Лабораторная работа №2 «Определение статических и динамических параметров интегральных микросхем 155 серии»

 

Цель работы: определить типовые статические и динамические параметры логического элемента «НЕ» (К155ЛН1).

Задание 1: определить статические параметры логического элемента «НЕ» ( К155ЛН1) путем получения передаточной характеристики этого элемента.

1.1.Для выполнения этого задания необходимо ознакомиться с материалом настоящего раздела:

 

Статические параметры определяются по статическим характеристикам. Наиболее важной из них является передаточная характеристика U_вых=f(U_вх), представляющая собой зависимость напряжения U_вых на выходе логического эле­мента при изменении напряжения U_вх на одном из его входов и при постоянстве на других его входах уровня логического 0 или 1. Такая характеристика для инвертиру­ющего логического элемента изображена на рис.1 и позволяет определить следующие параметры при номинальном питающем напряжении U_пит:

 

 

Рис.1 - Передаточная характеристика инвертора

 

Входная характеристика I_вх= f(U_вх)— это зависимость входного тока I_вх от напряжения U_вх на одном из входов логического элемента при постоянных напряжениях на остальных. На рис. 10 (а) изображена входная характеристика логического элемента транзисторно-транзисторной логики.

По входным характеристикам определяют входные токи логических элементов для состояния логического 0 (I⁰_вх≈ I⁰_пор) и логической 1 (I¹_вх≈ I¹_пор).

Выходная характеристика U_вых=f(I_вых) - это зависимость выходного напряжения U_вых от выходного тока I_вых при заданных постоянных напряжениях на входах.

Существует две разновидности выходных характеристик:

Ø U⁰_вых=f(I⁰_вых)— для состояния логического 0;

Ø U¹_вых=f(I¹_вых)—для состояния логической 1,

где ток I⁰_вых втекает в логический элемент, а ток I⁰_вых вытекает из него.

Типичный вид выходных характеристик показан на рис. 2(б). С их помощью определяются максимально допустимые значения выходных токов:

Ø I⁰_{вых макс};

Ø I¹_{вых макс};

Рис. 2 Входная (а) и выходная (б) характеристики логического элемента

 

Если нагрузкой служат идентичные логические элементы с входными токами I¹_вх, I⁰_вх, то максимальное число подключенных к выходу логических элементов не должно превышать N⁰ < I⁰_{вых мак}/I⁰_вх; N¹ < I¹_{вых мак}/I¹_вх.

Наименьшее из полученных чисел называют коэффициентом разветвления на выходе: N = min(N⁰, N¹), который характеризует нагрузочную способность логического элемента.

Наклон выходной характеристики определяет выходное сопротивление логи­ческого элемента.

Важным параметром логических элементов является также коэффициент объединения по входу (М), определяющий число его входов. Данная величина может достигать значения 6…8.

Мощность и ток, потребляемые логическим элементом от источника питания Е, зависят от его состояния. Обычно пользуются значением средней статической потребляемой мощности Р_ср=E(I⁰_Е + I¹_Е)/2, где I⁰_Е, I¹_Е — токи в состоянии логического 0 и логической 1.

 

1.2. Записать справочные данные микросхем 155 серии:

Ø напряжение питания МС Е=4, 75-5, 25 В;

Ø U выхода логического нуля ≤ 0, 4 В;

Ø U выхода логической единицы ≥ 2, 4 В;

Ø U входа логического нуля ≤ 0, 8 В;

Ø U входа логической единицы ≥ 2, 0 В;

Ø Мощность потребления на логический элемент (Р_потр.) ≤ 10 мВт;

Ø Т_ср. (среднее время задержки на логический элемент) ≤ 10 нс;

Ø энергия переключения ≤ 90 n Дж;

Ø I_вх0 ≤ 1, 6 mА;

Ø I_вх1 ≤ 0, 04 mА;

Ø R_н (сопротивление нагрузки) ≥ 0, 4 кОм;

Ø С_н (емкость нагрузки) ≤ 15 пф.

 

.

 

 

1.3.Изобразить условное графическое обозначение исследуемой микросхемы и нумерацию выводов корпуса.

1, 3, 5, 9, 11, 13 - входы;
2, 4, 6, 8, 10, 12 - выходы;

7 - общий;

14 - напряжение питания;

 

а) б)

 

Рис.3 Условное графическое обозначение (а) и расположение выводов

микросхемы К155ЛН2 (б).

 

 

1.4. Собрать электрическую принципиальную схему для исследования.

Рис. 4 – Схема для исследования ИС К155ЛН1

 

1.5. Снять передаточную характеристику инвертора Uвых.=f(Uвх.). Данные занести в таблицу 1.

 

Таблица 1

Uвх, В

Uвых, В

Uвх, В

Uвых, В

Uвх, В

Uвых, В

 

По результатам измерений построить передаточную характеристику инвертора (рис.5)

 

 

 

Рис.5.Передаточная характеристика инвертора.

