Загрузка...

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ


ЭЛЕМЕНТЫ ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНОЙ ЛОГИКИ

1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕМЕНТАХ ТТЛ

Существуют следующие разновидности микросхем ТТЛ: три ранних без применения p-n переходов с барьером Шотки (стандартные, маломощные и мощные), две со структурами Шотки ТТЛШ.
Отличительным признаком элементов ТТЛ является многоэмиттерный транзи-стор , включенный во входной цепи . Схема простейшего элемента ТТЛ приведена на рис.1

Элемент ТТЛ работает следующим образом. Когда на все входы многоэмиттерного транзистора VT1 поданы сигналы 1 все эмиттерные переходы входного транзистора закрыты и ток от источника через резистор R1 и открытый коллекторный переход. транзистора VТ1 поступает на базу транзистора VТ2 и открывает его до насыщения. При наличии хотя бы на одном входе сигнала 0 открывается соответствующий эмиттерный переход входного транзистора и ток от источника через резистор R1 и открытый эмиттерный переход поступает на выходную цепь источника сигнала, т.е. выходит из рассматриваемого элемента. Транзистор VТ2 закрывается. На выходе обеспечивается уровень 1. Таким образом ,рассмотренный элемент ТТЛ выполняет логическую операцию И-НЕ. Для ограничения тока через транзистор VТ2 при коротком замыкании выхода элемента включен резистор R2.
1.2. CХЕМОТЕХНИКА ЭЛЕМЕНТОВ ТТЛ

Схема элемента ТТЛ со сложным инвертором .

Схема элемента ТТЛ со сложным инвертором представлена на рис.2. Этот элемент выполняет функцию И-НЕ . Назначение входного транзистора и резистора R1 то же, что и в простейшем элементе. Остальные транзисторы и резисторы составляют сложный ин-вертор, содержащий промежуточный каскад на транзисторе VT2 и резисторах R2-R3 и выходной каскад на транзисторах VT3-VT5 и резисторе R4. Транзистор VT5 исполь-зуется в диодном включении ( Uбк=0). С выходов промежуточного каскада (с кол-лектора и эмиттера VT2) задаются управляющие сигналы, обеспечивающие противо-фазное переключение транзисторов VT3 и VT4 выходного каскада: если один из них включен, то другой выключен. При Uвх=U(0) на одном или нескольких входах коллек-торный ток входного транзистора и напряжение на базе транзистора VT2 близки к ну-лю. Поэтому транзисторы VT2 и VT3 закрыты. Транзистор VT4 открыт, так как в его базу втекает ток, задаваемый резистором R2. Напряжение на выходе соответствует напряжению высокого уровня. Нагрузочная способность в состоянии Uвых=U(1) по сравнению с нагрузочной способностью простейшего элемента ТТЛ увеличивается за счет использования транзистора VT4 .

Рис 2

При напряжении U(1) на всех входах транзистор VT2 открывается коллекторным током входного транзистора и переходит в режим насыщения. Напряжение на его коллекторе понижается и транзистор VT4 закрывается. Транзистор VT3 открывается эмиттерным током транзистора VT2 и также переходит в режим насыщения. При этом выходное напряжение соответствует напряжению низкого уровня и определяется напряжением насыщения транзистора VT3 .
Потребляемая мощность для ЛЭ со сложным инвертором значительно выше, чем для простейшего, что обусловлено большим напряжением источника питания. Кроме того, сложный инвертор потребляет дополнительную динамическую мощность при переключении: когда напряжение на выходе повышается, транзистор VT4 откры-вается и его коллекторный ток увеличивает на это время ток питания. В цепи питания при переключении элемента из состояния Uвых = U(0) в состояние Uвых = U(1) появля-ется пик тока. Для его ограничения используется резистор R4. Потребляемая мощность возрастает при увеличении рабочей частоты переключения.

Преимущества элемента ТТЛ со сложным инвертором:

1. Более высокая помехоустойчивость
2. Более высокая нагрузочная способность
3. Более высокое быстродействие

Элементы ТТЛ с открытым коллектором ( назначение)

1. Вместо Rк или вместе с ним в выходную цепь включается светодиод, лампа, реле и пр. (обычно в ИМС используют транзистор VT2 имеющий повышенный допустимый ток).

