Указания к составлению отчета

5.1 Указать номер варианта схем, которые исследовались в лабораторной работе.

5.2 Привести схемы исследуемых устройств и таблицы с результатами измерений.

5.3 На графиках № 1 и 2 построить входную и передаточную характеристики ЦИМС. По характеристикам определить I⁰_ВХ, I¹_ВХ, U⁰ и U¹.

5.4 На графиках № 3 построить выходные характеристики ЦИМС.

5.5 Вычислить и привести Р_{ПОТР СР}.

5.6 На графиках № 4 и 5 построить зависимости t_{ЗД Р СР}  = f (N).

5.7 Дать сравнительную оценку среднего времени задержки при включенном диоде VD5 и без него. Объяснить это явление.

5.8 Вычислить энергию переключения W=Р_{ПОТР СР}∙ t_{ЗД Р СР}  без нагрузки.

5.9 Привести осциллограммы, полученные в п. 4.8.

5.10 Привести структурную схему устройства и осциллограммы его работы согласно п. 4.9

Приложение A.

 

Таблица А.1- Варианты заданий к лабораторной работе

№ варианта	Тип диодов	Тип БТ	Задание 1	Задание 2
1	D219A	KT3102A	У =	У=Х0∙Х1+Х2∙Х3
2	D220	KT3102B	У =	У=Х0∙Х2+Х1∙Х3
3	D220A	KT3102D	У =	У=Х0∙Х3+Х1∙Х2
4	KD503A	KT3102E	У =	У=Х1∙Х2+Х0∙Х3
5	KD504A	KT3102G	У =	У=Х1∙Х3+Х0∙Х2
6	KD509A	KT3102V	У =	У=Х2∙Х3+Х0∙Х1
7	KD510A	KT315B	У =
8	KD512A	KT315D	У =
9	D219A	KT315E	У =
10	D220	KT315G	У =
11	D220A	KT315I	У =
12	KD503A	KT315V	У =
13	KD504A	KT315Z	У =
14	KD509A	KT316А	У =
15	KD510A	KT316В	У =

 

Лабораторная работа № 9

Исследование логических интегральных микросхем

На полевых транзисторах

Цель работы

    Ознакомиться с принципом работы логических интегральных схем, выполненных на МДП ПТ,  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, их условные обозначения.

2.1.2 Схемотехническая реализация базовых логических ИМС на МДП-транзисторах:

а) логические ИМС на р - и   n - канальных МДП ПТ;

б) логические элементы на ПТ с барьером Шоттки;

в) КМДП логика.

2.1.3 Схемы для исследования характеристик и определения параметров.

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

2.1.5 Переходные процессы в ПТ при переключении. Параметры переключения.

2.1.6 Основные параметры 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 Ответить на следующие контрольные вопросы.

2.2.1 Объяснить принцип работы логических схем И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

2.2.2 Привести принципиальные схемы базовых элементов и объяснить принцип работы ИМС следующих типов:

а) логические ИМС на р - и n  - канальных МДП ПТ;

б) логические элементы на ПТ с барьером Шоттки;

    в) КМДП логика.

2.2.3 Привести статические характеристики исследуемых логических ИМС и показать определение по ним параметров.

2.2.4 Какие физические процессы определяют время включения и выключения электронного ключа на МДП ПТ?

2.2.5 Как влияет реактивная нагрузка на переключение МДП ПТ?

2.2.6 Как улучшить быстродействие электронных ключей на МДП ПТ?

2.2.7 Дать определение ниже перечисленных параметров логических ИМС и показать, каким образом они определяются:

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.

Литература

1 Игнатов А.Н., Калинин С.В., Савиных В.Л. Основы электроники, - СибГУТИ, Новосибирск, 2005, стр. 86-91.

2 Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н.Д. -М: Радио и связь, 1998. Стр. 118-125.

3 Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники. – СПб.: Издательство «Лань», 2008,  с.275-280.

 4 Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. -М: Лаборатория Базовых Знаний, 2001, с. 426-435.

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

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

   

4 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 ПТ" из папки "Электроника" и выбрать соответствующий рисунок схемы для исследования. Элементы схемы (транзисторы) установить согласно заданного варианта.

4.2 Исследовать электронный ключ на n -канальных МДП ПТ (рисунок 1). Питание схемы осуществляется от источника постоянного тока G3. Напряжение на входе задается источником G2. Для измерения тока стока используется миллиамперметр РА1. Вольтметр PV1 измеряет напряжение на выходе. G1 источник смещения ПТ VT1, который является сопротивлением нагрузки.

