Лабораториялық жұмысқа тапсырма және оның орындалу реті:

1. Electronics Workbench(EWB) бағдарламалық кешенінің жұмыс аймағында К155 сериялы ТТЛ-сұлбасын көрсетіңіз және де оған қажетті өлшек құралдарын қосыңыз.

2. К155 сериялы ТТЛ-сұлбасын зерттеңіз, зерттеулер нәтижесі бойынша осы сұлбаның жүктеме және бөгеуіл тұрақтылық коэффициентін зерттеңіз және кіріс және беріліссипаттамаларын құрыңыз.

3. Electronics Workbench(EWB) немесе Multisim программалық комплексінің жұмыс аймағында ЖӘНЕ-ЕМЕС (К531 серия) ТТЛ-сұлбасының жұмысын зерттеңіз

4. Electronics Workbench(EWB) бағдарламалық кешені көмегімен коллекторлы шығысы бар ТТЛ-сұлбасын және оған жүктеме ретінде қызу щамын және жарық диодын қосып, жұмыс принципін зерттеңіз.

Бақылау сұрақтары:

1. Оң (теріс) логика үшін К531 сериялы ТТЛ ИС базалық элементі қандай функцияны орындайды?

2. К155 сериялы ТТЛ-сұлбасы қандай логикалық функцияны орындайды?

3. Түзеткіш тізбек не үшін қолданылады?

4. Сұлбаның шығыстарында логикалық сигнал "1" алу үшін, оның кірісіне қандай сигнал беру керек?

Лабораториялық жұмыс № 2. NМоп және кмоп интегралдық сұлбаларын зерттеу

Лабораториялық жұмысты орындау мақсаты nМОП және КМОП интегралды сұлбалардың статикалық және динамикалық режимдерде жұмыс істеу принципін зерттеу және осы сұлбалармен жүзеге асырылатын логикалық функцияларды анықтау.

Теориялық бөлім

МДП (металл–диэлектрлик–полупроводник) - транзисторында SiO₂ кремний екі отегін орындау диэлектрик жұмысының ролі, сондықтан бұл транзистор МОП–тың (металл – окисел – полупроводник) аббревиатурасын білдіреді.

Цифрлық интегралдық сұлбада затворды (қақпақ) айырумен және индуциралық каналдармен МОП-транзисторы көп қолданыс тапты. Жүргізу каналдар типінен тәуелділікте pМОП- және nМОП-транзисторлары бөледі. (p- және n-типті жүргізуші каналды транзисторлар, сәйкесінше) олардың негізінде pМОП-, nМОП- және әртүрлі логикалық функцияларды шығаратын комплементарлы МОП (КМОП)-интегралдық сұлбасының элементтері құрылады. Бұл элементтердің сұлбасын биполярлы ИС ТТЛ және ЭСЛ –мен салыстырғанда қарапайым түзіліс, аса технологиялы, аса жоғары тұрақты тосқауылға ие және аз мөлшерлі қуатты амал етуі, сондай-ақ өте аз өткізгіш кристалында аймақты алады. Бірақ олардың тездігі біршама аз.

nМОП-транзисторы негізінде базалық логикалық элементтер (ЛЭ) жұмысын және құрылу принципін қарастырамыз.

2.1-суретте ЖӘНЕ-ЕМЕС және НЕМЕСЕ-ЕМЕС логикалық функциясын шығаратын екікірісті ЛЭ электрлік кестесі келтірілген. Бұл қарқынды қорек көзінің оң кернеуін қолданатын бұл схемада логикалық 1 сигналына логикалық оң кернеудің жоғарғы деңгейі дейді, ал логикалық 0-ге төменгі деңгей сәйкес. Екі сұлбада үш транзистордан тұрады, олардың бірі Т₀ – күш ролін, ал Т₁ және Т₂ логикалық функцияны шығаратын айырып-қосқыш транзисторлар болып табылады.

