4.3. Порядок выполнения работы.

4.3.1. Снять передаточную характеристику логического элемента: И-НЕ ТТЛ -типа 155ЛА2.

Для этого необходимо подключить входы осциллографа к входу и выходу ЛЭ ТТЛ типа, а вход синхронизации осциллографа к гнезду "СИ" (синхроимпульсы); установить одинаковую чувствительность по обоим входам, совместить нули по обоим входам на одном уровне в нижней части экрана осциллографа.

Переключателем SА2 включите ЛЭ ТТЛ типа и подайте на его вход переключателем "Вид сигнала" SАЗ пилообразное напряжение, поставив его в положение 1. Переключатели SА1, SА4, SА5 поставьте в положение 1 и тумблер SА6 в положение выключено. В этом случае на вход ЛЭ подается пилообразное напряжение, а на выходе ЛЭ формируется передаточная характеристика (см. рис. 11).

Зарисуйте осциллограммы сигналов на входе и выходе ЛЭ.

По форме передаточной характеристики определите , , и .

Вычислите логический перепад .

Рассчитайте максимально допустимые напряжения помехи

, ,

и коэффициенты помехоустойчивости

и

4.3.2. Переключив вход осциллографа со входа ЛЭ на резистор Rизм в общем проводе ЛЭ, поставьте тумблер SА6 в положение "Вкл", зарисуйте осциллограмму напряжения на резисторе Rизм (см. рис.11).

Определите амплитуду сквозного тока, протекающего через ЛЭ во время переключения .

4.3.3 Снять зависимости и и по ним построить выходные характеристики ЛЭ для напряжения низкого уровня на выходе и для напряжении высокого уровня на выходе , где ; .

Результаты эксперимента сведите в таблицы вида:

Положение переключателя	5	6	7	8
, Ом
, В

Положение переключателя	5	6	7	8
, Ом
, В

По данным таблиц постройте выходные характеристики ЛЭ.

Положение переключателя	1	2	3	4
, Ом
, В
, мА

4.3.4.Снять зависимость потребляемого от источника питания тока

от частоты входного сигнала при и , .

Построить зависимость мощности, потребляемой от источника питания, от частоты входного сигнала при и , .

На вход ЛЭ подаются симметричные прямоугольные импульсы, частота которых меняется переключателем "Вид сигнала" SАЗ (положения 3, 4, 5) Измерение частоты сигнала осуществляется осциллографом на входе или выходе ЛЭ. Потребляемый от источника питания ток измеряется миллиамперметром, встроенным в макет. Требуемая чувствительность прибора устанавливается переключателем SА1. Емкость нагрузки задаётся переключателем SА5.

Результаты эксперимента и расчетные данные сведите в таблицы вида:

Положение переключателя	3	4	5
, мкс
, кГц
, мА
, мВт

4.3.5. Снять зависимости , ,

, при .

На вход логического элемента подайте короткие прямоугольные импульсы с аналогичного ЛЭ, поставив переключатель "Вид сигнала" SАЗ в положение 5. Входы осциллографа подключите к входу и выходу ЛЭ, произведите измерение указанных выше величии, изменяя емкость нагрузки ЛЭ переключателем SА5.

Данные измерений сведите в таблицу вида:

Положение переключателя	1	2	3	4
, нс
, нс
, нс
, нс

4.3..6. Оформите отчет по лабораторной работе. Он должен содержать принципиальную схему, выполнение пунктов программы, выводы.

5. Описание лабораторной работы

"Исследование логического элемента на комплементарных полевых транзисторах с индуцированными каналами (КМДП)".

5.1. Цель работы

Целью работы является:

ознакомление с принципиальной схемой, логикой работы и изучение принципа действия ЛЭ И-НЕ КМДП - логики;

освоение методики экспериментального определения основных характеристик и параметров ЛЭ КМДП - типа и их зависимости от условий работы.

5.2. Краткие сведения из теории

В данной работе исследуется ЛЭ КМДП типа К561ЛА7, реализующий функцию 2И-НЕ. Его принципиальная схема приведена на рис.12. Для реализации функции И-НЕ применяется последовательное включение n - канальных транзисторов VТ1, VТ2 и параллельное включение p-канальных транзисторов VТЗ и VТ4. При входных сигналах равных нулю p-канальные транзисторы VТЗ и VТ4 - открыты и на выходе устанавливается высокий потенциал . Это состояние по выходу сохраняется, если хотя бы на одном из входов присутствует сигнал равный нулю.

