Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА КМДП ( КМОП ) – СТРУКТУРАХ.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучить работу ЛЭ на КМОП - структурах, снять характеристики и рассчитать статические параметры.

2. СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ исследуемых элементов 2ИЛИ – НЕ и 2И –НЕ в микросхемах из серии К176:

- напряжение источника питания, U_И.П.,В

-потребляемая мощность Р_ПОТР.,мкВт,

-напряжение выходного сигнала«0» U⁰_ВЫХ,В

-напряжениевыходногосигнала“1” U¹_ВЫХ, В

-время задержки распространения среднее, t_ЗД.СР., нс

ОБОРУДОВАНИЕ. Для проведения лабораторной работы в установке используются: часть стенда СТ4 для исследования логических устройств, приборы измерительного блока (два вольтметра и два амперметра) и регулируемый источник питания +Е1. В нижней части на панели стенда имеются рисунки двух функциональных схем исследования элементов КМОП. На панели закреплены гнёзда для подключения измерительных приборов. В цепях питания и во входной цепи каждого входа Х1 закреплены гнёзда для установки вилок амперметров. В точке подключения источника питания, во входной цепи Х1 и на выходе закреплены гнёзда для подключения вольтметров. Напряжение на входе Х1 регулируется потенциометром R в пределах от нуля до + 8В. Нуль соответствует логическому нулю, а напряжение +8В соответствует логической единице. На входах Х2 напряжение устанавливается переключателями S в положение логического нуля «0» или в положение логической единицы «1».

Перед сборкой схемы проверить напряжение питания и пределы регулировки входного напряжения. Напряжение питания должно быть в пределах от 7,5 В до 9,5В. Вставить вилки амперметров А1 в гнёзда входной цепи, а А2 в гнёзда цепи питания, штырь вольтметра V1 гнездо входной цепи, а V2 в гнездо выхода. Переключатели S установить в положение логического нуля при исследовании схемы ИЛИ-НЕ, а при исследовании элемента И-НЕ установить переключатель в положение единицы.

3.1. СХЕМА ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТА ИЛИ – НЕ.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

4.1.Собрать схему исследования. ПРИМЕЧАНИЕ. Переключатель S должен находится в нижнем положении (0), что соответствует напряжению логической нуля.

4.2. Провести измерения для определения переключательной характеристики, и заполнить таблицу 1.

При снятии данных необходимо учитывать особенности переключательной характеристики. Особенностью является то, что характеристика изменения от напряжения логической единицы до напряжения логического нуля по выходу занимает по входу незначительный участок напряжения – не более 0,5 В. Поэтому нецелесообразно снимать характеристику классическим методом, когда разбивают входное напряжение равномерно в заданных пределах и по данным проводят измерения параметров.

В данной работе равномерное измерения проводим только на участке изменения характеристики от «1» до «0» по выходу. Для этого определяется этот участок входных напряжений. От начала резкого изменения к нулю (при изменении входного напряжения от минимального значения ) до начала резкого изменения к единице ( при изменении входного напряжения от максимального значения ). Следовательно, необходимо вначале провести два измерения от нуля, и установить минимальное входное напряжение начала изменения выходного напряжения, затем два измерения от максимального значения, установив максимальное напряжение по входу конца изменения. На участке изменения выходного напряжения можно провести два – три измерения.

Особенностью работы элементов КМОП является то , что запирание транзистора одного происходит раньше, чем открывание второго. Поэтому вероятность установления конечного значения участка входного напряжения, на котором происходит изменение выходного напряжения очень мала.

Провести измерения, и заполнить таблицу 1. Необходимо соблюдать очерёдность измерений:

первое измерение проводить при минимальном входном напряжении;

второе измерение проводить на участке начала изменения выходного напряжения от максимального;

третье измерение – при максимальном входном напряжении, записать результаты в последнюю графу таблицы;

четвёртое – на участке начала изменения выходного напряжения от нуля;

пятое и шестое измерения проводить при входных напряжениях распределённых пропорционально между входными напряжениями второго и четвёртого измерений.

4.3. Зарисовать зависимости выходного напряжения от входного напряжения.

4.4. Рассчитать параметры логического элемента. Для определения статических параметров на переключательную характеристику зарисовать обратимую характеристику.

5. ДАННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Таблица 1.