ЛЭ схемасында nМОП-транзисторы негізінде орындалған, және ЖӘНЕ-ЕМЕС шығаратын функция, Т₁ және Т₂ транзистор қақпағын кернеудің төменгі деңгейінде сұлбаның шығысында көрініс беру үшін жоғарғы деңгейлік кернеу беру керек. Осылайша, логикалық 1 сигналын ЖӘНЕ-ЕМЕС екі элементтің кірісіне, оның шығысына логикалық 0 сигналы беріледі.

а) б)

Сурет 2.1. nМОП –транзисторындағы НЕМЕСЕ-ЕМЕС (а) және НЕМЕСЕ-ЕМЕС (б) ЛЭ электрлік сұлбасы.

НЕМЕСЕ-ЕМЕС сұлбасында (3.1, б сурет) Т₁ және Т₂ транзисторы параллель қосылған, сондықтан кіріс логикалық 1 сигналының сұлбасынан ең болмағанда біреуін беруде оның шығысы логикалық 0 сигыналына өзгертіледі.

Кіріс m_или бірігу коэффиценті 10-ға тең. Бұл НЕМЕСЕ-ЕМЕС сұлбасындағы m_или саны шынжырдағы кіріс транзисторындасуммарлы ток ағысынан ағып түсетін – шығатын сұлба шығысындағы кернеудің құлау есебінде тек «1» деңгейінде төмендеуі шектелінген. Мұндай тоқ өте аз, m_или салыстырмалы түрде жоғары мәнге ие.

Үлкен кіріс кедергілері және ағыс аз тоқ мәнінде МОП-транзистор ағысының оның негізінде құрылған цифрлық ИС жоғарғы ерекшеліктерге ие (n = 10–20).

Сипаттамалы МОП (КМОП)-жазбасы МОП-транзисторының әр типті өткізгіштерінен тұратын инверторлық сұлба болып табылады (2.2(а)-сурет). Т₁ өткізгішінің n-типті транзистор төсеніші нольдік потенциалға қосылған (жерге), Т₂ – нің p-типті транзисторының төсеніші – оң қорек көзіне, ал екі транзисторлардың затворы біріккен және олар сұлбаның кірісі болып табылады.

КМОП-элементтері nМОП-элементтерінен статикалық режимде аз қуат қолдануымен, сәйкесінше жоғары тездігімен, күшке төтеп беруі (n 15–20) және лог.0 және лог.1 сигналдық деңгейінің құрылғысы есебінде тосқауылға төтеп беру тұрақтылығымен ерекшеленеді (төменгі деңгей – нольге, жоғарғы – кернеу көзіне жақын).

Қарапайым екі кірісті КМОП-тің ЖӘНЕ – ЕМЕС, НЕМЕСЕ – ЕМЕС логикалық элементтерін тура H (High) – активті сигналдарының оң режиміндегі жұмысын қарастырайық (2.2-сурет, а және б). КМОП ИС сериясы көп қолданылатын бұл режимде жоғары кернеу деңгейіне логикалық 1(лог. 1) сигналы, ал төменгі деңгейіне – логикалық 0 сигналы сәйкес.

2.2-сурет. КМОП элементтерінің сұлбасы: инвертор (а), ЖӘНЕ – ЕМЕС (б) және НЕМЕСЕ – ЕМЕС (в)

2.2-суреттен ЖӘНЕ –ЕМЕС функциясын құру үшін тізбектей қсылған nМОП-транзисторлар және параллель қосылған pМОП-транзисторлар қолданылған. НЕМЕСЕ –ЕМЕС функциясын атқару үшін nМОП-транзисторлары параллель қосылады, ал pМОП-транзисторлары тізбектей. Сонымен қатар nМОП және pМОП транзисторларының әрбір жұбының бекіткіштері өзара қосылады және КМОП-элементінің кірмелері болып табылады.