 

 

1.5. Определить по передаточной характеристике следующие значения:

¾ U¹_min–минимальный выходной уровень напряжения логической единицы (касательная к точке 1–перпендикуляр к линии в 45⁰);

¾ U⁰_max–касательная к точке 2 – максимальный выходной уровень напряжения логического нуля;

¾ U_л= U¹_min – U⁰_max — минимальный уровень напряжения логического перепада;

¾ U⁰_пор, U¹_пор – пороговые уровни входных логических напряжений для поддержания лог. единицы (U¹_min) и логического нуля соответственно (U⁰_max).

¾ При U_вх. < U⁰_пор – элемент находится в состоянии логической единицы, т.е. U_вых.= U¹_min. При U_вх. > U¹_пор – логический элемент находится в состоянии логического нуля. U_вых= U⁰_max.

¾ ∆ U= U¹_пор– U⁰_пор — ширина зоны неопределенности, в которой состояние логического элемента не может быть однозначно определено. При U_вх=U⁰_пор…U¹_пор логический элемент можно использовать в качестве усилителя напряжения. Границы зоны неопределенности определяются точками 1, 2 единичного усиления, в которых du_вых/du_вх=1

¾ U^-_макс — максимальная амплитуда динамической помехи (в виде импульса отрицательной полярности), при которой логический элемент не выходит из состояния логической 1 и не попадает в зону неопределенности: U^-_макс = U¹_мин — U¹_пор;

¾ U⁺_макс — максимальная амплитуда динамической помехи (в виде импульса положительной полярности), при которой логический элемент не попадает в зону неопределенности из состояния логического 0: U⁺_макс=U⁰_пор - U⁰_макс;

¾ U_пор — средний пороговый уровень напряжения переключения логического элемента: U_пор = (U⁰_пор+ U¹_пор)/2;

 

1.6.Записать результаты измерений

 

 

Результаты измерений:

U¹_min = В

U⁰_max = В

U_л = В

U¹_пор = В

U⁰_пор = В

∆ U = В

U⁺_макс = В

U^- _макс = В

 

 

Задание 2: Определить динамические параметры МС (t_ср.–среднее время задержки на логический элемент) путем измерения периода колебаний, возбуждаемых в кольцевом генераторе.

Динамические параметры. Время задержки переключения при прохождении сигналов че­рез логические элементы, характеризующее их быстродействие, можно опреде­лить с помощью переходных характеристик (рис. 6) по смещению среднего уровня U_ср входного и выходного напряжений.

 

Рис.6 - Переходная характеристика

 

Для оценки быстродействия часто пользуются средним временем задержки

 

t_ср = (t¹⁰+t⁰¹ )/2,

 

где t¹⁰, t⁰¹ — время задержки переключения при переходе напряжения на выходе логического элемента от U¹ к U⁰ и от U⁰ к U¹. Оно определяет среднее время выполнения одной логической операции или инерционность логического элемента.

Важными динамическими параметрами логических элементов являются также длительности фронта t^ф и среза t^с формируемых выходных сигналов. Величины этих параметров измеряются на уровнях 0.1 U¹_вых и 0.9 U¹_вых.

Другой способ определения t_ср основан на измерении периода колебаний, возбуждаемых в кольцевом генераторе. Кольцевой генератор представляет со­бой замкнутую цепь с нечетным числом К инверторов (рис.7). Если на вход первого инвертора воздействует напряжение U⁰ логического нуля, то на выходе К-го инвертора через некоторое время появляется напряжение U¹ логической единицы и первый инвертор переключается в другое состояние. За один период Т колебаний инвертор переключается дважды, поэтому среднее время задержки

 

t_ср = Т/2К

 

Для получения колебаний в виде прямоугольных импульсов число инверторов выбирают равным 5-9. Этот способ определения t_срчасто используют на практике.

 

I

 

Рис. 7. Схема кольцевого генератора

 

 

2.1. Зарисовать и собрать схему кольцевого генератора для определения t_ср

 

 

 

Рис. 8 - Схема кольцевого генератора на основе ИС К155ЛН1

 

 

2.2. Зарисовать амплитуду напряжений на выходе кольцевого генератора.

2.3.Определить среднее время задержки на один логический элемент t_ср.

 

 

Содержание отчета

 

Отчет по работе должен содержать:

• наименование работы и цель работы;

• справочные данные микросхем 155 серии:

• условное графическое обозначение исследуемой МС и нумерацию

выводов корпуса.

• электрическую принципиальную схему для снятия передаточной характеристики инвертора

• передаточную характеристику исследуемого инвертора.

• результаты измерений (пункт 1.5)

• схему кольцевого генератора

• осциллограмму напряжения на выходе кольцевого генератора

• расчет среднего время задержки на один логический элемент t_ср.

• выводы по работе.

 

Контрольные вопросы

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: