_{МИНОБРНАУКИ РОССИИ}

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра РТЭ

отчет

по лабораторной работе №6

по дисциплине «Функциональные узлы и устройства микроэлектроники»

Тема: Исследование интегральной логической схемы ТТЛ

Студенты гр. 5201		Акимов Д.И.
		Вакула Н.В.
		Захаренкова К.О.
		Никитенко С.А.
Преподаватель		Тупицын А.Д.

Санкт-Петербург

2018

Цель работы: Ознакомление с принципом действия, схемотехническими особенностями, конструкцией и назначением логической схемы типа ТТЛ и определение ее основных параметров и характеристик.

Описание объекта исследования

• работе исследуется микросхема К155ЛА3, содержащая в своѐм составе четыре двухвходовых элемента, реализующих функцию 2И-НЕ. Принципиальная схема одного элемента приведена на рисунке 1.

Схема работает следующим образом. При низких логических уровнях на

Рисунок 1 - Принципиальная схема элемента,

реализующего функцию 2И-НЕ

обоих входах ИС (эмиттерах двухэмиттерного транзистора VT1) входные токи максимальны и ограничиваются в основном только сопротивлением в цепи базы двухэмиттерного транзистора R1. При этом входной транзистор VT1 насыщен и потенциал его коллектора, равный потенциалу базы следующего транзистора VT2, близок к потенциалу общей точки схемы – нулю. При этом транзистор VT2 закрывается, так как потенциал его базы не превышает потенциал его эмиттера. Это приводит к повышению потенциала базы верхнего выходного транзистора VT3, отпирая его, и к понижению практически до нуля потенциала базы нижнего выходного транзистора VT4, запирая его. При этом на выходе ИС напряжение высокого уровня. Отметим, что ИС работает таким же образом при подаче напряжения низкого логического уровня хотя бы на один из входов.

При подаче напряжений высокого уровня на оба входа переход эмиттер-база входного двухэмиттерного транзистора закрывается, его коллекторный переход переходит в режим прямого смещения и его коллекторный ток, являющийся базовым током транзистора VT2, резко увеличивается, открывая VT2. Это приводит к повышению потенциала базы нижнего выходного транзистора VT4, переводя его в режим насыщения, и к понижению потенциала базы верхнего выходного транзистора VT3. Управляющее напряжение база-эмиттер транзистора VT3 определяется разностью напряжения насыщения коллектор-эмиттер транзистора VT2 и суммы двух напряжений – напряжения коллектор-база насыщенного нижнего выходного транзистора VT4 и прямого падения напряжения на диоде VD1 в эмиттерной цепи верхнего выходного транзистора VT3. Сумма этих напряжений заведомо превышает напряжение насыщения коллектор-эмиттер предоконечного транзистора, что означает приложение между базой и эмиттером верхнего выходного транзистора VT3 нулевого или малого отрицательного напряжения, запирающего эмиттерный переход и сам транзистор. Таким образом, в рассматриваемых условиях верхний транзистор VT3 закрыт, нижний VT4 открыт и на выходе напряжение низкого логического уровня.

Рисунок 2 – Входная характеристика ИС

Входная характеристика ИС, изображена на рисунке 2. При малых уровнях входного сигнала, что соответствует запертому состоянию нижнего выходного

транзистора VT4, выходное напряжение практически не меняется. С одновременным увеличением входного напряжения на обоих входах начинает открываться предоконечный транзистор VT2 и появляются токи, текущие через резисторы R2 и R3 в базовых цепях выходных транзисторов. Их сопротивления определяют наклон характеристики. При полном открывании предоконечного транзистора VT2 открывается нижний выходной транзистор VT4 и закрывается верхний VT3. Выходное напряжение ИС стабилизируется на уровне логического нуля. В процессе одновременного открывания нижнего и закрывания верхнего выходного транзисторов и наоборот имеется короткий промежуток времени, в течение которого открыты оба транзистора. При этом возникают так называемые сквозные токи, увеличивающие нагрузку на источник питания. Особенно их влияния существенно, когда микросхема работает в импульсном режиме при большой частоте следования импульсов с малой длительностью.

Рассмотрим входную характеристику микросхемы, представленную на рисунке 2. При больших значениях U_вх , превышающих напряжение на базе, входной транзистор VT1 находится в инверсном режиме. При этом наблюдается небольшой ток, втекающий в эмиттер. С уменьшением U_вх входной транзистор переходит в режим насыщения и входной ток меняет направление – становится вытекающим (отрицательным на рис. 2) и растѐт по абсолютной величине.

Для увеличения быстродействия микросхем ТТЛ применяются диоды Шоттки, имеющие малое прямое напряжение и высокое быстродействие. При подключении такого диода между базой и коллектором предоконечного транзистора VT2, диод будет отпираться раньше, чем коллекторный переход, и транзистор не перейдѐт в режим глубокого насыщения, что приведѐт к меньшему накоплению заряда в его базе и, следовательно, к повышению быстродействия.

