1. Giới Thiệu

Mạch logic tổ hợp (combinational logic circuits) là một thành phần cơ bản trong các IC và các hệ thống tính toán. Mạch logic tổ hơp có khả năng giải các bài toán logic mà không cần sử dụng bộ lưu trữ. Với những đầu ra được đưa vào, bộ tính toán sẽ trả về kết quả mà không phụ thuộc vào kết quả đầu ra trước đó của mạch. Trong bài này chúng ta sẽ xem qua các thành phần cơ bản để cấu thành mạch tổ hợp, các loại mạch tổ hợp phổ biến, cùng những ứng dụng thực tế của chúng trong đời sống.

2. Lý Thuyết Mạch Logic Tổ Hợp

Một mạch logic tổng hợp sử dụng các cổng logic cơ bản như AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR và XNOR để xử lý và xuất ra các tín hiệu đầu vào.

2.1. Các Cổng Logic Cơ Bản

• Cổng AND: Trả về giá trị 1 chỉ khi tất cả đầu vào đều bằng 1.

• Cổng OR: Đầu ra xuất ra 1 nếu có ít nhất một đầu vào là 1.

• Cổng NOT: Đảo ngược tín hiệu đầu vào. Nếu đầu vào là 1 thì đầu ra sẽ là 0, và ngược lại.

• Cổng NAND: Là cổng AND với đầu ra đảo ngược. Đầu ra sẽ là 1 nếu ít nhất một đầu vào là 0.

• Cổng NOR: Là cổng OR với đầu ra đảo ngược. Đầu ra chỉ bằng 1 khi tất cả các đầu vào đều bằng 0.

• Cổng XOR: Đầu ra là 1 nếu số lượng các đầu vào có giá trị 1 là lẻ.

• Cổng XNOR: Là cổng XOR với đầu ra đảo ngược. Đầu ra là 1 khi số lượng đầu vào có giá trị 1 là số chẵn.

2.2. Ví dụ đơn giản về mạch logic tổ hợp

Trong ví dụ sau, ta có bài toán với yêu cầu tạo ra một mạch logic với ba đầu vào input A, B và C sao cho đầu ra output (Y) sẽ có giá trị:

• Y=(A*B)+C’

Ta có:

• A*B tương đương phép logic AND giữa A và B.
• C’ tương đương phép logic NOT của C.
• Kết quả cuối cùng Y tương đương phép logic OR giữa A*B và C’.

Các bước thiết kế mạch:

1. Cổng AND: Đầu tiên, chúng ta sử dụng một cổng AND để thực hiện phép toán A*B. Đầu vào của cổng AND là A và B. Đầu ra của cổng này sẽ là A*B.
2. Cổng NOT: Tiếp theo, ta sử dụng một cổng NOT để thực hiện phép toán C’. Đầu vào của cổng NOT là C và đầu ra của cổng NOT sẽ là C’.
3. Cổng OR: Cuối cùng, chúng ta sử dụng một cổng OR để thực hiện phép toán logic (A*B)+C’. Đầu ra của cổng AND (tức là A*B) và đầu ra của cổng NOT (tức là C’) sẽ là đầu vào cho cổng OR- tương đương với phép cộng logic.

Qua những chỉ dẫn ta có mạch điện đầu ra như bên dưới:

• Đầu vào input A và B được nối vào cổng AND.
• Đầu vào input C được nối vào cổng NOT.
• Đầu ra từ cổng AND và cổng NOT được nối vào cổng OR, tổng hợp thành đầu ra Y.

3. Các Loại Mạch Logic Tổ Hợp

Các mạch logic tổ hợp có thể được phân loại theo chức năng mà chúng thực hiện. Dưới đây là một số loại mạch logic tổ hợp phổ biến:

3.1. Mạch Mã Hóa và Giải Mã (Encoder, Decoder)

• Mạch mã hóa (encoder): có tác dụng chuyển đổi và mã hóa các thông tin của đầu vào thành đầu ra với dạng mong muốn. Ví dụ chúng ta có thể mã hóa dãy đầu vào là só nhị phân, và trả về đầu ra là dãy số nhị phân trực tiếp (BCD) hoặc có thể chuyển đầu ra thành mã ASCII tùy theo thế kế.
• Mạch giải mã (decoder): có tác dụng ngược lại so với mạch mã hóa (encoder), mạch này giúp chuyển đổi từ đầu vào bị mã hóa và trả về đầu ra với trạng thái ban đầu.

