Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Лабораторная работа №2

ТЕМА: Статические и динамические параметры логических элементов 155 серии.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: получение практических навыков по экспериментальному определению статических и динамических параметры логических элементов.

ЗАДАНИЕ НА ЛАБОРАТОРНУЮ РАБОТУ: определить типовые статические параметры логического элемента И–НЕ (микросхема К155 ЛА 1) путём экспериментального получения передаточной характеристики этого элемента. Изучить эксплуатационные характеристики интегральных микросхем 155 серии. Экспериментально определить динамических параметры элемента И–НЕ (микросхема К155 ЛА 1).

Измерение амплитудных и временных параметров микросхема К155 ЛА 1 произвести при помощи осциллографа

Для снятия передаточной характеристики U_вых= f(U_вх) использовать схему включения логического элемента, представленную на рис.2.1.

Рис.2.1. Схема включения логического элемента для

снятия передаточной характеристики U_вых= f(U_вх)

При изменении положения движка переменного резистора R изменяется величина U_вх. Плавно изменяя положение движка каждый раз необходимо измерить величину U_вх и соответствующую величину U_вых. На основании этих измерений необходимо построить график функции U_вых= f(U_вх), что позволит определить статические параметры логического элемента И–НЕ. Использовать автоколебательный режим развертки осциллографа.

Для определения динамических параметров логического элемента И–НЕ использовать схему его включения, представленную на рис. 2.2.

Рис.2.2. Схема включения логического элемента для определения динамических параметров

Использовать внешнюю ждущую развертку осциллографа. Запуск развертки осуществлять сигналом ТИ1.

2.1. Краткие теоретические сведения

В природе не существует истинных дискретных процессов и явлений, поэтому в качестве дискретных сигналов используются аналоговые сигналы, но специальной формы.

Любой цифровой элемент, в конечном счете, реализуются на аналоговых приборах и свойства этих цифровых элементов во многом определяются свойствами электро-радио элементов, на основе которых реализуется схема.

Аналоговый сигнал любой формы характеризуется дрейфом, который обусловлен статической и динамической неустойчивостью параметров электро-радио элементов, преобразующих или формирующих данный аналоговый сигнал.

При цифровой форме представления информации, с целью обеспечения любой, наперёд заданной, точности в области существования цифрового сигнала (по напряжению или току) вводятся специальные зоны, значение сигналов в которых считаются либо равнозначным (разрешенные зоны), либо не имеющими однозначного толкования (запрещённые зоны) [3]. Понятие запрещённой зоны не означает, что в запрещённых зонах физически не существует тока или напряжения. Речь идёт о некоторых соглашениях (договоренностях) среди разработчиков цифровой аппаратуры о том, как должны интерпретироваться те или иные значения токов и/или напряжений сигналов в реальных цифровых устройствах.

Введение разрешённых и запрещённых зон эквивалентно введению информационной избыточности в аналоговый сигнал, который принимается за дискретный. Именно этим достигается высокая достоверность цифровой обработки информации, но одновременно уменьшается и информационный объём дискретных сообщений.

Количество запрещённых и разрешённых зон в дискретном сигнале может быть произвольным, но однозначно согласуется с выбранной системой счисления. При этом каждой из разрешённых зон присваивается некоторое цифровое значение и выбранной системы счисления.

При современном уровне развития электроники компромисс между желаемым и возможным реализован на двоичном представлении цифровой информации, причём не потому что это оптимально, а потому что по - другому не получается. При двоичном представлении выделяют две разрешённых зоны, одну запрещённую зону и две дополнительные зоны – зоны допустимых помех.

Типичная форма аналогового сигнала, принимаемого за дискретный сигнал, представлена на рис. 2.3:

Рис. 2.3. Типичная форма аналогового сигнала,

принимаемого за дискретный

На рис.2.3 обозначено: U₁ – величина питающего напряжения, равная максимальному значению высокого уровня напряжения; U₂ – минимальное значение высокого уровня напряжения; U₃ – максимальное значение порогового уровня напряжения; U₄ – среднее значение порогового уровня напряжения; U₅ – минимальное значение порогового уровня напряжения; U₆ – максимальное значение низкого уровня напряжения; U₇ – нулевой уровень питающего напряжения, равный минимальному значению низкого уровня напряжения.

Если зона высоких уровней напряжения принимается за логическую 1, а зона низких уровней напряжения – за логический 0, то это соответствует международному соглашению о позитивной (или положительной) логике. В противном случае принимается соглашение о негативной (или отрицательной) логике.

Скорость нарастания фронта и среза аналогового сигнала при прохождении запрещённой зоны (зоны пороговых уровней напряжения) должна превышать некоторую заданную величину, значение которой однозначно связано с быстродействием электронной схемы, реализующей преобразование такого сигнала. В противном случае возможно возникновение помех.

