6. Обработка результатов измерений

6.1. Результаты измерений длительностей импульсов, времени нараста­ния и спада отметить на временных диаграммах и зафиксировать в виде таб­лиц.

6.2. Определить теоретически значения длительностей импульсов одно вибраторов при различных положениях переключателей 1-2 и 5-6. Объяснить причины расхождений.

6.3. Объяснить причины изменения длительностей выходных импульсов одновибраторов в зависимости от длительности входных запускающих им­пульсов.

6.4. Используя данные эксперимента определить выходные сопротивле­ния ЛЭ в переходе из логической единицы в нуль и из нуля в единицу.

7. Содержание отчёта

Отчет должен содержать:

7.1. Краткое изложение состава и принципа работы одновибраторов, используемых в установке.

7.2. Временные диаграммы сигналов в контрольных точках одновибра­торов, содержащие необходимые данные о длительностях и амплитудах импульсов, времена нарастания и спада.

7.3. Таблицы экспериментальных данных.

7.4. Данные теоретических расчетов длительностей импульсов при различных значениях емкостей на входах одновибраторов.

7.5. Сравнение полученных результатов с теорией.

7.6. Объяснение особенностей наблюдаемых сигналов, не рассмотренных в теоретической части.

7.7. Объяснение причин изменения длительностей, отмеченных в п. 6.3.

7.8. Выводы о качестве исследованных схем одновибраторов и возможной области их применения.

8. Вопросы для домашней подготовки

8.1. Объясните принцип работы одновибраторов, приведенных в теоретической части.

8.2. Объясните принцип работы одновибраторов, используемых в лабораторной работе.

8.3. От чего зависит длительность импульсов исследуемых одновибраторов?

8.4. От чего зависит время нарастания и спада импульсов на выходах ЛЭ (КТ₄ и КТ₇)?

8.5. Что такое нагрузочная способность ЛЭ?

8.6. Как определить пороговые напряжения перехода ЛЭ из одного логического состояния в другое?

8.7. При каком логическом уровне сигнала на входе, логический эле­мент потребляет больше энергии от источника входного сигнала?

8.8. Где можно использовать одновибраторы, исследуемые в данной работе?

8.9. Приведите другие схемы одновибраторов, не изложенных в данной работе.

Лабораторная работа № 11 транзисторно-транзисторный ключ

1. Цель и содержание работы

Исследование работы интегральных микросхем транзисторно-транзисторной логики, освоение методики определения основных характери­стик в статическом и динамическом режимах.

В электрической схеме лабораторной установки используются инте­гральные микросхемы ТТЛ типа 2ИНЕ, К155ЛАЗ.

2. Краткие сведения из теории

Элементы ТТЛ  типа отличаются наличием многоэмиттерного транзи­стора (МЭТ) во входной цепи (рис.1, а), который содержит от двух до вось­ми эмиттеров.

Исторически ТТЛ явилась дальнейшим развитием диодно-транзисторной логики (ДТЛ), в которой операция И (логическое умножение или конъюнкция) выполнялась на основе диодно-транзисторных цепей. За­мена диодов многоэмиттерным транзистором позволила повысить быстро­действие ЛЭ.

Параметры логических ИС.

Общими параметрами ИС, охватывающими всю серию, является на­пряжение источника питания, обычно +5 В +10 % , и температура окружаю­щей среды, которая для серии К155 составляет 10...+70 °С, а для КМ155 45...+85°С.

Электрические параметры логических ИС делят на статические и дина­мические. Паспортные данные статических параметров устанавливают на­пряжение логического нуля U⁰ < 0,4 В, логической единицы U¹ > 2,4 В и по­требление мощности от источника питания. По энергопотреблению разли­чают мощные (высокого быстродействия), стандартные (среднего быстро­действия) и маломощные. Применение переходов Шоттки в электрических схемах ЛЭ позволило значительно снизить потребляемую мощность при сохранении, а иногда, и повышении быстродействия. Это касается микросхем серий К1531 и К1533.

Наиболее массовая серия ИС К155 в настоящее время вытесняется се­рией К555 с переходами Шоттки, которая при сохранении быстродействия имеет в 5 раз меньшее потребление энергии.

Важными статическими параметрами являются входные и выходные токи. Их допустимые значения различны в состояниях логического нуля и едини­цы, поэтому обычно указывают отдельно токи I⁰_вх, I¹_вх, I⁰_вых, I¹_вых и условия, при которых проводятся измерения.

Нагрузочная способность микросхем характеризуется коэффициентами разветвления. Коэффициент разветвления по выходу показывает количество входных цепей различных логических элементов данной серии подклю­чаемых к выходу ЛЭ. Коэффициент объединения по входу показывает коли­чество входных

цепей подаваемых на вход ЛЭ. В элементах ИНЕ это означа­ет количество эмиттеров, содержащихся в МЭТ.

