nhất của hai công nghệ riêng biệt trong mạch tích hợp - transistor tiếp giáp lưỡng cực và họ logic CMOS . Chúng ta thấy BiCMOS được ứng dụng trong các bộ vi xử lý Pentium và Pentium Pro.

Sự kết hợp sức mạnh của BJT và CMOS khiến BiCMOS trở thành một công nghệ đặc biệt và thiết yếu được ứng dụng trong ngành công nghiệp điện tử. Tốc độ cao và trở kháng đầu ra thấp của BJT cùng với điện trở đầu vào cao của CMOS là những đặc tính chính tạo nên BiCMOS.

Vì kết hợp hai thiết kế khác nhau, việc chế tạo chip BiCMOS diễn ra với độ chính xác cao. Quá trình thiết kế chip thường bắt đầu bằng việc xây dựng nền tảng cho quy trình CMOS và tiếp tục với các bước quy trình lưỡng cực.

Ngoài ra, việc chế tạo CMOS và BJT đòi hỏi phải bổ sung tạp chất một cách có kiểm soát, do đó làm tăng độ phức tạp của việc chế tạo các chip này. Tất cả những điều này cộng lại khiến công nghệ BiCMOS thực sự đắt đỏ khi so sánh với các công nghệ khác. Thêm vào đó, việc chế tạo BiCMOS phức tạp có nguy cơ làm tăng dòng rò.

Cấu hình mạch cơ bản giống hệt với cấu hình của cổng CMOS NAND 2 đầu vào, nhưng có thêm MOSFET trong mạch.

Qp và Qo là trình điều khiển đầu ra trở kháng thấp.

Đầu vào mạch VA được đưa ra tại PA và NA1, và đầu vào VB được đưa ra tại PB và NB1. Các FET NB3, NA3 và N2 loại bỏ điện tích cơ bản khỏi BJT trong quá trình chuyển mạch.

Đặc điểm của họ logic BICMOS

• BiCMOS có mức tiêu thụ điện năng thấp hơn BJT.
• Nó cung cấp tốc độ được cải thiện khi so sánh với công nghệ CMOS.
• Mạch BiCMOS cung cấp khả năng dẫn dòng và cấp dòng tải cao

Ưu điểm của các họ logic BiCMOS

• Mạch tốt nhất được sử dụng khi cần cung cấp và tiêu thụ dòng điện lớn.
• Có thời gian chu kỳ giảm khi so sánh với mạch CMOS
• Khả năng xử lý các thay đổi và nhiệt độ mạnh mẽ
• Tiêu tán công suất thấp hơn BJT

Nhược điểm của các họ logic BiCMOS

• Độ phức tạp của quy trình cao hơn
• Chi phí sản xuất rất cao
• Tăng thời gian chế tạo

Sự khác biệt giữa TTL, ECL và CMOS

Những câu hỏi thường gặp (FAQ) về các họ logic trong mạch số

Họ Logic trong mạch kỹ thuật số là gì?

Họ Logic là một nhóm các mạch tích hợp kỹ thuật số (IC) có chung các đặc điểm như mức điện áp, yêu cầu về nguồn điện và loại cổng logic mà chúng sử dụng. Ví dụ về họ logic bao gồm TTL (Transistor-Transistor Logic) và CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor).

Các họ logic khác nhau khác nhau như thế nào?

Các họ logic khác nhau chủ yếu ở mức điện áp và yêu cầu về nguồn điện:

• TTL (Transistor-Transistor Logic) hoạt động ở mức 5V và sử dụng bóng bán dẫn lưỡng cực.
• CMOS (Kim loại-Ôxít-Bán dẫn bổ sung) sử dụng mức điện áp thấp hơn (ví dụ: 3,3V hoặc 5V) và tiết kiệm điện hơn TTL vì nó chỉ tiêu thụ điện khi chuyển đổi trạng thái.

Những điểm khác biệt khác bao gồm tốc độ, mức tiêu thụ điện năng và khả năng chống nhiễu, ảnh hưởng đến tính phù hợp của chúng đối với các ứng dụng cụ thể như xử lý tốc độ cao hoặc thiết bị công suất thấp.

Họ Logic có ý nghĩa gì trong thiết kế VLSI (Tích hợp quy mô rất lớn)?

Trong các hệ thống VLSI, họ logic đề cập đến tập hợp các quy tắc thiết kế và đặc điểm chi phối cách các cổng logic được kết nối với nhau trong các mạch phức tạp, chẳng hạn như bộ xử lý hoặc hệ thống bộ nhớ. Nó quyết định cách tín hiệu được truyền đi, cách các thành phần được tích hợp và mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống. Ví dụ, bộ xử lý có thể sử dụng logic CMOS để tăng hiệu suất, trong khi bộ nhớ tốc độ cao có thể sử dụng ECL (Logic ghép nối Emitter) để hoạt động nhanh hơn.

Tại sao việc lựa chọn Logic Family lại quan trọng trong hệ thống VLSI?

Việc lựa chọn họ logic ảnh hưởng đến một số yếu tố chính trong thiết kế VLSI:

• Tốc độ: Một số họ logic như ECL (Logic kết hợp emitter) nhanh hơn nhưng tiêu thụ nhiều điện năng hơn, trong khi những họ khác như CMOS chậm hơn nhưng tiết kiệm điện năng hơn.
• Hiệu quả sử dụng điện: Việc lựa chọn họ logic sẽ ảnh hưởng đến tổng mức tiêu thụ năng lượng, đặc biệt là ở các thiết bị chạy bằng pin như điện thoại thông minh.
• Khả năng chống nhiễu: Một số họ logic xử lý nhiễu điện tốt hơn những họ khác, điều này rất quan trọng trong các hệ thống phức tạp như bộ xử lý hoặc thiết bị truyền thông.
• Khả năng mở rộng: Lựa chọn này cũng có thể ảnh hưởng đến mức độ dễ dàng mở rộng của hệ thống khi thêm nhiều thành phần hơn.

Tôi có thể sử dụng bất kỳ Logic Family nào cho bất kỳ ứng dụng nào không?

Không, việc lựa chọn họ logic phụ thuộc vào yêu cầu của ứng dụng cụ thể của bạn. Ví dụ:

• Logic TTL có thể được lựa chọn vì tính mạnh mẽ và tốc độ của nó, nhưng nó tiêu thụ nhiều điện năng hơn các loại khác.
• Logic CMOS lý tưởng cho các ứng dụng công suất thấp, khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên cho các thiết bị di động và thiết bị điện tử cầm tay.
• ECL có thể được lựa chọn cho các ứng dụng yêu cầu hoạt động tốc độ cao, như xử lý dữ liệu tần số cao, với chi phí tiêu thụ điện năng tăng lên.

Làm sao tôi biết nên chọn Logic Family nào cho dự án của mình?

Nhóm logic tốt nhất cho dự án của bạn phụ thuộc vào các yếu tố sau:

• Yêu cầu về tốc độ: Nếu bạn cần hiệu suất tốc độ cao, ECL hoặc TTL có thể là lựa chọn tốt nhất.
• Tiêu thụ điện năng: Đối với các dự án có công suất thấp (ví dụ: thiết bị di động), CMOS thường là lựa chọn lý tưởng.
• Độ phức tạp và khả năng mở rộng: Cân nhắc hệ thống của bạn sẽ mở rộng như thế nào và sẽ bao gồm bao nhiêu thành phần.
• Chi phí: Một số họ logic có hiệu quả về mặt chi phí hơn đối với sản xuất quy mô lớn (như CMOS).