П ри входных сигналах транзисторы VТ1 и VТ2 -открываются, а транзисторы VТЗ и VТ4 закрываются и на выходе ЛЭ И-НЕ устанавливается напряжение . Таким образом, ЛЭ выполняет операцию логического умножения (конъюнкции) .

При определении статических и динамических характеристик ЛЭ на комплементарных парах можно воспользоваться результатами анализа ключевого ЛЭ Не (см. рис 13), заменив группы транзисторов в проводящем состоянии эквивалентным транзистором.

Параметры КМДП ключа определяются выходными вольтамперными характеристиками МДП-транзисторов с индуцированным каналом, общий вид которых показан на рис 14.

На практике пользуются аппроксимацией выходных вольтамперных характеристик (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом в виде

при ,

при ,

где - пороговое напряжение, при котором открывается транзистор;

- удельная крутизна МДП - транзистора,

- напряжение насыщения, т.е. напряжение между стоком и истоком, при достижении которого ток стока практически не изменяется при . Первое выражение описывает начальные крутые участки ВАХ, а второе выражение справедливо для пологих участков ВАХ, соответствующих режиму насыщения. Первое выражение можно упростить при , пренебрегая квадратичным членом, и привести к виду .

Коэффициент при в правой части последнего выражения называется проводимостью канала, а обратная величина - сопротивлением канала .

На рис.15.а приведена передаточная характеристика инвертора, изображенного на рис.13. С помощью рис.15.б можно пояснить графический метод ее построения. На нем сплошными линиями изображены ВАХ n-канального транзистора, а штриховыми – ВАХ p - канального транзистора при при одних тех же значениях входного напряжения. Пусть в исходном состоянии напряжение на входе ключа , тогда , а . Значит, транзистор T1 заперт, а транзистор T2 открыт (считаем, что для обоих транзисторов). Ток в общей цепи определяется запертым транзистором T1 и составляет величину . (Обычно ).

Открытый транзистор T2 работает в области крутых участков ВАХ (область 1 на рис. 3.15), где сопротивление канала описывается выражением . Напряжение на открытом транзисторе T2, полагая , равно

.

Если принять , то . Значит выходное напряжение .

Пусть теперь управляющее напряжение на входе ключа равно . Тогда , а и транзистор T1 открыт, а транзистор T2 заперт (см. область 2 на рис. 3.17). При этом ток через транзисторы остается на уровне . Напряжение на выходе ключа

.

При управляющем напряжении на входе ключа, изменяющемся в диапазоне , открыты оба транзистора, и выходное напряжение изменяется скачкообразно в пределах области 2 на рис. 3.17. Тогда через транзисторы будет протекать общий ток, который называют сквозным. Зависимость сквозного тока от входного напряжения изображена на рис. 3.17,а штриховой линией.

Оптимальная форма передаточной характеристики достигается при одинаковых параметрах транзисторов T1 и T2 . Тогда напряжение, при котором происходит переключение, . Помехоустойчивость максимальна и близка к . К тому же, передаточная характеристика практически не зависит от температуры и, следовательно, высокая помехоустойчивость сохраняется в широком интервале температур.

Таким образом, важнейшей особенностью ключей на комплементарных транзисторах является то, что они практически не потребляют мощности от источника питания в обоих статических состояниях, и имеют малые остаточные напряжения на открытых транзисторах, высокую помехоустойчивость.

Важным параметром КМДП - ключа является потребляемая мощность, которая складывается из статической и динамической. Статическая мощность равна . Поскольку ток очень мал, то и статическая мощность, потребляемая ключом ничтожна. Динамическая мощность определяется двумя составляющими. Первая обусловлена сквозными импульсами тока через транзисторы при переключении. При этом в цепи питания протекают импульсы тока, которые могут достигать заметных величин, особенно при повышенных напряжениях питания. Поскольку в дискретных устройствах крутизна фронтов импульсов велика, рассеивание мощности на транзисторах происходит в течение очень короткого промежутка времени и среднее значение этой составляющей обычно мало. Вторая составляющая динамической мощности связана с периодическим перезарядом паразитных емкостей (внутренних, монтажа и нагрузки). Эта составляющая в основном и определяет мощность, потребляемую КМДП - ключом при работе на высоких частотах. Как известно, энергия заряда (разряда) конденсатора равна и не зависит от сопротивления, по которому протекает ток. В КМДП - ключе через источник питания протекает только ток заряда емкости. Следовательно, динамическая мощность, расходуемая на заряд паразитных емкостей, равна , где - частота переключения.

На высоких частотах мощность, потребляемая микросхемами КМОП, становится соизмеримой с потреблением других видов логики.