Рис. 1. Электрическая схема (а), передаточная характеристика (б)

временные диаграммы работы (в) и условное обозначение (г)

логического эле­мента 2И-НЕ

К динамическим параметрам относится время задержки распростране­ния сигнала в логическом элементе. Задержка обусловлена ограниченной скоростью переключения транзисторов и процессами заряда-разряда внутренних емкостей. Время задержки  это временной интервал от подачи входно­го импульса до появления выходного. При подаче на вход ЛЭ логического нуля или единицы, задержка несколько различается, поэтому в справочных данных приводят t^0,1_зад и t^1.0_зад, т.е. при переходе входного сигнала из нуля в единицу и наоборот. Иногда указывают максимальную частоту переключе­ния ЛЭ.

Для ЛЭ К155ЛА3 рассмотренные параметры имеют следующие значения:

U¹_вых – не менее 2,4 В при I¹_вых =  0,4 мА,

U⁰_вых – не более 0,4 В при I⁰_вых = 16 мА,

I⁰_вх – не менее 2,4 В при U¹_вх =  0,4 мА,

I¹_вх – не менее 2,4 В при U¹_вх =  2,4 В.

Время задержки t^1,0_зад = 15 нс и t^0,1_зад = 22 нс.

В таблице № 1, называемой таблицей истинности, приведена логика работы элемента К155ЛАЗ типа 2И-НЕ, выполняющего операцию логического про­изведения с инверсией вида Y = X₁X₂. На рис. 1, в приведены временные диа­граммы его работы, а на рис. 1, г  условное графическое обозначение, при­нятое при составлении принципиальных и функциональных схем.

Таблица № 1

Вход 1	Вход 2	Выход
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Рассмотрим работу ЛЭ по принципиальной схеме (рис. 1, а). Условно ее можно разделить на две части. Первая включает МЭТ DT₁ с резистором R₁ и реализует логическую операцию И, а вторая  транзисторы DT₂  DT₄ , диод DD₁ и резисторы R₂…R₄ и реализует операцию НЕ, представляя собой слож­ный инвертор.

Если на входы ЛЭ подать напряжение U¹_вх (более 2,4 В), что соответ­ствует на диаграмме временному интервалу t₂ – t₃, то напряжение на эмитте­рах МЭТ окажется выше, чем на коллекторе, т.е. коллектор становится эмит­тером, а эмиттеры  коллектором. Такой режим работы называют инверс­ным. Важным отличием этого режима является крайне низкий коэффициент передачи тока базы ( = 0,05). Это значит, что если ток базы, определяемый сопротивлением резистора R₁ и последовательной цепочкой трех р-п переходов DT₁, DT₂ и DT₄ составляет 0,76 мА, то сумма токов эмиттеров I¹_вх окажется равной 38 мкА (сравните с техническими данными).

Под действием тока базы МЭТ открывается транзистор DT₂, открывая и переводит в состояние насыщение транзистор DT₄. Напряжение коллектор-эмиттер насыщенных транзисторов не превышает 0,3 В, а напряжение база-эмиттер составляет 0,65 В. Потому напряжение на коллекторе DT₂ равно 0,95 В, а на коллекторе DT₄ (выходе ЛЭ) не более 0,3 В, что соответствует состоя­нию логического нуля. Транзистор DТ₃, находится в закрытом состоянии, так как напряжение на его базе всего на 0,65 В выше выходного. В эмиттерной цепи DТ₃ последовательно включен диод DD₁, поэтому для перевода его в открытое состояние необходимо подать напряжение порядка 1,3 В относи­тельно выходного.

Рассмотренное состояние соответствует правой части графика переда­точной характеристики (рис. 1, б). Ток коллектора DT₄ определяется сопро­тивлением нагрузки, током базы и коэффициентом передачи _min. Полагая I_б =1 мА, a _min = 30, получим максимальное значение I⁰_{вых мах} = I_б _min = 30 мА.

Если на один из входов МЭТ, или на оба, подать нулевой потенциал (не более 0,4 В), ток базы DT₁ будет протекать через цепи эмиттеров, а пере­ход коллектор-база смещается в прямом направлении, напряжение на базе DT₂ падает, закрывая этот транзистор и выходной DT₄. Напряжение на коллекторе DT₂ возрастает почти до 5 В. При этом, через резистор R₂ проте­кает ток базы транзистора DT₃, переводя его в открытое состояние. На вы­ходе ЛЭ устанавливается напряжение логической единицы, порядка 3,6 В. Описанное состояние будет соответствовать левому участку графика переда­точной характеристики (логическая единица).

В моменты перехода ЛЭ из состояния логической единицы в состояние логического нуля и обратно напряжение на выходе имеет промежуточное значение, соответствующее средней части передаточной характеристики.

При прохождении участка АВ, на котором транзистор DT₂ работает в линейном режиме, выходное напряжение уменьшается примерно с такой же скоростью, с какой нарастает входное, пока в точке В не начнет открываться транзистор DT₄. Поэтому любая помеха, воздействующая в этот момент вре­мени на входные цепи, проявляется в инвертированном виде и на выходе. Для устранения данного недостатка резистор R₃ заменяют цепью R₅, R₆, DT₅, которая задерживает открывание транзистора DT₂. Участок АВ передаточ­ной характеристики для этого случая показан пунктирной линией.