A кірісіне КМОП-элементі ЖӘНЕ – ЕМЕС сигналы логикалық 0 берілген кезде nМОП-транзисторы Т₁ жабылады, ал онымен бекіткіш арқылы жалғанған pМОП-транзисторы Т₃ ашылады. Нәтижесінде элементтің шығуында логикалық 1 сатысықұрылады. A және B кірмелеріне логикалық 1сигналы берілгенде nМОП-транзисторлары Т₁ және Т₂ ашылады, ал nМОП-транзисторлары Т₃ және Т₄ жабылады. Бұл логикалық 0 сигналының элементінің шығуында қалыптасуына әкеледі. Сонымен бірге C_н жүктеу сыйымдылығы әрқашан ашық nМОП- немесе pМОП-транзисторлары арқылы қайта зариядталады, соның нәтижесінде КМОП-элементі оған ұқсас nМОП-элементіне қарағанда тезірек ауыстырылып қосылады.

КМОП элементінің минималды кернеулігі pМОП транзисторының U_пор.p ашуының табалдырықты кернеулігімен анықталады, себебі ол nМОП-транзисторының U_пор.n кернеулігінен үлкен. Бұл жағдайда кедергілерге тура жоғарлайды және тез іске қосылуы жақсарады. КМОП элементтері НЕМЕСЕ – ЕМЕС (3.2(в)-сурет) дәл солай жұмыс жасайды, бірақ оның шығуында логикалық 1 сигналы құрылады, A және B сигналдарының логикалық 0. шығуларына бірдей берілмеуде ғана. әдетте КМОП элементтерінің бірігу коэффиценті шығуына қарай 4 (m 4) үлкен болмайды.

КМОП ЖӘНЕ – ЕМЕС және НЕМЕС – ЕМЕС элементтерін nМОП элементтерімен салыстырғанда КМОП элементтеріндегі бірдей функциялар орындалғанда транзисторлар саны көбірек қолданылады. Кейде шамалары тым көп болып, оларды кемшілік деуге болады.

Алайда қуаттың өте кіші мөлшерде қолдануы және іске қосылуының жоғары болуы КМОП элементінің қолданылуын жоғарылатады, әсіресе өте үлкен интегралды схемаларды өңдеуде.

Лабораториялық жұмысқа тапсырма және оның орындалу реті:

1. Electronics Workbench(EWB) бағдарламалық кешенінің көмегімен nМДП ЕМЕС логикалық элементінің жұмыс істеу принципін зерттеңіз.

2. EWB немесе Multisim бағдарламалық кешенінің көмегімен екі кірісті nМДП ЖӘНЕ-ЕМЕС және НЕМЕСЕ-ЕМЕС логикалық элементте-рінің сұлбаларының жүмыс істеу принципін зерттеңіз.

3. ЖӘНЕ-ЕМЕС nМДП-сұлбаның динамикалық режимде жұмысын зерттеңіз.

4. EWB немесе Multisim бағдарламалық кешенінің көмегімен КМДП ЕМЕС, ЖӘНЕ-ЕМЕС және НЕМЕСЕ-ЕМЕС логикалық элементтерінің сұлбаларының жұмыс істеу принципін зерттеңіз.

Бақылау сұрақтары:

1. nМОП-сұлбалары полярлығы қандай сигналмен басқарылады?

2. ЖӘНЕ-ЕМЕС (НЕМЕСЕ-ЕМЕС) логикалық функцияларын іске асыратын МДП ЛЭ-дағы ауыстырғыш транзисторлардың максималды саны (кірістер бойынша бірігу коэфициенті ) қаншаға тең?

3. МДП транзисторлардағы сұлбалардың ТТЛ- және ЭСЛ-сұлбаларымен салыстырғанда қандай артықшылықтары мен кемшіліктері бар?

4. КМОП логикалық элементтерінің nМОП логикалық элементтерімен салыстырғанда қандай артықшылықтары барын атап көрсетіңдер?

5. КМОП логикалық элементтерінің nМОП логикалық элементтерімен салыстырғанда артықшылықтары қандай?