4.3 Включить схему тумблер ²0², ²1² (в правом верхнем углу экрана) и снять одновременно зависимости тока стока I_С=f(U_ЗИ) и напряжения на выходе U_ВЫХ=f(U_ВХ). Напряжение на входе от источника   G2 следует изменять от 0 до напряжения питания U_П=U_G3. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Рисунок 1 Схема исследования ключа на МДП ПТ

Таблица 1

UВХ, В

IС, мА

UВЫХ, В

UЗИ ПОРОГ =

IС НАС =

U^0=

Р^0ПОТР=

Р^1ПОТР=

РПОТР СР=

      4.4 По снятым зависимостям определить и записать напряжение U_{ЗИ ПОРОГ}, при котором появляется ток стока, ток насыщения I_{С НАС} и величины напряжения, соответствующего логическому нулю U⁰ при напряжении на затворе равном U_ЗИ =U_G3 и логической единице U¹. 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 вычислений занести в таблицу 1.

4.5 Исследовать работу ключа в режиме переключения на ёмкостную нагрузку (рисунок 2). В качестве источника входных сигналов использовать генератор импульсов. 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) 10 В.

 Ёмкость нагрузочного конденсатора последовательно увеличивать от 0 до 50 пФ с шагом 10 пФ. По осциллограммам выходного напряжения U_ВЫХ(t) измерить временные параметры  и . Измерения проводятся следующим образом: подвести курсор на осциллограф, нажать левую клавишу мыши два раза, если появится экран осциллографа без сетки (малый размер), то нажать левой клавишей мыши на надпись Expend. Установить время развертки Time base 0,05 mс/div. Масштаб по оси У канала А 10 V/Div, смещение Y position +1,4 ¸ 1,8, по каналу В - масштаб 5 V/Div, смещение –2.00. Измерения проводятся с сохранением постоянной составляющей сигнала (нажать кнопки DC).

Рисунок 2 – Схема исследования ключа в режиме переключения

Рисунок 3 - Измерение временных параметров ключа.

 

Для измерения временного интервала установить красную линию с меткой 1 на начало интервала измерения, а синюю с меткой 2 - на конец интервала измерения, который определяется по уровню 0,5 выходного сигнала (рисунок 3). В правом окне отображается интервал измерения t_{ЗД Р} = Т2-Т1. Результаты измерений занести в таблицу 2. Вычислить

Таблица 2.                                                              

СН, пФ	0	10	20	30	40	50	и      результаты занести в таблицу 2
, нс
, нс
t ЗД Р СР, нс

4.6 Исследовать электронный ключ на комплементарной паре (рисунок 4).

Элементы схемы установить согласно заданного варианта. Снять характеристики: прямой передачи U_ВЫХ =f (U_ВХ) и зависимость тока стока от входного напряжения I_С = f (U_ВХ). Особенно тщательно отметить напряжения U_ВХ, при которых начинается рост тока стока, ток имеет максимальное значение, а так же когда ток снижается до нуля. Результаты    измерений занести в таблицу 3. Определить величины напряжения, соответствующего логическому нулю U⁰ и логической единице U¹.

Рисунок 4 - Схема исследования ключа на КМДП ПТ

Результаты вычислений занести в таблицу 3.

Таблица 3

UВХ, В

0

10

UВЫХ, В

IС, мА

U^0=

U^1=

I^0ВХ=

I^1ВХ=

Р^0ПОТР =

Р^1ПОТР =

РПОТР СР =

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.

4.7 Исследовать время включения и выключения ключа в зависимости от емкости нагрузки С_Н (рисунок 5). Для этого установить выходное напряжение генератора G1 10 В и меняя величии- ну емкостной нагрузки снять зависимости времени переключения электронного ключа. Результаты измерений занести в таблицу 4.

Рисунок 5 - Схема исследования ключа на КМДП в режиме переключения

Ёмкость нагрузки изменять от 0 до 50 пФ с шагом 10 пФ

                     Таблица 4

СН, пФ	0	10	20	30	40	50
, нс
, нс
t ЗД Р СР, нс

4.8 Собрать схему исследований в соответствии с рисунком 6 для  ознакомления с принципом работы логической схемы ИЛИ-НЕ. Российская микросхема 1554ЛЕ5, зарубежный аналог 7428.

Рисунок 6 - Схема исследования принципа работы

логического элемента ИЛИ-НЕ

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

Вари - ант	Задание 1	Задание 2	Вари - ант	Задание 1	Задание 2
1	У =	У=(Х1+Х2)×Х3	9	У=	У=(Х1+Х2)×Х4
2	У=	У=(Х1+Х2)×Х4	10	У=	У=(Х1+Х3)×Х2
3	У=	У=(Х1+Х3)×Х2	11	У=	У=(Х1+Х3)×Х4
4	У=	У=(Х1+Х3)×Х4	12	У=	У=(Х1+Х4)×Х2
5	У=	У=(Х1+Х4)×Х2	13	У =	У=(Х1+Х4)×Х3
6	У=	У=(Х1+Х4)×Х3	14	У=	У=(Х2+Х3)×Х4
7	У =	У=(Х2+Х3)×Х4	15	У=	У=(Х3+Х4)×Х1
8	У=	У=(Х1+Х2)×Х3

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.