3.2. Mạch Bộ Chọn (Multiplexer - MUX)

Mạch bộ chọn (MUX) có tác dụng lựa chọn nhận một nguồn tín hiệu đầu vào duy nhất từ rất nhiều đầu vào khác nha. Mạch này sẽ có nhiều tín hiệu đầu vào (input) và tín hiệu chọn (select). Như các bạn có thể xem hình phía trên, chúng ta có bản chân trị (truth table) cho biết cách phản ứng của đầu ra Y đối với các thông tin tín hiệu chọn S1 và S2, đối với S1 = 0, S2 = 1, chúng ta có Y sẽ lấy tín hiệu của đầu vào I1 và bỏ qua tất cả I0, I2, I3.

3.3. Mạch Phân Tách (Demultiplexer - DEMUX)

Mạch phân tách (DEMUX) có chức năng ngược lại so với mạch bộ chọn (MUX), thay vì có rất nhiều đầu vào và chỉ một đầu ra, thì ở đây sẽ chỉ có một đầu vào và rất nhiều đầu ra. Và có thể lựa chọn 1 đầu ra Yn để nhận tín hiệu tự đầu vào I. Chúng ta sẽ lựa chọn đầu ra từ tín hiệu chọn (select).

3.4. Mạch Tổng Hợp (Adder)

Mạch tổng hợp có khả năng thực hiện các phép cộng nhị phân trong các mạch số học. Có 2 loại: Half-adder, Full-adder. Đối với Half-adder, mạch có thể cộng giữa 2 bit. Full-adder có thể cộng lên đến 3 bit bao gồm bit nhớ (memory) từ kết quả cộng trước đó.

3.5. Mạch So Sánh (Comparator)

Mạch so sánh có tác dụng y như tên của nó. Mạch giúp so sánh giữa 2 đầu vào, và trả về tín hiệu cho biết: lớn hơn, nhỏ hơn hoặc bằng nhau. Mạch so sánh thường được sử dụng trong các mạch điều khiển và mạch logic số.

4. Ứng Dụng Của Mạch Logic Tổ Hợp

Mạch logic tổ hợp là một loại mạch thiết yếu đối với tất cả các hệ thống điện từ và máy tính. Dưới đây là một số các ứng dụng của chúng.

- Máy Tính và Thiết Bị Điện Tử: Mạch logic tổ hợp được sử dụng trong máy tính để thực hiện các phép toán số học, điều khiển logic, giải mã, mã hóa và xử lý tín hiệu. Bạn sẽ tìm thấy các tổ hợp rất phức tạp của mạch logic tổ hợp trong các CPU máy tính hiện thời.

- Hệ Thống Truyền Thông: Mạch logic tổ hợp được sử dụng trong các hệ thống truyền thông để giải mã và mã hóa tín hiệu, đảm bảo rằng thông tin được truyền đi là chính xác.

- Thiết Bị Điều Khiển Tự Động: Các mạch này hỗ trợ các hệ thống xử lý thông tin và đưa ra quyết định bằng cách sử dụng tín hiệu đầu vào từ các thiết bị ngoại vi và cảm biến được sử dụng trong các thiết bị tự động hóa và IOT.

- Hệ Thống An Ninh: Mạch logic tổ hợp được sử dụng trong các thiết bị nhận dạng và kiểm tra an toàn trong hệ thống an ninh. Các hệ thống khóa mã, ví dụ, có thể sử dụng mạch giải mã để kiểm tra và xác thực tín hiệu.

5. Kết Luận

Mạch logic tổ hợp được sử dụng trong tất cả các thiết kế mạch điện tử và máy tính. Chúng được ứng dụng trong hầu hết tất cả các ứng dụng vi mạch hiện tại trên thế giới. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, các mạch logic tổ hợp ngày trở nên phức tạp hơn và xử lý các vấn đề với độ chính xác cao hơn.

‍