Исследование логических интегральных микросхем

На биполярных транзисторах

Цель работы

Ознакомиться с принципом работы логических интегральных схем, выполненных на биполярных транзисторах (БТ), исследовать их характеристики и определить параметры.

 

Подготовка к работе

2.1     Изучить следующие вопросы курса.

2.1.1 Понятие о логических элементах НЕ, ИЛИ, И, ИЛИ-НЕ, И-НЕ.

2.1.2 Условные обозначения логических ИМС.

2.1.3 Основные параметры и характеристики логических ИМС.

2.1.4 Схемотехническая реализация логических ИМС на биполярных транзисторах.

2.1.5 Схемы для исследования характеристик и определения параметров.

 

2.2 Ответить на следующие контрольные вопросы.

 2.2.1 Назначение и применение логических ИМС.

 2.2.2.Принцип работы логических схем И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

 2.2.3 Основные законы алгебры логики.

 2.2.4 Дать определение ниже перечисленных параметров логических ИМС:

а) величина напряжения, соответствующего логическому нулю и единице;

б) входной и выходной токи, соответствующие логическому нулю и единице;

в) нагрузочная способность (коэффициент разветвления по выходу);

г) среднее время задержки распространения сигнала;

д) статическая помехоустойчивость;

е) потребляемая мощность;

ж) энергия переключения.

2.2.5 Начертить схемы электрические принципиальные базовых элементов и объяснить принцип работы ИМС следующих типов:

а) диодно-транзисторная логика (ДТЛ);

б) транзистор - транзисторная логика (ТТЛ);

в) ТТЛ с открытым коллектором;

г) ТТЛ со сложным инвертором;

д) ТТЛ с тремя состояниями;

е) ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ).

2.2.6 Статические характеристики исследуемых логических ИМС и    определение по ним параметров.

 

Литература

1 Игнатов А.Н., Калинин С.В., Савиных В.Л. Основы электроники, - СибГУТИ, Новосибирск, 2005, стр. 152-162.

2 Алексенко А.Г. Шагурин И.И., Микросхемотехника - Учебное пособие для ВУЗов.- М.: Радио и связь, 1990, с. 74-88, 99-100

3 Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники. – СПб.: Издательство «Лань», 2008,  с.258-275.

4 Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. -М: Лаборатория Базовых Знаний, 2001, с. 412-426.

    5 Савиных В.Л. Электроника. Конспект лекций. Электронная версия. СибГУТИ, 2009.

Задание к работе в лаборатории

 

4.1 Записать номер варианта задания, который задается преподавателем. Варианты задания приведены в приложении А в конце описания к  лабораторной работе. Извлечь файл " ЦИМС БТ" из папки "Электроника" и выбрать соответствующий рисунок схемы для исследования. Элементы схемы (диоды VD1-VD4 и транзистор VT1) установить согласно заданного варианта.

Рисунок 1 – Схема для снятия характеристик: входной и прямой передачи.

 

4.2 Снять характеристики: входную I_ВХ = f (U_ВХ) и прямой передачи U_ВЫХ=f(U_ВХ) согласно схемы, приведенной на рисунке 1. Особенно тщательно отметить напряжение на входе, при котором I_ВХ=0. Результаты измерений занести в таблицу 1.

 Таблица 1

UВХ, В	0	0,25	0,5	0,75	…	…	…	5
IВХ, мА
UВЫХ, В

 

     4.3 Снять выходные характеристики I_ВЫХ = f (U_ВЫХ) в соответствии с рисунком 2.

 Исследования провести для двух случаев:

а) на входе установить логический ноль (U_ВХ=0 В),

б) на входе установить логическую единицу (U_ВХ=5 В).

Рисунок 2 – Схема для снятия выходных характеристик

 

Результаты измерений занести в таблицу 2.

 Таблица 2

	UВЫХ, В	0	0,1	0,25	0,5	0,75	1	3	5
UВХ=0 В	IВЫХ, мА
UВХ=5 В	IВЫХ, мА

  4.5 Определить потребляемую мощность от источника питания. Измерение потребляемого тока проводится в соответствии с рисунком 3.

Подавая на входы уровень логического ²0² (U_ВХ=0) измерить ток потребления I¹_ПОТР, затем подать уровень логической ²1², т.е. U_ВХ=5 В, измерить ток потребления нуля I⁰_ПОТР.

Рисунок 3 – Схема для измерения тока потребления

    Вычислить: мощности потребления Р⁰_ПОТР=U_П × I⁰ _ПОТР и Р¹_ПОТР=U_П × I¹_ПОТР,

среднюю потребляемую мощность Р_{ПОТР СР}  = (Р⁰_ПОТР + Р¹_ПОТР)/2.

Результаты поместить в таблицу 3.

Таблица 3

I^0ПОТР	I^1ПОТР	Р^0ПОТР	P^1ПОТР	PПОТР СР

        4.6 Определить среднее время задержки распространения сигнала логического элемента без нагрузки и с нагрузкой Для этого измерить   и .. В качестве нагрузки использовать ёмкость С_Н (рисунок 4).

Измерения производить с помощью осциллографа.

Рисунок 4 – Схема для определения времени задержки распространения сигнала

 

В качестве источника входных импульсов использовать генератор импульсов G1. Подвести курсор на генератор, щелкнуть два раза левой клавишей мыши, появиться окно с параметрами сигнала генератора. Установить частоту генератора (Frequency) 1 МГц, скважность импульсов (Duty cycle) 20%, амплитуду сигнала (Amplitude) 5 В.

 

Рисунок 5 – К определению среднего времени задержки

 

Таблица 3

CН, пФ	0	10	20	30	50	70	90	110	130	150
t^10 ЗД Р, нс
t^01 ЗД Р, нс
tЗД Р СР, нс

t _{ЗД Р СР} =(t ¹⁰ _{ЗД Р}+ t ⁰¹ _{ЗД Р})/2                                          (4)

 

  4.7 Добавить в схему германиевый диод VD5 типа Д18 (на рисунке 4 показан пунктиром). Измерить среднее время задержки при U_П=5 В и С_Н=0 пФ. Сравнить с п. 4.6, сделать выводы.

  4.8 Исследовать принцип работы логической схемы И-НЕ в соответствии с рисунком 6. Российская микросхема 155ЛА3, зарубежный аналог 7400

 

Рисунок 6 – Схема исследования принципа работы

логического элемента И-НЕ

 

На входы одного из логических элементов ИМС подать сигналы от генератора слова в соответствии с вариантом задания 1.

Зарисовать осциллограммы двух входных сигналов и сигнал на выходе исследуемой микросхемы, располагая рисунки один под другим с соблюдением масштаба по оси времени.

     4.9 Используя правила преобразования логических функций, составить структурную схему устройства, реализующего уравнение в соответствии с заданием 2. Собрать устройство и исследовать его. Зарисовать входные сигналы и сигналы на выходах каждого из используемых элементов.