Описание измерительной установки

• работе исследуются параметры и характеристики логической интегральной микросхемы ТТЛ типа К155ЛА3. Блок-схема экспериментальной установки приведена на рис. 3. Она состоит из исследуемой интегральной схемы DD1, источника напряжения еѐ питания ИП2, измерителей тока питания I_пит. и нагрузки I_н., вольтметра V₁ для измерения выходного напряжения ИС. Ключи K₁ и K₂ позволяют подавать на входы ИС напряжения низкого логического уровня, соединяя их с общей точкой схемы, или высокого при подключении к измерительной установке источника напряжения ИП1 с помощью K₃. В другом положении ключа на входы ИС подаѐтся импульсное напряжение от генератора прямоугольных импульсов G как показано на рис. 3. Для наблюдения формы и амплитуды входных и выходных импульсов ИС, а также – для проведения временных измерений, используется двухлучевой осциллограф.

Рисунок 3 – Блок схема экспериментальной установки

Обработка результатов эксперимента.

1. Исследование передаточной характеристики ис при напряжении ее питания равном 4 в и 5 в.

Таблица 1 – Передаточные характеристики ИС

Uпит = 5 В					Uпит = 4 В
Uвх, В	Uвых, В	Iвх, мкА	Iпит, мА	Uвх, В		Uвых, В	Iвх, мкА	Iпит, мА
0,1	3,8	750	13,5	0,1		3	620	8,5
0,2	3,7	750	13,5	0,2		3	600	8,5
0,3	3,6	750	13,5	0,3		2,9	580	8,5
0,4	3,5	750	13,75	0,4		2,8	560	8,5
0,5	3,2	725	14,5	0,5		2,7	540	8,5
0,51	3,1	720	14,6	0,6		2,6	520	8,5
0,52	3,05	719	14,8	0,7		2,4	500	9
0,53	3	715	15	0,8		2	470	10
0,54	2,95	711	15,25	0,83		1,8	460	10,5
0,55	2,9	710	15,5	0,84		1,8	458	10,75
0,56	2,75	705	16	0,85		1,7	452	11
0,57	2,6	700	16,5	0,86		1,6	450	11,5
0,58	2,45	695	17	0,87		1,5	448	11,75
0,59	2,35	690	17,5	0,88		1,4	442	12
0,6	2,25	685	18,25	0,89		1,3	440	12,5
0,61	2,15	680	19	0,9		1,2	435	13
0,62	2,05	675	19,5	0,91		1,2	430	13,75
0,63	1,95	670	20	0,92		1	428	14,75
0,64	1,85	670	21	0,93		0,8	420	16,25
0,65	1,75	665	21,5	0,94		0,5	410	18,5
0,66	1,6	660	22,5	0,95		0,4	405	18,5
0,67	1,35	652	24,5	0,96		0,4	400	18,5
0,68	1,15	650	25,75	1		0,3	390	17
0,69	1,05	640	27	1,01		0,1	385	11
0,7	0,56	610	27,5	1,02		0,01	380	10,5
0,71	0,55	600	27	1,1		0,01	330	10,5
0,72	0,52	590	27	1,2		0,01	250	10,5
0,73	0,5	585	27	1,3		0,01	175	10,5
0,74	0,5	580	27	1,4		0,01	100	10,5
0,75	0,48	575	27	1,5		0,01	40	10,5
0,76	0,46	570	27	1,6		0,01	5	10,5
0,77	0,44	570	27	1,7		0,01	-2	10,5
0,78	0,43	560	26,5	1,8		0,01	-2,1	10,5
0,79	0,42	565	26,5	2		0,01	-2,1	10,5
0,8	0,41	560	26,5	3		0,01	-2,4	10,5
0,81	0,37	550	26,2	4		0,01	-2,5	10,5
0,82	0,1	560	17	5		0,01	-3	10,5
0,83	0,04	580	16,5	6		0,01	-3,2	10,5
0,84	0,02	570	16,25	7		0,01	-3,5	10,5
0,85	0,01	570	16,25	8		0,01	-3,7	10,5
0,95	0,01	490	16,25	9		0,01	-4	10,5
1	0,01	450	16,25
1,1	0,01	370	16,25
1,2	0,01	290	16,25
1,3	0,01	210	16,25
1,4	0,01	140	16,25
1,5	0,01	70	16,25
1,6	0,01	15	16,25
1,7	0,01	-8	16,25
1,8	0,01	-10	16,25
2	0,01	-10	16,25
3	0,01	-12	16,25
4	0,01	-13	16,25
5	0,01	-14	16,25
6	0,01	-15	16,25
7	0,01	-16	16,25
8	0,01	-17	16,25
9	0,01	-20	16,25

Рисунок 4 – Передаточная характеристика ИС

Рисунок 5 – Зависимость I_вх от U_вх

Рисунок 6 – Зависимость I_пит от U_вх

Определим параметры помехоустойчивости по передаточной характеристике:

Рисунок 7 – Определение параметров помехоустойчивости

При U_пит = 5 В:

U_п0 = 3,8 – 0,5 = 3,2 В

U_п1 = 0,76 – 0,01 = 0,75 В

При U_пит = 4 В:

U_п0 = 3 – 0,81 = 2,19 В

U_п1 = 0,97 – 0,01 = 0,96 В