Другим недостатком ЛЭ ТТЛ является сравнительно низкое быстродей­ствие, обусловленное насыщенным режимом открытых транзисторов. Чтобы удержать транзистор в ненасыщенном состоянии цепь коллектор-база шун­тируют переходом Шоттки.

С освоением технологии создания перехода Шоттки на транзисторных структурах ТТЛ удалось разработать ряд новых серий интегральных микросхем ТТЛШ. Наиболее быстродействующими являются микросхемы серий К1531, К1533, в которых время задержки распространения снизилась до 3-4 нc, а потребляемая мощность в 8 раз по сравнению с обычными ТТЛ анало­гами.

Проведем анализ динамических параметров ЛЭ. В динамическом ре­жиме работы ЛЭ рассматривается время задержки распространения сигнала t^1,0_зад при переходе выходного сигнала из логической единицы в логический нуль и t^0,1_зад при обратном переходе. Время задержки ЛЭ в значительной сте­пени определяется временем накопления и рассасывания носителей в базе на­сыщенного выходного транзистора и влиянием емкости нагрузки внешних цепей, подключенных к выходу ЛЭ.

Явление насыщения транзистора приводит к тому, что изменение вы­ходного напряжения по отношению к входному происходит через промежут­ки времени и t^1,0_зад и t^0,1_зад (рис. 2, а). Далее при прямоугольной форме входного сигнала, выходной изменяется с определенной скоростью, обусловленной по­стоянной

времени Т = R_выхС_н.

Точные исследования этих процессов производятся методами матетического моделирования по сложному алгоритму на основе алгоритма Эберса-Молла.

Рассмотрим упрощенную процедуру оценки времени задерж­ки переключения с учетом емкости нагрузки. При включении ЛЭ транзисто­ры DT₂, DT₄, первоначально закрыты, a DT₃ открыт. На входы ЛЭ поступает напряжения U¹_вх тран-

зистор DT₂ открывается, открывая через время t^1,0_зад. транзистор DT₄. Полагаем, что нагрузкой ЛЭ является резистор R_н = 1 кОм и С_н = 300 пФ.

Рис. 2. Временные диаграммы напряжений на входе и выходе ЛЭ

Изменение выходного напряжения

(1)

При изменении U_вых от 3,7 В до 1,3 В состояние ЛЭ меняется c U¹_вых на U⁰_вых. Полагая  = 30, I_б4 = 2 мА и U = 2,4 В, из выражения

(2)

получим t^1,0 = 12 нс.

При включении ЛЭ через промежуток времени t^0,1_зад, обусловленный временем рассасывания носителей в базе DT₂, DT₄ эти транзисторы закры­ваются, а DТ₃ открывается и входит в режим насыщения.

Изменение выходного напряжения происходит по экспоненте с посто­янной времени

T₂ = C_hR_эк = C_нR₂R₄ /(R₂ + R₄).

При С_н = 300 пФ: Т₂ = 40 нc.

И

(3)

нтервал времени t^0,1 = t₃  t₂ определяется выражением

t₃  t₂ = T₂ ln[(Е_эк  U⁰ _вых)/(Е_эк  U_{гр нас})] ,

где Е_эк = 4 В, напряжение, к которому стремится экспонента, a U_{rp нac}  напря­жение на выходе, при котором DТ₃ выходит из насыщения (U_{гр нас} = 3,3 В).

П

(4)

риведенные данные носят оценочный характер и определяются ем­костью нагрузки ЛЭ. Важно отметить, что если спад напряжения на участке t₁t₀ протекает почти по линейному закону, то подъем по экспонециальному, что и наблюдается при эксперименте. В справочной литературе приводится среднее время задержки распространения выходного сигнала

t _{зад ср} = (t^1,0_{зад ср} + t^0,1_{зад ср})/2.

На рис. 2, б показано, что эти уровни отсчитываются относительно средних уровней импульсов. В ЛЭ ТТЛ эти уровни равны 1,3 В, а в ТТЛШ  1,5 В.

Мощность потребления ЛЭ зависит от состояния "0" или "1". При ну­левом состоянии потребляемый ток равен сумме токов, протекающих через резисторы R₁ и R₂

I

(5)

⁰_пот = (U_ип  3  0,65)/R₁ + (U_ип  U_кэт1  0,65)/R₂,

I⁰_пот = 3,3 мА.

В состоянии логической единицы

I¹_пот = (U_ип  0,65  0,3)/R₁ = 1 мА.

Во время переключения ЛЭ происходят дополнительные затраты энергии, обусловленные процессом заряда-разряда емкостей нагрузки. Обычно при оценке потребляемой мощности в справочной литературе дают значения, применительно к предельно допустимой рабочей частоте.