2. Элементы с открытым коллектором в отличие от обычных допускают объединение по выходу (схема МОНТАЖНОЕ ИЛИ) .

Минимальное значение R определяется максимально допустимым током выходного транзистора в открытом состоянии т. Е в состоянии логического нуля .

Максимальное значение определяется током утечки выходного транзистора в закрытом состоянии .

Рис 3 Элемент с открытым коллектором.

НЕДОСТАТКИ ЭЛЕМЕНТОВ ТТЛ

Одним из существенных недостатков простейшего элемента ТТЛ является жесткое ограничение емкости нагрузки. Для ЛЭ со сложным инвертором допустима значительно большая емкость нагрузки (Сн=50…150пФ).
1.3 Традиционные серии ТТЛ
На рисунке показаны схемы трех первоначальных элементов ТТЛ (рис4). Эти серии активно развивались до 1970 . В схеме, показанной на рис4а, присутствует со-ставной транзистор — эмиттерный повторитель VT3,VT4. В схемах на рис 4бв, повтори-тель не составной (только транзистор VT3), однако в схемы добавлен диод сдвига уровня VD4. В остальном схемы одинаковы. На рис4а показан мощный ключ ТТЛ на котором основаны микросхемы, составляющие серию К131. Ее зарубежным аналогом является серия 74H. Поскольку резисторы здесь относительно низкоомные, элемент серии К131 имеет ток потребления Iпотр примерно 4…5 мА; его среднее время задержки распространения tзд,ср = 6нс. Энергия переключения для него Эпот = Рпот .tзд,р,ср=Iп.U.tзд,р,ср=120…150пДж. Чтобы получить импульс выходного тока, обеспечивающий наибольшую скорость зарядки выходной емкости, в схеме на рис4а выходной эмиттерный повторитель выполнен по схеме Дарлингтона, т.е составного транзистора .

На рис. 4б .показана схема самого распространенного логического элемента -осно-вы серии К155 и ее зарубежного аналога -серии 74. Эти серии принято называть стандартными (СТТЛ). Логический элемент серии К155 имеет среднее быстродействие tзд = 13 нс. и среднее значение тока потребления Iпот=1.5…2 мА. Т. о, энергия, затрачиваемая этим элементом на перенос одного бита информации, примерно 100 пДж. Для обеспечения выходного напряжения высокого уровня U(1)вых>= 2,5В ( как в схеме на рис 2а ) в схему на рис 2б потребовалось добавить диод сдвига уровня VD4, падение напряжения на котором равно 0,7 В. Таким способом была реализована совместимость различных серий ТТЛ по логическим уровням .

На рис 4в показан третий вариант ТТЛ первоначальной разработки — маломощный логический элемент (МмТТЛ). Он лежит в основе отечественной серии К134 и зарубежной с названием 74 L(здесь L — low — означает малое быстродействие и одновременно малое потребление тока питания). Этот элемент потребляет мощность питания примерно 1 мВт при среднем времени задержки распространения = 33 н.с., что соответствует энергии, потребляемой на перенос информации Апот=33пДж. Номиналы резисторов в этом логическом элементе относительно велики

Серии : К134-микромощные К133,155-стандартные К130,131-повышенного быстродействия К530,531-с диодами Шотки
К533,555-микромощные с диодами Шотки

ДИНАМИЧЕСКИЕ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ТТЛ
ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ТТЛ
серия Uпит U(0) U(1) Iвх(1) Iвх(0) Iвых(1) Iвых(0) Iп.ср . tзд.ср Cнаг Pпот.
К134 33нс 50пФ 1мВт
К155 5В+-5%В <=0,4В >=2,4В 0,04мА 1,6мА 0,8мА 16мА 20мА 9 15 10
К531 <=0,5 >=2,7В 1мА 20мА 3 15 19
К1531 <=0,5 >=2,7 3 15 4

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ПОДГОТОВКА СТЕНДА К РАБОТЕ

1. Подключить к стенду УМ-16 плату с исследуемой микросхемой.
(Все измерения проводятся для ИМС 2-х типов: К155ЛА3 и 555ЛА3!)

