Содержание отчета

На первом листе приводятся рисунок схемы модификации ТТЛ, которая исследована, и минимальный кодовый набор, использованный для проверки правильности функционирования схемы.

Бригадное задание

1. По экспериментальной ХВВ определить величины U⁰_ГР, U¹_ГР, вычислить U⁰_n и Uⁱ_п и результаты записать в табл. 3.3.2.

2. По экспериментально снятым входным характеристикам определить I¹_ВХ и I⁰_ВХ и вписать в табл. 3.3.1.

3. По экспериментальной выходной характеристике определить I⁰_Н.МАКС и I¹_Н.МАКС. Вычислить п, полученное на основании экспериментальных данных. Вписать в табл. 3.3.1.

4. Указать на экспериментально снятой осциллограмме величины замеренных динамических параметров схемы. Вписать в табл. 3.2.3.

5. Построить зависимости сигнала t⁰¹, t¹⁰, t_p, t_зр⁰¹, t_зр¹⁰ от емкостной нагрузки и оценить ее влияние на максимальную частоту работы схемы.

6. Отметить влияние переключения схемы, при подаче на вход импульсного сигнала, на напряжение на сопротивлении в цепи питания.

Оформить результаты УИРС в соответствии с порядком выполнения УИРС, составленным при предварительной подготовке к работе. Сделать выводы по полученным результатам.

Варианты заданий

Номер бригады	1; 6	2; 7	3;8	4; 9	5; 10
Исследуемая серия	К158	К131	К 155	К531	К555

Задание по уирс

Оформить результаты УИРС в соответствии с порядком выполнения УИРС, составленным при предварительной подготовке к работе. Сделать выводы по полученным результатам.

Параметры, указанные в вопросах (1  14), определяются и сравниваются для всех пяти модификаций ТТЛ схем.

1. Определить I¹ _{ВЫХ.МАКС}

2. Определить I⁰_{ВЫХ.МАКС}

3. Определить I¹_ВХ

4. Определить I⁰_ВХ

5. Определить t¹⁰.

6. Определить t⁰¹.

7. Определить t⁰¹_ЗР.

8. Определить t¹⁰_ЗР.

9. Определить t_Р

10. Определить максимальную емкость нагрузки, при которой значения t⁰¹_ЗР и t¹⁰_ЗР удовлетворяют паспортным данным.

11. Определить I_ПОТР при U⁰_ВЫХ

12. Определить I_ПОТР при U¹_ВЫХ.

13. Определить величину скачка тока потребления в момент включения (U_ВЫХ из «1» в «0»)

14. Определить величину скачка тока потребления в момент выключения (U_ВЫХ из «0» в «1»)

15. Определить зависимость времени t_Р от количества подсоединенных к выходу исследуемого элемента схем ТТЛ (только для К155).

16. Определить n⁰_МАКС при работе элемента серии К155 на элементы серии 131, 158, 531, 555.

17. Определить n¹_МИН при работе элемента K155 на элементы серии 131, 158, 531, 555.

18. Определить зависимость амплитуды броска тока потребления в момент выключения (U_ВЫХ из «0» в «1» ) от емкости нагрузки.

19. Определить зависимости величины потребляемого тока по входу от количества объединенных входов, представить сравнительный анализ различных серий.

4.5.Лабораторная работа 5. Исследование работы инвертора кмоп

Цель работы: экспериментальное изучение логического элемента, выполненного по КМОП технологии.

Краткое описание принципов работы элементов кмоп

Основой КМОП элементов является инвертор, построенный на двух комплементарных (дополняющих) МОП транзисторах (n-МОП и p-МОП) с изолированным затвором и индуцированным каналом. Особенностью такой схемы (Рис. 4 .38) является то, что входное напряжение управляет не только ключевым, но и нагрузочным транзистором.

На Рис. 4 .5.2. приведены стоко-затворные характеристики используемых транзисторов. Транзистор с n-каналом (VТ_n) начинает проводить ток, если на его затвор подается положительное напряжение, а транзистор с р-каналом (VТ_p) – если на его затвор подается отрицательное напряжение по отношению к истоку.

Важно, что оба транзистора имеют «пятку» на своих стоко-затворных характеристиках. Таким образом, если мы хотим, чтобы схема работала при положительном напряжении питания (+E_П), то в качестве ключевого транзистора необходимо использовать VТ_n, а в качестве нагрузочного – VТ_p.

Рис. 4.38.1. КМОП инвертор

Рис. 4.5.2. Стоко-затворные характеристики КМОП транзисторов

Инвертор (Рис. 4 .38) построен так, что исток VТ_p соединен с E_n, а исток VТ_n – с землей. Затворы VТ_n и VТ_p объединяются и служат входом инвертора, стоки VТ_n и VТ_p также объединяются и служат выходом инвертора. При таком включении будут справедливы следующие формулы для определения напряжения затвор-исток VТ_n и VТ_p: U_зип = U_вх , U_зир = U_вх-Е_п

U_зип – напряжение затвор-исток n-канального транзистора (VТ_n);

U_зир – напряжение затвор-исток р-канального транзистора (VТ_р).

При рассмотрении работы инвертора будем полагать, что VТ_n и VТ_p обладают идентичными характеристиками и пороговое напряжение U_Пп =U_Пр=1,5В.

U_Пп - пороговое напряжение n-канального транзистора;

U_Пр - пороговое напряжение p-канального транзистора.

Рассмотрим работу КМОП инвертора по его ХВВ (Рис. 4 .39-а), на которой можно выделить четыре участка и зависимости U_ЗИ = f(U_BX) (Рис. 4 .39-б).

Участок 1: U⁰_вх  U_Пп. При этом U_зип = U_вх и VТ_n закрыт, U_зир = U_вх - Е_п < U_Пр и VТ_p открыт.

Рис. 4.39. Характеристики КМОП инвертора: а) ХВВ, б) U_{ЗАТВОР-ИСТОК} = f(U_ВХ); в) I_ПОТР = f(U_BX)

В этом состоянии схема практически не потребляет тока (так как VТ_n закрыт), VТ_p находится в глубоком насыщении, на выходе при этом будет напряжение, близкое к E_П(U¹_ВЫХ  E_П).

Участок II: U_П > U_ВХ > U_Пп ,

где U_П - напряжение, при котором происходит переключение схемы

и U_ВЫХ = 0,5(U¹ - U⁰). U_ЗИП = U_ВХ > U_Пп и VТ_n начинает открываться, U_ЗИР = U_ВХ-Е_П < U_Пр и VТ_p открыт.

На этом участке U_ЗИП <U_ЗИР, поэтому VТ_p будет оставаться в насыщении, а VТ_n – в активном режиме.

Ток, потребляемый схемой, определяется в этом случае транзистором VТ_n.

Ток, протекающий в схеме, создает падение напряжения на канале VТ_p, за счет этого напряжение на выходе начинает уменьшаться. Однако с ростом входного напряжения на этом участке выходное напряжение снижается мало, так как VТ_p все еще находится в насыщении.

Точка U_П: U_ВХ = U_П =0,5Е_П;

U_ЗИП =U_ВХ = U_П> U_Пп, и VТ_n открыт; 0,5Е_П< U_Пр и VТ_p открыт.

В этой точке |U_ЗИП|=|U_ЗИР| следовательно, равны и сопротивления каналов обоих транзисторов. Таким образом, на выходе будет напряжение, равное половине напряжения источника питания (U_ВЫХП=0,5E_П). Этой точке соответствует вертикальный участок на характеристике. В этот момент схема потребляет максимальный ток, так как оба транзистора открыты. При малейшем изменении входного напряжения выходное напряжение резко меняется.

Участок III: Е_П-U_Пр > U_ВХ > U_П; U_ЗИП = U_ВХ > U_Пп и VТ_n открыт; U_ЗИР = U_ВХ-Е_П < U_Пр и VТ_Р открыт, но с ростом U_ВХ становится все менее и менее открытым.

На этом участке U_ЗИП >|U_ЗИР|, и поэтому VТ_n находится в насыщении, a VТ_p – в активном режиме.

Ток, потребляемый схемой, определяется в этом случае транзистором VТ_p.

Выходное напряжение на этом участке равно падению напряжения на канале VТ_n. Так как VТ_n находится в насыщении, то это падение невелико, и с ростом U_BX оно все более и более уменьшается.

Участок IV: Е_п > U_вх > Е_п-U_Пр; U_зип = U_вх > U_Пп и V_n открыт; U_зир = U_вх-Е_п >U_зип и VТ_p закрыт.

В этом состоянии схема практически не потребляет тока (так как VТ_p закрыт). VТ_n находится в глубоком насыщении, на выходе при этом будет напряжение, близкое к нулю (U_вых  0).

Как видно из ХВВ (рис 4.5.1а), КМОП элементы обладают хорошей помехоустойчивостью. Помехоустойчивость по нулю и единице равны. Это объясняется тем, что точка переключения (U_вх = U_П) лежит точно в центре диапазона изменения входного напряжения (Е_П>U_вх>0). При Е_П = +5В максимальное значение помехи может достигать 1,5В. С ростом E_П абсолютная помехоустойчивость увеличивается. Помехоустойчивость КМОП элементов составляет примерно 30% от Е_П (U⁰_{вх.макс}  0.3Е_П, U¹_вх.мин  0.7Е_П).

Так как на входе КМОП инвертора стоят МОП транзисторы с изолированным затвором, то входное сопротивление очень велико (10¹²10¹³Ом). Поэтому по входу такие схемы практически не потребляют тока.

Выходное сопротивление КМОП схем мало как в состоянии Лог. 0, так и в состоянии Лог. 1, так как один из транзисторов VТ_n или VТ_p обязательно будет открыт. Таким образом, выходное сопротивление определяется сопротивлением канала открытого МОП транзистора и составляет 10²10³Ом.

Высокое входное и малое выходное сопротивления обуславливают высокий статический коэффициент разветвления по выходу. Коэффициент разветвления будет ограничиваться сверху только требованиями по быстродействию. Так как каждый вход схемы обладает определенной емкостью, то с ростом коэффициента разветвления будет расти емкость нагрузки, которая, в свою очередь, будет увеличивать время переключения элемента.

Таким образом, с уменьшением рабочей частоты коэффициент разветвления будет увеличиваться. В связи с вышесказанным ясно, что входная и нагрузочная характеристики теряют свой смысл. Нагрузочная характеристика имеет значение только при сопряжении КМОП элементов с элементами других типов.

Малое выходное сопротивление элемента в обоих состояниях позволяет быстро перезаряжать емкость нагрузки. Это обуславливает малые времена задержек при включении и выключении схемы. Практически времена задержек равны 50  200 нс.

Рис. 4.5.1в поясняет процесс потребления тока схемой.

В статическом положении КМОП схемы потребляют очень маленький ток (10^-6-10^-7А).

В основном ток потребляется при переключении схемы, в то время, когда U_ЗИП и U_ЗИР> U_ПОР и оба транзистора VТ_n и VТ_p открыты (участки II и III на ХВВ) Однако величина этого тока меньше, чем у ТТЛ схем, так как объемные сопротивления открытых МОП транзисторов превышают сопротивления открытых биполярных транзисторов. По этой причине в схемах КМОП отсутствует ограничивающий резистор.

При переключении схемы расходуется также ток на заряд емкости нагрузки. Величина этого тока может быть определена как I=CEf_П где f_П – частота переключения схемы.

К преимуществам КМОП схем можно также отнести возможность работы при различных напряжениях питания (3‑15В). При повышении напряжения питания абсолютная помехоустойчивость будет увеличиваться, однако будет увеличиваться и потребляемый ток (участки II и III на ХВВ станут шире). При напряжении питания + 5В уровни сигналов КМОП схем становятся совместимы с уровнями ТТЛ При этом надо, однако, следить, чтобы U¹_вх.мин для КМОП схем было бы больше E_П-|U_ПР| для надежного запирания VТ_p. Для этой цели часто выход ТТЛ через резистор подключают к E_П.

Работа КМОП схем на схемы ТТЛ осуществляется, как правило, через монтажные схемы.

На Рис. 4 .40 приведена схема базового элемента типа КМОП. Элемент реализует функцию 4И-НЕ. Транзисторы расположены таким образом, что при любой комбинации входных сигналов в схеме не будет протекания сквозного тока. Аналогичным образом строятся элементы типа ИЛИ-НЕ (Рис. 4 .41).

В таких схемах из-за последовательного включения транзисторов в одном из плеч увеличивается выходное сопротивление в одном из состояний. Поэтому такие элементы имеют различные времена включения и выключения. Для элемента И-НЕ время включения больше времени выключения, а для элемента ИЛИ-НЕ – наоборот.

Рис. 4.40. Реализация функции 4И-НЕ на КМОП

Рис. 4.41. Реализация функции 4ИЛИ-НЕ на КМОП

Из-за очень высокого входного сопротивления даже статический заряд способен создать пробивное напряжение. Для защиты от высоковольтных зарядов статического электричества на входах схем КМОП имеется (внутри микросхемы) специальная схема защиты (Рис. 4 .42).

Рис. 4.42. КМОП-инвертор со схемой защиты затвора от статического электричества

Диоды VD1, VD2 и VD3 защищают изоляцию затвора от пробоя. Диоды VD4 и VD7 защищают выход инвертора от пробоя между р и n областями. Диоды VD5 и VD6 включены последовательно между шинами питания для защиты от случайной перемены полярности питания.

Типичными представителями КМОП схем являются элементы серии К564, которые характеризуются следующими параметрами:

Е_П=315В; U⁰=0,01В (при Е_П=5В и I_н=0); U¹=4,99В (при Е_П=5В и I_н=0); I⁰_вх=0,2мкА; I¹_вх=0,2мкА; I_П=0,17мА (при Е_П=10В, F=100кГц и С_н=50пФ); t_з=80нс; I⁰_вых=0,9мА (при U⁰_вых=0,5В и Е_П=10В); I¹_вых=0,9мА (при U¹_вых=Е_П-0,5В и Е_П=10В); С_н=200пФ; С_вх=12пФ.

Специального внимания при подготовке требует индивидуальный эксперимент (УИРС).

Подготовка к лабораторной работе

Подготовка к работе заключается в изучении работы элементов типа КМОП и ознакомлении с основными зависимостями и параметрами элементов. Для этого следует воспользоваться данными методическими указаниями и рекомендуемой литературой. Подготовка к работе включает составление отчета.