Различают статическую и динамическую помехоустойчивость цифровых элементов.

При определении статической помехоустойчивости не учитываются временные параметры помехи, т.е. время действия помехи считают существенно превышающим время переключения цифрового элемента.

Если длительность действия помехи сравнима с временем переключения цифрового элемента, то это динамическая помехоустойчивость.

Для оценки свойств различных логических элементов служат статические и динамические параметры.

Статические параметры определяются по статическим характеристикам. Наиболее важной из них является передаточная характеристика U_вых=f(U_вх), представляющая собой зависимость напряжения U_вых на выходе логического элемента при изменении напряжения U_вх на одном из его входов и при постоянстве на других его входах уровня логического 0 или 1. Такая характеристика для инвертирующего логического элемента изображена на рис.2.3 и позволяет определить следующие параметры при номинальном питающем напряжении U_пит (для ИМС 155 серии U_пит = +5 в):

U¹_мин— минимальный уровень напряжения логической 1;

U¹_мак — максимальный уровень напряжения логической 1;

U⁰_мин— минимальный уровень напряжения логического 0;

U⁰_мак— максимальный уровень напряжения логического 0;

U_л— минимальный уровень напряжения логического перепада: U_л= U¹_мин - U⁰_мак;

U¹_пор,U⁰_пор — пороговые уровни входных напряжений поддержания логической 1 и 0. При U_вх< U¹_пор элемент находится в состоянии логической 1 (U_вых= U¹), при U_вх > U⁰_пор — в состоянии логического 0 (U_вых= U⁰).

Рис.2.4. Передаточная характеристика инвертора

∆U — ширина зоны неопределенности: ∆U=U⁰_пор-U¹_пор - в которой состояние логического элемента не может быть однозначно определено. При U_вх=U¹_пор…U⁰_пор логический элемент можно использовать в качестве усилителя напряжения. Границы зоны неопределенности определяются точками 1, 2 единичного усиления, в которых du_вых/du_вх=1

U^-_макс — максимальная амплитуда динамической помехи (в виде импульса отрицательной полярности), при которой логический элемент не выходит из состояния логической 1 и не попадает в зону неопределенности: U^-_макс= U¹_мин — U⁰_пор;

U⁺_макс— максимальная амплитуда динамической помехи (в виде импульса положительной полярности), при которой логический элемент не попадает в зону неопределенности из состояния логической 1: U⁺_макс=U¹_пор - U⁰_макс;

U_пор — средний пороговый уровень напряжения переключения логического элемента: U_пор = (U⁰_пор+ U¹_пор)/2;

Входная характеристика I_вх= f(U_вх) — это зависимость входного тока I_вх от напряжения U_вх на одном из входов логического элемента при постоянных напряжениях на остальных. На рис.2.5а изображена входная характеристика логического элемента транзисторно-транзисторной логики.

По входным характеристикам определяют входные токи логических элементов для состояния логического 0 (I⁰_вх≈I⁰_пор) и логической 1 (I¹_вх≈I¹_пор).

Выходная характеристика U_вых=f(I_вых) - это зависимость выходного напряжения U_вых от выходного тока I_вых при заданных постоянных напряжениях на входах.

Существует две разновидности выходных характеристик:

U⁰_вых=f(I⁰_вых)— для состояния логического 0;

U¹_вых=f(I¹_вых)—для состояния логической 1, где ток I⁰_вых втекает в логический элемент, а ток I⁰_вых вытекает из него.

Типичный вид выходных характеристик показан на рис. 2.5б. С их помощью определяются максимально допустимые значения выходных токов: I⁰_{вых макс}; I¹_{вых макс}.

Если нагрузкой служат идентичные логические элементы с входными токами I¹_вх, I⁰_вх, то максимальное число подключенных к выходу логических элементов не должно превышать N⁰< I⁰_{вых мак}/I⁰_вх; N¹< I¹_{вых мак}/I¹_вх.

Наименьшее из полученных чисел называют коэффициентом разветвления на выходе: N= min(N⁰,N¹),который характеризует нагрузочную способность логического элемента.

Наклон выходной характеристики определяет выходное сопротивление логического элемента.

Важным параметром логических элементов является также коэффициент объединения по входу (М), определяющий число его входов. Данная величина может достигать значения 6…8.

Мощность и ток, потребляемые логическим элементом от источника питания Е, зависят от его состояния. Обычно пользуются значением средней статической потребляемой мощности Р_ср=E(I⁰_Е + I¹_Е)/2, где I⁰_Е,I¹_Е — токи в состоянии логического 0 и логической 1.

Рис. 2.5. Входная (а) и выходная (б) характеристики

логического элемента

Динамические параметры. Время задержки переключения при прохождении сигналов через логические элементы, характеризующее их быстродействие, можно определить с помощью переходных характеристик (рис.2.6) по смещению среднего уровня U_ср входного и выходного напряжений. Для оценки быстродействия часто пользуются средним временем задержки

t_ср= (t¹⁰+t⁰¹)/2

где t¹⁰,t⁰¹— время задержки переключения при переходе напряжения на выходе логического элемента от U¹к U⁰ и от U⁰к U¹. Оно определяет среднее время выполнения одной логической операции или инерционность логического элемента.

Рис. 2.6. Переходная характеристика инвертора

Важными динамическими параметрами логических элементов являются также длительности фронта t^фи среза t^с формируемых выходных сигналов. Величины этих параметров измеряются на уровнях 0.1 U¹_выхи 0.9 U¹_вых.

Другой способ определения t_сроснован на измерении периода колебаний, возбуждаемых в кольцевом генераторе. Кольцевой генератор представляет собой замкнутую цепь с нечетным числом К инверторов (рис.2.7). Если на вход первого инвертора воздействует напряжение U⁰ логического нуля, то на выходе К-го инвертора через некоторое время появляется напряжение U¹ логической единицы и первый инвертор переключается в другое состояние. За один период Т колебаний инвертор переключается дважды, поэтому среднее время задержки t_ср= Т/2К

Для получения колебаний в виде прямоугольных импульсов число инверторов выбирают равным 5-9. Этот способ определения t_срчасто используют на практике.

Рис. 2.7. Схема кольцевого генератора

Задержка переключений логических элементов обусловлена паразитными емкостями (С) транзисторных структур. Уменьшение времени задержки связано с увеличением зарядных токов и, следовательно, потребляемой мощности. Поэтому для оценки качества схемотехнической и конструкторско-технологической реализации логических элементов используют параметр, называемый работой переключения: А=Р_срt_ср. При этом в среднюю мощность включают динамическую составляющую, обусловленную процессами переключений логического элемента. Известно, что при резком изменении напряжения на конденсаторе через него протекает большой ток. Во время переключения логического элемента токи паразитных емкостей создают дополнительные потери мощности. Динамическая составляющая средней мощности зависит от частоты переключений и может в несколько раз превышать среднюю мощность статического режима.

Основные характеристики логических элементов 155 серии представлены ниже.

2.2. Основные электрические характеристики

- напряжение питания, В	5±5%
- типовое значение статической потребляемой мощности на один логический элемент, мВт/вентиль
- типовое время задержки распространения при ёмкостной нагрузке, нс
- максимальное напряжение статической помехи, В	0,4
- выходное напряжение “лог. 0”, В, не более	0,4
- выходное напряжение “лог. 1”, В, не менее	2,4

2.3. Условия эксплуатации

- температура окружающей среды	от -10°С до +70°С
- относительная влажность 98% при температуре[1]	+25°С
- линейные нагрузки с ускорением до	50g
- вибрационные нагрузки в диапазоне частот 1…2000 Гц с ускорением до	10g
- многократные удары с ускорением до	40g
- одиночные удары с ускорением до	150g
- атмосферное давление	от 5 мм рт.ст. + 3атм.
- смена крайних значений предельно-допустимых температур	от -10°С до +70°С

2.4. Предельно-допустимые эксплуатационные условия и режимы

Наименование параметра	Норма	Примечание
- кратковременное максимальное напряжение питания, В, не более		Время воздействия не более 5 мс
- максимальное напряжение на выходе закрытой схемы, В, не более	5,5
- минимальное напряжение на входе схемы, В, не менее	-0,4
- максимальный вытекающий ток, мА, не более (при отрицатель ном напряжении на входе 0,4 В)
- предельно-допустимая температура кристалла Т_к°С, не более
- максимальная ёмкость нагрузки, пФ, не более		кроме КIЛБ557, КIЛБ558
- тепловое сопротивление кристалл-корпус Р_кр-к, град/Вт, не более
- максимальное напряжение питания, В, не более		при этом напряжении эксплуатационные параметры не гарантируются

2.5. Указания по применению и эксплуатации микросхем

1. Исходными данными для выбора типа микросхем, режимов и условий их эксплуатации при проектировании РЭА являются:

– норма электрических параметров;

- величины наработки и срок сохраняемости;

- предельные значения допустимых условий эксплуатации;

- типовые характеристики, определяющие зависимости электрических параметров от режимов и условий эксплуатации.