№ изм.	1	2	5	6	4	3
UВХ., В
UВЫХ., В

7.1. РАСЧЁТНЫЕ ДАННЫЕ.

По переключательным характеристикам определить статические параметры:

- напряжение логического нуля U₀ , В ______

- напряжение логической единицы U₁ , В ______

- напряжение помехи от нуля U_{0 ПОМ} , В ____

-напряжение помехи от единицы U_{1 ПОМ} , В ____

-таблица истинности:

Х1 0 1 0 1 Функция в дезъюнктивной форме

Х2 0 0 1 1 F=___________________________

_U1

3.2. СХЕМА ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТА И –НЕ.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

4.1.Собрать схему исследования. ПРИМЕЧАНИЕ. Переключатель S должен находится в верхнем положении (1), что соответствует напряжению логической единицы.

4.2. Провести измерения для определения переключательной характеристики, и заполнить таблицу 2. Необходимо соблюдать очерёдность измерений:

первое измерение проводить при минимальном входном напряжении;

второе измерение проводить на участке начала изменения выходного напряжения от максимального;

третье измерение – при максимальном входном напряжении, записать результаты в последнюю графу таблицы;

четвёртое – на участке начала изменения выходного напряжения от нуля;

пятое и шестое измерения проводить при входных напряжениях распределённых пропорционально между входными напряжениями второго и четвёртого измерений.

4.3. Зарисовать зависимости выходного напряжения от входного напряжения.

4.4. Рассчитать параметры логического элемента. Для определения статических параметров на переключательную характеристику зарисовать обратимую характеристику.

5. ДАННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Таблица 2.

№ изм.	1	2	5	6	4	3
UВХ., В
UВЫХ., В

7.1. РАСЧЁТНЫЕ ДАННЫЕ.

По переключательным характеристикам определить статические параметры:

- напряжение логического нуля U₀ , В ______

- напряжение логической единицы U₁ , В ______

- напряжение помехи от нуля U_{0 ПОМ} , В ____

-напряжение помехи от единицы U_{1 ПОМ} , В ____

-таблица истинности:

Х1 0 1 0 1 Функция в конъюнктивной форме

Х2 0 0 1 1 F=___________________________

_U1

8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

-Почему необходимо устанавливать“0” на входах Х2 при исследовании элемента ИЛИ – НЕ и “1” при исследовании элемента И – НЕ

-Принцип работы инвертора на комплиментарных транзисторах.

-Почему элементы на КМОП – структурах обладают очень малым энергопотреблением?

-Описание принципиальной схемы логических элементов 2ИЛИ –НЕ, 2И – НЕ.

Бланк отчёта по лабораторной работе приводится в приложении 9.

ЭМИТТЕРНО-СВЯЗАННАЯ ЛОГИКА.

Эмиттерно-связанные логические элементы (ЭСЛ) принципиально отличаются от ТТЛ по схемотехническому решению. Цель нового решения заключается в повышении быстродействия цифровых устройств.

Основные причины инерционности ключей на биполярных транзисторах, которые имеют крайние состояния отсечка и насыщение, это время рассасывания неосновных носителей из базовой области при переходе из режима насыщения в режим отсечки, а также достаточно большая постоянная времени перезаряда выходной ёмкости. Уменьшение постоянной времени перезаряда возможно при увеличении коллекторного тока. Это достигается за счёт уменьшения сопротивления в цепи коллектора. А также за счёт ограничения перепадов выходного напряжения, которое в большинстве случаев не превышает одного Вольта («1» В). Такое решение позволяет повысить быстродействие. Однако это приводит к уменьшению помехоустойчивости и требует применения схем менее подверженных действию помех. Этому требованию удовлетворяет дифференциальный усилитель постоянного тока, который работает в режиме больших сигналов и называется токовым ключом (рис.1). На вход одного плеча подаётся опорное напряжение U₀, под действием которого устанавливается общий постоянный ток токозадающим сопротивлением R_э. При изменении входного сигнала на входе второго плеча «Х» в ключе происходит перераспределение тока в плечах усилителя. При входном сигнале «Х>U₀» ток протекает только в цепи коллектора VT1, а при «Х<U₀» ток протекает только в цепи коллектора VT2. С токового ключа снимаются одновременно два сигнала – прямой и инверсный, связанные с входным сигналом соотношениями «f₁=Х» и «f₂=».