2. Подать питание на исследуемую ИМС от источника питания U1: соединить ”-” ис-точника питания с общим проводом ИМС, а “+” — с питанием ИМС согласно рис. на плате.

3. Включить питание стенда тумблером на задней панели.

4. Установить при помощи ручки плавной регулировки источника питания U1 напря-жение питания U1 = 5 В.

1. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЕЙ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Измерения проводятся для одного произвольно выбранного выхода ИМС.

1.1. Установить на входах уровни сигналов, обеспечивающие на измеряемом выходе уровень лог. 0. Лог. 0 на входе обеспечивается путем соединения данного входа с общим проводом. Лог. 1 на входе обеспечивается путем подачи на него напряжения U > 2,4 В от источника питания U2.
1.2. Измерить вольтметром напряжение на выходе U0.
1.3. Установить на входах уровни сигналов, обеспечивающие на измеряемом выходе уровень лог. 1.
1.4. Измерить вольтметром напряжение на выходе U1.

2. СНЯТИЕ ВХОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Измерения проводятся для одного произвольно выбранного входа ИМС.

2.1. Подать на исследуемый вход напряжение от источника питания U2, включив последовательно во входную цепь амперметр.

2.2. Изменяя напряжение U2 от 2 до 5 В, измерять ток во входной цепи и снять зависимость Iвх= f (Uвх). Измерения провести с максимально возможной точностью. Опреде-лить значения и направления токов, соответствующих уровням лог. 0 и лог. 1 на входе.

3. СНЯТИЕ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Измерения проводятся для одного произвольно выбранного входа и произвольно выбранного выхода лог. элемента.
3.1. Выбрать вход лог. элемента, для которого будут проводиться измерения, и уста-новить на др. входе лог. 1.
3.2. Подать на исследуемый вход напряжение от источника питания U2.
3.3. Соединить выход лог. элемента с вольтметром.

3.4. Изменяя ручкой плавной регулировки уровень сигнала от источника питания U2, измерять уровень выходного напряжения и снять зависимость Uвых = f (Uвх).

4. ИЗМЕРЕНИЕ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ

4.1. Подать питание на ИМС от источника U1, включив последовательно в цепь питания амперметр.
4.2. Подать на все входы исследуемой ИМС уровни лог. 1 и измерить I0потр.
4.3. Подать на все входы исследуемой ИМС уровни лог. 0 и измерить I1потр.
4.4. Вычислить средний ток потребления Iпотр ср и среднюю потребляемую мощность.

5. ИЗМЕРЕНИЕ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОД НАГРУЗКОЙ

5.1. Подключая последовательно к одному выбранному выходу другие лог. элементы ИМС, измерить Iвых при лог. 0 и при лог. 1 на выходе.

5.2. Аналогично пункту 5.1. провести измерения для Uвых . Результаты измерений занести в таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Условное обозначение исследуемых микросхем.
2. Принципиальные электрические схемы базовых лог. элементов серий К155 и 555.
3. Измеренные и справочные значения уровней выходного напряжения.
4. Входные характеристики лог. элементов серий К155 и 555. Значения токов, соот-ветствующих уровням лог. 0 и лог. 1.
5. Передаточные характеристики элементов серий К155 и 555.
6. Измеренные и справочные значения токов потребления и средней потребляемой мощности.
7. Измеренные значения токов и напряжений при подключенных лог. элементах в качестве нагрузки ( п. 5).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Классификация, параметры и характеристики лог. элементов. Серии интегральных микросхем. Схемы, параметры, принцип работы элементов ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, КМОП.

ЛИТЕРАТУРА

1. «Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник» под ред. С. В. Якубовского.
2. Аваев Н. А., Наумов Ю. Е., Фролкин В. Т. «Основы микроэлектроники».
3. Ямпольский В. С. «Основы автоматики и электронно-вычислительной техники».

Загрузка...