2. При применении, монтаже и эксплуатации микросхем следует руководствоваться указаниями, приведёнными в разделе 5 ГОСТ 18725-73.

3. Режим работы микросхем в составе аппаратуры не должен превышать режимов и условий эксплуатации, приведённых в справочных данных.

4. Запрещается подведение каких-либо электрических сигналов (в том числе шин “питание”, “земля”) к выводам микросхем, не используемых согласно принципиальной схеме микросхемы.

5. При ремонте аппаратуры замену микросхем необходимо производить при отключенных источниках питания.

6. Микросхемы используются в облегченных условиях и режимах работы по сравнению с номинальными. Работа микросхем в предельно-допустимых условиях и режимах должна быть исключена как в процессе изготовления, настройки, испытаниях аппаратуры, так и в процессе её эксплуатации.

7. При эксплуатация микросхем рекомендуется принимать меры, обеспечивающие минимальную температуру нагрева и защиту от воздействия климатических факторов. Такими мерами являются: улучшение вентиляции, рациональное размещение микросхем в блоках, применение теплоотводящих панелей и экранов, залива компаундами.

8. Не допускается воздействие на микросхемы электростатических разрядов.

9. Свободные входы могут быть подключены к источнику постоянного напряжения 5В±5% через резистор 1ком или к источнику постоянного напряжения 4,5В ±5%. К одному резистору допускается подключение до 20 свободных входов.

2.6. Принцип работы логического элемента “4И-НЕ”

На рис. 2.8 приведена схема базового логического элемента “4И-НЕ”. Схема состоит из входной цепи (многоэмиттерного транзистора Т1, резистора R1 и диодов Д1,Д2,ДЗ,Д4), промежуточного каскада (транзистора Т2, резистора RЗ), эмиттерного повторителя (транзистора Т4, резистора R4 в диода Д5), выходного инвертора (транзистор Т5) и корректирующей цепочки (R4, R2,T3).

Принцип действия схемы заключается в осуществлении логического умножения входных сигналов высокого уровня и получения на выходе схемы операции "И-НЕ". Принцип действия заключается в следующем: при низком входном напряжении (напряжение "ЛОГ.0") переход многоэмиттерного транзистора Т1 смещён в прямом направлении. При этом, транзистор T1 находится в насыщении, транзисторы Т2 и Т5 находятся в области отсечки, а транзистор Т4 - в активной области. В этом случае на выходе микросхемы получается высокое напряжение, соответствующее напряжению “лог.1^”. Когда входное напряжение нарастает до величины, равной падению напряжения на открытом диоде (переход Б-К транзистора Т1), транзистор Т2 переходит в активную область, однако транзистор Т5продолжает оставаться в области отсечки, т.к. коэффициент усиления по напряжению транзистора Т2 в этой области равен единице. Это связано с тем, что сопротивления эмиттерного и коллекторного резисторов транзистора Т2 одинаковы.

Когда входное напряжение достигает величины, равной удвоенному падению напряжения на открытом диоде, коэффициент усиления каскада на транзисторе Т2 возрастает и транзистор Т5 включается. Последнее объясняется тем, что при переходе транзистора Т5 в активную область резко уменьшаемся сопротивление в эмиттерной цепи транзистора Т2, т.к. входное сопротивление транзистора Т5 представляет собой эмиттерную нагрузку транзистора Т2. При этом транзистора Т2, Т4, Т5 работают в активной области.

При дальнейшем увеличении входного напряжения транзистор Т5 входит в насыщение, однако транзисторы Т2 и Т4 продолжают ещё находиться в активной области.

Резистор R5 ограничивает коллекторный ток транзисторов Т4 и Т5. При этом, потенциал на эмиттере транзистора Т2 равен падению напряжения на открытом диоде, а потенциал на его коллекторе составляет величину, равную удвоенному падению напряжения на открытом диоде (U _эбтранзисторов Т4 и U _д ). Эта разность потенциалов и удерживает транзистор Т2 в активной области.

Дальнейший рост входного напряжения да значения соответствующего “лог. 1” приводит к такому снижению потенциала коллектора транзистора Т2, что начинает запираться транзистор Т4, транзисторы Т2 и Т5 переходят в область насыщения, транзистор Т4 в область отсечки. При этом на выходе микросхемы получается низкое напряжение, соответствующее “лог. 0”.

Диоды Д1 - Д4 - антизвонные диоды, служащие для ограничения импульсов помехи отрицательной полярности при приёме информации с длинных передающих линий.

Наличие корректирующей щепочки и R4, R2, ТЗ обеспечивает выравнивание передаточной характеристики схемы и улучшение её динамических параметров.

Рис.2.8. Схема базового логического элемента “4И-НЕ”

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 Следующая ⇒