При этом транзисторы не попадают в режим насыщения и, следовательно, в ключе принципиально отсутствует интервал времени рассасывания неосновных носителей. Симметрия схемы приводит к отсутствию изменений потребляемого тока и не создаёт всплесков напряжения в цепях питания, снижая уровень внутренних помех. Поскольку транзисторы токового ключа работают в линейном режиме, то подключить выход токового ключа непосредственно к входу следующего логического элемента не представляется возможным. Поэтому приходится применять согласующий каскад по схеме эмиттерного повторителя с очень малым выходным сопротивлением. Повторители коммутируют значительные токи заряда и перезаряда ёмкостей нагрузки за очень малые промежутки времени (1–2 нс). Следовательно, шина питания испытывает сильные «удары», вызывающие переходные процессы, что может вызвать ложное срабатывание. Поэтому для повышения помехозащищённости в цифровых устройствах в элементах ЭСЛ шину питания «+Е» подключают к общей шине, в результате все потенциалы точек схемы отрицательны относительно общей точки. Однако в схеме токового ключа так же, как и в схемах ТТЛ, реализована положительная логика, в которой большему значению выходного напряжения соответствует логическая единица «1», а меньшему – логический ноль «0». На рис.2 приведены передаточные характеристики по прямому «f₁» и инверсному «f₂» выходам, и зависимость входного тока плеча «Х». Характеристика входного тока показывает на изменение тока потребления ключом, величина которой составляет десятки-сотни мкА. Элементы эмиттерно-связанной логики ( ЭСЛ ) потребляют большую мощность в статическом режиме, которая лишь незначительно увеличивается в момент переключения.

Характеристики приведены для схемы, в которой шина питания «+Е» подключена к общей шине. Нулевая точка характеристик соответствует опорному напряжению U₀. Значения напряжений логического нуля и логической единицы определяются графическим методом, используя обе переключательные характеристики. Максимальное напряжение логического нуля (U₀, U⁰)– это максимальное значение из минимальных, а минимальное напряжение логической единицы (U₁, U¹) – это минимальное из максимальных значений.

Если применяется положительная шина питания, что используется при выполнении лабораторной работы, то графики перемещаются в область положительных значений напряжений.

При использовании токового ключа представляется возможным выполнение логической операции «ИЛИ», путём подключения транзисторов параллельно в плече «Х».

Принципиальная схема ЭСЛ на 3 входа представлена на рис. 1. Основным схемным элементом является переключатель тока на транзисторах VT1 – VT4 с объединёнными эмиттерами. Это дифференциальный усилитель в режиме больших сигналов, работающий в режиме переключателя токов. На вход одного плеча на транзисторе VT4 подаётся опорное напряжение U₀ с делителя напряжения R4,VD,R5, которое устанавливает исходное значение тока переключателя. Второе плечо представляет схему ИЛИ на транзисторах VT1 – VT3. Если на всех входах Х1 – Х3 будет ноль «0», то ток протекает через транзистор VT4 и на его коллекторе установится низкий потенциал соответствующий нулю «0», на коллекторах VT1 – VT3 установится высокий потенциал «1». Если хотя бы на один из входов VT1 – VT3 подать потенциал, превышающий опорное напряжение U₀, то ток будет протекать через тот транзистор, на который подаётся логическая единица. Это ток, протекающий по второму плечу. В результате за счёт перераспределения тока, на коллекторах VT1 – VT3 установится низкий потенциал «0», а на коллекторе VT4 установится высокий потенциал «1». Сигналы с коллекторов переключателя тока подаются на выходы через эмиттерные повторители VT5 и VT6. C выхода VT5 снимается сигнал, соответствующий логической операции ИЛИ–НЕ (), а с выхода VT6 – операция ИЛИ (Х1+Х2+Х3).

Статические параметры для ЭСЛ элементов определяются по двум характеристикам: прямой и инверсной. Координаты установившихся напряжений на выходе определяют значения напряжений логического нуля и логической единицы. Минимальное значение напряжений из максимальных принимается за напряжение логической единицы, а максимальное из минимальных – за логический нуль.

R1

R2

R4

+Е_пит.

VT2

VT1

VT3

VT6

VT4

VT5

X1+X2+X3

X1

VD

X2

R3

R5

R6

R7

X3

Рис.2.